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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, einen Ultraschallsensor
und ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors.
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Ultraschallsensoren
nutzen einen Ultraschallwandler, um ein elektrisches Anregungssignal in
einen Ultraschallpuls umzuwandeln. Aufgrund der mechanischen Trägheit
des Ultraschallwandlers schwingt der Ultraschallwandler auch nach
einem Ende eines elektrischen Anregungssignals weiter und strahlt
einen gegenüber der elektrischen Anregung verlängerten
Ultraschallpuls ab. Diese zusätzliche Dauer wird als Nachschwingzeit
bezeichnet.
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Die
Ultraschallwandler werden auch zum Empfangen von Echos der Ultraschallpulse
verwendet. Da ein Echo von einem Nachschwingen nicht unterschieden
werden kann, wird während der Nachschwingzeit kein elektrisches
Signal ausgewertet.
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Die
Nachschwingzeit unterliegt vielfältigen Einflüssen,
z. B. Verschmutzung, Alterung, Vereisung im Winter, Materialermüdung,
Beschädigung durch Steinschlag, nachträgliche
Lackierung.
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Aus
der
JP 2003-248050 ist
ein Verfahren bekannt, das während des Betriebs eines Ultraschallsensors
die Nachschwingzeit der Ultraschallwandler in einem Lernmodus bei
jedem Betriebsstart neu bestimmt. Aus dem ermittelten Nachschwingverhalten wird
auf ein Fehlverhalten der Ultraschallwandler geschlossen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Ultraschallwandler beinhaltet
einen integrierten Speicher zum Speichern mindestens einer Nachschwingzeit
des unverbauten Ultraschallwandlers.
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Diese
Nachschwingzeit ist unabhängig von später einwirkenden
Einflüssen, z. B. Lackieren, Verbau in einem Stoßfänger,
Verbau in einem Fahrzeug, Temperaturschwankungen, Alterung. Auf
Grund der Kenntnis der reinen Nachschwingzeit bedingt durch den
Aufbau des Ultraschallwandlers können die Einflüsse
der Umgebung bzw. des Einbaus bestimmt werden. Die Speicherung kann
vor oder/und nach dem Lackieren und/oder weiteren Montageschritten statt
finden. Gegebenenfalls sind eine entsprechende Anzahl von Speichern
vorgesehen, in die die einzelnen Nachschwingzeiten abgelegt werden
können.
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Die
Nachschwingzeit ist individuell für jeden Ultraschallwandler
auslesbar. Ein Ultraschallsensor bzw. das Auswertesystem (System
könnte Speicher auslesen und anhand der Zeit das Empfangsfenster angepasst
freischalten) kann einen Beginn der Entfernungsmessung nach dem
Aussenden eines Ultraschallpulses individuell für jeden
Ultraschallwandler einstellen. Hierdurch kann die kürzest
erfassbare Distanz verringert werden. Das Auswertungssystem kann
die Nachschwingzeit einmalig einlesen oder regelmäßig
neu einlesen, z. B. bei einem Systemstart oder beim Starten der
Messung. Alternativ kann ein Einlesen der Nachschwingzeit durch
einen Neueinbau eines einzelnen Ultraschallwandlers, z. B. beim Austausch
eines defekten Ultraschallwandlers, erfolgen. Somit ist eine stete
Anpassung des Auswertungssystems an die Nachschwingzeit der aktuell verbauten
Sensoren möglich. Die Anpassung berücksichtigt
somit sowohl sensorseitige Änderungen (Umgebungseinflüsse
etc.) sowie Sensortausch.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor.
Dieser beinhaltet wenigstens einen Ultraschallwandler, der einen
integrierten Speicher aufweist, in welchem eine erste Nachschwingzeit
des Ultraschallwandlers im unverbauten Zustand gespeichert ist.
Eine Ausleseeinrichtung dient zum Auslesen der ersten Nachschwingzeit
aus dem Speicher. Eine Messeinrichtung dient zum Bestimmen einer
zweiten Nachschwingzeit des in den Ultraschallsensor eingebauten
Ultraschallwandlers und eine Auswertungseinrichtung dient zum Deaktivieren
des Ultraschallwandlers, wenn die zweite Nachschwingzeit von der
ersten Nachschwingzeit um mehr als einen Toleranzbereich abweicht
und/oder dient zum Setzen eines Flags in dem Speicher, wenn die
zweite Nachschwingzeit von der ersten Nachschwingzeit um mehr als
einen Toleranzbereich abweicht.
