-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Bestimmung einer Frequenz, insbesondere
einer Resonanzfrequenz eines Resonators.
-
Um
die Frequenz zu bestimmen, bei welcher ein Resonator seine Resonanz
aufweist, muss der Resonator über
einen Frequenzbereich mit einem Lautsprecher betrieben werden, beispielsweise
während
die Amplitude des Signals in dem Resonator mit beispielsweise einem
Mikrophon für
die Frequenz erfasst wird, bei welcher der Resonator gegenwärtig betrieben
wird. Der Lautsprecher wird über
den möglichen
Bereich der Frequenzen gescannt, bei welchen bzw. bei welcher die
Resonanz auftreten kann. Um die Resonanzfrequenz genau bestimmen
zu können,
muss der Lautsprecher über
den möglichen
Frequenzbereich in kleinen Schritten gescannt werden, bei welcher
die Frequenz eine Resonanz aufweisen kann.
-
Um
beispielsweise eine Genauigkeit von +/–0,5 Hz zu erzielen, muss der
Lautsprecher über den
Bereich von Frequenzen in Schritten von 1 Hz gescannt werden. Wenn
jedoch der Bereich der Frequenzen, welche gescannt werden müssen, entsprechend
groß ist,
so nimmt dies viel Zeit in Anspruch, wobei dadurch entsprechende
Unzulänglichkeiten entstehen
können.
-
Die
Druckschrift
SU-A-1308854 offenbart
ein Verfahren zur Bestimmung von Resonanzfrequenzen eines Gegenstands,
wobei die Erregerfrequenz in beiden Richtungen innerhalb eines Frequenzbereichs
gescannt wird.
-
Ferner
offenbart die Druckschrift
JP-A-61105438 eine
Vibrationstestvorrichtung für
die Automobilindustrie, welche eine Quelle zur Vibrationserzeugung,
die aus einer inneren Verbrennungskraftmaschine
1 aufgebaut
ist, Variationseinrichtungen für
die Vibrationsfrequenz, welche aus einem Drosselventil
10 aufgebaut
sind, Erfassungseinrichtungen für
den Vibrationszustand, welche aus einem Beschleunigungssensor
3 aufgebaut
sind, ein Vibrationsmessgerät
4 und
einen Schaltkreis
5 zur Erfassung der Spitzen aufweist,
wobei die Erfassungseinrichtungen für den Resonanzzustand eine
Festlegungseinrichtung
12 für die Durchlaufgeschwindigkeit
usw. aufweisen, und wobei die Beibehaltungseinrichtungen für den Resonanzzustand
eine Festlegungseinrichtung
16 für die effektive Amplitudenanzahl
usw. sowie eine elektronische Steuereinrichtung
30 usw.
aufweisen. Wenn ein Vibrationstest eines Auspuffrohrs
2 durchgeführt wird,
wird eine Hochgeschwindigkeitssuche nach einem Resonanzpunkt vorgenommen,
um den ungefähren
Resonanzpunkt in kurzer Zeit zu finden, und wobei eine Suche mit
geringer Geschwindigkeit innerhalb eines engen Bereichs basierend
auf dem ungefähren
Resonanzpunkt durchgeführt
wird, um die maximale Amplitude und die Drehfrequenz des Motors
am Resonanzpunkt bei hoher Präzision
zu erhalten.
-
Des
Weiteren offenbart die Druckschrift
US-A-5 524 477 eine Technik, um Arten eines
Kühlmittelgases
zu identifizieren. Das Kühlmittel
ist in einem Helmholzresonator unter einem gesteuerten Druck vorgesehen
und es werden Durchlaufe von feinen und groben Antriebsfrequenzen
auf einen Wandler aufgebracht. Ein anderer Wandler nimmt die Vibrationen
innerhalb des Resonators auf und ein Ausgabesignal wird mit dem
Antriebssignal verglichen, um die Resonanzspitzen herauszufinden.
Die Änderung
der Resonanzfrequenz über
den Druck wird gemessen, um das Vorhandensein von Luft innerhalb der
Probe zu quantifizieren.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren zur
Bestimmung einer Frequenz auf, bei welcher ein Resonator seine Resonanz
aufweist, welcher ein Gasgemisch enthält:
Betreiben eines akustischen
Senders zur Aufbringung eines akustischen Signals auf das Innere
des Resonators, wobei ein Scannen über einen ersten Frequenzbereich
in im Wesentlichen gleich großen Schritten
von einer ersten Größe durchgeführt wird, und
wobei der erste Frequenzbereich derart ausge wählt wird, dass dieser lediglich
nicht radiale Resonanzen für
das Gasgemisch aufweist;
Erfassen eines Signals von einem akustischen
Empfänger,
welcher zur Erfassung der Amplitude des akustischen Signals innerhalb
des Resonators angeordnet ist, welches durch Betreiben des akustischen Senders über den
ersten Frequenzbereich erzeugt wird;
Bestimmen einer Frequenz,
bei welcher ein Maximum innerhalb des erfassten Signals für den ersten Frequenzbereich
auftritt;
Betreiben des akustischen Senders durch Scannen über einen
zweiten Frequenzbereich, welcher die bestimmte Frequenz aus dem
ersten Frequenzbereich umfasst, wobei der zweite Frequenzbereich
kleiner ist als der erste Frequenzbereich, und wobei der zweite
Frequenzbereich in im Wesentlichen gleich großen Schritten einer zweiten
Größe gescannt
wird, welche kleiner sind als die Schritte der ersten Größe;
Erfassen
eines Signals von dem akustischen Empfänger, welches durch den Betrieb
des akustischen Senders über
den zweiten Frequenzbereich erzeugt worden ist; und
Bestimmen
einer Frequenz, bei welcher ein Maximum in dem erfassten Signal
aus dem zweiten Frequenzbereich auftritt.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung
zur Bestimmung einer Frequenz auf, bei welcher ein Resonator seine
Frequenz aufweist, welcher ein Gasgemisch enthält:
Einrichtungen zum
Betreiben eines akustischen Senders, welcher zur Aufbringung eines
akustischen Signals auf das Innere eines Resonators durch Scannen über einen
ersten Frequenzbereich in im Wesentlichen gleich großen Schritten
einer ersten Größte angeordnet
ist, wobei der erste Frequenzbereich derart ausgewählt wird,
dass dieser lediglich nicht radiale Resonanzen für das Gasgemisch aufweist;
Einrichtungen
zur Erfassung eines Signals von einem akustischen Empfänger, welche
zur Erfassung der Amplitude eines akustischen Signals, welches durch
Betreiben des akustischen Senders erzeugt worden ist, innerhalb
des Resonators über
den ersten Frequenzbereich angeordnet sind;
Einrichtungen zur
Bestimmung einer Frequenz, bei welcher ein Maximum in dem erfassten
Signal aus dem ersten Frequenzbereich auftritt;
Einrichtungen
zum Betreiben des akustischen Senders durch Scannen über einen
zweiten Frequenzbereich, welcher die vorbestimmte Frequenz aus dem ersten
Frequenzbereich umfasst, wobei der zweite Frequenzbereich kleiner
ist als der erste Frequenzbereich, und wobei der zweite Frequenzbereich
in im Wesentlichen gleich großen
Schritten mit einer zweiten Größe gescannt
wird, welche geringer ist als die erste Größe;
Einrichtungen zur
Erfassung eines Signals von dem akustischen Empfänger, welches durch Betreiben des
akustischen Senders erzeugt worden ist, über einen zweiten Frequenzbereich;
und
Einrichtungen zur Bestimmung einer Frequenz, bei welcher
ein Maximum in dem erfassten Signal für den zweiten Frequenzbereich
auftritt.
