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Digitales Abstands-Meßgerät
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- Ansprüche - -
Die Erfindung betrifft ein digitales
Meßgerät, welches zur berührungslosen Messung kurzer Abstände im Meßbereich eines
Maßbandes dient und als tragbare Baueinheit mit taschenformatigem Gehäuse ausgebildet
ist.
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Das erfindungsgemäße Meßgerät arbeitet mit Ultra- oder Hyperschall
und weist hierzu in dem Gehäuse einen im Ultra- oder Hyperschallbereich arbeitenden
Schallsender und einen zugeordneten Schallempfänger sowie eine mit dem Sender und
Empfänger zusammenwirkende Laufzeitmeßeinrichtung auf, die gesteuert vom Sender
einschaltbar und gesteuert vom Empfänger abschaltbar ist und der ein mehrstelliges
digitales Anzeigefeld am Gehäuse zugeordnet ist. Der Meßwert der Laufzeitmeßeinrichtung
ist auf einen gehäusefesten Bezugspunkt bezogen. Die Laufzeitmeßeinrichtung wird
in Abhängigkeit vom Aussenden bzw. Empfangen des Meßsignals gesteuert und umfaßt
einen Taktgeber, insbesondere eineFrequenzuhr, mit konstantem stets reproduzierbarem
Takt, der an die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Meßsignals im Meßmedium angepaßt
ist, so daß ein Zeitmeßwert in Abhängigkeit von der Laufzeit des Signals erhalten
wird. Die Taktimpulse des Taktgebers werden von einem zqgeordneten Zähler gezählt
und durch einen entsprechenden Zahlenwert zur Anzeige gebracht. Beispielsweise durch
eine entsprechende Taktfrequenz oder Zählfrequenz wird dabei berÜcksichtigt, daß
das Meßsignal
vom Sender über das Meßobjekt zurück zum Empfänger
einen Weg zurücklegt,welcher dem doppelten Abstand des meßgerätes vom Meßobjekt
entspricht. Die Eigenlänge des Meßgerätes zwischen der Ebene, in welcher der Sender
und der Empfänger liegen, und dem gehäusefesten Bezugspunkt, auf welchen das Meßergebnis
bezogen wird, kann beispielsweise dadurch berücksichtigt werden, daß der Zähler
von einem entsprechenden Anfangswert größer Null aus zu zählen beginnt oder entsprechend
verzögert nach dem Empfang des Signals zu zählen aufhört.
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Für das erfindungsgemäße Meßgerät ist es jedoch erforderlich, ein
Ansprechen des Empfängers unter Abschalten der Laufzeitmeßeinrichtung auf Störechos
zu vermeiden, welche nicht dem Echo des Meßsignals nach seiner Reflexion am Meßobjekt
entsprechen. Da der Schallsender verhältnismäßig klein sein muß, damit er in einem
Taschengerät untergebracht werden kann, andererseits aber sich das Schall feld des
Schallsignals nach seinem Aussenden umsomehr verbreitert, je kleiner der Schallsender
im Vergleich mit der Wellenlänge des Schallsignals ist, bereitet es bei den im Ultra-
bzw. Hyperschallbereich liegenden Wellenlängen mit einem kleinen Sender beträchtliche
Schwierigkeiten, Störechos von beispielsweise seitlich nah an der Meßstrecke liegenden
Gegenständen auszuschließe bzw. ein Ansprechen des Empfängers auf solche Sörechos
zu vermeiden.
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Diese Schwierigkeiten lassen sich jedoch gemäß der Erfindung dadurch
weitgehend vermeiden, daß der Sender ein einen Kurzzeitimpuls aussendender Impulssender
ist und daß der Empfänger einen das Abschalten der Laufzeitmeßeinrichtung steuernden
Empfangsverstärker aufweist, dem ein Zeitglied zugeordnet ist, unter dessen Steuerung
der Empfänger einen Betriebswert seiner Ansprechempfindlichkeit mit bestimmtem Zeitverzug
nach dem Aussenden des Sendeimpulses erreicht.
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Da die mit einem kleinen Sender, der sich in einem Taschengerät noch
unterbringen läßt, einhergehenden Seitenabstrahlungen des ausgesendeten Schallimpulses
nur solche zum vorzeitigen Abschalten der Laufzeitmeßeinrichtung führenderStörechos
ergeben können, die früher am Empfänger als das Meßecho eintreffen, kann durch entsprechende
Bemessung des Zeitverzuges dafür gesorgt werden, daß solche Störechos nicht zum
Abschalten der Laufzeitmeßeinrichtung führen.
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Gleichzeitig wird dadurch vermieden, daß selbst bei einem verhältnismäßig
starken Sendeimpuls dieser unmittelbar vom Sender auf einen im engen Abstand seitlich
daneben angeordneten Empfänger überspringt und so die Laufzeitmeßeinrichtung praktisch
mit dem Aussenden des Meßimpulses wieder abschaltet.
