DE2512494C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Ab­ tastvorrichtung zur Erfassung von Saatgut oder ähnlich kleinen Gegenständen, die mit hoher Geschwin­ digkeit einen Schacht durchlaufen, der einen mit Ul­ traschallwellen vorgegebener Frequenz beaufschlag­ ten Ultraschallsender und einen auf den Ultraschall­ sender ausgerichteten Ultraschallempfänger auf­ weist, wobei der Ultraschallempfänger ausgangssei­ tig über einen Verstärker und eine Auswerteinrich­ tung mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden ist.

Eine Ultraschall-Abtastvorrichtung der genannten Art ist aus der FR-PS 14 63 953 für die Erfassung von in einer Flüssigkeit gelösten Teilchen bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen Generator zur Abgabe von elektrischen Signalen mit Ultraschallfre­ quenz auf, die an einen piezoelektrischen Ultra­ schallsender abgegeben werden, von dem aus Ultra­ schallwellen über eine Fokussierungseinrichtung auf ein mit einem Engpaß versehenes Rohr zum Durchlei­ ten einer zu analysierenden Flüssigkeit mit darin gelösten Teilchen geleitet werden. Auf der anderen Seite der Verengung des Rohres ist eine Defokussie­ rungseinrichtung vorgesehen, die mit einem piezo­ elektrischen Ultraschallempfänger verbunden ist, dessen Ausgangssignale über einen Verstärker an eine Modulationseinrichtung abgegeben werden, die ausgangsseitig mit einem Zähler verbunden ist, an dem die Anzahl von in der zu analysierenden Flüssig­ keit gelösten Teilchen pro Volumenmenge bzw. Zeit­ einheit abgelesen wird. Die mit einem erheblichen Aufwand für die Fokussierungs- und Defokussierungs­ einrichtungen verbundene bekannte Vorrichtung ist jedoch nicht für die Erfassung von schnell bewegten kleinen Teilchen, wie Saatgütern geeignet, bei denen die Gefahr des Zusammenklumpens an dem Eng­ paß besteht.

Aus der US-PS 31 33 445 ist eine Vorrichtung zum Messen der Größe von in einer Flüssigkeit gelösten, sedimentierenden Teilchen mittels Ultraschallwellen bekannt, die ein Sedimentationsgefäß zur Aufnahme der in der Flüssigkeit gelösten Teilchen, einen Oszillator zur Abgabe von elektrischen Signalen mit Ultraschallfrequenz, einen Sender zur Abgabe der Ultraschallsignale durch einen Abschnitt des Sedi­ mentationsgefäßes, einen Empfänger zum Empfang eines Teils der vom Sender abgegebenen Ultraschall­ signale, die mittels eines Verstärkers verstärkt werden, aufweist. Eine dem Mittelwert der Amplitude der vom Oszillator abgegebenen Signale ent­ sprechende erste Gleichspannung und eine dem Mittel­ wert der vom Verstärker abgegebenen Signale ent­ sprechende zweite Gleichspannung werden miteinander verglichen und die Differenz beider Gleichspan­ nungen als Maß für die Sedimentation in dem Sedimen­ tationsgefäß genommen. Die bekannte Vorrichtung bringt nicht die Anzahl erfaßter, bewegter Teil­ chen, sondern ein Maß für die zunehmende Teilchen­ größe zur Anzeige.

