DE102010001886A1 - Messung der Länge eines Hohlraums, insbesondere Rohres - Google Patents

Abstract

Zum Bestimmen der Länge eines Hohlraums, insbesondere Rohres, mit einer an einer Öffnung des Hohlraums (2) positionierten Schallquelle (11), die über einen Versorgungsschaltung (1) elektrisch angetrieben wird und in dem Hohlraum Schallwellen erzeugt, wird die Intensität der in dem Hohlraum erzeugten Schallwellen als Funktion der Frequenz und/oder Zeit bestimmt wird. Hierbei wird die Impedanz der Schallquelle vorzugsweise in der Versorgungsschaltung gemessen und als Funktion der Frequenz und/oder Zeit erfasst, Minima und/oder Maxima dieser Funktion werden bestimmt und die Länge des Hohlraums wird anhand des Abstands der so bestimmten Minima und/oder Maxima berechnet. Durch diese Maßnahme kommt die Messanordnung ohne ein Mikrofon oder anderen akustischen Sensor aus.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Länge eines Hohlraums, beispielsweise zur Messung von Rohrlängen bzw. von Flüssigkeitsständen in Rohren oder ähnlichen, vorzugsweise länglichen Hohlräumen. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Länge eines ein Schall-leitendes Medium enthaltenden Hohlraums, insbesondere Rohres, bei welchem eine an einer Öffnung des Hohlraums positionierte Schallquelle über eine Versorgungsschaltung elektrisch angetrieben wird, die Schallquelle in dem Hohlraum Schallwellen erzeugt und die Intensität der in dem Hohlraum erzeugten Schallwellen als Funktion der Frequenz und/oder Zeit bestimmt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung solcher Messungen.
• Es ist bekannt, die Länge von Rohren oder ähnlichen Hohlräumen dadurch zu bestimmen, dass die Mediumsäule (typischer Weise Luft oder anderes Gas) in dem Rohr mit Hilfe einer Schallquelle zu Schwingungen angeregt wird. Wenn sich im Rohr infolge der Reflektion am offenen (oder geschlossenen) Ende stehende Wellen ausbilden, so bilden sich, je nach Abschluss, Druckmaxima oder -minima aus. Der Frequenzabstand zwischen benachbarten Druckmaxima bzw. -minima wird durch die Länge der Mediumsäule bestimmt. Die genaue Frequenz, bei denen Schwingungsmaxima und -minima entstehen, hängt neben der Schallgeschwindigkeit im Medium und der typischen Länge des Hohlraums auch von der Art der Enden des Hohlraums ab, d. h. ob die Enden einem offenen Ende (freie Öffnung) oder einem geschlossenen Ende (Rohrabdeckung oder Flüssigkeitsfläche) entsprechen. Die Messung des Pegelstands von Flüssigkeiten in einem Rohr oder anderen Hohlraum beruht auf demselben Prinzip der Messung der Mediumsäule, die über der Flüssigkeitsoberfläche besteht.
• Ein derartiges Verfahren ist in AT 393 738 B beschrieben, bei welchem eine stehende Welle mit bekannter Frequenz in der Mediumsäule erzeugt und die Frequenz geändert wird, bis wenigstens zwei aufeinander folgende Maxima oder Minima der Wellenamplitude erfasst werden; aus den beiden zugehörenden Frequenzwerten f₁, f₂ bei Kenntnis de Schallgeschwindigkeit c in dem Medium kann die Länge der Mediumsäule gemäß L = (c/2)/(f₁ – f₂) berechnet werden. AT 397 430 B beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Messverfahrens, mit einem Resonanzkörper und darin angeordneten Lautsprecher und Mikrofon, wobei zur Messung eines Rohres eine Schallaustrittsöffnung des Resonanzraums über einen Abstandhalter im Abstand von dem zu messenden Rohr angeordnet wird. Eine Messung der Rohrlänge, die auf der Vermessung von Resonanzen der stehenden akustischen Wellen im Rohr beruht, ist auch in dem Artikel von M. Okamoto & S. Tanaka, "An Accurate Pipe Length Measurement Using An Acoustic Sensor", SICE 2002, Osaka, 5–7. Aug. 2002, S. 1105, beschrieben.
