DE3321531C2

DE3321531C2 -

Info

Publication number: DE3321531C2
Application number: DE3321531A
Authority: DE
Inventors: Shoji Mishiro; Seiji Kawasaki Kanagawa Jp Hamada
Original assignee: TAGA ELECTRIC CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: TAGA ELECTRIC CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Priority date: 1982-07-21
Filing date: 1983-06-15
Publication date: 1987-07-23
Also published as: GB8316339D0; JPS5916572A; GB2124442B; JPH0347912B2; DE3321531A1; US4562413A; GB2124442A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Betriebsfrequenz auf die Hauptresonanzfrequenz eines Ultraschallwandlers nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei dem bekannten Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht (US-PS 42 75 363) ist eine vollständige Kompensation der bewegungsunabhängigen Anteile der durch die beiden elektrostriktiven Elemente fließenden Ströme fest vorgegeben. Das führt dazu, daß die bewegungsabhängigen Anteile der Ströme Schwankungen um die Nullinie darstellen. Das führt dazu, daß schon relativ geringe Schwan kungen aufgrund von Nebenresonanzen zu einem Nulldurchgang führen und da mit eine Hauptresonanzfrequenz vortäuschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren nach dem Prinzip einer Frequenznachlaufsteuerung so auszugestalten und weiterzubilden, daß nur eine Hauptresonanz stark genug ist, einen Nulldurchgang zu verur sachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch wird erreicht, daß ein bestimmter Teil der an sich voll gegeneinander kompensierten bewegungs unabhängigen Anteile der durch die beiden elektrostriktiven Elemente flies senden Ströme nicht mehr kompensiert wird, so daß die bewegungsabhängigen Anteile dieser Ströme in diesem Bereich nicht mehr Schwankungen um die Null inie, sondern Schwankungen auf dem Niveau des nicht kompensierten bewe gungsunabhängigen Anteils darstellen. Damit wird das gewünschte Ergebnis erzielt, daß nämlich relativ geringe Schwankungen aufgrund von Nebenreso nanzen nicht zu einem Nulldurchgang führen, wohingegen die Hauptresonanz stark genug ist, einen Nulldurchgang zu verursachen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver fahrens bzw. einer entsprechenden Vorrichtung ergeben sich aus den dem An spruch 1 nachgeordneten Ansprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Tecknik anhand einer Zeichnung erläutert; es zeigt

Fig. 1a ein Schaltbild eines Schaltkreises zur Feststellung eines einer Vibrationsgeschwindigkeit entsprechenden Signals,

Fig. 1b das Ersatzschaltbild eines Teiles der Schaltung aus Fig. 1a,

Fig. 1c ein Vektordiagramm der Ströme in Fig. 1b,

Fig. 1d ein Diagramm zur Erläuterung des Phasenganges einer festgestell ten Spannung,

Fig. 2a, 2b, 2c der Fig. 1d ähnelnde Diagramme zur Erläuterung des Verlaufes eines Phasendifferenzsignals,

Fig. 3a in perspektivischer Darstellung einen typischen Ultraschallwandler,

Fig. 3b ein Diagramm zur Darstellung der Wellenform von Schwingungen an einer Endfläche des Ultraschallwandlers aus Fig. 3a,

Fig. 3c in perspektivischer Darstellung einen anderen Ultraschallwandler,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Steuerungsschaltkreises,

Fig. 5a, b, c Diagramme zur Erläuterung eines Durchstimmbereiches und von ver schiedenen Bereichen einer phasengekoppelten Frequenznachlaufsteue rung,

Fig. 6a, b, c Schaltbilder von Steuerungschaltkreisen modifizierter Ausführung und

Fig. 7 ein Schaltbild eines Nachweisschaltkreises modifizierter Form.

Zum Stand der Technik gilt zunächst folgendes:

Ultraschallwandler werden normalerweise bei einer Hauptresonanzfrequenz betrieben, bei der der Wirkungsgrad elektromechanischer Umwandlung am höchsten ist. Die Resonanzcharakteristik eines Ultraschallwandlers zeigt eine große Güte, so daß eine geringe Verschiebung der Steuerfrequenz gegen über der Resonanzfrequenz zu einer merklichen Verringerung des Wirkungs grades für die Erzeugung von Vibrationen führt. Deshalb sind Nachlaufsteue rungen vielfach in Gebrauch, die automatisch die Resonanzfrequenz eines Ultraschallwandlers suchen, beispielsweise Schwingungs-Rückkopplungsoszil latoren oder phasengekoppelte (PLL = Phase Locked Loop) Oszillatoren.

