EP1526503A2 - Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stosswellenquelle und nach diesem Verfahren betriebene elektromagnetische Stosswellenquelle - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stosswellenquelle und nach diesem Verfahren betriebene elektromagnetische Stosswellenquelle Download PDF

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EP1526503A2
EP1526503A2 EP20040022727 EP04022727A EP1526503A2 EP 1526503 A2 EP1526503 A2 EP 1526503A2 EP 20040022727 EP20040022727 EP 20040022727 EP 04022727 A EP04022727 A EP 04022727A EP 1526503 A2 EP1526503 A2 EP 1526503A2
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EP
European Patent Office
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discharge
shock wave
wave source
characteristic
derived
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20040022727
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen Haumann
Christian Meinert
Arnim Rohwedder
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/76—Medical, dental

Definitions

  • the invention relates to a method of operation an electromagnetic shock wave source.
  • the invention is operated on a method according to this method electromagnetic shock wave source.
  • An electromagnetic shock wave source as for example from DE 41 25 375 C1 is known, for example in extracorporeal lithotripsy, especially in the Smashed concrements inside a kidney.
  • the shock wave is generated by a high voltage capacitor is suddenly discharged via a flat coil, before the secondary coil as a metallic membrane, in the Usually an aluminum membrane is arranged.
  • Flat coil and metallic membrane are through an interposed insulating film electrically isolated from each other.
  • Such a shock wave source is subject due to the high mechanical and electrical stress a wear, the to a progressive deterioration of the quality of the Shock wave can lead. This deterioration is the user not immediately recognizable and may be an insufficient Result in therapy. In addition, it can too to a total failure of the shock wave source to one not come foreseeable time.
  • the invention is based on the object, a method to specify for operating a shock wave source, with a Deterioration of their properties due to wear or another defect can be easily detected.
  • the invention is based on the object, after this method operated electromagnetic shock wave source specify.
  • the object is according to the invention solved by a method having the features of the claim 1.
  • an electromagnetic Shockwave source which is an acoustic shockwave generated by discharging a charging capacitor through a coil, is used to check the condition of the shockwave source detected during a discharge of the electric discharge and evaluated.
  • the invention is based on the consideration that the discharging process, d. H. the timing of the discharge, the Properties of the shock wave source reflects, so that whose evaluation allows a statement about their condition.
  • a significant advantage of the method according to the invention is that it easily during each use of the Shock wave source can be performed, making a practical permanent monitoring is possible.
  • At least one Characteristic of the discharge determined and stored with a Reference value compared. From the result of this comparison, d. H. a deviation between the determined Parameter and the stored reference value can then on the state of the shock wave source are closed.
  • At least one determined characteristic of the unloading process at least one characteristic of the discharge circuit derived and the derived characteristic with a stored Reference value compared. This measure allows an immediate statement about the properties of the shockwave source, as these are due to the characteristics of the shock wave source forming discharge circuit are determined.
  • the characteristic of the discharge process is the Period measured. This is easy to measure, and whose Deviation from a stored reference value is a Significant indication of a wear - related change in the Properties of the shockwave source.
  • the method is used as a derived characteristic of the discharge circuit Inductance determined. This has a particularly high informative value with regard to the state of the shock wave source.
  • An increase in accuracy when checking the condition the shockwave source is preferably achieved by that from a plurality of determined or derived Characteristics each a statistical characteristic is formed.
  • a statistical evaluation obtained statistical parameter for example an arithmetic Mean, will be statistical fluctuations in the measurement balanced.
  • the stored Reference value as measured or derived characteristic in the case of first commissioning determined is the deviation the subsequently measured or determined characteristic only by changing the state of the shockwave source, for example, caused by wear. production-related Scattering has no influence.
  • the measurement or determination of the characteristic of the discharge of the Unloading current measured is preferably done without contact, so that the structure of the circuits required for this purpose is simplified, since this of the potential of the high-voltage circuit the shock wave source are disconnected.
  • shock wave source With respect to the shock wave source, the problem is solved with a shock wave source with the features of claim 12, the benefits of which as well as the benefits of his subordinate Claims analogous to the advantages of give them respectively assigned method claims.
  • Fig. 1 the discharge circuit of an electromagnetic Shock wave source 2 in an electrical equivalent circuit diagram by the series connection of a capacitance C, an ohmic Resistor R and an inductance L reproduced.
  • the Capacitance C is essentially determined by the capacity of a Charging capacitor 4 determines the one coil 8 connected in parallel is.
  • the inductance L of the discharge circuit is essentially determined by the inductance of the Coil 8 (usually a flat coil) and one of these opposite Membrane 6 formed actuator, as he, for example in DE 41 25 375 C1 is described in more detail.
  • the ohmic resistance R takes into account both the ohmic resistance the high voltage cable as well as the flat coil. 8 and the induced resistance of the membrane 6.
  • the charging capacitor 4 discharged and the discharge current flowing in the discharge circuit I sound up in a muted periodic vibration until the charging capacitor 4 has completely discharged.
  • the unloading process is detected with a device 11 and evaluated.
  • This measurement signal S is an analog / digital converter 14 supplied and as a digitized measurement signal DS to an evaluation device 16, in the example a Computer, forwarded.
  • the digitized measurement signal DS either pointwise with the reference values a stored Reverenzkurve RS compared or alternatively subjected to a previous evaluation, in the one or more characteristics K of the signal waveform of the discharge process reproducing measurement signal DS, for example the period T of the damped oscillation, be determined, then with one to each corresponding stored reference value RK become.