• Bei diesen Messverfahren wird eine Schallquelle, insbesondere ein Lautsprecher, mit der Öffnung (offenes Ende) des Rohres lose gekoppelt – z. B. durch einfaches Positionieren innerhalb der Öffnung –, und der Schalldruck an dieser oder einer anderen Öffnung des Rohres mit einem dedizierten Schallaufnehmer gemessen. Dieser Zugang ist wegen des komplexen mechanischen Aufbaus (Resonanzraum für die Schallquelle bzw. externes mechanisches Anschlagen der zu untersuchenden Röhre) und der Notwendigkeit von einem oder mehreren Mikrofonen unbefriedigend.
• Eine andere bekannte Methode, die akustische Signale verwendet, ist z. B. die Laufzeitmessung von Echos. Im Gegensatz dazu beruht die hier betrachtete Messmethode auf der Ausnutzung der Frequenzabhängigkeit der Signalreaktion im auszumessenden Hohlraum und ermöglicht auch Messung in komplizierten Geometrien, bei welchen sich keine eindeutige Laufzeit ergibt.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Messung einer Länge eines Rohres oder entsprechenden typischen Längendimension eines Hohlraumes apparativ zu vereinfachen und dabei eine hohe Genauigkeit zu ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Impedanz der Schallquelle gemessen, vorzugsweise in der Versorgungsschaltung, und als Funktion der Frequenz und/oder Zeit erfasst wird, Minima und/oder Maxima dieser Funktion bestimmt werden und die Länge des Hohlraums anhand des Abstands der so bestimmten Minima und/oder Maxima berechnet wird.
• Die Erfindung beruht auf der Grundidee, das Vorhandensein von stehenden Wellen durch Messung der Impedanz des tonerzeugenden Schallwandlers zu detektieren. Das Vorliegen einer stehenden Welle und deren Resonanz gemäß der Geometrie des Hohlraums wird über die Messung der elektrischen Impedanz des Schallgebers in dem Stromkreis detektiert, der den Schallgeber antreibt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Berechnung auf Grundlage des Abstands benachbarter Maxima bzw. Minima des Impedanzsignales.
• Die Erfindung verwirft die „unidirektionale” akustische Kopplung zwischen einem Schallerzeuger und -sensor (z. B. Lautsprecher und Mikrofon) als Messgrundlage. Der Schalldruck (zur Detektion einer stehenden Welle) wird somit nicht wie bei herkömmlichen Verfahren durch einen separaten Wandler (Mikrofon) gemessen, sondern aus der Veränderung der Impedanz des tonerzeugenden Schallwandlers abgeleitet. Dies ermöglicht die Messung der Impendanz auf elektrischem Wege und den Verzicht auf einen Schallsensor (Mikrofon), und vereinfacht den mechanischen Aufbau; insbesondere ist im Vergleich zur oben genannten AT 397 430 B kein Resonanzkörper und kein direktionaler akustischer Koppler erforderlich.
• Der Messvorgang gemäß der Erfindung erfolgt vorzugsweise in einem vorgebbaren Frequenzbereich und durch Bestimmung der Impedanz als Funktion der Frequenz, die beispielsweise über die Messung des vom Schallgeber aufgenommenen Stromes bei konstanter Spannung, über die Messung der am Schallgeber anliegenden Spannung bei konstantem Strom oder paralleler Messung von Strom und Spannung der Antriebsquelle (oder nur einer dieser Größen bei bekannter fester Quellenimpedanz oder bekannter fester Stromstärke oder Spannung der Antriebsquelle) erfolgen kann.
• Die Bestimmung der Maxima und Minima der Impedanz kann im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weise erfolgen. Bevorzugter Weise wird eine Antriebsquelle verwendet, die eine Sinuswelle mit einstellbarer Frequenz erzeugt, wobei die Frequenz als Funktion der Zeit geändert und somit die Impedanz als Funktion der Frequenz gemessen wird; aus dieser Messung können unmittelbar die Frequenzwerte ermittelt werden, bei denen die Impedanzextrema auftreten. Alternativ kann ein ein Frequenzband überdeckendes Geräuschsignal (z. B. weißes Rauschen, ein farbiges Rauschen oder rosa Rauschen mit 1/f oder 1/f²-Gang) zusammen mit einer zeitabhängigen Aufnahme der Impedanz verwendet werden, wobei die so aufgenommene Impedanz in den Frequenzraum transformiert bzw. umgerechnet wird, wo dann die Maxima und Minima bestimmt werden. Zur Berechnung der frequenzabhängigen (transformierten) Impendanz können Verfahren bekannter Art verwendet werden, wie z. B. FFT-Algorithmen, Periodogramme und parametrische Schätzverfahren.
