NO143645B - Apparat for ultralydmaaling. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for ultralyd-

måling med minst en som sender tjenende ultralydomformer som ved hjelp av en ledning er forbundet med en pulsgenerator.

Slike apparater har stor anvendelse, f.eks. for ultralyd-

måling av hastigheten av strømmende medier.

Det er kjent et apparat for ultralydmåling

hvor to ultralydomformere anvendes som avvekslende virker som sender og mottager. De har en felles sendepulsgenerator og en felles mottagerforsterker som omformerne er forbundet med gjennom en ledning, særlig en kabel, som avvekslende blir galvanisk ledende tilsluttet.

Det er videre kjent et apparat for ultralyd-

måling hvor en enkelt ultralydomformer tjener som sender og mottager. Mens forbindelsen av omformeren med sendepuls-

generatoren skjer via en direkte ledning, er det mellom om-

formeren og mottagerforsterkeren anordnet en første trans-

formator, en mellomkrets og en andre transformator. I

mellomkretsen befinner det seg en med dioder utrustet ring-

modulator som ved hjelp av en puls som tilføres midtuttaket i mellomkretstransformatorviklingene, kan sperres.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe

et apparat av den innledningsvis nevnte art, hvor den over ultralydomformeren opptredende spe.nning bedre enn tidligere tilpasses sendepulsen.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at det

mellom ledningen og pulsgeneratoren er anordnet en tilpasningsmotstand som er tilpasset ledningens bølgemotstand, og at pulsgeneratoren gjennom en ledningsgren er shuntet med en første koplingsinnretning som blir ledende ved slutten av sendepulsen.

Denne konstruksjon beror på den erkjennelse at en ultralydomformer har en impedans som er meget vanskelig å

bestemme, slik at det opptrer uunngåelige refleksjoner. Disse refleksjoner ble tidligere reflektert på ny i området av sendepulsgeneratoren slik at den to ganger reflekterte bølge ble overlagret spenningen som ble påtrykt omformeren. Dette førte til en spenning over ultralydomformeren som i forhold til firkantsendepulsen ikke bare hadde en uunngåelig hellende stigeflanke, men dessuten hadde et meget ujevnt forløp slik det skal nærmere beskrives i forbindelse med fig. 1. Dette førte til en ujevn energisering av krystallet i omformeren og dermed til en ujevn utstråling av ultralydsignalet.

Ved konstruksjonen ifølge oppfinnelsen er det på pulsgeneratorsiden sørget for en tilpasningsmotstand som hindrer refleksjoner fordi den er tilpasset ledningens bølge-motstand. Som følge herav vil opptreden av en refleksjon på ultralydomformeren være uskadelig. På grunn av den manglende andre refleksjon kan spenningen på omformeren ikke påvirkes av reflekterte bølger. Porat tilpasningsmotstanden imidlertid også efter avsluttet sendepuls kan være virksom for å hindre uønsket etterenergisering av omformeren som følge av refleksjoner, er det parallelt anordnet en ledningsgren som gjøres virksom ved hjelp av en første koplingsinnretning.

Når ultralydomformeren også tjener som mottager er det å anbefale å anvende et tidsstyreledd som avslutter den ledende tilstand av den første koplingsinnretning før begynnelsen av mottagerens drift.-

Med fordel kan den første koplingsinnretning være'gradvis styrbar fra ledende til sperret tilstand. Dette fører til at tilpasningsmotstandensvirksomhet avtar etter hvert. Derved hindres en plutselig utkopling som på sin side kan føre til uønsket steile signalflanker.

Pulsgeneratoren kan ha en via en formotstand

til matespenning oppladbar første kondensator i serie med en av en sendestyrepuls styrbar koplingsinnretning. Utladningen av kondensatoren over koplingsinnretningen er som regel så kort at man kan regne med en praktisk talt firkantsendepuls.

Den første koplingsinnretning består fortrinns-vis av en diode som av sendepulsen belastes i sperreretningen, og parallelt med den første diode kan det anordnes en med en andre diode i serier liggende strømkilde som i tillegg til sendepulsen sender en strøm i passeringsretningen gjennom den første diode. Så lenge sendepulsen forekommer vil den første diode være sperret slik at den andre diode beskytter strøm-kilden. Ved slutten av sendepulsen blir da den første diode bragt i ledende tilstand og de reflekterte spenninger med begge polariteter slippes gjennom.

