DE1623537A1 - Vorrichtung zum Messen von Abstaenden mittels Ultraschall - Google Patents

Vorrichtung zum Messen von Abstaenden mittels Ultraschall

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DE1623537A1
DE1623537A1 DE19661623537 DE1623537A DE1623537A1 DE 1623537 A1 DE1623537 A1 DE 1623537A1 DE 19661623537 DE19661623537 DE 19661623537 DE 1623537 A DE1623537 A DE 1623537A DE 1623537 A1 DE1623537 A1 DE 1623537A1
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Description

MUnohen, den 8.Nov. 1967 Mein Zeichen: 45 -
Siiohrilbung
zu der Patentanmeldung 4er Firna
Realisatione ültrasoniques, S.A., 9» Chaussee de Baris,
77 Meaux
betreffend "Vorrichtung zum Hessen von Abständen mittels Ultraschall1*
Priorität* 8» Vovember 1966 - Frankreich
Die Erfindung besieht sich auf Abstandsmeseungen und betrifft insbesondere die Bestimmung der lage irgend einer Fläche, die zwei verschiedene Orte voneinander trennt» durch Messen der Zeit» die ein Ultrasohallimpuls sum Durchlaufen des Hin- und Rückweges swlsohen der aussendenden und der reflektierenden Oberfläche, deren lag· besessen werden soll» benötigt· Diese £eitaeteung tonn durch digitale Einrichtungen geschehen, etwa durch Sih« len der Uhrlnpulee wHHrtaA der en »essenden SeIt9 oder
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durch analog arbeitende Einrichtungen, etwa zum Messen der Endamplitude einer stetig entsprechend einem vorgegebenen Gesetz ansteigenden Spannung·
Es 1st offensichtlich, daß die Genauigkeit der Messung von dem Augenblick der Auslosung der Zählung (bsi digitalen Einrichtungen) oder der Erzeugung der Spannung (bei analogen Einrichtungen) abhängt. Sie Auslösung hängt offensichtlich selbst wieder von der Form des reflektierten Impulses ab. Praktisch hat der an der Hessfläche reflektierte Impuls abgerundete Flanken, selbst wenn der elektrische Erregungsimpuls des Wandlers vollständig rechteckig ist. Die Auslösung geschieht daher mit einer geringen Verzögerung, die sich als Funktion der Laufzeit und insbesondere der Amplitude des reflektierten Impulses ändert, welche selbst wieder eine Funktion dar zu messenden Entfernung ist· Die von der Vorrichtung abgegebenen Anzeigewerte sind daher nicht linear, und die Verzögerung vergrößert eich mit der Entfernung·
Diese Fehlerquelle läßt eich oft dadurch korrigieren, indem man die Verstärkung der Aufnahmeeinrichtung ale Funktion der Zelt ändert, um dadurch die Absohwäohung dee reflektierten Impulses auszugleichen.
Wenn Jedooh verhältnismäßig bedeutende Entfernungen gemessen werden sollen, insbesondere bei gaaförmigtn Stoffen,
BAD OAfQINAt 009883/0685
so macht das Empfangesignal wesentliche Amplltudenänderuttgen durch, die durch das vorstehend genannte Verfahren nicht iiamer korrigiert werden können und daher unannehmbare Hessfehler verursachen»
Der Erfindung liegt die Aufgehe zugrunde, den obengenannten Messfehler zu vermeiden, indem die Meßschaltung bei einem Amplitudenwert ausgelöst wird, hei dem das Echo- ^ signal einen vorbestimmten Bruchteil seines Amplitudenmazimuns angenommen hat ,wobei dieser Wert unabhängig von der Höhe des Amplitudenmaximums praktisch gleich bleibt.
Die Torrichtung nach der Erfindung umfaßt einen Maximumdetektor, dessen Ausgangsspannung proportional zur Höhe des Amplitudenmaximums V des Echosignales 1st und an die Zeitmesschaltung geleitet ist, um die Auslöseschwelle auf ein Niveau einzuregeln, welches einen vorbestimmten Bruchteil des Amplitudenmaximums IT darstellt,und umfaßt ferner eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten Echo*- ν signales an die Meßschaltung, welches eine vorbestinaite Verzögerung im Vergleich zu dem an die Naxiinuadetektorschaltung geleiteten Echosignal aufweist»
Sas zweite Echosignal wird vorzugsweise dadurch erzeugt, daß ein Paar Sendeimpulse verwendet werden, die gegeneinander um die vorbestimmte Verzögerung versetzt sind,
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und daß der erste Impuls mittels eines Fensterverstärkers oder dergleichen ausgesondert wird. Bas aweite Signal läßt sick jedoch auch ausgehend von einem einzigen reflektierten Signal erzeugen, und zwar mittels einer Verzögerungsleitung. In beiden Fällen 1st die vorbastimmte Verzögerung größer als die Anstiegszeit dee an dem Maximimdetektor geleiteten Impulses (Wellenzuges)·
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Aueführungsbeispielen ergänzend beschrieben.