  • the deviation of the measuring signals DS or the parameter K from the stored reference signal RS or from the reference value RK is then a measure of the state of wear of the shock wave source Second
  • the digitized measurement signal DS used for comparison or the characteristic K are by a moving averaging over several consecutive discharges of free from statistical fluctuations. Because the components of Discharge circuit (charging capacitor, high voltage cable and actual shockwave head (actuator)) Exemplarstreuungen may be at commissioning a new facility or when replacing one of the components on site, a teach-in process carried out.
  • the measurement signal DS or the Characteristic K by measuring one or more unloading operations in an initialization or learn mode for that particular one Configuration detected and as a reference signal RS or Reference value RK stored.
  • the discharge current I is plotted against the time t.
  • the discharge is in the form of a damped oscillation.
  • proportional measurement signal S or DS parameters K are determined either by evaluation of the digital data or by direct measurement, which are significant for the discharge process and thus for the state of the shock wave source. These are, for example, the slew rate (I 2 -I 1 ) / ⁇ t, the duration T of the first period and the first and second amplitudes I max and Imin of the current I. These can be used in the evaluation device 16 (FIG stored reference or setpoint values are compared.
  • U 0 is the charging voltage of the charging capacitor 4, which is known for each discharge.
  • the measurement signal S supplied by the Rogowski coil 12 and applied as voltage U is inverted (-U v ) or not-inverted (U v ) by means of a first operational amplifier 102 and a second operational amplifier 104.
  • amplified and low impedance respectively passed to sample-and-hold circuits 106 and 108, respectively. These store the maximum value of the second (minimum U v, min ⁇ Imin of the discharge current) or first half-wave (maximum U v, max ⁇ I max of the discharge current).
  • a first comparator 112 with a reference voltage of 0 V detects the zero crossings of the non-inverted amplified measurement signal U v and has its output connected to a sequence control circuit 110. Since experience shows that the first edge of the discharge curve is subject to interference, the second and fourth zero crossing of the curve is used in the exemplary embodiment to determine the period T.
  • a second, with its output also connected to the sequence control circuit 110 comparator 114 with a clearly different from 0 reference voltage U T sets the sequence control circuit 110 only then if it takes place with certainty a discharge.
  • the period T is determined by a counter 116 whose Start and stop input to control outputs of the sequence control circuit 110 is connected. At the second zero crossing the discharge curve (from positive to negative) becomes the Counter 116 started at the fourth zero crossing (in the same orientation) stopped again. The counter reading is thus a measure of the period T.
  • a counter also uses an integrally constructed integrator be used as the voltage value for the measured time duration Provides.
  • sample-and-hold circuits 106 and 108 only the maxima in a defined period of time These are determined by the sequence control circuit 110 provided release signals EN1 and EN2 only in this Intervals unlocked. In principle, such is one Activation not required.
  • the reset signal R can be derived from the signal "HV-on". This signal "HV-on" is available in an interface to a charging unit with which the charging capacitor is charged. When reset, the storage capacitors of the sample-and-hold circuits 106 and 108 are discharged, the counter 116 and integrator are set to 0, and the process control circuit 110 is set to the initial state.
  • the sequence control is released. (Charging of the charging capacitor 4 ends, the pulse is imminent) t3 U v > U T
  • the sequence control is started.
  • This zero crossing stops the counter 116.
  • the counter reading is proportional to the period. From now on, no further control signals are output.
  • a voltage value is chosen that is significantly greater than the noise in the measurement signal, but certainly less than the expected maximum at the lowest energy level, eg half of the expected maximum at the lowest energy level.
  • the value of the inductance L can also be calculated from the initial slope of the measurement signal S ⁇ I.
  • the possibly amplified measurement signal U v is for this purpose directly a first sample-and-hold circuit 120 and a high pass 122 of a second sample-and-hold circuit 124 is supplied at the outputs of the maximum current I max and the maximum of the time derivative (dI / dt) max proportional measuring signals are present.
  • the capacitance C of the charging capacitor is known and the ohmic resistance of the discharging circuit is assumed to be constant, it is sufficient to measure the maximum current I max during the discharge in order to detect changes in the inductance L.
  • the capacitance C of the charging capacitor can be determined from the (known) charging current and the voltage increase during charging.
  • FIG. 7 In the alternative embodiment of FIG. 7 is as a transducer a parallel to the charging capacitor 4 switched Voltage divider 40 provided with the charging voltage U via the charging capacitor 4 is detected.
  • This will be in the following Facility 11 further processed, as well as in the embodiment of FIG. 1 from an analog / digital converter and a downstream computer can. Also in this case can from the curve of the Measurement signal S either by evaluation of the digital measured values or recorded by direct measurement characteristics, the significant for the unloading process and thus for the State of the shock wave source are.
  • a signal processing unit 200 is provided analogously to the exemplary embodiment according to FIG. 3, which at its output provides the period duration T and the first minimum U min of the voltage as characteristics of the signal curve of the voltage U from which are derived in a computer 202 Characteristic variables AK are determined.
  • the charging of the charging capacitor 4 takes place with a constant charging current i.
  • Voltage U and charging current i are measured.
  • the signal from the voltage divider (proportional to the voltage at the charging capacitor) is amplified by means of a first and a second operational amplifier 206 or 208 in an inverted or non-inverted manner and passed on to subsequent processing stages at low impedance.
