DE19720280A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Längen- und Abstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Längen- und Abstandsmessung in einem gasförmigen Medium, insbesondere Luft, im Längenbereich von einigen Millimetern bis zu einigen fünfzig Metern, befindlichen Meßobjekt oder bis zu einigen hundert Metern, wenn die Vorrichtung zweigeteilt wird. So daß sich der Ultraschallsender in hundert Metern auf einem Stativ fixiert sein kann und der Ultraschallempfänger in der Hand gehalten werden kann. Diese Variante ersetzt zum Beispiel ein Maßband, wie es die Landvermesser benutzen. Eine andere Variante ersetzt die in der Patentschrift AKZ. P25 15 087.2-35 OFF.L. 7.4.75 von mir erfundenen Erfindung, die gegenüber der jetzigen Erfindung größere Nachteile hat, in dem man beide Teile (Ultraschall-Sender und Ultraschall-Empfänger) zusammensteckt, wobei beide Teile sich im Rahmen eines Taschenformates halten. Auch kann man den Ultraschallsender in Richtung 270° Winkel und den Ultraschall-Empfänger in Richtung 90° Winkel zeigen lassen, um zwischen zwei axial gegenüberstehenden Wänden zu messen. Das ist so zu verstehen. Das Ultraschall-Signal tritt aus dem Ultraschall-Sender auf die linke Wandfläche und reflektiert dann auf die rechte Wandfläche und diese wiederum reflektiert in Richtung Ultraschallempfänger.

Die Vorrichtung ist auf Reflexions- (Echolot) und auf direkten Ultraschallempfang wie in Fig. 1 ausgelegt.

Beim direkten Ultraschallempfang wird von dem Ultraschall-Empfänger-Vorrichtungsteil ein Infrarot-Signal an den Ultraschallsender geschickt, der ein Infrarotempfänger besitzt und dort den Ultraschall auslöst. Während der Ultraschall direkt zum Sender läuft, wird in dem Ultraschall-Empfänger-Vorrichtungsteil die Schallaufzeit in Millimetern durch einen Gasvolumen abhängigen Taktgenerator mit einem nachgeschalteten Zehnerteiler, 1/10 Wellenlängen-Takt in einen Millimeter-Zähl-Takt umgewandelt werden, diese Funktion kann aber mittels eines Microprozessors gelöst werden.

Da die Lichtlaufzeit im Verhältnis zur Schallaufzeit kann fast vernachlässigt werden (L. 300 000 km/sec u. Sch. 320 m/sec.)

Das Ultraschallsender-Signal kann durch Hochspannungs-Funken (einige tausend Volt), durch Piezokristalle oder durch spezielle El. Magnetischen Miniatur Hochtönern erzeugt werden.

Die einzelnen Ultraschallgeber können linear mehrfach hintereinander angeordnet sein oder flach mehrfach in Kolonnen und Reihen auf einer Ebene angeordnet sein.

Statt des Ultraschall-Senders Fig. 1, Nr. 1 und Empfängers Nr. 2 können für bestimmte Zwecke (Landesvermessung, Luftfahrt und Vorrichtung im Taschenformat) auch Infrarotsender-Sende und Empfänger im GHz-Bereich benutzt werden.

Die Nachteile der herkömmlichen Ultraschallentfernungsmesser sind geringer Schalldruck, bedingt durch kleine Leistungen der Ultraschallgeber so wie die quadratische Schallabnahme pro Meter Entfernung. Und noch hinzu kommt die Schallabsorption beim Auftreffen des Schalls auf das Medium, das den Schall reflektieren soll. Eine glatte harte Fläche hat eine gute Spiegelung des Ultraschalls, und eine weiche rauhe Fläche verschluckt den Ultraschall. So daß manchmal die natürlichen Störquellen größer sind als das ankommende Ultraschallsignal. Auch eine digitale Modulation führt zu einem verfälschten Ultraschallsignal, durch fehlende Pulse oder einer Überzahl von Pulsen durch zu viele Reflexionen.

Auch ein zweiter Nachteil sind die Gas-Volumen-Temperatur und Doppler-Effekt- Abhängigkeit (es müssen ständig der Taktgenerator in der Frequenz nachgetrimmt werden) des gasförmigen Mediums (insbesondere Luft). Zum Beispiel beträgt die Schallaufzeit in Luft bei Null Grad Celsius 331,6 Meter/sec bei 760 mm Quecksilbersäule und bei zwanzig Grad Celsius 343 Meter/sec bei 1013,25 mbar.

