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Schaltungsanordnung für den Betrieb eines
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elektroakustischen Wandlers Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
für den Betrieb eines mit einer vor einer feststehenden Elektrode schwingbaren Membranelektrode
ausgerUsteten elektroakustischen Wandlers für die Messung der Laufzeit von Schallwellen
in Gasen, bei der der elektrische Sendeimpuls zur Erregung der schwingbaren Membranelektrode
einer Gleichspannung überlagert ist.
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Derart aufgebaute elektroakustische Wandler werden auch als Sellstrahler
bezeichnet und dienen allgemein der Messung der Laufzeit von Schallwellen in Gasen,
und zwar in der Regel für Entfernungsmessungen oder auch für andere durch Schallreflexion
betriebene Anordnungen. Bei den bekannten elektroakustischen Wandlern der angegebenen
Art wird eine einfache Gleichspannung von einer statischen Gleichspannungsquelle
an die Elektroden angelegt. Diese Gleichspannung ist dann von dem jeweiligen Sendeimpuls,
einem HF-Impuls überlagert Es hat sich gezeigt, daß bei derartigen bekannten Wandlern
eine Polarisation der schwingbaren Membranelektrode auftritt, durch die die angelegte
Gleichspannung allmählich abgebaut wird. Dies hat zur Folge, daß die Empfindlichkeit
des Wandlers gegenüber den reflektierten Schallimpulsen erheblich absinkt und daher
nur eine unzureichende Umwandlung der Veränderungen der akustischen Energie in entsprechende
Veränderungen der elektrischen Energie erreicht wird.
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Nach verhältnismäßig kurzer Zeit sinkt somit die Empfindlichkeit der
gesamten Meßeinrichtung auf ein nicht vertretbares Maß ab. Um diese nachteilige
Wirkung der Po-
larisation zu vermeiden, ist es bisher bekannt,
den Wandler ganz abzuschalten, bis eine Entpolarieierung autgetreten ist. Ferner
ist es bekannt, zum gleichen Zweck von der jeweiligen Bedienungsperson die Gleichspannung
in gewissen Abständen umzuschalten. Hierdurch ergibt sich jedoch ein verhältnismäßig
hoher Aufwand an Schaltungsanordnung bzw. an Bedienung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, die geschilderte
nachteilige Polarisation der schwingbaren Membranelektrode selbsttätig innerhalb
der Schaltungsanordnung in jeweils gewünschtentMaB abzubauen, ohne daß es einer
ständiger Überprüfung der Empfindlichkeit und eines Eingriffs der Bedienungsperson
bedarf, vor allem keiner die Messung unterbrechenden Abschaltung der Meßanordnung.
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Dies wird mit Hilfe einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen
Art nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Gleichspannung in vorgegebenen
zeitlichen Abständen selbsttätig unterbrochen wird oder eine unterbrochene Gleichspannung
unmittelbar erzeugt wird. Diese Unterbrechung kann durch jede Art einer Änderung
der sonst anstehenden Gleichspannung erreicht werden, also einerseits durch kurzzeitiges
Beaufschlagen der Elektroden durch eine Gleichspannung, oder auch durch eine Veränderung
der anliegenden Gleichspannung in einem solchen Maß, daß die gewünschte Entpolarisierung
erzielt wird und dadurch eine Beeinträchtigung der Empfindlichkeit der Gesamtanordnung
vermieden wird. Diese erfindungsgemäße Unterbrechung der Gleichspannung erfolgt
in der Schaltungsanordnung selbsttätig.
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Nach einer Ausftihrungsform der Erfindung wird die Gleichspannung
in von den Sendevorgängen abhängigen zeitlichen Abständen umgepolt. Der für den
Sendevorgang erforderliche Steuervorgang wird zugleich zur Umpolung der Gleichspannung
herangezogen. Es erfolgt also hier die erfindungsgemäße
Unterbrechung
der Gleichapannung selbsttätig in Abhängigkeit von der Steuerung des elektroakustischen
Wandlers durch Anlegen verschieden gepolter Gleichspannungen.
