DE10354473B4

DE10354473B4 - Mehrkanalige Ultraschall-Messeinrichtung

Info

Publication number: DE10354473B4
Application number: DE2003154473
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Molitor; Peter Dipl.-Ing. Weber; Marc Dip.-Ing. Rother; Mark Dr. Polifke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2023-11-22
Also published as: DE10354473A1

Abstract

Ultraschall-Messeinrichtung mit einer zentralen Steuereinheit (1), die mehrere Kanäle (3–7) für den Anschluss von Ultraschallsensoren (2) zur Abgabe und/oder zum Empfang von Ultraschallsignalen aufweist und die eine progammgesteuerte Ultraschallelektronik mit zumindest einem Signalgeber für die Ansteuerung der Ultraschallsensoren (2) zur Abgabe der Ultraschallsignale sowie einer Auswerteeinheit für die Auswertung von Empfangssignalen der Ultraschallsensoren (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (1) für die Erzeugung und den Empfang von niederfrequenten Ultraschallsignalen für Laufzeitmessungen in gasförmigen Medien über Messungen von Körperschall bis hin zu hochfrequenten Ultraschallsignalen für Laufzeitmessungen in flüssigen Medien mit den Ultraschallsensoren (2) ausgebildet ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Messeinrichtung für die Durchführung unterschiedlicher Messaufgaben, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Ultraschall-Messeinrichtungen werden in vielen technischen Bereichen, bspw. zur Abstandsmessung, zur Füllstandsmessung oder auch zur Messung von Körperschall im Bereich der Materialprüftechnik eingesetzt. Für unterschiedliche Messaufgaben ist hierbei jeweils eine andere Steuer- und Signalverarbeitungselektronik für die eingesetzten Ultraschallsensoren erforderlich, da bspw. Abstandsmessungen in Luft mit niederfrequenten Ultraschallsignalen durchgeführt werden, während Füllstandsmessungen in Flüssigkeitsbehältnissen den Einsatz hochfrequenter Ultraschallsignale erfordern. Für Messaufgaben im Kraftfahrzeug, wie bspw. die Abstandsmessung als Einparkhilfe, sind die eingesetzten Ultraschallsensoren daher jeweils mit einer eigenen Steuerelektronik verbunden, die häufig am oder nahe am Ort der Sensoren selbst angeordnet und in die Sensoren integriert ist.

Die DE 20308928 U1 offenbart eine Anordnung zur Messung von Niveauhöhen geschichteter Flüssigkeiten, z.B. für eine Benzinfraktion auf Prozesswasser in einem Cracker. Die Anordnung beaufschlagt das Benzin/Wasser-Gemisch mit Ultraschall variabler Frequenz und bestimmt die Höhe der Flüssigkeitsschichten über eine Auswertung der reflektierten Ultraschallsignale.

Die DE 4025326 C2 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Flüssigkeitshöhe in einem Behälter mittels Ultraschall. Um punktuelle Messungen der Flüssigkeitshöhen zu vermeiden werden die vom Ultraschallgeber ausgesendeten Ultraschallsignale mit einer akustischen Linse aufgefächert.

Die US 6397656 B1 ist damit befasst, den Flüssigkeitspegel in einem Behälter mittels Ultraschall von der Außenseite des Behälters her zu bestimmen. Um Fehler durch variable Behälterwanddicken zu vermeiden wird die Frequenz des Ultraschallgebers variiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ultraschall-Messeinrichtung anzugeben, die sich in kostengünstiger Weise für Messaufgaben, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, einsetzen lässt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Ultraschall-Messeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Messeinrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Patentansprüche 5 und 6 geben die bevorzugte Verwendung der vorgeschlagenen Ultraschall-Messeinrichtung an.

Die vorliegende Ultraschall-Messeinrichtung besteht aus einer zentralen Steuereinheit, die mehrere Kanäle für den Anschluss von Ultraschallsensoren zur Abgabe und/oder zum Empfang von Ultraschallsignalen aufweist und die eine programmgesteuerte Ultraschallelektronik mit zumindest einem Signalgeber für die Ansteuerung der Ultraschallsensoren zur Abgabe der Ultraschallsignale sowie einer Auswerteeinheit für die Auswertung von Empfangssignalen der Ultraschallsensoren umfasst, wobei die zentrale Steuereinheit für die Erzeugung und den Empfang von niederfrequenten Ultraschallsignalen für Laufzeitmessungen in gasförmigen Medien über Messungen von Körperschall bis hin zu hochfrequenten Ultraschallsignalen für Laufzeitmessungen in flüssigen Medien mit den Ultraschallsensoren ausgebildet ist.

