SE418354B - Kopplingsanordning avsedd for en till resonanssvengning aktiverad ultraljud-sendaromvandlare - Google Patents

Description

10 “IS 20 25_ 30 35 NO '7805035-8 2 att piezokeramikmaterial är utsatta för en mer eller mindre kraftig, men definitivt inte försumbar åldring - speciellt med avseende på polarisationen - med ändrad egenfrekvens som följd. _ Utöver de ovannämnda av de materíalspecifika egenskaperna bero- ende resonansfrekvensavvikelserna, måste vid teknisk serieanvändning även de frekvensavvikelser beaktas som har sin grund i spridningen mellan olika enskilda exemplar vid seriemässigt tillverkade ultra- ljudomvandlare, även då största noggrannhet iakttages vid dessas til1verkning.i I Ytterligare orsaker till resonansfrekvensändringar är nedsmuts- ning av och/eller fukt på omvandlaren. .

Utöver detta måste den som använder ultraljudomvandlare kämpa med svårigheter som beror på spridning, toleranser och åldring hos _komponenterna i den elektroniska aktiveringskretsen, speciellt efter-g som åldringskarakteristikorna för keramikomvandlaren å ena sidan och elektronikkomponenterna å andra sidan kan skilja sig fullständigt från varandra och därmed leda till olika frekvensändringar.

Följaktligen är ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma en för aktivering av en ultraljudsändaromvandlare avsedd kopplingsanordning, som eliminerar ovanstående nackdelar, och spe- ciellt gör anordningen okritisk mot keramikens åldring, spridningi mellan olika serietillverkade omvandlare och även mot toleranser i den elektroniska kretsen. _ 7 Detta uppnås, genom att den i patentkravets 1 ingress angivna_ kopplingsanordningen uppvisar de i detta patentkrav angivna känne- tecknen. Speciellt gynnsamma utföringsformer av uppfinningen fram- går av underkraven.

Föreliggande uppfinning utgår från den tanken, att exempelvis en i och för sig känd elektronisk kopplingsanordning för elektrisk aktivering av en ultraljudomvandlare kompletteras på sådant sätt, att den sålunda bildade kopplingsanordningen tillsammans med ultra- ljudomvandlaren automatiskt förmår finna ett resonansfrekvensvärde I för gynnsam aktivering, närmare bestämt för en av användaren bestämd, på lämpligt sätt vidmakthållen svängningsmod hos omvandlaren. Sväng- ,ningsmoden kan härvid vara en grundresonansmod eller en övertonsre- sonansmod hos exempelvis en tjocklekssvängare, en längdsvängare, en böjsvängare e.dyl. I I 7 _”]l 2 Uppfinningen belyses närmare nedan i form av ett i ritningen visat utföringsexempel, varvid fíg. 1 visar principschemat för en enligt uppfinningen utförd kopplingsanordning och fig. 1a och 1b två olika utföringsformer av en dcl av denna kopplingsanordning. Pig. 2 (p. 10 l5 20 25 30 35 40 7so5ozs~s visar i detalj kopplingsanordningen enligt uppfinningen använd i en ultraljudsändarkrets. I Uppfinningens grundidê kommer nu att förklaras med hänvisning till det i fig. 1 återgivna principiella blockschemat.

En ultraljudsändaromvandlare visas i fig. 1 vid 30. Denna om- vandlare kan i vissa fall även vara ultraljudmottagaromvandlare, nämligen i pauserna mellan de utsända ultraljudpulserna.

K Sändaromvandlarens 30 elektriska aktivering sker medelst en av en oscillator 133 alstrad växelspänning. Av denna oscillatorväxel- spänning alstras i en grindkrets H2 i motsvarighet till tídsstyrningen från en med grindkretsen förbunden sändartaktgenerator sändarpulser, vilka efter förstärkning i en effektförstärkare UH pulsvis tillföres sändaromvandlaren 30.

En dylik, i föregående stycke beskriven kopplingsanordning för klockpulsstyrning av sändarväxelspänningen är känd och beskrives exempelvis i den tyska patentansökningen 27 21 254.

Nedan heskrives de i enlighet med föreliggande uppfinning ytter- Aligare anordnade kopplingsdelarna, genom vilkas närvaro_det ovan nämnda syftet med uppfinningen näs. Med 51 betecknas en taktvis styrbar "förpuls"-generator, med vilken "förpulser" alstras för tillförsel till sändaromvandlaren, företrädesvis via förstärkaren H4. Syftet med denna förpulsgenerator är att - mellan tvâ till sändaromvandlaren 30 från grindkretsen H2 matade driftpulser, men relativt kort före en dylik driftpuls - mata en eller flera förpulser till sändaromvandlaren, vilkas amplitud och varaktighet skall vara tillräcklig för att för- sätta sändaromvandlaren 30 i resonanssvängning. Efter denna kortvariga aktivering av sändaromvandlaren sker en utsvängning av omvandlaren med en resonansfrekvens som är typisk för den aktuella omvandlaren under de i detta ögonblick speciellt föreliggande betingelserna. För att sändaromvandlaren under drift skall svänga med den givna modens resonansfrekvens, göres oscillatorväxelspänningens frekvens åtminstone approximativt lika med denna svängningsmods resonansfrekvens. För att även den av förpulsen förorsakade kortvariga aktiveringen skall medföra svängning i denna givna mod,;vä1jes även bärfrekvensen hos denna förpuls och/eller, vid en följd av flera förpulser, dessas in-. bördes tidsavstånd så att åtminstone en approximativ överensstämmelse uppnås med omvandlaren 30 resonansfrekvens vid den givna svängninga- moden. Därigenom uppstår en långtgående överensstämmelse mellan för- pulsernas periodicitet och periodicíteten hos oscillatorns 233 växel- spänning. lO 11: 20 25 ud asp H0 '2805035 8 u Den i enlighet med föreliggande uppfinning åstadkomna utsväng- ningen av omvandlaren kan uttagas i form av en växelspänníngssignal vid sändaromvandlarens 30 elektriska ingång, eftersom sändaromvand- laren inte endast är en elektromekanisk omvandlare utan även kan arbeta reciprokt som mekanisk-elektrisk omvandlaren (mottagaromvand- lare). Denna, under förloppet för sändaromvandlarens självständiga utsvängning uttagna elektriska signalen tillföres en fasdiskrimina-7 tor_132, som ävenlnatasyned den från oscillatorn 233 härrörande oscil- latorvåxelspänningen. I fasdiskriminatorn 132 jämföres dessa båda sig- nalers inbördes fasläge och den därvid alstrade jämförelsesignalen 7 matas via en förstärkare till en ytterligare grindkrets 53. Denna grindkrets 53 har, såsom visas symboliskt i fig. 1, en väsentlig omkopplingsfunktion. Det i fíg. 1 visade läget av grindkretsen 53 avser en tidpunkt, då en från fasdiskriminatorn 132 härrörande sig- nal direkt matas till oscillatorns 233 ingång 56 via förstärkaren och grindkretsen 53. Med denna vid ingången 56 uppträdande elektriska signalen kan oscillatorn 233, som exempelvis kan vara en spännings- styrd oscillator (VCO), styras med avseende på sin svängningsfrekvens.

Oscillatorn 233 kan således i enlighet med föreliggande uppfin- ning styras på sådant sätt, att dess svängningsfrekvens kommer att efterjusteras till sändaromvandlarens 30 egenresonansfrekvens under dennas utsvängning. För att denna frekvensstyrning av oscillatorn 233 skall uppträda även i de tidsintervall, då inga egenutsvängningar föreligger hos omvandlaren 30, dvs. även då densamma aktiveras av en från grindkretsen 42 kommande drift-sändarpuls, finns en minnes- -krets 55, som lagrar fasdiskriminatorns 132 aktuella utsignal. Denna utsignal matas till minnet S5 via en laddnings- eller inskrivnings- krets SH, som kan utgöras av en enkel galvanisk förbindelse mellan kopplingspunkten 56 och minnets 55 ingång. Under nämnda resterande del av intervallet befinner sig grindkretsen 53 i sitt andra till- stånd, så att en från minnet 55 kommande och mot fasdiskriminatorns 132 utsignal svarande signal matas till oscillatorn 233.

Minnet 55 kan utgöras av en enda kondensator; eftersom fasdiskri- minatorns 132 utsignal i praktiken är en likspänningssignal.

De i tiden efter varandra följande enskilda förloppen, dvs. tillförseln av förpulser, därefter signalavkänning vid omvandlaren 30 med matning av signalen till fasdiskriminatorn 132, omkoppling av den ytterligare grindkretsen 53 och utstynningen av såndningstakten 1H? resp. gríndkfietsen H2, styrs från_en central Iaslüst klockpuls~ generator 1H5 (PLL-generator), vilket antyds sehematiskt i fig._1. 10 15 20 25 30 35 NO vaososs-8 En speciell vidareutveckling av uppfinningen har till uppgift att göra frekvensstyrningen av oscillatorn 233 och därmed den till sändaromvandlaren matade oscillatorspänningen oberoende av t.ex. statistiska variationer, vilka kan uppträda under enstaka utläs- ningsförlopp av frekvensvärdet hos sändaromvandlarens utsvängningar.

Egenstyrningsprincipen skall dock ej frångás. Till grund för lös- ningen av denna ytterligare uppgift ligger den tanken, att man momen- tant alltid endast utför en partiell frekvensändring i proportion _till den under respektive utläsningsvaraktigheten rådande utsignalen vid fasdiskriminatorns 132 utgång. Enstaka statistiska värden får därmed ingen inverkan, under det att ändringstendenser liksom förut kommer att detekteras.

En enkel utföringsform av denna vidareutveckling visas i fig. 1a och består i - om minnet 55 utgöres av en kondensator C1 - att laddnings- eller ínskrivningskretsen SH i stället för den ovan be- skrivna galvaniska förbindelsen realiseras av ett motstånd. Detta motstånd R är dimensionerat så att följande relation gäller: k-R-C1 = 7“A varvid TÅ är avläsníngsvaraktigheten under omvandlarens utsvängning och k är ett valfritt mått på den partiella frekvensjusteringen un- der varje enskild period. Det föredragna värdet på k ligger mellan 0,01 och 0,1.

Den från kopplingspunkten 56 utgående inmatningen i minnet 55, dvs. förändringen av dettas momentant lagrade värde, sker därigenom via detta motstånd R i kretsen 54 på dämpat, men ändock proportionellt sätt, varigenom i fasdiskriminatorns utsignal uppträdande enstaka, extrema frekvens- eller fasavvikelser (under en avläsningsvaraktighet ZTA på exempelvis tio svängningsperioder) mellan utsvängningsförlop- pets växelspänning och oscillatorväxelspänníngen endast kommer att tillföras minnet 55 med avsevärt (faktorn k) försvagad verkan. Den under denna period uppträdande styrningen av oscillatorn 233 vid den- nas ingång 56 medför således ingen oönskad, språngartad ändring av oscillatorväxelspänningens frekvens. En dylik ändring skulle eljest i sin tur medföra en språngartad ändring av den fas som för jämförelse under följande period uppträder vid fasdiskriminatorn 132.

En annan utföringsform av denna vidareutveckling framgår av fig. 1b. I detta fall realiseras laddnings- eller inskrivningskretsen 54 av en med jord förbunden kondensator C2, som saknar varaktig galva- nisk förbindelse med minnet 55 men som kortvarigt parallellkopplas med minnets 55 kondensator C1 medelst grindkretsen 53. Enstaka extrema m “ris jzoi Ü2s -_30 så RO pvaosozs-8 utsignaler från fasdiskriminatorn 132 uppträder visserligen vid kon- densatorn C2, men dessa kommer vid överföring till den med faktorn 1/k större kondensatorn C1 att förminskas proportionellt, varför även vid denna utföringsform minnet 55 ej-kommer att utsättas för några extrema ändringar i sitt laddningstillntånd. Kondensatorn C2 väljes exempelvis 100 gånger mindre än kondensatorn C1. V De båda nyssnämnda vidareutvecklingarna är av speciellt intresse- för den nedan beskrivna speciella användningen av den enligt uppfin- ningen utförda kopplingsanordningen. Nämnda användning består i att kopplingsanordningen används för egenstyrning av frekvensen hos ultra- ljudsändaromvandlaren i kopplingsanordningen enligt den redan nämnda 'svenska utläggningsskriften ... (tysk p.ans. 27 21 254).

Pig. 2 visar detaljerat ett fullständigt kopplingsschema för en ' koppling innehållande såväl kopplingsanordningen enligt föreliggande' uppfinning som anordningen enligt den nyssnämnda utläggningsskriften.

För förklaring av kopplingsdetaljer som även återfinnas i nämnda ut- läggningsskrift, hänvisas till denna.

.I den i fig. 2 visade kopplingsanordningen betecknas sändar- _omvandlaren, som med fördel även utnyttjas som mottagaromvandlare, med hänvisningsbeteckningen 30._Sändaromvandlaren matas från den lspänningsstyrda_oscillatorn 233 (visad med streckad linje) via grind- kretsen 42 och förstärkaren H4 med en klockpulsliknande aktiverings- signal. Grindkretsen H2 styrs av en takt- eller klockpulsgenerator 142.

Liksom i fig. 1 visas den centrala faslåsta klockpulsgeneratorn ÉPLL- generatorn) vid 1U5 och den för förpulserna inrättade generatorn vid 51. Den ytterligare grindkretsen 51 visas symboliskt med strömställare.

Det med 54 betecknade motståndet motsvarar laddnings- eller inskriv- ningskretsen 54 i fig. 1, närmare bestämt i enlighet med den i fig. 1a visade utföringsformen. Minnet utgöres på samma sätt av en med 55 be- tecknad kondensator. Den spänningsstyrda oscillatorns 233 styringång betecknas med 56. 7 7 I Liksom i fig. 1 betecknas fasdiskriminatorn med 132. För att utföra den vid föreliggande uppfinning avsedda funktionen som fas- diskriminator används vid kopplingen i fig. 2 en fasdiskriminator som utnyttjas som fasdiskriminator även under de egentliga drift- faserna hos kopplingen enligt ovannämnda utläggningsskrift, närmare bestämt för fasjämförelse mellan två pâ varandra följande, mottagna p signaler härrörande från ett föremål reflekterad, tidigare utsändl ultraljudstrâlning. Sker denna reflexion av utsänd ultraljudstrâlning mot ett rörligt föremål, skiljer sig nämligen respektive fasläge för 10 15 20 25 30 35 '7805035-8 de av mottagaromvandlaren avgivna signalerna från varandra i bero- ende av reflekterad andel av de separata, på varandra följande sän- darpulserna.

Ytterligare kopplingsdetaljer hörande till den i den nämnda utläggningsskriften beskrivna kopplingen utgöres av mottagarkopp- lingen 31, i vilken ingår fasdiskriminatorn 132 och en minneskrets 35. Denna minneskrets 35 är exempelvis en "sample and hold"-krets, vilken vid kopplingspunkten 37 matas med fasdiskriminatorns 132 ut- signal under mottagandet av reflekterad ultraljudstrålning. Vid kopp- lingspunkten 36 förefinns utläsningskloekpulssignalen för minnes- kretsen 35. Utvärderingskretsen 38 (i figuren till höger om mottagar- kretsen 31) innehåller en jämförelsekrets 39, som i detta fall i huvudsak utgöres av en transistor. En.logikkrets 40 tillhandahåller en tröskelfunktion förknippad med jämförelsekretsen 39. Vid en kopp- lingspunkt H1 uppträder utsignalen för den i fig. 2 visade kopplingen, i vilken ingår den enligt föreliggande uppfinning utförda kopplinge- vanordningen. Anslutningen för matningsspänningen, exempelvis 12 V, a visas vid H6.

Den i fig. 2 visade kopplingen är lämpad för användning vid beröringsfri styrning av en vattenkran, dvs. för styrning av kranens magnetventil H3. Kopplingen är inte enbart utförd så att den med sä- kerhet förhindrar felutlösníng eller rentutav illvillíga störningar, utan den är även - som resultat av föreliggande uppfinning~- okänslig för sådana störningar som kan återföras på åldring och/eller spridning av egenskaperna mellan olika exemplar av omvandlaren 30 och kopplingens elektroniska komponenter, liksom på nedsmutsning,fuktavsättning och besprutning av omvandlaren. Den ovan beskrivna vidareutveeklingen av uppfinningen, t.ek. med laddnings- eller inskrivningskretsen 54 utförd som motstånd eller som en ytterligare kondensator, garanterar att egenstyrningen av omvandlarens 30 aktiveringsfrekvens i enlighet med uppfinningens idé sker så varsamt och att frekvensändringen sker så långsamt, att denna frekvensreglering ej kommer att inkräkta på detek- teringsförloppetsfasjämförelse, dvs. på den fasjämförelse som sker av de reflekterade signalerna vid efter varandra följande, utsända ultra- ljudpulser.

Claims (3)

f_\ åsosozs-ska lg Patentkrav

1. Kopplingsanordning avsedd för en till resonanssvängning' aktiverad ultraljud-sändaromvandlare (30), som även har den egen- skapen att vid mekaniska svängningar avge en elektrisk växelspän- ning, vilken kopplingsanordning innefattar en oscillator (233) för alstring av en växelspänning för sändningsaktivering och en klock- pulsstyrd grindkrets (42) för impulsvis matning av oscillatorväxel- * spänningen till sändaromvandlaren, k ä non e t e c k n a d av att oscillatorn (233) är styrbar med avseende på sin frekvens, av en med sändaromvandlaren (30) förbunden och parallellt med oscillatorn (233) och grindkretsen (H2) ansluten förpuls-generator (51); av en fasdiskriminator (132), vilken är förbunden dels med sändaromvand- larens (30) ingângsklämma (130) och dels med oscillatorns (233) ut- gångsklämma; av en ytterligare grindkrets (53), som är inkopplad mellan fasdiskriminatorns (132) utgångsklämma och en styringång (56) på oscillatorn (233); av en minneskrets (55), som via en inskriv- ningskrets_(5H) är förbunden med oscillatorns (233) styríngång (56) och som dessutom är förbunden med en andra ingång på den ytterligare gríndkretsen (53); samt en faslåst klockpulsoscillator (1u5) - dvs. en oscillator av PLL-typ - vilken för tidsstyrning år ansluten till förpuls-generatorn (51), grindkretsen (H2) och den ytterligare grind- kretsen (53), varvid klockpulsutmatningen från den faslåsta klock- pulsoscillatorn (1u5) är så avpassad, att under en period först upp- träder en klockpuls vid förpuls-generatorn (51), därpå - efter en paus för den efter sändaromvandlarens impulsaktivering uppträdande egenutsvängningen hos omvandlaren - en klockpuls för den ytterligare -grindkretsen (53), varigenom fasdiskríminatorns (132) fasjämförelse- signal via den ytterligare grindkretsen matas till oscillatorns (233) I o styringång (56); varefter perioden avslutas med en till den först- nämnda grindkretsen (H2) matad klockpuls för matning av en drift-sänd- ningspuls till omvandlaren (30), och varvid minneskretsen (55) - när en klockpuls från den faslåsta klockpulsoscillatorn (1N5) ej förefinns vid den ytterligare grindkretsen (53) - är förbunden med oscillatorns (233) styringång (S6) via den ytterligare gríndkretsen (53).

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att inskrívningskretsen (SU) utgöres av ett motstånd med resistansvärdet R och minneskretsen (S5) av en kondensator med kapacitansvärdet C1, varvid sambandet R - C1 - k = ïk gäller, där k är ett talvärde mellan 0,d1 och 0,1 och 21% en förutbestämd utläsningsvaraktighet.

3. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att inskrivningskretsen (54) utgöres av en kondensator (C2), och av att 9 7805035-a n (55) likaså utgöres av en kondensator (C1), varvid n för- mínneskretse den senare kondensatorns kapacitans är liten jämfört med de PäS - ANFÖRDA PUBLIKATIONER: