184565. lajstromszámú szabadalom • Impulzus üzemű ultrahangos távolságmérő
1 184 565 2 A találmány impulzus üzemű ultrahangos távolságmérő kapcsolási elrendezése. A távolság mérése fontos dolog mindennapi életünkben és az élet minden területére kiterjed. A távolság mérése történelmileg a távoli múltba nyúlik vissza, és a műszaki fejlődéssel együtt újabb és pontosabb módszerek és eszközök alakultak ki. Korunk igényévé vált, hogy olyan helyeken is tudjuk a távolságot mérni, ahová nem hatolhat be a mérőrúd és rádióhullámokkal sem vagy nehézkesen lehetne mérni. Rendelkezésünkre áll viszont egy fizikai mennyiség, a hanghullám, és a hanghullámok közül is csak azok, amelyek a fülünkkel hallható tartományon kívülre esnek. Ezek az ultrahangok. Az ultrahangok keresztülhatolnak a szilárd, tömör anyagokon és a folyadékokon, valamint lényegesen rosszabbul, de a gázokon is. Az ipar és a gyógyászat elterjedten használja az ultrahangokat különböző feladatok megoldására, így többek között távolság mérésére is. A távolságmérés ismert kiviteli formája ultrahangos mérés esetén a következő. Az ultrahang-átalakító saját rezonanciafrekvenciáján működő oszcillátor jelét impulzussal modulálva, hullámcsomagot hozunk létre, amit erősítőn keresztül vezetünk az ultrahang-átalakítóra. Az ultrahang-átalakító ultrahang-hullámcsomagot bocsát ki magából. A visszavert hullámokat ugyancsak az ultrahang-átalakító alakítja vissza feszültséggé, amit a kívánt szintre felerősítünk. A moduláló impulzus és a visszavert impulzus kezdete között eltelt idő a mérendő közeg ultrahang-terjedési sebességétől függően meghatározza a reflektáló felület távolságát. A mérőközeg ismeretében az időmérő áramkört közvetlenül távolságban lehet kalibrálni. Ismert olyan módszer is, ahol az ultrahang-átalakító kétszer van felépítve és az egyik csak adóként, a másik csak vevőként működik, de a mérés az előzővel azonos. Az ismert megoldásoknak az a hátránya, hogy nagyon pontos oszcillátorfrekvenciát igényelnek, mivel a frekvencia megváltozása az érzékenység csökkenését vonja maga után. Nagy jósági tényezőjű, jó hatásfokú átalakítóknál ez kvarckristályvezérlést igényel. A kvarcvezérlés sem minden esetben kielégítő megoldás, hiszen magának az ultrahang-átalakítónak is van hőfüggésc, ami az ultrahang-átalakító saját rezonanciafrekvenciájának megváltozását jelenti. Az oszcillátor és az átalakító frekvenciájának szinkronozása pedig alkatrészigényes és körülményes. A hullámcsomag (moduláló impulzus) ideje alatt az ultrahang-átalakító teljesítményt vesz fel. Az átalakítóra adható effektiv teljesítmény az átalakító minőségétől függ és adott érték. Minél rövidebb a moduláló impulzus, annál nagyobb csúcsteljesítmény adható az átalakítóra. A visszavert ultrahanghullám nagysága a gerjesztő ultrahanghullám csúcsteljesítményétől függ. A hagyományos esetben a moduláló impulzus minimálisan tízszerese az ultrahanghuílám periódusidejének. A találmány ezeket a hibákat kívánja kiküszöbölni. A találmány lényege, hogy az ultrahang-átalakítót nem a saját frekvenciáján működő oszcillátor jelével vezéreljük, hanem egy nagyon rövid és lényegesen kisebb frekvenciájú négyszögimpulzussal. A rövid impulzus szélessége az ultrahang-átalakító saját frekvenciájának periódusidejével egyezik meg. A négyszögimpulzus ismétlődési ideje nagyobb, mint a mérni kívánt legnagyobb távolságból visszavert ultrahanghullám visszaverődési ideje. Az impulzus hatására az ultrahang-átalakító