DE102013016163A1

DE102013016163A1 - Verfahren zur Abstandsmessung mit Ultraschall

Info

Publication number: DE102013016163A1
Application number: DE201310016163
Authority: DE
Inventors: Ingo Zoyke
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Bei einem Verfahren zur Abstandsmessung mit Ultraschall, bei dem von einem Ultraschallwandler ein Signal ausgesandt wird, wird das reflektierte Signal von dem Ultraschallwandler empfangen und auf Basis der Signallaufzeiten ein Abstand berechnet. Um auch besonders kleine Abstände erfassen zu können, werden mindestens zwei reflektierte bzw. mehrfach reflektierte Signale gemessen und aus der Differenz der Signallaufzeiten wird ein Abstand berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung mit Ultraschall, bei dem von einem Ultraschallwandler ein Signal ausgesandt wird, das reflektierte Signal von dem Ultraschallwandler empfangen wird und auf Basis der gemessenen Signallaufzeit ein Abstand berechnet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Ultraschallsensor zur Abstandsmessung mit einer Auswerteinrichtung, mit der auf Basis der gemessenen Signallaufzeiten ein Abstand berechnet wird.
Die Abstandsmessung mit Ultraschall erfolgt dadurch, dass ein Ultraschallwandler mit einem kurzen Spannungspuls zum Schwingen angeregt wird und daraufhin einen Wellenzug aussendet. Dieser wird an einem Hindernis oder einem Objekt, dessen Abstand zum Ultraschallwandler gemessen werden soll, reflektiert. Das reflektierte Signal, das auch als Echo bezeichnet wird, trifft dann wieder auf den jetzt als Empfänger dienenden Ultraschallwandler. Aus der Laufzeit des Ultraschallsignals lässt sich der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem Objekt, an dem das Signal reflektiert worden ist, berechnen. Die grundsätzliche Formel lautet: D = ½C × ΔT.
Dabei ist D der Abstand, C die Schallgeschwindigkeit in dem entsprechendem Medium und ΔT die gemessene Signallaufzeit. Der Faktor ”1/2” beruht darauf, dass das Signal den Abstand zweimal durchlaufen muss, nämlich einmal auf dem Hinweg und nach der Reflektion auf dem Rückweg. Auf diesem Prinzip durchgeführte Abstandsmessungen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Abstandsmessung genutzt. Weiterhin werden auch Füllstandsmessungen in flüssigen Medien auf dieser Basis durchgeführt. Eine derartige Vorrichtung zur Bestimmung eines Füllstands, insbesondere zur Bestimmung eines Ölstands in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, ist beispielsweise in der DE 10 2010 011 492 A1 beschrieben. Dort sind im Detail eine Reihe von ergänzenden Maßnahmen beschrieben, die dazu dienen, das flüssige Medium zu entgasen, um ein blasenfreies Medium zu haben, in dem sich der Ultraschall ohne Ablenkung und verfälschende Reflektionen ausbreiten kann.
Bei diesem an und für sich bekannten Verfahren besteht jedoch das Problem, dass geringe Abstände oder geringe Füllstände nicht oder nur sehr schwer gemessen werden können, da eine gewisse Zeit gewartet werden muss, um den sogenannten ”Ringdown” abzuwarten. Der Ultraschallwandler benötigt nach dem Absenden des Impulses eine gewisse Zeit, um wieder in den Ruhezustand zurückzukehren. Während dieser Zeit muss darauf gewartet werden, dass der Ultraschallwandler ausgeschwungen ist, da ansonsten das empfangene Signal sich mit der Schwingungskurve des Sendesignals überlagert und nicht detektierbar ist. Daraus ergibt sich ein Blindbereich für die ultraschallbasierte Abstandsmessung, d. h. ein Bereich sehr kurzer Abstände, in denen der Abstand noch nicht gemessen werden kann. Dieser Blindbereich errechnet sich aus der ”Ringdown”-Zeit und der Schallgeschwindigkeit.
Es gibt verschiedene Ansätze zur Messung oder Verkürzung des ”Ringdown”. Wenn der Ultraschallwander nach Aussenden des Signals schneller ausschwingt, können eher wieder Signale empfangen werden und damit auch kurze Abstände zum Ultraschallwandler erfasst werden und so der Blindbereich verringert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und einen entsprechenden Ultraschallsensor zu schaffen, mit dem auch besonders kurze Abstände gemessen werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorrichtungsmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe mit einem Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einem Verfahren zur Abstandsmessung mit Ultraschall, bei dem von einem Ultraschallwandler ein Signal ausgesandt wird, das reflektierte Signal von dem Ultraschallwandler empfangen wird und aus der gemessenen Signallaufzeit ein Abstand berechnet wird, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass mindestens zwei reflektierte bzw. mehrfach reflektierte Signale gemessen werden und aus der Differenz der Signallaufzeiten ein Abstand berechnet wird.
