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Technisches Gebiet:
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Die
Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit einstellbarem Erfassungsbereich,
nämlich
mit einstellbarer Schaltpunktkurve, mit einem Ultraschallwandler
zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Ultraschallwellen in gasförmigen Medien,
vorzugsweise Luft, wobei die Schallkeule der Ultraschallwellen eine
Ausdehnung in Richtung der Hauptachse der Hauptabstrahlrichtung
axial und in senkrechter Richtung zur genannten Hauptachse lateral
hat, mit einem Schwellwertgenerator zur Erzeugung wenigstens einer
Schwellwertkurve und mit wenigstens einem Komparator, der einen
ersten Schwellenwerteingang, an den die Schwellenspannung des Schwellwertgenerators
angelegt ist, und wenigstens einen Signaleingang, an welchen das Sende-Empfangs-Signal
des Ultraschallwandlers angelegt ist, aufweist und bei Vorliegen
eines Sende-Empfangs-Signals am Komparator, welches größer ist
als die Schwellenspannung, der Komparator ein Schaltsignal abgibt,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik:
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Derartige
Ultraschallsensoren werden häufig im
industriellen Umfeld zur Detektion verschiedenster Objekte in unterschiedlichsten
Umgebungen eingesetzt. Je nach Applikation werden deshalb an den Erfassungsbereich
der Ultraschallsensoren unterschiedliche Anforderungen gestellt.
Unter Erfassungsbereich eines Ultraschallsensors versteht man ein
Raumvolumen, innerhalb dem der Ultraschallsensor ein Objekt klar
erfassen kann. Dieses Volumen ist häufig rotationssymmetrisch und
hat eine gewisse Ausdehnung, nämlich
in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Hauptachse der Hauptabstrahlrichtung gesehen,
und in lateraler Richtung, d.h. in senkrechter Richtung zur genannten
Hauptachse gesehen.
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Der
Erfassungsbereich wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, welche,
ohne Vollständigkeit,
nachfolgend aufgelistet sind:
- – Räumliche
Schallfeldverteilung des Ultraschallwandlers. Maßgeblich ist hier die Schallfeldverteilung
im Echobetrieb, d.h. die Überlagerung
von Sendecharakteristik und Empfangscharakteristik. Die räumliche
Schallfeldverteilung hängt
von der Sendefrequenz, von dem Durchmesser des Ultraschallwandlers
und von der Amplitudenverteilung an dessen aktiver Oberfläche ab.
- – Größe der Sendespannung
- – Dauer
des Sendeimpulses
- – Zeitabhängige Verstärkung des
Empfangsverstärkers
- – Zeitabhängige Höhe der Auswerteschwelle
- – Reflexionsfaktor
des Objektes
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Für eine Applikation,
bei der ein Objekt in einem möglichst
großen
Raumwinkel erkannt werden soll, benötigt man z.B. einen Ultraschallsensor
mit einem Erfassungsbereich möglichst
hoher lateraler Ausdehnung. Für
eine Applikation, bei der beispielsweise ein Objekt durch ein Loch
in einem Blech erkannt werden soll, benötigt man einen Ultraschallsensor
mit einem Erfassungsbereich mit möglichst geringer lateraler
Ausdehnung. Für
Applikationen, bei denen störende
Echos aus dem Hintergrund ausgeblendet werden sollen ist eine Anpassung
der axialen Ausdehnung des Erfassungsbereiches an die Applikation
sinnvoll.
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Eine
Möglichkeit
wäre die
Verwendung unterschiedlicher Ultraschallsensoren mit jeweils angepasstem
Erfassungsbereich. Jedoch ist die Notwendigkeit der Verwendung unterschiedlicher
Ultraschallsensoren ist unvorteilhaft und unflexibel.
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Durch
die
DE 44 23 639 C2 ist
als weitere Möglichkeit
ein Ultraschallwandler zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Ultraschallwellen
in gasförmigen
Medien vorgeschlagen worden, bestehend aus einer scheibenförmigen piezoelektrisch
anregbaren, in Dickenrichtung polarisierten Keramik, die auf beiden
Hauptoberflächen
je eine Elektrodenfläche aufweist
und die auf einer der Hauptoberflächen, deren Normale in die
Hauptabstrahlrichtung weist, zur akustischen Impedanzanpassung zwischen
der Piezokeramik und dem umgebenden gasförmigen Medium einen zylindrischen λ/4-Anpassungskörper aufweist.