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In einer Ausgestaltung dieses Merkmals ist der Empfängerverstärker
derart ausgelegt oder gesteuert, daß die Ansprechempfindlichkeit
des
Empfängers nach dem Einschalten des Verstärkers während einer bestimmten Zeitspanne
bis zu dem Betriebswert hin ansteigt, wobei die Laufzeitmeßvorrichtung über den
Verstärker nur nach Überschreiten einer bestimmten Größe des Verstärkerausgangssignals
abschaltbar ist. Da dieses Verstärkerausgangssignal abhängig von der Stärke des
am Empfänger ankommenden Echos und von dem Verstärkungsgrad des Verstärkers ist,
kann man durch entsprechende Wahl der Zeitspanne, die nach dem Einschalten des Verstärkers
bis zum Erreichen des maximalen Verstärkungsgrades verstreicht, erreichen, daß ein
aus kurzen Entfernungen reflektiertes und damit verhältnismäßig starkes Echo zu
einem Zeitpunkt beim Empfänger ankommt, in welcher dieser noch nicht seine volle
Ansprechempfindlichkeit erreicht hat.Andererseits trifft ein aus größeren Entfernungen
reflektiertes und damit schwaches Echo aufgrund der größeren Laufzeit auf einen
empfindlicheren Empfänger auf, so daß die Werte des Ausgangssignals des Verstärkers
für kleinere und größere Meßstrecken weitgehend aneinander angeglichen werden können.
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Andererseits haben Störechos, da sie von einer Seitenabstrahlung des
vom Sender ausgesendeten Impulses herrühren, beim Ankommen am Empfänger eine geringere
Schallstärke als ein Echo aus einer Schallabstrahlung im Bereich der Achse des sich
ausbreitenden Schallfeldes, so daß durch entsprechende Wahl des Anstiegs der Ansprechempfindlichkeit
und der Größe der Schwelle, welche das Verstärkerausgangssignal
zum
Abschalten der Laufzeitmeßeinrichtung durchläßt, dafür gesorgt werden kann, daß
die Schallstärke des Störechos nicht ausreicht, ein für das Abschalten der Laufzeit
meßeinrichtung ausreichendes Verstärkerausgangs signal zu erzeugen.
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Zusätzlich oder alternativ zu dem allmählichen, sorzugsweise linearen
Anstieg der Ansprechempfindlichkeit des Empfängers kann in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung der Verstärker unter der Steuerung des Zeitgliedes verzögert einschaltbar
sein. Hierdurch insbesondere wird eine.
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direkte Koppelung des Empfängers mit dem Sender vermieden, so daß
keine Fehlmessungen dadurch entstehen können.
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Hierbei kann in der bevorzugten Lösung das Zeitglied mittels eines
Meßbereichschalters vcn einer geringen Einschaltverzögerung im Nahmeßbereich auf
eine größere Einschaltverzögerung im Fernmeßbereich umschaltbar sein. Wenn man beispielsweise
eine Einschatverzögerung im Nahmeßbereich von etwa 3 Millisekunden nach dem Sendebeginn
vorsieht, entspricht dies einem Ausbreitungsweg von etwa 1 m, so daß Meßentfernungen
größer als 0,5 m gemessen werden können.
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Die Einschaltverzögerung für den Fernmeßbereich kann hierbei beispielsweise
etwa 12 Millisekunden betragen, was einer Meßentfernung von etwa 2 m entspricht.
Dadurch sind Störechos, welche aus einem kürzeren Abstand am Empfänger
eintreffen,
fiir die Beeinflussung des Meßergebnisses völlig wirkungslos gemacht. Außerdem ist
durch die Verwendung der Einschaltverzögerung des Verstärkers eine Messung auch
beispielsweise durch einen Maschendrahtzaun oder dergl. hindurch möglich.
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Für die Einschaltverzögerung des Verstärkers kann man solche Zeitglieder
verwenden, welche fest auf einen bestimmten Zeitverzug ausgelegt sind. Eine andere
und hier bevorzugte Möglichkeit besteht jedoch darin, die Größe des Zeitverzuges
in Abhängigkeit davon zu steuern, daß die Sendeleistung des Senders nach dem Aussenden
des Schallimpulses bis auf einen bestimmten Wert abgeklungen ist. Wenn dieser Abklingwert
hinreichend klein .ist, um ein direktes Koppeln des Empfängers mit dem Sender zuverlässig
auszuschließen, können dadurch hervorgerufene Fehlmessungen auch bei von Messung
zu Messung schwankender Maximalleistung des Senders zuverlässig ausgeschaltet werden.
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in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Meßbereichsschalte
vorgesehen, mit welchem die Sendeleistung des Senders von einer hohen Sendeleistung
im Fernbereich auf eine geringere Sendeleistung im Nahbereich umgeschaltet werden
kann. Hierdurch kann man fÜr den Nahbereich mit einer geringeren Einschaltverzögerung
des Empfängerverstärkers arbeiten, ohne daß dadurch die Gefahr der direkten Kopplung
des
Empfängers mit dem Sender besteht, denn das im Nahmeßbereich ausgesendete Signal
ist hierzu aufgrund der verringerten Sende leistung zu schwach. Hingegen kann die
Sendeleistung für den Fernmeßbereich größer sein, weil dann auch eine entsprechend
größere Zeitverzögerung gewählt werden kann.
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Oben ist bereits angesprochen, daß die Bündelung des Ausbreitungsfeldes
des Schalles umso stärker ist und daher die Richtwirkung umso besser ist, je größer
das Verhältnis des Durchmessers des Senders zu der Wellenlänge der Schallschwingung
ist. Da die Durchmessergröße des Senders für seine Unterbringung in einem Taschenmeßgerät
beschränkt ist, wird eine möglichst kurze Wellenlänge der vom Sender angeregten
Schallschwingung angestrebt. Da dies jedoch eine möglichst hohe Frequenz der Schallschwingung
bedeutet und die Absorption der Schallenergie in Luft mit steigender Frequenz quadratisch
zunimmt, darf andererseits die Frequenz der Schall schwingung für Meßstrecken im
Bereich mehrerer Meter nicht zu hoch sein, damit das am Empfänger ankommende Echo
des Meßimpulses nicht für das Abschalten der Laufzeitmeßeinrichtung zu schwach wird.