-
Durch
das Betreiben des akustischen Senders über einen relativ breiten ersten
Frequenzbereich mit einer relativ großen Größe von Frequenzschritten, erhält man einen
groben Wert für
die Resonanz bzw. Resonanzspitze in schneller Art und Weise für den gescannten
relativ breiten Frequenzbereich. Wenn man den groben Wert für die Resonanzspitze erhalten
hat, wird der akustische Sender über
einen zweiten engeren Frequenzbereich betrieben, welcher den groben
Wert für
die Resonanzspitze enthält, welche
zuvor erfasst worden ist, um die Resonanzfrequenz in genauerer Art
und Weise zu bestimmen. Die Resonanzfrequenz kann somit in schneller
und präziser
Art und Weise erfasst werden.
-
Es
besteht jedoch hierbei ein Problem darin, dass die Aufgabe der Bestimmung
der Frequenz, bei welcher der akustische Sender betrieben ist, zu
der Zeit, bei welcher die Resonanzspitze erfasst wird, aufgrund
der Tatsache kompliziert ist, dass die Hardware eine begrenzte Zeit
beansprucht, bevor eine Änderung
in der Frequenz, welche durch den Betrieb des akustischen Senders
erzeugt wird, zu einer Änderung
in der erfassten akustischen Empfängeramplitude resultiert. Dies
führt zu
einem Fehler im Hinblick auf die erfasste sich ergebende Frequenz.
-
Dieses
Problem wird insbesondere durch einen weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung durch Scannen von jedem Frequenzbereich in einer ersten
Richtung und Bestimmung einer ersten Frequenz gelöst, bei
welcher ein Maximum auftritt, und wobei daraufhin in der entgegengesetzten
Richtung gescannt wird und eine zweite Frequenz bestimmt wird, bei
welcher ein Maximum auftritt, und wobei der Durchschnitt der ersten
und zweiten Frequenz ermittelt wird, bei welcher die Maxima auftreten.
-
Ein
endgültiger
Wert für
die Frequenz, bei welcher das Maximum in dem erfassten Signal auftritt,
wird vorzugsweise durch Aufsummieren einer vorbestimmten Anzahl
von Proben bzw. Abtastungen bei jeder Frequenz erhalten, bei welcher
ein akustischer Sender über
einem weiteren Scannen betrieben wird. Das Summieren einer vorbestimmten
Anzahl von Proben bzw. Abtastungen führt dazu, dass der Effekt von
wahllosen Fehlern, wie beispielsweise ein Geräusch, reduziert wird, um ein
genaueres bzw. entsprechend abhängiges
Ergebnis zu erzielen. Da das Summieren eine Anzahl von Proben bzw.
Abtastungen bei jeder Frequenz geringer ist als das vorherige Scannen,
wird der Frequenzbereich, welcher für den weiteren Scan gescannt wird,
vorzugsweise geringer gegenüber
der Vielzahl von vorherigen Scans, um die Zeit zu reduzieren, welche
für die
Durchführung
des Scans benötigt
wird. Der Scan mit Summieren ist vorzugsweise der zuletzt durchgeführte Scan, nachdem
die Resonanzfrequenz im Wesentlichen bereits identifiziert worden
ist.
-
Die
tatsächliche
Frequenz, welche die Resonanz erzeugt, wenn ein akustischer Sender
betrieben wird, wird vorzugsweise durch das Zählen der Anzahl von dessen
Zyklen innerhalb einer vorbestimmten Periode oder durch Messen der
Zeit gemessen bzw. ermittelt, welche erforderlich ist, um eine vorbestimmte
Anzahl von Zyklen zu durchlaufen.
-
Die
Erfindung wird ferner beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
-
1 ist
ein Blockdiagramm, welches den gesamten Betrieb eines Systems darstellt,
um die Schallgeschwindigkeit eines Gases unter Verwendung eines
Resonators zu messen;
-
2 zeigt
einen im Wesentlichen sphärischen
Resonator, welcher in dem System verwendet werden kann;
-
3 zeigt,
wie der akustische Empfänger an
dem Resonator montiert ist;
-
4 zeigt,
wie der akustische Sender an dem Resonator montiert ist;
-
5 zeigt
die Amplitude eines Signals, welches von dem akustischen Empfänger über einem Frequenzbereich
erfasst worden ist;
-
6 zeigt,
wie ein Zeitsignal verwendet wird, um impulsbreitemodulierte Signale
zu erzeugen, welche kombiniert werden, um eine Annäherung an
eine Sinuskurve zu erzielen;
-
7 zeigt
ein elektronisches System, um den in 6 dargestellten
Betrieb durchzuführen;
-
8 zeigt
einen spannungsgesteuerten Oszillator, um das Zeitsignal mit dem
in 6 gezeigten System zu versorgen;
-
9 zeigt
die Abfolge von Operationen, um die Resonanzfrequenz zu bestimmen;
-
10 zeigt
die Verbindungen zu Berechnungseinrichtungen, um die Resonanzfrequenz
zu bestimmen; und
-
11 zeigt
ein Verfahren, wobei eine begrenzte Antwortzeit der Hardware ermöglicht wird.
