DE2611758A1

DE2611758A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschall-materialhoehen-steuerung

Info

Publication number: DE2611758A1
Application number: DE19762611758
Authority: DE
Inventors: Ellery P Snyder
Original assignee: IMPROVECON CORP
Current assignee: IMPROVECON CORP
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1976-10-07
Also published as: CA1067992A; FR2304906A1; US4000650B1; IT1057449B; GB1544970A; US4000650A

Description

BLUMBACH . WESER . BERGEN . KRAMER ZWIRNER . HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UNDWiESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radedcestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 0Ί-186237

Improvecon Corporation
Port Huron, Michigan, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Materialhöhen-Steuerung

Die Erfindung betrifft Abstandsmeßvorrichtungen und insbesondere eine Ultraschallvorrichtung zum Messen der Materialhöhe in einem Speichertank oder -behälter.

Es ist vorgeschlagen worden, Ultraschallmeßmethoden zur Überwachung oder Messung der Materialhöhe in einem Speichertank oder -behälter zu verwenden. Wie beispielsweise in der US-PS 2 943 296 gezeigt ist, kann ein Ultraschallwandler an der Oberseite des Vorrats- oder Speichertanks befestigt und so ausgerichtet werden, daß er Pulse nach unten zur oberen Oberfläche des gespeicherten Materials aussendet und von dieser Materialoberfläche nach oben reflektierte Echoimpulse empfängt, wobei die ausgesendeten oder Echoimpulse den "Kopfraum" oder die Luft zwischen dem Tankoberteil und der Materialoberfläche durchlaufen. Geeignete elektronische Verarbeitungsvor-

München: Kramer. Dr. Weser · Hirsch —Wiesbaden: 3!umbäcn ■ Dr. Bargen · Zwir.ier

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richtungen, typischerweise ein Analogsignalprozessor, sind vorgesehen, um durch Messen der Hin- und Herlaufzeit einer Sende/Echo-Impulsfolge eine Anzeige für die Materialhöhe zu erhalten. Eine solche Analogsignalverarbeitungsanlage umfaßt gewöhnlich ein Schwellenwertdetektorgerät zur Feststellung eines Antwortsignals, das die Hälfte der erwarteten Antwortsignalamplitude übersteigt, einen Signaldifferenziator und einen Nulldurchgangsdetektor zur Feststellung der maximalen Intensität des Antwortimpulses. Wenn sie in Verbindung mit stauberzeugenden Materialien, wie Weizen, Mehl, Kohle und Malz, oder mit Schall- oder Ultraschallgeräusch erzeugenden festen Mengen, wie beispielsweise Plastik oder Steinen, verwendet werden, oder wenn sie in unterschiedlicher Umgebung verwendet werden, in welcher Langstreckenmessungen erforderlich sind, beispielsweise bis zu 45 m, haben sich bekannte Anlagen generell als unzufriedenstellend erwiesen.

Auf dem Gebiet der Ultraschallabstandsmessung hängt der minimale Meßbereich neben anderen Parametern von der Länge des abgestrahlten oder ausgesendeten Impulses ab und von der Erholungszeit des abstrahlenden Wandlers. Wo ein wirtschaftlicher Betrieb vorschreibt, daß der gesamte Speicherkapazitätsbereich des Vorratstanks ausgenutzt werden muß, kann ein minimaler Meßbereich von etwa 60 cm, die grob dem minimalen Abstand zwischen dem

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Tankoberteil und der Materialoberfläche entsprechen, und ein maximaler Meßbereich von über 45 m,der der Tankhöhe entspricht, erforderlich sein. Unter Verwendung eines Standard-Piezoelektrikwandlers ist eine Breite des abgestrahlten Impulses von etwa 1 bis 2 Millisekunden für einen minimalen Meßbereich von 60 cm geeignet. Diese Impulsbreite ist wie alle anderen Abstrahlungsimpulsbreiten, die in der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnt sind, bei der halben maximalen Impulsintensität als volle Impulsbreite spezifiziert. Da das Signal/Rausch-Verhältnis am Empfänger der Quadratwurzel der abgestrahlten Impulsenergie proportional ist, ergibt ein Zwei-Millisekunden-Impuls begrenzter Intensität oberhalb etwa 7,60 bis 15,20 m keine zuverlässigen Ergebnisse. Wenn dagegen eine längere Impulsbreite verwendet wird, beispielsweise im Bereich von 10 Millisekunden, erlauben es die minimale Laufzeit und die Wandlererholungszeit nicht, den Meßbereich an das erforderliche Minimum von 60 cm anzunähern.

Ferner sind bekannte Methoden und Vorrichtungen, insbesondere diejenigen, welche eine kurze AbStrahlungsimpulsbreite verwenden, nicht geeignet zur Verwendung in Verbindung mit Materialien wie Kohle oder Getreide, bei welchen feinverteilter Staub zwischen dem Wandler und der Materialober-

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fläche eine beträchtliche Dämpfung der abgestrahlten und Echoimpulse bewirken kann. Falsche Signale können für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung definiert werden als am Wandler empfangene Zufallssignale, die jedoch ihren Ursprung nicht notwendigerweise am Wandler haben, die nicht von der Materialoberfläche oder irgendeinem anderen stationären Gegenstand oder einer Wand im Vorratstank reflektiert sind. Solche Zufallssignale können beispielsweise durch externes Rauschen induziert sein. Bekannte Methoden und Vorrichtungen sind generell auch nicht zur Verwendung dort geeignet, wo im festen Zustand vorliegende Materialien wie Steine kontinuierlich in den Vorratstank geschüttet werden, was ungewollte Schall- und Ultraschall-Störungen verursacht. Wenn versucht wird, das Signal/Rausch-Verhältnis unter Verwendung komplizierter Analogsignalverarbeitungsmethoden zu verbessern, wird die Vorrichtung zu kostspielig, um von wirtschaftlichen Gesichtspunkten her in Frage zu kommen.

Überdies hat man gefunden, daß sich Probleme, die durch technische Parameter wie z. B. Signal/Rausch-Verhältnis, Antennenkennlinie und Antennenrichtcharakteristik gegeben sind, oft verstärken, wenn man versucht, eine Distanz innerhalb einer geschlossenen Umgebung, wie innerhalb eines ^Eterialvorratstanks, zu messen. In einem offenen

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oder unbegrenzten Abstandsmeßsystem kehrt ein relativ kleiner Prozentsatz an vom Wandler ausgestrahlter Energie in Form von Echosignalen zu diesem zurück, und die restliche Energie wird in der umliegenden Umgebung verbraucht, Bei einer Anlage zum Messen der Materialhöhe in einem Vorratstank kehrt jedoch ein viel größerer Prozentsatz der abgestrahlten Energie zum Wandler zurück, und zwar direkt von der Materialoberfläche und/oder nach Mehrfachreflexionen an der Materialoberfläche, den Tankwänden, dem Tankoberteil usw. In einem solchen begrenzten System wird es besonders wichtig, das richtige Echosignal vom interssierenden Objekt, in diesem Fall von der oberen Oberfläche des gespeicherten Materials, aus den nach Mehrfachreflexionen empfangenen anderen Echosignalen auswählen zu können.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine wirtschaftliche und zuverlässige Ultraschallabstandsmeßmethode und eine entsprechende Vorrichtung verfügbar zu machen, die besonders gut zur Katerialhöhensteuerung geeignet sind,und auf Grund eines verbesserten Signal/ Rauschverhältnisses einen weiten Abstandsmeßbereich aufweisen.

Ferner soll eine Ultraschall-Materialhöhensteuerungsmethode und -Vorrichtung mit einer Auflösung von 30 cm oder weniger über einen breiten Abstandsmeßbereich verfügbar gemacht werden.

Weiterhin soll eine Methode und eine Vorrichtung zur Ultraschallmessung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder -behälter verfügbar gemacht werden, bei welcher die abgestrahlte Impulslänge und/oder die Echosignalverarbeitungsmethode als Funktion des gemessenen Abstands reguliert wird.

Des weiteren soll eine Ultraschall-Materialhöhensteuermethode und -Vorrichtung verfügbar gemacht werden, bei welcher für eine spezifizierte Bereichsauflösung und Genauigkeit die Niveauabstandsmeßgenauigkeit wesentlich erhöht wird.

Ein spezielleres Ziel besteht darin, eine Ultraschall-Materialhöhensteuermethode und -Vorrichtung verfügbar zu machen, bei welcher das effektive Signal/Rauschverhältnis am Empfänger für den längst gemessenen Abstand um einen Faktor von im wesentlichen fünf erhöht wird.

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Entsprechend einem erfindungsgemäßen Aspekt werden eine AbStandsmeßmethode und -Vorrichtung verfügbar gemacht, deren besondere Anwendung auf dem Gebiet einer Flüesig- oder Festmaterial-Niveausteuerung besteht. In einem solchen Fall wird der Abstand zwischen dem Oberteil des Materialbehälters oder -tanks und der oberen Materialoberfläche auf Grund derjenigen Zeit bestimmt, die ein Ultraschallimpuls benötigt, um durch Luft von einem am Tankoberteil befestigten Wandler zur Materialoberfläche und wieder zurück zu laufen. Die von jedem ausgesendeten Impuls zurückkehrenden Impulse oder Echoimpulse werden in Digitalsignale umgewandelt, deren Werte die relativen Intensitäten der einzelnen zurückkommenden Impulse angeben, und sie werden dem erscheinenden Abstand entsprechend seriell in einem Schieberegisterspeicher gespeichert. Die digitalisierten Echosignale von nacheinander ausgesendeten Impulsen werden entsprechend dem auftretenden Oberflächenabstand addiert, so daß die Summe der von der Materialoberfläche zurückgekehrten wirklichen Echosignale erkennbar größer ist als die Summen entsprechender Zufallsrauschsignale für jeden ausgesendeten Impuls. Nachdem die Echosignale von beispielsweise acht ausgesendeten Impulse solchermaßen verarbeitet sind, haben die wirklichen Echosignale eine normierte Summe von acht, während

durch Rauschen verursachte falsche Sigiale eine durchschnittliche normierte Summe von etwa 2,8 haben. Durch Verwendung digitaler Verarbeitungsmethoden kann man Nutzen ziehen aus der Verfügbarkeit und den geringen Kosten einer weiten Vielzahl integrierter digitaler Schaltungsanordnungen. Diese digitale Verbesserungsmethode erhöht auch das effektive Signal/Rauschverhältnis am Empfänger, und zwar um die Quadratwurzel der Impulszahl einer Impulsfolge. Im gegebenen Beispiel ist die Vergrößerung des Signal/Rauschverhältnisses gleich der Quadratwurzel aus 8 oder etwa 2,83.

Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt sind eine Methode und eine Vorrichtung vorgesehen zur automatischen Veränderung des Abstands oder Materialhöhenmeßbereiches durch Regeln der Abstrahlimpulsbreite und Impulswiederholungsfrequenz als Funktion des gemessenen Abstandes. Bei einer speziellen angegebenen Ausführungsform, die einen Gesamtmeßbereich von 60 cm bis 45 m aufweist, sendet die Geräteelektronik zunächst einen einzigen Kurzbereichsmeßimpuls mit einer Dauer von 2 Millisekunden aus und reagiert auf ein Echosignal innerhalb eines Meßbereichs von 60 cm bis 6,40 m. Bei der Kurzbereichmeßweise wird eine direkte Anzeige des gemessenen Abstandes oder Materialnieaus ohne Verwendung der vorstehend erläuterten digitalen

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Verbesserungsmethode erzeugt. Das Gerät stellt ferner die erfolgreiche Beendigung einer Kurzbereichmessung - d. h., zwischen 60 cm und 6,40 m - fest und bleibt bei der Kurzbereichweise, so daß darauf folgende ausgesendete Impulse ebenfalls die Kurzbereichimpulsdauer von 2 Millisekunden haben und nach jeweils 60 Millisekunden wiederholt werden. Diese Impulswiederholungsperiode von 60 Millisekunden ist bestimmt durch die maximale Impulslaufzeit (42 Millisekunden für eine Materialtiefe von 6,40 m) und die Wandlererholungszeit, die zusammen eine minimale Wiederholungsperiode ergeben, und durch die gewünschte Wiederholungsgeschwindigkeit der Kurzbereichmeßfolge.

Sollte irgendein Kurzbereichsmeßversuch erfolglos sein, - d. h. die Antwortzeit die Grenze des Bereichs von 6,40 m überschreiten - schaltet das Gerät automatisch auf eine Langbereichsmeßweise mit einem Abstandsmeßbereich von 4,27 m bis 45,72 m um, in welcher ein Impuls mit einer Dauer von 10 Millisekunden alle 300 Millisekunden ausgesendet wird. Somit folgt auf eine erfolglose Kurzbereichsmessung eine Langbereichsmessung, die vorzugsweise eine Folge von acht Impulsen aufweist, die der digitalen Verbesserungsmethode unterzogen wird. Nachdem die Langbereichsmessung ausgeführt worden ist, kehrt das Gerät automatisch zur Kurzbereichsmeßweise zurück. Durch Ver-

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größerung der Breite des ausgestrahlten Impulses wird das Signal/Rauschverhältnis am Empfänger verbessert um das Verhältnis der Quadratwurzeln der Impulsbreiten oder, im gegebenen Beispiel, um etwa 2 1/4. Somit wird durch Kombination der digitalen Verbesserungsmethode und der automatischen Bereichswechselmethode das effektive Signal/Rauschverhältnis am Empfänger für den längsfeemessenen Abstand um einen Faktor von im wesentlichen fünf erhöht.

Die angegebene Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile an Hand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht, teilweise im Schnitt, eines Materialvorratstanks, in welchem die Materialhöhe erfindungsgemäß überwacht wird, wobei der Wandler in einem gegenüber dem Tank vergrößerten Maßstab gezeigt ist;

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Fig. 2 ein Blockschaltbild einer derzeit bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Materialhöhensteuervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht der in zwei Hälften geteilten Wandleranordnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist;

Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 31

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in Fig. 3; und

Fig. 6 eine seitliche Schnittansicht der in zwei Hälften geteilten Wandlerbecheranordnung, wie sie in den Fig. 1, 3 und 5 gezeigt ist, gegenüber Fig. 3 jedoch umgekehrt,und längs der Linie 6-6 in Fig. 5 geschnitten.

In Fig. 1 ist ein Materialvorratstank 10 mit einer zylindrischen Seitenwand 12 und enem Oberteil 14 gezeigt. Ein Material 16, bei dem es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder festen Stoff wie Getreide, Kohle oder

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Steine handeln kann, ist im Tank 10 gespeichert und weist eine obere Oberfläche 18 auf, die überwacht werden soll, um eine Anzeige für die Materialhöhe zu erzeugen. Der Tank 10 kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein und mit (nicht gezeigten) geeigneten Vorrichtungen zum Einfüllen und Ablassen von Material 16 in den Tank und aus dem Tank versehen sein.

Erfindungsgemäß ist eine Wandleranordnung 20 im Inneren so angeordnet, daß sie vom Tankoberteil 14 herabhängt. Sie weist einen parabolischen Reflektor 22 und einen im Reflektorbrennpunkt angeordneten Ultraschallwandler 24 auf. Der Reflektor 22 richtet oder reflektiert vom Wandler 24 nach oben austretende Ultraschallimpulse nach unten zur Oberfläche 18 hin, wie es bei 26 angedeutet ist, und empfängt gleichermaßen Echoimpulse, die von der Oberfläche 18 nach oben reflektiert worden sind, und reflektiert und richtet die Echoimpulse zum Wandler 24. Dabei durchlaufen die ausgesendeten und Echoimpulse den "Kopfraum" oder die Luft zwischen dem Tankoberteil 14 und der Materialoberfläche 18. Die Wandleranordnung 20 ist mittels eines Koaxialkabels 28 mit einer Materialhöhen-Steuerelektronik 30 verbunden, die in Fig. 2 in Blockform gezeigt ist. Eine geeignete Wandleranordnung 20 und deren Komponenten sind in den Fig. 3 bis 6 gezeigt.

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Gemäß Fig. 2 umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung 30 zur Verarbeitung eines elektronischen Materialhöhen-Steuersignals generell eine Zeitsteuerungsschaltung 40, welche die erforderlichen Zeitsteuerungsimpulse und Steuersignale erzeugt und einen Taktimpulsgenerator aufweist, der gegenüber Umgebungstemperatur Änderungen innerhalb des Materialvorratstanks kompensiert ist und somit gegenüber temperaturbedingten Änderungen der Geschwindigkeit der durch Luft übertragenen Ultraschallimpulse. Eine

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Empfanger/Sender-(E/S-)Schaltung/wird durch die Zeitsteuerungsschaltung 40 getriggert, um über das Kabel 28 einen Kristallerregungsimpuls zum Wandler 24 zu schicken. Von der Oberfläche 18 (Fig. 1) reflektierte Echoantwortimpulse werden gesammelt, vom Wandler 24 in elektrische Signale umgewandelt und durch geeignete Filter und Verstärker in der E/S-Schaltung 42 auf eine Datensteuerschaltung 44 gegeben, welche die erforderlichen Berechnungen durchführt, um das Niveau oder die Höhe des betroffenen Materials zu bestimmen. Eine direkte Anzeige des Abstandes zwischen der Wandleranordnung 20 und der Oberfläche 18, der eine Funktion der Materialhöhe ist, wird auf ei:ier digitalen Anzeigevorrichtung und/oder einem galvanometrischen Analogmeßgerät erzeugt.

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Es werden nun die Einzelheiten der Fig. 2 betrachtet. Die Zeitsteuerungsschaltung 40 umfaßt einen Taktimpulsgenerator 50, der über eine Temperaturkompensationsschaltung 52 und dann über ein Kabel 54 mit einem Thermistor verbunden ist, der an der Wandleranordnung 20 befestigt ist, wie es die Fig. 3 und 4 zeigen. Die Ausgangssignale 56, 58 des Impulsgenerators 50 weisen eine Nennfrequenz von etwa 1 KHz auf, schwanken jedoch um diese Nennfrequenz in Abhängigkeit von der Tanktemperatur. Vorzugsweise haben die Ausgangssignale 56, 58 eine Wiederholungsperiode, die genau der Laufzeit eines abgestrahlten 20 KHz-Impulses durch 30,48 cm Luft bei der Temperatur des Vorratstanks entspricht. Da jeder abgestrahlte Impuls den Abstand zwischen Wandleranordnung 20 und Materialoberfläche 18 zweimal durchlaufen muß, nämlich einmal als "ausgesendeter" Impuls und einmal als "Echo"-Impuls, entsprechen jeweils 30,48 cm Impulslaufstrecke 15f24 cm der zu messenden Höhe. Anders ausgedrückt: jeder Ausgangsimpuls vom Generator 50 entspricht exakt 15,24 cm zu messender Höhe. (Die hier angegebenen Längenmaße sind durch Umrechnung aus dem amerikanischen Längenmaß "foot" errechnet.) Der Ausgang 56 ist direkt mit der Datenschaltung 44 verbunden, während der Ausgang 58 an einen Adressenzähler 60 und über ein Gatter 62 an die Datenschaltung 44 angeschlossen ist. Der Adressenzähler 60 zählt in binär kodierter Dezimalform (BCD) bei jedem

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Inkrement, das einen gemessenen Abstand von genau 15,24 cm (exakt einem halben Fuß) darstellt. Um einen maximalen Abstandsmeßbereich von 48,16 m (158 Fuß) zu haben, muß der Zähler 60 somit eine Zählkapazität von 316 aufweisen. Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform hat für diesen maximalen Abstandsmeßbereich der Zähler eine Zählkapazität von 400, wobei die Zählstände 317 bis 399 für andere Steuerzwecke verwendet werden, und insbesondere zur Steuerung der Impulszeitsteuerung und der Impulsbreite der abgestrahlten Impulse.

Ein Ausgangssignal 64 des Adressenzählers 60 wird auf eine Adressenherausgreifschaltung 66 geführt, die ausgewählte Adressen erkennt, beispielsweise Abstände von besonderem Interesse,und diese Adressen über einen Ausgang 68 auf eine Steuerlogikschaltung 70 führt. Adressen oder Abstände von besonderem Interesse sind 60,96 cm (2 Fuß) und 6,40 m (21 Fuß), welche Abstände die Grenze für die Kurzbereichsmeßweise darstellen, und 4,26 m (14 Fuß) und 48,16 m (158 Fuß), welche Abstände den Bereich der Langbereichsmeßweise abstecken. Wie nachfolgend ausführlich erläutert wird, sind andere Adressen, die zur Steuerung des vom Wandler 24 abgestrahlten Impulses verwendet werden, ebenfalls von besonderem Interesse und werden von der Adressenherausgreif schaltung 66 festgestellt. Das Zählerausgangssignal 64 wird ebenfalls auf die Datenschaltung 44 geführt.

