DE3783748T2 - Antriebsgeraet fuer ein ultraschallhorn und verfahren mit aktivem frequenznachlauf. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung und ein eine solche Vorrichtung aufweisendes System und ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallhorns und insbesondere eine Methode, bei der die Resonanzfrequenz des Horns in einer Betriebsumgebung periodisch bestimmt und die Frequenz eines Hornansteuersignals eingestellt wird, um der bestimmten Resonanzfrequenz des Horns zu entsprechen.
• Ultraschallhörner werden in klinischen Analysegeräten der Art verwendet, bei denen eine Serie von Küvetten auf einer Bandeinrichtung durch ein temperaturgeregeltes Flüssigkeitsbad läuft, um so in den Küvetten enthaltene Flüssigkeitslösungen auf die Badtemperatur zu bringen. Das Horn hat die Aufgabe, feste Reagenstabletten in den Flüssigkeitslösungen in den Küvetten aufzulösen, während die Bandeinrichtung gleichzeitig die Küvetten innerhalb des Betriebsbereichs des Horns fördert.
• Bei den bekannten Systemen wird das Horn von einem Signal unveränderlicher Frequenz angesteuert, die einer angenommenen Resonanzfrequenz für das Horn entspricht. Es ist ersichtlich, daß ein maximaler Wirkungsgrad erzielt wird, d. h. daß von dem Horn erzeugte Ultraschallwellen die größte Amplitude bei einer bestimmten unveränderlichen Amplitude des Ansteuersignals haben, wenn die Frequenz des Ansteuersignals auf die Resonanzfrequenz des Horns in einer tatsächlichen Betriebsumgebung abgestimmt ist. Außerdem versteht es sich, daß, wenn eine Resonanzfrequenz für das Horn zum Herstellungszeitpunkt festgelegt und eine Ansteuerschaltung für das Horn eingestellt wird, um eine Anpassung an die festgelegte Resonanzfrequenz zu bewirken, die Betriebsumgebung, in der das Horn angeordnet ist, d. h. Luft oder Flüssigkeit, sowie veränderliche Temperaturen und verschiedene Dichten von flüssigen Lösungen in Küvetten, die sich im Betriebsbereich des Horns bewegen, sämtlich die Wirkung haben, die ursprünglich angenommene Resonanzfrequenz zu ändern.
• Soweit bekannt ist, wurde bisher kein Verfahren oder System vorgeschlagen, um ein Ultraschallhorn in einer veränderlichen Umgebung zu betreiben, während gleichzeitig ein aktiver Nachlauf der Resonanzfrequenz des Horns stattfindet und eine entsprechende Einstellung der Frequenz des Ansteuersignals für das Horn durchgeführt wird.
• Gemäß der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Betrieb eines Ultraschallhorns unter veränderlichen Lastbedingungen folgendes auf: eine Frequenzabtast- und -ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Horns mit einem Ansteuersignal vorgegebener Amplitude und Frequenz, eine Rückkoppeleinrichtung in der Nähe des Horns zur Erfassung der unter Ansteuerung durch die Frequenzabtast- und -ansteuereinrichtung vom Horn kommenden Schwingungswellen im Ultraschallbereich, eine Gleichrichtereinrichtung zur Erfassung des Ausgangssignals der Rückkoppeleinrichtung und zur Bildung eines Amplitudensignals, das der Amplitude des Ausgangssignals entspricht, eine Detektiereinrichtung zur Bildung eines Spitzenwertsignals, das dem Maximalpegel des während eines ersten Abtastzyklus der Abtast- und Ansteuereinrichtung erhaltenen Amplitudensignals entspricht, wobei das Ansteuersignal eine unveränderliche Amplitude hat, während seine Frequenz zwischen Grenzwerten um eine Sollresonanzfrequenz veränderlich ist, eine Vergleichereinrichtung zum Vergleichen des Amplitudensignals und des Spitzenwertsignals miteinander während eines zweiten Abtastzyklus der Abtast- und Ansteuereinrichtung zwischen den Frequenzgrenzen bei dem Ansteuersignal mit unveränderlicher Amplitude und zum Erzeugen eines Abstimmsignals, das eine Resonanzbedingung des Horns bezeichnet, wenn das Amplituden- und das Spitzenwertsignal im wesentlichen übereinstimmen, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des ersten und des zweiten Abtastzyklus und zum Unterbrechen des zweiten Abtastzyklus aufgrund des Anpassungssignals sowie zum Aktivieren der Abtast- und Ansteuereinrichtung, um das Horn fortgesetzt über einen vorbestimmten Zeitraum mit einer Frequenz zu betätigen, die der Resonanzbedingung entspricht.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Nachlauf der Betriebsresonanzfrequenz eines Ultraschallhorns mit Sollresonanzfrequenz folgende Schritte auf: Ansteuern des Horns mit einem Signal einer unveränderlichen Amplitude unter gleichzeitiger Änderung der Frequenz des Ansteuersignals über einen ersten Abtastzyklus zwischen Grenzwerten um die Sollresonanzfrequenz, Erfassen der von dem Horn während des ersten Abtastzyklus kommenden Schwingungswellen im Ultraschallbereich, Erzeugen eines in Frequenz und Amplitude den Ultraschallwellen entsprechenden Rückkoppelsignals, Bilden eines Amplitudensignals, das die Amplitude des Rückkoppelsignals über den Abtastzyklus repräsentiert, Erfassen und Halten des Spitzenwerts des Amplitudensignals, um dadurch ein Spitzenwertsignal zu bilden, das dem Maximalpegel des Amplitudensignals entspricht, der über den ersten Abtastzyklus erhalten wurde, Ansteuern des Horns mit dem Ansteuersignal unveränderlicher Amplitude unter gleichzeitiger Änderung der Frequenz des Ansteuersignals über einen zweiten Abtastzyklus zwischen den Grenzwerten, Vergleichen des Amplitudensignals und des Spitzenwertsignals miteinander während des zweiten Abtastzyklus und Erzeugen eines Abstimmsignals, das eine Resonanzbedingung des Horns repräsentiert, wenn das Amplituden- und das Spitzenwertsignal im wesentlichen koinzident sind, und fortgesetztes Ansteuern des Horns mit einer Frequenz, die der Resonanzbedingung entspricht, über einen vorbestimmten Zeitraum.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht eine Vorrichtung und ein Verfahren zum aktiven Nachlauf der Resonanzfrequenz eines Ultraschallhorns in einer Betriebsumgebung und zum Einstellen der Frequenz eines Hornansteuersignals vor, um die Resonanzfrequenz gemäß dem Nachlauf abzustimmen.
• Bevorzugt sieht die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Amplitude des Hornansteuersignals vor, um einen konstanten Amplitudenpegel von von dem Horn erzeugten Ultraschallwellen zu unterhalten, nachdem die Frequenz des Ansteuersignals auf eine zuletzt bestimmte Resonanzfrequenz für das Horn abgestimmt ist.