-
Wie
in 1 gezeigt, kann ein Schaltkreis 1 zum
elektronischen Betrieb, welcher in Form eines Mikroprozessors vorliegt
oder diesen enthalten kann, derart angeordnet sein, dass ein Sinussignal über einen
entsprechenden Frequenzbereich erzeugt wird, um einen Lautsprecher 2 anzutreiben.
Der Lautsprecher ist derart angeordnet, dass ein akustisches Signal
auf das Innere eines Resonators 3 aufgebracht wird. Ein
Mikrophon 4 ist in der Art und Weise angeordnet, dass die
Höhe des
akustischen Signals innerhalb des Resonators aufgenommen wird. Das
Signal von dem Mikrophon wird gefiltert und durch einen entsprechenden
elektronischen Schaltkreis 5 verstärkt, wobei eine Berechnungseinrichtung 6 die
Resonanzfrequenz im Hinblick auf das Gas innerhalb des Resonators
bestimmt, wobei dessen Schallgeschwindigkeit bestimmt bzw. erfasst
wird.
-
Der
in 2 gezeigte Resonator 3 ist in diesem
Fall eine starre Kugel. Der dargestellte Resonator wird aus zwei
CNC (computernumerisch gesteuert) bearbeiteten Halbkugeln 31, 32 aus
Metall und in diesem Fall aus Kupfer mit einem inneren Radius von 1,5
cm und einer Wandstärke
von 3 mm ausgebildet, welche miteinander verschweißt sind,
um die Kugel zu bilden.
-
Die
Scheitelpunkte der Halbkugeln 31, 32 stützen den
Lautsprecher 2 bzw. das Mikrophon 4, welche, wenn
die Halbkugeln in 2 miteinander verbunden sind,
im Wesentlichen um 180° versetzt sind,
dass sich gezeigt hat, dass dadurch die größte Amplitude des Mikrophonsignals
bereitgestellt wird.
-
Der
Resonator ist mit einer Vielzahl von Gasdiffusionspassagen 33 versehen,
wobei lediglich eine davon in 2 gezeigt
ist, um es zu ermöglichen, dass
das Gas nach Innen und nach Außen
von dem Resonator 3 bewegt werden kann, bzw. diffundieren kann.
Jede der Halbkugeln 31, 32 ist vorzugsweise mit
vier Gasdiffusionspassagen 33 versehen, welche um 90° versetzt
positioniert sind. Die Gasdiffusionspassagen 33 sind vorzugsweise
durch das Resonatorgehäuse
gebohrt, wobei jegliche Metallspäne
entfernt worden sind, um eine regelmäßige wiederholbare Oberfläche an der
Innenseite des Resonators zu repräsentieren.
-
Alternativ
kann die Resonanzkugel ebenso aus einem porösen Material wie beispielsweise
einem gesinterten Material hergestellt werden. Die Gasdiffusionsöffnungen 33,
welche in der Kupferresonatorkugel von 2 dargestellt
sind, würden dann
nicht erforderlich sein, wobei sich somit Störungen in der Resonanzfrequenz
aufgrund der Öffnungen 33 reduzieren
würden.
Das verwendete poröse Material
würde bevorzugt
einen geringeren thermalen bzw. thermischen Expansionskoeffizienten
als Kupfer aufweisen, wodurch sich die Korrektur reduzieren würde, welche
für die
Variationen in der Größe des Resonators
bei Änderungen
der Umgebungstemperatur erforderlich ist.
-
Der
Lautsprecher 2 ist in diesem Fall ein Miniaturlautsprecher,
wie er in einer Hörhilfe
mit einer Versorgungsspannung mit 5 V und einem Strombedarf von
in etwa 33 mW verwendet wird, wobei ein Mikrophon 4 ein
Miniaturmikrophon ist.
-
3 zeigt,
wie das Mikrophon 4 auf dem Resonator 3 angebracht
ist. Der Resonator ist mit einer Passage 41 mit im Wesentlichen
einem Durchmesser von 1,5 mm versehen, welche vorzugsweise gebohrt
ist, und wobei jegliche Späne
entfernt worden sind. Eine zylindrische Spindel 42 ist
an der Außenseite
des Resonators angebracht oder bildet einen Teil der Außenseite
des Resonators und ist konzentrisch mit der Passage 41 angeordnet.
Die Spindel 42 weist vorzugsweise eine Länge von
10 mm auf und hat einen inneren Durchmesser, welcher ausreichend
ist, um das Mikrophon 4 aufzunehmen, in diesem Fall in
etwa 5 mm. Die Position des Mikrophons 4 innerhalb der
Spindel ist entlang dessen Länge
variabel, so dass dieses an dem optimalen Punkt positioniert werden
kann, an welchem die schärfste
Spitze des Ausgabesignals erzeugt wird, wenn der Lautsprecher die
Resonanzfrequenz auf den Resonator aufbringt. Das Mikrophon 4 ist
an der optimalen Position innerhalb der Spindel 42 unter
Verwendung eines Klebstoffs 43 befestigt. Der Klebestoff
dringt vorzugsweise nicht in den Resonatorhohlraum ein, da dies
zu unregelmäßigen Formen
führen
könnte,
welche Störungen
der Resonatorfrequenz verursachen könnten. Das Mikrophon 4 ist
vorzugsweise mit einem Rand 45 versehen, dessen äußerer Durchmesser
im Wesentlichen der gleiche ist wie der innere Durchmesser der Spindel 42,
um zu verhindern, dass jegliches Klebemittel in den Resonator eindringt.
Alternativ könnte
das Mikrophon 4 durch eine enge Passung in die Spindel 42 eingepasst
werden. Das Mikrophon 4 ist mit der Filter- und Verstärkungselektronik 5 durch
eine elektrische Verbindung 46 verbunden.
-
Der
Lautsprecher 2 kann in der gleichen Art und Weise wie das
Mikrophon 4 angebracht sein, welches in 3 gezeigt
ist, wobei dieser in diesem Beispiel mit einem bestimmten Abstand
von der Innenseite des Resonators fixiert ist, wie in 4 gezeigt.