Zur Erzielung einer umschaltbaren Abstrahlcharakteristik besteht
der Anpassungskörper aus
einem zylinderförmigen
inneren Teil und einem ringförmigen,
niedrigeren äußeren Teil,
wobei der Wandler so anregbar ist, dass entweder der Zylinder oder
der Ring in Resonanz schwingt, die Höhe des inneren Zylinders einem
Viertel der Wellenlänge
im Anpassungskörper
entspricht und auf die Grundschwingung der Keramik abgestimmt ist,
die Dicke des Ringes ebenfalls einem Viertel der Wellenlänge des
Anpassungskörpers
entspricht und auf die erste radiale Oberschwingung der Keramik
abgestimmt ist, wobei die Ringdicke wegen der höheren Frequenz der ersten Oberschwingung
der Keramik entsprechend geringer als die des Zylinders ist. Dabei
sind die Elektrodenflächen
der Keramikscheibe in einen scheibenförmigen inneren Teil und einen
ringförmigen äußeren Teil
unterteilt, wobei der Radius der Trennlinie mit der Knotenlinie
der ersten radialen Oberschwingung der Keramik zusammenfällt, und auf
der Elektrodenfläche,
die dem Anpassungskörper zugewandt
ist, zur Kontaktierung der dem Anpassungskörper zugewandten Seite der
Keramikscheibe die Ringfläche
mit einer stegförmigen
Aussparung versehen ist, durch die das elektrische Potential der scheibenförmigen inneren
Elektrode an die Außenseite
der Keramikscheibe geführt
ist. Dieser Ultraschallwandler besitzt jedoch den Nachteil, dass
er zwei Keulen aufweist, welche nicht einstellbar sind, sondern
bei gegebenen Abmessungen festliegen; er kann somit nicht feinfühlig genug
eingestellt werden.
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Des
Weiteren ist durch die
US 5 212
671 ein Ultraschallwandler zum Abstrahlen und/oder Empfangen
von Ultraschallwellen für
eine Schalleinkopplung in Flüssigkeiten,
wie menschliches Gewebe, bekannt geworden, der aus einer rückwärtigen Schicht, einer
Reflexionsschicht, einer piezokeramischen Schicht mit beidseitig
aufgebrachten Elektroden sowie einer Anpassungsschicht besteht,
die eine homogene Scheibe des Durchmessers der Keramikscheibe ist.
Auf deren Rückseite
ist die Reflexionsschicht angeordnet, auf der eine dickere rückseitige
Materialschicht sich befindet, die eine zentrische, zylinderförmige Erhöhung besitzt,
mit der die Materialschicht in ein Ringloch des ringförmigen Reflektors
eingreift. Das Zentrum und dessen Nachbarschaft der Piezokeramik
schwingen in λ/2-Resonanz,
während
die ringförmig
umgebende Schicht mit λ/4-Resonanz schwingt,
womit der Wandler prinzipiell in zwei Resonanzfrequenzen zu schwingen
imstande ist. In beiden Fällen
führt die
Keramik Dickenschwingungen aus. Damit schwingt der innere Teil der
Keramikscheibe mit der doppelten Frequenz des äußeren Teils in Resonanz mit
einem Verhältnis
von 1: 2. Auch dieser Ultraschallwandler ist im Betrieb nicht einstellbar.
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Des
Weiteren ist durch die WO 02/48737 eine adaptive Komparatorschaltung,
für einen
akustischen Entfernungssensor bekannt geworden, mit einem ersten
Komparator, der einen ersten Schwellenwerteingang, an dem eine erste
Schwellenspannung angelegt ist, und einen ersten Signaleingang,
an dem ein Spannungssignal angelegt ist, aufweist und bei Vorliegen
eines Spannungssignals, das größer ist
als die erste Schwellenspannung, ein erstes Schaltsignal abgibt.
Die Komparatorschaltung weist einen Mikrokontroller als Signalgeber,
der zeitweise ein Steuersignal abgibt, sowie einen ersten Schalter
auf, der eine Steuereinrichtung, einen Schaltereingang sowie einen
Schalterausgang besitzt und durch Einwirkung des Steuersignals auf
die Steuereinrichtung so steuerbar oder aktivierbar ist, dass er
sich in geschlossenem Zustand befindet, wenn der Signalgeber ein Steuersignal
abgibt, und sich andernfalls in geöffnetem Zustand befindet, oder
umgekehrt. Der Schaltereingang ist mit dem positiven ersten Pol
einer ersten Gleichspannungsquelle und der Schalterausgang mit dem
ersten Schwellenwerteingang verbunden, so dass die erste Schwellenspannung
gleich der am Schalterausgang anliegenden Spannung ist. Ein Kondensator
ist über
den Schalterausgang mit dem negativen zweiten Pol der ersten Gleichspannungsquelle
verbunden. Der Schalterausgang ist mit dem ersten Signaleingang über eine
Diode so verbunden, dass deren Anode auf den Schalterausgang gelegt ist.
