DE2150730C3 - Gerät zur Feststellung der Anwesenheit eines Objekts zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger - Google Patents
Gerät zur Feststellung der Anwesenheit eines Objekts zwischen einem Ultraschallsender und einem UltraschallempfängerInfo
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- H03K—PULSE TECHNIQUE
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- H03K17/945—Proximity switches
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Feststellung der Anwesenheit eines Objekts zwischen einem UI-traschallscndcr
mit Oszillator, Sendeverstärkei und Sendcwandler und einem Ultraschallempfänger mit
Empfangswandlcr und Empfangsvcrstärker sowie einer Rückkopplungsschleife vom Empfänger zum Sender.
Wenn Sende- und Empfangswandlcr einander gegenüber aufgestellt sind und beispielsweise ein
Mensch oder ein anderes Hindernis zwischen die beiden Wandler kommt, soll die auf den Empfangswandler
fallende I lltraschallintensität so weit absinken, daß
ein an den Empfangsverstärker angeschlossener Schalter od. dgl. betätigt wird und irgendweiche
Überwachungsfunktionen auslöst. Wegen der starken Beugung der Ultraschallwellen ist aber die Intensitätsschwächung
häufig zu gering, um eine Auslösung des Schalters zu gewähr leisten.
Um die Intensitätsändcrungen zwischen Anwesenheit
und Abwesenheit eines Objekts iin Ultraschallstralil
zu erhöhen, ist in der USA.-Patentschrift
065 455 ein Gerat tier erwähnten Art beschrieben, bei dem die Rückkopplung zwischen Empfangsverstärker
und Scndcverstäi ker so stark ist, daß der Sendeverstärker
schwingt, solange kein Hindernis im Ultraschallstrahl vorhanden ist. Wird die Empfangsintensität
dagegen durch ein Hindernis abgeschwächt, so reicht die Schleifenverstärkuiig nicht mehr aus, um
den Ernpfangsverstärkcr zum Schwingen anzuregen.
Das Auftreten oder Nichtauftreten einer Schwingspannung
in der Rückkopplungsschleife dient zur Anzeige des Hindernisses.
Da bei dieser Anordnung auf der Sendeseite kein eigener frequenzbestimmender Oszillator vorgesehen
ist, wird die Betriebsfrequenz der Anordnung instabil, weil sie ausschließlich durch die Schaltungskonstanten
in der gesamten Rückkopplungsschleife bestimmt ist. Dies kann zu gegenseitigen Interferenzen führen,
wenn zwei "der mehr Geräte dieser Art nebeneinander angeordnet sind. Die dadurch entstehenden
Schwebungen sind sehr unerwünscht, weil sie unbeabsichtigte Auslösungen der Überwachungsschalter
herbeiführen können. Ferner müssen die Phasenverhältnisse in der Rückkopplungsschleife stets genau auf
die Strecke ziwscheii Ultraschallsender und UJ3raschallempfänger
abgestimmt sein; eine Schwankung dieser Phasenbeziehungen ergibt einen unregelmäßigen
oder ganz ausbleibenden Schwingungseinsatz. Das in der britischen Patentschrift 953872 be-
2S schriebene Gerät beruht auf einem anderen Meßprinzip,
nämlich auf der unterschiedlichen !,aufzeit von Impulsen, d:e an einem Hindernis reflektiert werden,
und an der gegenüberliegenden Wand der Meßstrecke reflektierten Impulsen. Solche Geräte benötigen von
vornherein einen wesentlich höheren Schaltungsaufwand als das eingangs beschriebene Gerät. Auch können
leicht störende Mehrfachreflexionen das Vorhandensein eines Hindernisses vortäuschen, und die
Stärke der Echoimpulse ist von den Reflexionseigenschäften der verschiedenen Hindernisse abhängig.
Die Erfindung hat die Aufgabe, das eingangs erwähnte
Gerät so zu verbessern, daß einerseits die Empfindlichkeit gesteigert und andererseits die Gefahr
gegenseitiger Interferenzen ausgeschaltet wird.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Gerat dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeoszillator unabhängig
von der Rückkopplung selhsterregt ist und daß die Rückkopplungsschleife vom Empfangsverstärker
über einen Gleichrichter zu dem regelbaren Sendeverstärker führt.
