Prüfschaltung

Typischer Messaufbau für SECO-Ultraschallwandler | Elektroakustische Parameter

Zur Vermessung unserer Ultraschallwandler verwenden wir SECO-intern eine bewährte Prüfschaltung. Diese bildet die Grundlage für die technischen Daten unserer Produkt-Datenblätter. Für eine erste Inbetriebnahme unserer Produkte kann diese Schaltung nachgebildet werden. Selbstverständlich lassen sich unsere Ultraschallwandler auch mit verschiedensten kundenspezifischen Prüfschaltungen betreiben. Für Tipps und Tricks kontaktieren Sie unsere Ultraschall-Experten! Wir freuen uns darauf, von Ihnen zu hören.

Messaufbau & Prüfschaltung

Impuls-Echo-Betrieb

Prüfschaltung Messaufbau SECO Schaltung

Elektronisches Zubehör

 

Ansteuerelektronik / DAC:

  • Anregung des Ultraschallwandlers
  • Erzeugung von Puls- oder Sinus-Burst-Signal und Frequenzsteuerung

Antiparallele Dioden z.B. BAV20:

  • Glättung des Signals, Schutz empfindlicher elektronischer Bauteile vor Spannungsspitzen

Reflektor in definiertem Abstand:

  • nur im Impuls-Echo-Betrieb
  • mindestens 100 x 100 mm, plane Oberfläche
  • Längsachse senkrecht zum Wandler

Verstärker:

  • falls Oszilloskop / ADC keine Verstärkungseinheit integriert hat
  • vor allem bei hochfrequenten Wandlern mit niedrigen Echospannungen
  • Erhöhung Signal-Rausch Verhältnis, Bandpass um störende Frequenzen zu unterdrücken

Oszilloskop /ADC:

  • Digitalisierung und Auswertung des Empfangssignals
  • Signalvisualisierung hinsichtlich Signalform
  • Amplitude und Frequenz in Echtzeit, Frequenzanalyse

BNC Verbindungskabel (empfohlen):

  • bessere Signalqualität, minimierte Signalverzerrung vor allem bei hohen Frequenzen
  • maximale Störungsfreiheit, Verbindungsstabiltät

Wandlerspezifische Einstellungen der Prüfschaltung

Grundsätzlich unterscheiden wir drei Wandlertypen, die wir in ihrer elektroakustischen Funktionsweise und ihrem Aufbau auf ihre verschiedenen Stärken optimiert haben.

Produktgruppe SC007 SC010 SC021 SC029 SC031 SC042 SC049 SC508 SC517 SC520 SC524
Anregungsspannung am Wandler [Vpp] 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Anregungsart Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus
Burst-Zyklen 40 40 12 12 12 12 12 40 12 12 12
Abstand Wandler-Reflektor [mm] 460 288 100 60 60 60 60 432 100 100 100
Datenblatt DB007 DB010 DB021 DB029 DB031 DB042 DB049 DB508 DB517 DB520 DB524

Größe des Reflektors mind. 100 x 100 mm, Längsachse des Wandlers senkrecht zum Reflektor

Produktgruppe SC008 SC012 SC020 SC030 SC040 SC041 SC050
Anregungsspannung am Wandler [Vpp] 10 10 10 10 10 10 10
Anregungsart Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus Sinus
Anzahl Burst-Zyklen (Sinus) bc 80 80 80 80 80 80 80
Abstand Wandler-Reflektor [mm] 647 432 259 120 130 130 120
Datenblatt DB008 DB012 DB020 DB030 DB040 DB041 DB050

Größe des Reflektors mind. 100 x 100 mm, Längsachse des Wandlers senkrecht zum Reflektor

Produktgruppe SC108 SC112 SC116 SC125.2 SC125.21 SC135 SC150
Anregungsspannung am Wandler [Vpp] 200 200 200 200 200 200 30
Anregungsart Puls Puls Puls Puls Puls Puls Sinus
Abstand Wandler-Reflektor [mm] 130 100 100 60 60 60 60
Datenblatt DB108 DB112 DB116 DB125.2 DB125.21 DB135 DB150

Größe des Reflektors mind. 100 x 100 mm, Längsachse des Wandlers senkrecht zum Reflektor

Elektroakustische Parameter

Gemessen mit unserer SECO-spezifischen Prüfschaltung ergeben sich für unsere Produktgruppen folgende elektroakustischen Parameter:

Produktgruppe SC007 SC010 SC021 SC029 SC031 SC042 SC049 SC508 SC517 SC520 SC524
Echospannung (unverstärkt) [mVpp] > 5 > 4 > 10 > 3,3 > 8,2 > 6,4 > 0,6 > 6 > 12 > 11,2 > 10
typ. Echospannung (unverstärkt) [mVpp] 6…11 5…11 ~ 13 ~ 4,5 ~ 11 ~ 8,5 ~ 0,8 7…12 ~ 16 ~ 15 ~ 13
Ausschwingspannung [mVpp] 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Ausschwingzeit @ Ausschwingspannung [µs] < 1500 < 1000 < 350 < 150 < 175 < 140 < 80 < 1600 < 330 < 290 < 270
Datenblatt DB007 DB010 DB021 DB029 DB031 DB042 DB049 DB508 DB517 DB520 DB524

 