Der Zweck ist, auf diese Weise eine Schwellwertnachführung zu
erzeugen, um den Nahbereich des Sensors zu verkürzen.
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Durch
die US-A-5 319 611 ist ein Ultraschallsensor mit einstellbarem Erfassungsbereich,
insbesondere für
Fahrzeuge, bekannt geworden, mit einem Ultraschallwandler zum Abstrahlen
und/oder Empfangen von Ultraschallwellen in Luft, wobei die Schallkeule
der Ultraschallwellen eine Ausdehnung in Richtung der Hauptachse
der Hauptabstrahlrichtung axial und in senkrechter Richtung zur
genannten Hauptachse lateral hat, mit einem Schwellwertgenerator
zur Erzeugung von Schwellwertkurven und mit einem Komparator zum
Vergleich von Schwellenspannungen zum Auslösen eines Schaltsignals. Der Ultraschallsensor
kann zwei unterschiedliche Schwellwertkurven sowohl in lateraler
als auch in axialer Richtung erzeugen und unterschiedlich diskriminieren,
so dass sein Erfassungsbereich der Anwendung in einem gewissen Umfang
angepasst werden kann.
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Durch
die
DE 39 37 585 A1 ist
eine Einrichtung zur Abstandsmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
bekannt geworden, mit mindestens einem elektroakustischen Wandler
zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen, einem Generator
zur Aktivierung des Wandlers und einer Signalempfangsstufe für die vom
Wandler erfassten Echosignale, zu der ein Verstärker mit einem nachgeschalteten
Komparator gehört,
der das Ausgangssignal des Verstärkers
mit einem bestimmten Schwellwert vergleicht, der mit Beginn der
Aktivierung des Wandlers auf einen ersten Wert eingestellt ist.
Der Schwellwert für
den Komparator ist durch eine Schaltstufe von dem ersten auf einen
zweiten Wert umstellbar, wobei der erste Wert oberhalb des höchsten,
aufgrund eines Echosignals messbaren Wertes und der zweite Wert
in einem Bereich der Werte liegt, die aufgrund der Echosignale messbar
sind. In einer Zeiterfassungsstufe wird eine Messzeitspanne von Beginn
der Aktivierung des Wandlers bis zum Umschalten des Komparators
erfasst, wenn das aufgrund des Ausschwingens des Wandlers abklingende
Meßsignal
den ersten Schwellwert unterschreitet, wobei in einer Rechnerstufe
aus dieser Meßzeitspanne
ein späterer
Umschaltzeitpunkt errechnet wird, an dem die Schaltstufe den Schwellwert
für den
Komparator auf den zweiten, niedrigeren Wert umstellt.
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Durch
die
DE 36 07 335 A1 ist
eine willkürliche
Ausformung des Überwachungsbereiches
von Ultraschall-Mess- und Regelapparaten durch angepasste Steuerung
des Empfindlichkeitsverlaufes des Ultraschallempfängers bekannt
geworden, wobei zum Zwecke der berührungslosen Abstandsmessung
nach dem Ultraschall-Echo-Laufzeitprinzip die Verstärkungsleistung
des Empfängers
in Abhängigkeit
der Laufzeit nach einer frei definierten Funktion gesteuert wird.
Dabei kann die Steuerkurve digital mit einem zeitgesteuerten Funktionsgenerator
erzeugt werden. Ebenso kann die Steuerkurve in einem Mikrocomputer
eingespeichert werden, welcher die Kurve digital erzeugt.
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Technische Aufgabe:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor zu
schaffen, dessen Erfassungsbereich über eine Schnittstelle der
Applikation vor Ort angepasst werden kann und umschaltbar sein soll,
wobei die abgestrahlte Schallkeule als ganzes umschaltbar sein soll
und die Winkelcharakteristika bei unterschiedlichem Erfassungsbereich
sich deutlich unterscheiden sollen.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht bei einem Ultraschallwandler der eingangs genannten
Gattung in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Der
Begriff "Schaltpunktkurve" wird dabei wie folgt
definiert: Der maximale laterale Abstand zur Ultraschallsensorachse,
unter dem ein Objekt von einem Ultraschallsensor detektiert werden
kann, hängt vom
Abstand des Objektes zum Ultraschallsensor ab. Weitere Einflussfaktoren
sind die Ausrichtung, die Größe und Form
des Objektes und dessen Absorptionseigenschaften. Trägt man z.B.
für ein
100 × 100mm
Target die maximalen lateralen Abstände in Abhängigkeit der Entfernung in
einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Polarkoordinatensystem
auf, erhält
man die Schaltpunktkurve zu diesem Objekt und dem jeweiligen Ultraschallsensor.
