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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur tastlosen Längenmessung einer in einem längs einer Achse verlaufenden Hohlraum, wie z. B. einem Rohr, welcher Hohlraum an einem seiner Enden geschlossen oder an beiden Enden offen ist, beinhalteten Flüssigkeits- oder Gassäule oder eines längs einer Achse verlaufenden Festkörpers, wie z. B. eines Stabes, mit akustischen Signalen, wobei Hohlraum und Festkörper entlang ihrer Länge ein-oder mehrfach, z. B. schraubenförmig, gebogen sein können und wobei an einem ersten Ende des Hohlraumes oder des Festkörpers eine im wesentlichen ebene Schallwelle mit bekannter Wellenlänge bzw.
Frequenz, vorzugsweise im hörbaren Frequenzbereich, angeregt wird, welche die Säule oder den Festkörper wenigstens einmal in ihrer bzw. seiner Längsrichtung durchläuft und an einem zweiten Ende des Hohlraumes oder des Festkörpers in die entgegengesetzte Richtung reflektiert wird, und aus Parametern der Wellen die Länge der Säule oder des Festkörpers bestimmt wird und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bekannte Verfahren dieser Art, wie sie bei Erschliessungen von Erdölfeldern, bei Brunnenbohrungen oder bei Füllstandsanzeigen Anwendung finden, benötigen zur Erzielung der erforderlichen Genauigkeit entweder sehr lange Messzeiten bei sehr aufwendiger Messwertverarbeitung oder komplizierte, teure Messapparaturen, wie etwa bei Echo-Laufzeitmessung.
Die in vielen Varianten üblichen Echolot senden Wellenpakete am ersten Ende des die Flüssigkeits- oder Gassäule beinhaltenden Hohlraumes bzw. des Festkörpers aus und empfangen diese entweder an dessen zweiten Ende oder die durch Reflexion an einer Unstetigkeit des Schallausbreitungswiderstandes des zweiten Endes ans erste Ende zurückgelangenden Wellenzüge jeweils nach einer Laufzeit 1. Aus dieser Laufzeit T und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle im Medium kann die Länge berechnet werden.
Die von den Echoloten gesendeten Wellenpakete weisen relativ grosse Leerzeiten zwischen den Impulsen auf sodass die gesendete Energie in den kurzen Impulsen konzentriert vorliegt und dadurch eine hohe Empfindlichkeit für kurzzeitige Störsignale in Kauf genommen werden muss. Weiters können Inhomogenitäten der Hohlraumwand, etwa Stossstellen, durch falsche Echos das Messergebnis relativ leicht verfälschen.
Aus der US-PS-3 431 551 ist eine Vorrichtung zur Tiefenmessung mittels Ultraschall bekanntgeworden, bei der über einen Transducer eine Ultraschallwelle in ein Medium eingekoppelt und aus diesem eine reflektierte Schallwelle wieder empfangen wird. Es kommt wegen der hohen Schallfrequenz und der vorherrschenden Freiraumverhältnisse zur Ausbildung eines Schallstrahles mit ausgeprägter Richtwirkung, sodass eine direkte geradlinige Ausbreitung des Schalls zur und von der reflektierenden Stelle unbedingt erforderlich ist. Die Längenmessung geschieht durch Ermittlung der Schwebungsfrequenz nach der Überlagerung des empfangenen und des ausgesandten Signals, weiches durch einen Schwingkreis erzeugt wird, der mit linear ansteigender Frequenz schwingt.
Diese Vorrichtung eignet sich jedoch nur zur Anwendung in freiraumähnlicher Umgebung und nicht zur Messung von schlanken, länglichen Hohlräumen. Weiters kann mit dieser Vorrichtung auch keine Abstandsbestimmung in einem längs einer Achse verlaufenden, gekrümmten Hohlraum ohne geradliniger Schallausbreitungsstrecke zwischen den Reflexionsflächen durchgeführt werden. Selbst bei geraden schlanken Rohren hat die Messung mit Ultraschall nur geringe Reichweite, weil vom Sender schräg zur Messrichtung emittierte Ultraschall bündel mehrfach polygonal reflektiert werden, mit dem Hauptstrahl interfeneren und somit diesen stören.