  • the inverted signal is supplied to a sample-and-hold circuit 210. This stores the maximum value U min of the second half-wave (minimum of the voltage).
  • the non-inverted signal is output to two comparators 212, 214.
  • the first comparator 212 with a reference voltage (U T ) distinctly different from 0 sets the sequence control in motion only when a discharge takes place with certainty.
  • the second comparator 214 detects the zero crossings the signal.
  • the period T is analogous to Embodiment of FIG. 4 also with a counter 216 determined.
  • a counter instead of a counter in This example uses an integrally constructed integrator be used as the voltage value for the measured time duration Provides.
  • a scheduler 218 Enable signals enabled only in this interval. In principle, such an activation is also here not mandatory.
  • the sequence control circuit 218 After provision of the parameters U min and T, the sequence control circuit 218 remains inactive, ie outputs no further control signals until a reset of the entire evaluation circuit 202 takes place.
  • the reset signal is derived from the signal "HV-on". This signal "HV-on" is part of the existing interface to the charger, with which the charging capacitor is charged.
  • the storage capacitor of the Sample + Hold circuit 210 When reset, the storage capacitor of the Sample + Hold circuit 210 is discharged, the counter 216 or integrator is set to 0, and the process control circuit 218 is set to the initial state.
  • the sequence control is released. (Charging of the charging capacitor finished, the pulse is imminent) t3 U ⁇ U T
  • the sequence control is started.
  • the S + H circuit 210 is disabled again, the maximum value of this half-wave (proportional to the voltage minimum) is stored.
  • t6 U ⁇ 0 This zero crossing stops the counter 216.
  • the counter reading is proportional to the period. From now on, no further control signals are output.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle (2) sowie auf eine nach diesem Verfahren betriebene elektromagnetische Stoßwellenquelle (2), bei der eine akustische Stoßwelle durch Entladung eines Ladekondensators (4) über eine Spule (8) erzeugt wird. Gemäß der Erfindung wird zum Überprüfen des Zustandes der Stoßwellenquelle (2) während einer Entladung der elektrische Entladevorgang erfasst und ausgewertet. <IMAGE>

Description

Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle und nach diesem Verfahren betriebene elektromagnetische Stoßwellenquelle
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine nach diesem Verfahren betriebene elektromagnetische Stoßwellenquelle.
Eine elektromagnetische Stoßwellenquelle, wie sie beispielsweise aus der DE 41 25 375 C1 bekannt ist, wird beispielsweise bei der extrakorporalen Lithotripsie, insbesondere bei der Zertrümmerung von Konkrementen im Inneren einer Niere, eingesetzt. Bei einer solchen elektromagnetischen Stoßwellenquelle wird die Stoßwelle dadurch erzeugt, dass ein Hochspannungskondensator schlagartig über eine Flachspule entladen wird, vor der als Sekundärspule eine metallische Membran, in der Regel eine Aluminiummembran, angeordnet ist. Flachspule und metallische Membran sind durch eine zwischengelegte Isolierfolie voneinander elektrisch isoliert. Durch die gegenseitige magnetische Abstoßung der beiden Spulen wird die Membran stoßartig bewegt und erzeugt in einem angrenzenden Koppelmedium eine ebene Stoßwelle, die mit einer akustischen Linse in einen Fokus gebündelt wird.
Eine solche Stoßwellenquelle unterliegt aufgrund der hohen mechanischen und elektrischen Belastung einem Verschleiß, der zu einer fortschreitenden Verschlechterung der Qualität der Stoßwelle führen kann. Diese Verschlechterung ist vom Anwender nicht unmittelbar erkennbar und kann ein unzureichendes Therapieergebnis zur Folge haben. Darüber hinaus kann es auch zu einem Totalausfall der Stoßwellenquelle zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt kommen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Stoßwellenquelle anzugeben, mit dem eine Verschlechterung ihrer Eigenschaften infolge eines Verschleißes oder eines anderen Defektes einfach erkannt werden kann. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren betriebene elektromagnetische Stoßwellenquelle anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bei dem Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle, die eine akustische Stoßwelle durch Entladung eines Ladekondensators über eine Spule erzeugt, wird zum Überprüfen des Zustandes der Stoßwellenquelle während einer Entladung der elektrische Entladevorgang erfasst und ausgewertet.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass der Entladevorgang, d. h. der zeitliche Ablauf der Entladung, die Eigenschaften der Stoßwellenquelle widerspiegelt, so dass dessen Auswertung eine Aussage über deren Zustand ermöglicht.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass es problemlos während jeder Benutzung der Stoßwellenquelle durchgeführt werden kann, so dass eine praktisch permanente Überwachung möglich ist.
Vorzugsweise wird während einer Entladung zumindest eine Kenngröße des Entladevorgangs ermittelt und mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen. Aus dem Ergebnis dieses Vergleiches, d. h. einer Abweichung zwischen der ermittelten Kenngröße und dem gespeicherten Referenzwert kann dann auf den Zustand der Stoßwellenquelle geschlossen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden aus dieser zumindest einen ermittelten Kenngröße des Entladevorgangs zumindest eine Kenngröße des Entladestromkreises abgeleitet und die abgeleitete Kenngröße mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen. Diese Maßnahme ermöglicht eine unmittelbare Aussage über die Eigenschaften der Stoßwellenquelle, da diese durch die Kenngrößen des die Stoßwellenquelle bildenden Entladestromkreises bestimmt sind.