Produktgruppe SC008 SC012 SC020 SC030 SC040 SC041 SC050
Echospannung (unverstärkt) [mVpp] > 30 > 25 > 17 > 12 > 4 > 4 > 2,8
typ. Echospannung (unverstärkt) [mVpp] 40…75 35…50 20…35 ~ 15 5…9 5 … 9 3,5…4
Ausschwingspannung [mVpp] 10 10 10 10 10 10 10
Ausschwingzeit @ Ausschwingspannung [µs] < 2800 < 1800 < 1000 < 570 < 420 < 420 < 300
Datenblatt DB008 DB012 DB020 DB030 DB040 DB041 DB050

 

Produktgruppe SC108 SC112 SC116 SC125.2 SC125.21 SC135 SC150
Echospannung (unverstärkt) [mVpp] > 6,0 > 6,5 > 6,0 > 2,5 > 1,5 > 1,2 > 0,3
Ausschwingspannung [mVpp] 1,0 0,25 0,15 0,1 0,08 0,06 0,15
Ausschwingzeit @ Ausschwingspannung [µs] < 700 < 450 < 390 < 320 < 320 < 192 < 55
Datenblatt DB108 DB112 DB116 DB125.2 DB125.21 DB135 DB150

 

Randbedingungen zur Messung der elektroakustischen Parameter:

  • Anregungsart, Burst-Zyklen und Abstand zwischen Wandler und Reflektor siehe „Wandlerspezifische Einstellungen der Prüfschaltung“
  • Größe des Reflektors mind. 100 x 100 mm, Längsachse des Wandlers senkrecht zum Reflektor
  • Medium Luft bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchte < 25 %

Schematischer Signalverlauf

Typisches Echosignal eines Ultraschallwandlers nach Sinus-Anregung:

Schematischer Signalverlauf Ultraschallwandler

Details zu Signalverlauf:

  • UA = Ausschwingspannung
  • UE = Echospannung
  • bc = Anzahl Burst-Zyklen
  • rc = Anzahl Echo-Ausschwingzyklen (UE auf 1/2 UE)

Typische Richtcharakteristik

Richtverhalten und Öffnungswinkel der drei Wandlertypen

Schematischer Signalverlauf Ultraschallwandler

Richtscharfer Wandler

Richtscharfe Wandler zeichnen sich (dem Namen nach) durch eine sehr schmale Schallkeule und einen kleinen Öffnungswinkel aus.

Typisch sind hier Werte von ca. 7…11° (@ -3dB). Mit ihnen sind vergleichsweise große Reichweiten möglich, daher werden sie gerne in der Abstandsmessung, Füllstandsmessung, Anwesenheitserkennung usw. verwendet.

Schematischer Signalverlauf Ultraschallwandler

Einfachwandler

Im Gegensatz dazu zeigen unsere Einfachwandler eine besonders breite Schallkeule und große Öffnungswinkel von typischerweise ca. 12…20° (@ -3dB).

Diese Wandler werden vor allem in Bereichen genutzt, bei denen eine Verwehung der Schallkeule erfolgt (Windmessung im Anemometer, Durchflussmessung).

Eine breite Schallkeule ermöglich exakte Messungen auch noch bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten.

Impulswandler

Der Öffnungswinkel unserer Impulswandler hängt aufgrund der breitbandigen Charakteristik dieses Wandlers von der Frequenz ab.

Im Richtdiagramm sind daher zwei weitere Frequenzen unter- und oberhalb der typischen 200 kHz Arbeitsfrequenz dargestellt.

Alternative Betriebsart: Sender-Empfänger-Modus

Kunden verwenden unsere Ultraschallwandler typischerweise im Sender-Empfänger-Betrieb für Messaufgaben wie Durchflussmessung, Doppelbogenkontrolle, Bahnkantensteuerung, Etikettenerkennung und Anwesenheitskontrolle. Das Ultraschallsignal bewegt sich zwischen zwei Wandlern (Sender und Empfänger) und wird anschließend ausgewertet. Die Laufstrecke ist hier entsprechend nur halb so groß wie im Impuls-Echo-Betrieb, bei dem ein einzelner Wandler gegen einen Reflektor schallt.

Ansteuerung Sender Empfänger Prüfschaltung

Hintergrundinformationen zur Prüfschaltung

Ultraschallwandler erzeugen und empfangen Schallwellen im Ultraschallbereich. Überprüft wird ihre Funktionsfähigkeit und Leistungsfähigkeit anhand einer Prüfschaltung. Diese umfasst mehrere Schlüsselkomponenten. Zunächst wird ein Funktionsgenerator oder ein Hochspannungsgenerator verwendet, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das den Ultraschallwandler antreibt. Dieses Signal wird dann durch einen Leistungsverstärker geleitet, um sicherzustellen, dass es stark genug ist, um den Wandler zu aktivieren.

Der Wandler selbst wandelt das elektrische Signal in mechanische Schwingungen um, die als Ultraschallwellen ausgesendet werden. Diese Wellen können dann von einem Empfänger, oft ein zweiter Wandler, erfasst werden. Der Empfänger wandelt die Ultraschallwellen zurück in ein elektrisches Signal.

Dieses Signal wird anschließend durch einen Vorverstärker verstärkt und an einen Oszilloskop oder Spektrumanalysator gesendet. Mit diesen Instrumenten kann der Benutzer die Frequenz, Amplitude und Form des empfangenen Signals analysieren. Durch den Vergleich der Ausgangs- und Eingangssignale kann die Leistung und Genauigkeit des Ultraschallwandlers bewertet werden. Diese Prüfschaltungen sind wesentlich, um sicherzustellen, dass Ultraschallwandler in medizinischen, industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen präzise und zuverlässig arbeiten.