a mindenkori saját rezonanciafrekvenciájának megfelelő és csillapodó amplitúdójú rezgést fog végezni, függetlenül a hőmérséklettől. Mivel az átalakítót igen rövid ideig gerjesztjük, ezért az átalakítóra adható csúcsteljesítmény nagyobb lehet, mint hagyományos esetben. Azonos energiafelhasználás mellett a találmány öt-tízszer nagyobb érzékenységre képes, mint hagyományos kivitelű megfelelője. Ezt úgy is megfogalmazhatjuk, hogy azonos érzékenység mellett a találmány szerinti kapcsolási elrendezés öt-tízszer kevesebb energiát használ fel, mint a hagyományos megfelelője. A találmány szerinti kapcsolási elrendezéssel kivitelezett készülék lényegesen kevesebb alkatrészt tartalmazhat, mint hagyományos megfelelője. Az impulzus üzemű ultrahangos távolságmérő kapcsolási elrendezés működését az 1. ábrán levő blokkvázlat alapján érthetjük meg, ahol: 7 időmérő áramkör, 8 számkijelző, valamint a találmány tárgyát képező 1 impulzusadó, 2 végerősítő, 3 ultrahang-átalakító adó-vevő, 4 analóg kapuáramkör, 5 erősítő jelformáló, 6 kapujelképző áramkör. A. kapcsolási elrendezés statikus állapota a következő. Az 1 impulzusadó kimenetére csatlakozik a 2 végerősítő bemenete, a 6 kapujelképző áramkör bemenete, valamint a 7 időmérő áramkör egyik bemenete. A 2 végerősítő kimenete a 3 ultrahang-átalakító adó-vevőhöz és a 4 analóg kapuáramkör egyik bemenetére kapcsolódik. A 4 analóg kapuáramkör másik bemenete a 6 kapujelképző áramkör kimenetéhez, míg kimenetc az 5 erősítő jelformáló bemenetéhez van kötve. Az 5 erősítő jelformáló kímenete a 7 időmérő áramkör másik bemenetéhez csatlakozik. A 7 időmérő áramkör kimenete a 8 számkijelzővel van összekötve (lásd: 1. ábra). A kapcsolási elrendezés dinamikus működése a következő. Az 1 impulzusadó rövid impulzust állít elő, amely a 2 végerősítőben felerősödve a 3 ultrahang-átalakító adó-vevőre jut, valamint indítja a 7 időmérő áramkör egyik bemenetén keresztül az időmérést (lásd: 3. ábra U,). Az impulzusszünet alatt a 2 végerősítő célszerűen nagy impedanciát képvisel és ezáltal nem terheli a 3 ultrahangátalakító adó-vevőt vevő üzemmód alatt. Ez a visszavert jel jobb hatásfokú feldolgozását biztosítja feszültséggé. A visszavert jelből képződött és a 3 ultrahang-átalakító adó-vevő saját rczonanciafrekvcnciájával megegyező frekvenciájú jel erősítését az 5 erősítő jelformáló végzi. Az. 5 erősítő jelformáiéra a visszavert jel a 4 analóg kapuáramkörön keresztül jut (lásd: 3. ábra U4). A 6 kapujelképző áramkör vezérli a 4 analóg kapuáramkört úgy, hogy az 5 erősítő jelformáló bemenetére ne jusson a nagy amplitúdójú gerjesztőjel és így ne vezérévé túl az 5 erősítő jelformálót (lásd: 3. ábra U3). Az 5 erősítő jelformáló kimenetén a reflektált ultrahanghuilárn a kívánt feszültségszintre felerősödve jelenik meg és a 7 időmérő áramkör másik bemenetére kerülve letiltja az időmérést (lásd: 3. ábra U5). Az 1 impulzusadó és az 5 erősítő jelformáló kimenetén megjelenő jel között eltelt időt méri a 7 időmérő áramkör, amíg megfelelően kalibrálva a 8 számkijelzőn a mért távolságot lehet leolvasni. Az impulzus üzemű ultrahangos távolságmérő különálló adóval és vevővel kialakított kapcsolási elrendezés működését a 2. ábra alapján érthetjük meg, ahol 7 időmérő áramkör, 8 számkijelző, valamint a találmány tárgyát képező 1 impulzusadó, 2 végerősítő, ultrahangátalakító adó, 5 erősítő jelforfnáló, 9 ultrahang-átalakító vevő. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