Die EP-A2-248 530 offenbart ein Verfahren zur Untersuchung eines Gegenstandes durch Bestimmung des gegenseitigen Abstandes zweier ausgewählter, reflektierender Flächen dieses Gegenstandes. Dazu wird die Frequenz einer ausgestrahlten Schallwelle zwischen einem Maximum und einem Minimum linear mit der Zeit geändert, wobei aufgrund des Laufzeitunterschiedes die empfangene Frequenz der reflektierten Schallwelle von der zum Empfänger näheren Fläche unterschiedlich zu der von der entfernteren Fläche 1St. Durch Mischen eines der reflektierten Wellen entsprechenden elektrischen Signals mit einem der ausgesandten Welle entsprechenden elektrischen Signals und nachfolgender Demodulation, wird die Differenzfrequenz und daraus der Abstand bestimmt.
Auch hier kommt es wegen der Freiraumverhältnisse und der vorzugsweisen Anwendung von Ultraschall zur Ausbildung eines Schallstrahles mit ausgeprägter Rlchtwlr- kung.
Dieses Verfahren ist für die Bestimmung von Abstandsdifferenzen zweier Flächen ausgelegt und eignet sich nur zum Einsatz in freiraumähnlicher Umgebung Es eignet sich nicht zur Abstandsbestimmung in einem längs einer Achse verlaufenden, gekrümmten Hohlraum ohne geradlinige Schallausbreitungsstrecke zwischen den Reflexionsflächen.
In der AT-PS-393 738 ist weiters ein Verfahren zur Messung der Länge von Säulen aus einem flüssigen, festen oder gasförmigen Medium beschneben, bei dem in der Mediumsäule eine stehende Welle mit bekannter Frequenz und Wellenlänge erzeugt wird und die Frequenz dieser Welle so lange geändert wird, bis wenigstens zwei aufeinanderfolgende Schwingungsbäuche, zwei aufeinanderfolgende Schwin-
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gungskosten oder ein auf ein Maximum folgendes Minimum erfasst werden. Daraus ist die Länge der Säule errechenbar. Wegen der Vermessung von stehenden Wellen ist nach jeder Veränderung der Frequenz der anregenden Schwingung die Ausbildung der stehenden Welle abzuwarten, wobei die Wartezeit mindestens der Laufzeit der ausgesandten Welle zum Ende der Säule und zurück entspricht. Dies hat eine relativ lange Messzeit zur Folge.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur tastlosen Längenmessung von Flüssigkeits- oder Gassäulen bzw. Festkörpern zu schaffen, weiches in kurzer Zeit genaue Daten liefert, dabei aber apparativ
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Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die im wesentlichen ebene Schallwelle mit kontinuierlich sich ändernder Frequenz ausgesendet wird, wobei die Frequenzänderung #t.##/2# in einem Zeitintervall At beträgt und das Zeitintervall kleiner als die Laufzeit T mon ist, welche die Welle zum Durchlaufen der minimal zu erwartenden, zweifachen Länge Imin des Hohlraumes, z.B. des Rohrs, oder des Festkörpers, z.
B. des Stabes, benötigt, sodass am ersten Ende eine amplitudenmodulierte Schwingung entsteht, welche sich aus einer entsprechend der Anregung kontinuierlich sich ändernden Trägerfrequenz und einer nur von der Laufzeit T abhängigen Modulationsfrequenz fm zusammensetzt, sodann diese Modulationsfrequenz fm ermittelt wird, und unter Verwendung der Beziehung
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die Länge der Säule oder des Festkörpers berechnet wird, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in der Flüssigkeits- oder Gassäule oder des Festkörpers bedeutet.
Bei einer derart sich in ihrer Frequenz ändernden Welle, deren Frequenz entweder kontinuierlich ansteigen oder abfallen kann, können keine stehenden Wellen entstehen, da die Änderung der Frequenz so gross gewählt ist, dass zum Zeitpunkt an dem die am zweiten Ende reflektierte Welle beim ersten Ende wieder eintrifft die Erregungsfrequenz sich bereits um einen Betrag Act geändert hat. Dabei ist unter dem Begriff kontinuierlich eine stetige, monoton verlaufende Funktion mit endlichen Sprüngen zu verstehen, sodass auch eine treppenartige Änderung wie sie sich etwa bei digitaler Realisierung durch die endliche Auflösung von selbst ergibt, darunterfällt. Es sind beliebige Funktionen für die Frequenzänderung mit der Zeit. wie etwa lineare, Potenz-, Exponential- oder logarithmische Funktionen als Ausführungsformen möglich.