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Die
Nachschwingzeit der Ultraschallwandler kann durch vielfältige
Einflüsse permanent erhöht werden. Da die Nachschwingzeit
eines Loses einer Serie von Ultraschallwandlern nur mit einer Toleranz angegeben
werden kann, lassen sich aus aktuellen Messungen der Nachschwingzeit
im Betrieb nur bedingt Rückschlüsse auf eine mögliche
Verschlechterung ziehen. Der Vergleich des individuellen Werts der
Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers und einer aktuellen Messung
ermöglichen eine genauere Erkennung einer Degradation.
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Die
Nachschwingzeit der Ultraschallwandler kann durch Einflüsse
wie z. B. Steinschlag auch verringert werden. Da die Nachschwingzeit
eines Loses einer Serie von Ultraschallwandlern nur mit einer Toleranz
angegeben werden kann, lassen sich aus aktuellen Messungen der Nachschwingzeit
im Betrieb nur bedingt Rückschlüsse auf eine mögliche
Verschlechterung ziehen. Der Vergleich des individuellen Werts der
Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers und einer aktuellen Messung
ermöglichen eine genauere Erkennung einer relevanten Änderung.
Die Folge des Steinschlags kann zum Verlust in der Sensorempfindlichkeit
bis zum Totalausfall führen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben
eines Ultraschallsensors mit den Schritten: Auslesen einer ersten
Nachschwingzeit aus einem integrierten Speicher von Ultraschallwandlern
des Ultraschallsensors; Bestimmen einer zweiten Nachschwingzeit
der Ultraschallwandler eingebaut in den Ultraschallsensor; und Deaktivieren
der Ultraschallwandler, deren zweite Nachschwingzeit von der ersten
Nachschwingzeit um mehr als einen Toleranzbereich abweicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
und beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform eines Ultraschallwandlers und
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2 eine
Ausführungsform eines Ultraschallsensors.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
eine Ausführungsform eines Ultraschallwandler 1 im
Querschnitt. Ein Membrantopf 2 ist zum Beispiel durch eine
oben offene Röhre gebildet, deren eine Öffnung
von einer Membran 3 überspannt ist.
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Die
Membran 3 ist mit einem elektro-mechanischer Wandler 4 mechanisch
gekoppelt, der ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umsetzt.
Beispiele für einen elektromechanischen Wandler 4 sind
piezoaktive Keramikstapel oder eine Spule im magnetischen Feld eines
Permanentmagneten.
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Der
Innenraum des Membrantopfs 2 kann mit einem Schaumstoff 5 ausgespritzt
sein. Der Schaumstoff 5 führt zu einer mechanischen
Kopplung des elektro-mechanischen Wandlers 4 mit dem Membrantopf 2.
Der Schaumstoff 5 wirkt dämpfend auf die Schwingbewegung
der Membran 3. Anstelle eines Schaumstoffs 5 können
auch andere dämpfende Füllstoffe verwendet werden.
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Der
elektro-mechanische Wandler 4 kann mit einem elektrischen
periodischen Signal angeregt werden, wodurch die Membran 3 in
eine Schwingung entsprechender Frequenz versetzt wird. Nach dem Abschalten
des elektrischen periodischen Signals schwingt die Membran 3 für
eine Nachschwingzeit nach. Die Dauer der Nachschwingzeit ist durch
die Trägheit der Membran 3, des elektro-mechanischen Wandlers 4 und
die Dämpfungseigenschaften des Schaumstoffs 5 sowie
den (dämpfenden) Eigenschaften der angeschlossenen elektrischen
Schaltung 20 am Wandler 4 vorgegeben. Die elektrische Schaltung 20 stellt
das Signal zur Anregung des Ultraschallwandlers 4 zur Verfügung
und wertet die Ultraschallsignale der Membran aus. Die elektrische Schaltung 20 besteht
wenigstens aus einer Schnittstelle 15 und einer Messeinrichtung 13.
Sie kann in einer Ausführung auch den Speicher 6 beinhalten.
Es gibt mindestens eine elektrische Schaltung 20, die einen
oder mehrere Wandler 4 anregen bzw. auswerten kann.