Damit aber wenigstens im Nahmeßbereich beispielsweise bis zu 2 bis 3 m eine möglichst
starke Bündelung des sich ausbreitenden Schallfeldes erreicht wird, besteht eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung darin,den Schallsender
von
einer hohen Schall frequenz im Nahbereich auf eine niedrigere Schallfrequenz im
Fernbereich verstellbar zu machen. Durch die dadurch erzielte starke Bündelung des
Schallfeldes im Nahmeßbereich wird die Gefahr der direkten Koppelung des Empfängers
mit dem Sender wie auch des Auftretens von Störechos, die von nahe an der Meßstrecke
liegenden Gegenständen reflektiert werden und früher als das Meßecho am Empfänger
eintreffen, entsprechend geringer, so daß für den Nahmeßbereich mit einer entsprechend
geringeren Zeitverzögerung bis zur Aktivierung des Empfängers auf den Betriebswert
seiner Ansprechempfindlichkeit gearbeitet werden kann und daher noch verhältnismäßig
kurze Abstände im Bereich einiger Zentimeter gemessen werden können.
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Die mit der Absenkung der Schall frequenz für den Fernmeßbereich einhergehende
stärkere Verbreiterung des abgestrahlten Schallfeldes läßt sich hingegen durch einen
entsprechend größeren Zeitverzug kompensieren, so daß hier die Schallfrequenz hinreichend
klein sein kann, um auch bei größeren Abständen noch ein hinreichend starkes Echo
des Meßsignals am Empfänger zu erhalten.
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Zusätzlich oder alternativ kann man die Abschirmung des Empfängers
gegen eine direkte Xoppelung mit dem Sender sowie die Bündelung des sich ausbreitenden
Schallfeldes auch durch konstruktive Maßnahmen verbessern. Daher ist vorzugsweise
der Sender in einem Reflexionstubus versenkt angeordnet,
dessen
Durchmesser sich in Senderichtung vergrößert. Hierdurch können sich zur Seite hin
stark ausbreitende Anteile des Schallimpulses an der Reflexionsfläche des Tubus
reflektiert und in Senderichtung umgelenkt werden. Durch die so erzielte stärkere
Bündelung des Schallfeldes wird außerdem die Stärke des Meßechos größer, so daß
der größtmöglichste Meßabstand entsprechend größer wird.Bevorzugt ist in dem Reflexionstubus
im Abstand vor dem Sender ein zweiter innerer Reflexionstubus konzentrisch angeordnet,
dessen Durchmesser sich in Senderichtung mit kleineren Offnungswinkel als der äußere
Reflexionstubus vergrößert. Hierdurch werden Seitenabstrahlungen in einer Richtung,
welche mit der Meßrichtung einen großen Winkel einschließen, im äußeren Reflexionstubus
reflektiert und in Senderichtung umgelenkt, während Seitenabstrahlungen mit geringerem
Winkel zur Meßrichtung im inneren Reflexionstubus reflektiert und in die Senderichtung
umgelenkt werden. Beispielsweise kann man den Öffnungswinkel der Reflektionstuben
und damit den Reflexionswinkel bei Auswahl eines entsprechend großen Ringspaltes
zwischen dem dem Sender zugewendeten Rand des inneren Reflexionstubus und dem äußeren
Reflexionstubus derart auswählen, daß Seitenabstrahlungen mit einem Winkel zwischen
ihrer Abstrahlrichtung und der Meßrichtung im Bereich von 40 bis 500 im äußeren
Reflexionstubus reflektiert werden, während Seitenabstrahlungen mit kleinerem Winkel
im inneren Reflexionstubus reflektiert
werden. Vorzugsweise beträgt
der Offnungswinkel des Innentubus etwa 100 und der des Außentubus etwa 450. Der
Offnungswinkel der Reflexionstuben braucht jedoch nicht über ihre Länge hin konstant
zu sein. Vielmehr kann die Bündelung des Schallfeldes durch mit zunehmendem Abstand
vom Sender in ihrem Öffnungswinkel abnehmende Reflexionsflächen begünstigt werden.
Insbesondere können die Reflexionstuben parabolisch gekrümmt mit einem wenigstens
annähernd gemeinsamen Parabelbrennpunkt verlaufen, wobei der Sender im Bereich dieses
Parabelbrennpunktes liegt, so daß die bekannte Parallelreflexion eines parabolischen
Hohlspiegels ausgenutzt werden kann.
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Vorzugsweise ist der Reflexionstubus bzw. sind die Reflexionstuben
gemeinsam leicht lösbar am Gehäuse befestigt.
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Hierzu kann beispielsweise ein Schraubgewinde oder ein Bajonettverschluß
ähnlich wie bei einer Vorsatzblende an einem Fotoapparat vorgesehen werden. Durch
die leicht lösbare Befestigung ist es möglich, den oder die Reflexionstuben nur
dann aufzusetzen, wenn die Meßumgebung eine möglichst gute Richtwirkung des Senders
erfordert, wenn beispielsweise in.sehr schmalen Räumen gemessen werden soll.
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Im übrigen kann bei einer geringen Einschaltverzögerung des Empfängers
die Gefahr bestehen, daß der Sendeimpuls durch Körperschallausbreitung im Gehäuse
zum Empfänger gelangt
und dieser hierdurch die Laufzeitmeßeinrichtung
abschaltet.