Da die Modulationsfrequenz nur von der Laufzeit T abhängt, kann letztere durch Frequenzmessung einfach und genau ermittelt werden. Hierbei ist zu beachten, dass bei nichtlinearer Frequenzänderung sich auch fm entsprechend dieser nichtlinearen Form ändert : fm(t). Durch die dadurch erreichte kurze Messdauer ergeben sich besonders bei Ermittlung der Länge etwa von Flüssigkeits- oder Gassäulen Vorteile gegenüber anderen Längenmessverfahren, wenn deren Lage in einem grossen zu untersuchenden Feld von vorherein nicht bekannt ist, und viele Messungen nacheinander durchgeführt werden müssen. Von Vorteil Ist weiters, dass Reflexionen z. B. in einem Rohr nur durch Unstetigkeiten im akustischen Ausbreitungswiderstand der Flüssigkeits- oder Gassäule hervorgerufen werden.
Bei geschlossenem zweiten Ende des Rohres wird die Unstetigkeit durch den unterschiedlichen Ausbreitungswiderstand im Abschluss hervorgerufen, während bei offenem Ende die Unstetigkeit durch den ebenfalls unterschiedlichen Ausbreitungswiderstand für die Welle im Rohr gegen- über dem im freien Raum gebildet wird. Inhomogenitäten in der Rohrwandung stellen aber keine solchen Unstetigkeiten dar und können das Messergebnis daher nur unwesentlich beeinflussen. Die Hohlräume und Festkörper können in ihren Dimensionen beliebig sein, sodass neben runden auch n-eckige (n = 3, 4...) oder sonstige unregelmässige Querschnitte, die auch im Verlauf der Länge variieren, zur Anwendung kommen können. Auch Biegungen entlang der Länge der Hohlräume und Festkörper sind im Umfang der Erfindung enthalten.
So kann etwa die Länge der in einem Garten- oder Installationsschlauch beinhalteten Luftsäule und somit die Länge dieses Schlauches, welcher in der üblichen Art der Aufbewahrung mehrfach schraubenförmig bzw. spiralenförmig aufgewickelt ist, durch das erfindungsgemässe Verfahren gemessen werden, ohne dass dieser in eine gerade Form gebracht werden muss.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren mit den vorstehend genannten Vorteilen anzugeben, zu dessen Durchführung nur die reflektierte Welle und nicht die Ausbildung einer akustischen Überlagerung am ersten Ende eines Hohlraumes oder Festkörpers für die Messung herangezogen wird.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die im wesentlichen ebene Welle mit kontinuierlich sich ändernder Frequenz ausgesendet wird, wobei die Frequenzänderung At. Ac,)/27T In einem Zeitintervall At
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beträgt und das Zeitintervall kleiner als die Laufzeit T mm ist, welche die ebene Welle zum Durchlaufen der minimal zu erwartenden, zweifachen Länge Lm des Hohlraumes, z. B. des Rohrs, oder des Festkörpers, z.
B. des Stabes benötigt, dass die reflektierte Welle in ein elektrisches Reflexionssignal umgewandelt wird, dass das elektrische Reflexionssignal in einer Mischstufe mit einem der gesendeten, akustischen Welle entsprechenden elektrischen Sendesignal gemischt wird, sodass ein amplitudenmoduliertes, elektrisches Mischsignal gebildet wird, welches sich aus einer entsprechend der Anregung kontinuierlich sich ändernden Trägerfrequenz und einer nur von der Laufzeit Tabhängigen Modulationsfrequenz fm zusammensetzt, sodann diese Modulationsfrequenz fm ermittelt wird, und unter Verwendung der Beziehung
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die Länge der Säule oder des Festkörpers berechnet wird, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in der Flüssigkeits- oder Gassäule oder des Festkörpers bedeutet.
Die Bildung eines derartigen elektrischen, amplitudenmodulierten Mischsignals hat gegenüber einer rein akustischen Überlagerung den Vorteil eines weitaus verzerrungsärmeren und weniger durch Störungen beeinträchtigten Kurvenverlaufs.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren mit den vorstehend genannten Vorteilen anzugeben, zu dessen Durchführung die am ersten Ende angeregte Welle am zweiten Ende empfangen wird.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die im wesentlichen ebene Welle mit kontinuierlich sich ändernder Frequenz ausgesendet wird, wobei die Frequenzänderung At. A",/27T in einem Zeitintervall At beträgt und das Zeitintervall kleiner als die Laufzeit T mm ist, welche die ebene Welle zum Durchlaufen der minimal zu erwartenden Länge Im, n des Hohlraumes, z. B. des Rohrs, oder des Festkörpers, z.