Bei der neuen Vorrichtung für berührungslose Entfernungsmessung werden diese Nachteile folgendermaßen ausgeschaltet. Durch einen in Fig. 4 dargestellten Taktgenerator der Doppler-Effekt, Gasdruck und temperaturabhängig ist. Dieser Taktgenerator (Selbsterregender durch Rückkopplung Nr. 12 Ultraschall-Geber und Nr. 11 Ultraschall-Empfangs-Mikrophon) ist im Abstand zwischen Empfänger und Sender so ausgerichtet, so daß eine Sinus-Schwingung von einem halben bis einem zehntel Millimeter Ultraschall-Wellenlänge erzeugt werden. Auch kann ein Abstand gewählt werden, der zwischen Ultraschallsender und Ultraschall-Empfänger des Taktgenerators Fig. 4, Nr. 12 und Nr. 11 eine stehende Ultraschall-Welle mit mehrfachen Schwingungsknoten, deren Wellenlänge ein halb bis ein zehntel Millimeter betragen kann. Wenn nun solcher ein Oszillator mit Rückkopplungsverstärker, Fig. 4, Nr. 13 (Taktgenerator) dem Wind ausgesetzt ist, so daß der Wind vom Ultraschallgeber Nr. 12 in Richtung Ultraschallempfänger Nr.11 der bläst, so werden Schallwellen langgezogen (das entspricht dem Entfernen des Ultraschallsenders Nr. 12 vom Ultraschallempfänger Nr.11 des Oszill. M. Rückkoppl-verst. Fig. 4, Nr. 11, Nr. 13). Gestaucht werden die Schallwellen (steigend in der Frequenz), wenn der Wind vom Ultraschallempf. in Richtung Ultraschall-Sender weht. Es ist darauf zu achten, daß die Anordnung der Ultraschall-Empfänger und Ultraschallsender des Taktgenerators, Fig. 4, Nr. 12 in der gleichen Strömungsrichtung liegen, wie der Ultraschallempfänger in Fig. 1 mit der Nr. 2 und der Ultraschallmauersender Nr. 1 gekennzeichnet.

Dadurch kann eine genauere Messung erzielt werden, weil der Dopplereffekt kompensiert wird, in dem sich das Auszählsignal infolge der Gasvolumenänderung zeitlich verändert.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung sind: In Fig. 3 mit der Nr. 1 gekennzeichnet stellt ein Ultraschallmauersender genannt dar, der die Besonderheit besitzt eine Schallmauer zu erzeugen die den Schalldruck um das Mehrfache steigern kann je nachdem, wieviel Ultraschallgeber mit der Nr. 10 bezeichnet eingebaut sind. Die Funktion dieses Ultraschall- Senders wird dadurch erreicht, daß ein Seriell/Parallel-Schieberegister so geschaltet ist, daß die Parallelausgabe die Ultraschallgeber Nr. 10 über Treiber ansteuern und der serielle Takt des Oszillators Fig. 4 so unterteilt ist, so daß das Schiebesignal die Geschwindigkeit der Schallaufzeit von Nr. 10 nach Nr. 1 entspricht. So daß am Ausgang Nr. 1 am letzten Ultraschallgeber ein Ultraschall-Knall (ähnlich wie bei Düsenflugzeugen, die eine Schallmauer vor sich herschieben) entsteht, von vorzugsweise einem Zehntel Millimeter Ultraschall Wellenlänge. Auch können mehrere Ultraschallmauer-Signale ein serielles Daten-BYTE erzeugen, das den Stopp des Auszähltaktes auslöst, wenn das komplette BYTE vom Ultraschallempfänger Fig. 1, Nr. 2 empfangen wurde. Ein solches BYTE sollte günstigenfalls nicht den Abstand zwischen zwei Ultraschall-Gebern Nr.10 bezeichnet laufzeitmäßig überschreiten.

Außerdem ist bei der neuen Vorrichtung eine Taste mit der Nr. 9 eingebaut, der die Taktfrequenz halbiert wenn wie in Fig. 1 gezeigt wird gemessen wird. Die Software der neuen Vorrichtung kann so ausgerichtet sein, daß bei mehrmaligem Betätigen dieser Taste die Anzeige Fig. 1, Fig. 2, Nr. 6 gekennzeichnet in zehntel Millimeter, Millimeter, oder Zentimeter umgeschaltet werden kann.