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Nach
der Fertigstellung des Ultraschallwandlers 1 kann die Nachschwingzeit
in einer Prüfumgebung oder unter anderen bekannten Bedingungen ausgemessen
werden. Die Nachschwingzeit kann individuell für jeden
Ultraschallwandler 1 inklusive oder exklusive der zugehörigen
Elektronik 20 ermittelt werden oder es werden Stichproben
für ein Los von Ultraschallwandlern 1 mit/ohne
Elektronik genommen. Ist der Wandler 4 zusammen mit der
elektrischen Schaltung 20 als Einheit verbaut, so ergibt
sich die Nachschwingzeit aus der Ge samteinheit. Bei getrennt angeordneten
Einheiten aus Wandler 4 und elektrischer Schaltung 20 bezieht
sich die Nachschwingzeit auf den Wandler 4. Die Kombination Wandler 4 und
separate elektrische Schaltung 20 ergibt eine größere
Streuung in der gesamten Nachschwingzeit.
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Nachfolgende
Erläuterungen beziehen sich zur einfacheren Beschreibung
nur auf eine der oben aufgezeigten Kombinationen, nämlich
einen Wandler 4 mit separater Elektronik 20.
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In
dem Ultraschallwandler 1, z. B. innerhalb des Membrantopfs 2 oder
in dem elektromechanischen Wandler 4 oder in der Elektronik 20 ist
ein Speicher 6 integriert. Beispiele für den Speicher 6 sind
EEPROMs, Flash-Speicher. Die zuvor ermittelte Nachschwingzeit des
einzelnen, unverbauten Ultraschallwandlers 1 wird in dem
Speicher 6 des Ultraschallwandlers 1 z. B. als
Nachschwingzeit 21 abgespeichert.
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Die
in dem Speicher 6 festgehaltene Nachschwingzeit (z. B.
gemessen im lackierten Zustand, mit Entkopplungsing, ...) ist eine
charakteristische Eigenschaft des Ultraschallwandlers 1.
Sie ist nicht oder nur in vernachlässigbarem Umfang durch
eine weitere Verarbeitung beeinflusst. Der Verbau des Sensors in
den Stoßfänger kann die Nachschwingzeit verändern.
Dies soll aber nur in geringem Maße erfolgen, sofern der
Verbau korrekt statt findet. Bei einer Fehlmontage können
die Einflüsse größer werden und zu signifikanten
Abweichungen der Ultraschallwandler 1 von ihren unverbauten
Eigenschaften und auch zueinander führen. Genau an diesem Punkt
wird aufgrund der individuellen Nachschwingzeit eine Prüfung
bei der Erstmontage oder aber auch im Reparaturfall (Tausch des
Wanders) möglich. Die Nachschwingzeit des Wandlers 4 kann
alternativ nach dem ersten korrekten Verbau z. B. im Stoßfänger
wieder unter definierten Messbedingungen an einer zweiten Stelle
im Speicher 6 als Nachschwingzeit 22 gespeichert
werden. Ein Vergleich der Nachschwingzeit 21 und 22 erfolgt
mit einem aktuellen Messwert Eine Auswertung kann einen Einfluss
der Temperatur auf das Schwingungsverhalten berücksichtigen.
Aus Langzeitmessungen kann eine zeitliche Änderung, Alterung
ermittelt werden. Ein Modell kann die typische Alterung in Abhängigkeit
einer Betriebsdauer und/oder einer Kilometerleistung eines Fahrzeuges
festlegen. Dieses Modell kann beim Vergleich einer aktuellen Messung
mit den gespeicherten Nachschwingzeiten 21, 22 berücksichtigt
werden.
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2 zeigt
einen Ultraschallsensor 10 im Teilschnitt. In dem Ultraschallsensor 10 sind
mehrere, beispielhaft zwei, Ultraschallwandler 1 eingebaut. In
einem Speicher 6 der Ultraschallwandler 1 ist
die jeweilige Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers 1 gespeichert.
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Die
Ultraschallwandler 1 sind beispielsweise über
Entkopplungsringe 11 mit einem Gehäuse 12 des
Ultraschallsensors 10 verbunden. Das Gehäuse des
Ultraschallsensors 10 kann teilweise durch einen Stoßfänger
gebildet werden. Das Gehäuse 12 kann aus mehreren
Teilen zusammengesetzt sein z. B. einem Gehäuse zur Aufnahme
des Wandlers 1 und einem zweiten Teil in Form des Stoßfängers.
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Die
Entkopplungsringe 11 sollen ein Übersprechen der
Schwingung der Membran 3 auf das Gehäuse 12 verhindern.
Die Materialeigenschaften und die Geometrie des Gehäuses 12 beeinflussen unter
Anderem die Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers 1.