B. des Stabes, benötigt, dass die am zweiten Ende empfangene Welle in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt wird, dass das elektrische Empfangssignal in einer Mischstufe mit einem der gesendeten, akustischen Welle entsprechenden elektrischen Sendesignal gemischt wird. sodass ein amplitudenmoduliertes, elektrisches Mischsignal gebildet wird, welches sich aus einer entsprechend der Anregung kontinuierlich sich ändernden Trägerfrequenz und einer nur von der Laufzeit T abhängigen tvtodutationsfrequenz fm zusammensetzt. sodann diese Modulationsfrequenz fm ermittelt wird, und unter Verwendung der Beziehung
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die Länge der Säule oder des Festkörpers berechnet wird, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in der Flüssigkeits- oder Gassäule oder des Festkörpers bedeutet.
Eine derartig gebildete Überlagerung findet mit nur einem Durchlaufen der Welle der Länge des Hohlraumes bzw. Festkörpers das Auslangen, wodurch sich Beeinträchtigungen der reflektierten Welle nicht mehr auswirken können und sich die Messempfindlichkeit entsprechend erhöht.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die im wesentlichen ebene Welle mit linear ansteigender Frequenz ausgesendet wird. Eine derart nach einer linearen Funktion mit konstanter Steigung mit der Zeit ansteigende Frequenz erweist sich Insofern als vorteilhaft, als dadurch eine zeitlich konstante Modulationsfrequenz fm erhalten wird, da sich nur bei AU = konst. sich fm = konst. ergibt. Dies Ist somit einer Frequenzmessung mit hoher Genauigkeit förderlich.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Erfindung besteht dann, dass die im wesentlichen ebene Welle mit linear abfallender Frequenz ausgesendet wird. Die Vorteile bei linear abfallender Frequenz sind die gleichen wie die bei linear ansteigender Frequenz.
Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die im wesentlichen ebene Welle mit treppenförmig ansteigender Frequenz ausgesendet wird. Eine derartige Treppenfunktion beinhaltet die Frequenzerhöhung nach der Aussendung der Welle in einem Sprung oder mehreren Sprüngen der Frequenz um Insgesamt ein Intervall A < /2'7r bis zur Wiederkehr der reflektierten Welle, um eine amplitudenmodulierte Schwingung entstehen zu lassen, wodurch eine digitalisierte Frequenzänderung mit entsprechender Auflösung eingesetzt werden kann.
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Schliesslich besteht eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, dass die im wesentlichen ebene Welle mit treppenförmig abfallender Frequenz ausgesendet wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Längenmessung nach den Ansprüchen 1, 4 bis 7 mit einem im Bereich des ersten Endes des Hohlraumes oder des Festkörpers angeordneten Schallerzeugers, wie z. B. einem Lautsprecher, und einem Schallwandler, wie z.
B. einem Mikrophon, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger über einen Verstärker mit einem in seiner Frequenz veränderbaren Frequenzgenerator verbunden ist, dass der Schallwandler im Bereich des ersten Endes an einem Ort der Überlagerung von gesendeter und reflektierter Welle angeordnet ist, dieses überlagerte, akustische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt und an seinem elektrischen Ausgang abgibt, dass der elektrische Ausgang des Schallwandlers über einen Glelchnchter mit dem Eingang einer Demodulationseinheit verbunden 1St, welche Demodulationseinheit an ihrem Ausgang ein Signal mit der Modulationsfrequenz fm abgibt.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Längenmessung nach den Ansprüchen 2,4 bis 7 mit einem Im Bereich des ersten Endes des Hohlraumes oder des Festkörpers angeordneten Schallerzeugers, wie z. B. einem Lautsprecher und einem Schallwandler, wie z.
B. einem Mikrophon, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger an seinem elektrischen Eingang über in Serie geschaltete Generatorverstärker mit dem Ausgang eines in seiner Frequenz veränderbaren Frequenzgenerators verbunden ist, dass der Schallwandler im Bereich des ersten Endes so angeordnet ist, dass dieser nur die reflektierte Welle über seinen akustischen Eingang empfängt, dieses reflektierte, akustische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt und an seinem elektrischen Ausgang abgibt, dass der elektrische Ausgang des Schallwandlers mit einem ersten Eingang eines Mischglieds und der Ausgang des Generatorverstärkers mit einem zweiten Eingang des Mischglieds verbunden ist, dass der Ausgang des Mischglieds über einen Gleichrichter mit dem Eingang einer Demodulationseinheit verbunden ist,
welche Demodula- tionseinheit an ihrem Ausgang ein Signal mit der Modulationsfrequenz fm abgibt.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Längenmessung nach den Ansprüchen 3 bis 7 mit einem im Bereich des ersten Endes des Hohlraumes oder des Festkörpers angeordneten Schallerzeugers, wie z. B. einem Lautsprecher, und einem im Bereich des zweiten Endes angeordneten Schallwandlers, wie z.