Der Ultraschallsender in Fig. 3 hat auf der Ober- und Unterseite eine Buchse, die um 180° Winkel gedreht sind, so daß der Ultraschallempfänger für Doppel- oder Einfach-Reflexion Nr. 5 eingesteckt werden kann. Für zwei Längen eines Dreiecks (Reflexion) Fig. 2 oder Direkt- Messung Fig. 1 wird der Infrarotsender Nr. 3 und der Infrarotempfänger- Empfänger Nr. 4 für die Steuerung des Start-Signals des Ultraschall-Senders mit der Nr. 1 gekennzeichnet benötigt.

Der Meßvorgang kann, je nach Software automatisch erfolgen, nach dem die Taste Nr. 7 gedrückt wurde, so daß die Taste Nr. 9 nicht gebraucht wird. Denn wenn beide Teile Fig. 1, Fig. 2, Nr. 1 und Nr. 2 nicht zusammengesteckt sind (Fig. 1, Fig. 2) so wird der Takt der es Oszillators, Fig. 4 (Zeituhr). automatisch halbiert. Beim Zusammenstecken der beiden Teile werden hingegen die Taktfrequenz nicht halbiert wegen des Hin- und Herlauf des Ultraschalls zum Medium (z. B. Wand) und zurück zur Vorrichtung, dessen Gehäuse-Teile die Nr. 1 und Nr. 2 aufnehmen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Längen- und Abstandsmessung in einem gasförmigen oder flüssigem Medium, insbesondere in Luft, zu einem im Nah- oder Fernbereich von einigen Millimetern bis hin zu einigen hundert Metern befindlichen Meßobjekt (Ultraschall Reflexionsmessung im zusammengesteckten Zustand der Vorrichtung) oder Senders Fig. 1, U.-Sch.-Empfängers Fig. 2, insbesondere derartige Vorrichtung in zwei (die mit dem Stecker Fig. 3, Nr. 5 oder einem um 180° gedrehten Stecker, der sich auf der Unterseite des U.-Sch.-M.-Senders, Fig. 3 befindet eingesteckt werden kann) zusammensteckbaren Gehäusen (Ein Ultraschallsender-Gehäuse, Fig. 1, Fig. 3 mit Infrarotempfänger 4 und Ultraschallempfänger-Gehäuse Fig. 1 mit Infrarotsender Nr. 3 sowie einer Anzeige und Tastatur Nr. 8, Sende-Empfangs-Elektronik und der Mikroprozessor mit Steuer-Software) die je nach Bauart ein Taschenformat nicht überschreiten. Mit einem zu der einen Vorrichtungsseite hin weisenden, ein Meßsignal zum Meßobjekt hin aussendenden Sender Nr. 1 und einem das vom Meßobjekt reflektierte Signal empfangenden Empfänger Nr. 2, und mit die Laufzeit des Signals vom Sender über das Meßobjekt oder direkt zum Empfänger messenden Auswertgliedern, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit dem Ultraschallsender Nr. 1 ein insbesondere im Ultraschallbereich arbeitender Schall-Sender (Fig. 3, Nr. 10 werden durch Schieberegister umgeschaltet) Nr. 1 ist der dessen Start durch ein Infrarot-Empfangssignal Nr. 4 ausgelöst wird und der Empfänger Nr. 2 ein insbesondere im Ultraschallbereich arbeitender Schallempfänger ist, der wenn die Meßtaste Nr. 7 gedrückt wird, bei der Direktmessung der Ultraschallmauersender Nr. 1 durch das Aussenden eines Infrarotsignals mittels einer Infrarotsendediode Nr. 3 gekennzeichnet, die im Ultraschallempfänger-Teil Fig. 1 links sitzt, gestartet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Ultraschallempfangsteil Nr. 2 und Ultraschallmauersenderteil Fig. 3, Nr. 1 ein Kompaß mit Winkelgradeinteilung und eine ausklappbare Peileinrichtung, je nach Ausführung eingebaut sein können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ultraschallmauersende-Rohr oder Schnecke, Fig. 3, Piezokristall-Schallerzeuger Nr. 10 oder statt dessen ein Hochspannungsschallerzeuger oder Höchsttonlautsprecher verwendet werden können.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3, dadurch gekennzeichnet, daß wie bei einem Lauflicht, dessen Geschwindigkeit immer präzise die Schallgeschwindigkeit hat und mehrere Ultraschallerzeuger Nr. 10 über Treiber nacheinander angesteuert, so daß am Ultraschallaustritt eine Art Ultraschall-Knall (es kommt gewissermaßen zu einer Addition am Ende der U.