Die Steuereinheit der vorliegenden Ultraschall-Messeinrichtung ist somit in der Lage, Signale von niederfrequentem Ultraschall in Luftschall bis zu hochfrequentem Ultraschall in Flüssigkeiten zu erzeugen, zu empfangen und auszuwerten. Durch die Möglichkeit der mehrkanaligen Messung kann an mehreren Messstellen bspw. zur Mittelwertbildung der Fläche eines Behälters und/oder auch an unterschiedlichen Medien gemessen werden. Die vorliegende Messeinrichtung ermöglicht den Anschluss unterschiedlicher Ultraschallsensoren zum Erzeugen und Empfangen von Ultraschallpulsen, insbesondere für die Messung der Laufzeiten in gasförmigen, flüssigen und festen Medien in einem Kraftfahrzeug. Dabei wird die Steuereinheit zentral angeordnet, während die für unterschiedliche Messaufgaben spezialisierten Ultraschallwandler an den verschiedenen Messorten untergebracht werden. Durch die Ausgestaltung der Steuereinheit für die Erzeugung, den Empfang und die Auswertung des gesamten Bereichs der Schallfrequenzen für gasförmige, flüssige wie auch feste Medien lässt sich die vorliegende Messeinrichtung variabel einsetzen und ermöglicht auch die gleichzeitige Durchführung der unterschiedlichsten Messaufgaben.

Dies ermöglicht eine kostengünstige Realisierung von Ultraschall-Messaufgaben mit der vorliegenden Messeinrichtung vor allem dann, wenn derartige unterschiedliche Messaufgaben bspw. im Kraftfahrzeug anfallen. Hierbei müssen lediglich entsprechend an die Messaufgaben angepasste Ultraschallsensoren eingesetzt werden, ohne jedoch für jede Messaufgabe eine andere Steuerelektronik einsetzen zu müssen. Die Ultraschallsensoren selbst können dabei als einfache an die Messaufgabe angepasste Ultraschallwandler ohne eigene Auswerte- oder Steuerelektronik ausgestaltet sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Ultraschall-Messeinrichtung ist die Steuereinheit so ausgebildet, dass sie mehrere an unterschiedlichen Messstellen eines Flüssigkeitsbehältnisses angebrachte Ultraschallsensoren mit Hochfrequenzsignalen zur Durchführung einer Laufzeitmessung ansteuern und die von den Ultraschallsensoren empfangenen Signale zur Ermittlung des Füllstandes des Flüssigkeitsbehältnisses auswerten kann. Die Übertragung der Steuersignale sowie der Empfangssignale kann dabei mittels einer Multiplexeinrichtung erfolgen. So können bspw. bei der Füllstandsmessung an Kraftstofftanks mehrere am Tank angebrachte Sensoren zu einer Sensorgruppe zusammengeschaltet werden. Eine von der Auswerteeinrichtung der Steuereinheit durchgeführte Mittelung über die Einzelwerte der Messstellen der einzelnen Ultraschallsensoren liefert dann bei nicht lotrechter Tankausrichtung den tatsächlichen mittleren Füllstand.

In gleicher Weise kann bspw. bei der Abstandsmessung zur Einparkhilfe im Wechsel einer von mehreren Sensoren die Funktion des Senders übernehmen, während die übrigen Sensoren als Empfänger arbeiten. Durch zyklisches Weiterschalten zwischen Sende- und Empfangsbelegung lassen sich auch Hindernisse im ansonsten toten Winkel ausmachen. Die Steuereinheit ist in dieser Ausgestaltung neben anderen Funktionen für die Ansteuerung der entsprechenden Ultraschallsensoren mit niederfrequenten Signalen zur Durchführung einer Laufzeitmessung in Luft und zur Auswertung der von diesen Ultraschallsensoren erhaltenen Empfangssignale zur Ermittlung eines Abstandes eines Objekts von diesen Ultraschallsensoren ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass sie die von einem oder mehreren weiteren als Körperschallsensoren ausge bildeten Ultraschallsensoren erhaltenen Empfangssignale zur Überwachung von hochfrequenten Körperschallsignalen auswertet. Auf diese Weise lassen sich über den hochfrequenten Körperschall bspw. Lager und Wellen eines Kraftfahrzeugs während des Betriebs überwachen. Bahnt sich ein Schaden an, verändert sich die Signalform der Körperschallsignale. Eine derartige Veränderung der Signalform kann in dieser Ausgestaltung von der Steuereinheit erkannt werden, so dass frühzeitig, vor dem Ausfall von Komponenten, ein Defekt erkannt und darauf reagiert werden kann.