Es wird davon ausgegangen, dass das Objekt immer optimal ausgerichtet
ist. Die Schaltpunktkurve definiert also denjenigen Bereich, innerhalb
dessen ein Ultraschallsensor ein bestimmtes Objekt noch detektieren kann.
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Der
Ultraschallsensor besitzt den Vorteil, dass derselbe über eine
Schnittstelle elektronisch der Applikation angepasst werden kann
und somit seine Schallkeule als Ganzes softwaremäßig umschaltbar ist, wobei
die Winkelcharakteristika bei unterschiedlichen Erfassungsbereichen
sich deutlich unterscheiden. Eine konstante Schwellwertkurve ergibt
eine konstante Empfindlichkeit über
den gesamten Messabstand. In vorteilhafter Weise ergeben sich mit
unterschiedlich hohen, konstanten Schwellwerten Winkelcharakteristika
bzw. Schaltpunktkurven, die sich sowohl in lateraler, als auch in
axialer Ausdehnung unterscheiden.
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Es
kann somit nur die laterale Beeinflussung des Erfassungsbereiches
der Schallkeule durch eine zeitabhängige Schwelle erfolgen, wobei
die gleichzeitige axiale und laterale Beeinflussung des Erfassungsbereiches
durch eine zeitunabhängige
Schwelle erfolgt, welche jeweils bezüglich des Spannungswertes einstellbar
ist; jeweils die aus dem Ultraschallsensorsignal erzeugte Hüllkurve
wird mit der Schwellenspannung mit Hilfe des Komparators verglichen, welcher
dann schaltet, wenn die Hüllkurve
die Schwellenspannung betragsmäßig überschreitet.
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Schnittstellen
können
zum Beispiel Lerneingänge,
Taster, Potentiometer, Infrarot-Schnittstellen, Funkschnittstellen
oder Ähnliches
sein.
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Die
Zeitabhängigkeit
der Schwelle ist somit bei der nur lateralen Beeinflussung ganz
oder abschnittsweise durch eine zeitabhängige Funktion definiert. Unter "abschnittsweise" ist eine hauptsächlich monoton
bzw. konstant fallende Zeitabhängigkeit
der Schwelle in Abschnitten zu verstehen. Diese zeitabhängige Funktion
kann entweder exponentiell oder linear abfallend oder eine Kombination
aus beidem sein. Auch kann die zeitabhängige Funktion abschnittsweise
abfallend oder steigend oder abwechselnd abschnittsweise fallend
und steigend sein; ebenso kann die zeitabhängige Funktion eine positive
oder negative Treppenfunktion sein. Abschnittweise steigende und
wieder fallende Kurvenäste
der zeitabhängige
Funktion dienen dem Zwecke der Störzielausblendung, um zum Beispiel
ein in die Schallkeule vorstehend hineinragendes Maschinenteil,
welches ein Störziel
darstellt, im Echosignal auszublenden.
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In
weiterer Ausgestaltung des Ultraschallsensors ist die Schwellenspannung
des Schwellwertgenerators durch einen DA-Wandler oder ein elektronisches
Potentiometer oder schaltbare Widerstandsarrays oder eine gefilterte
Puls-Weiten- Modulationsquelle
oder mittels eines Kondensators mit Stromquelle zur Bildung einer
RC-Zeitkonstanten einstellbar.
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In
weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung
ist die Schwellenspannung des Schwellwertgenerators durch den Bediener über eine
Schnittstelle oder ein Bedienelement, beispielsweise Lerneingänge, Taster,
serielle Schnittstelle, Infrarot-Schnittstelle, Funkschnittstelle
oder Ähnliches,
einstellbar. Dazu können
die Parameter zur Beeinflussung des Schwellwertes über wenigstens
eine Schnittstelle einem Mikrocontroller zugeführt werden, welcher aus denselben
Steuersignale generiert, welche dem Schwellwertgenerator für die Einstellung
der Schallkeule bzw. des Erfassungsbereiches aufgegeben werden.
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Ebenfalls
möglich
ist eine selbsttätige
Beeinflussung des Schwellwertes in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen
wie Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit durch Steuersignale
an den Schwellwertgenerator, die der Mikroprozessor aus den Messwerten
entsprechender Sensoren aufbereitet. Die Ermittlung der Umgebungsbedingungen
erfolgt mittels entsprechender Sensoren für Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit
oder Ähnliches,
deren Messwerte dem Schwellwertgenerator zur entsprechenden Einstellung
der Schwellenspannung aufgegeben werden.