Gemäß 4 weist
eine Spindel 21 in etwa eine Länge von 2 mm auf und ist an
der Außenwand des
Resonators 3 angebracht oder bildet einen Teil der Außenwand,
und wobei eine Passage mit 1,5 mm durch die Spindel 21 gebohrt
ist, wobei an der Resonatorwand jegliche Späne entfernt worden sind. Der Lautsprecher 2 ist
an der Außenseite
der Spindel 21 angebracht, wobei die Passage 22 abgedeckt
wird. Der Lautsprecher ist an der Spindel 21 insbesondere unter Verwendung
eines Klebstoffs befestigt, wobei sichergestellt ist, dass kein
Klebstoff in die Passage 22 eindringt und wobei diese mit
der Antriebselektronik 1 durch die elektrische Verbindung 23 elektrisch verbunden
ist.
-
Die
relative winkelförmige
Trennung des Mikrophons und des Lautsprechers an der Resonatorwand
kann variiert werden, um die schärfste
Ausgabespitze zu erhalten. Dies kann dadurch erzielt werden, dass
die Position von entweder dem Mikrophon oder die Position des Lautsprechers
fixiert ist, wobei die Position des anderen Elements variiert wird
bzw. variabel ist.
-
Aufgrund
von geringen Änderungen
bei jeder Resonanzkugel und aufgrund von Fertigungstoleranzen werden
beispielsweise unterschiedliche effektive Radien erzeugt, wobei
der Resonator individuell unter Verwendung der folgenden Gleichung
kalibriert wird: c = f × K
-
Jeder
Resonator wird unter Verwendung eines Gases mit bekannter Schallgeschwindigkeit
(c) kalibriert, wobei ein Computermodell für die vorhergesagten Gascharakteristika
wie beispielsweise GASVLE oder durch Messung unter Verwendung von
geeigneten Verfahren verwendet wird. Die Resonanzfrequenz f wird
dann für
das Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit in dem Resonator gemessen, wobei
die Kalibrierung vorgenommen wird und die konstante K ermittelt
wird. Unter Verwendung des kalibrierten Resonators zusammen mit
der entsprechenden Konstante K ist es möglich, die Schallgeschwindigkeit
für jegliches
Gas aus der gemessenen Resonanzfrequenz entsprechend zu ermitteln.
Dabei ergeben sich mögliche
Fehler von in etwa +/–0,01%. Durch
die Kompensation von Variationen der Umgebungstemperatur, wodurch
das Volumen des Resonators beeinflusst wird, kann die Schallgeschwindigkeit
des Gases sogar innerhalb eines noch geringeren möglichen
Fehlerbereichs von in etwa +/–0,05% ermittelt
werden.
-
Der
Lautsprecher wird durch einen elektronischen Schaltkreis 1 angetrieben,
welcher schematisch in 1 gezeigt ist, um ein Sinussignal
bzw. Sinussignale über
einen Frequenzbereich bereitzustellen, welcher geeignet ist, die
Frequenz der ersten nicht radialen Resonanzspitze des Resonators 3 zu umfassen
bzw. einzugrenzen. Der Lautsprecher wird in Frequenzdurchläufen betrieben.
Das Mikrophon sorgt für
eine Ausgangsspannung, welche entsprechend der Frequenz gefiltert
und verstärkt
wird, bei welcher der Lautsprecher gegenwärtig betrieben wird, wie graphisch
in 5 mit einer geringen Verzögerung aufgrund der Elektronik
dargestellt ist. Die Frequenz, bei welcher das Mikrophon die größte Ausgangsspannung
erzeugt, wird als die nicht radiale Resonanzfrequenz ermittelt bzw.
erfasst, welche gemäß 5 bei
20°C 8860
Hz beträgt.
-
Die
Erzeugung von Annäherungen
an Sinuswellen über
einen kontinuierlichen Bereich von Frequenzen wird im Folgenden
beschrieben.
-
Wie
in den 6 und 7 gezeigt, wird ein Zeitsignal 101 auf
einen Mikroprozessor 110 über die Leitung 111 von
einem über
die Spannung gesteuerten Oszillator aufgebracht. Jeglicher geeigneter
Mikroprozessor kann hierzu verwendet werden, wie beispielsweise
ein Hitachi HD6473048F16. Der Mikroprozessor 110 berechnet
das Eingabezeitsignal 101 von der Leitung 111,
um impulsbreitenmodulierte (PWM)-Signale 102, 103 sowie 104 zu
erzeugen, wie in 6 gezeigt, wobei diese jeweils
die gleiche Frequenz über
die Leitungen 112, 113 bzw. 114 aufweisen.
Die PWM-Signale 102, 103, 104 werden
miteinander derart unter Verwendung einer Anordnung im Hinblick
auf eine gewichtete Summe kombiniert, welche in diesem Fall aus
den Widerständen 115, 116, 117 aufgebaut
ist, um die Annäherung
an eine Sinuswelle auf der Leitung 118 zu erzeugen. Die
Annäherung
an eine Sinuswelle 105, wie in 6 gezeigt, weist
die gleiche Frequenz auf, wie die PWM-Signale 102, 103, 104,
welche jeweils fixierte Leistungszyklen aufweisen (% im Hinblick
auf die Zeit bezüglich des
prozentualen Abschaltens).
-
In
diesem Beispiel entspricht jeder Zyklus der synthetisierten Annäherung an
eine Sinuswelle 105 sechzehn Zyklen des Zeitsignals 101,
wobei jedoch auch acht oder zweiunddreißig oder jegliche andere geeignete
Anzahl vorliegen könnte.
Die ansteigende Stufe 121 und die abfallende Stufe 122 des PWM-Signals 102 wird
durch die Vervollständigung von
sechs bzw. zehn Zyklen des Zeitsignals 101 getriggert.
Die ansteigende Stufe 131 und die fallende Stufe 133 des
PWM-Signals 103 wird durch die Vervollständigung
von vier bzw. zwölf
Zyklen des Zeitsignals 101 getriggert. Die ansteigende
Stufe 141 und die fallende Stufe 142 des PWM-Signals 104 wird durch
die Vervollständigung
von zwei bzw. vierzehn Zyklen des Zeitsignals 101 getriggert.