Selbstverständlich lassen sich die vorgenannten Ausgestaltungen beliebig miteinander kombinieren, so dass die Steuereinheit auch alle genannten Messaufgaben gleichzeitig durchführen kann. Grundsätzlich lässt sich mit der vorliegenden Messeinrichtung je nach Programmierung der Ultraschallelektronik der Steuereinheit jede Art von Ultraschallsignalen erzeugen und auswerten, insbesondere für Messaufgaben in einem Kraftfahrzeug von der Höhenlagendetektion bis zur Lagerüberwachung. Die vorliegende Ultraschall-Messeinrichtung ermöglicht die Durchführung all dieser Messaufgaben mit einer einzigen Messtechnik. Die zentrale Steuereinheit umfasst hierzu vorzugsweise einen Mikrocontroller, der entsprechend für die anfallenden Messaufgaben programmierbar ist, und einerseits die geeigneten Signalformen zur Ansteuerung der jeweiligen Ultraschallwandler auf den unterschiedlichen Kanälen für die jeweiligen Messaufgaben generiert und andererseits die geeigneten Auswertealgorithmen für die Auswertung der Messungen beinhaltet.

Die vorliegende Ultraschall-Messeinrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals kurz erläutert.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Figur zeigt ein Beispiel für einen Einsatz der vorliegenden Ultraschall-Messeinrichtung zur Füllstandsmessung an einem Kraftfahrzeugtank. Besteht ein derartiger Tank aus mehreren Kammern mit unterschiedlichen Ebenen, so kann der Gesamtfüllstand nur durch Verknüpfung der Messwerte von mehreren Einzelmessstellen ermittelt werden. Ebenso verhält es sich bei einem zur Fahrbahn schräg verlaufenden Tankboden, wie dies in der Figur schematisch veranschaulicht ist. Durch den nicht lotrecht verlaufenden Tankboden des Kraftfahrzeugtanks 10 verläuft die Oberfläche des Kraftstoffs 11 nicht parallel zum Tankboden.
Im vorliegenden Beispiel werden zur korrekten Erfassung des Kraftstoff-Füllstandes in einem derartigen Fall vier Ultraschallsensoren 2 am Tankboden angebracht. Jeder dieser Ultraschallsensoren 2 ist über einen Kanal 3 mit der Steuereinheit 1 der vorliegenden Messeinrichtung verbunden. Die Steuereinheit 1 umfasst die programmgesteuerte Ultraschallelektronik in Form eines Mikrocontrollers, eines Signalgebers für die Ansteuerung der Ultraschallsensoren und einer Auswerteeinheit mit einem vorgeschalteten Verstärker für die Auswertung und Verstärkung der Empfangssignale. Die Steuereinheit 1 steuert über den Signalgeber die einzelnen Ultraschallsensoren 2 über die unterschiedlichen Kanäle 3 an, so dass diese Ultraschallpulse für eine Ultraschalllaufzeitmessung aussenden und die reflektierten Ultraschallsignale empfangen. Bei dieser Messung wird die Laufzeit in der jeweiligen Flüssigkeitssäule über jedem Ultraschallsensor 2 bis zur Grenzschicht zur Luft gemessen. Als Ultraschallsensoren 2 können sehr einfache Ultraschalwandler eingesetzt werden, da keinerlei Signalverarbeitung in diesen Wandlern stattfindet. Die Signalverarbeitung und Auswertung der von den einzelnen Wandlern empfangenen, reflektierten Ultraschallsignale erfolgt in der zentralen Steuereinheit 1 der Messeinrichtung. Durch die Mittelung über die von den vier Ultraschallwandlern 2 gemessenen Laufzeiten kann im vorliegenden Fall der Füllstand des Kraftstofftanks 10 trotz der Schräglage genau bestimmt werden.
Neben der Messaufgabe zur Bestimmung des Füllstandes des Kraftstofftanks umfasst die Steuereinheit 1 der vorliegenden Messeinrichtung weitere Kanäle für den Anschluss weiterer Ultraschallwandler, bspw. Kanäle 4 für die Messung des Füllstandes der Bremsflüssigkeit, Kanäle 5 für die Messung des Füllstandes der Scheibenwaschflüssigkeit, Kanäle 6 für die Verbindung mit den Ultraschallsensoren, die eine Abstandsmessung in Luft zur Einparkhilfe durchführen, oder Kanäle 7 für die Beifahrer-Anwesenheitskontrolle.
Der Mirkocontroller der zentralen Steuereinheit 1 erzeugt für die unterschiedlichen Messaufgaben jeweils die geeignete Signalform der Ansteuersignale. Damit wird es möglich, bspw. aufgrund der frequenzabhängigen Dämpfung in einigen Medien, zur Messung kleiner Füllstände mit hohen Frequenzen und damit verbunden einer hohen Auflösung und zur Messung großer Füllstände mit niedrigen Frequenzen bei geringerer Auflösung zu arbeiten.
Die jeweils aus den Messungen erhaltenen Auswerteergebnisse werden zur Anzeige 8 gebracht. Weiterhin ist eine Verbindung zu einem Alarmgeber 9 vorgesehen, der bei Unter- oder Überschreiten bestimmter Grenzwerte ein entsprechendes Warnsignal abgibt. In einem Kraftfahrzeug werden die Auswertedaten hierbei vorzugsweise an einen Bordrechner zur Anzeige oder zum Auslösen des Alarmsignals übermittelt.
Mit der vorliegenden Ultraschall-Messeinrichtung lassen sich somit mit einer einzigen Messtechnik die unterschiedlichsten Ultraschall-Messaufgaben durchführen. So können bspw. für Aufgabenstellungen in einem Kraftfahrzeug