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Die
Parameter zur Veränderung
der Schallkeule als Ganzes werden somit vom Mikroprozessor in Steuersignale
gewandelt und diese Steuersignale dem Schwellwertgenerator zur entsprechenden
Einstellung der Schwellenspannung aufgegeben, so dass über einfache Änderungen
der Schwellenspannung des Schwellwertgenerators, entweder durch eine
Bedienungsperson manuell oder automatisch in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen, Änderungen
der Schallkeule des Ultraschallsensors gemäß den Gegebenheiten vor Ort
bewirkt werden können.
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In
weiterer Ausgestaltung des Ultraschallsensors steht das Sende-Empfangs-Signal nach einem
Spannungsfolger niederohmig zur Verfügung und ist sowohl auf den
Schwellwertgenerator als auch auf den Komparator gelegt, wobei über einen Transistor
ein Kondensator aufgeladen wird, dessen Aufladung auf eine höhere Spannung
als die maximale Spannung des Sende-Empfangs-Signals erfolgt, wobei
zur Schwellennachführung
ein Transistor dient, an dessen Basis das Sende-Empfangs-Signal anliegt,
so dass sich die Schwellenspannung an dem Kondensator während der
Ausschwingphase des Ultraschallwandlers über einen Widerstand in der
Emitter-Kollektorstrecke des Transistors entlädt, wonach die Schwellenspannung
und die Sende-Empfangs-Spannung mit dem Komparator miteinander verglichen
werden. Die Abschaltung der Schwellennachführung kann über einen Transistor und ein
elektronisches Potentiometer erfolgen, mit welchem die Spannung
eingestellt wird, bei der die Schwellennachführung abgeschaltet wird.
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Kurzbezeichnung
der Zeichnung, in der zeigen:
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1 die
Signale des Ultraschallsensors gemäß der Erfindung, nämlich die
Signalspannung aufgetragen über
der Zeit,
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2 Schaltpunktkurven
für den
Fall der Reduktion der Schaltpunktkurve, wobei gleichzeitig eine axiale
und eine laterale Reduktion der Ausdehnung des Erfassungsbereiches
erfolgt,
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3 Schaltpunktkurven
für den
Fall nur der Verschmälerung
der Schaltpunktkurve,
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4 ein
Blockschaltbild zur Verwirklichung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors
und
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5 ein
Schaltbild zur beispielsweisen technischen Verwirklichung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors.
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In 1 sind
die Signale des Ultraschallsensors gemäß der Erfindung dargestellt.
Die untere Kurve entspricht der Hüllkurve der Sende-Empfangs-Spannung
des Ultraschallsensors. Da die Sendestufe und der Empfängereingang
miteinander verbunden sind ist der Sendeimpuls am Verstärkerausgang
sichtbar. Nach dem Sendeimpuls ist zur Veranschaulichung ein Echo
eingezeichnet. Die oberen Kurven bzw. Kurvenscharen sind die vorgebbaren Schwellwertkurven.
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Beide
Signale, Sende-Empfangs-Spannung und Schwellwertkurven, sind mit
den Eingängen
eines Komparators, 4, verbunden. Es wird somit nur
dann ein Signal für
die Laufzeitmessung ausgelöst,
wenn die Schwellwertkurve überschritten
ist. Die Beeinflussung des Erfassungsbereiches bzw. der Schaltpunktkurve
des Ultraschallsensors erfolgt erfindungsgemäß über eine Beeinflussung der Schwellwertkurven.
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Mit
der Erfindung kann der Erfassungsbereich des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors
auf zwei unterschiedliche Arten modifiziert werden. Die erste Art
der Beeinflussung des Erfassungsbereichs reduziert die axiale und
die laterale Ausdehnung des Erfassungsbereiches, wie es in 2 gezeigt
ist. Diese Art der Beeinflussung wird nachfolgend Schaltpunktkurven-Reduktion
genannt. Die zweite Art der Beeinflussung reduziert nur die laterale
Ausdehnung des Erfassungsbereiches, wie es in 3 dargestellt ist.
Diese Art der Beeinflussung wird nachfolgend Schaltpunktkurven-Verschmälerung genannt.
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Die
Schwellwertkurven beider Modifikationsmöglichkeiten unterscheiden sich
nur im Bereich nach dem Sendeimpuls bzw. nach dem Abklingen des
Sendeimpulses unter einen bestimmten Wert. Die Schwellwertgenerierung
im Bereich des Sendeimpulses ist in der WO-02/48737-A1, beinhaltend
eine Nahbereichsverkürzung
durch adaptive Schwellenführung
bei Ultraschallsensoren, ausführlich
beschrieben, auf die verwiesen wird.