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Um solche durch Körperschall-Übetragung hervorgerufene Fehlmessungen
zu vermeiden, wird vorzugsweise der Empfänger innerhalb des Gehäuses gegen den Sender
schallisoliert angeordnet. Dies kann durch entsprechend schalldämpfende Abstützung
der Empfängerkapsel durchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann man durch
konstruktive Gestaltung des Gehäuses dafür sorgen, daß Schallbrücken möglichst vermieden
werden bzw. durch dämpfend wirkende Gestaltung unterbrochen werden.
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Zur Erzielung hinreichend genauer Meßergebnisse muß außerdem beachtet
werden, daß sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls mit der Teperatur des
Ausbreitungsmediums ändert. Beispielsweise kann bei einer Meßentfernung von etwa
6 m ein Meßfehler von 10 cm auftreten,wenn die Umgebungstemperatur um 10°C von der
Temperatur abweicht,auf welche der Taktgeber der Laufzeitmeßeinrichtung geeicht
ist. Vorzugsweise wird daher eine mit der Umgebungstemperatur entsprechend veränderliche
Frequenz des Taktgebers vorgesehen.
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Dies läßt sich in der bevorzugten Lösung dadurch erreichen, daß der
Taktgeber der Laufzeitleßvorrichtung von einem der Meßatrtsphäre ausgesetzten Widerstand
gesteuert ist, dessen Widerstandsgröße in Anpassung an die temperaturveränderliche
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schallimpulses temperaturveränderlich
ist.
Es wird hierdurch eine selbsttätige Kompensation von Temperaturschwankungen der
Meßatmosphäre erreicht. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel konnte durch einen
entsprechend temperaturveränderlichen Widerstand der Temperatureinfluß für einen
Bereich von etwa 0° bis 400C völlig kompensiert werden.
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Das erfindungsgemäße Meßgerät eignet sich insbesondere für das Ausmessen
von Räumen von Wand zu Wand. Hier läßt sich am Gehäuse eine senkrecht zur Sendeachse
verlaufende Anlagefläche vorsehen, auf welche der Nullwert der Laufzeitmeßeinrichtung
bezogen ist. Wenngleich diese Anlagefläche auch die dem Sender und Empfänger benachbarte
Gehäuse seite sein kann oder beispielsweise durch einen Absatz in der Gehäusemitte
gesondert ausgebildet sein kann, wird es bevorzugt, die dem Sender und Empfänger
abgewendete Gehäuseseite als diese Anlagefläche herzunehmen. Hierdurch lassen sich
Messungen von Wand zu Wand eines Raumes besonders einfach durchführen. Im übrigen
besteht auch die Möglichkeit, mehrere solcher Anlageflächen vorzusehen, von denen
jede nach entsprechender Umschaltung der Laufzeitmeßeinrichtung als Bezugsgröße
des Meßwertes dienen kann.
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Bei einem erfindungsgemäßen Meßgerät können der Sender und der Empfänger
in dieselbe Richtung weisend am Gehäuse untergebracht sein, vorzugsweise an der
vorderen Stirnseite des
Gehäuses, wobei dann die oben beschriebene
Anlagefläche, auf den der Nullwert der Laufzeitmeßeinrichtung bezogen ist, von der
Rückseite des Gehäuses gebildet ist. Es ist jedoch auch möglich, den Sender und
den Empfänger in entgegengesetzte Richtungen weisend beispielsweise an den beiden
Seitenflächen des Gehäuses auszubilden, wobei dann die zwischen Sender und Empfänger
bestehende Eigenlänge der Vorrichtung für die Laufzeitmeßeinrichtung kompensiert
ist.
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Mit einer derartigen Ausführungsform ist es möglich, den Abstand zweier
Wände voneinander dadurch zu messen, daß das Meßgerät zwischen die Wände gehalten
wird, so daß der Sendeimpuls erst an der einen Wand zu der anderen Wand hin reflektiert
wird und dort zum Empfänger hin reflektiert wird. Ferner besteht die vorteilhafte
Möglichkeit, an jeder Gehäuseseite in entgegengesetzte Richtungen weisende Sender-Empfänger-Paare
anzuordnen. Hierbei wird somit zu beiden einander gegenüberliegenden Meßgerätseiten
hin je ein Meßsignal auf das zugeordnete Meßobjekt gestrahlt und von diesem reflektiert,
so daß es von dem zugeordneten Empfänger empfangen wird. Hierbei können die beiden
Sender-Empfänger-Paare gleicnzeitig arbeiten, wobei die beiden erhaltenen Meßwerte
von der Laufzeitmeßeinrichtung gesondert registriert, beispielsweise in einen Speicher
eingelesen werden, und dann vorzugsweise selbsttätig zu einem Gesamtwert addiert
werden. Hierbei ist die Eigenlänge aus dem Abstand zwischen den beiden Sender-Empfänger-Paaren
ebenfalls kompensiert.
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Die beiden Sender-Empfänger-Paare können jedoch auch nacheinander
arbeiten, wobei vorzugsweise der Sender des einen Sender-Empfänger-Paares durch
das Empfangen des Signals am Empfänger des anderen Sender-Empfänger-Paares einschaltbar
ist. Hierbei kann die Lauf zeitmeßeinrichtung mit dem Aussenden des Signals an dem
ersten Sender gestartet werden und in Abhängigkeit vom Empfangen des anderen Signals
an dem Empfänger des zweiten Sender-Empfänger-Paares abgeschaltet werden, so daß
der Zähler von demjenigen Zeitpunkt, in welchem der eine Sender das Signal aussendet,
bis zu dem Zeitpunkt, in welchem der Empfänger des anderen Sender-Empfänger-Paares
das Signal empfängt, durchlaufen kann. Sobald der Empfänger des einen Sender-Empfänger-Paares
das von dem einen Meßobjekt reflektierte erste Meßsignal empfängt, wird der Sender
des anderen Sender-Empfänger-Paares zur Aussendung des zweiten Signals aktiviert.