-
Jedes
der PWM-Signale 102, 103 und 104 wird
daraufhin entsprechend über
einen gewichteten Widerstand 115, 116, 117 geführt bzw.
passiert diesen. Das Verhältnis
der Werte der Widerstände 115, 116, 117 wird
derart ausgewählt,
um insgesamt die beste Annäherung
an die Sinuswelle auszuwählen, wobei
in diesem Fall der Widerstand 115 einen Widerstand von
150 kΩ,
der Widerstand 116 einen Widerstand von 36 kΩ und der
Widerstand 117 einen Widerstand von 51 kΩ aufweist.
-
Um
eine Annäherung
an eine Sinuswelle von den rechtwinkligen Wellen des PWM-Signals zu erzeugen,
ist es wünschenswert,
die erste harmonische Schwingung beizubehalten, während die
dritte, fünfte,
siebte usw. harmonischen Schwingungen unterdrückt werden. Unter Verwendung
des vorstehenden Verfahrens, wie in 6 gezeigt,
sind die dritten und fünften
harmonischen Schwingungen im Wesentlichen entfernt, abgesehen von
einigen verbleibenden Effekten aufgrund von Widerstandstoleranzen.
Aus dem vorliegenden Beispiel ist ersichtlich, dass die Vorrichtung
zur Erzeugung einer Sinuswelle zur Erzeugung von Sinuswellen in
dem Bereich von 7,5 kHz bis 11,8 kHz verwendet wird, um den Lautsprecher 2 und
das übertragene
Signal von dem Lautsprecher zu betreiben, welches von dem Mikrophon 4 erfasst
wird. Wenn dies in der vorliegenden Art und Weise verwendet wird,
werden die siebten und darauffolgenden harmonischen Schwingungen auf
Bereiche reduziert, so dass keine weitere Filterung oder Konditionierung
erforderlich sein sollte, um den Ef fekt dieser harmonischen Schwingungen
zu entfernen, da das übertragene
Signal aufgrund dieser harmonischen Schwingungen außerhalb
der Bandfiltergrenzen des Mikrophons liegen sollte. Wenn die Vorrichtung
verwendet wird, um die Sinuswellen bei geringen Frequenzen zu erzeugen,
könnte der
Effekt der siebten und darauffolgenden harmonischen Schwingungen
durch Niedrigpassfilter entfernt oder vermindert werden, wobei ebenso
mehr bzw. höhere
pulsweitenmodulierte Signale verwendet werden könnten, um eine bessere Annäherung an
eine Sinuswelle zu erzeugen.
-
Die
Ausgabe von jedem Widerstand 115, 116, 117 ist
an der gemeinsamen Leitung 118 kombiniert, um die Annäherung an
eine Sinuswelle 115 zu erzeugen, wie in 6 gezeigt.
Das Signal 105 wird durch den Kondensator 119 im
Hinblick auf einen Niedrigpass gefiltert, welcher zwischen der gemeinsamen
Leitung 118 und der Erdung verbunden ist und an dem Verbindungspunkt 120 erfasst
wird bzw. einbezogen wird.
-
8 zeigt
einen spannungsgesteuerten Oszillator 160, welcher eine
oszillierende Ausgabe bei 161 erzeugt, wobei dessen Frequenz
von der Spannung eines Antriebssignals abhängig ist, welches an der Eingabe 162 anliegt
bzw. aufgebracht wird. Jedoch ist jegliche Vorrichtung geeignet,
wobei dessen Ausgabefrequenz von dem analogen Wert der Eingabe abhängig ist.
-
Das
vorliegende Beispiel der Erfindung verwendet analoge Vorrichtungen
AD654, welche als Spannungs- und Frequenzumwandler wirken. Die Schaltdiagramme
der Vorrichtungen AD654 sind in 8 gezeigt.
Ein vielseitiger Operationsverstärker 163 dient
als Eingabeabschnitt; der Zweck hierfür liegt darin, dass das Eingangsspannungssignal 162 auf
einen Antriebsstrom umgewandelt und skaliert wird. Der Antriebsstrom
wird auf einen Strom-zu-Frequenz-Umwandler 165 angelegt
bzw. zugeführt
(einen nicht stabilen Multivibrator). Die Ausgabe des Umwandlers 165 steuert
den Transistor 164.
-
Im
Hinblick auf das Verbindungsschema von 8 repräsentiert
der Eingabeverstärker 163 eine sehr
hohe Impedanz (250 mmΩ)
auf die Eingabespannung bei dem Punkt 162, welche in einem
entsprechenden Antriebsstrom durch den skalierenden Widerstand 167 am
Pin 3 umgewandelt wird. In diesem Beispiel weisen die Widerstände 167 und 168 1,2
kΩ auf.
-
Die
Frequenz der Annäherung
an eine Sinuswelle, welche an dem Ausgabeverbindungspunkt 120 erzeugt
wird, wie in 7 gezeigt, kann nicht stets
genau von der Spannung des Antriebssignals angenommen werden, welches
an der Eingabe 162 anliegt, wie in 8 gezeigt,
da beispielsweise Variationen im Hinblick auf die Temperatur und
die Performance der elektrischen Komponenten vorliegen. Folglich
kann der Mikroprozessor 110 ebenso zu jeglicher anderen
Leitung 112, 113 oder 114 verbunden werden,
an welchen die PWM-Signale 102, 103 bzw. 104 anliegen,
welche die gleiche Frequenz wie die Ausgabeannäherung einer Sinuswelle aufweisen, wie
im Weiteren beschrieben werden wird. Der Mikroprozessor zählt die
Anzahl der Zyklen des ausgewählten
PWM-Signals über
eine vorgegebene Zeitperiode, wie beispielsweise eine Sekunde. Die
tatsächliche
Ausgabefrequenz der Sinuswelle kann daraufhin genau bestimmt werden.
Der Mikroprozessor 110 zählt die Anzahl der Zyklen eines
PWM-Signals 102, 103, 104 im Gegensatz
zu den Zyklen der Annäherung
an eine Sinuswelle 105 über
eine vorgegebene Zeitperiode, da die PWM-Signale einen genauer definierten und
eindeutigen An- und Auszustand aufweisen, welcher einfacher gezählt werden
kann, so dass bessere Ergebnisse erzielt werden können.