Aus der US-PS 37 79 070 ist eine Vorrichtung zur Ab­ gabe von Signalen bekannt, die der Größe und Anzahl von Teilchen entsprechen, die in einer kontinuier­ lich fließenden und durch einen Meßschacht gelei­ teten Flüssigkeitsprobe vorhanden sind. Zur Erfas­ sung der Größe und Anzahl der Teilchen in der Flüssigkeitsprobe werden zwei Ultraschallstrahlen durch den Meßschacht gesandt, die eine unterschied­ liche Frequenz aufweisen, wobei die Frequenz so aus­ gewählt wird, daß die Dämpfung jedes Strahles eine unterschiedliche Funktion des prozentualen Anteils von Feststoffteilchen pro Volumeneinheit der Flüssigkeitsprobe, des Teilchendurchmessers, der Verteilung der Feststoffteilchen und der größten Teilchen in der Flüssigkeitsprobe entspricht. Die beiden aus den zwei Ultraschallstrahlen resultieren­ den Signale werden miteinander verglichen, elek­ tronisch verarbeitet und zwei Ausgangssignale abge­ geben, von denen eines der Teilchengröße und das andere dem prozentualen Anteil der Feststoffteil­ chen pro Volumeneinheit der Flüssigkeitsprobe pro­ portional ist. Die Ultraschallstrahlen werden von einer Ultraschallquelle und einem mit der Ultra­ schallequelle verbundenen, aus einem Sender und einem Empfänger bestehenden Übertrager abgegeben bzw. empfangen, wobei der Übertrager so angeordnet ist, daß der jeweilige Ultraschallstrahl durch die kontinuierlich fließende Flüssigkeitsprobe gesandt und empfangen wird, die einen bekannten Volumenpro­ zentsatz von in Lösung befindlichen Teilchen ent­ hält. Auch diese bekannte Vorrichtung ist nicht für die Messung schnell bewegter Teilchen wie Saat­ körner geeignet, sondern dient der Erfassung von in einer Lösung befindlichen, langsam bewegten Teil­ chen.

Aus der US-PS 29 66 057 ist eine Vorrichtung zum Messen der Dämpfung von durch ein Testobjekt ge­ sandten Ultraschallwellen bekannt, die einen Gene­ rator zur Abgabe elektrischer Impulse und eine Ul­ traschallwellen-Abgabevorrichtung enthält. Eine von der Abgabevorrichtung räumlich getrennte Ultra­ schallwellen-Empfangsvorrichtung empfängt die durch das Testobjekt gesandten Ultraschallwellen und wandelt sie in eine elektrische Impulskette um, die proportional zu den empfangenen, durch das Test­ objekt gesandten Ultraschallwellen sind. Zusätzlich ist eine Schaltvorrichtung zum Umschalten zwischen einer Dämpfungs-Referenzeinrichtung, die Signale ab­ gibt, die der Dämpfung durch ein Objekt mit be­ kannten Charakteristiken entsprechen, und dem Test­ objekt vorgesehen. Mit der bekannten Vorrichtung werden Störsignale infolge der Messung der Dämpfung von Objekten mit bekannten Charakteristiken weit­ gehend eliminiert, jedoch ist auch diese Vorrich­ tung nicht zur Erfassung der Anzahl kleiner, schnell bewegter Gegenstände wie Saatkörner ge­ eignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ultraschall-Abtastvorrichtung der eingangs genann­ ten Art zu schaffen, die das mit hoher Geschwindigkeit durchlaufende Saatgut zuver­ lässig, mit geringem schaltungstechnischen Aufwand und störungsfrei erfaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger ein ganzzahliges Viel­ faches der durch die Frequenz der Ultraschallwellen gegebenen halben Wellenlänge der Ultraschallwellen beträgt und daß die Auswerteinrichtung in Abhängig­ keit von einer Amplitudenänderung der vom Ultra­ schallempfänger empfangenen und vom Verstärker ver­ stärkten Ultraschallwellen einen Zählimpuls er­ zeugt.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt bei geringem schaltungstechnischen Aufwand sicher, daß das mit hoher Geschwindigkeit durchlaufende Saatgut exakt erfaßt wird und die jeweilige Anzahl zur An­ zeige gebracht wird, ohne daß die Gefahr von Stö­ rungen der Abtastvorrichtung infolge von Ver­ stopfungen der Erfassungseinrichtung bei erhöhter Luftfeuchtigkeit oder Verunreinigungen im Saatgut­ behälter besteht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispieles soll der der Erfindung zugrundelie­ gende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein detailliertes Schaltbild der Ultra­ schall-Abtastvorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Meßschacht mit gegenüberliegend angeordnetem Ultra­ schallsender und Ultraschallempfänger; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Schwin­ gung zwischen Ultraschallsender und Ultra­ schallempfänger bei vorgegebenem Abstand D.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild 10 der Abtast­ vorrichtung enthält zwei in einem Abstand 13 voneinander sich gegenüberliegend angeordnete keramische piezoelektri­ sche Wandlerelemente 11 und 12, die als Ultraschall­ sender bzw. Ultraschallempfänger dienen. Der Abstand 13 zwischen dem Ultraschallsender 11 und dem Ultraschallempfänger 12 ist so bemessen, daß eine Vielzahl von Saatkörnern 14 nacheinander mit hoher Geschwindigkeit hindurchfallen kann. Der Durchgang eines jeden Saatkorns 14 zwischen Ultraschallsender 11 und -empfän­ ger 12 ergibt ein von einem Verstärker 16 abgegebenes Ausgangssignal bestimmter Amplitude, das an einem Schaltungspunkt 17 abgetastet und über einen Kondensator 19 an einen Transistor 18 abgegeben wird.