Hierbei kann jedes Sender-Empfänger-Paar aus. einem einzigen elektroakustisch arbeitenden
Element gebildet sein, welches von der Funktion als Sender mit entsprechender Zeitverzögerung
nach dem Aussenden des Signals auf die Funktion als Empfänger umschaltbar ist.
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Auch bei einer derartigen Ausführungsform ist vorzugsweise die Eigenlänge
des Gerätes entsprechend dem Abstand der beiden Sender-Empfänger-Paare voneinander
kompensiert. Dies kann ebenfalls dadurch geschehen, daß der Zähler von einem
Anfangswert
größer Null aus zu zählen beginnt oder nach dem Empfangen des Signals gesteuert
von entsprechenden Verzögerungsgliedern entsprechend nachläuft. Es ist bei dieser
Ausführungsform jedoch auch möglich, entsprechend an die Eigenlänge angepaßte Verzögerungsglieder
vorzusehen, welche das am Empfänger des einen Sender-Empfänger-Paares empfangene
Signal entsprechend verzögert an den Sender des anderen Sender-Empfänger-Paares
weitergeben.
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Bei einer derartigen Vorrichtung mit zwei Sender-Empfänger-Paaren
kann auch die Möglichkeit geschaffen werden, nur zu einer Richtung hin zu messen,
indem man beispielsweise durch einen entsprechenden Umschalter das eine Sender-Empfänger-Paar
abschaltbar macht. Auch hierbei kann man durch entsprechende Verzögerungsglieder
dafür sorgen, daß der Meßwert auf einen zweckmäßigen gehäusefesten Bezugspunkt bezogen
wird, beispielsweise auf eine Anlagefläche an der dem arbeitenden Sender-Empfänger-Paar
abgewendeten Gehäuse seite. Ferner ist es bei einer derartigen Ausführungsform möglich,
von jedem Sender-Empfänger-Paar einen gesonderten Meßwert zu erhalten, welcher über
die Laufzeitmeßeinrichtung gesondert registriert und gesondert zur Anzeige gebracht
werden kann, beispielsweise in einen Speicher eingelesen werden kann, der später
nach Bedarf in die Anzeigeeinrich-.
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tung abgerufen wird.
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Die Ausführungsform mit zwei Sender -Empfänger-Paaren auf einander
gegenüberliegenden Gehäuseseiten hat den Vorteil, daß der mögliche Meßbereich verdoppelt
ist, weil dieses Meßgerät etwa in die Mitte zwischen zwei auszumessenden Meßobjekten
gehalten werden kann, so daß für jedes Sender-Empfänger-Paar das Meßsignal nur noch
einen Weg zurückzulegen hat, welcher nicht mehr dem doppelten Abstand der Meßobjekte
voneinander, sondern nur dem einfachen Abstand zwischen den Meßobjekten entspricht.
Bei dieser Ausführungsform werden somit bei einem Sendeimpuls gleicher Stärke wie
bei den anderen Ausführungsformenum ein mehrfaches stärkere Meßechos empfangen.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßgerätes werden
in das Gehäuse des Meßgerätes vorteilhaft auch elektronische Rechenglieder in Art
denen eines elektronischen Taschenrechners einbezogen. Hierbei können das Abstandsmeßgerät
und das Rechengerät voneinander unabhängig arbeitend ausgebildet sein. Es ist jedoch
auch möglich, dafür zu sorgen, daß das Meßgerät selbsttätig oder über eine entsprechende
Taste in den Rechner eingelesen werden kann, um es in gewünschten Rechenoperationen
weiterzuverarbeiten. Hierzu ist vorzugsweise ein Speicher vorgesehen, der im Rechner
bereits vorhanden ist oder zusätzlich geschaffen wird und in welchem das von der
AbstandsmeBvorrichtung erhaltene Meßergebnis gespeichert wird, so daß
es
während einer gewünschten Rechenoperation aus dem Speicher abgerufen und verarbeitet
werden kann.
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Werden hier mehrere Speicher vorgesehen, in welchen mehrere Meßergebnisse
gesondert gespeichert werden können, kann mit Hilfe des Rechners beispielsweise
eine Multiplikation zweier Meßergebnisse durchgeführt werden, um beispielsweise
die Bodenfläche eines Raumes zu erhalten.
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Als Stromquelle für das erfindungsgemäße Meßgerät wird vorzugsweise
eine Batterie verwendet, welche in dem Gehäuse untergebracht ist. Diese Batterie
ist mit Vorteil aufladbar. Zusätzlich oder alternativ kann für das Meßgerät jedoch
auch ein Netzeingang zur Fremdstromversorgung vorgesehen werden. Falls mit einer
Batterie gearbeitet wird, besteht die Möglichkeit, daß das Meßergebnis bei nahezu
verbrauchten Batterien verfälscht wird. Um hier vorzubeugen, kann man eine entsprechende
Leuchtanzeige einbeziehen, welche aufleuchtet, sobald der Batteriestrom unter einen
noch annehmbaren Wert abgesunken ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsformen erläutert,
welche aus der Zeichnung ersichtlich sind. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine Draufsicht
auf ein erfindungsgemäßes Abstands-Meßgerät mit einbezogenem elektronischen Taschenrechner,
Fig.