B. einem Mikrophon, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallerzeuger an seinem elektrischen Eingang über einen Generatorverstärker mit dem Ausgang eines in seiner Frequenz veränderbaren Frequenzgenerators verbunden ist, dass der elektrische Ausgang des Schallwandlers über einen Verstärker mit einem ersten Eingang eines additiven Mischglieds und der Ausgang des Generatorverstärkers mit einem zweiten Eingang des Mischglieds verbunden ist, dass der Ausgang des Mischglieds über einen Gleichrichter mit dem Eingang einer Demodulationseinheit verbunden ist, welche Demodulationseinheit an ihrem Ausgang ein Signal mit der Modulationsfrequenz fm abgibt.
Die Erfindung wird nun anhand der angeschlossenen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt dabei
Fig. 1 die schematische Wirkungsweise des erfindungsgemässen Verfahrens ;
Fig. 2a die Amplitude einer angeregten Welle in Abhängigkeit von der Zeit ; Fig. 2b die Amplitude einer reflektierten Welle in Abhängigkeit von der Zelt ;
Fig. 2c die Amplitude einer Überlagerung in Abhängigkeit von der Zelt ohne Hohlraumdämpfung ;
Fig. 2d die Amplitude einer Überlagerung In Abhängigkeit von der Zeit mit Hohlraumdämpfung ;
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens ;
Fig. 4 eine weitere, bevorzugte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ;
Fig. 5. eine weitere, bevorzugte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens und
Fig. 6 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Hohlraumes zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
In Fig. 1 Ist die Wirkungsweise des Verfahrens nach Anspruch 1 schematisch gezeigt. Die Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3 arbeiten Im übrigen nach dem gleichen Überlagerungsprinzip mit dem Unterschied, dass die Mischung nicht akustisch sondern elektrisch erfolgt und dass beim Verfahren nach Anspruch 3 die Welle am zweiten Ende des Hohlraumes bzw. Festkörpers empfangen wird. An einem ersten offenen Ende 20 eines Hohlraumes, hier beispielsweise eines Rohres 21, findet die Anregung der im wesentlichen ebenen Welle mit der Richtung 25 vorzugsweise im hörbaren Frequenzbereich statt. Durch das kontinuierliche Aussenden der Wellen wird im Unterschied zu den Wellenpaketen bei Echoloten ein besserer Signalstörabstand erreicht, da die Sendeenergie über die Zelt besser verteilt Ist und dadurch Störungen weniger Einfluss haben.
Da die Dämpfung d für die Wellen im Rohr In erster Näherung proportional zur Wurzel der Anregungsfrequenz ist, kann durch tiefere Frequenzen die Dämpfung nieder gehalten werden. Ebenso sind bei tiefen Frequenzen am leichteste annähernd ebene Wellen anregbar,
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welche für die gewünschte Überlagerung von gesendeten und reflektierten Wellen am besten geeignet sind. Demgegenüber sollte das Verhältnis von Anregungsfrequenz zu Modulationsfrequenz möglichst gross sein, da nur hohe Genauigkeit erreicht werden kann, wenn die Trägerfrequenz genügenden Abstand von der Frequenz der Einhüllende aufweist. Die Erfindung ist nicht nur auf Hohlräume wie Rohre beschränkt, sondern es können statt des Rohres andere, etwa von der Natur gebildete Hohlräume oder ein Festkörper, wie z.
B. ein Stab, als Ausbreitungsmedium für die Wellen ausgeführt sein. Das Rohr 21 ist in diesem Beispiel durch eine Flüssigkeitsoberfläche, hier ein Brunnenspiegel 24, welcher eine Unstetigkeit im Schallausbreitungswiderstand darstellt, an seinem zweiten Ende 23 abgeschlossen. Mit dem erfindungsge- mässen Verfahren wird die Länge I des Rohres 21, welches eine sich über dem Spiegel 24 befindliche Gassäule 22 umschliesst, zwischen dem ersten 20 und zweiten Ende 23 gemessen. Die Welle breitet sich in der Gassäule, in diesem Beispiel etwa Luft, in Richtung des zweiten Endes 23 mit ihrer MediumsSchallgeschwindigkeit aus und wird grösstenteils am zweiten Ende 23 reflektiert und gelangt mit der Richtung 25'nach Durchlaufen der Rohrlänge an das erste Ende 20.