-
Alternativ
könnte
der Mikroprozessor 110 die Anzahl der Zyklen des Zeitsignals 101 über eine
vorgegebene Zeitperiode zählen
und daraus die Sinuswellenfrequenz durch Teilung der Anzahl der
Zyklen der Zeitsignale bestimmen, welche erforderlich sind, um jeden
Zyklus eines PWM-Signals zu erzeugen.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann der Mikroprozessor die Zeit messen, welche erforderlich ist,
um eine vorbestimmte Anzahl von Zeitzyklen oder PWM-Zyklen zu erzeugen und
wobei daraus die Frequenz der Annäherung an eine Sinuswelle berechnet werden
kann.
-
Der
Oszillator 160 zeigt ein oszillierendes Signal mit einem
kontinuierlichen Frequenzbereich, wobei die Sinuswellen mit einem
kontinuierlichen Frequenzbereich erzeugt werden können.
-
Die
Verwendung eines Oszillators zur Erzeugung einer variablen Frequenzwelle
mit rechteckigem Querschnitt wird empfohlen, welche ohne weiteres
erhältlich
ist, und geringe Ausmaße
aufweist (9,91 mm × 7,87
mm × 4,57
mm in einer 8-Pin-Plastik-DIP-Form
oder 4,90 mm × 3,91
mm × 2,39
mm in einer 8-Pin-SOIC-Form für
den AD654), sowie eine kostengünstige
Vorrichtung in Verbindung mit einem Mikroprozessor ist, um Annäherungen
an eine Sinuswelle zu erzeugen, wobei dadurch die Herstellung einer
Vorrichtung möglich
wird, welche zur Erzeugung von Annäherungen an Sinuswellen über einen
kontinuierlichen Bereich von Frequenzen möglich ist, und welche entsprechend
kompakt ist sowie beispielsweise an einer kompakten Probe angebracht
werden kann oder in einem kompakten Gehäuse untergebracht werden kann.
Da ein Mikroprozessor im Allgemeinen bei vielen Proben oder elektrischen
Systemen für
andere Zwecke verwendet wird, ist lediglich der zusätzliche
Raum, welcher erforderlich ist, um Annäherungen an Sinuswellen über einen
kontinuierlichen Frequenzbereich zu erzeugen, derjenige für den kompakten
Oszillator zur Erzeugung von variablen Frequenzwellen mit rechteckigem
Querschnitt.
-
Der
Oszillator muss nicht notwendigerweise ein spannungsgesteuerter
Oszillator sein, sondern kann jegliche entsprechende Vorrichtung
sein, welche für
die Aufbringung eines Signals mit einem kontinuierlichen Frequenzbereich
vorgesehen ist.
-
Die
Annäherung
an eine Sinuswelle muss nicht von drei PWM-Signalen erzeugt werden,
sondern kann von jeglicher anderer Anzahl in Abhängigkeit des erforderlichen
Pegels der Annäherung
an eine Sinuswelle erzeugt werden. Ferner muss nicht jeder Zyklus
der Sinuswelle dem 16. Zeitzyklus entsprechen, sondern kann dem
8, 13. oder jeglichem anderen geeigneten Zyklus bzw. der entsprechenden Anzahl
entsprechen.
-
Um
die Resonanzfrequenz schnell und exakt zu bestimmen (die Frequenz,
bei welcher die Amplitude des Signals, welches von dem Mikrophon
erzeugt wird, sein Maximum aufweist) wird ein ursprünglicher
schneller und grober Frequenzdurchlauf (in diesem Fall 10 bis 15
Hz-Schritte) über
den Frequenzbereich vorgenommen, in welchem die Resonanz auftreten
kann, wie durch Schritt bzw. Stufe S1 in 9 gezeigt.
Eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise ein Mikroprozessor, identifiziert
einen engeren Frequenzbereich innerhalb des ursprünglichen groben
Frequenzdurchlaufs, in welchem ein Maximum auftritt. Ein weiterer
Frequenzdurchlauf S2 wird mit geringeren Frequenzschritten (in diesem
Fall 1 Hz) innerhalb dieses identifizierten engeren Frequenzbereichs
durchgeführt,
um die Frequenz genauer zu bestimmen, bei welcher das Maximum auftritt,
um somit die Resonanzfrequenz zu identifizieren.
-
Zur
Verwendung der vorstehenden Kombination eines groben Frequenzdurchlaufs
und daraufhin eines feinen Frequenzdurchlaufs über einen engeren Frequenzbereich
kann eine genaue Wertbestimmung der Resonanzfrequenz in schneller
Art und Weise beispielsweise innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde
durchgeführt
werden. Eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise ein Mikroprozessor, kann
die folgenden erfassten Frequenzwerte S3 mitteln bzw. ermitteln,
um Fehler aufgrund von Lärm
zu reduzieren. Die Frequenz des PWM-Signals kann daraufhin im Schritt
S4 bestimmt werden, um die Frequenz der erzeugten Sinuswelle anzuzeigen,
welche den Lautsprecher 2 im Bereich der Resonanz antreibt.
-
Die
Bestimmung der Resonanzfrequenz wird im Folgenden im Detail erläutert.
-
Ein
Mikroprozessor, welcher in diesem Fall der Mikroprozessor 110 ist,
welcher vorstehend beschrieben worden ist und welcher ebenso die PWM-Signale
erzeugt, wird dazu verwendet, um einen Algorithmus durchzuführen, um
die Resonanzfre quenz des Gases innerhalb des Resonators zu bestimmen.
Anstelle des Mikroprozessors 110 kann ein PC mit einer
entsprechenden Plug-in-Datenakquisitionskarte verwendet werden.
-
Um
die Resonanzfrequenz zu bestimmen, wie in 10 gezeigt,
weist der Mikroprozessor 110 einen analogen Ausgang 201,
einen digitalen Eingang 202 und einen analogen Eingang 203 auf.
-
Der
analoge Ausgang 201 ist mit dem Eingang 162 des
Spannungs-zu-Frequenz-Umwandlers 160 verbunden,
wie in 8 gezeigt, um dadurch die Frequenz zu steuern,
welche auf den Lautsprecher 2 aufgebracht wird. In diesem
Fall besteht der analoge Ausgang 201 aus zwei Ausgängen (nicht
gezeigt), wobei beide Ausgänge
mit dem Eingang 162 des Spannungs-zu-Frequenz-Umwandlers 160 verbunden
sind. Ein Ausgang steuert den groben Frequenzdurchlauf und der andere
Ausgang steuert den feinen Frequenzdurchlauf. Jeder der beiden Ausgänge wird über einen
Digital-Analog-Umwandler geführt,
welcher in diesem Fall innerhalb des Mikroprozessors 110 selbst
vorgesehen ist, und ein entsprechender Widerstand ist für die beiden
Ausgänge
vorgesehen, um den erforderlichen Pegel für eine entsprechende Auflösung bereitzustellen.