• In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Bearbeitung der Impedanz dadurch, dass Minima und/oder Maxima der Impedanz als Funktion der Frequenz bestimmt werden und die Berechnung der Länge des Hohlraums anhand des Frequenzabstands aufeinanderfolgender Minima und/oder Maxima erfolgt.
• Zur Berechnung der Länge des Hohlraums lässt sich eine gesteigerte Genauigkeit erreichen, wenn die als Funktion der Frequenz bestimmte Impedanz einer Fourier-Transformation unterworfen wird und an der so erhaltenen Transformierten ein Maximalwert bestimmt wird. Dieser Maximalwert ergibt, gegebenenfalls mit der Schallgeschwindigkeit skaliert, ein direktes Maß der Länge des gemessenen Rohres bzw. typischen Länge des untersuchten Hohlraums. Eine gesteigerte Genauigkeit kann zusätzlich durch ein Zero-Padding der Daten vor der Transformation erreicht werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die die weitere Verarbeitung der gemessenen Daten vereinfacht, kann die Versorgungsschaltung die Schallquelle mit einem eine Wechselspannung/einen Wechselstrom mit veränderlicher Frequenz realisierenden Antriebssignal antreiben, und die Impedanz als Funktion der veränderlichen Frequenz gemessen wird.
• Die gestellte Aufgabe wird außerdem durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Länge eines ein Schall-leitendes Medium enthaltenden Hohlraums, insbesondere Rohres, mit einer Schallquelle und einer Versorgungsschaltung zum elektrisch Antreiben der Schallquelle gelöst, wobei die Versorgungsschaltung eine Messeinrichtung zum Messen der Impedanz der Schallquelle aufweist und dazu eingerichtet ist, die Impedanz als Funktion der Frequenz und/oder Zeit zu erfassen. Die Messeinrichtung beinhaltet beispielsweise eine mit der Schallquelle in Serie geschalteten Widerstand, der zur Messung der Stromaufnahme der Schallquelle zur Impedanzmessung verwendet wird.
• Dem entsprechend weist eine typische Messanordnung gemäß der Erfindung einen Lautsprecher oder elektro-akustischen Wandler anderer Art als Schallgeber, eine elektrische Versorgung – vorzugsweise in Form einer elektrischen Strom/Spannungsquelle (Wechselstrom/spannung, beispielsweise mit steuerbarer Frequenz) – als Treiber für den Lautsprecher und ein Impedanzmessgerät zu Messung der Impedanz des Lautsprechers auf. Die Antriebsquelle (die z. B. als Computer-Soundkarte realisiert sein kann) und das Impedanzmessgerät können mit einer Steueranlage, z. B. einem Computer, verbunden sein, wodurch die Messung und deren Auswertung automatisiert ablaufen können. Eine erfindungsgemäße Messanordnung benötigt keinen Schallsensor.
• Die erfindungsgemäße Lösung sieht vorzugsweise eine gute Kopplung des Tongebers an das zu untersuchende Rohr (den zu untersuchenden Hohlraum) vor. Bisher bekannte Verfahren koppeln einen Tongeber lose an das Rohr und bestimmen das Vorhandensein von Druckmaxima und/oder -minima (also von stehenden Wellen) am Rohrende durch einen zusätzlichen Schallaufnehmer. Koppelt man den tonerzeugenden Schallwandler jedoch direkt an das Rohr, so kann das Vorhandensein von stehenden Wellen durch Maxima und Minima der elektrischen Impedanz des tonerzeugenden Schallwandlers detektiert werden.