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Die Steuerlogik 70 weist einen ersten Ausgang 72 auf, der mit dem Gatter 62 verbunden ist, um das Generatorausgangssignal 58 zur Datenschaltung 44 nur während derjenigen Zeit durchzulassen, welche dem interessierenden Abstandsbereich entspricht. Während der Kurzbereichsmeßweise wird das Generatorausgangssignal 58 zur Datenschaltung 44 durchgesteuert, um nach einem Echoimpuls Ausschau zu halten, der einem gemessenen Abstand zwischen 61 cm (2 Fuß) und 6,40 m (21 Fuß) entspricht. Gleichermaßen wird während einer Langbereichsmessung das Generatorausgangssignal 58 nur zur Datenschaltung 44 geliefert, wenn Echoimpulse von einem Abstand zwischen 4,27 m (14 Fuß) und 48,16 m (158 Fuß) erwartet werden können. Ein Lang/Kurzbereichs-Steuerlogikausgang 74 ist mit der E/S-Schaltung 42 verbunden, um die empfängerseitige Bandbreite nach Abtastung als umgekehrte Funktion der Impulslänge zu steuern. Ein Senderfreigabe-Steuerlogikausgang 76 ist mit der E/S-Schaltung 42 verbunden, um entweder den Sender- oder den Empfängerteil dieser Schaltung freizugeben.

Die Steuerlogik 70 weist einen vierten Ausgang 78 auf, der mit einer Impulszählerlogikschaltung 80 verbunden ist, die abgestrahlte Impulse sowohl im Kurz- als auch im Langbereichsbetrieb überwacht oder zählt. Der Zähler 80 empfängt und überwacht ein Schwellenwerteingangssignal 82 von der

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Datenschaltung 44, das während des Kurzbereichsbetiebs anzeigt, daß ein Echoimpuls empfangen worden ist, dessen Intensität größer als eine vorbestimmte Schwellenwertintensität ist. Ein Ausgang 84 des Zählers 80 ist mit einer Impulszählstandherausgreifschaltung 86 verbunden, die ausgewählte kritische Impulszählstände erkennt und mit einem Ausgang 88 mit der Steuerlogik 70, einem Ausgang 92 mit der Datenschaltung 44 und einem Rücksetzausgang 90 mit dem Impulszähler 80 verbunden ist. Der Impulszähler 80 weist auch ein Anzeigebefehlsausgangssignal 85 auf, das die Datensteuerschaltung 44 anweist, den gemessenen Abstand nach Beendigung einer Meßfolge anzuzeigen.

Die E/S-Schaltung 42 umfaßt einen getriggerten 20 KHz-Oszillator 100, der durch das Steuerlogik-Senderfreigabeausgangs signal 76 getriggert wird, um am Oszillatorausgang 102 ein Signal zu erzeugen mit einer Dauer, die eine direkte Funktion der Dauer des Senderfreigabesignals ist. Wie zuvor angegeben, hat das Ausgangssignal 102 eine Dauer von 10 Millisekunden im Langbereichsmeßbetrieb und eine Dauer von 2 Millisekunden im Kurzbereichsmeßbetrieb. Das Oszillatorausgangssignal 102 ist über einen Verstärker 104 mit dem Wandler 24 verbunden, bei welchem es sich vorzugsweise um einen Kristallwandler handelt, der im Brennpunkt des Parabolreflektor 22 an-

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geordnet ist, wie Fig. 1 zeigt.

Der Empfängerteil der E/S-Schaltung 42 umfaßt ein Bandpaßfilter 106 mit einem Eingang, der mit dem Wandler 24 verbunden ist, um das Empfänger-Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern. Der Ausgang des Filters 106 ist mit einem Vorverstärker 108 verbunden. Der Verstärker 108 empfängt außerdem ein Eingangssignal 110 von einer manuell einstellbaren Verstärkungssteuerung, wie einem Potentiometer, und ein Eingangssignal 112 von einer Vorrichtung 114 zur zeitlich variablen Verstärkungssteuerung, die durch das Steuerlogik-Senderfreigabeausgangs signal 76 aktiviert wird, um die Empfängerverstärkung während des Aussendens eines abgestrahlten Impulses niedrig zu machen und um die Verstärkung des Verstärkers 108 graduell in linearer Abhängigkeit von der Zeit auf den Normalwert zurückkehren zu lassen. Während dieser Zeitdauer sind die reflektierten Signale relativ stark, ist die Signalintensität umgekehrt proportional zur Wurzel des Abstandes und neigt die Absenkung der Empfängerverstärkung zu einer Versetzung des weiten Bereichs der Echosignalamplituden über den Kurzbereichsmeßbereich. Aus Gründen, die aus der folgenden Diskussion klar werden, muß die Steuerung 114 zur zeitlich variablen Verstärkung nur über Abstände aktiv sein, die kurzer als der Langbereichsminimalab-

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stand sind, d. h., kleiner als 4,27 m (14 Fuß). Aus diesem Grund ist die Zeitdauer der Verstärkungssteuerung 114 vorzugsweise zwischen 10 und 28 Millisekunden festgelegt, z. B. darch eine Widerstands/Kondensator-Entladungsschaltung, und ändert sich nicht als Funktion des gemessenen Abstandes. Das Ausgangssignal des Verstärkers 108 wird einem Detektor 116 und von dort einem angepaßten Filter 118 zugeführt, bei welchem es sich vorzugsweise um ein Vierpol-Butterworth-Filter handelt mit einer Frequenzbandbreite, die durch ein Steuerlogikausgangssignal 74 umgekehrt proportional zur Abstrahlungsimpulsbreite gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Filters 118 wird über einen Verstärker 120 auf die Datenschaltung 44 gegeben.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Signalverbesserungsmerkmal werden die Echoantwortimpulse vom Verstärker 120 in die Datenschaltung 44, und dort in einen Analog/Digital-(A/D-)Konverter 122 gegeben, der durch den Taktimpulsgeneratorausgang 56 durchgesteuert wird, um die Rückkehrsignale in Abhängigkeit vom Materialoberflächenabstand, vorzugsweise einmal pro Millisekunde, abzutasten. Der A/D-Konverter 122 wandelt jeden abgetasteten Antwort- oder Echoimpuls in eine digitale Zahl um, die einen numerischen Wert aufweist, der die Intensität eines jeden der Impulse im Verhältnis zu einem anderen anzeigt. Irgendein herkömmlicher Digitalkode,

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wie eine binär kodierte Oktalform, kann verwendet werden. Wenn der zu messende Abstand im Bereich von 4,27 m (14 Fuß) bis 48,16 m (158 Fuß) liegt, beträgt die maximale Hin- und Her-Laufzeit 288 Millisekunden; somit werden vom Konverter 122 288 Abtastwertumwandlungen durchgeführt.

Die digitalisierten und abgetasteten Echosignale werden vom Konverter 122 auf einen Digitalintegrator 132 gegeben, in welchem die digitalisierten Echosignale von aufeinanderfolgenden ausgesendeten Impulsen integriert werden, d. h.entsprechend dem erscheinenden Oberflächenabstand summiert werden. Der Integrator 123 umfaßt einen Bit-Paralleladdierer 124, in welchem die digitalisierten und abgetasteten Echosignale zur Summe der entsprechenden abgetasteten Signale von vorausgehenden ausgesendeten Impulsen addiert werden, und die Summe wird dann einem MOS-(metal-oxide semiconductor, d. h. , Metall-Oxid-Halbleiter) Speicherschieberegister 126 zugeführt, das die aufeinanderfolgenden integrierten Impulse entsprechend dem auftretenden Oberflächenabstand speichert. Für den erstgesendeten Impuls einer statistischen Reihe wird der Ausgang des Summenspeicherregisters 126 vom Addierer durch Mehrfach-UND-Gatter 128 blockiert, die ein Gattereingangssignal vom Ausgang 92 der Impulszählstandherausgreifschaltung 86 empfangen. Die digitalisierten Antwort-

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signale vom erstgesendeten Impuls werden somit direkt im Register 126 gespeichert. Danach wird der Registerinhalt verschoben und zum Addierer 124 durchgesteuert, um die zuvor beschriebenen sukzessiven Summierungen durchzuführen.

Wie zuvor erwähnt, stellt die erfindungsgemäße Signalverbesserungsmethode sicher, daß nach einer Reihe von acht (oder weniger) gesendeten Impulsen die Summe der wirklichen Echoimpulse größer als irgendeine entsprechende Summe von Zufallsimpulsen ist, die durch Rauschen usw. induziert werden. Da das System nur an dieser echten Echosumme interessiert ist, überwacht ein Komparator 130 das Ausgangssignal des Addierers 124 und vergleicht dieses Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal eines Maximalwertregisters 132. Wenn das Ausgangssignal des Addierers 124 größer a3s das Ausgangssignal des Registers 132 ist, werden die Daten im Register 132 durch das Addiererausgangssignal ersetzt. Gleichzeitig triggert der Komparator 130 ein Adressenregister 134, das ein Adresseneingangssignal vom Adressenzählerausgang 64 empfängt und die Adresse oder den erscheinenden Abstand des neuen Maximalwertes im Register 132 speichert. Am Ende einer Serie von acht gesendeten Impulsen entspricht das Signal im Adressenregister 134 dem wirklichen Abstand zwischen der Wandleranordnung 20 und der Material-

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oberfläche 18 (Fig. 1), von welcher die wirklichen Echosignale zurückgekehrt waren. Dieses Signal wird durch ein Impulszählerausgangssignal 85 taktweise in ein digitales Anzeigeregister 136 geführt. Die AbStandsanzeigeinhalte des Registers 136 werden einer geeigneten Digitalanzeigevorrichtung 137, wie einer LED-(lichtemittierende Dioden-) Anzeigevorrichtung, und einem D/A-Konverter 138 zugeführt, der einen Ausgang 142 aufweist, der mit einem galvanometrischen Analogineßgerät 144 verbunden ist. Die Anzeigevorrichtung 137 und das Meßgerät 144 sind vorzugsweise in Einheiten des gemessenen Abstands geeicht, nämlich in Metern. Der Ausgang des Maximalwertregisters 132 ist außerdem mit einem Impulszählerlogik-Schwellenwerteingang 82 verbunden.