Insbesondere wird als Kenngröße des Entladevorganges dessen Periodendauer gemessen. Diese ist einfach zu messen, und deren Abweichung von einem gespeicherten Referenzwert ist ein signifikantes Indiz für eine verschleißbedingte Änderung der Eigenschaften der Stoßwellenquelle.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als abgeleitete Kenngröße des Entladestromkreises dessen Induktivität ermittelt. Diese hat eine besonders hohe Aussagekraft hinsichtlich des Zustandes der Stoßwellenquelle.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden als weitere Kenngrößen des Entladevorganges die Amplituden einer Schwingungsperiode ermittelt. Auch diese können mit einer einfachen elektronischen Schaltung unmittelbar gemessen werden und erlauben verlässliche Aussagen über den Zustand der Stoßwellenquelle. Sie ermöglichen insbesondere in Verbindung mit der ermittelten Periodendauer die genaue Berechnung der Induktivität, der Kapazität und des ohmschen Widerstand und damit aller relevanten elektrischen Kenngrößen des Entladestromkreises.
Eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Überprüfung des Zustandes der Stoßwellenquelle wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass aus einer Mehrzahl von ermittelten oder abgeleiteten Kenngrößen jeweils eine statistische Kenngröße gebildet wird. Durch eine mittels einer statistischen Auswertung gewonnene statistische Kenngröße, beispielsweise ein arithmetischer Mittelwert, werden statistische Schwankungen bei der Messung ausgeglichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der gespeicherte Referenzwert als gemessene oder abgeleitete Kenngröße bei der erstmaligen Inbetriebnahme ermittelt. Dadurch sind die Abweichungen der nachfolgend gemessenen oder ermittelten Kenngröße nur durch Veränderung des Zustandes der Stoßwellenquelle, beispielsweise durch Verschleiß, verursacht. Fertigungsbedingte Streuungen haben damit keinen Einfluss.
Insbesondere wird zur Ermittlung der Kenngröße des Entladevorganges die Entladespannung über dem Ladekondensator erfasst. Dies ist schaltungstechnisch besonders einfach durch eine dem Ladekondensator parallel geschaltete Spannungsteilerschaltung zu realisieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zur Messung oder Ermittlung der Kenngröße des Entladevorganges der Entladestrom gemessen. Dies erfolgt vorzugsweise berührungslos, so dass der Aufbau der hierzu erforderlichen Schaltungen vereinfacht ist, da diese vom Potential des Hochspannungskreises der Stoßwellenquelle getrennt sind.
Bezüglich der Stoßwellenquelle wird die Aufgabe gelöst mit einer Stoßwellenquelle mit den Merkmalen des Patentanspruches 12, deren Vorteile sich ebenso wie die Vorteile der ihm untergeordneten Patentansprüche sinngemäß aus den Vorteilen der ihnen jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche ergeben.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1
eine Stoßwellenquelle gemäß der Erfindung in einem Prinzipschaltbild,
Fig. 2
ein Diagramm, in dem der Entladestrom gegen die Zeit aufgetragen ist,
Fig. 3
eine weitere Ausführungsform einer Stoßwellenquelle gemäß der Erfindung ebenfalls in einem Prinzipschaltbild,
Fig. 4
ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung wie sie in Fig. 3 Verwendung findet,
Fig. 5
ein Ablaufdiagramm, zur Erläuterung der Funktionsweise der Auswerteeinrichtung gemäß Fig. 4,
Fig. 6
eine besonders einfache Ausführungsform einer für eine Stoßwellenquelle gemäß der Erfindung geeigneten Auswerteeinrichtung,
Fig. 7
eine alternative Stoßwellenquelle gemäß der Erfindung ebenfalls in einem Prinzipschaltbild,
Fig. 8
ein Diagramm, in dem die Entladespannung gegen die Zeit aufgetragen ist,
Fig. 9
eine Ausführungsform einer Vergleichseinrichtung, wie sie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 Verwendung findet, und
Fig. 10
ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 9 dargestellten Vergleichseinrichtung.
In Fig. 1 ist der Entladestromkreis einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle 2 in einem elektrischen Ersatzschaltbild durch die Reihenschaltung einer Kapazität C, eines ohmschen Widerstandes R und einer Induktivität L wiedergegeben. Die Kapazität C ist im wesentlichen durch die Kapazität eines Ladekondensators 4 bestimmt, dem eine Spule 8 parallelgeschaltet ist. Die Induktivität L des Entladestromkreises ist im wesentlichen bestimmt durch die Induktivität des aus der Spule 8 (in der Regel eine Flachspule) und einer dieser gegenüberliegenden Membran 6 gebildeten Aktuators, wie er beispielsweise in der DE 41 25 375 C1 näher beschrieben ist. Der ohmsche Widerstand R berücksichtigt sowohl den ohmschen Widerstand der Hochspannungskabel als auch den der Flachspule 8 und den induzierten Widerstand der Membran 6.