2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Schaltplan für den
Sender- und Empfängerteil des Meßgeräts aus Fig. 1, Fig. 4 einen Schaltplan für
den Taktgeber der Laufzeitmeßeinrichtung und die Steuerteile des zugehörigen Zählers,
Fig. 5 einen Schaltplan für den Zähler- und Anzeigeteil, Fig. 6 eine weitere Ausführungsform
des Meßgerätes in der Draufsicht und Fig. 7 eine dritte Ausführungsform des Meßgerätes
in der Draufischt.
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Bei dem aus Fig. 1 ersichtlichen Gerät sind in einem gemeinsamen Gehäuse
1 im Westentaschenformat ein mit Ultraschall arbeitendes Abstands-Meßgerät und ein
elektronischer Taschenrechner als Baueinheit untergebracht. Zu dem Meßgerät gehört
ein mehrstelliges digitales Anzeigefeld 2, während zu dem Rechner ein gesondertes
digitales mehrstelliges Anzeigefeld 3 gehört. Auf der Breitseite des Gehäuses 1
sind die Rechentasten 4 und ein Ein-Aus-Schalter 5 des Rechners und unterhalb des
Tastenfeldes 4 ein Meßschalter 6 für das Meßgerät untergebracht.
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An der vorderen Stirnseite des Gehäuses 1 sitzt links ein Ultraschall-Sender
7 und rechts ein daran angepaßter Schallempfänger 8. Durch Betätigen des Meßschalters
6 wird durch den Sender 7 ein Ultraschallimpuls ausgesendet, an einem Meßobjekt
reflektiert und am Empfänger 8 empfangen. Die in dem Gehäuse untergebrachte Lauf
zeitmeßeinrichtung mißt die Laufzeit des Meßsignals bis zum Empfangen am Empfänger
8 und bringt auf dem Anzeigefeld 2 einen Zahlenwert zur Anzeige, welcher dem halben
Laufweg des Meßsignals vom Sender 7 bis zum Meßobjekt und zurück zum Empfänger 8
entspricht. Dieses Meßergebnis ist auf eine gehäusefeste Bezugslinie bezogen, welche
bei dem Meßgerät nach Fig. 1 in der dem Sender und Empfänger abgewendeten Stirnfläche
des Gehäuses 1 liegt, welche als Anlagefläche 9 gescaltet ist, mit welcher das Gerät
für die Messung des Abstandes zwischen zwei Meßobjekten gegen das eine Meßobjekt,
beispielsweise eine Wand, gehalten wird.
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Der Rechner und das Meßgerät arbeiten mit einer gemeinsamen, in dem
Gehäuse 1 untergebrachten Batterie 10, welche schematisch in Fig. 3 eingetragen
ist. Außerdem sind aus Fig. 3 die elektronischen Sender- und Empfänger-Schaltungen
ersichtlich. Für die einzelnen elektronischen Elemente in den hier gezeigten Schaltungen
sind die dafür üblichen Symbole verwendet, so daß auf ihre Erläuterung hier im einzelnen
verzichtet werden kann.
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Von der Batterie 10 geht ein Zweig R zum Rechenteil, während ein anderer
Leitungszweig über den Meßschalter 6 läuft und hinter diesem sich seinerseits auf
zwei Anschlüsse unterschiedlicher Ausgangsspannung a und b verzweigt.
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Zur Senderschaltung 11 gehört eine Startverzögerungsschaltung 12 und
eine Einschaltsteuerung 13. Die Startverzögerungsschaltung 12 hat den Zweck, für
einen definierten Anfang des Senderimpulses und damit einen definierten Startimpuls
für die Lauf zeitmeßeinrichtung zu sorgen, welcher am Ausgang A der Startverzögerungsschaltung
12 erscheint. Diese Schaltung ist hier so ausgelegt, daß über das Zeitglied 14 nach
etwa 0,3 Sekunden die Triggerschwelle erreicht wird und am Ausgang des Verstärkers
15 die Nenn-Spannung auftritt, welche einerseits zur Empfängerschaltung 17, andererseits
zur Einschaltsteuerung 13 des Senders 7 geht. Gleichzeitig erscheint auch am Ausgang
A des Gliedes 16 der Nennpegel zum Starten der Laufzeitmeßeinrichtung.
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Der Schallsender 7 wird vom Sender-Generator 19 betrieben, welcher
jedoch vom Transistor 20 der Einschaltsteuerung 13 am Arbeiten gehindert wird, solange
der Transistor 20 voll geöffnet ist. Nach dem Erscheinen des Signals am Ausgang
des Verstärkers 15 wird über entsprechende Trigger der Einschaltsteuerung 13 ein
0,2 ms dauerndes Signal an den Transistor 20 angelegt, durch welches dieser voll
gesperrt
wird, so daß der Sender-Generator 19 ein 0,2 ms dauerndes
Impuisbündei der Frequenz f = 40 kHz erzeugt. dieses Impulsbündel wird im Transistor
21 verstärkt und über einen Transformator zur Sendekapsel 7 gegeben, welche mit
einem Widerstand 22 bedämpft ist, damit Nachschwingungen des Senders 7 verkürzt
werden. Die Frequenz des Sender-Generators 19 ist vorzugsweise auf den genauen Wert
einstellbar, was hier über den Trimmwiderstand 23 erfolgt.