Im Umfang der Erfindung ist aber
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der Länge des Hohlraumes die Länge eines Festkörpers, wie z. B. ein Stabes, zu vermessen ist. Der Frequenzbereich der Wellenaussendung wird dabei so gewählt, dass die Schalldämpfung im Rohr im wesentlichen keinen phasenverändernden, imaginären Anteil aufweist, sondern rein reell ist. Weitere Reflexionen können durch einen geeigneten Aufbau unterdrückt werden oder reduzieren sich allein durch die Dämpfung des Rohres auf eine unwesentliche Grösse.
Die reflektierten Wellen interferieren am ersten Ende mit den angeregten Wellen. Da die Anregung mit einer kontinuierlich sich ändernden Frequenz geschieht, ergibt sich bei Überlagerung von angeregter und reflektierter Welle eine Schwebung in der Form einer amplitudenmodulierten Schwingung.
Dies lässt sich zeigen, indem für die Anregungsfunktion einer Schallfeldgrösse p (t), wie etwa Schalldruck oder Schallschnelle, die sich in ihrer Frequenz mit der Zeit kontinuierlich ändernde Funktion f (t) angenommen wird, sodass p (t) = f (t) p (t) kann etwa wie In Fig. 2a in einem Zeitdiagramm dargestellt, verlaufen.
Bei Anregung zur Zeit t treffen reflektierte Wellen r (t), die zur Zeit (t-T) angeregt wurden und die Rohrlänge zweimal in der Laufzeit T durchlaufen haben, am ersten Ende ein. Diese welsen die Frequenz zur Zeit (t-T) auf und sind'bei realen Rohren mit dem Dämpfungsfaktor d gedämpft, wie aus Flg. 2b zu ersehen ist. Es ist daher r (t) =d. f (t-T)
Durch die Interferenz der angeregten und der reflektierten Wellen entsteht am Ort der Anregung, dem ersten Ende des Rohres, das Schwebungssignal s (t) = p (t) + r (t) s (t) = f (t) +d. f (t-T)
Für die Anregung wird beispielsweise eine einfache Zeitabhängigkeit mit ansteigender Kreisfrequenz verwendet f (t) : =sin (- !.
(t))
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(t) =Mo*t+1''2'A < j'tgewählt wird, wodurch sich eine lineare Abhängigkeit der Kreisfrequenz ergibt, da für die Kreisfrequenz im Zeitaugenblick t gilt d°(t)zdt (t)/dt Aw-t
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Genauso sind im Umfang der Erfindung auch linear fallende Funktionen oder andere kontinuierlich ansteigende und abfallende wie Potenz-, Exponential- oder logarithmische Funktionen inbegriffen. I Im folgenden wird mathematisch gezeigt, dass das am ersten Ende des Rohres durch Überlagerung entstehende Signal s (t) eine amplitudenmodulierte Schwingung mit entsprechend der Anregung kontinuierlich sich ändernder Trägerfrequenz, in diesem Beispiel linear ansteigend, Ist und dass die Modulation dieser Schwingung eine gleichbleibende Periodendauer bzw. Frequenz hat, welche nur von der Laufzeit T abhängt.
Dies gilt auch dann, wenn die Änderung der Augenblickskreisfrequenz Dw der Funktion f (t) nicht von vemachlässigbarer Grösse im Verhältnis zur Augenblickskreisfrequenz selbst ist.
Die Frequenz der Modulation ist also direkt eine Funktion der Laufzeit T, welche somit aus der Frequenz des demodulierten Messsignals bestimmt werden kann. Aus der so ermittelten Laufzeit T kann über die bekannte Beziehung
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die Länge errechnet werden. Beim Verfahren nach Anspruch 3 gilt entsprechend I = c*T. Durch die kontinuierlich sich ändernde Augenblicksfrequenz kann es zu keiner Ausbildung von stehenden Wellen kommen, da die Änderung At. AM/2 in einem Zeitintervall At erfolgt, das kleiner als die kleinste zu erwartende Laufzeit Tm. n der We ! ! en im Rohr ist und die reflektierten Wellen bei Rückkehr zum ersten Ende auf Wellen mit einer bereits veränderten Anregungsfrequenz treffen.
Die Überlagerung der Wellen im Rohr ist und die reflektierten Wellen bei Rückkehr zum ersten Ende auf Wellen mit einer bereits veränderten Anregungsfrequenz treffen. Die Überlagerung s (t)=f(t)+d*f(t-T)
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kann s (t) geschrieben werden als s (t) = sin a + d*sin(α+ss) s (t) = (1-d)*sinα+d*{sinα + sin (a+ss)}
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Da Sinus und Cosinus mit gleichen Argumenten vorliegen, kann das Additionstheorem für Zeiger Anwendung finden, wodurch sich
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(t) = A (t) 0 sin (af (t) = : arctan (- ( (1-d)/ (1 +d)) otan (ss/2)) schreiben lässt.