Durch Schließen eines Schalters 10 wird der Ladekondensator 4 entladen und der im Entladestromkreis fließende Entladestrom I klingt in einer gedämpften periodischen Schwingung ab, bis sich der Ladekondensator 4 vollständig entladen hat. Der Entladevorgang wird mit einer Einrichtung 11 erfasst und ausgewertet. Diese enthält als Messwertaufnehmer eine galvanisch entkoppelte, d.h. vom Hochspannungspotential des Entladestromkreises getrennte Rogowski-Spule 12, die ein dem Entladestrom I proportionales elektrisches Messsignal S, im Ausführungsbeispiel die in der Rogowski-Spule 12 induzierte Spannung, bereitstellt. Dieses Messsignal S wird einem Analog/Digitalwandler 14 zugeführt und als digitalisiertes Messsignal DS an eine Auswerteeinrichtung 16, im Beispiel ein Computer, weitergeleitet. Dort wird das digitalisierte Messsignal DS entweder unmittelbar punktweise mit den Referenzwerten einer gespeicherten Reverenzkurve RS verglichen oder alternativ hierzu einer vorhergehenden Auswertung unterzogen, bei der eine oder mehrere Kenngrößen K des Signalverlaufes des den Entladevorgang wiedergebenden Messsignals DS, beispielsweise die Periodendauer T der gedämpften Schwingung, ermittelt werden, die anschließend mit einem dazu jeweils korrespondierenden gespeicherten Referenzwert RK verglichen werden. Die Abweichung der Messsignale DS oder der Kenngröße K vom gespeicherten Referenzsignal RS bzw. vom Referenzwert RK ist dann ein Maß für den Verschleißzustand der Stoßwellenquelle 2.
Die zum Vergleich herangezogene digitalisierte Messsignal DS bzw. die Kenngröße K werden durch eine gleitende Mittelwertbildung über mehrere aufeinanderfolgende Entladevorgänge von statistischen Schwankungen befreit. Da die Komponenten des Entladestromkreises (Ladekondensator, Hochspannungskabel und eigentlicher Stoßwellenkopf (Aktuator)) Exemplarstreuungen aufweisen können, wird bei Inbetriebnahme einer neuen Anlage oder bei Tausch einer der Komponenten vor Ort ein Anlernvorgang durchgeführt. Dabei werden das Messsignal DS bzw. die Kenngröße K durch Messung eines oder mehrerer Entladevorgänge in einem Initialisierungs- oder Anlernmodus für diese spezielle Konfiguration erfasst und als Referenzsignal RS bzw. Referenzwert RK gespeichert.
In Fig. 2 ist der Entladestrom I gegen die Zeit t aufgetragen. Nach dem Schließen des Schalters 10 verläuft die Entladung in Form einer gedämpften Schwingung. Aus dem Kurvenverlauf des dem Entladestrom I proportionalen Messsignals S oder DS werden Kenngrößen K entweder durch Auswertung der digitalen Daten oder durch unmittelbare Messung ermittelt, die signifikant für den Entladevorgang und damit für den Zustand der Stoßwellenquelle sind. Dies sind beispielsweise die Anstiegsgeschwindigkeit (I2 - I1)/Δt, die Dauer T der ersten Periode und die erste und zweite Amplitude Imax bzw. Imin des Stromes I. Diese können in der Auswerteeinrichtung 16 (Fig. 1) unmittelbar mit entsprechenden gespeicherten Referenz- oder Sollwerten verglichen werden.
Im Ausführungsbeispiel erfolgt kein derartiger unmittelbarer Vergleich sondern es werden in der Auswerteinrichtung 16 aus den Kenngrößen K abgeleitete Kenngrößen AK = R,C,L berechnet, die unmittelbar die elektrische Größe (ohmscher Widerstand, Kapazität, Induktivität) der Komponenten des Ersatzschaltbildes angeben. Hierzu ist in der Auswerteeinrichtung 16 der folgende Algorithmus implementiert:
Induktivität
Figure 00070001
Kapazität
C = 1L · ω0 2
Ohmscher Widerstand
R = 2 · δ · L
mit den Parametern
ω = 2 · πT
Figure 00080001
ω0 = ω2 + δ2
Dabei ist U0 die Ladespannung des Ladekondensators 4, die für jeden Entladevorgang bekannt ist.
Diese abgeleiteten Kenngrößen AK = L, C, R werden mit den jeweils zugehörigen gespeicherten Referenzwerten RK verglichen. Wesentlich für eine solche Zustandsüberwachung ist dabei nicht die absolute Genauigkeit, mit der der berechnete Wert für die Induktivität L mit dem wahren Wert der Induktivität des Entladestromkreises übereinstimmt, sondern die Reproduzierbarkeit dieses berechneten Wertes.
Die größte Aussagekraft für den Zustand des Stoßwellenkopfes hat die Induktivität L. Wenn die Werte von C und R vereinfachend als bekannt und konstant angesehen werden können, genügt die Messung der Periodendauer T, um daraus L zu berechnen.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist der Rogowski-Spule 12 eine Signalverarbeitungseinheit 20 nachgeschaltet, die aus dem von der Rogowskispule 12 bereitgestellten Messsignal S unmittelbar, d. h. ohne vorherige Analog/Digitalwandlung und ohne Zuhilfenahme eines Rechners, die zur Berechnung gemäß vorstehenden Algorithmus erforderlichen Kenngrößen K = Imax, Imin, und T ermittelt und als analoge oder digitale Signale bereitstellt. Diese gemessenen Kenngrößen K werden einer Auswerteeinrichtung 22 zugeführt, die in einer Analog/Digitalwandlerstufe 22a die analogen Signale in digitale Signale umwandelt und in einer Rechenstufe 22b aus diesen gemessenen Kenngrößen abgeleitete Kenngrößen AK = L,R,C berechnet. Diese werden in einer Vergleichseinrichtung 22c mit gespeicherten Referenzwerten RK verglichen.