Figur 1 ist ein Blockschaltbild der grundlegenden Torrichtung nach der Erfindung;
Figur 2 zeigt die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Figur 1;
Figur 5 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Aueführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;
Figur 4 zeigt die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Figur 3;
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Generator 1 zum Erzeugen wiederholter elektrischer Impulse, der einen Ultraschallfrequenj58,ender £·= impulsmoduliert,
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BAD OfMGtNAl.
Die derart erzeugten wiederholten Ultraachallimpulse gelangen an einen Wandler 3, 4er ein ultrasehairbtindel erzeugt und gegen die Fläche S aussendet, deren Entfernung D von dem Wandler gemessen werden soll« Die reflektierten Impulse (Eehoimpulse) sowie der Sendeimpuls gelangen an einen Empfänger 4 und von dort in eine Zeitmeßvoralch-" tung 5»
Der vorstehend beschriebene Seil der Yorrlöhtung ist an sich bekannt» Die SSeitmeßvorriohtung 5 kann sum Beispiel in Analogbauart ausgeführt sein, wie in des? französischen Patentanmeldung der Anmelderin vom 1o« fobamar 1966 mit dem 3?itel: Pore8dö et dispositiv de meaure- analogize de distance en moyen d1impulsions ultrasonores beschrieben ist, oder digital arbeite», etwa gemäß der französischen Patentanmeldung der Anmelderin vom 8*Pebruar 1966 mit· dem Titels PoroötlS* et diapositiv de mesür© digitale de distanc© ύη saoyen d*impulBions ultri eonoreeβ Die Erfindung läßt sich 3@doeh unabhängig von der Airfc der EatfernuagemeS^orrichtung gaaa all^©m@in bsi Ultra-.sehallmeBgeräten (leholotgeräfcen), anweaden und betrifft au&sehlioßliöh die KorrektuKvorriöhtuag füs1 fehlen gmzmü von
t in
β la© g
BAD ORIGINAL
ist von an sich bekannter Bauart, beispielsweise ein Diodengleichrichter mit einer bestimmten Zeitkonstante, die durch einen Kondensator bestimmt 1st. Der Ausgang des Gleiohrichters ist an einen Spannungsteiler geführt, der die Maximumspannung halbiert* Die Verzögerungsvorrichtung kann eine einfache Verzögerungsleitung bilden oder gemäß Figur 3 aufgebaut sein«
Die Schwellwertregelvorriehtung 5a ist beispielsweise eins Vergleichsschaltung (bascule) oder ein Differentialverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor« In beiden Fällen entsteht am Ausgang ein Impuls mit konstanter Amplitude, welcher ausreicht, um die eigentliche Zeitmeßvorrlchtung 5 auszulösen, und zwar jedes HaI9 wenn die Signale B und C an den beiden Eingängen der Vergleichsschaltung oder des DifferentialVerstärkers gleichzeitig die Amplitude y/2 haben.
Figur 2 zeigt fii@ Wellenformen der Siipaale an den St©l« len A9 B und G von Pigur 1, Man erkennt, daß der von des? Obtr.flM.che S reflektierte Impuls R abgerundete hate selbst wenn der Sandeimpuls E vollkommen ißt* Wie bekanntj mißt die Eeitmeßvorricfctinig 5 das terra!! 3?s welches proportional der zu messenden imag D Ibta Bei. den bekannten Vorrichtungen wolät &i 2©iijü€ßirorrioiit'mig 5 aine konstante Auelo'eesahwell© wobei die gelt ϊ mit einem Köhler behaftet tst9 üi& Beit entspricht, yslslie dia Vorderflanke "des s?sfl©kties?-
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BAD DRiOlNAL.
■ - 7 -
ten Impulses benötigt» um den vorgegebenen Sehwellwert zu erreichen. Dieser Fehler hängt offensichtlich von der Flankensteilheit ab, die gemäß Obigem sehr verschieden sein kann·
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird die Zeitmeßvorrichtung 5 bei einem variablen Schwellwert ausgelöst, der gleich einem vorbestimmten Bruchteil, etwa 1/2 der ~
variablen Maximalamplltude V des reflektierten Impulses H 1st. Praktisch ändert sich der reflektierte Impuls von einem Zyklus zum anderen durch Änderung des Ordinatenmafistabee ohne Änderung der Abszissenwerte, wobei die Zeit t t, die die Vorderflanke der Höhlkurve eines Impulses benötigt, um den bestimmten Bruchteil des Amplitudenmaxixnums zu erreichen, konstant 1st, unabhängig von der Höhe des Amplitudenmaximums (siehe Figur 2 C).
Es 1st offensichtlich, daß zum Auslösen der Schwellwerk- i regelvorrichtung 5& die Spannung -g bereite am Ausgang des Detektors 6 in dem Augenblick vorhanden sein muß9 wo die Amplitude des reflektierten Impulses, die an die Koinze-
dendschaltung gelegt ist, den Wert -g annimmt. Daher ist es erforderlich, den reflektierten Impuls um die Zeit t zu verzögern.