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Hierbei ist es in weiterer Ausbildung der Erfindung zweckmäßig, daß
an jede Elektrode eine Gleichspannungsquelle gleicher Richtung angeschlossen ist
und zur Umpolung der an den Elektroden wirksamen Gleichspannung jeweils der Ausgang
eines impulsgesteuerten elektronischen Schaltglieds angeschlossen ist, das im Leitungszustand
jeweils die zugehörige Gleichspannung gegenüber Masse kurzschließt. Durch einfache
elektronische Steuermaßnahmen, nämlich durch Ansteuerung der elektronischen Schaltglieder
mit Hilfe von aus der Anordnung abgeleiteten Steuerimpulsen läßt sich somit die
erfindungsgemäße selbsttätige Unterbrechung der Gleichspannung bewerkstelligen,
so daß die Polarisation in gewünschtem Maß gehalten und damit die Empfindlichkeit
der Gesamtanordnung im gewünschen Maß aufrechterhalten wird. Dabei ist es zweckmäßig,
wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung die elektronischen Schaltglieder als Schalttransistoren
ausgebildet sind und die Sendeimpulse auf die Eingänge zweier Transistoren geführt
sind, deren Ausgänge jeweils an eine Elektrode angeschlossen sind. Je nach dem Polungszustand
der elektronischen Schaltglieder wird somit der Sendeimpuls auf die jeweils nicht
an Masse angelegte Elektrode des Wandlers geleitet.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Gleichspannung
in jedem Sendevorgang durch Gleichrichtung des Sendeimpulses selbst erzeugt. Hierdurch
findet zur Aufrechterhaltung der Empfindlichkeit der Gesamtanordnung eine Selbstpolarisation
der schwingbaren Membranelektrode statt. Es wird für die Dauer des Sende- und Reflexionsvorgangs
eine Gleichspannung erzeugt, die so hoch ist, daß bei Rückkehr der Druckwelle eine
ausreichend große Gleichspannung vorhanden ist, um ein ausreichend
großes
elektrisches Empfangssignal zu erzeugen. Erreicht wird dies durch einfache Schaltungsmittel
und ohne zusätzliche Gleichspannungsquellen und dafür vorgesehene Steuermittel.
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Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art mit einem
den elektrischen Sendeimpuls abgebenden Sender ist es in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung ausgehend von dem vorstehend geschilderten Erfindungsgedanken zweckmäßig,
wenn das den Sendeimpuls darstellende Ausgangssignal des Senders einerseits unmittelbar
den Elektroden des Wandlers und andererseits einer Gleichrichterschaltung zugeführt
wird, deren Ausgang an die Wandlerelektroden angeschlossen ist. Es enthält hierdurch
mit einfachen Mitteln die Gesamtanordnung sämtliche einfache Bauteile zur Erzeugung
der gewünschten Gleichspannung. Zweckmäßig ist dabei dem Sender ein Impulsformer
vorgeschaltet, dessen Ausgangssignal in Impulsbreite und -höhe auf die zur Gleichspannungserzeugung
erforderliche Größe einstellbar ist. Auf diese Weise läßt sich die gewünschte Selbstpolarisation
optimal einstellen und damit die Empfindlichkeit der Gesamtanordnung optimal aufrechterhalten.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausftihrungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung sind nur diejenigen Bestandteile
der Schaltungsanordnung dargestellt, die zur Erläuterung der Erfindung bsitragen.
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Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausftmrungsform der Erfindung,
bei der die Gleichspannung in von den Sendevorgängen abhängigen zeitlichen Abständen
umgepolt wird, Fig. 2 ein weitgehend als Blockschaltbild gehaltenes Schaltbild einer
zweiten Ausführngsform der Er-
findung, bei der die Gleichspannung
in jedem Sendevorgang durch Gleichrichtung des Sendeimpulses selbst erzeugt wird.
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Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung in beiden Ausführungsformen
wird durch einen elektrischen Hochfrequenziipuls der elektroakustische Wandler dazu
angeregt, über seine schwingbare Membranelektrode einen Ultraschallimpuls abzustrahlen.
Nach Reflexion dieses Ultraschallimpulses am jeweiligen Meßobjekt und seinem Wiedereintreffen
am Wandler wird die Druckschwankung am Wandler in einen elektrischen Impuls umgewandelt
und, nach Verstärkung, dem jeweiligen Muttergerät zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
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Bei der Ausfüurungsform nach Fig, 1 bezeichnen Kl und K2 die beiden
Elektroden des elektroakustischen Wandlers K, eines Sellstrahlers, wobei eine dieser
Elektroden die schwingbare Membranelektrode bildet. An jeder Elektrode K1 und K2
liegt über die Widerstände Ri und R2 eine positive Gleichspannung von plus 250V
im AusfUhrungsbeispiel an. Ferner ist an jede Elektrode K1 bzw. K2 der Ausgang eines
Schalttransistors T2 bzw. T4 angeschlossen.
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Die Eingänge dieser Schalttransistoren T2 und T4 werden durch Steuerimpulse
E2 und E3 beaufschlagt, und zwar abwechselnd bei jedem Sendeimpuls EI bzw. nach
einer gleichen Zahl von derartigen Sendeimpulsen. Die Impulsformen E7 bis E3 sind
für Sendeperiode in Fig. 1 schematisch dargestellt.
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Ferner ist jeweils an die Elektroden K1 bzw. K2 der Ausgang jeweils
eines Transistors T7 bzw. T3 angeschlossen. Diese Transistoren T1 und T3 empfangen
auf ihren Eingängen den Hochfrequenz-Sendeimpuls E7. Die nicht bezeichneten, in
der Zeichnung dargestellten Schaltungselemente dienen der Einstellung der Betriebsdaten
der jeweiligen aktiven Schaltungselemente und werden im einzelnen nicht erläutert.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung ist die folgende: In
einem ersten Betriebszustand möge der Schalttransistor T4 durch den Impuls E3 eingeschaltet
und damit leitend sein. Die Elektrode K2 des Wandlers K liegt somit über den Schalttransistor
T4 an Masse an. Damit ist auch die Gleichspannung an R2 kurzgeschlossen. An der
Elektrode K1 liegt über R1 die Vorspannung von plus 250V an. Der Sendeimpuls El
wird über den Transistor T1 an die Elektrode Kl geleitet, um den Wandler zur Abgabe
des entsprechenden Ultraschallimpulses anzuregen.