• Die Erfindung trachtet danach, die Forderung nach hoher Präzision bei der Messung der Resonanzfrequenz von Ultraschallhörnern zum Zeitpunkt ihrer Herstellung zu verringern, indem zugelassen wird, daß die Resonanzfrequenz für das Horn in einer Betriebsumgebung periodisch bestimmt wird und die Frequenz des Hornansteuersignals kontinuierlich auf einen zuletzt bestimmten oder aktualisierten Wert für die Resonanzfrequenz des Horns abgestimmt wird.
• Bevorzugt sieht die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallhorns vor, wobei ein bevorstehender Ausfall des Horns vorher detektiert werden kann, da sich das Horn im Gebrauch mit der Zeit verschlechtert.
• Die verschiedenen neuen Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind im einzelnen in den beigefügten Ansprüchen beschrieben, die Teil der vorliegenden Offenbarung sind. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer betriebsmäßigen Vorteile und der durch ihre Anwendung erreichten speziellen Ziele wird auf die beigefügte Zeichnung und die Beschreibung Bezug genommen, wobei eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben wird.
• Die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 ein Schaltbild eines Systems gemäß der Erfindung zum aktiven Nachlauf der Resonanzfrequenz eines Ultraschallhorns in einer Betriebsumgebung;
• Fig. 2A, 2B und 2C gemeinsam ein elektrisches Schaltbild, das Einzelheiten des Systems von Fig. 1 zeigt; und
• Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebs des Systems der Fig. 1 und 2A-2C.
• Fig. 1 zeigt in Blockform Bauelemente eines Systems gemäß der Erfindung zum aktiven Nachlauf der Resonanzfrequenz eines Ultraschallhorns, um die Frequenz eines Ansteuersignals für das Horn auf die Resonanzfrequenz einzustellen.
• Ein Ultraschallhorn 10, das eine Sollresonanzfrequenz von beispielsweise 30 kHz haben kann, wird von einem Ultraschallumsetzer 12 angesteuert, der dem Horn 10 zugeordnet ist. Das Horn 10 und der Umsetzer 12 können als eine Baugruppe ausgebildet sein, wie in US-A-4 607 185 angegeben ist. Der Umsetzer 12 weist grundsätzlich piezoelektrische Elemente auf, die elektrische Energie in Form eines Ansteuersignals von einem Leistungsverstärker 14 in mechanische Schwingungen mit einer Frequenz entsprechend derjenigen des Ansteuersignals umwandeln. Schwingungen werden auf das Horn 10 durch eine Verbindungseinrichtung aufgebracht, die den Umsetzer 12 mit dem Horn 10 verbindet.
• Die Horn- und Umsetzeranordnung kann mindestens teilweise in ein Flüssigkeitsbad in einem klinisch eingesetzten Analysegerät (nicht gezeigt) eintauchen, um mit Flüssigkeitslösungen zusammenzuwirken, die in einer Serie von Küvetten (nicht gezeigt) enthalten sind, die an dem Horn 10 von einer geeigneten Bandeinrichtung in dem Analysegerät vorbeibewegt werden. Dadurch werden feste Reagenstabletten in den Küvetten veranlaßt, sich in den Flüssigkeitslösungen aufzulösen, wonach die Lösungen mit einem Spektralphotometer analysiert werden. Es ist also ersichtlich, daß eine gründliche Auflösung der festen Tabletten durch die akustische Mischwirkung des Horns 10 ganz wesentlich ist, um zuverlässige Analysedaten erhalten zu können. Wenn sich die Resonanzfrequenz des Horns 10 gegenüber der Frequenz des Umsetzeransteuersignals erheblich ändert, kann die von dem Horn 10 erzeugte Schallwellenenergie unter diejenige verringert werden, die für eine gründliche Auflösung benötigt wird.
• Ein Schallwandler oder Sensorelement 16 ist im Bereich des Horns 10 positioniert, um von dem Horn in der Betriebsumgebung erzeugte Ultraschallschwingungen oder Schallwellen aufzunehmen. Das Sensorelement 16 liefert ein Rückkoppelsignal, das über ein Kabel 18 zum Eingang eines Vorverstärkers 20 übertragen wird. Da ein Rückkoppelsignal innerhalb bekannter Frequenzgrenzen um die Resonanzfrequenz des Horns 10 liegen sollte, können geeignete Filter in dem Vorverstärker 20 vorgesehen sein, um Rauschen oder sonstige Störsignale, die am Eingang des Vorverstärkers auftreten, auszufiltern.
• Das von dem Vorverstärker 20 verstärkte (und gefilterte) Rückkoppelsignal wird von einer Präzisions-Gleichrichterschaltung 22 gleichgerichtet und dem einen Eingang eines Vergleichers 24 zugeführt. Die Spitzenamplitude des gleichgerichteten Rückkoppelsignals wird ermittelt und von einem Spitzendetektor 26 gehalten, dessen Ausgangssignal dem anderen Eingang des Vergleichers 24 zugeführt wird. Wenn die den Eingängen des Vergleichers 24 zugeführten Signale übereinstimmen, gibt der Vergleicher ein Ausgangssignal an eine Steuerlogik- und Taktschaltung 28 ab. Ein Systemtakt 30, der mit einer Frequenz von beispielsweise 790 Hz arbeiten kann, liefert Taktsignale an die Steuerlogik- und Taktschaltung 28 und einen Abtastzähler 32, der ein binäres Aufwärtszähl-Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal des Abtastzählers 32 wird von einem D/A-Wandler 34 in ein entsprechendes Analogsignal umgewandelt, und das analoge Ausgangssignal des Wandlers 34 wird einem spannungsgesteuerten Oszillator 36 zugeführt. In dem spannungsgesteuerten Oszillator wird eine Serie von Impulsen erzeugt, deren Frequenz durch den Gleichspannungspegel des Signals vom D/A-Wandler 34 (Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit) bestimmt ist und deren Tastverhältnis selektiv durch das Ausgangssignal einer automatischen Verstärkungsregelschaltung 38 festgelegt bzw. bestimmt werden kann. Die Impulse werden in dem spannungsgesteuerten Oszillator 36 umgesetzt zur Abgabe einer angenäherten Sinuswelle, deren Amplitude durch das Impulstastverhältnis bestimmt ist.
• Das verstärkte und gleichgerichtete Rückkoppelsignal vom Sensorelement 16 wird einem Eingang der automatischen Verstärkungsregelschaltung 38 vom Ausgang der Gleichrichterschaltung 22 zugeführt, und ein Referenzsignal, dessen Pegel in gewünschter Weise vorgegeben sein kann, wird dem anderen Eingang der automatischen Verstärkungsregelschaltung 38 zugeführt. Wenn also die Umschaltung zu einem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators 36 erfolgt, ändert die automatische Verstärkungsregelschaltung 38 die Wechselspannungs-Signalamplitude des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators, so daß die mittlere Ausgangsleistung aufrechterhalten wird und der Pegel des gleichgerichteten Rückkoppelsignals mit dem gewünschten voreingestellten Pegel übereinstimmt.