Wenn die Materialhöhensteueranlage im Kurzbereichbetrieb arbeitet, sperrt das Ausgangssignal 92 der Impulszählstandherausgreifschaltung 86 den Ausgang des MOS-Registers vom Eingang des Addierers 124 ab, so daß für jeden abgestrahlten Impuls der Digitalwert des Rückkehrsignals mit der höchsten Intensität im Maximalwertregister 132 gespeichert wird, und die diesem Rückkehrsignal mit maximaler Intensität entsprechende Adresse oder der diesem entsprechende erscheinende Abstand wird im Adressenregister 134 gespeichert. Die Materialhöhe oder der Materialabstand wird deshalb nach jedem Kurzbereichsimpuls im Anzeigeregister 136 und auf dem Meßgerät 144 angezeigt

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Es leuchtet ein, daß die zuvor beschriebene digitale Verbesserungsmethode, und insbesondere die Maximalwertfeststellmethode, mehrere inhärente Vorteile gegenüber herkömmlichen analogen Verarbeitungsmethoden mit sich bringt, insbesondere bei einer Materialhöhensteuervorrichtung. Beispielsweise sind die erforderlichen Digitalschältungen von einer großen Anzahl Hersteller leicht erhältlich und relativ preisgünstig. Ferner erlaubt die Maximalwertfeststellmethode ein richtiges Arbeiten"der Anlage unabhängig von der absoluten Verstärkung und/oder Verstärkungsänderungen des Rests der Höhen- oder Niveaufeststelleinrichtung. Die Gesamtverstärkung der Anlage ist eine Funktion mehrerer Faktoren, wie der Intensität der ausgesendeten Impulse, des Empfängerverhaltens einschließlich der Verstärkungen der Verstärker und des Reflexionskoeffizienten der Materialoberfläche 18 (Fig. 1), der sich von etwa 0,66 für Feststoff kugeln im aufgehäuften Zustand bis herab zu 0,01 für Getreideprodukte ändern kann. Einige dieser Eigenschaften können variabel oder unbekannt sein, so daß eine Einstellung eines Schwellenwertes für die Impulsfeststellung, wie sie bei einem herkömmlichen Analogsignal-Prozessor erforderlich ist, oft schwer oder sogar unmöglich ist. Dadurch, daß man die Antwortimpulsintensitäten nicht mit einem festen Standardwert, sondern miteinander vergleicht, werden diese Schwierigkeiten erfindungsgemäß vermieden.

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Ferner erlauben es die digitale Verbesserungsmethode, und insbesondere die Maximalwertfeststellmethode, der erfindungsgemäßen Anlage, in Verbindung mit Materialien wie Getreide oder Kohle zu arbeiten, die große Mengen an Staub erzeugen können, der fein verteilt in der Luft oberhalb der Oberfläche 18 (Fig. 1) vorhanden ist, wenn das Material in den Vorratstank geschüttet wird. Die ausgestrahlten und reflektierten Ultraschallsignale können während und unmittelbar nach dem Einfüllvorgang ernsthaft durch Staub gedämpft werden, jedoch später die Luft mit relativ geringer Dämpfung passieren, nachdem der Staub sich setzen konnte. Man hat auch gefunden, daß Konvektionsströme innerhalb des Tanks für einen beträchtlichen Teil der Impulsfolgezeit am Wandler Rückkehrsigralverluste bewirken können. Man wird sehen, daß die Intensität der Echosignale unter diesen Umständen stark variieren kann, selbst wenn die Materialhöhe relativ konstant bleibt. Herkömmliche Materialhehensteuereinrichtungen, welche die Intensität eines Echosignals mit einem vorbestimmten Nennwert, wie der erwarteten Halbintensität, vergleichen, sind für solche Anwendungen ungeeignet, da der Schwellenwert den Staubbedingungen entsprechend geändert werden müßte. Die vorliegende Erfindung, bei welcher jedoch nur die relativen Intensitäten der Echosignale, d. h. deren Intensitäten im Vergleich zueinander, von Interesse sind, ist ideal für solche mit Staub verbundenen Anwendungen geeignet und arbeitet unabhängig von Änderungen der Staubbedingungen.

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26 1 IVhB

Die Zeitdauer der Langberebhmeßfolge, welche die digitale Verbesserungsmethode umfaßt, beträgt lediglich etwa drei Sekunden, und es ist nicht zu erwarten, daß sich die Staübbedingungen während dieser Zeit bedeutsam ändern.

Die Arbeitsweise der Steuerelektronik 30 ist auf Grund der vorausgehenden Beschreibung offensichtlich und kann folgendermaßen zusammengefaßt werden. Die Steuerlogik 70 stellt eine vorbestimmte Adresse durch die Adressenherausgreifschaltung 66 fest, beispielsweise eine -3 oder, anders ausgedrückt, einen Zählstand von 397 in einem 400-Bit-Zähler, und sendet über den Ausgang 76 ein Senderfreigabesignal zum getriggerten Oszillator 100. Nach zwei Millisekunden, d. h., wenn der Adressenzählstand -1 oder 399 erreicht, wird das Senderfreigabesignal ausgelöscht, so daß das vom Wandler 24 abgestrahlte Signal eine Dauer von lediglich 2 Millisekunden hat. Das Ausgangssignal 74 zeigt einen Kurzbereichsbetrieb an, so daß das Empfängerfilter 118 maximale Bandbreite hat. Ein Impuls wird an dem auf den Impulszähler 80 geführten Steuerausgang 78 erzeugt. Das Steuerausgangssignal 72 ist beim Kurzbereichsbetrieb niedrig (L) und sperrt somit eine Impulsverschiebung vom Generatorausgang 58 zur Datenschaltung 44.

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V 6 1 I "I B

Die Antwortimpulse werden abgetastet und digitalisiert, wie zuvor beschrieben, und selektiv in das Maximalwertschieberegister 132 gegeben. Wenn die Digitalzahl im Register 132 die Hälfte der maximal erwarteten Intensität überschreitet, wird der Schwellenwerteingang 82 der Impulszählerlogik 80 getriggert. Wenn die Steuerlogik 70 feststellt, daß der gemessene Abstand zwischen 61 cm (2 Fuß) und 6,40 m (21 Fuß) liegt (über die Adreseenherausgreifschaltung 66), wird der Impulszähler 80 zurückgesetzt, und es wird ein Signal über den Ausgang 85 zum Anzeigeregister 136 geschickt, um die Adresse im Register 134, welche der dem Signal im Maximalwertregister 132 zugeordnete Abstand ist _t für eine Anzeige auf der Auslesevorrichtung 137 in das Anzeigeregister zu bringen. Bei auf Null zurückgestelltem Impulszähl? stand versucht die Steuerlogik 70 wieder, wie beschrieben, eine Kurzbereichsmessung.

Wenn der Schwellenwerteingang 82 innerhalb des Bereichs von 61 cm bis 6,40 m nicht getriggert wird, schaltet die Steuerlogik 70 automatisch auf den Langbereichsbetrieb um. Das nächste Senderfreigabesignal am Ausgang 76, der erste Impuls der Acht-Impuls-Langbereichsfolge, hat eine Dauer von 10 Millisekunden, die sich beispiels-

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weise vom Adressenzählstand 388 bis zum Adressenzählstand 398 erstreckt. Das Filter 118 wird durch das Steuerausgangssignal 74 in den Schmalbandbetrieb versetzt. Bei einem Adressenzählstand von 28, entsprechend 4,27 m (14 Fuß), steuert das Steuerausgangssignal 72 Impulse vom Generator 50 durch, um den Inhalt des MOS-Registei*s 126 zu verschieben sowie denjenigen des Maximalwertregisters 132 und des Adressenregisters 134, welche den Inhalt des Registers 126 bei jedem 15,24 cm-Intervall (Halbfuß-Intervall) verschieben und bei Freigabe durch den Komparator 130 eine Eingabe in die Register 132, 134 in richtiger Reihenfolge erlauben. Die Gatter 128 führen das Ausgangssignal des Registers 126 nur dann auf den Addierer 124, wenn die Impulszählstand-Herausgreifschaltung 86 einen Impulszählstand von 3 bis 9 anzeigt, entsprechend Langbereichsimpulsen 2 bis 8. Nach 8 Langbereichsimpulsen wird das Anzeigeregister 136 getriggert, um eine Digitalanzeige des gemessenen Abstands zu erzeugen. Zur selben Zeit wird der Impulszählstand auf Null zurückgesetzt, so daß der nächste von der Steuerlogik 70 durchgeführte Meßversuch, wie zuvor beschrieben, ein Kurzbereichmeßversuch ist.

Die Arbeitsweise der Signalverarbeitungsvorrichtung 30 und des zugehörigen Wandlers 24 in der beschriebenen Art repräsentiert eine bevorzugte Form zur Durchführung der erfindungsgemäßen Materialhöhen-Überwachungsmethode.

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Bei dieser Methode wird ein erster Ultraschallimpuls mit einer ersten Impulsbreite und einer ersten Impulswiederholungsperiode von dem am Oberteil des Vorratstanks 10 befestigten Wandler 24 vertikal nach unten zur oberen Oberfläche 18 des Materials gesendet. Als Antwort auf den ersten gesendeten Impuls von der Materialoberfläche zurückgeschickte Impulse werden, durch das zuvor erwähnte Zusammenwirken von Komparator 130, Register 132 und Logik 80, für eine vorgewählte Zeitdauer nach der Aussendung des ersten Sendeimpulses überwacht, welche Zeitdauer einem vorgewählten Abstandsbereich zur Materialoberfläche entspricht, welcher vorzugsweise ein Kurzbereichsabstand zwischen 61 cm und 6,40 m ist. Wenn innerhalb dieser vorgewählten Zeitdauer ein Echoimpuls empfangen wird, wird mit den Anzeigen 137 und/oder 144 eine numerische Anzeige der Materialhöhe angezeigt, und der erste Ultraschallimpuls wird von neuem ausgesendet. Wenn innerhalb der dem Kurzbereichsabstand entsprechenden vorgewählten Zeitdauer kein Echoimpuls vom ersten ausgesendeten Impuls empfangen wird, wird vertikal auf die Materialoberfläche ein zweiter Ultraschallimpuls gesendet mit einer von der ersten Impulsbreite verschiedenen zweiten Impulsbreite und einer von der ersten Impulswiederholungsperiode verschiedenen zweiten Impulswiederholungsperiode. Echoimpulse vom zweiten ausgesendeten

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y B 1 ι 7 B

Impuls werden innerhalb eines zweiten vorgewählten Zeitrahmens überwacht, und zwar durch die zuvor erwähnte Tätigkeit der Logik 70 und des Gatters 62 gegenüber dem Integrator 123 und dem Register 132. Vorzugsweise entspricht der zweite Zeitrahmen einem längeren Abstandsmeßbereich von 4,27 m bis 48,16 m. Aus Antwortimpulsen innerhalb dieses Zeitrahmens wird eine Anzeige der Materialhöhe erzeugt. Nach jeder Langbereichsmeßfolge wird automatisch wieder mit einer Kurzbereichsmeßfolge begonnen, und zwar durch die zuvor erwähnte Tätigkeit der Steuerlogik 70, der Logik 80 und der Herausgreifschaltung 86, um wieder den ersten Ultraschallimpuls auszusenden.