Daraus ersieht man für den idealen Fall ohne Dämpfung der Wellen im Rohr mit d = 1 : A (t) =2-cos (ss/2)-sin (a + ss/2) f (t) = 0 s (t) =2-cos (ss/2)-sin (a + ss/2) Die Überlagerung von anregender und reflektierter Welle ergibt somit eine amplitudenmodulierte Schwingung mit einer Modulationsperiode cos (ss) entsprechend der Einhüllenden, wie aus Fig. 2c zu ersehen ist.
Für den realen Fall mit einer Dämpfung d < 1 wiederum beeinflussen sowohl A (t) alsauch f (t) die Modulation, die Überlagerung s (t) ist damit ein amplituden- und phasenmoduliertes Signal. Jedoch ist nur die Amplitude A (t) ist in dieser Betrachtung für die Periode der Modulation verantwortlich, während der Phasenfaktor f (t) vernachässigbar ist, da er nur eine zusätzliche Phasenmodulation der Trägerschwingung und damit eine Frequenzänderung des Trägers zur Folge hat, welche die Einhüllende nicht stört.
Zur besseren Veranschaulichung kann A (t) in eine Potenzreihe entwickelt werden :
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oder auch in der Form
A (t) = (1 +d)*{a0+a1*cosss+a2*cos(2ss)+a3*cos(3ss)+...}
Aus dieser Darstellung und aus Fig. 2d ist erkennbar, dass die Periode von A (t) gleich der Periode von cosss ist. wobei die weiteren Harmonischen sehr schnell sehr klein werden.
Daraus ist zu ersehen, dass für beide Fälle d = 1 und d < 1 eine amplitudenmodulierte Schwingung vorhanden ist. die bei Amplitudendemodulation ein Signal mit Gleichanteil und einer Periode von der gleichen Dauer wie cosss bzw. sinss ergibt.
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für die Periodendauer.
Die Länge des Rohres berechnet sich somit aus
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Für das Verfahren nach Anspruch 3 gilt entsprechend
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Beste Messbedingungen herrschen für die Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 bei einmaliger Reflexion der angeregten Welle, sodass Massnahmen zur Verhinderung von mehrfachen Echos sich vorteilhaft auf die Messgenauigkeit auswirken. Jedoch hat es sich gezeigt, dass auch bei fehlender Unterdrückung der zweiten Reflexion noch immer ein brauchbares Signal erhalten werden kann.
Eine mögliche Ausführungform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist in Fig. 3 in der Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Ein in seiner Frequenz steuerbarer Frequenzgenerator 1 wird gemäss einer vorwählbaren Funktion angesteuert und liefert an seinem Ausgang beispielsweise ein Signal mit linear ansteigender Frequenz und konstanter Amplitude. Es können zur Verwirklichung der Anregung aber auch andere kontinuierlich sich ändernde Funktionen zur Ansteuerung herangezogen werden, wobei jeweils die Frequenz entweder abnehmen oder zunehmen kann.
Der Verstärker 2 liegt mit seinem Eingang am Ausgang des Frequenzgenerators 1 und verstärkt dessen Ausgangssignal um damit einen Schallerzeuger, beispielsweise einen Lautsprecher 3 anzusteuern, welcher Lautsprecher das elektrische Signal in eine akustische Schallfeldgrösse, wie Druck oder Schnelle umwandelt und damit eine akustische Welle am ersten Ende 49 eines Hohlraumes, beispielsweise eines Rohres, 50, der eine Gasoder Flüssigkeitssäule beinhaltet, oder eines Festkörpers, beispielsweise eines Stabes, aussendet. Die ausgesendete Welle soll im wesentlichen eben sein, damit die gewünschte Überlagerung mit einer reflektierten Welle stattfinden kann. Die Anregung kann je nach Medium longitudinal oder transversal erfolgen, wobei in Gasen nur longitudinal möglich ist.
Die angeregte Welle durchläuft die Flüssigkeits- oder Gassäule innerhalb des Rohres 50 bzw. den Festkörper und wird an seinem zweiten Ende 51 reflektiert und kehrt wieder an das erste Ende 49 zurück, wo eine Überlagerung der mit der in der Zwischenzeit um ein Frequenzintervall AU/2. ff veränderten Anregungsfrequenz der Welle zustande kommt. Das Rohr 50 kann an seinem zweiten Ende 51 offen oder geschlossen sein, in belden Fällen wird eine Unstetigkeit des Schallausbreitungswiderstandes verursacht, die eine Reflexion der Wellen bewirkt.