Die Gehäuse 12 können für jede
Sensorposition unterschiedlich ausgeführt sein. Ein Übersprechen
ist von der Ausführung des Einbaus der Ultraschallwandler 1 und
der Entkopplungsringe 11 abhängig. Daher kann
sich die Nachschwingzeit für identische Ultraschallwandler 1 nach
dem Einbau in den Ultraschallsensor 10 bzw. das Gehäuse 12 verschieden
sein.
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Nachträglich
am Wandler vorgenommene Lackierarbeiten können die Nachschwingzeit
verändern. Hierbei nimmt sowohl die zusätzliche
Masse des Lacks auf der Membran als auch die Wärmebehandlung
zum Trocknen des Lacks auf die Nachschwingzeit Einfluss.
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Der
Ultraschallsensor 10 weist eine Messeinrichtung 13 auf.
Die Messeinrichtung 13 dient im Standardbetrieb, um eine
Entfernung anhand einer Laufzeit von Ultraschallpulsen zu bestimmen.
Die Messeinrichtung 13 kann einen elektrischen Anregungspuls
an die Ultraschallwandler 1 abgeben, worauf die Membran 3 zum
Schwingen angeregt wird. Ferner erfasst die Messeinrichtung 13 elektrische
Signale der Membran 3, wenn diese durch ein eingehendes
Ultraschallecho mechanisch angeregt wird. Die Messeinrichtung 13 kann
mittels einer Adressiereinrichtung und einer Multiplexereinrichtung
mehrere Wandler 4 ansprechen. Alternativ wird jedem Wandler 4 eine
eigene Messeinrichtung 13 zugeordnet. Diese Messeinrichtung 13 kann
beispielsweise auch in dem Gehäuse des Wandlers 4 integriert
sein.
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Die
Messeinrichtung 13 kann in einem Testbetrieb zum Ermitteln
der Nachschwingzeit der Ultraschallwandler 1 eingebaut
in den Ultraschallsensor 10 verwendet werden. Das durchgeführte
Messverfahren sieht im Wesentlichen die folgenden Schritte vor.
Der Ultraschallwandler 1 wird durch einen elektrischen
Anregungspuls angeregt. Unmittelbar nach Beendigung des elektrischen
Anregungspulses wird ein elektrisches Signal aufgezeichnet, das
von dem Ultraschallwandler 1 abgegeben wird. Anfänglich sind
noch keine Ultraschallechos zu erwarten, weshalb angenommen werden
kann, dass das elektrische Signal von einem Nachschwingen der Membran 3 herrührt.
Dies ist durch die Messanordnung oder den Messzeit punkt sicher zu
stellen. Ausgewertet wird eine Dauer zwischen dem Ende des elektrischen Anregungspulses
und dem Zeitpunkt, wenn das elektrische Signal von dem Ultraschallwandler 1 unterhalb
einer Erfassungsschwelle liegt. Die Auswertung kann mehrfach wiederholt
werden, insbesondere wenn das Fahrzeug zwischenzeitlich bewegt wird oder
wurde, um Fehlmessungen aufgrund naher reflektierender Objekte zu
vermeiden. Die Dauer wird einer Nachschwingzeit des Ultraschallwandlers 1 im eingebauten
Zustand zugeordnet.
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Eine
Auswertungseinrichtung 14 liest aus dem Speicher 6 des
Ultraschallwandlers 1 z. B. dessen Nachschwingzeit im unverbauten
Zustand aus. Hierzu sind entsprechende Schnittstellen 15 vorgesehen.
Die beiden Nachschwingzeiten im unverbauten und verbauten Zustand
werden miteinander verglichen. Ergibt sich eine Abweichung, die
größer als ein Toleranzwert ist, erkennt die Auswertungseinrichtung 14 den
Ultraschallwandler 1 als defekt oder fehlerhaft eingebaut.
Der Ultraschallwandler 1 wird deaktiviert oder alternativ
wird der Messeinrichtung 13 dieser Ultraschallwandler 1 als
defekt mitgeteilt, so dass er bei weiteren Abstandsmessungen nicht mehr
berücksichtigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann
in dem Speicher 6 ein Flag gesetzt werden, das das Erkennen
als defekt festhält. Eine nachträgliche Änderung
des Flags kann vorteilhafterweise durch eine entsprechende Maßnahmen
verhindert werden. Eine nachträgliche Reparatur oder ein
Vertuschen eines fehlerhaften Einbaus kann somit verhindert werden.
Maßnahmen zum Verhindern eines nachträglichen
Korrigierens umfassen eine einmal beschreibbare Speicherzelle, eine
kodiertes Abspeichern etc.