Strømkilden kan være en spole som ligger i utladningskretsen for en andre, via en formetstand til matespenning oppladbar kondensator som sluttes ved hjelp av en andre av matestyresignalet styrbar koplingsinnretning. Denne andre kondensator utlader seg gjennom spolen ved levering av sendepulsen. Spolestrømmen flyter derefter gjennom de to dioder slik at den første diode holdes i ledende tilstand.

Da spolestrømmen avtar etter hvert, vil det ved slutten av den ønskede -passeringstid skje en tiltagende overgang til sperretilstand.

Dessuten kan ledningen via en transformator være forbundet med tilpasningsmotstanden og pulsgeneratoren. Derved oppnås en galvanisk adskillelse av omformeren fra det øvrige- apparat, slik at det oppnås større sikkerhet. Eventuelt kan det ved hjelp av transformatorens omsetningsforhold også skje en tilpasning av tilpasningsmotstanden til bølgemotstanden. ■* Eventuelt kan det .ved hjelp av en tredje vikling på transformatoren koples inn nok en kondensator som tilpasningsbelastning for å ta hensyn til ikke-ohmske komponenter i ledningens bølgemotstand.

Videre kan transformatoren ha en tredje vikling via hvilken en mottagerforsterker under mellomkopling av en mellomkrets er forbundet med en andre koplingsinnretning som styres til ledende motstand ved mottagerens drift, og en andre transformator kan anordnes som tilpasser mottagerforsterkerens inngangsmotstand til ledningens bølgemotstand. På denne måte får mottagerforsterkeren ved drift av senderen, altså sperret koplingsinnretning, ingen innvirkning på den tilpassede tilpasningsmotstand. Ved mottagerens drift derimot når tilpasningsmotstanden er koplet ut, danner denne ved den andre transformators tilpassede inngangsmotstand av mellomkretsen en tilpasningsmotstand som også hindrer refleksjoner under denne driftsart, som ellers kunne innvirke på mottager-resultatet.

I denne sammenheng er det gunstig hvis de til-hørende viklinger for den første og andre transformator i mellomkretsen er tilordnet hver sin kondensator for dannelse av tilnærmet på mottagningsfrekvensen avstemte pårallellsvinge-kretser. Som følge av disse parallellsvingekretser oppnås en meget god dempning. Den andre transformator kan da ha et minst mulig vinningstall.

Por dannelse av den andre koplingsinnretning i forbindelsesledningen mellom endene av viklingene i den første og andre transformator i mellomkretsen, kan det anordnes en tredje og en fjerde diode hvis anoder vender mot viklingene,

og et midtuttak på de to viklinger kan via hver sin motstand være forbundet med en mateledning og et midtuttak via en tredje, av et mottagerstyresignal styrt koplingsinnretning som er forbundet med en andre mateledning. Når koplingsinnretningen er sperret under senderens drift, er også diodene sperret. Under mottagerens drift derimot er koplingsinnretningen ledende slik at diodene også kan overføre de mot-tatte signaler.

Et apparat forsynt med to ultralydomformere som avvekslende virker som sender og mottager, kan ifølge oppfinnelsen ha to sendepulsgeneratorer med tilhørende tilpasningsmotstand og første koplingsinnretning, og to mellomkretser med tilhørende andre koplingsinnretninger, med en felles andre transformator og mottagerforsterker. Ved hjelp av en styreinnretning kan da sendepulsgeneratoren og den første koplingsinnretning for den ene ultralydomformer betjenes for sendedrift og den andre koplingsinnretning for den andre ultralydomformer bringes i ledende tilstand for mottagerdrift. Ved den neste arbeidsoperasjon blir de enkelte komponenter styrt på motsatt måte.

To utførelseseksempler på et apparat ifølge oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene.

Fig. 1 viser spenningsforhold mellom sendepulsgeneratoren og ultralydomformeren ved refleksjon. Fig. 2 viser et forenklet koplingsskjerna for en som sender arbeidende ultralydomformer. Fig. 3 viser et koplingsskjerna for to avvekslende som sender og mottager arbeidende ultralydomformere. Fig. 1 viser spenningsforløpet på forskjellige steder og til forskjellige, tidspunkter til nærmere forklaring av fenomenet refleksjon. På fig. la er vist en sendepuls sl som er firkantformet og avgis fra sendepulsgeneratoren med en spenning Vq . På fig. lb er vist formen av denne puls når den treffer omformeren. Det opptrer en mindre steil stigende flanke og en maksimalspenning på ca. 2 Vq. En slik pulsform er uønsket på omformeren.