Es kommt also nicht darauf an, das erste reflektierte Signal zu erfassen, das möglicherweise in der ”Ringdown”-Zeit eingeht, sondern mindestens zwei reflektierte bzw. mehrfach reflektierte Signale, also beispielsweise das zweite reflektierte und dritte reflektierte Signal, auch zweites und drittes Echo genannt, zu erfassen und deren Abstand zueinander zu bestimmen. Es ist daher nicht mehr erforderlich, das erste Echo oder das erste reflektierte Signal zu erfassen, sondern auch möglich, die Abstände der vielfach reflektierten Signale zu erfassen. Somit kann die Messung weiterhin nach dem ”Ringdown” stattfinden, also in einem Bereich, in dem die Signalgüte ausreichend gut ist. Dennoch können Füllstände erfasst werden, welche kleiner sind und deren erstes reflektiertes Signal daher eigentlich in der ”Ringdown”-Zeit zu messen wäre. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es daher möglich, sehr kleine Füllstände zu messen, deren erstes reflektiertes Signal innerhalb der ”Ringdown”-Zeit eingehen würde, ohne dass dazu der Ultraschallwandler selbst modifiziert werden muss, um die ”Ringdown”-Zeit zu verringern. Stattdessen wird erfindungsgemäß das Messverfahren geändert, indem die Differenz der Signallaufzeiten berechnet wird.
Soweit hier von dem ”reflektierte Signal” gesprochen wird, so ist damit entweder das erste oder auch ein mehrfach reflektiertes Signal oder Echo gemeint.
Bevorzugt werden unmittelbar aufeinanderfolgende, mehrfach reflektierte Signale gemessen. Es handelt sich also um die zeitliche Abfolge aufeinanderfolgender Signale oder Echos, beispielsweise das zweite und das dritte Echo oder auch den Abstand zwischen dem fünften und dem sechsten Echo. Die Abstände zwischen den einzelnen Echos oder reflektierten Signalen sind jeweils gleich. Diese Zeitintervalle entsprechen auch dem Zeitintervall, das zwischen dem Aussenden des ursprünglichen Signals und dem Empfangen des ersten reflektierten Signals besteht.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden mindestens drei reflektierte bzw. mehrfach reflektierte Signale gemessen und aus den Differenzen der Signallaufzeiten wird mindestens zweimal der Abstand berechnet. Dadurch ist eine Plausibilisierung der gemessenen Signale möglich. Auf diese Weise können Interpretationsfehler vermieden werden. Bevorzugt werden vier oder noch mehr Signale gemessen. Bei drei gemessenen Signalen kann aus dem ersten und zweiten Signal eine erste zeitliche Differenz und aus dem zweiten und dritten Signal kann eine zweite zeitliche Differenz ermittelt werden. Aus diesen kann dann jeweils ein Abstand berechnet werden. In gleicher Weise können aus vier gemessenen Signalen drei Abstände gemessen werden.
Alternativ können aus vier gemessenen Signalen auch zwei Abstände bestimmt werden, wenn beispielsweise das zweite und das dritte und das sechste und das siebte reflektierte Signal gemessen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mit dem beschriebenen Verfahren ein Füllstand einer Flüssigkeit, insbesondere ein Ölstand in einem Kraftfahrzeug gemessen, so wie dies in der eingangs genannten DE 10 2010 011 492 A1 erfolgt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Ultraschallsensors zur Abstandsmessung, der ein Ultraschallwandler und eine Auswerteeinrichtung aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung aus mindestens zwei reflektierten bzw. mehrfach reflektierten Signalen die Differenz der Signallaufzeiten ermittelt. Dies entspricht dem zeitlichen Abstand der aufeinanderfolgenden reflektierten bzw. mehrfach reflektierten Signale. Diese zeitliche Differenz kann in den räumlichen Abstand umgerechnet werden, wobei dabei auch wieder auf die eingangs genannte Formel zurückgegriffen werden kann.
Insbesondere wendet die Auswerteeinrichtung des Ultraschallsensors das oben beschriebenen Verfahren an.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Verwendung im erfindungsgemäßen Ultraschallsensor kann durch die Ermittlung der Signalabstände der Blindbereich deutlich verringert werden. Der Messbereich beginnt damit bei sehr kleinen Abständen oder sehr geringen Füllständen in Flüssigkeiten. Im Idealfall bestimmt nur noch die Signallänge die Größe des minimal messbaren Füllstandes.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Energie des ausgesandten Signals so eingestellt, dass mindestens ein dreifach reflektiertes Signal, insbesondere sogar ein vierfach reflektiertes Signal und in einer bevorzugten Ausführungsform sogar ein fünffach reflektiertes Signal noch so stark ist, dass dieses detektierbar ist. Es muss also so stark sein, dass eine ausreichende Signalgüte gegenüber dem Untergrundrauschen vorhanden ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die Darstellungen in:
1: Eine erste Darstellung, die das Messverfahren nach dem Stand der Technik verdeutlicht; und
2: eine zweite Grafik, die das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht
Sowohl in 1 als auch in 2 ist auf der X-Achse 1 die Zeit aufgetragen und auf der Y-Achse 2 die Signalstärke. Der Nullpunkt der X-Achse 1 entspricht der Aussendung des Signals, das von dem Ultraschallwandler ausgesandt wird. Die mit 3 gekennzeichnete Linie zeigt das typische Ausschwingverhalten des Ultraschallwandlers. Dieses wird auch als ”Ringdown” bezeichnet. Wird nun ein ausgesandtes Signal an einem sehr dicht beabstandeten Hindernis reflektiert, so trifft dies frühzeitig wieder auf den Ultraschallwandler so wie dies beispielsweise für die gestrichelte Linie 4 dargestellt ist. Dieses Signal liegt innerhalb des Ausschwingverhaltens des Ultraschallwandlers und kann daher nicht erfasst werden. Erst ein zu einem späteren Zeitpunkt, also von einem weiter entfernt reflektiertem Hindernis, reflektiertes Signal 5 kann erfasst werden, da zu diesem Zeitpunkt die Signalhöhe des reflektierten Signals größer ist als das durch das Ausschwingverhalten des Ultraschallwandlers erzeugte Schwingungssignal. Mit der gestrichelten Linie 6 ist daher der erfassbare Messbereich dargestellt, der zeitlich gesehen rechts von der Linie 6 beginnt. Der links von der Linie 6 liegende Bereich wird auch als Blindbereich bezeichnet.
In 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt. Auf der X-Achse 1 ist wieder die Zeit aufgetragen und auf der Y-Achse 2 ist die Intensität der Signale aufgetragen. Auch hier liegt das durch das Ausschwingverhalten des Ultraschallwandlers hervorgerufene ”Ringdown”-Signal 3 vor, das den Empfang des reflektierten Signals verhindert oder stört. Auch hier kann, so wie in 1, ein an einem dicht beabstandeten Gegenstand reflektiertes Signal 4 nicht erfasst werden, da dieses noch innerhalb des durch die ”Ringdown”-Schwingung 3 hervorgerufenen Rauschens liegt. Erfindungsgemäß werden jedoch jetzt auch die nachfolgenden Mehrfachreflektionen oder Mehrfachechos erfasst. Ein zweifach reflektiertes Signal ist hier als 4' bezeichnet. Dessen Intensität liegt in der Größenordnung noch in der selben Größenordnung wie die Intensität der ”Ringdown”-Schwingung 3. Es ist daher schwer, dieses Signal auszuwerten. Spätere Signale, hier als 4X, 4X+1 und 4X+2 bezeichnet, liegen jedoch außerhalb des ”Ringdown”-Signals 3. Indem der Abstand zwischen dem Signal 4X und dem Signal 4X+1 ermittelt wird, wird die Signallaufzeit einer Reflektion erhalten, so dass auch aus dieser Differenz der beiden Signale unmittelbar auf den Abstand des die Reflektion auslösenden Gegenstands geschlossen werden kann. Dieser Abstand 7 ist hier durch eine Klammer angedeutet. Bevorzugt wird weiterhin eine zweite Berechnung vorgenommen, die hier durch die Klammer angedeutet ist und mit der der Abstand 8 zwischen dem Signal 4X+2 und dem Signal 4X+1 berechnet wird. Erfindungsgemäß verschiebt sich dadurch der Messbereich auf die hier eingezeichnete Linie 6'. Diese wird im Wesentlichen von der Breite bzw. Zeitdauer eines reflektierten bzw. mehrfachreflektierten Signals 4 selbst bestimmt. In diesem Fall bestimmt also nicht die ”Ringdown”-Schwingung 3, sondern der messbar auflösbare Abstand zwischen zwei reflektierten Signalen 4X und 4X+1 den Messbereich, also den kleinsten messbaren Abstand.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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

DE 102010011492 A1 [0003, 0013]

Claims

Verfahren zur Abstandsmessung mit Ultraschall bei dem von einem Ultraschallwandler ein Signal ausgesandt wird, das von dem Ultraschallwandler empfangen wird und auf Basis der Signallaufzeiten ein Abstand berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei reflektierte bzw. mehrfach reflektierte Signale (4X, 4X+1) gemessen werden und aus der Differenz (7, 8) der Signallaufzeiten ein Abstand berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zeitlicher Abfolge jeweils das nächstfolgende reflektierte Signal gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei reflektierte bzw. mehrfach reflektierte Signale (4X, 4X+1, 4X+2) gemessen werden und aus den Differenzen der Signallaufzeiten mindestens zweimal der Abstand (7, 8) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren ein Füllstand einer Flüssigkeit gemessen wird.
Ultraschallsensor zur Abstandsmessung mit einem Ultraschallwandler und einer Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt und vorgesehen ist, mindestens zwei reflektierte bzw. mehrfachreflektierte Signale zu messen und aus der Differenz der Signallaufzeiten den Abstand zu berechnen.