Tatsächlich wird bis zu etwa einer Wellenlänge die Resonanzlänge eines me chanischen Schwingungssystems mit einem Ultraschallwandler und einem Horn ein weiteres Anschlußteil keine Schwierigkeiten verursachen. Wird aber die Resonanzlänge erhöht, so zeigen sich Nebenresonanzen um die Hauptresonanz frequenz. Deswegen kann der Ultraschallwandler bei Beginn einer Schwingung oder bei einer schnellen Änderung der Belastung manchmal bei einer dieser Nebenresonanzen schwingen. Um das zu verhindern, muß man den Nachlaufbereich der automatischen Nachlaufsteuerung so schmal wie möglich einstellen. Dem steht aber entgegen, daß unter Berücksichtigung der Kompatibilität bei Aus wechselung von Hörnern bzw. Anschlußteilen, der Schwankungsbreite der Reso nanzen und der Schwankungen bei in Massenproduktion hergestellten Vibra toren (Sendern) der nicht erfaßte Bereich so schmal wie möglich sein sollte.

Fig. 1a zeigt einen aus dem Stand der Tecknik (US-PS 42 75 363) bekannten, mit Frequenznachlaufsteuerung arbeitenden Ultraschallwandler 1, der bei seiner Hauptresonanz mit einer halben Wellenlänge in Längsrichtung schwingt. Elektrostriktive Elemente 2, 3 sind unter Zwischenlage eines Isolators 4 durch eine mittig angeordnete Schraube fest mit Bereichen des Ultraschall wandlers 1 verbunden, in denen die von den Resonanzschwingungen verur sachten mechanischen Spannungen unterschiedlich sind. Die Enden einer Primärspule eines Differentialübertragers 6 sind mit Elektroden auf gegen überliegenden Stirnflächen der elektrostriktiven Elemente 2 und 3 verbun den. Ein Mittenabgriff des Differentialübertragers 6 ist mit der Hochspan nungsseite einer Steuerspannungsquelle 5 verbunden. Die Elektroden auf den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der elektrostriktiven Elemente 2, 3 sind mit dem Körper des Ultraschallwandlers 1 verbunden, der seinerseits mit dem Massenanschluß der Steuerspannungsquelle 5 verbunden ist. Wird der Ultra schallwandler 1 bei einer Resonanzfrequenz betrieben, so werden die Strö me i ₁ und i ₂, die durch die elektrostriktiven Elemente 2, 3 fließen, als Vektorprodukte eines bewegungsabhängigen Anteiles i _m und eines bewegungs unabhängigen Anteiles i _d bestimmt, wobei der bewegungsunabhängige Anteil i _d aus der statischen Wandlerkapazität C _d resultiert wie in Fig. 1b dargestellt. Dem entsprechen die Spannungen in den elektrostriktiven Elementen 2, 3. Bei gleichen Elementen 2, 3, kompensieren sich gerade die bewegungsunabhängigen Anteile. Der bewegungsabhängige Anteil i _m ist proportional zur Geschwindig keit der mechanischen Schwingungen (Vibrationsgeschwindigkeit). Wenn die Differenz i zwischen den elektrischen Strömen i ₁ und i ₂ von der Sekundär spule des Differentialübertragers 6 abgegriffen wird, so erhält man ein Signal e _s, das proportional zur Differenz der beiden bewegungsabhängigen Anteile ist, also der Vibrationsgeschwindigkeit entspricht. Dies zeigt Fig. 1c.

Wird das Signal e _s zur Eingangsseite des Oszillators zurückgeführt oder mittels eines phasengekoppelten Kreises in seiner Phase gesteuert, so kann man einen automatischen Nachlauf für die Resonanzfrequenz gewährleisten.