• Eine gute Ankopplung des Tongebers an den zu messenden Hohlkörper liegt vor, wenn akustische Verluste nach außen weitgehend vermieden werden. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, dass die von dem Tongeber abgegebene Schallenergie zumindest zum überwiegenden Teil in dem Hohlraum dissipiert. Dies ist im Gegensatz zu herkömmlichen Messgeometrien zu sehen, bei denen in aller Regel das Ausmaß der Ankopplung nicht berücksichtigt wird, wie etwa der „klassischen” Anbringung eines (kleinen) Lautsprechers innerhalb der Öffnung eines Rohres zu sehen, bei der ein großer Teil des vom Lautsprechers ausgehenden Schalls nach außen abgestrahlt und somit verloren geht.
• Die Erfindung samt weiterer Vorzüge wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, welche zeigen:
• 1 die Messanordnung des Ausführungsbeispiels zur Messung der Länge eines Rohres;
• 2 ein schematisches Schaltschema der Signalverarbeitung zur Aufnahme der frequenzabhängigen Impedanz;
• 3a und 3b ein Beispiel einer Messung an einem ersten geschlossenen Rohr, wobei 3a die gemessene frequenzabhängige Impendanz und 3b die daraus berechnete Fourier-Transformierte zeigen; und
• 4a und 4b ein weiteres Beispiel einer Messung an einem zweiten geschlossenen Rohr in den 3a und 3b entsprechenden Darstellungen.
• In 1 ist ein typischer Messaufbau 1 zur Messung der Länge eines Rohres 2 gezeigt. Ein Lautsprecher 11 ist über ein trichterförmiges Übergangsstück 12 mit einem Ende des Rohres 2 verbunden. Das andere Ende des Rohres (in 1 das untere Ende) wird durch einen Abschluss 13 geschlossen, beispielsweise durch einen aufgesteckten Deckel oder durch einen eingesteckten Stopfen. Im Falle einer Füllstandsmessung entspricht das untere Ende des Rohres der Oberfläche der Flüssigkeit und realisiert ebenfalls ein geschlossenes Ende im akustischen Sinne. In einer nicht gezeigten, aber unmittelbar einleuchtenden Variante könnte das untere Ende auch offen bleiben, was durch Weglassen des Abschlusses 13 realisiert würde.
• Der Lautsprecher 11 ist Teil einer elektrischen Versorgungsschaltung und wird von einer Wechselspannungsquelle 14 angetrieben. Die Impedanz des Lautsprechers 11 wird von einer als Impedanzmonitor dienenden Messeinrichtung 15 gemessen. Eine Steuereinrichtung 16, im Ausführungsbeispiel ein Personal Computer, steuert die Wechselspannungsquelle 12, insbesondere hinsichtlich der Vorgabe der Frequenz sowie gegebenenfalls Auswahl des über einen Messdurchlauf konstant gehaltenen Spannungswertes, und empfängt das von der Messeinrichtung 15 gemessene Amplitudensignale und zeichnet dieses auf.
• Bei dem in der Ausführungsform verwendeten Messverfahren wird die Frequenz einer als Antriebssignal verwendeten Sinuswelle schrittweise durch einen vorgegebenen Frequenzbereich gefahren und dem Lautsprecher zugeführt. Dies ist in 2 schematisch dargestellt. Ein als Signalgenerator 21 verwendeter lokaler Oszillator (LO) erzeugt gemäß einem von der Steuereinrichtung 16 (1) vorgegebenen Frequenzwert f ein Sinussignal s, das hier als Digitalsignal vorliegt; selbstverständlich kann das Signal s auch in Analogform realisiert sein. Ein als Verstärker und Spannungsversorgung des Lautsprechers dienender Digital-Analog-Wandler 22 erzeugt gemäß dem Signal s ein Wechselspannungssignal, das dem Lautsprecher 11 zugeführt wird. Der Strom durch einen mit dem Lautsprecher 11 in Serie geschalteten Widerstands 23 wird in einer Messeinheit 24 gemessen. Die Messeinheit 24 misst das Stromsignal über die am Widerstand 23 abfallende Spannung; dieses Signal wird mittels Analog-Digital-Konversion in ein Digitalsignal i umgewandelt. Aus diesem Signal wird dann die der Frequenz f entsprechende Frequenzkomponente ausgefiltert. Hierfür wird gemäß dem Prinzip des phasenempfindlichen Gleichrichters (Lock-In) das Signal i mit einem von dem Antriebssignal abgeleiteten Sinussignal jeweils in Phase und um 90° verschoben multipliziert, die beiden so erhaltenen Signalkomponenten werden Tiefpass-gefiltert (Komponenten LP = Tiefpässe 25) und deren Amplitude bestimmt und schließlich die Quadratwurzel der Summe der Quadratwerte der Amplituden der beiden Komponenten berechnet. Das so erhaltene Amplitudensignal u wird zusammen mit der jeweils zugehörenden Frequenz f aufgezeichnet.