• Grundsätzlich arbeitet das System von Fig. 1 wie folgt.
• Der Vorverstärker 20 verstärkt das Rückkoppelsignal vom Horn 10, wie es von dem Sensorelement 16 aufgenommen und über das Kabel 18 übertragen wird. Die Gleichrichterschaltung 22 setzt das Ultraschallfrequenz-Rückkoppelsignal (z. B. 30 kHz) auf einen veränderlichen Gleichspannungspegel proportional zu der Spitze-Spitze-Amplitude des Rückkoppelsignals um. Der Resonanzfrequenz-Spitzenwert des Horns 10 wird von dem Vergleicher 24 und dem Spitzendetektor 26 bestimmt, indem ein erster und dann ein zweiter Abtastzyklus des spannungsgesteuerten Oszillators 36 ausgelöst wird, während gleichzeitig ein Ausgangssignal mit unveränderlicher Wechselspannungsamplitude vom spannungsgesteuerten Oszillator 36 unterhalten und die Frequenz des Ausgangssignals zwischen Grenzwerten um eine bekannte Sollresonanzfrequenz für das Horn 10 geändert wird. Der erste Abtastzyklus wird von der Steuerlogik- und Taktgeberschaltung 28 zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgelöst, zu dem der Abtastzähler 32 den D/A- Wandler 34 ansteuert, so daß der spannungsgesteuerte Oszillator 36 beispielsweise von einer unteren Frequenzgrenze von 25,5 kHz zu einer oberen Frequenzgrenze von 35,5 kHz wobbelt. Das Wobbelfrequenzausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators wird von dem Leistungsverstärker 14 verstärkt, und das Horn 10 wird von dem Umsetzer 12 veranlaßt, Schallwellen mit entsprechend veränderter Frequenz zu erzeugen. Selbstverständlich kann der spannungsgesteuerte Oszillator 36 zwischen einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz, also mit abnehmender Frequenzwobbelung, wobbeln, wenn das gewünscht wird.
• Während der gesamten Dauer des ersten Abtastzyklus hat die Amplitude von Schallwellen, die von dem Horn 10 erzeugt werden, einen Maximalpegel, wenn die Frequenz des Hornansteuersignals die Ist-Resonanzfrequenz des Horns ist. Infolgedessen erzeugt das Sensorelement 16 ein Rückkoppelsignal, dessen Pegel einen Spitzenwert hat, wenn das Hornansteuersignal die Resonanzfrequenz hat. Ein solcher Spitzenpegel wird von dem Spitzendetektor 26 gehalten und an dem entsprechenden Eingang des Vergleichers 24 gehalten. Nach dem ersten Abtastzyklus löst die Steuerlogik- und Taktgeberschaltung 28 einen zweiten Abtastzyklus durch den Abtastzähler 32 aus, wobei die Leistung des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators unverändert bleibt, und der vorher detektierte Spitzenpegel wird an dem einen Eingang des Vergleichers 24 gehalten. Wenn während des zweiten Abtastzyklus die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators derjenigen entspricht, bei der ein Spitzenwert im Rückkoppelsignal im ersten Abtastzyklus erhalten wurde, wird der gleiche Spitzenwert dem anderen Eingang des Vergleichers 24 von der Gleichrichterschaltung 22 zugeführt, und der Vergleicher gibt ein Übereinstimmungssignal an die Steuerlogik- und Taktgeberschaltung 28 ab. Aufgrund des Übereinstimmungssignals inhibiert die Steuerlogik- und Taktgeberschaltung den weiteren Zählvorgang des Abtastzählers 32, so daß der D/A-Wandler 34 einen Festspannungspegel liefert, um den spannungsgesteuerten Oszillator 36 zu steuern. Das heißt, daß die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators der Frequenz entspricht, bei der ein Resonanzzustand des Horns 10 bestimmt worden ist.
• Dann wird zugelassen, daß der Pegel des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators von dem automatischen Verstärkungsregelkreis 38 geregelt wird, so daß ein Ansteuersignal unveränderlicher Frequenz und verstärkungsgeregelter Amplitude vom Leistungsverstärker 14 an den Hornumsetzer 12 abgegeben wird. Die Zeitdauer, während welcher der erste und der zweite Abtastzyklus erfolgen, ist relativ kurz, wobei jedem Abtastzyklus eine Abtastdauer von beispielsweise ca. 325 ms zugeordnet ist. Die Betriebsdauer, während der das Horn 10 von einem verstärkungsgeregelten Signal mit einer bestimmten oder aktualisierten Resonanzfrequenz angesteuert wird, ist erheblich länger, beispielsweise 15 s. Die für die Abtastzyklen vorgesehene Zeitdauer ist durch das Ansprechverhalten des Horns 10 unter diesen Abtastbedingungen begrenzt, d. h., die Abtastung muß ausreichend langsam erfolgen, um dem Horn zu erlauben, auf die Frequenzänderung anzusprechen. Die Zeitdauer, während der das Horn in einem verstärkungsgeregelten Modus mit jeder aktualisierten Resonanzfrequenz betrieben wird, sollte Änderungen der Lastbedingungen des Horns berücksichtigen, die seine Betriebs- Resonanzfrequenz beeinflussen würden. Bei einem klinisch eingesetzten Analysegerät ist die An- oder Abwesenheit von Küvetten ein Beispiel von sich ändernden Lastbedingungen. In einer solchen Umgebung sollte eine Zeitdauer von ca. 15 s des Betriebs mit der aktualisierten Resonanzfrequenz ausreichend sein.
• Die Fig. 2A, 2B und 2C bilden gemeinsam ein detailliertes Schaltbild bestimmter Bauelemente, die, wenn sie wie gezeigt geschaltet sind, den in Verbindung mit den Blockschaltungen von Fig. 1 beschriebenen Betrieb ausführen. Fig. 3 zeigt den Operationsablauf, der in der Schaltung der Fig. 2A-2C stattfindet.
• Der Vorverstärker 20 von Fig. 1 erscheint in Fig. 2A als zwei Operationsverstärker 100, 102. Die Verstärkung jedes Verstärkers ist durch seine zugehörigen Rückkoppel- und Eingangswiderstände bestimmt, und Filtern erfolgt durch Rückkoppel- und Eingangskondensatoren in der gezeigten Weise. Typischerweise kann die Gesamtverstärkung ca. 100 bei einer Betriebsfrequenz von 30 kHz sein. Durch das Filtern erfolgt eine Unterdrückung der dritten Oberwelle (90 kHz), die eine Mitnahme an einer falschen Frequenz bewirken könnte.