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Der
Sendeimpuls ist am Ausgang des, vorzugsweise logarithmischen, Verstärkers sichtbar.
Die Begrenzerschaltung reduziert die Sendespannung von einigen 100V
auf ±0,7V.
Diese Spannung wird vom logarithmischen Verstärker verstärkt und an seinem Ausgang ausgegeben.
Die ansteigende Flanke des Sendeimpulses am Ausgang des Verstärkers ist relativ
steil. Die Flankensteilheit ist durch den Ansteuerimpuls des Wandlers
und das Einschwingverhalten des Verstärkers und der Hüllkurvenschaltung
vorgegeben. Die abfallende Flanke ist dagegen sehr viel flacher,
da der Ultraschallwandler nach der Anregung exponentiell ausschwingt.
Am Ausgang des logarithmischen Verstärkers ist dieses Ausschwingen
durch einen nahezu linearen Abfall der Spannung sichtbar. Zur Erzeugung
der Schwellwertkurve wird kurz vor dem Sendeimpuls ein Kondensator
auf eine Spannung, die größer als
die Amplitude des Sendeimpulses ist, aufgeladen. Nach der Aufladung
des Kondensators wird der Kondensator von der Spannungsquelle getrennt.
Gegen Ende der Anregungsphase des Ultraschallwandlers wird der Kondensator,
zum Beispiel über
eine Diode, mit der Signalspannung verbunden. Dadurch wird die Schwellenspannung parallel
zur Signalspannung reduziert. Die Schwellenspannung bleibt jedoch,
so lange das Signal während
der Ausschwingphase stetig abfällt,
stets 0,7V über
der Signalspannung. Wenn die Schwellenspannung eine einstellbare
Spannung erreicht, wird die Schwellennachführung deaktiviert. Ab diesem
Punkt bleibt die Schwellenspannung entweder konstant – das ist
der Fall der Schaltpunktkurven-Reduktion – oder die
Schwellenspannung nimmt exponentiell ab – das ist der Fall der Schaltpunktkurven-Verschmälerung.
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Im
Fall der Schaltpunktkurven-Reduktion ist die Schwellwertkurve nach
diesem Umschaltpunkt konstant. Da die Spannung, ab der die Schwellennachführung abgeschaltet
ist, einstellbar ist, können verschieden
hohe konstante Schwellwertkurven eingestellt werden. Eine konstante
Schwellwertkurve ergibt eine konstante Empfindlichkeit über den
gesamten Messabstand. Mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten ergeben
sich Schaltpunktkurven, die sich sowohl in lateraler als auch in
axialer Ausdehnung gemäß der 2 unterscheiden.
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Im
Fall der Schaltpunktkurven-Verschmälerung nimmt die Schwellwertkurve
nach dem Ausschalten der Schwellennachführung exponentiell ab. Dieser
Abfall ist so gewählt,
dass die Abnahme der Schwellenspannung dem Abfall der Echoamplitude aufgrund
der laufzeitabhängigen
Signaldämpfung möglichst
gut entspricht. Auf diese Art und Weise ist die Empfindlichkeit
bei kleineren Abständen
geringer als bei hohen Abständen.
Dies führt
zu einer Verschmälerung
der Schaltpunktkurven bei kleineren Abständen. Bei großen Abständen hingegen
ist das System immer maximal empfindlich. Deshalb wird bei jeder
Einstellung immer die maximale Reichweite erreicht. Es ergeben sich
Schaltpunktkurven gemäß der 3.
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In
erfindungsgemäßer Funktionsweise
des Ultraschallsensors gemäß der 4 gibt
ein Mikrokontroller einen Taktimpuls aus, mit dem ein Oszillator
aktiviert wird. Dieser generiert einen Burst der Dauer des Taktimpulses,
wobei die Kurvenform des Taktimpulses rechteckförmig ist und die Frequenz der
Rechteckschwingung der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers
entspricht. Mit dieser Spannung wird über eine Treiberstufe ein Übertrager
auf seiner Primärseite
angesteuert. Der Übertrager
transformiert die Spannung auf Werte von einigen 100V. Dies ist
die Anregungsspannung des Ultraschallwandlers. Durch die Anregung
emittiert der Ultraschallwandler einen kurzen Ultraschallimpuls,
der sich im Raum als akustische Welle ausbreitet. Die Amplitude
der Schallwelle unterliegt einer laufzeitabhängigen Dämpfung.