Som følge av impedansen i krystallet i omformeren opptrer en reflektert bølge som er vist på fig. lc. Den reflekterte bølge har en negativ topp ved - Vq og når siden igjen en verdi på + VQ. Noen tid senere når denne bølge signalgeneratoren som vist på fig. Id. Ifølge oppfinnelsen er det på dette sted ikke lenger mulig noen refleksjon som følge av tilstedeværelsen av en tilpasningsmotstand.

Hittil har det imidlertid skjedd en ny refleksjon og fig. le viser en refleksjon ved en sendepulsgenerator med meget liten indre motstand. Denne bølge vandrer på ny til ultralydomformeren som vist på fig. lf. Denne reflekterte bølge fører til kurven på fig. lg som viser spenningen på omformeren. Da denne spenning er overlagret den opprinnelige kurve, opptrer det på omformeren en spennings-form som er vist på fig. lh og som har et meget ujevnt for-løp. Derved blir frembringelsen av nøyaktige ultralyd-signaler forstyrrende påvirket..Som eksempel kan angis at ved en ultralydfrekvens på 1 MHz er varigheten av sendepulsen sl, altså tiden t, - tn, ca. 0,5 x 10 ^ sekunder og løpe-- 6

tiden t^ i ledningen er ca.0,1 x 10 sekunder.

Ved utførelseseksemplet på fig. 2 er en ultralydomformer Gl forbundet med viklingen Wl i transformatoren Tl gjennom ledninger 1 og 2. Viklingen W2 i denne transformator ligger i serie med en tilpasningsmotstand RI.

Kretsen sluttes av en sendepulsgenerator SG som består av en seriekopling av en kondensator Cl og en transistor Tri. Denne sendepulsgenerator er shuntet med en diode Dl som danner en første koplingsinnretning. Dioden Dl ligger i en krets med en spole LI og en andre diode D2. Mellom disse to komponenter er avgrenet en seriekopling av en kondensator C2 og en transistor Tr2. De to transistorer Tri og Tr2 blir via motstander R2 og R3 styrt av en sendestyrepuls S2 ved hvis opptreden de to transistorer blir ledende. De to kondensatorer Cl og C2 lades via formotstander R4 og R5 fra en mate-spenningskilde + V , idet ladekretsen sluttes via diodene Dl respektivt diodene Dl og D2.

Dette fører til følgende driftsmåte: I mellom-pausen lades kondensatorene Cl og C2 til matespenningen V s.

Når sendestyrepulsen s2 opptrer og transistoren Tri blir ledende utlades kondensatoren Cl via kollektor-emitter^ overgangen i transistoren Tri, tilpasningsmotstanden RI og viklingen W2 i transformatoren Tl. Som følge derav over-føres en firkantpuls til ultralydomformeren l,slik at dens krystall energiseres for avgivelse av ultralydsvingninger.

Da tilpasningsmotstanden RI er tilpasset bølgemotstanden i ledningen 1, 2 blir en av omformeren Gl reflektert'bølge opp-tatt av tilpasningsmotstanden RI uten noen ny refleksjon. Samtidig med transistoren Tri blir også transistoren Tr2 ledende. Som følge derav utlader kondensatoren C2 seg gjennom kollektor-emitter-overgangen i transistoren Tr2 og spolen LI. Ved slutten av sendepulsen sperres transistoren Tr2,og spolen LI opprettholder strømmen. Strømmen flyter gjennom diodene D2 og Dl. Som følge herav blir den til da av sendepulsen sl sperrede diode Dl ledende. Dermed blir igjen viklingen W2 tilpasset ved hjelp av tilpasningsmotstanden RI. Også eventuelt opptredende reflekterte bølger blir derved ikke reflektert. Da spolestrømmen avtar etter hvert,minsker også passerbarheten i dioden Dl. Tilpasningsmotstanden RI koples ut efter hvert og ikke plutselig. Sluttelig blir sløyfen som inneholder viklingen W2 brutt og danner derfor ikke noen belastning for en etterfølgende mottagerdrift.