• Der Gleichrichter 22 von Fig. 1 erscheint in Fig. 2B ebenfalls in Form von zwei Operationsverstärkern 104, 106. Der Ausgang des Verstärkers 102 ist mit dem Gleichrichtereingang gekoppelt, der das Ausgangssignal auf einen gefilterten negativen Gleichspannungspegel umsetzt, der dem Mittelwert des verstärkten Rückkoppelsignals entspricht (typischerweise zwischen -6 V und -7 V). Der negative Gleichspannungspegel wird von den Spitzendetektor-, automatischen Verstärkungsregelschaltungs- und Vergleicher-Teilen der Schaltung in Fig. 2 genutzt.
• Operationsverstärker 108 und 110 bilden einen Spitzendetektor in Fig. 2A (Block 26 in Fig. 1), der eine Diode 112 und einen Kondensator 114 zur Speicherung verwendet. Wenn Spitzenspannungen vom Ausgang des Gleichrichterverstärkers 106 den Spitzendetektorverstärker 108 erreichen, werden sie in dem Kondensator 114 gespeichert, können aber wegen der Diode 112 nicht entladen werden. Somit wird der höchste Spitzenwert am Kondensator 114 erhalten. Der Verstärker 110 dient als Puffer, um zu verhindern, daß die nachgeschalteten Kreise den Kondensator 114 vor jedem ersten Abtastzyklus des Kondensators 114 entladen. Der Kondensator 114 wird durch den Widerstand 116 von einem FET-Schalter entladen, der in einem FET-Schalterchip U1 enthalten ist, um den Spitzendetektor rückzusetzen.
• Eine automatische Verstärkungsregelschaltung (Block 38 in Fig. 1) umfaßt einen als Integrierer ausgelegten Verstärker 118. Die Verstärkung der Schaltung kann im Bereich von 0,5 bei Frequenzen oberhalb 160 Hz bis unendlich bei Gleichspannung liegen, was in einer sehr geringen Empfindlichkeit für Hochfrequenzrauschen resultiert, während gleichzeitig eine hohe Verstärkung bei niedrigeren Frequenzen erhalten bleibt, wo sie benötigt wird, um auf Änderungen und Bedingungen in der Umgebung des Horns anzusprechen. Die Verstärkungsregelschaltung vergleicht das Ausgangssignal des Gleichrichters mit einem von einem Potentiometer 120 vorgegebenen Pegel und erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Differenz zwischen dem Ausgangspegel des Gleichrichters und dem vorgegebenen Pegel entspricht. Wenn die automatische Verstärkungsregelschaltung in den Schaltkreis von einem FET-Schalter im Chip U1 eingeschaltet ist, wird das Ausgangssignal der automatischen Verstärkungsregelschaltung mit einem Chip U2 des spannungsgesteuerten Oszillators (Fig. 2B) verbunden, um das Impulstastverhältnis des Ausgangssignals des Chips U2 zu steuern. Um einen negativen Hub zu verhindern, der den Oszillator-Chip U2 beschädigen könnte, hält eine Diode 122 das Ausgangssignal auf einem Minimalpegel von 0,6 V.
• Ein Abtastvergleicher, der dem Vergleicher 24 in Fig. 1 entspricht, ist in Fig. 2B als Verstärker 128 ausgebildet. Der eine Eingang des Verstärkers 128 ist mit dem Ausgang des Gleichrichterverstärkers 106 verbunden, und der andere Eingang des Verstärkers empfängt ein Signal von ca. 90% des Ausgangspegels des Pufferverstärkers 110 (Fig. 2A) durch Widerstände 130, 132. Wenn das Gleichrichtersignal 90 % des Pegels am Spitzendetektor überschreitet, nimmt das Ausgangssignal des Vergleichers 128 den Logikpegel 1 an, der einem Übereinstimmungssignal CMP entspricht. Die den Blöcken 28, 30, 32 und 34 in Fig. 1 entsprechende Abtastlogik ist in Fig. 2C als ein Systemtakt gezeigt, der folgendes aufweist: invertierende Verstärker 134, 136, die in ein Widerstands- Kondensator-Netzwerk geschaltet sind, um eine Taktfrequenz von ca. 790 Hz zu liefern; einen dekadischen Ablaufzählerchip U3, der aufgrund des Systemtakts Impulse erzeugt, die zur Durchführung verschiedener zeitbezogener Funktionen innerhalb eines Abtastzyklus genutzt werden; einen Abtastzähler, der aus zwei Binärzählerchips U4, U5 besteht, die vom Systemtakt bis zu einem binären Zählstand von 255 getaktet werden; und einen D/A-Wandler, der aus einem Chip U6 und einem Verstärker 138 besteht. Der D/A-Chip U6 empfängt das binäre Ausgangssignal der Zählerchips U4, U5 und erzeugt einen Ausgangsstrom, der dem Eingangszählwert proportional ist. Der Verstärker 138 dient als Strom/Spannungs- Umsetzer und erzeugt eine lineare Spannung, die von 0 bis 9 V ansteigt und die Frequenz des Oszillatorchips U2 steuert.
• Ein Systemfreigabesignal (ENBL) wird erzeugt, wenn ein Gerät wie etwa ein klinisch eingesetztes Analysegerät (nicht gezeigt), mit dem das Horn verwendet wird, anzeigt, daß der erste Abtastzyklus zum Bestimmen einer Anfangs-Resonanzfrequenz für das Horn eingeleitet werden soll. Das ENBL- Signal, das einen Pegel von 5 V haben kann, wird an den Widerstand 140 und den Kondensator 142 (Fig. 2A) angelegt, um eine Verzögerung von ca. 220 ms zu bewirken, so daß Zeit zum Rücksetzen eines monostabilen Kippglieds 144 und des dekadischen Zählerchips U3 verfügbar ist. Die Umkehrung des Signals ENBL wird genutzt, um das Ausgangssignal des Oszillatorchips durch Anschluß an den DTC-Eingang des Chips U2 freizugeben.
• Der Oszillatorchip U2 (z. B. Bauelement Typ TL494) dient als ein spannungs- und impulstastverhältnisgesteuerter Oszillator. Die Spannung vom D/A-Verstärker 138 wird über den Widerstand 146 mit dem Frequenzsteuereingang (RT) des Chips U2 verbunden. Dabei handelt es sich um einen Stromknoten, und somit wandelt der Widerstand 146 das D/A-Ausgangssignal in eine 18-ua-Stromänderung an dem Knoten um, was eine Änderung der Oszillatorfrequenz von ca. 2500 Hz verursacht. Der Wobbelbereich wird vom Widerstand 148 zwischen ca. 25,5 kHz und ca. 35,5 kHz eingestellt. Da die Sollresonanzfrequenz des Horns 30 kHz ist, läßt das einen Ausgleich aller Toleranzen im System zu. Die Wobbelbreite wird durch Widerstände 150, 152 und 146 bestimmt. Widerstände 150, 152 regeln die Ausgangsspannung des Verstärkers 138, während der Widerstand 146 den Strom am Knoten (RT) ändert. Das Ausgangssignal der automatischen Verstärkungsregelschaltung wird von dem entsprechenden FET-Schalter im Chip U1 mit einem zugehörigen (+)-Eingang des Oszillatorchips U2 gekoppelt, um das Impulstastverhältnis des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators zu steuern.