Entsprechend einem anderen Aspekt der erfindungsgemäßen Methode zur Materialhöhensteuerung wird eine Impulsfolge, die vorzugsweise acht der zweiten Ultraschallimpulse aufweist, zur Materialoberfläche 18 hin ausgesendet. Von der Materialoberfläche reflektierte Echoantwortimpulse werden vom Wandler 24 empfangen. Jeder solche Antwortimpuls wird dann im Konverter 122 in eine Digitalzahl umgewandelt mit einem Wert, der die Intensität dieses Impulses im Verhältnis zu anderen, gleichermaßen empfangenen Antwortimpulsen angibt. Antwortimpulse von nach-

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einander ausgesendeten Impulsen der Acht-Impuls-Folge werden im Digitalintegrator 123 dem erscheinenden Abstand von der Oberfläche entsprechend integriert oder summiert. Nach Beendigung der Acht-Impuls-Folge wird der integrierte Antwortimpuls mit dem höchsten Digitalwert durch den Komparator 130 und das Register 132 ausgewählt, und derjenige auftretende Materialoberflächenabstand, welcher diesem integrierten Impuls mit dem höchsten Wert entspricht, wird dann identifiziert und als Anzeige für den wirklichen Materialoberflächenabstand behandelt. Dieser wirkliche Abstand wird automatisch im Register 134 verfügbar gemacht und kann bei 137 und/oder 144 angezeigt werden.

Die Erfindung ist so^weit ausführlich an Hand einer derzeit bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden, die im Langbereichsbetrieb am Empfänger ein Signal/Rausch-Verhältnis für den längsten gemessenen Abstand ergibt, das um einen Faktor größer als 5 erhöht ist, wodurch eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen analogverarbeitenden Materialhöhen-SteuervDrrichtungen erreicht ist. Demzufolge ist der maximal meßbare Abstand entsprechend um einen Faktor 5 erhöht worden. Die bevorzugte Ausführungsform ergibt ferner eine Materialtiefenauflösung von 30,5 cm (1 Fuß) oder weniger bei einem Abstand von 45,7 m unter

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der höchsten zu erwartenden Rauschbedingung. Es ist jedoch nicht so aufzufassen, als ob die vorliegende Erfindung auf die Impulsbreiten, Impulswiederholungsfrequenzen oder die Anzahl der integrierten Impulse, wie sie derzeit bevorzugt werden, beschränkt ist, da sich diese Werte unter variierenden Bedingungen ändern können. Beispielsweise erlaubt die bevorzugte Kurzbereichsimpulsbreite von 2 Millisekunden eine minimale Abstandsmessung von 61 cm, ohne die Bandbreitenanforderungen der Filter 106j 118 und der Verstärker 108, 120 übermäßig zu erhöhen. Wenn eine minimale Tiefenmessung von beispielsweise lediglich 91 cm (3 Fuß) oder 122 cm (4 Fuß) erforderlich ist, kann die Kurzbereichsimpulsbreite entsprechend vergrößert werden, mit der Folge einer Reduzierung der Bandbreitenerfordernisse für die Empfängerfilter und -verstärker. Gleichermaßen ist die bevorzugte Langbereichsimpulsbreite von 10 Millisekunden mathematisch als genügend lang ausgewählt worden, um die gewünschte Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses zu ergeben, während sie kurz genug ist, um eine Auflösung von 31 cm bei einer Tiefe von 45,7 m zu ergeben. Wenn die zu erwartenden Rauschbedingungen und/oder die erforderliche Auflösungsgenauigkeit sich ändern, kann die Langbereichsimpulsbreite wieder entsprechend variiert werden.

Wenn auch die Erfindung in Verbindung mit einer Materialhöhensteueranlage beschrieben worden ist, bei welcher ein einziger Wandler starr und fest an der Oberseite eines Materialvorratstanks befestigt und durch eine Steuerelektrode in einem 1/1-Wandler/Elektronik-Verhältnis überwacht ist, ist es überdies offensichtlich, daß andere Wandler- und/oder Steuerelektronikanordnungen vorteilhaft sein können. Beispielsweise wäre die in Verbindung mit Fig. 2 erläuterte Steuerelektronik 30 bei einer Materialhöhensteuervorrichtung in Verbindung mit einem beweglichen oder sich bewegenden Wandler verwendbar. Ein Beispiel eines solchen Wandlers wäre ein solcher, der starr an der Tankoberseite befestigt ist, jedoch um sdnen Befestigungspunkt in einem periodischen Abtastmuster verschwenkt oder sich dreht, um abgestrahlte Impulse unter ausgewählten Winkeln zur Materialoberfläche zu richten und dadurch einen größeren Materialoberflächenbereich zu "überstreichen". Ein weiteres Beispiel für einen beweglichen Wandler wäre ein solcher, der in vertikaler Richtung starr befestigt ist, der sich jedoch in einer Ebene unterhalb des Tankoberteils an einer Stange oder einem Balken bewegt,.um wiederum in einem bestimmten Ablenkmuster einen vergrößerten Oberflächenbereich zu überstreichen. Bei jeder derartigen Anwendung kann die erfindungsgemäß vagesehene Material-

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2 6 1 1 7 B

Steueranlage 30 dazu verwendet werden, die Kontur der oberen Oberfläche des Materials in Form einer "Landkarte" aufzuzeichnen. Natrlich muß eine zusätzliche Steuerschaltungsanordnung vorgesehen werden, um die Wandlerposition mit dem Meßabstand zu korrelieren. Eine solche zusätzliche Schaltungsanordnung ist dem Fachmann generell bekannt.

Die in Verbindung mit Fig. 2 besprochene Steuerschaltung 30 kann auch leicht zur Verwendung mit mehreren Wandlern angepaßt werden, wobei jeder Wandler am Oberteil eines individuell ausgewählten Vorratstanks befestigt ist. Bei dieser Anwendung würde eine Schaltungsanordnung zur Auswahl eines der Wandler aus der Vielzahl Wandler, wie ein rotierender Schalter oder ein Schrittrelais, am Ausgang des Verstärkers 104 (Fig. 2) vorgesehen. Zusätzlich würde auch eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die den gemessenen Abstand mit dem ausgewählten Wandler, d. h. dem ausgewählten Materialvorratstank, korreliert.

Der Aufbau einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Wandleranordnung 20 ist ausführlich in den Fig. bis 6 gezeigt, die alle maßstabsgerecht gezeichnet sind.

Gemäß den Fig. 3 bis 5 ist ein Parabolreflektor 22 aus fiberglasverstärktem Kunststoff gegossen und ist integriert mit einem zylinderförmigen Reflektorgehäuse 150, das sich vertikal vom eigentlichen Reflektor 152 erstreckt. Im Gehäuse 150 befindet sich ein impedanzanpassender Impulsumformer 15^ mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, die um einen korroidförmigen Kern aus ferromagnetischem Material gewickelt sind, und zwar in einem bevorzugten Sekundär/Primär-Wicklungsverhältnis von 5/1. Dadurch, daß der Impulsumformer solchermaßen in der Sender/ Wandler-Leitung vorgesehen ist, sind der Sender und der Wandler jeweils an die Leitungsimpedanz angepaßt, während gleichzeitig eine 25:1-Impedanzerhöhung zwischen der Leitung und dem Wandler erreicht wird. Dies führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des Energieübertragungswirkungsgrades zwischen dem Sender und dem Wandler sowie dem Wandler und dem Empfänger, überdies erlaubt die Anordnung des Impulsumformers am Wandler, entfernt von der Steuerelektronik, die Verwendung eines Kabels niedriger Impedanz zur Verbindung der Steuerelektronik mit dem Wandler, und die Hochspannungsschaltungen der Anlage lassen sich innerhalb einer Schutzumhüllung auf der Wandlerseite unterbringen.

Die Umformerwicklungen sind mit einer Anschlußleiste 155 verbunden. Die Primärwicklung ist von dort aus

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über ein Kabel 28 mit der E/S-Schaltung 42 (Fig. 2) verbunden. Ein Qtermistor 156, dessen Zweck zuvor in Verbindung mit Fig. 2 erläutert worden ist, ist in der Wand des Gehäuses 152 eingebettet und über eine zweite Anschlußleiste 158 (Fig. 4) und ein Kabel 54 mit der Zeitsteuerungsschaltung 40 (Fig. 2) verbunden.

Eine Reflektorgehauseabdeckung 160 ist im Preßsitz über das Gehäuse 152 gedrückt und an diesem mittels Haftverbindung verbunden, und sie nimmt ein mit Gewinde versehenes Ende 164 eines Wandlerbefestigungsnippels 162 auf. Das Gehäuse 152 wird dann mit einem geeigneten Einkapslungsmittel wie RTV gefüllt. Ein zweites mit Gewinde versehene Nippelende 166 vermag eine Befestigungsmutter 168 aufzunehmen, um die Wandleranordnung 20 sicher am Tankoberteil 14 festzulegen. Ein Glasfasern aufweisender akustischer Absorberblock 167 ist gegenüber dem Wandler 24 in der Mitte des Reflektors 152 befestigt, um die Erzeugung von stehenden Wellen zwischen dem Wandler und dem Reflektor zu unterbinden. Der Block 167 wird mittels eines Schirmes 169 in Stellung gehalten.

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Drei parallele, hohle Stäbe oder Rohre 170 aus nickelpDafctiertem Stahl sind am Reflektor 22 befestigt, und zwar mittels Muttern 172 und Klemmringen 173, und sie halten den Ultraschallwandler 24 im Reflektorbrennpunkt. Ein dreieckiger Halterungsbolck 176 aus glasfaserverstärktem Kunststoff weist an den einzelnen Dreiecksspitzen Gewindelöcher 178 auf, um die jeweiligen mit Gewinde versehenen Enden der Halteröhre 170 aufzunehmen. Das offene Ende einer Wandlerbecheranordnung 174 ist in axialer Richtung in eine Mittelbohrung 180 im Block 176 gepreßt. Ein Kabel 182 ist mit dem Anschlußblock 155 verbunden und von dort durch eines der Halteröhre 170 geführt, um die Sekundärwicklung des Umformers 154 mit den Becheranordnungsanschlüssen 184, 186 zu verbinden. Der durch die Becheranordnung 174 und den Block 176 gebildete Hohlraum 188 (Fig. 3) ist mit RTV-Einkapslungsmittel gefüllt, und ein Deckel 189 ist auf dem Block 176 haftend befestigt, um den Hohlraum und die Rohrlöcher 178 abzudecken.