In diesem Fall hat der Widerstand für die grobe Frequenzsteuerung
einen Widerstand von 36 kΩ und
der Widerstand für
die feine Frequenzsteuerung hat einen Widerstand von 2,2 MΩ.
-
Wie
bereits erläutert,
kann die Frequenz der Annäherung
an ein Signal für
eine Sinuswelle, welches den Lautsprecher antreibt, nicht stets
genau von der Spannung des Antriebssignal von einem analogen Ausgang 201 aufgrund
von Temperaturschwankungen und beispielsweise unterschiedlicher Performance
von elektrischen Komponenten exakt aufgebracht werden bzw. vorliegen.
Somit wird eines der PWM-Signale 102, 103, 104,
welche die gleiche Frequenz wie die Annäherung an eine Sinuswelle aufweisen,
welche den Lautsprecher 2 oder das Zeitsignal 101 antreiben
bzw. daran anliegen auf den digitalen Eingang 202 für den Mikroprozessor 110 auf gebracht,
um die Frequenz der Annäherung
an eine Sinuswelle 105 zu berechnen, wie vorstehend beschrieben
worden ist.
-
Der
analoge Eingang 203 repräsentiert die Amplitude des
Signals, welches von dem Mikrophon aufgenommen wird, und ist mit
dem Mikroprozessor 110 über
einen externen Analog-Digital-Umwandler verbunden. Das Verfahren
zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ist derart, dass die Frequenz
identifiziert wird, bei welcher der analoge Eingang 203 ein Maximum
aufweist.
-
Das
Verfahren zur Bestimmung der Resonanzfrequenz kann in vier Stufen
unterteilt werden. Die ersten drei Stufen S1, S2, S3 umfassen jeweils eine Änderung
der Lautsprecherfrequenz, um die Resonanz zu suchen. Wenn die Resonanz
lokalisiert worden ist, wird in der letzten Stufe S4 die Resonanzfrequenz
gemessen.
-
Die
erste Stufe S1 ist ein schneller Scan über den zulässigen Bereich von Frequenzen,
welche durch ein Lesen des analogen Eingangs 203 für jeden
Schritt der analogen Ausgangsspannung 201 vorgenommen werden.
Der zulässige
Bereich der Frequenzen ist derart ausgewählt, um den Scan auf diejenigen
Frequenzen zu beschränken,
bei welchen die nicht radiale Resonanz für die erwartete Kombination
eines Gasgemisches, der Temperatur und dem Druck auftritt. Die Grenzen
des zulässigen
Bereichs liegen vor, um die Zeit zu reduzieren, welche erforderlich
ist, um die Resonanzfrequenz zu lokalisieren und um ebenso das Risiko
einer Lokalisierung einer nicht erwünschten Resonanzspitze zu reduzieren.
Obwohl das exakte Verhältnis
zwischen der Steuerspannung von dem analogen Ausgang 201 und
der Mikrophonfrequenz nicht bekannt ist, ist dieses entsprechend
ausreichend, um für
die Festlegung der Frequenzgrenzen des zulässigen Bereichs verwendet zu
werden, innerhalb dessen die Suche für die Resonanz durchgeführt wird.
-
In
dem vorliegenden Beispiel ist der Frequenzbereich 7,5 kHz bis 11,8
kHz (4,3 kHz) mit einer Frequenzscanrate von 86 kHz/s und einer
Mikrophonsamplingrate von 100000 Samples bzw. Abtastungen pro Sekunde,
wodurch insgesamt 5100 Mikrophonabtastungen in jeder Richtung erzeugt
werden.
-
Um
die Resonanzfrequenz zu lokalisieren, wird der Prozessor derart
angeordnet, dass dieser nach einer Spitze in der Amplitude eines
Signals von dem Mikrophon am Eingang 203 sucht und daraufhin die
Frequenzsteuerspannung ermittelt, welche zu dieser Zeit verwendet
worden ist.
-
Um
für eine
begrenzte Zeit es der Hardware zu ermöglichen, eine Änderung
in der Amplitude des Signals von dem Mikrophon am Eingang 203 als
Ergebnis einer Änderung
in der Frequenzsteuerspannung am Ausgang 201 zu erzielen,
umfasst der schnelle Scan der ersten Stufe S1 ein erstes Scannen
nach oben über
den Bereich der analogen Ausgangsspannungen 201 und ein
zweites Scannen nach unten über
den gleichen Bereich der analogen Ausgangsspannungen. Es ist ohne
weiteres ersichtlich, dass der erste Scan alternativ auch nach unten über den
Bereich der analogen Ausgangsspannungen und der zweite Scan nach
oben über
den Bereich durchgeführt
werden konnte. Wenn nach oben gescannt wird, ist die Frequenzsteuerspannung 201, welche
anliegt, wenn die Spitze erfasst wird, aufgrund der Antwortzeit
geringfügig
höher als
die Spannung, welche es veranlasst, dass eine Spitze auftritt. Bei
dem Scannen nach unten ist die Frequenzsteuerspannung 201 geringfügig kleiner
als die Spitzenspannung. Angenommen, dass die Antwortzeit die gleiche
für beide
Richtungen des Scans ist, wird der Durchschnitt der Spannungen die
wahre Spannung der Resonanz angeben.
-
Ein
zweites Verfahren zur Bereitstellung der begrenzten Antwortzeit
der Hardware, ist in 11 in Verbindung mit dem vorstehenden
Verfahren des ersten und zweiten Scan in entgegengesetzte Richtungen
dargestellt. Das zweite Verfahren verwendet einen geschützten Wert
für die
Antwortzeit T, um die Spitze 301 des Wertes M der empfangenen
Mikrophondaten mit der Frequenzsteuerspannung V abzugleichen, welche
gemäß der geschätzten Antwortzeit T
und der Charakteristik der Frequenzsteuerspannung über die
Zeit 302 diesen Wert der Mikrophondaten erzeugt, wie durch
die gestrichelte Linie 303 in 11 gezeigt.