Der Ultraschallsender 11 wird über eine Leitung 21 von einem Oszillator 20 erregt. Der Oszillator 20, der Verstärker 16, der Ultraschallsender 11 und der Ultraschallempfänger 12 mit dem Abstand 13 zwischen letzteren bildet eine rückgekoppelte Oszillatorschaltung. Die Rück­ kopplung dieser Oszillatorschaltung erfolgt vom Schaltungs­ punkt 17 über einen Rückkopplungswiderstand 22 zurück zum Eingang des Oszillators 20. Dieser Rückkopplungszweig ist an die Basiselektroden eines Transistorpaares 23, 24 über deren jeweilige Basiskoppelkondensatoren 26 und 27 angeschlossen. Das Transistorpaar 23 und 24 arbeitet als Gegentakt-Verstärkerstufe und erzeugt die Treiberspannung für den Ultraschallsender 11. Der Emitter des Transistors 23 ist über einen Filter­ kondensator 25 mit Masse und außerdem mit einem Sechs- Volt-Anschluß 28 verbunden, vom dem auch die Vorspannung für den Transistor 23 über einen Widerstand 29 bezogen wird. Der andere Transistor 24 enthält seine Basisvor­ spannung über einen Widerstand 30, der zusammen mit einem an Masse gelegten Widerstand 31 eine Spannungsteiler­ schaltung bildet. An den zusammengeschlossenen Kollektoren der beiden Transistoren 23 und 24 wird die Ultraschall- Sendeleistung abgenommen und über Leitung 21 dem Ultraschallsender 11 zugeführt.

Hauptbestandteil des Verstärkers 16 ist ein in Darlington-Schaltung gekoppeltes Transistorpaar 33, die entweder, wie in Fig. 1 dargestellt, als handels­ übliche Einheit mit zwei zeichnungsgemäß zusammenge­ schalteten Transistoren ausgebildet oder aus zwei separa­ ten Transistorelementen zusammengestellt sein kann. Ferner kann man statt dessen Operationsverstärker oder andere Verstärkerschaltungen verwenden. Die Betriebsspannung für den Verstärker 16 wird an einem Schaltungspunkt 34 abgegriffen und über einen Widerstand 36 in die beiden zusammengeschlossenen Kollektoren des Darlington-Transistorpaares 33 einge­ speist. Die Basisvorspannung wird über einen Wider­ stand 37 erzeugt.

Der Transistor 18 erhält über den Kondensator 19 vom Schaltungspunkt 17 eine Wechselspannung, die etwa in der Größenordnung von 80 kHz liegt, und richtet diese Spannung in seiner Basis-Emitterstrecke gleich. Dadurch sowie zusammen mit einer über den Kondensator 19 und einen Widerstand 38 erzeugten Gleichstromvorspannung wird der Transistor 18 leitend, so daß an seinem Ausgangs­ anschluß 40 etwa Massepotential herrscht. Eine Reduzierung der Kopplungsenergie zwischen dem Ultraschallsender 11 und dem Ultraschallempfänger 12 führt zu einer Reduzierung des verstärkten Signals am Schaltungspunkt 17, wodurch der Transistor 18 in den Sperrzustand übergeht und einen positiven Impuls am Ausgangsanschluß 40 erzeugt. Dieser Impuls wird an einen Lastwiderstand 41 gelegt, dessen gegenüberliegendes Ende an einen Stroman­ schluß 42 angeschlossen ist. Der positive Ausgangsimpuls wird dann an eine Anzeigeeinrichtung 44 abgegeben.