Gemäß Fig. 6 umfaßt eine Wandlerbecheranordnung 174 eine hohle Aluminiumkapsel 190 mit einer axialen Zylinderbohrung 196, die an den Kapselenden 192, 194 jeweils eine Öffnung bildet. Ein piezoelektrischer Kristall

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mit sich gegenüberliegenden, parallelen vorderaiund hinteren Stirnflächen 197, 199 ist mittels einer Schicht 202 aus Haftmaterial an einer Wandleraufsatzplatte oder Membran aus Aluminium befestigt. Wenn der Kristall 198 durch die E/S-Schaltung 42 (Fig. 2) erregt wird, bilden der Kristall und die Membran 200 einen schwingenden "Verbundträger", der inneren Biegespannungen ausgesetzt ist. Die neutrale Biegeachse der Kristall-Membran-Kombination ist vorzugsweise in der Haftschicht 202 oder innerhalb der Membran 200 dicht neben der Haftschicht angeordnet, um sicherzustellen, daß der Kristall 198 entweder Zug- oder Druckspannungen ausgesetzt wird, nicht jedoch gleichzeitig beiden, so daß die Wahrscheinlichkeit ehes Kristall- oder Membranbruchs oder einer Ablösung des Kristalls von der Membran verringert ist. Das Haftmittel ist vorzugsweise leitend, wie silberdotiertes Epoxy oder mit Silber versehenes Lot. Die Membran 200 wird in das Ende 194 der Kapsel 190 gedrückt, und zwar mit einem Übermaßpreßsitz, nachdem eine oder beide am Preßsitz beteiligte Umfangsflächen mit einem geeigneten anaeroben Füllmittel beschichtet worden sind, um Spalte oder Lücken zwischen dem Membranumfang und der Kapselwand auszufüllen.

Eine Anschlußleiste 204 ist an der Kapsel 190 befestigt, und zwar mittels einer Schraube 206, die von einer ent-

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sprechenden Gewindeöffnung 208 in der Kapselwand aufgenommen wird. Der Anschluß 184 ist elektrisch mit der Schraube 206 und somit mit der Kapsel 190,der Membran 200, der Haftschicht 202 und der Kristallfläche 194 verbunden, um diese Kristallfläche über ein Kabel 182 zu erden. Der Anschluß 186 an der Leiste 204 ist über einen Leiter 210 und eine Lötverbindung 212 mit der Kristallrückseite 199 verbunden.

Ein akustischer Absorberblock 214 füllt den Rest des Hohlraums 196 und weist vorzugsweise ein elastisches synthetisches Material wie RTV auf und ein nicht leitendes teilchenförmiges Material wie Sand oder Quarz, die in einem RTV/Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 20/1 gemischt sind. Das teilchenförmige Material, das in Fig. 6 durch Körner 215 angedeutet ist, erhöht die Dichte des Absorbers 214 und hilft dabei, die von der hinteren Kristallfläche 199 ausgehenden Ultraschallwellen zu brechen und zu absorbieren. Die RTV/Teilchen-Mischung erniedrigt auch den Q-Wert des Wandlers, der auf dem Gebiet der ¥andler generell als das Verhältnis der Resonanzfrequenz geteilt durch die Bandbreite am Punkt halber Wandlerleistung definiert ist. Derzeit wird für Materialhöhensteuerungsanwendungen ein Q im Bereich zwischen 14 und 17 bevorzugt.

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Man fand, daß der Q-Wert der Becheranordnung ohne den RTV/ Teilchen-Absorber generell zwischen 70 und 90 liegt. Man fand auch, daß der Absorber 214 die Resonanzfrequenz der Anordnung um 200 bis 300 Hz erniedrigt.

Die in den Fig. 1 und 3 bis 6 gezeigte Ultraschallwandleranordnung 20 ist Gegenstand einer gleichzeitig eingereichten Parallelanmeldung der gleichen Anmelderin, für die als Erfinder Walter E. Levine angegeben ist (P ) .

Auf diese Parallelanmeldung, in welcher der Wandler 20 ausführlicher erläutert ist, wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen. Mit Ausnahme des zuvor erwähnten Merkmals, das durch den Impedanzanpassungsimpulsumformer 154 in Zuordnung zur Steuerelektronik 30 gekennzeichnet ist, bildet der hier beschriebene Wandleraufbau selbst keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Er bildet jedoch einen Teil der derzeit bevorzugten Art zur Ausführung des Verfahrens und zur Benutzung der Vorrichtung zur Ultraschall-Materialhöhensteuerung gemäß Erfindung.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

ZWIRNER - HIRSCH 26117 5

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Patentansprüche

f 1.] Steuereinrichtung zur Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank,

gekennzeichnet durch eine Wandleranordnung (20, 24), die Ultraschallimpulse (26) auf eine obere Materialoberfläche (18) richtet und von dieser Materialoberfläche reflektierte Echoimpulse (26) empfängt, eine betriebsmäßig mit der Wandleranordnung verbundene Abtastvorrichtung zum Abtasten der Echoantwortimpulse während vorgewählter Intervalle, die eine Funktion des Abstandes sind,

eine Vorrichtung zum Umwandeln der einzelnen abgetasteten Antwortimpulse in Digitalsignale mit einem numerischen Wert, der die Intensität eines jeden Echoimpulses gegenüber einem anderen Echoimpuls anzeigt,

eine Vorrichtung zum Integrieren der abgetasteten und digitalisierten Antwortimpulse auf ausgesendete Impulse, die nacheinander im Rahmen einer vorgewählten Impulsfolge ausgesendet worden sind, die dem auftretenden Abstand der Wandleranordnung von der Materialoberfläche entspricht,

Müncnen: Kramer. Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach - Dr. Bergen - Zwirner

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eine Vorrichtung zum seriellen Speichern der integrierten Antwortimpulse entsprechend dem auftretenden Abstand, und

eine Vorrichtung zum Überwachen der integrierten Impulse zur Erzeugung einer Anzeige des wirklichen Abstandes, der eine Funktion der Materialhöhe ist, nach Beendigung dieser Impulsfolge.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung an der Oberseite des Tanks montiert und so angeordnet ist, daß sie Ultraschallimpulse nach unten zur Materialoberfläche richtet und die von dieser Oberfläche nach oben reflektierten Antwortimpulse empfängt.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die den integrierten Impuls überwachende Vorrichtung eine erste digitale Speicherregistereinrichtung zur Speicherung digitaler Dater, aufweist sowie eine mit der integrierenden Vorrichtung betriebsmäßig verbundene Vorrichtung zum Vergleichen eines integrierten Impulses in der integrierenden Vorrichtung mit Digitaldaten, die in der ersten

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Speicherregistervorrichtung gespeichert sind, eine auf die Vergleichsvorrichtung ansprechende Vorrichtung zum Speichern des integrierten Impulses in der ersten Speicherregistervorrichtung dann, wenn der integrierte Impuls größer ist als die gespeicherten Daten,

eine zweite Speicherregistervorrichtung zum Speichern digitaler Daten, und

eine auf die Vergleichsvorrichtung ansprechende Vorrichtung zum Speichern eines auftretenden Materialoberflächenabständes, der dem in der zweiten Speicherregistervorrichtung gespeicherten integrierten Impuls zugeordnet ist, dann, wenn der integrierte Impuls größer ist als die gespeicherten Daten.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der zweiten Speicherregistervorrichtung betriebemäßig verbundene Anzeigevorrichtung zur Erzeugung einer Anzeige des wirklichen Abstandes bei Abschluß der Impulsfolge vorgesehen ist.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung eine digitale Anzeigevorrichtung aufweist.

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6. Steuervorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung ein Galvanometer aufweist sowie eine Digital/Analogsignal-Konvertervorrichtung, welche die zweite Speicherregistervorrichtung betriebsmäßig mit dem Galvanometer verbindet.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Impulsfolge um einen Impuls handelt.
8. Steuereinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge acht Impulse umfaßt.
9. Steuervorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählten Abtastintervalle als Funktion der Temperatur innerhalb des Tanks geregelt sind.
10. Steuereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Intervalle 15,24 cm des zwischen der Wandleranordnung und der Materialhöhe auftretenden Abstandes entspricht.

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11. Steuereinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung die Antwortimpulse im Bereich eines auftretendes Abstandes von 4,27 m bis 48,16 m abtastet.
12. Verfahren zur Überwachung der Höhe des Materials

in einem Vorratstank auf der Grundlage der Hin- und Herlaufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen einem Wandler und der oberen Oberfläche des Materials, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Folge von Ultraschallimpulsen zur oberen Oberfläche des Materials gesendet wird, daß von dieser Oberfläche reflektierte Echoantwortimpulse empfangen werden,

daß jeder der Echoantwortimpulse in eine Digitalzahl umgewandelt wird mit einem Wert, der die Intensität eines jeden der Impulse relativ zu einem anderen Impuls anzeigt,

daß die Antwortimpulse von nacheinander gesendeten Impulsen der Folge entsprechend dem auftretenden Abstand zur Oberfläche integri ?rt werden, daß ein integrierter Antwortimpuls mit dem höchsten Digitalwert nach Beendigung der Impulsfolge ausgewählt wird, und

daß der erscheinende Materialoberflächenabstand,der dem integrierten Impuls mit dem höchsten Wert zuge-

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2 6 1 !7SS

ordnet ist, identifiziert und dieser erscheinde Abstand als wirklicher Materialoberflächenabstand behandelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die Folge von Ultraschallimpulsen acht Impulse aufweist.
14. Steuereinrichtung zur Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank, gekennzeichnet durch eine Wandleranordnung zum Aussenden von Ultraschallimpulsen zur oberen Materialoberfläche und zum Empfangen von von dieser Materialoberfläche reflektierten Echoantwortimpulsen, und eine Vorrichtung, die auf den Zeitablauf zwischen einem ersten ausgesendeten Impuls und einem entsprechenden Antwortimpuls anspricht, zur Regulierung der Impulsbreite und der Impulswiederholungsperiode eines dem ersten ausgesendeten Impuls nachfolgenden zweiten ausgesendeten Impulses als Funktion dieses Zeitablaufs.
15· Steuereinrichtung zur Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank,

gekennzeichnet durch eine Wandlervorrichtung, die Ultraschallimpulse zur oberen Materialober-

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ORIGINAL INSPECTEÖ

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fläche sendet und von dieser reflektierte Echoantwortimpulse empfängt, und

eine auf den Zeitablauf zwischen einem ersten gesendeten Impuls und einem entsprechenden Antwortimpuls ensprechende Vorrichtung zur Regulierung der Impulsbreite und der Impulswiederholungsperiode eines zweiten gesendeten Impulses, der auf den ersten gesendeten Impuls folgt, als Funktion dieses Zeitablaufs.
16. Steuereinrichtung nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung an der Oberseite des Tanks befestigt und so angeordnet ist, daß sie die Ultraschallimpulse nach unten zur Materialoberfläche richtet und die von dieser Materialoberfläche nach oben reflektierten Antwortimpulse empfängt.
17. Steuereinrichtung nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, daß die den nachfolgenden Impuls regulierende Vorrichtung aufweist:

Eine die Antwortimpulse überwachende Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten Steuersignals, wenn der Zeitablauf zwischen dem ersten übertragenen "Impuls und dem entsprechenden empfangenen Impuls einen erscheinenden Abstand zwischen Wandleranordnung und Materialoberfläche innerhalb eines vorgewählten

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261 Γ/S

Bereichsintervalls anzeigt,

eine die Antwortimpulse überwachende Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Steuersignals, wenn der erscheinende Abstand außerhalb des vorgewählten Bereichsintervalls liegt, und eine auf das erste und das zweite Steuersignal ansprechende Vorrichtung zur Regulierung der Impulsbreite und der Impulswiederholungsperiode des zweiten ausgesendeten Impulses.
18. Steuereinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das erste und das zweite Signal ansprechende Vorrichtung eine mit der Wandleranordnung gekoppelte Vorrichtung aufweist, die als Reaktion auf das erste Steuersignal einen zweiten Sendeimpuls erzeugt mit einer Impulsbreite und einer Impulswiederholungsperiode, die denjenigen des ersten Sendeimpulses gleich sind, sowie

eine mit der Wandleranordnung gekoppelte und auf das zweite Steuersignal ansprechende Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Sendeimpulses mit einer zweiten Impulsbreite und einer zweiten Impulsperiode, die direkt proportional dem erscheinenden Abstand sind.