Das überlagerte akustische Signal wird von einem Schallwandler, etwa einem Mikrophon, 4 in ein elektrisches Signal umgewandelt, in einem Verstärker 5 verstärkt und danach in einem Gleichrichter 6 gleichgerichtet, wonach eine Demodulationseinheit 7 das Modulationssignal von der Trägerfrequenz befreit. Die Frequenz des Modulationssignals wird gemessen und aus ihr die Rohrlänge berechnet.
In Fig. 4 ist eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 dargestellt, wobei wiederum über einen Schallerzeuger, etwa einen Lautsprecher, 14, der über zwei nacheinandergeschaltete Generatorverstärker 12,13 mit dem Ausgang eines in seiner Frequenz steuerbaren Frequenzgenerators 11 verbunden ist, am ersten Ende 99 eines Rohres 100 eine im wesentlichen ebene Welle angeregt wird, die an seinem zweiten Ende 101, weiches offen oder geschlossen sein kann, reflektiert wird, und an das erste Ende 99 zurückkehrt. Dabei ändert sich die Anregungsfrequenz kontinuierlich.
In dieser Vorrichtung wird durch konstruktive Massnahmen jedoch nur das reflektierte Signal von einem Schallwandler, etwa einem Mikrophon, 15 empfangen und in ein elektnsches Signal umgewan- delt, welches nach Verstärkung im Verstärker 16 einem ersten Eingang eines additiven Mischglieds 17 zugeführt wird. Einem zweiten Eingang dieses additiven Mischglieds 17 wird das gerade über den Generatorverstärker 12 zwischenverstärkte Ausgangssignal des Frequenzgenerators 11 zugeführt und Im Mlschghed 17 beide Eingangssignale überlagert. Dadurch entsteht entsprechend der sonst akustisch erfolgten Überlagerung eine elektnsche, die unter anderem den Vorteil einer störungsfreieren Signalerzeugung hat.
Das Ausgangssignal des Mischglieds 17 stellt somit wieder eine amplitudenmoduherte Schwingung mit sich kontinuierlich verändernder Trägerfrequenz dar, die in einem Gleichrichter 18 gleichgerichtet und In einer Demodulationseinheit 19 demoduliert wird. Das Modulationssignal wird einer weiteren Frequenzmessung zugeführt und aus der Modulationsfrequenz die Rohrlänge 1 berechnet.
In Fig. 5 ist eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 wiedergegeben, in der über einen Schallerzeuger, etwa einen Lautsprecher, 33, der über einen Generatorverstärker 32 mit dem Ausgang eines in seiner Frequenz steuerbaren Frequenzgenerators 31 verbunden ist, am ersten Ende 149 eines Rohres 150 eine im wesentlichen ebene Welle angeregt und an seinem zweiten Ende 151, weiches ebenso wie das erste, offen 1St, von einem Schallwandler, etwa einem
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Mikrophon, 34 empfangen wird. Innerhalb der Laufzeit, die zum einfachen Durchlaufen der Rohrlänge nötig ist, ändert sich die Anregungsfrequenz kontinuierlich.
Die vom Schallwandler 34 empfangene Welle wird von diesem in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches nach Verstärkung im Verstärker 35 einem ersten Eingang eines additiven Mischglieds 37 zugeführt wird. Einem zweiten Eingang dieses additiven Mischglieds 37 wird das gerade über den Generatorverstärker 32 zwischenverstärkte Ausgangssignal des Frequenzgenerators 31 zugeführt und im Mischglied 37 beide Eingangssignale überlagert. Dadurch entsteht eine elektnsche Überlagerung von angeregtem und empfangenem Signal, die ebenso eine amplitudenmodulierte Schwingung mit einer nur von der Laufzeit abhängigen Modulationsfrequenz darstellt, wobei in diesem Fall unter Laufzeit die Zeit, in der die Welle von ersten zum zweiten Ende gelangt, zu verstehen ist.
Zur Messung der Modulationsfrequenz wird das Mischsignal über einen Gleichrichter 38 gleichgerichtet und in einer Demodulationseinheit 39 demoduliert. Das Modulationssignal wird einer weiteren Frequenzmessung zugeführt und aus der Modulationsfrequenz die Rohrlänge I berechnet. Die Vorteile dieser Ausführungsform liegen in der geringeren Störanfälligkeit, da die Länge des Rohres nur einmal durchlaufen werden muss.