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Das am Ausgang des Verstärkers 15 der Startverzögerungsschaltung 12
erscheinende Signal wird außerdem an eine der Empfängerschaltung 17 vorgeschaltete
Verzögerungsschaltung 18 gegeben, durch welche das Ansprechen der Empfänger schaltung
solange verzögert wird, wie der Sender 7 arbeitet.
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Hierzu gelangt der Eingangsimpuls der Verzögerungsschaltung 18 über
den Widerstand 24 zum Kondensator 25, der nun aufgeladen wird. Nach dem Ablaufen
der Ladezeit, welche durch Zuschalten des Kondensators 27 mittels des Meßbereichschalters
28 vergrößert werden kann, erscheint am Ausgang des Triggers 26 eine Spannung, durch
welche der Kondensator des nachgeschalteten Zeitgliedes 29 aufgeladen wird, so daß
am Ausgang des Zeitgliedes 29 die Spannung etwa linear mit der Zeit ansteigt. Entsprechend
diesem Spannungsanstieg steigt die Verstärkung des dem Empfänger 8 nachgeschalteten
Transistors 30 an.
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Der Verstärker 31 des Empfängers 8 hat als Eingangsstufe einen rauscharmen
FET-Transistor 32, welcher optimal angepaßt ist. Die weitere Verstärkung erfolgt
über zwei Silizium-Transistoren 33 und 30. Anschließend erfolgt eine Demodulation
und Gleichspannungsverstärkung. Der Ausgang B der Empfängerschaltung 17 geht zur
Laufzeitmeßeinrichtung, deren den Zähler steuernde Eingangsschaltung aus Fig. 4
ersichtlich ist.
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Der Taktgeber 34 für den Zähler der Laufzeitmeßeinrichtung arbeitet
mit temperaturveränderlicher Taktfrequenz, damit eine Temperaturkompensation erfolgt,
durch welche die Taktfrequenz selbsttätig an die temperaturabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Schalls im Meßmedium angepaßt wird.Hierzu wird der Taktgeber 34 über den temperaturveränderlichen
Widerstand 35 derart gesteuert, daß eine höhere Temperatur eine entsprechend höhere
Frequenz des Taktgebers 34 erbringt.
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Der temperaturveränderlicheWiderstand 35 ist im Gehäuse 1 des Meßgerätes
hinter der aus Fig. 2 ersichtlichen Öffnung 36 in der Stirnwand des Gehäuses in
der Mitte zwischen der Senderöffnung 37 und der Empfängeröffnung 38 angeordnet,
so daß er der Temperatur des Meßmediums ausgesetzt ist.Die Grobeichung des Taktgebers
34 erfolgt mit dem einstellbaren Widerstand 39 (Fig. 4).
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Die Taktimpulse vom Taktgeber 34 gelangen an den Eingang des NAND-Gliedes
40, an dessen Aus ang ein weiteres NAND-
Glied 41 geschaltet ist,
dessen anderer Eingang an den Ausgang A der Startverzögerungsschaltung 12 (Fig.
3) geschaltet ist. Die NAND-Glieder 40 und 41 sind so geschaltet, daß die Taktimpulse
des Taktgebers 34 zum Ausgang C des NAND-Gliedes 41 durchgelassen werden, sobald
an dessen anderem Eingang der Startimpuls A anliegt. Erscheint hingegen der Ausgangsimpuls
B der Empfängerschaltung 17 (Fig. 3) am NAND-Glied 40, was über eine einstellbare
Kompensationsschaltung 42 mit Zeitverzögerung erfolgt, sperrt das NAND-Glied 40
den Durchgang weiterer Taktimpulse des Taktgebers 34. Diese Zeitverzögerung dient
dazu, die Eigenlänge des Gerätes zwischen dem Empfänger und der Anlagefläche 9 aus
Fig. 1 zu kompensieren. Durch diese Zeitverzögerung läuft der an den Ausgang C des
NAND-Gliedes 41 geschaltete Zähler 43 (Fig. 5) entsprechend der Eigenlänge nach
dem Ansprechen des Empfängers bzw. dem Erscheinen des Ausgangsimpulses am Ausgang
A der Empfängerschaltung nach.
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Sobald das NAND-Glied 40 sperrt, wird über den Ausggang D der Kompensationsschaltung
42 das Zählergebnis entsprechend dem Meßwert am Anzeigefeld 2 (Fig. 5) zur Anzeige
gebracht.
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Der Zähler 43 ist vorzugsweise ein Zähler in F!OS-Technik, der über
entsprechende Treibertransistoren, die aus Fig.5 ersichtlich sind, die Anzeigeeinrichtung
2 betreibt.
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Die Rückstellung des Anzeigefeldes 2 erfolgt über den Ausgang E in
Fig. 4, sobald der Startimpuls A erscheint.
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Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich, sind vor der Senderöffnung 37 am
Gehäuse 1 außen ein äußerer Reflexionstubus 44 und in diesem koaxial ein innerer
Reflexionstubus 45 über eine Schraubfassung 46 am Gehäuse 1 und einen Gewindering
47 am hinteren Ende des äußeren Reflexionstubus 44 angeschraubt. Der innere Reflexionstubus
45 ist über schmale Stege 48, die an einem Schraubring 49 enden, der auf ein entsprechendes
Gegengewinde an der Außenseite des vorderen Randes des äußeren Reflexionstubus 44
aufgeschraubt wird, in diesem derart gehalten, daß der dem Gehäuse 1 zugewendete
freie Rand des inneren Reflexionstubus 45 unter Ausbildung eines Ringspaltes 50
im Abstand vom gehäuseseitigen Rand des äußeren Reflexionstubus 44 endet.