Wie Fig. 1d zeigt, ist die Phasendifferenz des Signals e _s gegen die Steuerspannung e bei der Resonanzfrequenz f _r gerade Null. Bei geringeren Frequenzen eilt die Phase vor, während sie bei höheren Frequenzen nacheilt. Wie Fig. 1d ferner zeigt, wird das Phasendifferenzsignal ab einer bestimmten Phasendifferenz sowohl bei Voreilung als auch bei Nacheilung durch einen Begrenzer begrenzt. Die Geschwindigkeit des Phasenwechsels beider Resoanzfrequenz f _r steigt mit wachsender Güte des Ultraschallwandlers 1. Unter Einbeziehung der be grenzten Bereiche kann die Phase über etwa 2 bis 3 kHz bestimmt werden.

Wenn der Sender des Ultraschallwandlers in der Abmessung eine volle Wellenlänge der Hauptresonanzfrequenz überschreitet, so erhöht sich die An zahl von Nebenresonanzen und einige Nebenresonanzen treten auch um die Hauptresonanzfrequenz herum auf. Diese Tendenz ist noch stärker, wenn ein abgestuftes Horn oder ein sonstiges Anschlußteil mit dem mechanischen Schwingungssystem verbunden ist. Fig. 3 zeigt Beispiele solcher bekannten Konstruktionen. Bei dem in Fig. 3a gezeigten Beispiel ist ein Breitschwin ger 11 vorgesehen, der bei einer halben Wellenlänge in axialer Richtung und bei 2 ¹/₂ Wellenlängen in Querrichtung in Resonanz schwingt. Der Breit schwinger 11 ist mit einem Ende eines Ultraschallwandlers 10 mit abgestuftem Horn verbunden. Die in Fig. 3b dargestellte Verteilung der Amplitude am Ende 12 des Breitschwingers 11 zeigt 2 ¹/₂ Wellenlängen in Querrichtung. In Fig. 3c ist ein zweites Beispiel dargestellt, bei dem ein abgestuftes Horn 14 und ein weiteres abgestuftes Horn 15 mechanisch in Reihe an einen Ultraschallwandler 13 angeschlossen sind und mit 1 ¹/₂ Wellenlängen in axialer Richtung in Resonanz schwingen. Der Verlauf der Phasendifferenz für diesen Fall ist in Fig. 2a dargestellt. Wie Fig. 2a zeigt, treten meh rere Nebenresonanzen mit Nulldurchgängen oberhalb und unterhalb, aber in der Nähe der Hauptresonanzfrequenz f _r auf.

Erfindungsgemäß führt nun eine Änderung der Stellung des Mittenabgriffes des Differentialübertragers 6 dazu, daß die bewegungsunabhängigen Anteile i _d der elektrostriktiven Elemente 2, 3 sich nicht vollständig kompensieren. In diesem Fall wird der Frequenzbereich unterhalb der Hauptresonanzfrequenz f _r von Nulldurchgängen befreit, während Nebenresonanzen nach wie vor oberhalb und in der Nähe der Hauptresonanzfrequenz f _r auftreten, oder es wird ein umgekehrter Verlauf des Phasendifferenzsignales erzielt, abhängig vom Vor zeichen der gewollt vorgegebenen Differenz der bewegungsunabhängigen An teile. Das ist in den Fig. 2b und 2c gezeigt.

Fig. 4 zeigt nun einen spannungsgesteuerten Oszillator 21 zur Erzeugung der Betriebsfrequenz eines Ultraschallwandlers 20. Der Oszillator 21 hat einen Durchstimmanschluß 22, einen Phasenkopplungsanschluß 23 und einen Ausgangs anschluß 24. Die Frequenz der Ausgangsspannung wird durch Spannungen ge steuert, die den Anschlüssen 22, 23 zugeführt werden. Die Ausgangsspannung wird einem Verstärker 25 zugeführt. Die so verstärkte Spannung wird einer Primärspule eines Ausgangsübertragers 26 zugeführt, von dessen Sekundär spule eine transformierte Spannung abgegriffen und elektrostriktiven Ele menten 30, 31 des Ultraschallwandlers 20 über eine Serieninduktivität 27 und Primärspulen von Teilen 28, 29 eines Stromnachweisübertragers zugeführt wird. Das andere Ende der Sekundärspule des Ausgangsübertragers 26 ist über einen Widerstand 33 mit dem Masseanschluß 34 des Ultraschallwandlers 20 ver bunden. Durch den Widerstand 33 ist ein durch den Ultraschallwandler 20 fließender Steuerstrom feststellbar.