Die Zeitmeßvorriohtung mißt zwar tatsächlich die Zeit T + at, da jedoch α t während der gesamten Messung
BAß ORIGINAL
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konstant bleibt, ist es leicht, dies bei dem Ergebnis zu berücksichtigen·
Bei der in Figur 3 dargestellten abgeänderten Vorrichtung nach der Erfindung ist aus Kostengründen keine Verzögerungeleitung verwendet, welche vielmehr durch eine Schaltung ersetzt ist, die einen bistabilen Kippkreis 8, einen Monovibrator 9 und eine Koinzqd umschaltung 1o umfaßt. Die übrigen Teile 1 bis 6 entsprechen den Bauteilen der Vorrichtung nach Figur 1-.
Der Sender 2 sendet bei jedem Zyklus zwei identische Impulse E1 und E2 aus» welche in einem zeitlichen Abstand tr, etwa von einigen Milli-Sekunden, aufeinanderfolgen. Es werden daher zwei Echosignale R1 und Rg empfangen, die um den gleichen Zeitraum tr voneinander getrennt sind (Figur 4).
Die bistabile Kippschaltung 8 erzeugt einen Rechteckimpuls F, dessen Vorderflanke von dem ersten Impuls E1 synchronisiert wird und dessen Hinterflanke durch den ersten Echoimpuls R1 synchron is iert wird. Die an die Kippschaltung 8 angeschlossene Ausgangsschaltung 8a formt die beiden Flanken des Rechteokimpulses durch Differenzierung in Nadelimpulse entgegengesetzter Polarität um und tiberträgt nur den der Hinterflanke entepre-
BAD ORIGINAL
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ehenden lfadelimpuls, was durch Verwendung einer entspre chend gepolten Diode erreicht isir.
Der Monovibrator 9 wird also von der Hinterflanke des Hechteekimpulses F ausgelöst» wobei der monostabile Zustand während der Zeit β bestehen bleibt« Diese Zelt let so gewählt, daß die Hinterflanke des Monovibratorimpulses 6 zwischen die beiden Echoimpulse R1 und R2 flq.it.
Daher wählt die Ko inZ'ti einschaltung Io den Echoimpuls Rp und überträgt diesen an die Schwellwertregelvorriehtung 5a. Der Übrige Teil der Vorrichtung funktioniert wie die Vorrichtung nach Figur 3. Die Schaltungen 8, 9 und erzeugen also die Wellenform Figur 4 C, nämlich das um die Zeit tr in Bezug auf das erste Echosignal Hj verzögerte Echosignal. Das erste Echosignal R1 in dem Detektor 5a wird aur Bestimmung der Maximalampiitude verwendet.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur Messung von Entfernungen mittels Ultraschall impulsen, mit einem Sender zum wiederholten Erzeugen von Ultraschallimpulsen, mit einem Empfänger zum Bnpfangen der reflektierten Echosignale, und mit einer Zeltmeßeinrichtung zum Hessen der Zeit, die zwischen der Aussendung eines ültraschallimpulses und dem Empfang dee Echosignales desselben verstrichen ist, gekennzeichnet durch eine zum Auslösen der Zeitmeßvorrichtung bestimmte Auslösevorrichtung, welche so beschaffen let, daß sie ein Auslösesignal erzeugt, wenn das Echosignal einen vorbestimmten Bruchteil seines Maximalwertes erreicht hat.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete daß die Auslösevorrichtung einen Maximumdetektor umfaßt, dessen Ausgangsspannung proportional zur Maxiraumampllttiile eines Echosignales ist und an die Zeitmeßeinrientung geleitet wird zur Einstellung des Auslöseschwellwertes, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist zum Einspeisen eines zweiten Echosignales an die Seitmeß β isirJLohtung wit
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    einer vorbestimmten Verzögerung gegenüber dem an den ai^iAd«Vektor geleiteten Signal.
    3c Yorr..chöTuig nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender bei Jedem Zyklus ein Paar Impulse aussendet, die um einen vorbestimmten Betrag gegeneinander Terzögert sind* und daß eine Sperrechaltung -vorgesehen isti die den ersten der beiden jeweils zugeord- % neten Echoimpulse unterdrückt.
    4. Vorrichtung naoh Anspruch. 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltung einen bistabilen Multivibrator, •einen daran anschließenden Monovibrator sowie eine darauf folgende Köinz idenzsehaltung umfaßt.
    5* Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des zweiten Echos ig*= g rtales eine Verzögerungsleitung bildet» deren Eingang das erste Echosignal zugeleitet wird.
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DE19661623537 1966-11-08 1966-11-08 Vorrichtung zum Messen von Abstaenden mittels Ultraschall Pending DE1623537A1 (de)

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