• In einer Variante, bei der die Signale in analoger Form verarbeitet werden, kann anstelle der Lock-In-Filterung zur Verringerung des Einflusses von Rauschen das gemessene Signal, hier das am Widerstand 23 gemessene Stromsignal, auch über einen Bandpass gefiltert werden, dessen Mittenfrequenz sich bei der Antriebsfrequenz f befindet. In diesem Fall werden auch keine Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler (DAC bzw. ADC) benötigt.
• Die in 2 gezeigten Komponenten können als separate Bauteile einer Schaltung realisiert sein, oder einige oder alle Komponenten, insbesondere jene zur Signalverarbeitung, können mithilfe von Software auf einem Computer realisiert werden.
• Das so erhaltene frequenzabhängige Amplitudensignal wird sodann verwendet, um den Frequenzabstand der im Wesentlichen periodisch auftretenden Stromminima (Impedanzmaxima) zu bestimmen. Dies erfolgt im hier gezeigten Ausführungsbeispiel über eine diskrete Zeit-Fourier-Transformation, wobei vor der Transformation ein in den Daten gegebenenfalls vorliegender Mittelwert und linearer Trend abgezogen wird und eine Gewichtung mit einem von-Hann-Fenster mit der Größe des untersuchten Frequenz-Intervalls vorgenommen wird. In der so erhaltenen Transformierten (die nunmehr im Zeitraum liegt) erscheint ein Maximum an einem Wert, der dem Längenwert gemäß der stehenden Welle mit der Grundfrequenz entspricht; genauer gesagt entspricht dieser Längenwert, je nach Art des Rohres, 1/2 oder 1/4 der Wellenlänge. Wenn die im Zeitraum gefundene Periode des Signals als T bezeichnet wird, wird – im Falle eines am gegenüber liegenden Ende abgeschlossenen Rohres – die Länge L berechnet mit L = T·c/2, wobei c die Schallgeschwindigkeit des Mediums in dem gemessenen Rohr ist (z. B. Luft).
• Die Frequenzschritte, die bei der Analyse der Impedanz verwendet werden, werden gemäß dem Bereich, in dem der Messwert erwartet wird gewählt. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Abstand zwischen benachbarten Impedanzminima (oder -maxima) im Frequenzraum zumindest das Doppelte eines Frequenzschrittes beträgt, um Alias-Effekte ausschließen zu können. Außerdem muss die Gesamtzahl der Frequenzschritte groß genug sein, um zumindest zwei aufeinanderfolgende Minima (oder Maxima) abzutasten.
• Die Fourier-Transformation kann z. B. mit einem FFT-Algorithmus bekannter Art durchgeführt werden. Da ein einfacher FFT die Zeitauflösung auf 1/F beschränkt, wobei F die Weite des überdeckten Frequenzbereichs ist, kann zur Steigerung der Zeitauflösung ein Zero-Padding (Strecken des Signals mit eingefügten Nullwerten) vorgenommen werden. Das Zero-Padding erfolgt beispielsweise durch Hinzufügen einer Folge von Nullwerten am Ende der Messpunktreihe. Dies ergibt eine Steigerung der Zeitauflösung um das Verhältnis der Messpunktanzahl vor bzw. nach dem Zero-Padding, und ermöglicht eine genauere Bestimmung des Maximums in der Transformierten. Außerdem kann auf diese Weise die Anzahl der Messpunkte in der Messreihe auch eine für einen FFT-Algorithmus günstige Zahl der Datenpunkte, z. B. eine Zweierpotenz wie 2¹⁶ oder 2³² eingestellt werden.