Da der Ultraschallwandler 20 einen Isolator 32 zwischen einander gegenüber liegenden Elektroden der elektrostriktiven Elemente 30, 31 aufweist, haben die Spannungen e _{s 1} und e _{s 2} an den Ausgängen der Teile 28, 29 des Stromnach weisübertragers Werte, die zu den elektrischen Strömen in die elektrostrik tiven Elemente 30, 31 hinein proportional sind. Obwohl dies in Fig. 4 nicht dargestellt ist, kann ein Schwingungssystem zum Anschluß an den Ultraschall wandler 20 beispielsweise so wie in den Fig. 3a oder 3c gezeigt aufgebaut sein. Die Stromnachweissignale e _{s 1} und e _{s 2} werden digital gesteuerten Ver stärkern 35, 36 mit gesteuerten Spannungsverstärkung zugeführt und von diesen verstärkt und danach einem Differenzverstärker 37 zugeleitet. Das Ausgangs signal des Differenzverstärkers 37 wird einem Phasenvergleicher 38 als ein Eingangssignal zugeleitet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Systemsteuerung durch einen Mikrocomputer, wobei die Steuereingänge und Aus gänge zu und von diesem Mikrocomputer durch breite Pfeile dargestellt sind. Die Richtung des Datenflusses wird individuell durch die Richtung der Pfeile angegeben. Mikrocomputer, Verstärker 35, 36 und Differenzverstärker 37 bil den also eine Differenzeinstellschaltung.

Die Spannungsverstärkung der digital gesteuerten Verstärker 35, 36 kann in Übereinstimmung mit Befehlen des Mikrocomputers individuell eingestellt werden. Wenn also eine Spannungsverstärkung 1 : 1 eingestellt ist, so ist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 37 ein Ausgangssignal, d. h. ein Signal für die Vibrationsgeschwindigkeit, das proportional zur Diffe renz der Ströme durch die elektrostriktiven Elemente 30, 31 des Ultraschall wandlers 20 ist. Eine Phasendifferenzkurve für diesen Fall zeigt den Ver lauf aus Fig. 2a. Der Steuerstrom durch den Ultraschallwandler 20 führt zu einem Spannungsabfall am Widerstand 33, der dem anderen Eingang des Phasen vergleichers 38 über einen Verstärker 39 als Totalsignal i _t zugeführt wird. Der Phasenvergleicher 38 vergleicht das Differenzsignal und das Totalsignal und bildet ein Phasendifferenzsignal. Das Phasendifferenzsignal wird in einem Integrator 40 integriert und durch einen Gleichspannungsverstärker 41 parallel einem Nullpunktdetektor 42, einem Fenstervergleicher 43 und einem Arbeitskontakt eines Schalters 44 zugeleitet. Ein Ruhekontakt des Schal ters 44 ist mit Masse verbunden, während ein gemeinsamer Anschluß mit dem Phasenkopplungsanschluß 23 des spannungsgesteuerten Oszillators 21 verbunden ist. Ein Digital/Analog-Umsetzer 45 ist mit dem Durchstimmanschluß 22 des Oszillators 21 verbunden.

Zunächst werden die digital gesteuerten Verstärker 35, 36 durch Steuerung vom Mikrocomputer eingestellt, so daß sie unterschiedliche Spannungsverstär kung aufweisen, um die Phasencharakteristik von Fig. 2b zu verwirklichen, wo nämlich die Phase in Richtung Voreilung verschoben ist und unterhalb der Hauptresonanzfrequenz f _r Nulldurchgänge beseitigt sind. Die Einstelldaten werden in einem Speicher gespeichert. Danach wird ebenfalls unter Steuerung vom Mikrocomputer die Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers 45 lang sam von Null aus angehoben, um den Ausgangsanschluß 24 des spannungsge steuerten Oszillators 21 von einer niedrigen zu einer hohen Frequenz durch zustimmen. In derselben Zeit verfolgt der Mikrocomputer den Ausgang des Nullpunktdetektors 42 und stoppt die Durchstimmung sobald das Phasendiffe renzsignal die Nullinie kreuzt. Für diesen Punkt wird der digitale Ausgangs wert M ₁ des Umsetzers 45 gespeichert und nachfolgend als Wert der Haupt resonanzfrequenz f _r (Fig. 2b) genutzt.