-Sch.-Geberkette) entsteht dessen Wellen-Länge T1 + T2 0,1 mm. 1 mm oder 10 mm betragen kann, so daß sich ein maßgerechtes Zählsignal für die Längeneinheit abnehmen läßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängerteil Fig. 1 Nr. 8 eine Tastatur und einen Mikrocomputer mit Software oder Rechner zur Flächen-, Dreiecks-, Polygon und Volumenberechnung enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall- Empfänger Fig. 1, Nr. 2 einen Infrarotsender Nr. 3 enthält, um dem Ultraschallmauer-Sendergehäuse Nr. 1 über seinem Infrarotempfänger Nr. 4 mitzuteilen, daß das Ultraschall-Signal loslaufen soll und gleichzeitig der Zählspeicher anfängt, solange zu zählen, bis das Ultraschall-Signal beim Ultraschall- Empfänger Nr. 2 eintrifft, so daß der Zählwert (Meßwert 1) vom Speicher 1 auf die Anzeige Nr. 6 geschaltet wird. Jedes weitere Messen mit der Vorrichtung führt dazu, daß der nächste Meßwert in einen neuen Meßwert-Speicher weiter geschoben wird und dadurch ein entsprechendes Softwareprogramm für die weitere Berechnung, darauf zurückgreifen kann.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche Vorrichtung nach Fig. 1 als ein berührungslosen Absolut-Längen bzw. Niveau- Sollwertgeber mit Zehntel, Hundertstel oder Millimeterbereichs-Einteilung der in der Industrie eingesetzt werden kann. Unabhängig davon ob das Einfach, Doppel oder das Direktmessungsprinzip nach Fig. 1 verwendet wird, auch unabhängig davon, welches Medium (Gas oder Flüssigkeit) verwendet wird, sofern der Meßvorgang erfindungsgemäß einer solchen Vorrichtung vorliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenlänge dadurch kompensiert wird, indem ein Software Programm je nach Länge der Vorrichtung für die Ultraschallempfänger-Länge und für die Ultraschallsender-Länge entsprechende Impulse zurückzählt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Empf. Nr. 11 und Send.-Piezokristall-Sonden Nr. 12 des Oszillators mit Rückkopplungsverstärker Fig. 4, Nr. 13, dem gleichen Luftstrom (gasvolumenmäßig), wie der Ultraschallempfänger Nr. 2 und dem Ultraschall-Sender Nr. 1 ausgesetzt sind und durch die Verkettung mit der Auszählvorrichtung bis unterhalb der Schallgeschwindigkeit (kleiner als 300 m/sec.), automatisch den Dopplereffekt kompensiert. Beide Geräteteile haben eine eigene Stromversorgung.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vorrichtung erfindungsgemäß für Schraubflügler oder Flugzeuge, die sich unterhalb der Schallgeschwindi

gkeit bewegen, als zusätzlicher Höhenmesser bei der Landung nach dem Reflexionsprinzip benutzt, und eine zweite Vorrichtung die nach Fig. 1 funktionieren kann, wobei der Ultraschall-Sender Nr. 1 im Bereich des Lande-T fixiert sein kann und der Ultraschallempfänger vor dem Bugrad des Fluggerätes montiert sein kann um die Entfernung des Aufsetzpunktes instrumentenmäßig zu erfassen.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Ultraschall-Empfängers eine lichtempfindliche (vorzugsweise ebenfalls Infrarot wegen des Nebels auf Flugplätzen) Diode in GHz-Bereich und statt des Ultraschall-Empfängers eine Sende-Diode - Diode ebenfalls im GHz-Bereich einzusetzen und statt der Schallaufzeit 331 m/sec die Lichtlaufzeit 300 000 km/sec in dieselbe Vorrichtung einzusetzen. Wobei der Dopplereffekt noch nichtmal bei einer Überschallgeschwindigkeit eines Flugobjekts wegen der geringen Farbverschiebung sowie der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten, kompensiert werden müßte.