– der Füllstand von Kraftstoff und/oder von Scheibenwasch- und/oder Bremsflüssigkeit durch Laufzeitmessung im flüssigen Medium bestimmt werden, und/oder
– durch Laufzeitmessung in Luft ein Abstand zu einem Objekt, bspw. beim Einparken, und/oder die Anwesenheit eines Beifahrers zur Airbagsteuerung detektiert werden, und/oder
– durch Überwachung von hochfrequenten Körperschallsignalen frühzeitig Lagerschäden an Kraftfahrzeugkomponenten erkannt werden.

1: Steuereinheit
2: Ultraschallsensor
3: Messkanal
4: Messkanal
5: Messkanal
6: Messkanal
7: Messkanal
8: Anzeige
9: Alarmgeber
10: Kraftstofftank
11: Kraftstoff

Claims

Ultraschall-Messeinrichtung mit einer zentralen Steuereinheit (1), die mehrere Kanäle (3–7) für den Anschluss von Ultraschallsensoren (2) zur Abgabe und/oder zum Empfang von Ultraschallsignalen aufweist und die eine progammgesteuerte Ultraschallelektronik mit zumindest einem Signalgeber für die Ansteuerung der Ultraschallsensoren (2) zur Abgabe der Ultraschallsignale sowie einer Auswerteeinheit für die Auswertung von Empfangssignalen der Ultraschallsensoren (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (1) für die Erzeugung und den Empfang von niederfrequenten Ultraschallsignalen für Laufzeitmessungen in gasförmigen Medien über Messungen von Körperschall bis hin zu hochfrequenten Ultraschallsignalen für Laufzeitmessungen in flüssigen Medien mit den Ultraschallsensoren (2) ausgebildet ist.
Ultraschall-Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1) für die Ansteuerung mehrerer erster an unterschiedlichen Messstellen eines Flüssigkeitsbehältnisses (10) angebrachter Ultraschallsensoren (2) mit Hochfrequenzsignalen zur Durchführung einer Laufzeitmessung in einem flüssigen Medium (11) und für die Auswertung der von den ersten Ultraschallsensoren (2) erhaltenen Empfangssignale zur Ermittlung des Füllstandes des Flüssigkeitsbehältnisses (10) ausgebildet ist.
Ultraschall-Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1) für die Ansteuerung ein oder mehrerer zweiter Ultraschallsensoren mit niederfrequenten Signalen zur Durchführung einer Laufzeitmessung in Luft und die Auswertung der von den zweiten Ultraschallsensoren erhaltenen Empfangssignale zur Ermittlung eines Abstandes eines Objektes von den zweiten Ultraschallsensoren ausgebildet ist.
Ultraschall-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1) für die Auswertung der von dritten Ultraschallsensoren erhaltenen Empfangssignale zur Überwachung von hochfrequenten Körperschallsignalen ausgebildet ist.
Verwendung der Ultraschall-Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche für Messaufgaben in einem Kraftfahrzeug.
Verwendung nach Anspruch 5 für die Messung des Kraftstofffüllstandes und/oder des Füllstandes der Bremsflüssigkeit und/oder des Füllstandes der Scheibenwaschflüssigkeit und/oder eines Abstandes des Kraftfahrzeugs zu einem Hindernis und/oder zur Kontrolle der Anwesenheit eines Beifahrers.