Anschließend wird die Spannungsverstärkung der Verstärker 35, 36 durch den Mikrocomputer auf 1 : 1 gesetzt, so daß die Phasendifferenzkurve so wie in Fig. 2a wird. Nun wird der Schalter 44 betätigt, um die Frequenzsteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators 21 auf Phasenkopplung umzustellen und die Kontrolle durch den Mikrocomputer wird vom Nullpunktdetektor 42 zum Fenstervergleicher 43 umgeschaltet. Dadurch wird die Frequenznachlaufsteue rung des Ultraschallwandlers 20 begonnen.

Fig. 5a zeigt den Bereich der Durchstimmung der Frequenz, der bei der Fre quenz f _s beginnt und bei der Frequenz f _{r 1} für M ₁ unterbrochen wird. Danach, bei gleichzeitigem Verfolgen des Ausganges des Fenstervergleichers 43 inner halb eines Bereiches Z ₁ um den Punkt M ₁ wie in Fig. 5b gezeigt, wird die Durchstimmung des Ultraschallwandlers 20 fortgesetzt, so daß die Hauptreso nanzfrequenz f _r des Ultraschallwandlers 20 gesucht werden kann. Liegt die Hauptresonanzfrequenz f _r außerhalb des Bereichs Z ₁, dann zeigt der Ausgang des Fenstervergleichers 43 eine Änderung. Im Ergebnis veranlaßt der Mikro computer sofort ein Abbrechen der Schwingung und ein erneutes Durchstimmen, um eine höhere Resonanzfrequenz zu suchen. Auf diese Weise wird dann die Frequenz f _{r 2} festgehalten, wie das in Fig. 5c gezeigt ist, so daß eine phasengekoppelte Frequenznachlaufsteuerung innerhalb des Bereiches Z ₂ um die Frequenz f _{r 2} herum realisiert wird.

Ein noch weiter verbessertes Verfahren wird nachfolgend beschrieben. Tat sächlich ist die Phasendifferenzkurve üblicherweise im wesentlichen symme trisch um die Hauptresonanzfrequenz f _r bis wieder die Nullinie gekreuzt wird. Das ist in Fig. 2a dargestellt. In Abhängigkeit von der Konstruktion des Ultraschallwandlers 20 und weiterer Anschlußteile, die mit dem Ultra schallwandler 20 verbunden sind, können unsymmetrische Bereiche mit Null durchgängen auftreten, die einen stabilen Nachlaufbereich sehr stark veren gen. Diese Bereiche schwanken beachtlich. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird nun nach Bestimmung der Grundfrequenz bei M ₁ durch Durchstimmen des Digital/Analog-Umsetzers 45 die Einstellung der digital gesteuerten Verstär ker 35, 36 so gesteuert, daß ein Verhältnis 1 : 1 der Spannungsverstärkungen vorliegt. Dann wird der Digital/Analog-Umsetzer 45 gesteuert, um von der Resonanzfrequenz M ₁ zu einer niedrigen Frequenz zu laufen, bis schließlich eine abfallende Kante durch den Nullpunktdetektor 42 festgestellt wird. Daraufhin wird die Durchstimmung angehalten und ein Digitalwert wird im Speicher als ML gespeichert. Der Digital/Analog-Umsetzer 45 wird anschließend gesteuert, um von M ₁ zu einer höheren Frequenz durchzustimmen, bis eine an steigende Kante vom Nullpunktdetektor 42 festgestellt wird. Daraufhin wird die Durchstimmung gestoppt und ein Wert im Speicher als MH gespeichert. Dann werden die Differenzen MH - M ₁ und M ₁ - ML errechnet. Die Spannungsverstär kungen der Verstärker 35, 36 werden umgekehrt proportional zu den errechneten Differenzen eingestellt. Dadurch wird die Phasendifferenzkurve symmetrisiert. Daraufhin wird die Frequenzsteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators 21 auf Phasenkopplung umgeschaltet.

Ein noch weiter verbessertes Verfahren soll nachfolgend anhand der Fig. 6a und 6b erläutert werden. Die hier gezeigte Differenzeinstellschaltung un terscheidet sich von der in Fig. 4 gezeigten dadurch, daß der Schalter 44 und der Phasenkopplungsanschluß 23 ausgelassen sind. Weiterhin ist ein vor eingestellter Wert des Fenstervergleichers 43 vorzugsweise kleiner als im Fall von Fig. 4.