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Trifft
die Schallwelle auf ein Objekt, so wird sie daran reflektiert und
gestreut. Ein Teil der reflektierten Welle kommt zum Ultraschallsensor
als Echo zurück
und wird in diesem Fall von demselben Ultraschallwandler wieder
empfangen. Aus der Laufzeit des Echos kann der Ultraschallsensor
mit der bekannten Schallgeschwindigkeit den Abstand zum Objekt errechnen.
Die empfangene Echospannung wird in einem, vorzugsweise frequenzselektiven
logarithmischen, Verstärker
verstärkt.
Der Verstärkereingang
ist mittels einer Begrenzerschaltung gegen die hohen Spannungen
während
der Sendephase geschützt.
Anschließend
wird eine Hüllkurve
USignal gebildet, welche mit dem beschriebenen
Schwellwertsignal URef durch einen Komparator
mit den beiden Eingängen 1a und 1b verglichen
wird.
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Wird
der Schwellwert überschritten,
so schaltet der Komparator und erzeugt eine Schaltflanke SS. Der Mikrokontroller misst die Zeit, die
zwischen der Anregung des Ultraschallwandlers und der Schaltflanke
des Echosignals vergangen ist und berechnet daraus mit der bekannten
Schallgeschwindigkeit den Abstand zum Objekt. Der Ultraschallsensor
ist außerdem
in bekannter Weise mit verschiedenen Schnittstellen, wie Schaltausgängen, Analogausgängen, Synchronisations möglichkeiten,
Lerneingängen,
seriellen Schnittstellen, Infrarot- oder Funkschnittstellen oder
Eingängen
für Druck,
Temperatur, Feuchtigkeit oder Ähnliches,
ausgestattet.
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Die
Schwellenspannung des Schwellwertgenerators ist somit einerseits über eine
Schnittstelle oder ein Bedienelement, wie beispielsweise Lerneingänge, Taster,
serielle Schnittstelle, Infrarot-Schnittstelle, Funkschnittstelle
oder Ähnliches,
einstellbar. Dabei werden die Parameter über wenigstens eine Schnittstelle
dem Mikrokontroller zugeführt,
welcher aus denselben Steuersignale St generiert;
diese Steuersignale werden dem Schwellwertgenerator für die Einstellung
der Schallkeule bzw. des Erfassungsbereiches aufgegeben.
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Andererseits
ist es ebenfalls möglich
eine selbsttätige
Steuerung des Schwellwertgenerators in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen,
wie Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit oder ähnliche Parameter,
zu bewirken. Dabei werden die die Umgebungsbedingungen repräsentierenden
Messwerte aufbereitet, zum Beispiel durch A/D-Wandlung, und dem
Mikrokontroller zugeführt,
welcher daraus Steuersignale St generiert;
diese Steuersignale werden dem Schwellwertgenerator für die Einstellung
der Schallkeule bzw. des Erfassungsbereiches aufgegeben.
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Im
Beispiel der 4 werden die Steuersignale St einem veränderbaren Potentiometer aufgegeben,
welches sein Ausgangssignal dem Schwellwertgenerator zuführt. Der
Schwellwertgenerator gibt sein Ausgangssignal URef auf
den Eingang 1a des Komparators; gleichzeitig wird das Hüllkurvensignal USignal auf den Eingang 1b des Komparators
gelegt.
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Die
Einstellbarkeit der Schaltpunktkurven kann zum Beispiel dadurch
erreicht werden, indem die Umschaltspannung vom Mikrokontroller über ein elektronisches
Potentiometer gesteuert wird. Der Einstellwert kann beispielsweise über eine
serielle Schnittstelle dem Ultraschallsensor mitgeteilt werden.
Eine einge schränkte
Vielfalt von Einstellmöglichkeiten
kann auch über
einen Lerneingang erfolgen. Eine Möglichkeit ist zum Beispiel:
- – Lerneingang
auf +UB ⇒ maximale
Schaltpunktkurve
- – Lerneingang
auf –UB ⇒ schmale
Schaltpunktkurve
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Im
Fall der Einstellung über
eine serielle Schnittstelle kann die eingestellte Form der Schaltpunktkurve
vorteilhaft auf dem Monitor des PCs während des Parametriervorgangs
visualisiert werden.