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ORK3IMAL INSPECTED

2 61 I
19. Steuereinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgewählte Bereichsintervall ein Kurzbereichsintervall ist und daß die auf das zweite Steuersignal ansprchende Vorrichtung auf den erscheinenden Abstand anspricht, der über das Kurzbereichsintervall hinausgeht, um einen zweiten Sendeimpuls zu erzeugen mit einer größeren Impulsbreite und einer größeren Impulswiederholungsperiode, als sie der erste Sendeimpuls aufweist,
20. Steuereinrichtung rach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzbereichsintervall zwischen 61 cm und 6,40 m liegt.
21. Steuervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impulsbreite im wesentlichen gleich 2 Millisekunden und die erste Impulswiederholungsperiode im wesentlichen gleich 60 Millisekunden ist und daß die zweite Impulsbreite im wesentlichen gleich 10 Millisekunden und die zweite Impulswiederholungsperiode im wesentlichen gleich 300 Millisekunden ist.

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22. Verfahren zur Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank als Funktion der Hin- und Herlaufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen einem Wandler und der oberen Oberfläche des Materials,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein erster Ultraschallimpuls mit einer ersten Impulsbreite und einer ersten Impulswiederholungsperiode vertikal zur oberen Oberfläche des Materials gesendet wird,

b) eine vorgewählte Zeit nach dem gesendeten Impuls, die einem vorgewählten Abstandsbereich zur Materialoberfläche entspricht, überwacht wird, ob als Antwort auf den ersten gesendeten Impuls ein Echoimpuls auftritt,

c) als Reaktion auf einen Echoimpuls innerhalb dieser vorgewählten Zeit der erste Ultraschallimpuls erneut gesendet wird,

d) als Reaktion auf das Nichtauftreten des Echoimpulses innerhalb der vorgewählten Zeit ein zweiter Ultraschallimpuls mit einer von der ersten Impulsbreite verschiedenen zweiten Impulsbreite und einer von der ersten Impulswiederholungsperiode verschiedenen zweiten Impulswiederholungsperiode vertikal zur Materialoberfläche gesendet wird, und

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e) das Auftreten eines Echoimpulses als Antwort auf den zweiten gesendeten Impuls überwacht wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Impuls entsprechend Schritt (a) erneut ausgesendet wird, nachdem eine vorgewählte Anzahl zweiter Impulse entsprechend Schritt (d) ausgesendet worden ist.
24. Verfahren nach Anspruch 23,

dadurch gekennzeichnet, daß mit einer vorgewählten Anzahl zweiter Ultraschallimpulse von acht gearbeitet wird.
25. Verfahren nach Anspruch 22,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impulsbreite größer als die erste ImpuM>reite ist.
26. Verfahren nach Anspruch 25,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impulswiederholungsperiode größer als die erste Impulswiederholungsperiode ist.
27. Verfahren nach Anspruch 26,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impulsbreite im wesentlichen gleich 2 Millisekunden, die ersten Impuls-

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Wiederholungsperiode im wesentlichen gleich 60 Millisekunden, die zweite Impulsbreite im wesentlichen gleich 10 Millisekunden und die zweite Impulswiederholungsperiode im wesentlichen gleich 300 Millisekunden ist.
28. Steuereinrichtung zur Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank,

gekennzeichnet durch eine an der Tankoberseite angeordnete Wandleranordnung, welche Ultraschallimpulse nach unten durch Luft zur oberen Oberfläche des Materials richtet und von dieser Oberfläche nach oben reflektierte Echoantwortimpulse durch Luft empfängt, eine mit der Wandleranordnung gekoppelte Vorrichtung zur Abtastung der Echoantwortimpulse in vorgewählten Intervallen, die dem erscheinenden Abstand zwischen Wandlervorrichtung und Materialoberfläche entsprechen, eine Vorrichtung zum Umwandeln der abgetasteten Antwortimpulse in digitale Signale, die je einen numerischen Wert haben, der die Intensität eines entsprechenden Antwortimpulses im Verhältnis zu den anderen abgetasteten Antwortimpulsen anzeigt, eine mit der Wandleranordnung gekoppelte Vorrichtung zum Senden eines ersten Ultraschallimpulses mit einer ersten Impulsbreite und einer ersten Impulswiederholungsperiode nach unten zur Materialoberfläche,

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eine mit der Umwandlungsvorrichtung gekoppelte Vorrichtung zum Vergleichen digitalisierter Echoantwortimpulse vom ersten gesendeten Impuls mit einem vorgewählten Antwortschwellenwert innerhalb einer vorgewählten Zeitdauer nach dem gesendeten Impuls, wobei die Zeitdauer einem vorgewählten AbStandsbereich zwischen Wandleranordnung und Materialoberfläche entspricht ,

eine mit der Vergleichsvorrichtung und der Vorrichtung zum Senden des ersten Impulses gekoppelte Vorrichtung zum erneuten Senden des ersten Impulses in Abhängigkeit von einem digitalisierten Echoimpuls vom ersten gesendeten Impuls oberhalb des Schwellenwertes und innerhalb der Zeitdauer,

eine mit der Wandleranordnung und der Vergleichsvorrichtung gekoppelte Vorrichtung zum Senden eines zweiten Ultraschallimpulses mit einer zweiten Impulsbreite und einer zweiten Impulswiederholungsperiode beim Nichtauftreten eines digitalisierten Antwortimpulses vom ersten gesendeten Impuls oberhalb des Schwellenwertes und innerhalb der Zeitdauer,

eine mit der Umwandlungsvorrichtung gekoppelte Vorrichtung zum Integrieren digitalisierter Antwortimpulse vom zweiten gesendeten Impuls über eine vorbestimmte Impulsfolge zweiter gesendeter Impulse entsprechend einem erscheinen-

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den Abstand zwischen Wandleranordnung und Materialoberfläche ,

eine mit der Vergleichsvorrichtung verbundene Vorrichtung zur Erzeugung einer Anzeige des wirklichen Abstandes von der Materialoberfläche in Abhängigkeit von einem digitalisierten Echoantwortimpuls vom ersten gesendeten Impuls innerhalb der Zeitdauer, und eine mit der integrierenden Vorrichtung gekoppelte Vorrichtung zur Erzeugung einer Anzeige des wirklichen Abstandes von der Materialoberfläche nach Beendigung der Impulsfolge.
29. Einrichtung zum Messen des Abstandes von einem Gegenstand auf der Grundlage der Hin- und Herlaufzeit eines zu dem Objekt gesendeten und zurückkommenden Impulses,

gekennzeichnet durch eine Wandleranordnung, die Impulse zu dem Objekt richtet und von dem Objekt reflektierte Echoantwortimpulse empfängt, eine mit der Wandleranordnung gekoppelte Vorrichtung zum Abtasten der Echoantwortimpulse während vorgewählter Intervalle, die eine Funktion des Abstandes zwischen Ivandleranordnung und Materialoberfläche sind,

eine Vorrichtung zum Umwandeln der abgetasteten Antwortimpulse in digitale Signale mit je einem

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numerischen Wert, der die Intensität eines entsprechenden Antwortimpulses im Verhältnis zu den anderen abgetasteten Antwortimpulsen anzeigt,

eine Vorrichtung zum Integrieren dieser abgetasteten und digitalisierten Antwortimpulse von nacheinander ausgesendeten Impulsen über eine vorgewählte Impulsfolge, die dem erscheinenden Abstand zwischen Wandleranordnung und Materialoberfläche entspricht, eine Vorrichtung zum seriellen Speichern der integrierten Antwortimpulse entsprechend dem erscheinenden Abstand, und

eine die integrierten Impulse überwachende Vorrichtung zur Erzeugung einer Anzeige eines wirklichen Abstandes nach der Beendigung der Impulsfolge, wobei die die integrierten Impulse überwachende Vorrichtung aufweist:

eine erste digitale Speicherregistervorrichtung zum Speichern digitaler Daten,

eine mit der integrierenden Vorrichtung gekoppelte Vorrichtung zum Vergleichen eines integrierten Impulses in der integrierenden Vorrichtung mit in der ersten Speicherregistervorrichtung gespeicherten Digitaldaten, eine auf die Vergleichsvorrichtung ansprechende Vorrichtung zur Speicherung des integrierten Impulses in der ersten Speicherregistervorrichtung dann, wenn

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der integrierte Impuls größer als die gespeicherten Daten ist, eine zweite Speicherregistervorrichtung zum Speichern digitaler Daten und eine auf die Vergleichsvorrichtung ansprechende Vorrichtung zum Speichern eines erscheinenden Abstandes, der dem in der zweiten Speicnerregistervorrichtung gespeicherten integrierten Impuls entspricht, dann, wenn der integrierte Impuls größer als der gespeicherte Datenwert ist.
30. Einrichtung nach Anspruch 29,

gekennzeichnet durch eine mit der zweiten Speicherregistervorrichtung gekoppelte Anzeigevorrichtung zur Erzeugung einer Anzeige des wirklichen Abstandes nach Beendigung der Impulsfolge.
31. Einrichtung nach Anspruch 29,

dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge acht Impulse aufweist.
32. Einrichtung zum Messen eines Abstandes von einem Gegenstand auf der Grundlage der Hin- und Herlaufzeit eines gesendeten Impulses zu dem Gegenstand und von diesem zurück,

gekennzeichnet durch eine Waodlereinrichtung zum Senden von Impulsen zum Gegenstand und zum Empfangen

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von von dem Gegenstand reflektierten Echoantwortimpulsen, und

eine auf den Zeitablauf zwischen einem ersten gesendeten Impuls und einem entsprechenden Antwortimpuls ansprechende Vorrichtung zur Regulierung der Impulsbreite eines zweiten gesendeten Impulses, der dem ersten gesendeten Impuls folgt, als Funktion des Zeitablaufs, wobei die den nachfolgenden Impuls regulierende Vorrichtung auf weist:

eine die Antwortimpulse überwachende Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten Steuersignals, wenn der Zeitablauf zwischen dem ersten gesendeten Impuls und dem entsprechenden empfangenen Impuls einen erscheinenden Abstand zwischen wandleranordnung und Gegenstand innerhalb eines vorgewählten Bereichsintervalls anzeigt,

eine den Antwortimpuls überwachende Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Steuersignals, wenn der erscheinende Abstand außerhalb des vorgewählten Bereichsintervalls liegt, und

eine auf das erste und das zweite Steuersignal ansprechende Vorrichtung zur Regulierung der Impulsbreite des zweiten gesendeten Impulses.