Gemäß Fig. 4 wird in der Signalverarbeitungseinheit 20 das von der Rogowski-Spule 12 bereitgestellte und als Spannung U anliegende Messsignal S mit Hilfe eines ersten Operationsverstärkers 102 und eines zweiten Operationsverstärkers 104 invertiert (-Uv) bzw. nicht-invertiert (Uv) verstärkt und niederohmig jeweils an Sample-and-Hold-Schaltungen 106 bzw. 108 weitergegeben. Diese speichern den Maximalwert der zweiten (Minimum -Uv,min~ Imin des Entladestroms) bzw. ersten Halbwelle (Maximum Uv,max~ Imax des Entladestroms) .
Ein erster Komparator 112 mit einer Referenzspannung von 0 V detektiert die Nulldurchgänge des nichtinvertierten verstärkten Messsignals Uv und ist mit seinem Ausgang an eine Ablaufsteuerschaltung 110 angeschlossen. Da die erste Flanke der Entladekurve erfahrungsgemäß mit Störungen belegt ist, wird im Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der Periodendauer T der zweite und vierte Nulldurchgang der Kurve herangezogen. Ein zweiter, mit seinem Ausgang ebenfalls an die Ablaufsteuerschaltung 110 angeschlossener Komparator 114 mit einer deutlich von 0 verschiedenen Referenzspannung UT setzt die Ablaufsteuerschaltung 110 erst dann in Gang, wenn mit Sicherheit eine Entladung stattfindet.
Die Periodendauer T wird mit einem Zähler 116 ermittelt, dessen Start- und Stopeingang an Steuerausgänge der Ablaufsteuerschaltung 110 angeschlossen ist. Beim zweiten Nulldurchgang der Entladekurve (von positiven Werten zu negativen) wird der Zähler 116 gestartet, beim vierten Nulldurchgang (in der gleichen Orientierung) wieder gestoppt. Der Zählerstand ist somit ein Maß für die Periodendauer T. Alternativ kann statt eines Zählers auch ein analog aufgebauter Integrator verwendet werden, der die gemessene Zeitdauer als Spannungswert zur Verfügung stellt.
Um sicherzustellen dass die Sample-and-Hold-Schaltungen 106 und 108 nur die Maxima in einem definierten Zeitabschnitt bestimmen, werden diese durch von der Ablaufsteuerschaltung 110 bereitgestellte Freigabesignale EN1 bzw. EN2 nur in diesen Intervallen freigeschaltet. Prinzipiell ist eine solche Freischaltung nicht erforderlich.
Nach Bereitstellung der Kenngrößen K = Imin, Imax, T bleibt die Ablaufsteuerschaltung 110 inaktiv, d. h. gibt keine weiteren Steuersignale aus, bis ein Reset der gesamten Ablaufsteuerschaltung 110 erfolgt. Das Reset-Signal R kann vom Signal "HV-on" abgeleitet werden. Dieses Signal "HV-on" steht in einer Schnittstelle zu einem Ladeteil zur Verfügung, mit dem der Ladekondensator aufgeladen wird. Bei Reset werden die Speicherkondensatoren der Sample-and-Hold-Schaltungen 106 und 108 entladen, der Zähler 116 bzw. Integrator wird auf 0 gesetzt und die Ablaufsteuerschaltung 110 wird in den Anfangszustand gesetzt.
Der zeitliche Ablauf der in der Ablaufsteuerschaltung 110 verarbeiteten Signale ist in Figur 5 veranschaulicht und anhand nachfolgender Tabelle erläutert:
Zeitpunkt Bedingung Ereignis
t1 HV-on = 1 hält die gesamte Schaltung im Reset-Zustand (R=1)
t2 HV-on = 1 => 0 Die Ablaufsteuerung wird freigegeben. (Aufladung des Ladekondensators 4 beendet, der Puls steht unmittelbar bevor)
t3 Uv > UT Die Ablaufsteuerung wird gestartet. Die S+H-Schaltung 108 wird freigegeben (EN1=1)
t4 Uv < UT Die S+H Schaltung 106 wird wieder gesperrt, Der Maximalwert Uvmax (proportional dem maximalen Entladestrom Imax) ist gespeichert (EN1=0)
t5 Uv < 0 Dieser Nulldurchgang startet den Zähler 116, gleichzeitig Freigabe von S+H-Schaltung 108 (EN2=1)
t6 Uv > 0 Die S+H-Schaltung 108 wird wieder gesperrt, der Maximalwert dieser Halbwelle (proportional dem minimalen Entladestrom Imin ) ist gespeichert (EN2=0)
t7 Uv < 0 Dieser Nulldurchgang stoppt den Zähler 116. Der Zählerstand ist proportional zur Periodendauer. Von nun an werden keine weiteren Steuersignale ausgegeben.
Für UT wird ein Spannungswert gewählt, der deutlich größer ist als das Rauschen in dem Messsignal, aber mit Sicherheit geringer als das erwartete Maximum bei der kleinsten Energiestufe, z.B. die Hälfte des erwarteten Maximums bei der kleinsten Energiestufe.
Der Wert der Induktivität L kann auch aus der Anfangssteigung des Messsignals S~I berechnet werden. Hierzu ist nur eine wesentlich vereinfachte Auswerteschaltung mit zwei Komparatoren mit unterschiedlichen Referenzwerten I1 und I2 erforderlich. Diese Komparatoren starten und stoppen eine Zählerschaltung zur Ermittlung der Zeitdauer Δt zwischen diesen beiden Ereignissen. Daraus wird die Anfangssteigung des Messsignales S bzw. des Entladestromes I ermittelt. Diese ist umgekehrt proportional zur Induktivität L (L = U0Δt/(I2-I1)), wenn das Zeitintervall, innerhalb dem die Messung erfolgt, in einem Zeitfenster liegt, dessen obere Grenze sehr viel kleiner als die Periodendauer T ist (siehe hierzu auch Fig. 2).