Die Unterschiede in der Funktionsweise der dargestellten Schaltungsanordnung gegenüber der Schaltungsanordnung aus Fig. 4 beginnen mit der Auslösung der Nachlaufsteuerung. Die Verfolgung durch den Mikrocomputer wird auf den Fenstervergleicher 43 umgeschaltet, und wenn eine Änderung des Ausganges des Fenstervergleichers 43 dem Mikrocomputer mitgeteilt wird, so wird der voreingestellte Wert des Digital/Analog-Umsetzers 45 um eine Stelle von M ₁ entfernt, so daß eine Steuerungsmaßnahme ausgelöst werden kann, um den Ausgang des Fenstervergleichers 43 zu seinem ursprünglichen Ausgangszu stand zurückzubringen. Das bedeutet, daß die Beeinflussung in Richtung einer Reduktion der Phasendifferenz auf Null erfolgt. Sind starke Änderungen der Resonanzfrequenz vorhanden, so wird der Ausgang des Gleichspannungs verstärkers 41 auf den voreingestellten Wert des Fenstervergleichers 43 zurückgestellt, indem diese Steuerfolgen mehrfach durchlaufen werden. Durch diese Funktionen verfolgt der spannungsgesteuerte Oszillator 21 automatisch die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 20. Auch hier wird der Bereich, über den eine Nachlaufsteuerung erfolgt, vorab bestimmt und im Speicher ge speichert. Wird M ₁ beim Durchstimmen gefunden, so wird es errechnet und vom Mikrocomputer bestimmt. Wird eine Grenze des eingestellten Bereiches erreicht, so wird ein erneuter Durchstimmschritt eingeleitet, um einen neuen Resonanzpunkt zu suchen.

Ein als ungelöst verbleibendes Problem ist die Frequenzstabilität des span nungsgesteuerten Oszillators 21 unter Berücksichtigung von Temperaturschwan kungen. Normalerweise ist dies nicht kritisch, da bei Änderungen der Fre quenz des spannungsgesteuerten Oszillators 21 aufgrund unterschiedlicher Temperaturen die Nachfolgesteuerung in einer Richtung reagiert, die zur Kom pensation führt. Es stören dabei aber die vielen Nebenresonanzfrequenzen und der relativ schmale Suchbereich der Nachlaufsteuerung, bei dem die Ge fahr besteht, daß dieser Bereich allein durch die Temperaturdrift des spannungsgesteuerten Oszillators 21 selbst verlassen wird.

Es besteht daher u. U. die Notwendigkeit, einen spannungsgesteuerten Oszil lator 21 mit hoher Temperaturstabilität zu haben, wodurch höhere Kosten ent stehen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in der zuvor erläuterten Richtung weiterentwickelt ist, ist in Fig. 6c teilweise dargestellt. Der dort gezeigte spannungsgesteuerte Oszillator 21 weist neben dem Durchstimm anschluß 22 einen Zusatzanschluß 46 auf. Der Durchstimmanschluß 22 dient außer dem Durchstimmen und Festhalten auch noch zur Steuerung, wie das in Fig. 6b ähnlich gezeigt ist. Der Zusatzanschluß 46 wird zusätzlich für eine verbesserte Driftkompensation benutzt, wozu er mit dem Ausgang eines wei teren Digital/Analog-Umsetzers 47 verbunden ist. Zunächst wird der Digital/ Analog-Umsetzer 47 durch den Mikrocomputer auf seinen Mittelwert eingestellt. Die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 21 wird durch den Mikrocomputer gezählt, sobald ein digitaler Voreinstellwert bei Beginn der Durchstimmung mittels des Digital/Analog-Umsetzers 45 auf Null gesetzt wird. Findet sich ein Fehler in der Zählung gegenüber einem vorgeschriebenen Wert, so wird auch der voreingestellte Wert des Digital/Analog-Umsetzers 47 korrigiert, und zwar um die Zahl, die zum Fehler am Anfangspunkt korrespon diert, um so eine Frequenzdrift am Anfangspunkt auszugleichen. Während der Aktivität der Frequenznachlaufsteuerung stoppt der Mikrocomputer nach je weils einer Zeitspanne, so daß die Schwingungsfrequenz des spannungsge steuerten Oszillators 21 gemessen werden kann. Dadurch kann die Abweichung der so gemessenen Schwingungsfrequenz von einer vorgegebenen Frequenz be stimmt werden, wobei die vorgegebene Frequenz allein vom voreingestellten Wert des Digital/Analog-Umsetzers 45 für diesen Zeitpunkt abhängt. Außerdem wird die Anzahl der Schritte errechnet, die notwendig sind, um eine Korrektur beim Digital/Analog-Umsetzer 47 vorzunehmen, so daß eine Kompensation der Temperaturdrift bei laufendem Gerät erzielt wird. Während dieser Kompensa tionsschritte wird der Digital/Analog-Umsetzer 47 eine entsprechende Anzahl von Stufen weitergeschaltet, jeweils eine Stufe für sich, so daß keine sehr schnellen Veränderungen der Schwingungsfrequenz auftreten, jedoch gleich zeitig bei jeder Korrektur des Digital/Analog-Umsetzers 47 eine Frequenz nachlaufsteuerung erfolgt. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Digital/ Analog-Umsetzer 47 auch mit in den Digital/Analog-Umsetzer 45 integriert werden könnte.