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33. Einrichtung nach Anspruch 32,

dadurch gekennzeichnet, daß die auf das erste und das zweite Signal ansprechende Vorrichtung auch die Impulswiederholungsperiode des zweiten gesendeten Impulses reguliert und aufweist:

eine mit der Wandleranordnung gekoppelte und auf das erste Steuersignal ansprechende Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten gesendeten Impulses mit einer Impulsbreite und einer Impulswiederholungsperiode, die mit denen des ersten gesendeten Impulses identisch sind, und

eine mit der Wandleranordnung gekoppelte und auf das zweite Steuersignal ansprechende Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten gesendeten Impulses mit einer zweiten Impulsbreite und einer zweiten Impulswiederholungsperiode, die direkt proportional zum erscheinenden Abstand sind.
34. Einrichtung nach Anspruch 33,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem vorgewählten Bereichsintervall um ein Kurzbereichsintervall handelt und daß die auf das zweite Steuersignal ansprechende Vorrichtung auf denjenigen erscheinenden Abstand anspricht, der über das Kurzbereichsintervall

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hinausgeht, um einen zweiten gesendeten Impuls zu erzeugen mit einer größeren Impulsbreite und einer größeren Impulswiederholungsperiode, als sie der erste gesendete Impuls aufweist.
35. Anlage zur Überwachung der Höhe eines Materials auf der Grundlage der Hin- und Herlaufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen einem Wandler und einer Oberfläche des Materials, gekennzeichni durch eine Vorrichtung zum Aussenden einer Folge von Ultraschallimpulsen zu einer Oberfläche des Materials,

eine die von der Oberfläche reflektierten Echoantwortimpulse empfangende Vorrichtung, eine Vorrichtung zum Umwandeln jedes Echoantwortimpulses in eine Digitalzahl mit einem Wert, der die Intensität eines jeden der Impulse relativ zu den anderen anzeigt,

eine Vorrichtung zum Integrieren der Antwortimpulse von nacheinander gesendeten Impulsen der Folge entsprechend dem erscheinenden Abstand von der Oberfläche,

eine Vorrichtung zum Auswählen eines integrierten Antwortimpulses mit dem höchsten digitalen Wert nach Beendigung der Impulsfolge, und eine Vorrichtung, welche zu identifizieren vermag, welcher erscheinende Materialoberflächenabstand

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dem integrierten Impuls mit diesem höchsten Wert zugeordnet ist, und die diesen erscheinenden Abstand als wirklichen Materialoberflächenabstand zu behandeln vermag.
36. Anlage nach Anspruch 35,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallimpulsfolge acht Impulse aufweist.
37. Anlage nach Anspruch 35,

gehainzeichnet durch eine mit der zweiten Speicherregistervorrichtung gekoppelte Anzeigevorrichtung zur Erzeugung einer Anzeige des wirklichen Abstandes nach Beendigung der Impulsfolge.
38. Anlage zur Überwachung der Höhe eines Materials als Funktion der Hin- und Herlaufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen einem Wandler und einer Oberfläche des Materials,

gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Aussenden eines ersten Ultraschallimpulses mit einer ersten Impulsbreite und einer ersten Impulswiederholungsperiode vertikal zur Oberfläche des Materials hin,

eine Vorrichtung, welche während einer vorgewählten Zeit nach dem ersten gesendeten Impuls, die einem vorgewählten Oberflächenabsbandsbereich entspricht,

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das Auftreten eines Echoimpulses als Antwort auf den ersten gesendeten Impuls überwacht, eine Vorrichtung, die den ersten Ultraschallimpuls beim Auftreten eines Echoimpulses innerhalb der vorgewählten Zeit erneut aussendet, eine Vorrichtung, die beim Nichtauf treten des Echoimpulses innerhalb der vorgewählten Zeit vertikal zur Materialoberfläche einen zweiten Ultraschallimpuls aussendet mit einer von der ersten Impulsbreite verschiedenen zweiten Impulsbreite und einer von der ersten Impulswiederholungsperiode verschiedenen zweiten Impulswiederholungsperiode, und eine Vorrichtung zur Überwachung des Auftretens eines Echoimpulses als Antwort auf den zweiten gesendeten Impuls.
39. Anlage nach Anspruch 38,

gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum erneuten Aussenden des ersten Impulses nach Aussendung einer vorbestimmten Anzahl der zweiten Impulse.
40. Anlage nach Anspruch 39,

dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählte Anzahl der zweiten Ultraschallimpulse acht ist.

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41. Steueranlage zur Überwachung der Höhe des Materials in einem Vorratstank,

gekennzeichnet durch eine Wandleranordnung, die Ultraschallimpulse zur oberen Materialoberfläche sendet und von dieser reflektierte Echoantwortimpulse empfängt,

eine mit der Wandleranordnung gekoppelte Vorrichtung zur Abtastung der Echoantwortimpulse von jedem gesendten Impuls während vorgewählter Intervalle, die eine Punktion des Abstandes der Materialoberfläche von der Wandleranordnung sind,

eine Vorrichtung zum Umwandeln eines jeden der abgetasteten Antwortimpulse in Digitalsignale mit einem numerischen Wert, der die Intensität eines jeden Echoimpulses relativ zu gleichermaßen empfangenen anderen Echoimpulsen angibt, und eine die abgetasteten und digitalisierten Antwortimpulse überwachende Vorrichtung zur Erzeugung einer Anzeige des wirklichen Abstandes, die eine Funktion der Materialhöhe ist, nach Beendigung dieser Impulsfolge, wobei diese Überwachungsvorrichtung aufweist: eine erste digitale Speicherregistervorrichtung zur Speicherung von Digitaldaten,

eine mit der Umwandlungsvorrichtung gekoppelte Vorrichtung zum Vergleichen der umgewandelten Impulse mit den in der ersten Speicherregistervorrichtung

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gespeicherten Digitaldaten,

eine auf die Vergleichsvorrichtung ansprechende Vorrichtung zum Speichern eines umgewandelten Impulses in der ersten Speicherregistervorrichtung dan, wenn der umgewandelte Impuls größer als der gespeicherte Datenwert ist,

eine zweite Speicherregistervorrichtung zur Speicherung digitaler Daten und

eine auf die Vergleichsvorrichtung ansprechende Vorrichtung zum Speichern eines erscheinenden Materialoberflächenabstandes, der dem in der zweiten Speicherregistervorrichtung gespeicherten umgewandelten Impuls entspricht, wenn der umgewandelte Impuls größer als der gespeicherte Datenwert.ist.
42. Steueranlage zur Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank, mit einem Ultraschallimpulse zur oberen Materialoberfläche richtenden und von dieser reflektierte Echoantwortimpulse empfangenden Wandler und einer mit dem Wandler gekoppelten Steuerschaltung zur Erzeugung einer Anzeige der Materialhöhe auf der Grundlage der Hin- und Herlaufzeit eines Ultraschallimpulses vom Wandler zur Materialoberfläche und wieder zurück,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Vorrichtung zum Umwandeln.der Echoantwortimpulse in

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Digitalsignale mit einem numerischen Wert, der die Intensität eines jeden der Echoimpulse relativ zu den anderen anzeigt, aufweist sowie eine auf die Umwandlungsvorrichtung ansprechende Höhenanzeigevorrichtung zur Erzeugung der Anzeige des Materialhöhenabständes auf der Grundlage des relativen numerischen Wertes der digitalisierten Antwortimpulse·
43. Anlage nach Anspruch 42,

dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenanzeigevorrichtung eine Einrichtung aufweist zum Integrieren der digitalisierten Antwortimpulse aufeinanderfolgender gesendeter Impulse über eine vorgewählte Impulsfolge entsprechend dem erscheinenden Abstand von den integrierten Impulsen, um eine Anzeige des wirklichen Abstandes nach Beendigung der Impulsfolge zu erzeugen.
44. Anlage nach Anspruch 43,

gekennzeichnet durch eine mit dem Wandler gekoppelte Vorrichtung zur Abtastung der Echoantwortimpulse während vorgewählter Intervalle, die eine Funktion des Abstandes zwischen Wandler und Materialoberfläche sind, wobei die Umwandlungsvorrichtung mit der Abtastvorrichtung verbunden ist, um abgetastete Antwortimpulse in die Digitalsignale umzuwandeln;

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45. Anlage nach Anspruch 42,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler am Oberteil des Vorratstanks befestigt und so gerichtet ist, daß er Impulse nach unten zur Materialoberfläche sendet und von dieser nach oben reflektierte Impulse empfängt, und zwar jeweils durch einen Luftraum zwischen dem Tankoberteil und der Materialoberfläche.
46. Materialhöhensteuereinrichtung mit einem Ultraschallimpulse zu einer Materialoberfläche richtenden und von dieser reflektierte Echoantwortimpulse empfangenden Wandler und einer Steuerschaltung mit einer mit dem Wandler gekoppelten Empfänger/Sender-Schaltung zur Erzeugung einer Anzeige der Materialhöhe auf der Grundlage der Hin- und Herlaufzeit eines Ultraschallimpulses vom Wandler zur Materialoberfläche und wieder zurück,

gekennzeichnet durch einen Impulsumformer, der elektrisch zwischen die Empfänger/Sender-Schaltung und den Wandler geschaltet ist, und zwar in impedanzmäßiger Anpassung an diese.

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Einrichtung nach Anspruch 46,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung entfernt vom Wandler angeordnet ist und ein Kabel umfaßt, das den Wandler über den Umformer mit der Steuerschaltung verbindet, und daß der Impulsumformer an einem von der Steuerschaltung entfernten Ende des Kabels angeordnet ist.

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