Wird der Widerstand R als konstant und bekannt angenommen, genügt zur Berechnung der Induktivität L auch eine Messung des Strommaximums Imax und des Maximums (dI/dt)max der zeitlichen Ableitung davon, die durch eine sehr einfache Schaltung gemäß Fig. 6 ermittelt werden können. Das gegebenenfalls verstärkte Messsignal Uv wird hierzu unmittelbar einer ersten Sample-and-Hold-Schaltung 120 und über einen Hochpass 122 einer zweiten Sample-and-Hold-Schaltung 124 zugeführt, an deren Ausgängen dem Strommaximum Imax bzw. dem Maximum der zeitlichen Ableitung (dI/dt)max proportionale Messsignale anstehen.
Ist die Kapazität C des Ladekondensators bekannt und wird der ohmsche Widerstand des Entladestromkreises als konstant angenommen, ist es ausreichend, bei der Entladung das Strommaximum Imax zu messen, um Änderungen der Induktivität L zu detektieren. Die Kapazität C des Ladekondensators kann anhand des (bekannten) Ladestroms und des Spannungsanstiegs während der Aufladung ermittelt werden.
In der alternativen Ausgestaltung gemäß Fig. 7 ist als Messwertaufnehmer ein parallel zum Ladekondensator 4 geschalteter Spannungsteiler 40 vorgesehen, mit dem Ladespannung U über den Ladekondensator 4 erfasst wird. Diese wird in der nachfolgenden Einrichtung 11 weiterverarbeitet, die ebenso wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus einem Analog/Digitalwandler und einem nachgeschalteten Rechner bestehen kann. Auch in diesem Fall können aus dem Kurvenverlauf des Messsignals S entweder durch Auswertung der digitalen Messwerte oder durch unmittelbare Messung Kenngrößen erfasst werden, die signifikant für den Entladevorgang und damit für den Zustand der Stoßwellenquelle sind.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 eine Signalverarbeitungseinheit 200 vorgesehen, die an ihrem Ausgang als Kenngrößen des Signalverlaufs der Spannung U die Periodendauer T und das erste Minimum Umin der Spannung bereitstellt, aus denen in einem Rechner 202 abgeleitete Kenngrößen AK ermittelt werden.
Im Diagramm gemäß Fig. 8 sind als für den Zustand der Stoßwellenquelle signifikante Kenngrößen der Entladekurve das Maximum und das Minimum Umax (=U0 (durch die Hochspannungsquelle vorgegeben)) bzw. Umin der Entladespannung und die Periodendauer T eingetragen. Diese Kenngrößen können im Rechner 202 (Fig.7) unmittelbar mit entsprechenden gespeicherten Referenzwerten verglichen werden.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel werden in der Auswerteinrichtung aus den Kenngrößen K = Umin, T, Umax abgeleitete Kenngrößen AK = R,C,L berechnet, die unmittelbar die elektrische Größe (ohmscher Widerstand, Kapazität, Induktivität) der Komponenten des Ersatzschaltbildes angeben. Hierzu ist in der Auswerteeinrichtung der folgende Algorithmus implementiert:
Induktivität
L = 1C · ω0 2
Ohmscher Widerstand
R = 2 · δ · L
mit den Parametern
ω = 2 · πT
Figure 00130001
ω0 = ω2 + δ2
Die Aufladung des Ladekondensators 4 erfolgt mit einem konstanten Ladestrom i. Spannung U und Ladestrom i werden gemessen. Aus dem Spannungsanstieg ΔU im Zeitintervall Δt kann die Kapazität C wie folgt berechnet werden: C = i · ΔtΔU
Gemäß Fig. 9 wird das Signal vom Spannungsteiler (proportional zur Spannung am Ladekondensator) mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Operationsverstärkers 206 bzw. 208 invertiert bzw. nicht-invertiert verstärkt und niederohmig an nachfolgende Verarbeitungsstufen weitergegeben. Das invertierte Signal wird einer Sample-and-Hold-Schaltung 210 zugeführt. Diese speichert den Maximalwert Umin der zweiten Halbwelle (Minimum der Spannung). Das nicht-invertierte Signal wird an zwei Komparatoren 212, 214 ausgegeben.
Der erste Komparator 212 mit einer deutlich von 0 verschiedenen Referenzspannung (UT) setzt die Ablaufsteuerung erst dann in Gang, wenn mit Sicherheit eine Entladung stattfindet.
Der zweite Komparator 214(Referenz 0 V) detektiert die Nulldurchgänge des Signals. Die Periodendauer T wird analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ebenfalls mit einem Zähler 216 ermittelt. Alternativ kann statt eines Zählers auch in diesem Beispiel ein analog aufgebauter Integrator verwendet werden, der die gemessene Zeitdauer als Spannungswert zur Verfügung stellt.
Um sicherzustellen dass die Sample-and-Hold-Schaltung 210 nur das Maximum in einem definierten Zeitabschnitt bestimmt, wird diese durch von einer Ablaufsteuerschaltung 218 bereitgestellte Freigabesignale nur in diesem Intervall freigeschaltet. Prinzipiell ist eine solche Freischaltung auch hier nicht erforderlich.