Für die feste Montage von Ultraschallsender 11 und Ultraschallempfänger 12 in einem festen Abstand D voneinander wird ein in Fig. 2 dargestellter Saatgut­ schacht 50 verwendet, durch den die Saatkörner 14 fallen. Wenn das ein­ zelne Saatkorn 14 durch den Abschnitt hindurchfällt, wo der Ultraschallsender 11 und der Ultraschallempfänger 12 befestigt sind, erfolgt eine Störung des Ultraschallfeldes, und es wird ein Aus­ gangssignal erzeugt, welches den Transistor 18 sperrt.

Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, entspricht der Abstand D einer ganzzahligen Anzahl halber Wellen­ längen der Ultraschallenergie, so daß eine maximale Kopplungswirkung zwischen dem Ultraschallsender 11 und dem Ultraschallempfänger 12 erzielt wird. Die ganzzahlige Anzahl halber Wellenlängen im Abstand D bzw. 13 erhöht wesentlich die Empfindlichkeit der gesamten Oszillatorschaltung, so daß die mit hoher Geschwindig­ keit hindurchfallenden Saatkörner 14 am Schaltungspunkt 17 eine merkliche Spannungsänderung erzeugen.

Da beim beschriebenen Ausführungsbeispiel die Frequenz bei 80 kHz liegt, entspricht eine Wellenlänge etwa 4 mm d. h. eine halbe Wellenlänge etwa 2 mm. Diese Größe wird bestimmt durch den Quotienten aus der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultra­ schallenergie zwischen Ultraschallsender 11 und Ultraschall­ empfänger 12 beispielsweise in Luft mit 331,6 m/sec und der Frequenz von 80 kHz.

Der Saatgutschacht 50 gemäß Fig. 2 kann ein Rohr mit rundem oder rechteckigem Quer­ schnitt sein, und er besitzt diametral gegenüberliegende Wandabschnitte 51 und 52, in denen der Ultraschallsender 11 und der Ultraschallempfänger 12 jeweils so befestigt sind, daß ihre Sende- bzw. Empfangsoberflächen 11 a und 12 a sich in dem Abstand D genau gegenüberliegen.

Claims (5)

1. Ultraschall-Abtastvorrichtung zur Erfassung von Saatgut oder ähnlich kleinen Gegenständen, die mit hoher Geschwindigkeit einen Schacht durchlaufen, der einen mit Ultraschallwellen vorgegebener Fre­ quenz beaufschlagten Ultraschallsender und einen auf den Ultraschallsender ausgerichteten Ultra­ schallempfänger aufweist, wobei der Ultraschall­ empfänger ausgangsseitig über einen Verstärker und eine Auswerteeinrichtung mit einer Anzeigeeinrich­ tung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (D; 13) zwischen dem Ultraschallsender (11) und dem Ultra­ schallempfänger (12) ein ganzzahliges Vielfaches der durch die Frequenz der Ultraschallwellen gege­ benen halben Wellenlänge der Ultraschallwellen be­ trägt und daß die Auswerteinrichtung (18, 19, 38, 40, 41) in Abhängigkeit von einer Amplitudenände­ rung der vom Ultraschallempfänger (12) empfangenen und vom Verstärker (16) verstärkten Ultraschall­ wellen einen Zählimpuls erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (11) und der Ultraschallempfänger (12) aus einem piezoelektrischen Keramikelement besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung (18, 19, 38, 40, 41) aus einem Transistor (18) be­ steht, dessen Basis über einen Kondensator (19) mit dem Ausgang des Verstärkers (16) verbunden ist und der so geschaltet ist, daß er bei einer Abnahme der vom Ultraschallempfänger (12) empfangenen Amplitude der Ultraschallwellen vom leitenden in den nichtlei­ tenden Zustand kippt.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Ver­ stärkers (16) über einen Rückkopplungswiderstand (22) mit dem Eingang eines Oszillators (20) ver­ bunden ist, an den der Ultraschallsender (11) ange­ schlossen ist, derart, daß der Ultraschallsender (11), der Oszillator (20), der Ultraschallempfänger (12), der Verstärker (16), der Rückkopplungswider­ stand (22) und der Abstand (D; 13) zwischen dem Ultraschallsender (11) und dem Ultraschallempfänger (12) einen geschlossenen Schwingkreis bilden, dessen Schwingfrequenz der Frequenz der abgegebenen Ultraschallwellen entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (16) aus einem Gegentaktverstärker mit einem in Darlington- Schaltung geschalteten Transistorpaar (33) besteht.