Wenn auch zuvor ein Verfahren beschrieben worden ist, das grundsätzlich auf der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion basiert, so können doch andere bis lang bekannte Konstruktionen ebenso verwendet werden. Beispielsweise kann ein Gerät der in Fig. 7 gezeigten Art zum Nachweis eines Signals für die Vibrationsgeschwindigkeit verwendet werden. Der dort gezeigte Ultraschall wandler 50 und eine Kompensationsinduktivität 51 sind in einer Parallel schaltung mit einer Steuerspannungsquelle 52 verbunden. Übertrager 53 und 54 sind angeschlossen, um die elektrischen Ströme durch den Ultraschall wandler 50 und die Kompensationsinduktivität 51 festzustellen und daraus Signale e _{s 1} und e _{s 2} abzuleiten. Ein die Differenz zwischen den Signalen e _{s 1} und e _{s 2} darstellendes Ausgangssignal kann als Signal zum Nachweis der Vibra tionsgeschwindigkeit verwendet werden.

Weiterhin ist die Suche nach der Hauptresonanzfrequenz in Verbindung mit einem Durchstimmen von niedrigen zu hohen Frequenzen erläutert worden. Dies ist die bevorzugte Durchstimmrichtung, jedoch kann auch die umgekehrte Durchstimmrichtung von hohen zu niedrigen Frequenzen gewählt werden, indem man die Phasendifferenzkurve aus Fig. 2c wählt. Eine Strombegrenzung der Steuerspannungsquelle empfiehlt sich in jedem Fall.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Betriebsfrequenz auf die Hauptresonanzfrequenz eines Ultraschallwandlers mit zwei von einem spannungsgesteuerten Oszillator gemeinsam mit einem Antriebsstrom gespeisten elektrostriktiven Elementen, bei dem die bewegungsunabhängigen Anteile der durch die beiden elektrostrikti ven Elemente fließenden Ströme durch Bildung der Differenz der Ströme gegen einander kompensiert werden und aus den unterschiedlichen, bewegungsabhän gigen Anteilen der Ströme durch Bildung der Differenz ein der Vibrations geschwindigkeit des gesamten Ultraschallwandlers entsprechendes Differenz signal abgeleitet wird, dessen auf ein dem Steuerstrom durch die elektro striktiven Elemente bzw. der Spannung an dem elektrostriktiven Elementen proportionales Totalsignal bezogene Phasendifferenz als Phasendifferenzsignal ermittelt und zur Frequenzsteuerung einer phasengekoppelten Frequenznachlauf steuerung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Phasendifferenzsignals - die Phasendifferenzkurve - in einem Frequenzbereich oberhalb oder unterhalb der Hauptresonanzfrequenz von Null durchgängen befreit wird, indem vor Bildung der Differenz der durch die beiden elektrostriktiven Elemente fließenden Ströme diese betragsmäßig so gesteuert werden, daß die Kompensation der bewegungsunabhängigen Anteile unvollständig ist und daß danach die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators vom von Nulldurchgängen befreiten Bereich aus in Richtung der Hauptresonanzfrequenz durchgestimmt und so diese bestimmt wird.