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Die Reflexionstuben 44 und 45 sind vorzugsweise parabeiförmig und
so angeordnet, daß beide Parabelbrennpunkte im Bereich der Senderkapsel des Senders
7 liegt. Durch die Reflexionstuben 44 und 45 wird der vom Sender ausgegebene Schallimpuls
gerichtet. Unter großem Winkel zur Senderichtung vom Sender abgestrahlte Seitenabstrahlungen
werden am äußeren Reflexionstubus reflektiert und in die Senderichtung umgelenkt,
während Seitenabstrahlungen geringeren Winkels mit der Senderichtung am inneren
Reflexionstubus reflektiert und in die Senderichtung umgelenkt werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 fehlt gegenüber der Ausführungsform
nach Fig. 1 ein Taschenrechner. Außerdem sind der Sender 7 und der Empfänger 8 nicht
gemeinsam an der vorderen Stirnseite des Gehäuses 1 angeordnet, sondern an dessen
beiden Seitenwänden, so daß sie in einander entgegengesetzte Richtungen weisen.
Mit Hilfe des Meßgerätes aus Fig. 6 kann der Abstand zwischen zwei parallelen Wänden
51 gemessen werden, wobei das Meßgerät an irgend einer Stelle zwischen den Wänden
51 gehalten wird. Nach dem Einschalten des Hauptschalters 52 und dem Niederdrücken
der Meßtaste 6 wird vom Schall sender 7 zur einen Gehäuseseite hin auf die dort
befindliche Wand 51 ein Ultraschallsignal ausgesendet, welches an dieser Wand zur
gegenUberliegenden Wand 51 hin, und von dort zum Empfänger 8 hin reflektiert wird,
wie durch die gestrichelten Pfeile angegeben. Die zugehörigen elektronischen Schaltungen
können denen aus den Fig. 3 bis 5 im wesentlichen entsprechen, wobei jedoch die
Kompensationsschaltung 42 aus Fig. 4 so ausgelegt ist, daß als Eigenlänge der Abstand
zwischen dem Sender 7 und dem Empfänger 8 kompensiert wird.
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Bei der Ausführungsform aus Fig. 6 sind am Gehäuse außerdem noch Fadenkreuz-Sucher
53 und eine Setzwaage 54 angeordnet, durch welche das Ausrichten des Meßgerätes
auf die Meßobjekte erleichtert wird.
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In Abwandlung der Ausführungsform aus Fig. 6 ist in das Gerät nach
Fig 7 wieder ein elektronischer Taschenrechner einbezogen. Außerdem ist hier an
jeder Seite des Gehäuses 1 ein Sender-Empfänger-Paar 55 angeordnet, so daß zu jeder
Gehäuseseite hin ein Meßsignal ausgesendet und an derselben Gehäuseseite nach der
Reflexion an einem Meßobjekt wieder empfangen werden kann, wie durch die eingetragenen
Pfeile ersichtlich. Es werden somit insgesamt zwei Signale zur Messung des Abstandes
zwischen zwei Meßobjekten ausgesendet und nach der Reflexion empfangen. Die elektronische
Schaltung des Meßgerätes kann hierbei derart sein, daß die Laufzeit für beide Meßsignale
gesondert gemessen und dann zu einem entsprechenden Gesamtwert addiert werden. Fall
entsprechende Speicher vorgesehen werden, können beide Teilergebnisse gesondert
gespeichert und später wahlweise abgerufen werden. Für das Gerät aus Fig. 7 können
daher zwei gesonderte Laufzeitmeßvorrichtungen vorgesehen sein.
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Es ist jedoch auch möglich, mit einer einzigen Laufzeitmeßeinrichtung
für beide Meßsignale auszukommen. Dann werden beide Meßsignale nacheinander ausgesendet,
wobei der Zähler mit dem Zählen beginnt, sobald das erste Signal am Sender des einen
Sender-Empfänger-Paares ausgesendet wird. Sobald der Empfänger dieses Sender-Empfänger-Paares
das reflektierte Signal erhält, wird dieses zur Auslösung des Senders des anderen
Sender-Empfänger-Paares verwendet, wobei der Zähler
jedoch weiterläuft.
Sobald dann das zweite Signal nach der Reflexion am zweiten Meßobjekt vom Empfänger
des zweiten Sender-Empfänger-Paares empfangen wird, wird das Abschalten des Zählers
ausgelöst, so daß sodann das Zählergebnis unmittelbar am Anzeigefeld erhalten wird.
Auch für eine solche Ausführungsform können die zugehörigen Schaltungen im wesentlichen
wie aus den Fig. 3 bis 5 aufgebaut sein, wobei jedoch entsprechend zwei Senderschaltungen
vorgesehen sind, von denen die eine durch Betätigen der Meßtaste 6 und die andere
durch das Ansprechen des zugehörigen Empfängers ausgelöst wird. Die Kompensationsschaltung
42 aus Fig. 4 kann hierbei entfallen, wenn das Zeitglied 14 der Senderschaltung
aus Fig. 3 für den einen Sender derart ausgelegt wird, daß die dadurch gegebene
Startverzögerung dieses das zweite Signal aus sendenden Senders dem zu kompensierenden
Abstand zwischen den beiden Sender-Empfinger-Paaren 55 entspricht.
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Im übrigen kann der Ausgang A der Senderschaltung 11 des das erste
Meßsignal aussendenden Senders an den Eingang A aus Fig. 4 geschaltet sein, während
der Ausgang B des Empfängers des anderen Sender-Empfänger-Paares an den Eingang
B aus Fig. 4 geschaltet ist.
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