Dank der Erfindung läßt sich die Abschaltcharakteristik
des Gerales frei wählen, ohne daß Interferenzen benachbarter Geräte befürchtet werden müssen.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anderen Ausfüh·
rungsform der Erfindung,
F i g. 3 A das Schaltbild eines Verstärkers mit ι egel
barer Verstärkung,
F i g. 3 B das Schaltbild eines Dämpf ungsghedes mi
regelbarer Dämpfung,
Fig. 4 die grafische Darstellung des Zusammen
hangs zwischen Feldschwächung und Abschaltpegel Fig. 5 eine Skizze zur Erläuterung der Ausbrei
tungsverhältnisse der Ultraschallwellen und
Fig. 6 das Schaltbild eines praktischen Ausfüh
rungsbcispiels der Erfindung.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bilden eil
Oszillator A konstanter Frequenz, ein Verstärker I mit regelbarer Verstärkung und ein Sendewandler (
den Sender S, während der Empfänger R aus einem Empfangswandler D, einem Empfangsverstärker E,
einem Gleichrichter Fund einem Schalter G besteht. Vom Gleichrichter F führt eine positive Rückkopplungsschleife
H zum Sendeverstärk^r B. Ferner ist gegebenenfalls ein Schalter J auf der Sendeseite vorgesehen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet
sich von demjenigen nach Fig. 1 nur darin, daß der regelbare Verstärker B durch ein regelbares Dämpfungsglicd
J ersetzt ist, dem ein normaler Verstärker AT nachgeschaltet ist.
Die Ausbreitungsverhältnisse eines solchen Ultraschall-Untersuchungsgerätes
sind in Fig. 5 skizziert. Die Ultraschallwellen gelangen nicht nur direkt vom l$
Sender S zum Empfänger R, sondern werden auch an den Wänden des Raumes u.dgl. gestreut. Wenn der
direkte Strahl W durch ein Hindernis M unterbrochen wird, kann ein beträchtlicher Anteil der Ultraschallenergie
doch noch über den an der Wand reflektierten ao
Strahl L zum Empfänger gelangen.
Deswegen ist keine zuverlässige Abschaltung gewährleistet,
wenn die Empfindlichkeit des Gerätes gegen Intensitätsänderungen nicht gesteigert werden
kann. Diese Empfindlichkeitssteigerung wird durch a5
die Rückkopplung bewirkt.
Beim Betrieb des Gerätes nach F i g. 1 gibt der Oszillator A eine llltraschallfrequenz (40 kHz) ab, die
dem regelbaren Verstärker B zugeführt wird. Die Ausgangsenergie des Verstärkers wird dann auf die
mechanischen Schwinger im !Sendewandler C gegeben, der eine Ultraschallwelle an die Luft abgibt.
Wenn diese Ultraschallwelle auf den Empfangswandler D fällt, so wird in diesem eiine schwache Spannung
induziert, die verstärkt und gleicH^-rirhtet wird. Ein
Teil der gleichgerichteten Spannung wird über die Rückkopplungsschleife H auf den Verstärker B gegeben,
um dessen Verstärkungsgrad so zu steuern, daß die ausgesandte Ultraschallwelle mit zunehmender
Empfangsintensität stärker wird.
Im Falle der F i g. 2 wird statt des steuerbaren Verstärkers
ein steuerbares Dämpfungsglied verwendet.
Fig. 3 A und 3 B zeigen die Schaltungen des steuerharen
Verstärkers und des steuerbaren Dämpfungsgliedes.
Wenn nun ein Hindernis M zwischen Sendewandler und Empfangswandler gemäß Fig. 5 eingeführt
wird, nimmt die Intensität des empfangenen Signals ab; diese verringerte Empfangsspannung wirkt über
die Rückkopplungsschlcife H auf den Sender zurück, so daß die vom Sendewandler abgegebene Schallintensität
abnimmt. Dadurch wird die von dem Hindernis M erzeugte Veränderung des Empfangssignals
Irotz der Streuung über den Umweg L so kräftig, daß der mit dem Empfänger verbundene Schalter sicher
betätigt werden kann.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 4 dargestellt. Die gestrichelte Linie stellt den Verlauf der Eingangsintensität
des Empfangswandlers in Abhängigkeit von der Abschirmung des Senders ohne Rückkopplung
dar, während die ausgezogene Kurve sich auf den Fall mit Rückkopplung bezieht. Wie man sieht, ist die letztere
Kurve insbesondere im Bereich des Schaltpegels erheblich steiler, d. h., die Änderung der Eingangsintensität
mit einer bestimmten Abschirmung ist weit größer. De Kleinstwert der Eingangsintensität soll so
eingestellt werden, daß die Anordnung dem Signalpegel zustrebt, der erforderlich ist, um in Abwesenheit
des Hindernisses M in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
Mit diesem Gerät läßt sich also eine sehr stabile Abschaltung erreichen, und zwar auch dann, wenn das
Gerät x. B. in der Nähe einer Wand angebracht ist. Gegebenenfalls kann die Schwingfrequenz durch entsprechende
Ausbildung des Oszillators frei gewählt werden.