• Da das Ausgangssignal des Oszillatorchips U2 impulsförmig ist, muß das Ausgangssignal gefiltert werden, um möglichst weitgehend einer Sinuswellenform zu gleichen, um den Hornumsetzer 12 anzusteuern (Fig. 1). Eine solche Funktion wird von einer Filter/Treiberstufe ausgeführt, die ein LC-Glied 154, 156, einen Pufferverstärker 158 und einen Totem-Pole- Verstärker Q1, Q2 aufweist, der den Ausgangstransformator T1 treibt. Das Filterglied 154, 156 schwingt bei ca. 28 kHz, um eine gute Sinuswelle bei jeder Impulsfrequenz oberhalb 28 kHz zu erzeugen. Die Amplitude des Ausgangssignals des Filterglieds nimmt mit schmalerer Impulsbreite ab, und gerade dieser Effekt erzielt die automatische Verstärkungsregelungsfunktion der vorliegenden Erfindung. Das Ausgangssignal des Filterglieds wird von Widerständen 159, 160 gedämpft und einem Eingang des Verstärkers 158 zugeführt. Die Verstärkungseinstellung erfolgt durch einen Regelwiderstand 162. Die richtige Gesamteinstellung ist die, bei der das Signal am Transformator T1 keine Beschneidung an der unteren Frequenzgrenze jedes Abtastzyklus oder Durchlaufs zeigt. Das Ausgangssignal von T1 dient als Gatteransteuersignal für einen konventionellen Gegentakt-Leistungsverstärker, dessen Einzelheiten in Fig. 2B nicht gezeigt sind.
• Im Betrieb wird die automatische Verstärkungsregelschaltung während einer Anfangsabtastung durch den entsprechenden Schalter im FET-Chip U1 gesperrt und durch einen Festspannungspegel (z. B. 2,74 V) von einem Widerstandsglied 164, 166 ersetzt. Dadurch wird ein konstanter Ansteuerpegel vom Oszillatorchip U2 aufrechterhalten. Wenn die erste Abtastung beendet ist, wird der Pegel des Resonanzspitzenwert im Spitzendetektor/Haltekreis gespeichert und liegt an dem einen Eingang des Vergleichers 128 an.
• Während der zweiten Abtastung, die ebenfalls mit einem unveränderlichen Ansteuerpegel durchgeführt wird, empfängt der andere Eingang des Vergleichers 128 das Ausgangssignal des Gleichrichters. Da die Ausgangsspannung des Spitzendetektor/Haltekreises um 10% verringert ist, erfolgt, wenn das Ausgangssignal des Gleichrichters 90% des Resonanzspitzenpegels der vorhergehenden Abtastung erreicht, eine Umschaltung des Pegels des Ausgangssignals des Vergleichers 128 auf eine logische 1, die das CMP-Signal ist, und die Abtastung wird zu diesem Zeitpunkt unterbrochen. Während des Zeitraums, in dem der spannungsgesteuerte Oszillator mit einer Resonanzfrequenz verriegelt ist, ist die automatische Verstärkungsregelschaltung ständig aktiviert, um das Rückkoppelsignal mit der vorgegebenen Spannung zu vergleichen und die Breite des Oszillator-Ausgangsimpulses entsprechend zu steuern. Daher wird die mit dem System von Fig. 2 erhaltene Leistung unter extrem enger Steuerung durch die Wirkung der automatischen Verstärkungsregelung gehalten.
• Die Operation der Steuerlogik- und Taktgeberschaltung der Fig. 2A-2C ist in dem Flußdiagramm von Fig. 3 wiedergegeben. Bei der Folgezählung 0 wird ein PRE-Flipflop 168 von dem dekadischen Folgezählerchip U3 gesetzt. Das Signal PRE setzt die binären Abtastzählerchips U4, U5 auf Null. Außerdem wird ein SCN-Flipflop 172 rückgesetzt, um die Abtastzählerchips U4, U5 zu aktivieren, um eine Abtastung durchzuführen, indem die Systemtaktsignale zu den Zählerchips durch ein NOR-Glied 174 durchgelassen werden, dessen einer Eingang mit dem Systemtakt und dessen anderer Eingang mit einem ODER-Glied 176 verbunden ist, das den Q-Ausgangsimpuls des Flipflops 172 empfängt. Das SCI-Flipflop betätigt außerdem drei FET- Schalter in dem Chip U1.
• Die Folgezählung 1 vom Chip U3 setzt das monostabile Kippglied 144 für 10 ms in einen Hochzustand, so daß ein Ansprechen auf den Systemtakt inhibiert wird, um Zeit zur Entladung des Spitzendetektors zu haben. Nach 10 ms geht das monostabile Kippglied 144 auf den Niedrigpegel und gibt den Systemtakt frei, so daß die Zählung fortgesetzt werden kann.
• Die Folgezählung 2 hat die Funktion, das PRE- bzw. Vorein- Stell-Flipflop 168 rückzusetzen, so daß die Abtastzählerchips U4, U5 ihre Funktion ausüben können.
• Die Folgezählung 3 und die zugehörige Logik aus UND-Glied 178 und NOR-Glied 180 unterbinden ein weiteres Fortzählen des Zählers U3, während sie gleichzeitig das fortgesetzte Zählen der Abtastzähler U5, U6 zulassen. Das Signal EP nimmt am Ende der Abtastzählung den Hochpegel an, so daß der Zähler U3 mit der Zählung bis 4 fortfahren kann.
• Der Ausgangszählwert 4 des Folgezählerchips U3 setzt das Flipflop 170 zurück, um das Ende einer Abtastung zu bezeichnen (SCN nimmt den Niedrigpegel an). Ferner setzt das Flipflop 168 die Abtastzählerchips U4, U5 zurück (PRE nimmt den Hochpegel an), bevor die zweite Abtastung beginnt.
• Beim Zählwert 5 wird das Flipflop 168 rückgesetzt, um den Beginn der zweiten Abtastung und eine Suche nach der Spitzenamplitude im Horn-Rückkoppelsignal zu erlauben.
• Die Folgezählung 6 aktiviert durch das UND-Glied 182 die Detektierung entweder eines CMP-Signals, das ein Übereinstimmungssignal vom Vergleicher bezeichnet, oder des EP-Signals vom NOR-Glied 180, das anzeigt, daß vor dem Ende einer Abtastung keine Übereinstimmung aufgetreten ist. Jede dieser Bedingungen ermöglicht es dem Folgezählerchip U3, den Zählstand 7 zu erreichen.
• Beim Zählstand 7 wird das SCI-Flipflop 172 gesetzt, und die Abtastzählerchips U4, U5 werden angehalten. Wenn EP hoch ist, was das Ende der zweiten Abtastung ohne Bildung eines Übereinstimmungssignals bezeichnet, wird der Folgezählerchip U3 auf Null rückgesetzt, um eine neue Abtastung auszulösen. Wenn jedoch das Signal EP niedrig ist, bedeutet das, daß ein Vergleichswert gefunden wurde. Das UND-Glied 186 stößt ein monostabiles Kippglied 188 an, das z. B. einen 15-s-Impuls liefert, so daß die Folgezählung bei 7 gehalten wird. Nach 15 s wird der Takt erneut aktiviert, um dem Zählerchip U3 zu erlauben, zum Zählwert Null zurückzulaufen und eine neue Abtastsequenz zu beginnen.
• Ein bevorstehender Ausfall des Horns wird dadurch angezeigt, daß es unmöglich ist, ein Übereinstimmungssignal (CMP) zu erhalten, was auf eine anomale Abweichung der Betriebs- Resonanzfrequenz von der Sollfrequenz hinweist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Betrieb eines Ultraschallhorns auf einer Resonanzfrequenz, die aktiv während des Hornbetriebs unter sich ändernden Lastbedingungen bestimmt wird, welche folgendes aufweist:

eine Frequenzerfassungs- und -ansteuereinrichtung zum Ansteuern eines Ultraschallhorns mit einem Steuersignal vorgegebener Amplitude und Frequenz;

eine Rückkoppeleinrichtung in der Nähe des Horns zur Erfassung der unter Betriebsbedingungen unter Ansteuerung durch die Frequenzerfassungs- und ansteuereinrichtung vom Horn kommenden Schwingungswellen im Ultraschallbereich, sowie zur Abgabe eines der Frequenz und der Amplitude der Ultraschallwellen entsprechenden Ausgangssignals;

eine Gleichrichtereinrichtung zur Erfassung des Ausgangssignals der Rückkoppeleinrichtung und zur Bildung eines für die Amplitude des Ausgangssignals repräsentativen Gleichstrom-Amplitudensignals;

eine mit der Gleichrichtereinrichtung gekoppelte Spitzenwertgleichrichter-Einrichtung zur Bildung eines dem Maximalpegel des Amplitudensignals entsprechenden Spitzenwertsignals, welcher während eines ersten Erfassungsvorgangs der Frequenzerfassungs- und -ansteuereinrichtung erreicht wird, wobei das Steuersignal eine unveränderliche Amplitude aufweist, während seine Frequenz innerhalb von Grenzwerten um eine Sollresonanzfrequenz veränderlich ist;