Nach Bereitstellung der Kenngrößen Umin und T bleibt die Ablaufsteuerschaltung 218 inaktiv, d. h. gibt keine weiteren Steuersignale aus, bis ein Reset der gesamten Auswerteschaltung 202 erfolgt. Das Reset-Signal wird vom Signal "HV-on" abgeleitet. Dieses Signal "HV-on" ist Bestandteil der vorhandenen Schnittstelle zum Ladeteil, mit dem der Ladekondensator aufgeladen wird. Bei Reset wird der Speicherkondensator der Sample+Hold-Schaltung 210 entladen, der Zähler 216 bzw. Integrator wird auf 0 gesetzt und die Ablaufsteuerschaltung 218 wird in den Anfangszustand gesetzt.
Der zeitliche Ablauf der in der Ablaufsteuerschaltung 218 verarbeiteten Signale ist in Figur 10 veranschaulicht und anhand nachfolgender Tabelle erläutert:
Zeitpunkt Bedingung Folge
t1 < t2 HV-on = 1 hält die gesamte Schaltung im Reset-Zustand (R=1)
t2 HV-on = 1 => 0 Die Ablaufsteuerung wird freigegeben. (Aufladung des Ladekondensators beendet, der Puls steht unmittelbar bevor)
t3 U < UT Die Ablaufsteuerung wird gestartet.
t4 U < 0 Dieser Nulldurchgang startet den Zähler 216, gleichzeitig Freigabe der S+H-Schaltung 210 (EN=1)
t5 U > 0 Die S+H-Schaltung 210 wird wieder gesperrt, der Maximalwert dieser Halbwelle (proportional dem Spannungsminimum) ist gespeichert.
t6 U < 0 Dieser Nulldurchgang stoppt den Zähler 216. Der Zählerstand ist proportional zur Periodendauer. Von nun an werden keine weiteren Steuersignale ausgegeben.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle (2), die eine akustische Stoßwelle durch Entladung eines Ladekondensators (4) über eine Spule (8) erzeugt, bei dem zum Überprüfen des Zustandes der Stoßwellenquelle (2) während einer Entladung der elektrische Entladevorgang erfasst und ausgewertet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zumindest eine Kenngröße (K) des Entladevorganges ermittelt und mit einem gespeicherten Referenzwert (RK) verglichen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem aus dieser zumindest einen gemessenen Kenngröße (K) des Entladevorgangs zumindest eine Kenngröße (AK) des Entladestromkreises abgeleitet wird, und bei dem die abgeleitete Kenngröße (AK) mit einem gespeicherten Referenzwert (RK) verglichen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem als Kenngröße (K) des Entladevorganges die Periodendauer (T) einer Schwingungsperiode ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als abgeleitete Kenngröße (AK) die Induktivität (L) des Entladestromkreises ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Kenngröße (K) des Entladevorganges die Amplituden einer Schwingungsperiode gemessen werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem als weitere abgeleitete Kenngrößen (AK) des Entladestromkreises dessen Kapazität (C) und ohmscher Widerstand (R) ermittelt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus einer Mehrzahl von gemessenen oder abgeleiteten Kenngrößen (K, AK) eine statistische Kenngröße gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gespeicherte Referenzwert (RK) als gemessene oder abgeleitete Kenngröße (K, AK) bei der erstmaligen Inbetriebnahme ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Entladevorgang durch Messung des Entladestroms (I) erfasst wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Entladevorgang durch Messung der Entladespannung (U) über dem Ladekondensator (4) erfasst wird.
  12. Elektromagnetische Stoßwellenquelle (2), bei der eine akustische Stoßwelle durch Entladung eines Ladekondensators (4) über eine Spule (8) erzeugt wird, mit einer Einrichtung (11) zum Erfassen und Auswerten des elektrischen Entladevorganges für die Überprüfung des Zustandes der Stoßwellenquelle (2).
  13. Elektromagnetische Stoßwellenquelle (2) nach Anspruch 12, mit einer Einrichtung (16;20;202) zum Ermitteln zumindest einer Kenngröße (K) des Entladevorganges und mit einer Auswerteeinrichtung (16;22;204) zum Vergleichen der erfassten Kenngröße (K) mit einem gespeicherten Referenzwert (RW).
  14. Elektromagnetische Stoßwellenquelle (2) nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Einrichtung (11) zum Erfassen und Auswerten des elektrischen Entladevorganges als Messwertaufnehmer eine Spannungsteilerschaltung (40) zum Erfassen der Entladespannung (U) umfasst.
  15. Elektromagnetische Stoßwellenquelle (2) nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, bei der die Einrichtung (11) zum Erfassen und Auswerten des elektrischen Entladevorganges als Messwertaufnehmer eine Rogowskispule (12) zum Erfassen des Entladestromes (I) umfasst.
  16. Elektromagnetische Stoßwellenquelle (2) nach Anspruch 14 oder 15, bei der dem Messwertaufnehmer eine Signalverarbeitungseinheit (20;200) nachgeschaltet ist, an deren wenigstens einem Ausgang die wenigstens eine Kenngröße (K) als elektrisches Signal ausgegeben wird.
  17. Elektromagnetische Stoßwellenquelle (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei der die Einrichtung (11) zum Erfassen und Auswerten des elektrischen Entladevorganges einen Computer (16;22;202) zur Berechnung einer abgeleiteten Kenngröße (AK) umfasst.
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