Fig. 6 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ein Transistor 7V1 in ColpiUs-Schaltung dient als
Oszillator, der die Ultraschallfrequenz liefert. Die Oszillatorschaltung A enthält die Vorwiderstände R1
und R2, die Wicklung L, die Kondensatoren C1 und
C2 als frequenzbestimmende Elemente. R3 und R5
sind als Spannungsteiler geschaltete Emitterwiderstände, an denen ein Schwingsignal abgenommen
werden kann.
Dieses Signal wird über einen Widerstand R4 und
Kondensatoren C3 und C4 auf die Basis eines Ausgangstransistors
Tr1 gegeben. Der Widerstand R4 ist
ein Trennwiderstand, der verhindert, daß die Schwingfrequenz durch Veränderungen der nächsten
Stufe beeinflußt wird.
Der Verstärker B enthält einen Transistor Tr^ mit
Vonviderständen R7 und R8 und dem Emitterwiderstand
Rn, der vom Kondensator C5 überbrückt wird.
Das im Transistor Tr3 verstärkte Signal wird über einen
Ausgangstransformator OPT auf den Ultraschallschwinger K1 gegeben, der Ultraschallwellen an
die Luft abgibt.
In der Rückkopplungsschleife H liegen ein Widerstand R9 und ein temperaturabhängiger Widerstand
Th zur Temperaturkompensation des Sendeverstärkers. Der Widerstand R10 und die Diode D1 dienen
zur Steuerung des Verstärkungsgrades in Abhängigkeit von der an der Diode liegenden Stromstärke.
Im Empfänger werden die vom Empfangsschwänger V2 aufgenommenen schwachen Signale in den Transistoren
1\ und T5 verstärkt. Der Widerstand R14 dient
als Vorwiderstand für den Transistor Tr5 und als Lastwiderstand
für den Transistor Tr4. Der Widerstand R16 wirkt als Vorwiderstand des Transistors Tr4 und
liefert eine Gleichstromrückkoppiung. Im Emitterkreis des Transistors Tr4 liegen die Widerstände R17
und VR; der veränderbare Widerstand KR verändert den Stromfluß durch einen Überbrückungskondensator
C7, so daß der Wechselstromanteil der Rückkopplung und damit der Verstärkungsgrad gesteuert werden
kann. Der Widerstand R11 dient zur Verhinderung
der Selbsterregung, die auftre'en könnte, wenn der Kondensator C7 unmittelbar mit dem Emitter des
Transistors Tr5 verbunden würde. Der Widerstand KR wird so eingestellt, daß der Verstärkungygrad bei
großem Abstand zwischen Sende- und Empfangswandler erhöht wird, während b;i geringem Abstand
der Verstärkungsgrad herabgesetzt werden kann. Der Lastwiderstand des Transistors Tr5 ist mit R15 bezeichnet.
Im Gleichrichter F wird das über den Kondensator C6 zugeführte Wechselstromsignal mittels der Dioden
D2 und D1 einer Zweiweg-Gleichrichtung unterworfen
und dann vom Kondensator C8 geglättet. Die Intensität
der einfallenden Ultraschallwelle wird in einem Meßinstrument M' gemessen, dem die negative
Ausgangsspannung über die Diode D4 und den Widerstand R18 zugeführt wird. Die Diode D4 dient zur
Verhinderung eines Ausschlags des Meßinstruments
in Umgekehrter Richtung infolge der über die Widerstände
R12 urid R13 zugeführten positiver. Spannung.
:■·'■■ ■■i-'- - ' ■ : : ■ ■'
pie Schaltvorrichtung G enthält einen Schalttransislor Tr6, Bin dessen Basis die von der Sekundärzelle
des Ausgangstransformators OPT abgeleitete Sendeschwingspannung
nach Gleichrichtung in der Diode D5 angelegt wird. Da das Relais dieser Sch all vorrichtung
ansprechen soll, wenn die Ausgangsspiannung absinkt, wird die gleichgerichtete negative Spannung
der Basis des Transistors TV6 über einen Widerstand S19 zugeführt. Der Transistor Tr6 wird leitend, wei!
zu seiner Basis ein Strom über Widerstand R2n fließen
kann; die Widerstandswerte R19, R20 und R211 sind so
gewählt, daß der Transistor im Falle des Vorhandenseins einer Schwingspannung gesperrt wird. Die Speisespannung
wird an einer Zenerdiode ZD abgenommen, die über Netztransfoimator DT", Gleichrichter
BD und Siebschaltung C10, C11, R22 mit Gleichspannung
versorgt wird.