2. Verfahren nach Aspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der von Nulldurchgängen freien Frequenzbereiche der Phasendifferenzkurve bei optimal kompensierten bewegungsunabhängigen Anteilen der durch die beiden elektrostritiven Elemente fließenden Ströme, d. h. bei einer optimal abge glichenen Differenzeinstellschaltung, ermittel werden und daß danach die Differenzeinstellschaltung umgekehrt proportional zu den ermittelten Breiten der Frequenzbereiche verstimmt wird, so daß die Breiten dieser Frequenzbe reiche etwa gleich groß werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators bei geöffneter Regelschleife bei Beginn des Durchstimmens und jeweils nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne wäh rend des Arbeitens der phasengekoppelten Frequenznachlaufsteuerung gemessen wird und daß auf dieser Basis eine eventuelle Drift der Frequenz des spannungs gesteuerten Oszillators bei geöffneter Regelschleife mittels eines eigenen, diese Frequenz steuernden Digital-Analog-Umsetzers od. dg. ausgeglichen wird.

4. Vorrichtung zur Steuerung der Betriebsfrequenz eines Ultraschallwandlers, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Ultraschallwandler mit zwei elektrostriktiven Elementen, einem über einen steuerungsseitigen Durchstimmanschluß steuerbaren und ggf. über einen Übertrager an die elektrostriktiven Elemente angeschlossenen, die elektro striktiven Elemente speisenden Oszillator, einem Element zur Erzeugung eines dem Gesamtstrom durch die elektrostriktiven Elemente bzw. der Spannung an den elektrostriktiven Elementen proportionalen Totalsignals, einem an die elektro striktiven Elemente angeschlossenen Stromnachweisübertrager zur Erzeugung eines auf der Differenz der durch die elektrostriktiven Elemente fließenden Ströme beruhenden Differenzsignals, einem Phasenvergleicher, einem Nullpunkt detektor, einem Fenstervergleicher und einem Schalter, wobei dem Phasenver gleicher als Eingangssignale zum Phasenvergleich das Totalsignal und das Differenzsignal zuführbar sind und wobei das Ausgangssignal des Phasenver gleichers einerseits dem Fenstervergleicher, andererseits, in Verbindung mit dem Schalter, bedarfsweise einem steuerungsseitigen Phasenkopplungsanschluß des spannungsgesteuerten Oszillators zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der elektrostriktiven Elemente (30, 31) ein eigener Teil (28, 29) des Stromnachweisübertragers zugeordnet ist, daß jeder Teil (28, 29) des Stromnachweisübertragers ausgangsseitig (sekundärseitig) an einen vorzugs weise digital gesteuerten Verstärker (35, 36), die Ausgänge der Verstär ker (35, 36) an einen Differenzverstärker (37) und der Ausgang des Diffe renzverstärkers (37) an den für das Differenzsignal bestimmten Eingang des Phasenvergleichers (38) angeschlossen sind, daß die Verstärker (35, 36) durch Veränderung der individuellen Spannungsverstärkung unterschiedlich aussteuerbar sind, und daß der Nullpunktdetektor (42) zur Feststellung des Nulldurchgangs der Phasenfrequenz zwischen Totalsignal und Differenzsignal parallel zu dem Fenstervergleicher (43) an den Ausgang des Phasenverglei chers (38) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrocom puter vorgesehen ist und die Ansteuerung des spannungsgesteuerten Oszilla tors (21) am Durchstimmanschluß (22), des Schalters (44) und der digital steuerbaren Verstärker (35, 36) vom Mikrocomputer aus erfolgt, während als Eingangssignale des Mikrocomputers unter anderem die Ausgangssignale des Nullpunktdetektors (42) und des Fenstervergleichers (43) dienen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Oszillators (21) am Durchstimmanschluß (22) über einen Digital/Analog- Umsetzer (45) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einen steuerungsseitigen Zusatzanschluß (46) des spannungsgesteuer ten Oszillators (21) ein weiterer Digital/Analog-Umsetzer (47) angeschlossen ist, über den eine Selbstkompensation der Drift der Frequenz des spannungs gesteuerten Oszillators (21) bei geöffneter Regelschleife erfolgt und der ggf. ebenfalls von dem Mikrocomputer aus ansteuerbar ist.