DE2150730C3 - Gerät zur Feststellung der Anwesenheit eines Objekts zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger - Google Patents

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 R_n, 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 R_2n 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 R_lu 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)

Patentansprüche:

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.