eine mit der Gleichrichtereinrichtung und der Spitzenwertgleichrichter-Einrichtung gekoppelte Vergleichereinrichtung zum Vergleichen des Amplitudensignals und des Spitzenwertsignals gegeneinander während eines zweiten Erfassungsvorgangs der Frequenzerfassungs- und -ansteuereinrichtung innerhalb der Frequenz grenzen bei dem Steuersignal mit unveränderlicher Amplitude, und zum Erzeugen eines auf eine Resonanzbedingung für das Horn hinweisenden Abstimmsignals, wenn das Amplitudensignal und das Spitzenwertsignal im wesentlichen gleich sind;

eine mit der Vergleichereinrichtung und der Frequenzerfassungs- und -ansteuereinrichtung gekoppelte Steuereinrichtung zum Steuern des ersten und zweiten Erfassungsvorgangs und zum Unterbrechen des zweiten Erfassungsvorgangs im Ansprechen auf das Abstimmsignal, sowie zum Aktivieren der Erfassungs- und Ansteuereinrichtung in der Weise, daß diese das Horn mit einer Frequenz betätigt, die über einen vorbestimmten Zeitraum der Resonanzbedingung entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche zwischen die Gleichrichtereinrichtung und die Frequenzerfassungs- und -ansteuereinrichtung geschaltete Verstärkungsregeleinrichtung aufweist, die während des vorbestimmten Zeitraums nach Maßgabe einer Differenz zwischen dem Amplitudensignal und einem voreingestellten Pegelwert die Amplitude des Steuersignals zur Minimierung der Differenz verändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Steuereinrichtung Mittel zur Einleitung des ersten und zweiten Erfassungsvorgangs der Frequenzerfassungs- und -ansteuereinrichtung bei Ende des vorbestimmten Zeitraums aufweist, so dar ein Nachlauf bezüglich einer einer Resonanzbedingung für das Horn entsprechenden aktualisierten Resonanzfrequenz erfolgt und das Horn über aufeinanderfolgende vorbestimmte Hornbetriebszeiten mit der aktualisierten Resonanzfrequenz angesteuert wird.