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Der
Toleranzwert kann der Auswertungseinrichtung 14 fest vorgegeben
sein.
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Alternativ
kann der Toleranzwert von der Auswertungseinrichtung 14 ermittelt
werden. Hierzu bestimmt die Auswertungseinrichtung 14 für
jeden Ultraschallwandler 1 die Abweichung der Nachschwingzeit
des Ultraschallwandlers 1 im verbauten und unverbauten
Zustand. Die Abweichung kann beispielsweise als Differenz oder Quotient
ermittelt werden. Der Median der Abweichung wird als Richtwert ermittelt.
Unterscheidet sich die Abweichung eines Ultraschallwandlers 1 um
mehr als einen Toleranzfaktor von dem Median, wird dieser Ultraschallwandler 1 als
defekt erkannt.
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Zusätzlich
kann die Umgebungstemperatur zur Auswertung mit herangezogen werden.
Die fortlaufend bestimmte Nachschwingzeit im eingebauten Zustand
kann in einer Ausführungsform im Speicher 6 als
Nachschwingzeit 23, 24, ... der Ultraschallwandler 1 abgespeichert
werden. Hierdurch ist es möglich ein Langzeitverhalten
der einzelnen Ultraschallwand ler 1 nachzuverfolgen. In
einer weiteren Ausführungsform ist eine Speicherung in
Abhängigkeit der Kilometerleistung und/oder der Temperatur
(Witterungsbedingungen) möglich.
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Eine
Ausgestaltung ermittelt den Toleranzwert aus dem Langzeitverhalten.
Während einer ersten Betriebszeit, z. B. den ersten 100
Betriebsstunden oder den ersten 1000 km des Kraftfahrzeugs, wird
das Nachschwingen im eingebauten Zustand bestimmt. Der ermittelte
Wert wird festgehalten und gilt als Richtgröße
für das Nachschwingen bzw. den Toleranzwert. Der Toleranzwert
bzw. die Richtgröße kann in dem Speicher 6 abgelegt
werden. Anhand dieser Richtgröße können
beispielsweise kleine Beschädigungen durch Steinschlag
etc. durch Vergleich ermittelt werden.
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Eine
Ausgestaltung ermittelt den Toleranzwert aus dem Langzeitverhalten
z. B. während eines Jahreszyklus. Es wird das Nachschwingen über
den typischen Verlauf eines Umweltzyklus (Sommer/Winter) erfasst. Über
die Auswerteeinheit 14 und elektrische Schaltung 20 wird
die Ermittlung der Nachschwingzeit über den Zeitraum veranlasst.
Die kürzeste und die längste Nachschwingzeit mit
den zugehörigen Bedingungen, z. B. Temperatur, werden im Speicher 6 abgelegt.
Zusätzlich kann die minimale und maximale Temperatur, bei
der ein Nachschwingtest durchgeführt wurde mit gespeichert
werden. (Tiefe oder hohe Temperatur müssen nicht min. oder max.
Nachschwingzeiten produzieren). Aus diesen Werten kann die Auswerteeinrichtung
die erwartete Nachschwingzeit ermitteln. Über den Vergleich
aktuelle Nachschwingzeit mit gespeicherten Werten, lässt sich
beim Über-/Unterscheiten einer Grenze eine Beeinflussung
der Messeinrichtung (Verschmutzung, Vereisung, Beschädigung,
...) erkennen.
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Der
Speicher 6 kann ein Permanentspeicher sein, dessen Werte
nicht mehr geändert werden können. Dies ermöglicht
eine nachträgliche Kontrolle am einzelnen Ultraschallwandler 1,
ob dieser ordnungsgemäß eingebaut wurde.
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Die
Nachschwingzeit des unverbauten Ultraschallwandlers 1 kann
für verschiedene Temperaturen, Abstrahlleistungen etc.
ermittelt werden. Die ermittelten Abhängigkeiten der Nachschwingzeit
kann ebenfalls in dem Speicher 6 in Form von Korrekturgrößen
oder als Tabelle mit entsprechenden Nachschwingzeiten abgespeichert
werden. Die Auswertungseinrichtung 13 des Ultraschallsensors 10 kann den
Betriebsbedingungen entsprechende Nachschwingzeit bestimmen. Die
Pausen zwischen dem Aussenden des Ultraschallpulses und dem Empfangen
der Echos kann entsprechend angepasst werden. Ferner kann eine Fehlerdiagnose
der einzelnen Ultraschallwandler 1 mit einer erhöhten
Verlässlichkeit durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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