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Im zweiten Betriebszustand, gemäß dem dargestellten Impulsplan also
bei Erscheinen des zweiten Sendeimpulses EI, ist T4 abgeschaltet und damit gesperrt,
während der Schalttransistor T2 eingeschaltet und leitend ist. Somit liegt die Elektrode
K7 Uber den Schalttransistor T2 an Masse, die Gleichspannung an R1 ist kurzgeschlossen.
Dagegen liegt jetzt die Vorspannung von plus 250V huber R2 an der Elektrode K2.
Der Sendeimpuls EI wird somit über den Transistor T3 an die Elektrode K2 geleitet,
um den Ultraschall impuls anzuregen.
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Somit wird also die an den Elektroden KI und K2 jeweils anliegende
Gleichspannung umgepolt, wobei sich im Ausführungsbeispiel die Umpolung von Sendetakt
zu Sendetakt wiederholt, es kann jedoch eine solche Umpolung auch nach einer jeweils
vorgewählten gleichen Gruppe von Sendeimpulsen bzw. Takten der Steuerimpulse E2
und E 3 durchgeführt werden. Die Umschaltung erfolgt über die Steuerimpulse E2 und
E3 von solchen Impulsen, die von dem nicht dargestellten, in der Gesamtanordnung
jedoch vorhandenen Steuergenerator abgeleitet werden und damit synchron mit dem
Meßablauf, also dem Erscheinen des Sendeimpulses El, sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird in anderer Weg zur Erzeugung
der jeweils unterbrochenen Gleichspannung beschritten. Es wird dabei die Gleichspannung
in jedem Sendevorgang durch Gleichrichtung des
Sendeimpulses selbst
erzeugt. Eine Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt.
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Der vom jeweiligen Muttergerät gelieferte Steuerimpuls wird im Steuerimpulsformer
SI auf eine für Sender und Wandler optimale Impulsbreite geformt. Zur Einstellung
der Impulsbreite ist schematisch in Fig. 2 beim Steuerimpulsformer SI ein Potentiometer
P eingezeichnet.
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Das Signal des Steuerimpulsformers wird als Steuersignal dem Sender
S zugeführt. Über den Impulstransformator IF wird eine Anpassung zwischen Sender
und elektroakustischem Wandler W erzeugt. Der Sendeimpuls wird über den Kondensator
C1 direkt der jeweiligen Elektrode des Wandlers W zugeführt. Gleichzeitig wird über
den Kondensator C2 und die beiden Dioden D1 und D2 eine Gleichspannung erzeugt,
die die gewünschte Vorspannung der Elektroden des Wandlers W bildet. Der Wandler
W erzeugt in bereits beschriebener Weise den Ultraschallimpuls, der abgestrahlt
wird. Trifft eine Reflektion des Ultraschallimpulses auf den vorpolarisierten Wandler
auf, dann wird ein entsprechender elektrischer Impuls erzeugt und über den Kondensator
C1 und den Widerstand R dem Verstärker V zugeführt, um dann weiterverarbeitet zu
werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Unterbrechung der
jeweils an die Wandlerelektroden angelegten Gleichspannung besteht darin, daß die
Unterbrechung der Gleichspannung durch einen vom Sendeimpuls selbst abgeleiteten
Wechselspannungsimpuls erzeugt wird, dessen Spannung bis nahe an die Grenze der
Durchschlagspannung dedMembranelektrode bemessen ist. Es wird somit die Membranelektrode
durch einen hohen Wechselspannungsimpuls bewußt für eine bestimmte Zeit polarisiert.
Wird die Spannung dieses Wechselspannungsimpulses in der angegebenen Art bemessen,
so wird die Membranelektrode vor jedem durch die Reflektion erzeugten Impuls erneut
vorpolarisiert, so daß ein optimaler Ultraschallempfang er-
möglicht
wird. Die auf diese Weise ionisierte Membranelektrode, die in aller Regel als Folie
abgebildet ist, gleicht in ihrer Wirkung der einer Elekzetfolie oder der mit Gleichspannung
vorgespannten Sellstrahlerfolie.
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Diese AusfUhrungsform der Erfindung ergibt sich aus der Schaltungsanordnung
nach Fig. 2, wenn die Kondensatoren C1 und C2 und die Dioden D7 und D2 fortgelassen
werden. Auch bei dieser Ausführungsform kann über den Steuerimpulsformer SI die
Impulsbreite und die Spannung derart eingestellt werden, daß die schwingbare Membranelektrode
des Wandlers optimal vorpolarisiert wird.