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Eine
mögliche
jedoch nur beispielhafte Schaltungsrealisierung ist nachfolgend
in 5 beschrieben. Das Sende-Empfangs-Signal des Ultraschallwandlers
steht an Pin 4 des Spannungsfolgers IC1 niederohmig zur Verfügung. Über den
Transistor P1 wird der Kondensator C1 aufgeladen, wobei die Spannung
höher als
die maximale Spannung des Sendeimpulses am Ausgang des logarithmischen Verstärkers, Signal "Echo logarithmisch", ist. Zur Schwellennachführung dient
nicht eine Diode, sondern der Transistor P2, der als Spannungsfolger
geschaltet ist. Über
den Widerstand R3, zum Beispiel mit einem Wert von 100kOhm, liegt
an der Basis von P2 das Sende-Empfangs-Signal an. Dadurch wird die
Schwellenspannung des Kondensators C1 während der Ausschwingphase des
Ultraschallwandlers über
den mit dem Kondensator C1 verbundenen Widerstand R2 entladen. Die
Entladespannung ist dabei immer 0,7V höher als die Sende-Empfangs-Spannung.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die Schwelle nicht überschritten
wird, so lange kein Echo vorhanden ist.
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Die
Schwellenspannung und die Sende-Empfangs-Spannung werden mit dem
Komparator IC2 miteinander verglichen. Die Abschaltung der Schwellennachführung erfolgt
mit Transistor P3, welcher auch durch eine Diode ersetzt werden
kann. Mit dem elektronischen Potentiometer IC3 wird die Spannung
eingestellt, bei der die Schwellennachführung abgeschaltet wird. Über den
Widerstand R4 kann die Schwellennachführung mit dem Mikrokontroller
abgeschaltet werden. Dazu muss das Signal "Schwellennachführung-On-Off" am Widerstand R4 auf
5V gelegt werden. Mit dem Potentiometer IC4 wird die Entladeschlussspannung
des Kondensators C1 bei abgeschalteter Schwellennachführung definiert.
Der Widerstand R1 legt die Entladezeitkonstante fest. Wenn die Spannung
am Punkt 4 des IC1 größer als
die Spannung am Punkt 5 des IC3 ist, so folgt die Schwelle. Wenn
hingegen die Spannung am Punkt 4 des IC1 kleiner als die Spannung
am Punkt 5 des IC3 ist, so bleibt infolge der Entladung die Schwelle
stehen.
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Für den Fall
der Schaltpunktkurven-Verschmälerung
muss folgende Signalabfolge angelegt werden:
- – Schwellennachführung aktiv: "Schwellennachführung-On-Off" = 0V
- – "Aufladen Kondensator" = 0V
- – Das
Potentiometer IC3 steht auf der gewünschten Abschaltspannung der
Schwellennachführung
- – Das
Potentiometer IC4 steht auf der gewünschten Spannung für die Schwellenspannung
am Ende der exponentiellen Entladung von C1
- – Am
Ende des Anregungsimpulses: "Aufladen-Kondensator" = 5V
- – Wenn
die Signalspannung den Potentiometerwert IC3 – 0,7V unterschreitet, wird über P3 die Schwellennachführung gestoppt.
- – Danach
wird der Kondensator C1 über
den Widerstand R1 exponentiell auf eine durch das Potentiometer
IC4 definierbare Restspannung entladen.
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Für den Fall
der Schaltpunktkurven-Reduktion muss folgende Signalabfolge angelegt
werden:
- – Schwellennachführung aktiv: "Schwellennachführung-On-Off" = 0V
- – "Aufladen Kondensator" = 0V
- – Das
Potentiometer IC3 steht auf der gewünschten Abschaltspannung der
Schwellennachführung
- – Das
Potentiometer IC4 steht auf der gewünschten Spannung für die Schwellenspannung;
dieser Wert muss in diesem Fall dem Wert von IC 3 entsprechen
- – Am
Ende des Anregungsimpulses: "Aufladen-Kondensator" = 5V
- – Wenn
die Signalspannung den Potentiometerwert IC3 – 0,7V unterschreitet, wird über P3 die Schwellennachführung gestoppt
- – Da
das Potentiometer IC4 den gleichen Wert wie Potentiometer IC3 hat
wird der Kondensator nicht weiter entladen.
-
Wenn
die Vielfalt der Modifikationen der Schaltpunktkurve eingeschränkt werden
soll, ist es möglich
die Potentiometer durch Widerstandsteiler zu ersetzen.
-
Die
beschriebene Schaltung stellt nur eine der möglichen Ausgestaltungen der
Erfindung dar; andere Schaltungsrealisierungen sind denkbar.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit:
-
Der
Gegenstand der Erfindung ist gewerblich anwendbar insbesondere in
der Abstands- und der Füllstandsmesstechnik
sowie der Automatisierungstechnik, um die Schallkeule eines Ultraschallsensors den
Gegebenheiten vor Ort anzupassen.