Folglich fährt
das Mikrophon fort, die Daten für
eine gewisse Zeit zu sammeln, nachdem die Frequenzsteuerspannung
V das Scannen zur Zeit t1 abgeschlossen
hat. Dieses zweite Verfahren ermöglicht
es, dass die Spitzen, welche nahe dem Ende des Scans liegen, so
dass eine Spitze 301 in dem Scan nach oben der Frequenzsteuerspannung 302 limitiert
wird, wie in 11 gezeigt, wobei diese nicht
berücksichtigt
worden wären,
wenn das Sammeln der Mikrophondaten M mit dem Scannen der Frequenzsteuerspannung 302 synchronisiert
worden wäre.
Für den
Fall, dass die geschätzte
Antwortzeit exakt war, werden X, Y für die Spannungen ermittelt, welche
die Resonanzspitze erzeugen, in jedem Scan nach oben und unten unter
dieser Annahme exakt gleich seien. Da jedoch, wie in 11 gezeigt,
der geschätzte
Wert geringfügig
abweichen kann, wobei für
diesen Fall die Werte nach oben und unten der Frequenzsteuerspannung
geringfügig
unterschiedlich sein werden, wird daraufhin eine entsprechende Mittelung
stattfinden.
-
Die
zweite Stufe S2 verwendet das Verfahren zum Scannen der ersten Stufe
mit der Ausnahme, dass über
einen geringen Frequenzbereich gescannt wird, nachdem in der ersten
Stufe identifiziert worden ist, dass eine Resonanzspitze vorliegt.
Die zweite Stufe verwendet den Wert für die Frequenzsteuerspannung
bei der Resonanz, welche von der ersten Stufe als dessen zentraler
Punkt für
dessen Scanbereich mit geringerer Frequenz enthält. In diesem Fall ist der
Bereich des Frequenzscans der zweiten Stufe 150,5 Hz.
-
Jedoch
kann das Ergebnis des ersten Scans zu nahe an einem der beiden Grenzen
des Bereichs der Frequenzsteuerspannung liegen, so dass es für die zweite
Stufe möglich
ist, dass dieser für
dessen Zentrumspunkt verwendet wird. In diesem Fall wird der Scan
der zweiten Stufe an der entsprechenden Endgrenze des Bereichs für die Frequenzsteuerspannung
festgelegt.
-
Die
Größe der Frequenzsteuerspannungsschritte
ist ebenso für
die zweite Stufe unterschiedlich. Im Hinblick auf die Geschwindigkeit
wird für
die erste Stufe nicht die volle Auflösung der Frequenzsteuerspannung
verwendet, wohingegen die zweite Stufe die vollständige Auflösung verwendet,
um einen präzisen
Wert für
die Resonanzfrequenz zu erzeugen bzw. zu ermitteln.
-
Die
zweite Stufe verwendet ebenso eine geringere Rate für die Änderung
der Lautsprecherfrequenz über
die Zeit. In diesem Fall 2,15 kHz/s gegenüber 86.0 kHz/s, welche für die erste
Stufe verwendet wird. In diesem Fall wird die Abtastrate des Mikrophons
für die
zweite Stufe ebenso auf 25000 Abtastungen pro Sekunde abgesenkt,
wodurch insgesamt 1800 Mikrophonabtastungen erzeugt werden.
-
Man
erhält
den endgültigen
Wert unter Verwendung der dritten Stufe S3, welche einen weiteren Scan
verwendet, der die Mikrophondaten ermittelt und somit ein abhängiges bzw.
entsprechendes Ergebnis erzeugt. Ähnlich wie in der zweiten Stufe
wird in der dritten Stufe das Ergebnis verwendet, welches man durch
den vorhergehende Scan als dessen Zentrumspunkt erhält. Wenn
das Ergebnis des zweiten Scans zu nahe an den Endgrenzen des Bereichs
für die
Frequenzsteuerspannung liegt, um für die dritte Stufe S3 als Zentrumspunkt
verwendet zu werden, kann der dritte Scan an der entsprechenden
Endgrenze von dessen Bereich der Frequenzsteuerspannung festgelegt
bzw. verankert werden. Jedoch ist der Scan dieser dritten Stufe
langsamer und methodischer als die Scans der vorhergehenden Stufen. Somit
deckt diese einen Bereich von geringeren Werten der Frequenzsteuerspannung
ab (im Allgemeinen 24 oder weniger) und beträgt in diesem
Fall 21. Für
jeden Wert wird der analoge Ausgang 201 festgelegt und
daraufhin ist es dem Schaltkreis möglich, sich für einige
Millisekunden zu stabilisieren, in diesem Fall 5 Millisekunden.
Wenn die Stabilisierungszeit abgelaufen ist, wird eine vorgegebene
Anzahl von Abtastungen der Mikrophonspannung vorgenommen, in diesem
Fall 20, und aufaddiert. Dieser Prozess wird für jeden
Wert der Frequenzsteuerspannung wiederholt und der Spitzenwert wird
ermittelt. Dies ist der Wert für
die Resonanz der Frequenzsteuerspannung.
-
Die
endgültige
vierte Stufe S4 umfasst das Bereitstellen der Frequenz an dem Resonanzwert und
das Messen der Frequenz des Signals, welches den Lautsprecher 2 antreibt,
unter Verwendung eines PWM-Signals 102, 103, 104 oder
eines Zeitsignals 101, welches dem digitalen Eingang 202 zugeführt wird,
um die Resonanzfrequenz des Gases innerhalb des Resonators zu ermitteln.
Aus der ermittelten Resonanzfrequenz (f) wird die Schallgeschwindigkeit des
Gases (c) unter Verwendung der Gleichung c = f × K berechnet, wobei K eine
Konstante zur Kalibrierung für
den Resonator ist, wie bereits vorstehend erläutert worden ist. Die Schallgeschwindigkeit
innerhalb eines Gases ist ein nützliches
Merkmal, um eine Vielzahl anderer Merkmale des Gases bestimmen zu können.
-
Das
Verfahren zur Bestimmung der Resonanzfrequenz kann als ein Computerprogramm
auf einem Trägermedium
bereitgestellt werden, wie beispielsweise eines ROM in Form einer
CD-ROM oder einer Diskette.