• Eine FFT zur Berechnung und/oder Approximation der zeitdiskreten Fouriertransformierten (DTFT) mit derartig vielen Punkten benötigt naturgemäß entsprechend viel Speicher. Eine Verringerung des Speicherbedarfs kann dadurch erreicht werden, dass (1) mit einer FFT ohne Padding die (grobe) Position des Maximums bestimmt wird, und (2) ausgehend davon iterativ (z. B. mit einer binären Suche, oder Ähnlichem) eine genauere Lage des Maximums aufgesucht wird. Für die Suche des Maximums in Schritt (2) werden nur einzelne Punkte der DTFT benötigt, die z. B. durch direktes Implementieren der Analysegleichung oder mit Hilfe des Görtzel-Algorithmus berechnet werden können.
• Bei der Ankopplung des Lautsprechers an den zu messenden Hohlraum ist es besonders günstig, wenn der Lautsprecher einen Durchmesser hat, der dem Innendurchmesser des Rohres entspricht, bzw. die Fläche des Lautsprechers die Öffnung des zu messenden Hohlraumes gerade abdeckt. (Dies entspricht einer Ankoppelung ohne Übergangsstück 12 der 1.) Wenn die Größe des Lautsprechers und jene der Öffnung verschieden sind, kann zur Anpassung ein beispielsweise trichterartiges Übergangsstück entsprechend der Komponente 12 der 1 verwendet werden, das für einen akustischen Übergang (akustische Impedanzwandlung) sorgt, oder es können die seitlich verbleibenden Teile der Öffnung mit dämpfendem Material, z. B. Styropor od. dgl., ausgefüllt werden.
• In beispielhaften Versuchen wurde die Messung an verschieden langen Stücken (ca. 1,5 m und ca. 3,1 m) eines Abflussrohres mit 50 mm Durchmesser (HT DN 50) vorgenommen. Ein handelsüblicher Lautsprecher mit einem Membrandurchmesser von knapp 50 mm und nominalem Innenwiderstand von 50 Ohm wurde mithilfe von Isolierband an einem Ende des Rohres befestigt. Das andere Ende wurde mit einem Stopfen verschlossen. Die Impedanzmessung wurde unter Verwendung einer Messanordnung wie anhand 1 und 2 beschrieben gemessen. Spannungsquelle 22 und Messeinrichtung 24 wurden gemeinsam durch eine (in 2 durch einen Kasten 26 symbolisierte) Soundkarte des Typs Speedlink USB 2.0 realisiert, dessen Lautsprecherausgang mit dem Lautsprecher verbunden war und dessen Mikrophoneingang zur Messung der Spannung an einem mit dem Lautsprecher in Serie geschalteten 50 Ohm-Widerstand (entsprechend Widerstand 23 in 2) diente. Die weitere Verarbeitung der Signale wurde in 'Pure Data' durchgeführt; 'Pure Data' ist als zur Erstellung von interaktiver Multimedia-Software verwendete Programmumgebung wohlbekannt. Die in dem Ausführungsbeispiel durch 'Pure Data' verwirklichten Signalverarbeitungskomponenten sind in 2 durch einen Kasten 27 umrandet.