På fig. 3 er anvendt to ultralydomformere Gl og Gli. Den første ultralydomformer Gl er tilordnet de samme komponenter for sendedrift som på fig. 2. Den andre ultralydomformer Gil er tilordnet lignende komponenter for sendedrift og har henvisningstall som er en tierfaktor større. Gjennom en mateledning 3 blir en spenning på + 12 V og via

en andre mateledning 4 påtrykt en spenning på - 12 V, slik at det som matespenning står til rådighet 24 V. Mellom de to ledninger er anordnet en utjevningskondensator C3-Sendestyresignalene S2 og S12 tilføres avvekslende.

Por mottagerdrift har ultralydomformeren Gl en transformator Tl en tredje vikling W3 som danner en del av en mellomkrets 10 som har en vikling W4 i en transformator T2, hvis andre vikling ',W5 har et jordet midtuttak og to signal-ledninger 5 og 6 som via kondensatorer C4 og C5 er forbundet med en mottagerforsterker A. De to viklinger W3 og W4 er forbundet med hverandre gjennom ledninger 7 og 8 som inneholder hver sin diode D3 og D4 hvis anoder vender mot den samme vikling. Et midtuttak på viklingen W3 er via én formotstand R6 forbundet med mateledningen 3 - og via en transistor Tr3 forbundet med-den jordede nulleder 9- Midtuttaket på viklingen W4 er gjennom en formotstand R7 forbundet med mateledningen 3- Viklingen W3 er paralléllkoplet med en kondensator C6 og viklingen W4 er paralléllkoplet med en kondensator C7- For mottagerdrift-av ultralydomformeren Gil er det anordnet en tilsvarende mellomkrets 20 med de samme komponenter, idet bare viklingen W4 og kondensatoren C7 er felles med mellomkretsen 10.

Når ultralydomformeren Gl skal virke som mottager påtrykkes basisen i transistoren Tr3 mottagerstyresignal s3- Transistoren Trl3 er da sperret fordi den ikke tilføres noe mottagerstyresignal sl3- Strømmen gjennom transistoren Tr3 består av en første delstrøm som flyter gjennom motstanden R6 og kan holdes liten som følge av tilsvarende dimensjonering av denne motstanden, og en andre del-strøm som flyter gjennom motstanden R7, de to halvdeler av viklingen W4, de to dioder D3 og D4 og de to halvdeler av viklingen W3. Som følge derav kan det i transformatoren Tl overførte mottagersignal overføres via mellomkretsen 10 og transformatoren T2 til mottagerforsterkeren A. Når mottagerstyresignalet s3 avsluttes sperres altså transistoren Tr3 og diodene D3 og T) H, slik at ikke noe signal fra viklingen W3 kan overføres via mellomkretsen 10. Diodeparet D3 og D4 resp. D13 og Dl4 danner da en av de tilhørende transistorer Tr3 respektivt Trl3 styrbar koplingsinnretning.

Ved hjelp av en hovedstyreinnretning sørges det for at under drift opptrer det et sendestyresignal s2 bare når mottagerstyresignalet S13 er tilstede og omvendt et sendestyresignal S12 bare når mottagerstyresignalet s3 opptrer .

Por dimensjonering av de enkelte komponenter kan følgende sies. Bølgemotstanden Zq for et vanlig som kabel utformet ledningspar 1,2 kan i høy grad anses som ohmsk og ligger som regel mellom 60 og l60 ohm. Ved en 75 ohms-kabel og et omsetningsforhold mellom viklingene Wl og W2 i transformatoren Tl på 1 : 1, bør tilpasningsmotstanden RI likeledes ha en verdi på 75 ohm. Hvis også en tilpasning av blindmotstanden er nødvendig kan dette skje ved tilsvarende valg av kondensatoren C6 parallelt med viklingen W3 . Det er ikke nødvendig at tilpasningen er helt nøyaktig fordi også en delvis undertrykning av refleksjon gir en betydelig forbedring. Forøvrig kan kondensatorene C6, C7 og Cl6 i mellomkretsen velges slik at de sammen med de tilhørende viklinger W3S W4 og W13 danner svingekretser hvis resonans-frekvens tilnærmet tilsvarer mottagerfrekvensen for omformeren Gl og Gil. Inngangsmotstanden i mottagerforsterkeren A er som regel fast, f.eks. 2500 ohm. Omsetningsforholdet i transformatoren T2 bør derfor ved anvendelse av en 75 ohm-kabel være 1:6.

Claims (12)

1. Apparat for ultralydmåling med minst én som sender tjenende ultralydomformer som ved hjelp av en ledning er forbundet med en pulsgenerator, karakterisert ved at det i serie mellom ledningen (1,2; 11,12,) og pulsgeneratoren (SG) er anordnet en tilpasningsmotstand (R1;R11) som er tilpasset ledningens bølgemotstand, og at pulsgeneratoren gjennom en ledningsgren er shuntet med en første koplingsinnretning (D1;D11) som blir ledende ved slutten av sendepulsen (s1).

2. Apparat ifølge krav 1, hvor ultralydomformeren også tjener som mottager, karakterisert ved et tidsstyreledd (L1;L11), som avslutter den ledende tilstand av den første koplingsinnretning (D1;D11) før begynnelsen av mottagerens drift.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at den første koplingsinnretning (D1;D11) er gradvis styrbar fra ledende til sperret tilstand.

4. Apparat ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at pulsgeneratoren (SG) har en via en formotstand (R4;R14) til matespenning oppladbar første kondensator (C1;C11) i serie med en av en sendestyrepuls (s2; s12) styrbar koplingsinnretning (Tr1;Tr11).

5. Apparat ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at den første koplingsinnretning (D1; D11) består av en diode som av sendepulsen (s1) belastes i sperreretningen, og at det parallelt med den første diode er anordnet en med en andre diode (D2;D12) i serie liggende strømkilde (L1;L11) som i tillegg til sendepulsen sender en strøm i passeringsretningen gjennom den første diode.

6. Apparat ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at strømkilden '(L1;L11) er en spole, som ligger i utladningskretsen for en andre, via en formotstand (R5;R15) til matespenning oppladbar kondensator (C2;C12) som sluttes ved hjelp av en andre, av et matestyresignal (s2; s12) styrbar koplingsinnretning (Tr2;Tr12).

7. Apparat ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at ledningen (1,2;11,12) via en transformator (T1,T11) er forbundet med tilpasningsmotstanden (R1; R11) og pulsgeneratoren (SG).

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at transformatoren (T1;T11) har en tredje vikling (W3; W13) som ligger parallelt med en kondensator (C6;C16).

9. Apparat ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at transformatoren (T1;T11) har en tredje vikling (W3;W13) via hvilken en mottagerforsterker (A) under mellomkopling av en mellomkrets (10;20) er forbundet med en andre koplingsinnretning (D3,D4;D13,D14) som styres til ledende tilstand ved mottagerens drift, og en andre transformator (T2) som tilpasser mottagerforsterkerens inngangsmotstand til ledningens (1,2;11,12) bølgemotstand.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at de tilhørende viklinger (W3,W4,W13) for den første og andre transformator i mellomkretsen (10; 20) er tilordnet hver sin kondensator (C6,C?,C16) for dannelse av tilnærmet på mottagningsfrekvensen avstemte parallellsvingekretser.

11. Apparat ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at for dannelse av den andre koplingsinnretning er det i forbindelsesledningene (7,8;17,18) mellom endene av viklingene (W3,W4,W13) i den første og andre transformator (T1,T11), i mellomkretsen anordnet tredje og fjerde dioder (D3, D4;D13,D14) hvis anoder vender mot viklingene (W3,W13), og at et midtuttak på viklingene (W3,W4,W13) via hver sin motstand (R6,R7,R16) er forbundet med en mateledning (3), og et midtuttak på viklingene (W3,W13) via en tredje av et mottagerstyresignal (s3;s13) styrt koplingsinnretning (Tr3;Tr13), er forbundet med en andre mateledning (9).

12. Apparat ifølge et av kravene 1-11, forsynt med to ultralydomformere som avvekslende virker som sender og mottager, karakterisert ved to sendepulsgeneratorer (SG) med tilhørende tilpasningsmotstand (R1;R11) og første koplingsinnretning (D1;D11), og to mellomkretser (10;20) med tilhørende andre koplingsinnretninger (D3,D4;D13,D14), men med felles andre transformator (T2) og mottagerforsterker (A).