4. Verfahren zum aktiven Nachlauf der Betriebsresonanzfrequenz eines Ultraschallhorns mit Sollresonanzfrequenz, welches in einem Flüssigkeitsbad eines Analysiergeräts für den Klinikeinsatz angeordnet ist, wobei das Horn zum Auflösen fester Tabletten in Flüssigkeitslösungen dient, welche in einer Reihe von Küvetten enthalten sind, die sich entlang einer Bahn in der Nähe des Horns bewegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Ansteuern des Horns mit einem Steuersignal fester Amplitude, während die Frequenz des Steuersignals über einen ersten Erfassungsvorgang hinweg innerhalb von Grenzwerten um die Sollresonanzfrequenz verändert wird;

Erfassen der vom Horn bei Ansteuerung mit dem Steuersignal während des ersten Erfassungsvorgangs kommenden Schwingungswellen im Ultraschallbereich;

Erzeugen eines in Frequenz und Amplitude den Ultraschallwellen entsprechenden Rückkoppelsignals;

Bilden eines Gleichstrom-Amplitudensignals, welches die Amplitude des Rückkoppelsignals während des ersten Erfassungsvorgangs repräsentiert;

Erfassen und Halten des Spitzenwerts des Amplitudensignals unter Bildung eines Spitzenwertsignals, welches dem Maximalpegel des während des ersten Erfassungsvorgangs erreichten Amplitudensignals entspricht;

Ansteuern des Horns mit dem Steuersignal unveränderlicher Amplitude, während die Frequenz des Antriebssignals innerhalb der Grenzwerte während eines zweiten Erfassungsvorgangs verändert wird;

Vergleichen des Amplitudensignals und des Spitzenwertsignals gegeneinander während des zweiten Erfassungsvorgangs und Erzeugen eines Abstimmsignals, welches eine Resonanzbedingung für das Horn repräsentiert, wenn das Amplitudensignal und das Spitzenwertsignal im wesentlichen gleich sind; und

weiteres Ansteuern des Horns mit einer Frequenz, die der Resonanzbedingung entspricht, über einen vorbestimmten Zeitraum.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem eine Differenz zwischen dem Amplitudensignal und einem voreingestellten Pegelwert bestimmt wird und zur Minimierung dieser Differenz die über den vorbestimmten Zeitraum gemittelte Leistung des Steuersignals verändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der erste und der zweite Erfassungsvorgang bei Ende des vorbestimmten Zeitraums unter Nachlauf zu einer einer Resonanzbedingung für das Horn entsprechenden aktualisierten Resonanzfrequenz eingeleitet werden, und das Horn über aufeinanderfolgende Hornbetriebszeiten mit der aktualisierten Resonanzfrequenz angesteuert wird.

7. System für den aktiven Nachlauf zur Betriebsresonanzfrequenz eines Ultraschallhorns mit Sollresonanzfrequenz, welches zumindest teilweise in ein Flüssigkeitsbad eines Analysiergeräts für den Klinikeinsatz eingetaucht ist, wobei das Horn zum Auflösen fester Tabletten in Flüssigkeitslösungen dient, welche in einer Reihe von Küvetten enthalten sind, die sich auf einem Band entlang einer Bahn in der Nähe des Horns bewegen, wobei das System folgendes umfaßt:

die Vorrichtung zum Betrieb des Ultraschallhorns nach Anspruch 1,

wobei das Ultraschallhorn zum Erzeugen von Schwingungswellen im Ultraschallbereich vorgesehen ist, die mit den Flüssigkeitslösungen in den Küvetten zum Auflösen der Tabletten in Wechselwirkung treten;

die Ansteuereinrichtung, die eine Verstärkereinrichtung zur Abgabe eines Steuersignals mit vorgegebener Frequenz und Amplitude an das Horn umfaßt, während die Ultraschallwellen eine Frequenz und Amplitude aufweisen, die der Frequenz und der Amplitude des Steuersignals entsprechen;

die mit der Verstärkereinrichtung gekoppelte Frequenzerfassungseinrichtung zur Bestimmung der Frequenz des Steuersignals; und

die Rückkoppeleinrichtung, die sich im Bereich des Horns zur Erfassung der Ultraschallwellen vom Horn befindet, während sich die Küvetten in der Nähe des Horns auf der Bandvorrichtung vorbeibewegen, und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das in Frequenz und Amplitude den Ultraschallwellen entspricht.

8. System nach Anspruch 7, mit einer zwischen die Gleichrichtereinrichtung und die Verstärkereinrichtung geschalteten Verstärkungsregeleinrichtung zum Verändern der über den vorbestimmten Zeitraum gemittelten Leistung des Steuersignals nach Maßgabe einer Differenz zwischen dem Amplitudensignal und einem voreingestellten Pegelwert zur Minimierung der Differenz.

9. System nach Anspruch 7, bei welchem die Steuereinrichtung eine Einrichtung zum Einleiten des ersten und zweiten Erfassungsvorgangs der Frequenzerfassungseinrichtung bei Ende des vorbestimmten Zeitraums aufweist, so daß ein Nachlauf zu einer einer Resonanzbedingung für das Horn entsprechenden aktualisierten Resonanzfrequenz gegeben ist und das Horn über aufeinanderfolgende vorbestimmte Hornbetriebszeiten mit der aktualisierten Resonanzfrequenz angesteuert wird.