• 3a und 4a zeigen jeweils ein Beispiel eines so erhaltenen Amplitudensignals u als Funktion der Frequenz f. Den gezeigten Daten liegt eine Messung mit 32 Messpunkten der Impedanz im Bereich von 680 bis 990 Hz in 10 Hz-Schritten zugrunde, wobei zum Zwecke der gesteigerten Übersichtlichkeit und Deutlichkeit der Daten in der Darstellung der 3a und 4a der Mittelwert und der linearer Trend der Daten bereits abgezogen wurden. Das Amplitudensignal wurde jeweils in Matlab nachbearbeitet. Matlab ist als Software zur mathematischen Bearbeitung und graphischen Darstellung der mathematischen Resultate verwendete Software wohlbekannt. Die am Ende dieser Beschreibung stehende Tabelle 1 zeigt das im Ausführungsbeispiel zur Nachbearbeitung der Daten eines Amplitudensignals verwendete Matlab-Skript; hierbei wird vorausgesetzt, dass das Amplitudensignal in Form einer Textdatei vorliegt, in der in jeder Zeile ein Frequenzwert und der jeweils zugehörende Wert des Amplitudensignal als numerische Werte (z. B. in Fließkomma-Format) angegeben sind. In der Nachbearbeitung wird wie bereits erwähnt ein in den Daten gegebenenfalls vorliegender Mittelwert und linearer Trend abgezogen, eine Gewichtung mit einem von-Hann-Fenster vorgenommen und dann eine FFT durchgeführt; die so erhaltenen transformierten Daten können graphisch dargestellt werden, wie in 3b und 4b jeweils am Beispiel des Absolutwerts abs(T) der Transformierten als Funktion einer Längenskala ct gezeigt; die horizontale Skala wurde hierbei durch Multiplikation mit der Schallgeschwindigkeit c in Luft bei ca. 20°C auf ein Längenmaß skaliert. Gezeigt ist jeweils die aus einer direkten Fouriertransformation (FFT) gewonnene Transformierte sowie eine Transformierte, bei der vor der Fouriertransformation mit Zero-Padding (ZP-FFT) auf 2¹⁶ Werte erweitert wurden. Das Maximum der transformierten Funktion ist markiert. Wie anhand dessen in 3b und 4b ersichtlich ist, ergibt sich eine Länge von 1,579 m bzw. 3,268 m. Die Abweichung dieser Messwerte gegenüber den tatsächlichen Längen liegen bei wenigen Prozent und sind auf den einfachen Versuchsaufbau ohne genaue Kalibrierung der verwendeten Frequenzen und Überprüfung der Temperatur zurückzuführen. Es ist davon auszugehen, dass mit einem erfindungsgemäßen Messgerät mit kalibrierten Frequenzen und unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit eine sehr genaue Messung der Rohrlänge erreichbar ist.
• Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel eingeschränkt, sondern kann vielfältige Abänderungen und Variationen enthalten, und erstreckt sich auf alle Gestaltungen, die der Fachmann anhand der Ansprüche finden kann.
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  Tabelle 1: Matlab-Skript
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• AT 393738 B [0003]
• AT 397430 B [0003, 0009]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• M. Okamoto & S. Tanaka, ”An Accurate Pipe Length Measurement Using An Acoustic Sensor”, SICE 2002, Osaka, 5–7. Aug. 2002, S. 1105 [0003]

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen der Länge eines ein Schall-leitendes Medium enthaltenden Hohlraums, insbesondere Rohres, bei welchem eine an einer Öffnung des Hohlraums (2) positionierte Schallquelle (11) über einen Versorgungsschaltung (1) elektrisch angetrieben wird, die Schallquelle in dem Hohlraum Schallwellen erzeugt und die Intensität der in dem Hohlraum erzeugten Schallwellen als Funktion der Frequenz und/oder Zeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Schallquelle gemessen und als Funktion der Frequenz und/oder Zeit erfasst wird, Minima und/oder Maxima dieser Funktion bestimmt werden und die Länge des Hohlraums anhand des Abstands der so bestimmten Minima und/oder Maxima berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Minima und/oder Maxima der Impedanz als Funktion der Frequenz bestimmt werden und die Berechnung der Länge des Hohlraums anhand des Frequenzabstands aufeinanderfolgender Minima und/oder Maxima erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Länge des Hohlraums die als Funktion der Frequenz bestimmte Impedanz einer Fourier-Transformation unterworfen wird und an der so erhaltenen Transformierten ein Maximalwert bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsschaltung die Schallquelle mit einem eine Wechselspannung/einen Wechselstrom mit veränderlicher Frequenz realisierendes Antriebssignal antreibt, und die Impedanz als Funktion der veränderlichen Frequenz gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz über eine Messeinrichtung in der Versorgungsschaltung gemessen wird.
6. Vorrichtung zum Bestimmen der Länge eines ein Schall-leitendes Medium enthaltenden Hohlraums (2), insbesondere Rohres, mit einer Schallquelle (11) und einer Versorgungsschaltung (1) zum elektrisch Antreiben der Schallquelle, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (15) zum Messen der Impedanz der Schallquelle, wobei die Versorgungschaltung dazu eingerichtet ist, die Impedanz als Funktion der Frequenz und/oder Zeit zu erfassen.

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