Am Kondensator C8 tritt eine der empfangenen
Ultraschallintensität entsprechende negative Gleichspannung auf, durch die der Transistor Tr1, der einen
Regelverstärker darstellt, gesteuert wird. Da Tr2 abschalien
soll, wenn die Empfangsintensität groß ist, wird die negative Spannung vom Kondensator C8 der
Basis des Transistors Tr1 über einen Widerstand R13
zugeführt. Wenn dagegen die Empfangsintensität ganz oder nahezu verschwindet, wird die Spannung
am Kondensator C„ gleich Null. Da aber der Transizugeführt.
Der Widerstand R'^ ist gemäß der Empfangsintensität,
die zur Sperrung des Transistors Tr2
führen soll, einzustellen. ; : ■
Wenn ein Gleichstrom entsprechend dieser Emp-
S fangsintensität zur Basis des Transistors Tr2 fließt,
wird dieser Transistor- leitend und der Strom fließt durch den Widerstand R10, die Diode D, und den Widerstand
R6ZUm Transistor Tv1. Nimmt die Eingangsspannung an der Basis des Transistors Tr1 zu, so wird
das Eingangssignal des Transistors Tr1 über den Widerstand
R6 geerdet, wodurch die Eingangsspannung zunimmt und der Innenwidcrsland der Diode D1 abnimmt.
Infolgedessen wird der Rückkopplungsgrad verstärkt und der Verstärkungsgrad des Transistors
!;5 Tr3 nimmt ab. Wenn nämlich die Eingangsspannung
des Transistors Tr2 ansteigt, nimmt die Intensität der
ausgcsandicn Ultraschallwelle ab.
Die maximale Ausgangsleistung des Sendeverstärkers wird durch die Rückkopplungsschleife über Wi
ao Verstand R9 und temperatunabhängigen Widers! a n-J
Th bestimmt, während die minimale Ausgangsieistung
von den Widerständen R6 und R10 abhangt.
Wenn die Werte der Widerstände R, und Rlu klein
oder gleich Null gewählt werden, wird die Ausgangs-
*5 leistung des Sendeschwingers gleich Null, falls die
Eingangsspannunp des Transistors Tr2 groß wird, so
daß die ganze Schaltung ihren Betrieb unterbrich!. Aus diesem Grunde sind die Werte dei Widerstände
R2 und R6 so zu wählen, daß noch eine geringe Au1-gangsintensität
verbleibt, wenn die Eingangsspant-ung
stör Tr2 jetzt leitend werden soll, wird die positive des Transistors Tr2 so hoch ist, daß dieser Transistor
Speisespannung dem Transistor über Widerstand R12 seinen vollen Leitungszustand erreicht hat.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Gerät zur Feststellung der Anwesenheit eines Objekts zwischen einem Ultraschallsender mit
Oszillator, Sendeverstärker und Sendewandler, und ernem Ultraschallempfänger mit Empfangswandler
und Empfangsverstärker, sowie mit einer Rückkopplungsschleife vom Empfänger zum Sender,
dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (A) unabhängig von der Rückkopplung
selbsterregt ist und daß die Rückkopplungsschleife (H) von dem Empfangsverstärker (E) über einen
Gleichrichter (F) zu dem regelbaren Sendeverstärker (ß, J) führt.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnei, daß die Ausgangsklemme des Sende .'erstärkcrs(ß)
über die Reihenschaltung einer Diode (D1) und eines Widerstandes (A10) sowie des Kollektor-Emitterkreises eines Transistors (Tr1) geerdet
ist und daß eine Rückkopplungsgleichspannungvom
Empfangsgleichrichter (F) auf die Basis des Transistors gegeben wird, so daß der Transistor
je nach der Intensität der auf den Empfangswandler (D) einfallenden Ultraschallwelle mehr
oder weniger leitend wird und dadurch den Verstärkungsgrad des Sendeverstärkers regelt.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines den Sendeverstärker
bildendenTransistors(7>3) über einen Kondensator
(C4) mit der Verbindungsstelle der Serienschallungaus
Diode und Widerstand und des Regcltransistors (Tr2) verbunden ist.
4. Gerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zwischen den Regeltransistor (Tr2)
und den Kondensator (C4) eingefügten Widerstand (R6), der verhindert, daß ('er Sendeverstärker
zu weit heruntergeregelt wird.
Applications Claiming Priority (2)
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JP4356571U JPS48257U (de) | 1971-05-26 | 1971-05-26 |
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ID=26383359
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Legal Events
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |