DE19826549C2 - Ultraschall-Sendekreis - Google Patents
Ultraschall-SendekreisInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschall-Sende
kreis, mit einem elektrischen Sender, von dem elektrische,
aus einem Strom- und einem Spannungssignal bestehende Schwin
gungen mit einer elektrischen Sendeleistung über eine Verbin
dungsleitung in einen Ultraschall-Wandler einspeisbar sind,
der hierdurch zu Ultraschallschwingungen anregbar ist.
In der US 4,970,656 wird ein solcher Ultraschall-Sendekreis
beschrieben, bei dem ein elektrischer Sender elektrische Lei
stung in einen Ultraschall-Wandler einspeist. Über einen Pha
senregler, dem die gemessenen Strom- und Spannungswerte zuge
führt werden, wird eine einstellbare Impedanz so angesteuert,
daß Strom und Spannung am Ultraschall-Wandler in Phase sind.
Die einstellbare Impedanz ist dabei in Serie zu dem Ultra
schall-Wandler geschaltet. Die einstellbare Impedanz stellt
eine gesteuerte Induktivität dar, die als mit insgesamt drei
Wicklungen versehener Eisenkern-Wandler ausgebildet ist. Dar
aus ergibt sich ein sehr voluminöser Aufbau, der nur schwer
in einer Ultraschall-Sendeanlage mit mehreren derartiger Ul
traschall-Sendekreise verwendet werden kann.
Ein derartiger Ultraschall-Sendekreis wird z. B. bei thera
peutischen Ultraschall-Arrays eingesetzt. Die Verwendung von
Ultraschall-Arrays setzt neben einer bestimmten Phasenbele
gung der einzelnen Ultraschall-Wandler des Ultraschall-Arrays
auch eine bestimmte Amplitudenbelegung voraus. Größere Abwei
chungen von der vorgegebenen Belegung können gravierende Ab
weichungen vom gewünschten Strahl bewirken, welche unter Um
ständen sogar Personenschäden zur Folge haben können.
Die vom elektrischen Sender eingespeiste Gesamtleistung läßt
sich im allgemeinen sehr präzise vorgeben. Die einzelnen Ul
traschall-Wandler weisen aber eine Imdedanz auf, welche zum
einen fertigungsbedingt von Ultraschall-Wandler zu Ultra
schall-Wandler stark streut und zum anderen auch betriebsbe
dingt dynamisch variiert. Aufgrund dieser Impedanzvariationen
weicht die Verteilung der abgestrahlten Ultraschall-Amplitu
den stark von der vorgegebenen elektrischen Amplitudenvertei
lung der einzelnen elektrischen Sender ab.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Ultraschall-Sendekreis zu schaffen, bei dem die Amplitude der
abgestrahlten Ultraschall-Schwingungen exakt vorgebbar ist
und der sich für eine Anwendung in einer Ultrasachall-Sende
anlage eignet, die mehrere derartige Ultraschall-Sendekreise
umfaßt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Strom- und das Span
nungssignal einem Phasenregler zuführbar sind, von dem eine
an die Verbindungsleitung angekoppelte einstellbare Impedanz
derart ansteuerbar ist, daß das Strom- und das Spannungssi
gnal in Phase sind.
Ein Ultraschall-Wandler verhält sich in Resonanznähe in er
ster Näherung wie eine Parallelschaltung eines Widerstandes
und eines Kondensators. Vorzugsweise ist daher die einstell
bare Impedanz als Induktivität ausgebildet.
Die Phasenlage des Strom- und des Spannungssignals ist noch
genauer regelbar, wenn die Induktivität aus einer festen
Grundinduktivität und einer einstellbaren, vom Phasenregler
ansteuerbaren Zusatzinduktivität besteht.
Eine einstellbare Zusatzinduktivität läßt sich besonders
leicht dadurch realisieren, daß die Zusatzinduktivität aus
einer Viertelwellenschaltung und mindestens einer an die
Viertelwellenschaltung angeschlossenen, vom Phasenregler an
steuerbaren Kapazitätsdiode besteht.
Ein Regelsignal für die einstellbare Induktivität läßt sich
besonders leicht ermitteln, wenn der Phasenregler einen Vier
quadranten-Multiplizierer mit zwei Signaleingängen und einem
Produktausgang aufweist, einem der Signaleingänge ein Phasen
schieber vorgeschaltet ist, das Strom- und das Spannungssi
gnal je einem der Signaleingänge zuführbar sind und der Pro
duktausgang mit der einstellbaren Impedanz verbunden ist.
Mittels des Phasenschiebers sind das Strom- und das Span
nungssignal relativ zueinander um 90° verschiebbar, so daß
mittels des Vierquadranten-Multiplizierers die elektrische
Blindleistung meßbar ist. Vierquadranten-Multiplizierer sind
beispielsweise von der Firma Analog Devices unter der Pro
duktbezeichnung MLT 04 erhältlich.
Zur Verstärkung des Ausgangssignals des Vierquadranten-Multi
plizierers ist vorzugsweise dem Produktausgang ein Regelver
stärker nachgeschaltet.
Die Phasenregelung ist besonders stabil, wenn zwischen dem
Produktausgang und dem Regelverstärker ein Tiefpaßfilter an
geordnet ist.
Mittels der Phasenregelung wird erreicht, daß die vom elek
trischen Sender eingespeiste Sendeleistung nur eine Wirk-,
aber keine Blindleistungskomponente umfaßt. Im Prinzip ist
daher eine Regelung der Sendeleistung nicht zwingend erfor
derlich. Die abgestrahlten Ultraschallschwingungen lassen
sich aber noch genauer dosieren, wenn das Strom- und das
Spannungssignal auch einem Leistungsregler zuführbar sind,
von dem der elektrische Sender derart ansteuerbar ist, daß
die elektrische Sendeleistung auf einen Leistungssollwert
eingeregelt wird.
Ebenso wie der Phasenregler kann auch der Leistungsregler ei
nen Vierquadranten-Multiplizierer mit zwei Signaleingängen
und einem Produktausgang aufweisen, das Strom- und das Span
nungssignal je einem der Signaleingänge zuführbar sein und
der Produktausgang mit dem elektrischen Sender verbunden
sein.
Auch hier ist vorzugsweise wieder dem Produktausgang ein
Tiefpaßfilter nachgeschaltet.
Um die vom elektrischen Sender eingespeiste Leistung variie
ren zu können, ist vorzugsweise dem elektrischen Sender ein
Einspeiseknoten zum Vorgeben des Leistungssollwerts vorge
schaltet.
Zur noch genaueren Regelung der elektrischen Sendeleistung
ist vorzugsweise dem Einspeiseknoten ein Regelverstärker
nachgeschaltet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei
zeigt in Prinzipdarstellung die einzige
Fig. 1 einen Ultraschall-Sendekreis.
Gemäß Fig. 1 weist ein Ultraschall-Sendekreis einen elektri
schen Sender 1 auf. Der elektrische Sender 1 ist über eine
Verbindungsleitung 2 mit einem Ultraschall-Wandler 3 verbun
den. Die Verbindungsleitung 2 ist gemäß Fig. 1 in der Nähe
des Ultraschall-Wandlers 3 als Koaxialleitung 2' ausgebildet.
Vom elektrischen Sender 1 sind elektrische Schwingungen mit
einer elektrischen Sendeleistung P in die Verbindungsleitung
2 und somit auch in den Ultraschall-Wandler 3 einspeisbar.
Der Ultraschall-Wandler 3 ist hierdurch zu Ultraschall-
Schwingungen anregbar.
Die vom elektrischen Sender 1 eingespeisten elektrischen
Schwingungen bestehen aus einem Stromsignal I und einem Span
nungssignal U. Es gilt also
U(t) = U0cosωt und I(t) = I0cos(ωt + ϕ)
wobei U0 die maximale Spannung, I0 der maximale Strom, ω die
Kreisfrequenz, t die Zeit und ϕ die Phasenlage zwischen dem
Stromsignal I und dem Spannungssignal U sind.
Der Ultraschall-Wandler 3 verhält sich in Resonanznähe in et
wa wie ein Widerstand mit einer parallelgeschalteten Kapazi
tät. Folglich eilt der Strom I der Spannung U voraus. Die
Phasenlage ϕ liegt also zwischen 0 und 90°, wenn keine weite
ren Maßnahmen ergriffen werden.
Um zu erreichen, daß das Stromsignal I und das Spannungssi
gnal U in Phase sind, ϕ also zu 0 wird, sind das Strom- und
das Spannungssignal I, U einem Phasenregler 4 zuführbar. Das
Stromsignal I wird dabei vor dem Zuführen zum Phasenregler 4
mittels eines Meßwandlers 5 in ein korrespondierendes Span
nungssignal umgewandelt. Von dem Phasenregler 4 ist dann eine
einstellbare Impedanz 6, die an die Verbindungsleitung 2 angekoppelt
ist, derart ansteuerbar, daß das Strom- und das
Spannungssignal I, U in Phase sind.
Die einstellbare Impedanz 6 besteht aus einer festen Grundin
duktivität L1 und einer einstellbaren, vom Phasenregler 4 an
steuerbaren Zusatzinduktivität. Die Zusatzinduktivität be
steht aus einer Viertelwellenschaltung sowie zwei Kapazitäts
dioden D1, D2. Die Viertelwellenschaltung wird von zwei
Transformationskondensatoren C1, C2 und einer Transformati
onsinduktivität L2 gebildet. Die Kapazitätsdioden D1, D2 sind
vom Phasenregler 4 ansteuerbar. Sie wirken über die Viertel
wellenschaltung C1, C2, L2 wie eine Induktivität.
Der Phasenregler 4 weist einen Vierquadranten-Multiplizierer
7 mit zwei Signaleingängen E1, E2 und einen Produktausgang A
auf. Dem Signaleingang E2 ist ein Phasenschieber 8 vorge
schaltet. Mittels des Phasenschiebers 8 wird im vorliegenden
Fall die Spannung U um (+ oder -) 90° verschoben. Alternativ
wäre es auch möglich, den Strom I um (+ oder -) 90° zu ver
schieben.
Das am Produktausgang A anstehende Signal entspricht somit im
Mittel der vom elektrischen Sender 1 in die Verbindungslei
tung 2 eingespeisten Blindleistung. Zur Glättung dieses Si
gnals ist dem Produktausgang A daher ein Tiefpaßfilter 9
nachgeschaltet, der die mittlere Blindleistung (inklusive de
ren Vorzeichen) an einen nachgeschalteten Regelverstärker 10
weiterleitet. Der Regelverstärker 10 steuert dann die Kapazi
tätsdioden D1, D2 derart an, daß das am Produktausgang A an
stehende Ausgangssignal im Mittel zu 0 wird.
Wenn das am Produktausgang A anstehende Signal im Mittel 0
ist, befinden sich das Stromsignal I und das Spannungssignal
U in Phase. Es wird also nur Wirkleistung in die Verbindungs
leitung 2 eingespeist. Um die - ausschließlich aus Wirklei
stung bestehende - Sendeleistung P auf einen Leistungssoll
wert P* einzuregeln, sind das Strom- und das Spannungssignal
I, U auch einem Leistungsregler 11 zuführbar. Von dem Lei
stungsregler 11 ist der elektrische Sender 1 derart ansteuer
bar, daß die elektrische Sendeleistung P auf den Leistungs
sollwert P* eingeregelt wird.
Auch der Leistungsregler 11 weist einen Vierquadranten-Multi
plizierer 12 mit zwei Signaleingängen E1, E2 und einem Pro
duktausgang A auf. Auch hier sind wieder das Stromsignal I
und das Spannungssignal U je einem der Signaleingänge E1, E2
zuführbar. Im Unterschied zum Phasenregler 4 sind die Signale
I, U diesem Vierquadranten-Multiplizierer 11 aber ohne Zwi
schenschaltung eines Phasenschiebers zuführbar. Das am Pro
duktausgang A anstehende Ausgangssignal entspricht im Mittel
der Sendeleistung P. Zur Glättung des Ausgangssignals ist dem
Produktausgang A daher wieder ein Tiefpaßfilter 13 nachge
schaltet.
Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 13 wird einem Einspei
seknoten 14 zum Vorgeben des Leistungssollwerts P* zugeführt.
Im Einspeiseknoten 14 wird die Differenz aus Leistungssoll
wert P* und Sendeleistung P gebildet. Diese Differenz wird
einem Regelverstärker 15 zugeführt, dessen Ausgangssignal
dann dem elektrischen Sender 1 zugeführt wird, so daß die
Sendeleistung P nachregelbar ist.
Der obenstehend beschriebene Ultraschall-Sendekreis kann im
Prinzip isoliert von anderen Ultraschall-Sendekreisen betrie
ben werden. Besonders vorteilhaft aber ist die Anwendung in
einer Ultraschall-Sendeanlage, die mehrere miteinandergekop
pelte Ultraschall-Sendekreise aufweist, wobei jeder der Ul
traschall-Sendekreise wie obenstehend beschrieben ausgebildet
ist.
Claims (10)
1. Ultraschall-Sendekreis, mit einem elektrischen Sender (1),
von dem elektrische, aus einem Strom- und einem Spannungs
signal (I, U) bestehende Schwingungen mit einer elektrischen
Sendeleistung (P) über eine Verbindungsleitung (2) in einen
Ultraschall-Wandler (3) einspeisbar sind, der hierdurch zu
Ultraschallschwingungen anregbar ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Strom- und das Spannungs
signal (I, U) einem Phasenregler (4) zuführbar sind, von dem
eine an die Verbindungsleitung (2) angekoppelte einstellbare
Impedanz (6) derart ansteuerbar ist, daß das Strom- und das
Spannungssignal (I, U) in Phase sind, wobei die Impedanz (6)
aus einer festen Grundinduktivität (L1) und einer einstellba
ren Zusatzinduktivität besteht, und die Zusatzinduktivität
aus einer Viertelwellenschaltung (C1, C2, L2) und mindestens
einer an die Viertelwellenschaltung (C1, C2, L2) angeschlos
senen, vom Phasenregler (4) ansteuerbaren Kapazitätsdiode
(D1, D2) besteht.
2. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Pha
senregler (4) einen Vierquadranten-Multiplizierer (7) mit
zwei Signaleingängen (E1, E2) und einem Produktausgang (A)
aufweist, daß einem der Signaleingänge (E1, E2) ein Phasen
schieber (8) vorgeschaltet ist, daß das Strom- und das Span
nungssignal (I, U) je einem der Signaleingänge (E1, E2) zu
führbar sind und daß der Produktausgang (A) mit der einstell
baren Impedanz (6) verbunden ist.
3. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Produktausgang (A)
ein Regelverstärker (10) nachgeschaltet ist.
4. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Produktausgang
(A) und dem Regelverstärker (10) ein Tiefpaßfilter (9)
angeordnet ist.
5. Ultraschall-Sendekreis nach einem der obigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Strom- und das Spannungssignal (I, U) auch einem Leistungs
regler (11) zuführbar sind, von dem der elektrische Sender
(1) derart ansteuerbar ist, daß die elektrische Sendeleistung
(P) auf einen Leistungssollwert (P*) eingeregelt wird.
6. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß auch der Leistungsregler
(11) einen Vierquadranten-Multiplizierer (12) mit zwei Si
gnaleingängen (E1, E2) und einem Produktausgang (A) aufweist,
daß das Strom- und das Spannungssignal (I, U) je einem der
Signaleingänge (E1, E2) zuführbar sind und daß der Produkt
ausgang (A) mit dem elektrischen Sender (1) verbunden ist.
7. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Produktausgang (A)
ein Tiefpaßfilter (13) nachgeschaltet ist.
8. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 5, 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß dem elek
trischen Sender (1) ein Einspeiseknoten (14) zum Vorgeben des
Leistungssollwerts (P*) vorgeschaltet ist.
9. Ultraschall-Sendekreis nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Einspeiseknoten (14)
ein Regelverstärker (15) nachgeschaltet ist.
10. Ultraschall-Sendeanlage, mit mehreren miteinander gekop
pelten Ultraschall-Sendekreisen nach je einem der obigen An
sprüche.
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