DE2817247C3

DE2817247C3 - Anordnung zum Messen von Entfernungen, insbesondere zum Messen von Pegelständen, durch Echolotung in einem gasförmigen Medium mittels Schallwellen

Info

Publication number: DE2817247C3
Application number: DE19782817247
Authority: DE
Inventors: Thomas Rheineck Baenziger
Original assignee: ZUELLIG AG RHEINECK RHEINECK CH
Current assignee: ZUELLIG AG RHEINECK RHEINECK CH
Priority date: 1977-05-17
Filing date: 1978-04-20
Publication date: 1981-08-20
Also published as: DE2817247A1; FR2391456B1; ATA285378A; DE2817247B2; FR2391456A1; AT367545B; CH619789A5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Entfernungen, insbesondere zum Messen von Pegelständen, durch Echolotung in einem gasförmigen Medium mittels Schallwellen.

In einem gasförmigen Medium, wie z. B. Luft, hängt

b"> die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen von verschiedenen Parametern ab, wie Temperatur. Gasdichte, Gasdruck und Wärmekapazität. Da bei der Echolotung die Laufzeit der Schallwellen vom Aussen-

den bis zum Echoempfang umgekehrt proportional der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen ist, sollten die obenerwähnten Parameter bei der Berechnung der gesuchten Entfernung aus der gemessenen Laufzeit der Schallwellen mit einbezogen werden, wenn genaue Resultate verlangt sind.

Es sind bereits Verfahren und Anordnungen zum Längenmessen oder zum Messen von Pegelständen mittels Schallwellen bekannt, bei denen zwecks Berücksichtigung der momentanen Schallgeschwindigkeit die Laufzeit eines Schallwellenzuges in der Meßstrecke mit der Laufzeit eines Schallwellenzuges in einer Referenzstrecke von bestimmter und bekannter Länge, die sich im gleichen Medium wie die Meßstrecke befindet, verglichen wird, um eine Eichung zu ermöglichen.

Gemäß der DE-AS 12 11518 wird beim Eichen jeweils ein Schallwellenzug mittels eines Schallsenders gegen eine Referenz-Reflexionsiläche, die einen konstanten und bekannten Abstand vom Schallsender hat, ausgesendet und nachher das durch die Referenz-Reflexionsfläche verursachte Echo mittels eines am Ort des Schallsenders angeordneten Schallempfängers empfangen. Dabei wird die Laufzeit des Schallwellenzuges vom Schallsender zum Schallempfänger mittels einer elektromechanischen Zeitmeßvorrichtung ermittelt, die ihrerseits mit einer mechanischen Längenmaß-Anzeigevorrichtung gekuppelt ist. Mittels einer Servo-Regelschaltung wird die Ganggeschwindigkeit der Zeitmeßvorrichtung automatisch derart geregelt, daß Abweichungen der Anzeige der Längenmaß-Anzeigevorrichtung von einem Sollwert, der mit dem Abstand der Referenz-Reflexionsfläche vom Schallsender übereinstimmt, zu Null wird. Wenn dies erreicht ist, wird auf Messung umgeschaltet. Unter Beibehaltung der zuletzt eingeregelten Gangeschwindigkeit der Zeitmeßvorrichtung wird nun in jedem Meßvorgang die Laufzeit eines Schallwellenzuges gemessen, der mittels eines zweiten Schallsenders gegen die Meßfläche, deren Entfernung vom Schallsender gemessen werden soll, ausgesendet und nach Reflexion an der Meßfläche als Echo mittels eines am Ort des letztgenannten Schallsenders angeordneten zweiten Schallempfängers empfangen wird. Die mit der Zeitmeßvorrichtung gekuppelte Längenmaß-Anzeigevorrichtung zeigt dann die gesuchte Entfernung der Meßfläche vom Schallsender an. Jeweils nach Durchführung einer Anzahl solcher Meßvorgänge wird die Eichung wiederholt. Für die periodische Umschaltung von Eichen auf Messen und umgekehrt sind mehrere Schalter erforderlich, die mit Hilfe eines Motors periodisch betätigt werden. Die elektromechanische Zeitmeßvorrichtung und die mit ihr gekuppelte mechanische Anzeigevorrichtung sind verhältnismäßig kompliziert und störungsanfällig. Da außerdem zwei Schallsender und Schallempfänger vorgesehen sind, ist die ganze Anordnung relativ aufwendig.

Gemäß der DE-PS S 31 378 wird periodisch jeweils ein Schallwellenzug von einem Schallsender sowohl gegen die Meßfläche, deren Entfernung ermittelt werden soll, als auch gegen eine Referenz-Reflexionsfläche ausgesendet, die in einem bestimmten und bekannten Abstand vom Schallsender zwischen diesem und der Meßfläche angeordnet ist. Mittels eines etwa am Ort des Schallsenders angeordneten Schallempfängers werden dann nacheinander das an der Referenz-Reflexionsfläche hervorgerufene Referenzecho und das an der Meßfläche hervorgerufene Meßecho empfangen. Eine elektromechanische Zenmeßvorrichtung wird jeweils im Augenblick des Aussendens des Schallwellenzuges in Gang gesetzt und beim Empfangen des Meßechos stillgesetzt Eine mit der ZeUmeßvorrichtung gekuppelte mechanische Anzeigevorrichtung zeigt ϊ jeweils die in jedem Meßvorgang ermittelte Entfernung der Meßfläche vom Schallsender. Die Ganggeschwindigkeit des Antriebes der Zeitmeßvorrichtung wird jeweils in Abhängigkeit von der Zeitspanne zwischen dem Aussenden eines Schallwellenzuges und dem Empfang des entsprechenden Referenzechos im Vergleich mit einem Sollwert, der dem bekannten Abstand der Referenz-Reflexionsfläche entspricht, geregelt. Somit findet in jedem der periodisch durchgeführten Meßvorgänge eine Kontrolleichung statt. Auch diese bekannte Anordnung ist wegen der elektromechanischen Zeitmeßvorrichtung und der mechanischen Anzeigevorrichtung verhältnismäßig kompliziert und störungsanfällig.
Gemäß der DE-OS 23 13 149 sind sowohl für die

2ü Meßstrecke als auch die Referenzstrecke je ein Schallsender und ein Schallempfänger vorgesehen, wobei die von den Schallsendern ausgesendeten Schallwellenzüge jeweils ohne Reflexion zu den entsprechenden Schallempfängern gelangen. Für die Messung der Laufzeiten der Schallwellenzüge in der Meß- und der Referenzstrecke ist ein elektrischer Taktimpulsgenerator vorhanden, dessen Impulse in einem ersten Integrator einen linearen Spannungsanstieg bis zum Augenblick des Empfanges des Schallwel-

jo lenzuges in der Referenzstrecke und in einem zweiten Integrator einen linearen Spannungsanstieg bis zum Augenblick des Empfanges des Schallwellenzuges in der Meßstrecke bewirken. Durch Division des beim Empfang des Schallwellenzuges in der Meßstrecke vorliegenden Spannungswertes im zweiten Integrator durch den beim Empfang des Schallwellenzug in der Referenzstrecke vorliegenden Spannungswert im ersten Integrator wird eine Zahl ermittelt, die angibt, um wieviel mal größer die Meßstrecke als die Referenzstrecke ist. Der Quotient wird digital angezeigt und wiederspiegelt die Länge der Meßstrecke ζ. B. in Metern, wenn die Referenzstrecke 1 m beträgt. Bei dieser Anordnung sind wieder zwei Schallsender und zwei Schallempfänger erforderlich. Da ohne Echo gemessen wird, ist die Anordnung für die Messung von Pegelständen ungeeignet, und weil die Entspannungswerte der Integratoren von der Höhe der jeweiligen Speisespannung abhängen, sind die erzielten Meßresultate verhältnismäßig ungenau und nicht reproduzierbar.

Gemäß der US-PS 31 84 969 sind ein Schallsender und ein Schallempfänger nebeneinander in gleicher Höhenlage über dem Spiegel eines Flüssigkeitsbehälters angeordnet, während eine Referenz-Reflexionsfläche zwischen dem Schallsender und dem Flüssigkeitsspiegel in einem bestimmten und bekannten Abstand vom Schallsender und vom Schallempfänger angeordnet ist. In jedem Meßvorgang wird ein Schallwellenzug mittels des Schallsenders sowohl gegen die Referenz-Reflexionsfläche als auch gegen den eine Meßfläche

bo darstellenden Flüssigkeitsspiegel ausgesendet, und nachher werden mittels des Schallempfängers nacheinander das durch die Referenz-Reflexionsfläche verursachte Referenzecho und das durch den Flüssigkeitsspiegel hervorgerufene Meßecho empfangen. Gleich-

b5 zeitig mit dem Aussenden jedes Schallwellenzuges wird ein elektrischer Sende-Impuls erzeugt, und beim Empfang eines Echos wird ein elektrischer Referenzecho-Impuls bzw. eine elektrischer Meßecho-Impuls

erzeugt. Mittels einer elektronischen Schaltungsanordnung werden die Laufzeit des Schallwellenzuges auf dem Weg zum Schallsender über die Referenz-Reflexionsfläche zum Schallempfänger einerseits und die Laufzeit des Schallwellenzuges auf dem Weg vom Schallsender über den Flüssigkeitsspiegel zum Schallempfänger and·, rseits ermittelt, und zwar jeweils durch Entladung eines zuvor geladenen elektrischen Kondensators. Die Entladung beider Kondensatoren wird mittels des Sende-Impulses ausgelöst und mittels des Referenzecho-Impulses bzw. des Meßecho-Impulses gestoppt, so daß der jeweilige Endspannungswert des Kondensators die betreffende Laufzeit wiederspiegelt. Durch Division der beiden so gewonnenen Endspannungswerte wird eine Zahl erhalten, die angibt, um wieviel mal größer die Wegstrecke des am Flüssigkeitsspiegel reflektierten Schallwellenzuges als die bekannte Wegstrecke des an der Referenz-Reflexionsfläche reflektierten Schallwellenzuges ist. Die Genauigkeit des Meßresultates ist sehr abhängig von der Höhe der Anfangsladespannungen und der Konstanz der Kapazität der beiden erwähnten Kondensatoren wie auch von den Werten und der Konstanz der in den Entladestromkreisen eingeschalteten Widerstände. Da für den Empfang des Referenzechos und des Meßechos ein gemeinsamer Schallempfänger vorhanden ist, sind zum getrennten Zuführen des Referenzecho-Impulses und des Meßecho-Impulses zu zwei getrennten Steuereinrichtungen für die Entladungsstromkreise der beiden Kondensatoren spezielle Schaltungsmittel erforderich. Hierfür sind durch Zeitglieder gesteuerte elektronische Gatter oder Blenden vorgesehen, wobei die Zeitglieder einstellbar sind und an die Laufzeiten der Schallwellenzüge angepaßt werden müssen. Für die Erzeugung der Schallwellenzüge sind ein mit der gewünschten Schallschwingungsfrequenz arbeitender Start-Stopp-Oszillator und ein diesem nachgeschalteter Leistungsverstärker vorgesehen, der dem als Schallsender dienenden elektroakustischen Wandler die mittels des Oszillators erzeugte elektrische Schwingung aufdrückt. Der Arbeitstakt des Start-Stopp-Oszillators ist durch einen von der Auswerte-Schahungsanordnung getaktteten Impulsgenerator gesteuert. Alles in allem ist diese Echolot-Anordnung sehr aufwendig und dennoch nicht imstande, genaue und reproduzierbare Meßresultate zu liefern.

Gemäß der US-PS 27 53 542 sind am Boden eines in zwei kommunizierenden Kammern unterteilten Flüssigkeitsbehälters zwei elektroakustische Wandler vorgesehen, von denen jeder als Schallsender zum Aussenden von Schallwellenzügen und als Schallempfänger zum Empfangen von Echos der ausgesendeten Schallwellenzüge dient Der eine dieser elektroakustischen Wandler ist für die Meßstrecke, der andere für mehrere Referenzstrecken unterschiedlicher Länge vorgesehen, wobei die Meßstrecke und die Referenzstrecken im gleichen flüssigen Medium nebeneinander angeordnet sind, so daß praktisch gleiche Schallgeschwindigkeiten vorliegen. Die Messung der Laufzeit eines Schallwellenzuges in der Meßstrecke geschieht mit Hilfe eines elektrischen Taktimpulsgenerators und eines dekadischen Impulszählers mit Digitalanzeige. Der Impulszähler wird vor jedem Meßvorgang auf Null gestellt und mittels des gleichzeitig mit dem Aussenden eines Schallwellenzuges erzeugten Sende-Impulses in Gang gesetzt. Ein Zählausgang des Impulszählers steht über Frequenzteiler mit einem Eingang eines Phasenvergleichers in Verbindung, dessen anderem Eingang die Referenzecho-Impulse zugeleitet werden. Der Ausgang des Phasenvergleichers ist mit einer Schaltungsanordnung zum automatischen Regeln der Wiederholungsfrequenz des Taktimpulsgenerators verbunden, derart daß

-, jeweils im Zeitintervall zwischen dem Sende-Impuls und einem jeden der nachfolgenden Referenzecho-Impulse eine Anzahl Taktimpulse auftritt, die der Länge der betreffenden Referenzstrecke entspricht. Mittels des Meßecho-Impulses wird der Impulszähler stillgesetzt,

in wonach die Digitalanzeige den gesuchten Pegelstand anzeigt. Da zum Empfangen der Referenzechos und des Meßechos zwei individuelle Schallempfänger vorhanden sind, ergibt sich die Trennung der Referenzecho-Impulse und des Meßecho-Impulses von selbst. Dafür sind

υ je zwei Sende- und Empfangs-Schaltungsanordnungen erforderlich. Jede der Sende-Schaltungsanordnungen weist einen mit der gewünschten Schallschwingungsfrequenz arbeitenden Start-Stop-Oszillator und einen nachgeschalteten Leistungsverstärker auf, der dem

2(i elektroakustischen Wandler die mittels des Oszillators erzeugte elektrische Schwingung aufdrückt. Der Start-Stopp-Oszillator seinerseits ist durch einen frei laufenden Impulsgenerator gesteuert, der die Wiederholungsfrequenz der Meßvorgänge und die Dauer der einzelnen Schallwellenzüge festlegt. Diese Anordnung arbeitet digital und ist daher grundsätzlich geeignet, genaue und reproduzierbare Ergebnisse zu liefern. Da zwei getrennte und zudem aufwendige Schaltungsanordnungen zum Erzeugen der auszusendenden Impulse sowie

jo ebenfalls zwei getrennte Schaltungsanordnungen für den Empfang der Impulse vorgesehen sind, ist die Einrichtung insgesamt relativ kompliziert und teuer.

Gemäß der DE-OS 24 44 222 ist ein einziger elektroakustischer Wandler als Schallsender und als

3) Schallempfänger zur Echolotung in der Atmosphäre vorgesehen. In jedem von periodisch wiederholten Meßvorgängen wird ein Schallwellenzug sowohl gegen eine Meßfläche, deren Entfernung vom elektroakustischen Wandler oder von einer Bezugsebene gemessen

4(i werden soll, als auch gegen eine Referenz-Reflexionsfläche, die zwischen der Meßfläche und dem Wandler angeordnet ist und einen bestimmten, bekannten Abstand von letzterem bzw. der Bezugsebene hat ausgesendet und nachher das durch die Referenz-Refie-

4> xionsfläche verusachte Echo und das an der Meßfläche hervorgerufene Echo empfangen. Jeweils gleichzeitig mit dem Aussenden eines Schallwellenzuges wird ein elektrischer Sende-Impuls und jeweils beim Empfang eines Echos wird ein elektrischer Referenzecho-Impuls bzw. Meßecho-Impuls erzeugt. Die Laufzeiten des Schallwellenzuges im Zeitintervall zwischen dem Sende-Impuls und dem Referenzecho-Impuls bzw. zwischen dem Sende-impuis und dem MeSecho-Impuis werden mit Hilfe von elektrischen Taktimpulsen gemessen, die von einem Taktimpulsgeber mit elektronisch regelbarer Wiederholungsfrequenz erzeugt werden. Die Taktimpulse werde über einen Frequenzteiler, dessen Teilungsverhältnis dem bekannten Abstand der Referenz-Reflexionsfläche entspricht, dem einen Eingang eines Zeit- oder Phasenvergleichers zugeleitet dessen anderem Eingang der Referenzecho-Impuls zugeführt wird. Mittels einer Regelschaltungsanordnung wird die Wiederholungsfrequenz des Taktimpulsgebers automatisch derart gesteuert daß der Referenzecho-Impuls und der vom genannten Frequenzteiler abgegebene Ausgangsimpuls zeitlich zusammenfallen. Die mit der so eingeregelten Wiederholungsfrequenz erzeugten Taktimpulse werden über ein elektronisches

Gatter auch einem Impulszähler zugeleitet, dem ein Speicher und eine Anzeigevorrichtung beigeordnet sind. Das elektronische Gatter wird jeweils durch einen Sende-Impuls geöffnet und durch den nachfolgenden Meßecho-Impuls geschlossen. Um die Sende-, Referenzecho- und Meßecho-Impulse voneinander zu trennen und jeweils an die richtige Stelle zu leiten, oder von anderen Stellen fernzuhalten, sind elektronische Blenden mit einstellbaren Zeitgliedern vorgesehen, die in Anpassung an die Laufzeiten der Schallwellenzüge justiert werden müssen. Für die Erzeugung der Schallwellenzüge sind ein Start-Stopp-Oszillator und ein diesem nachgeschalteter Leistungsverstärker vorgesehen, der die mittels des Oszillators erzeugte elektrische Schwingung dem elektroakustischen Wandler aufdrückt. Der Start-Stopp-Oszillator seinerseits wird durch Steuerimpulse getaktet, die mit Hilfe von Frequenzteilern von den Taktimpulsen des der Laufzeitmessung dienenden Taktimpulsgebers abgeleitet werden.

Die DE-OS 19 58 030 offenbart ein Ultraschall-Echolotgerät für die quantitative Bestimmung von Abständen und Abstandsänderungem von beweglichen Grenzflächen im menschlichen Körper. Mittels eines elektroakustischen Wandlers werden Schallimpulse ausgesendet und nach ihrer Reflexion an der betrachteten Grenzfläche als Echoimpulse empfangen, wobei aus der Zeitdifferenz zwischen einem Sendeimpuls und einem empfangenen Echoimpuls ein dem Abstand entsprechendes, an einem Registriergerät ablesbares Signal gebildet wird. Zum Eichen des Echolotgerätes werden künstliche Echoimpulse je in einem vorbestimmten zeitlichen Abstand nach den Sendeimpulsen erzeugt. Der genannte zeitliche Abstand ist durch die Zeitkonstante eines monostabilen Multivibrators gegeben, der durch den jeweiligen Sendeimpuls angesteuert wird. Das Umschalten von Messen auf Eichen und umgekehrt hat durch Betätigen eines Schalters oder einer Eicluaste zu erfolgen und geschieht nicht automatisch. Durch die künstlichen Echoimpulse ist keine exakte Eichung des Gerätes erzielbar, da die künstlichen Echoimpulse den .Sendeimpulsen jeweils in einem zeitlichen Abstand folgen, der aufgrund von Berechnungen oder experimentellen Versuch vorgegeben ist und allenfalls später auftretende Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen nicht berücksichtigt.

Aus der DE-AS 25 15 087 ist eine taschenformatige Vorrichtung zur Bestimmung kurzer Abstände im Meßbereich eines Maßbandes durch Echolotung mittels Ultraschallwellen bekannt, an welcher Vorrichtung der Abstand zweier Meßobjektive voneinander unmittelbar zahlenmäßig angezeigt wird. Eine Ausführungsform dieser Vorrichtung weist je einen Sender und einen Empfänger für Ultraschallwellen auf, wobei Sender und Empfänger an entgegengesetzten Außenflächen des Gehäuses der Vorrichtung angeordnet sind und in entgegengesetzte Richtungen weisen. Das ausgesendete Signal wird an dem einen Meßobjekt zum anderen Meßobjekt reflektiert und an letzterem erneut zum Empfänger hin reflektiert. Das Signal durchläuft somit vom Sender zum Empfänger einen Weg, der dem Zweifachen des Abstandes der beiden Meßobjekte voneinander, vermindert um die Eigenabmessung der Vorrichtung zwischen Sender und Empfänger, entspricht. Aus der Laufzeit des Signals vom Sender zum Empfänger wird, unter Berücksichtigung der Eigenabmessung der Vorrichtung, der Abstand zwischen den Meßobjekten selbsttätig errecht und dann digital

angezeigt. Bei einer anderen Ausführungsform sind an entgegengesetzten Außenflächen des Gehäuses der Vorrichtung je ein Sender-Empfänger-Paar so angeordnet, daß diese Paare in entgegengesetzte Richtungen weisen. Beim Meßvorgang werden zwei Signale, eines in jede Richtung, ausgesendet und nach Reflexion am einen bzw. andern der Meßobjekte von den je in gleicher Richtung weisenden Empfängern empfangen, jedes der Signale durchläuft somit den doppelten Abstand vom zugeordneten Sender-Empfänger-Paar bis zu dem Meßobjekt, auf welches dieses Paar ausgerichtet ist. Aus den Laufzeiten der Signale wird, unter Berücksichtigung der Eigenabmessung zwischen den Sender-Empfänger-Paaren, der Abstand zwischen den Meßobjekten automatisch berechnet und dann digital angezeigt. In beiden Ausführungsformen erfolgt die Laufzeitmessung durch Zählen der Schwingungen einer Frequenzuhr. Vorgesehen ist die Möglichkeit einer Einstellung der Frequenzuhr hinsichtlich ihrer Frequenz und/oder der Zählfrequenz des Zählers, um die Vorrichtung an eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschall-Signals anpassen zu können. Eine selbsttätige Eichung aufgrund einer Referenzstrecke ist nicht offenbart.

Wie die vorstehende Schilderung des Standes der Technik zeigt, sind alle bisher bekannt gewordenen Echolot-Anordnungen mit einigen Nachteilen behaftet. Zum Teil erfolgt die Eichung nicht selbsttätig oder nur in Zeitintervallen, innerhalb welchen mehrere Messungen durchgeführt werden, teils sind verhältnismäßig komplizierte und störungsanfällige mechanische oder elektromechanische Vorrichtungen für die Laufzeitmessung und die Anzeige der ermittelten Entfernungen oder Pcgelstände vorgesehen, teils sind getrennte Schallsender und Schallempfänger oder sogar zwei Schallsender-Schallempfänger-Paare für die Eichstrecke und die Meßstrecke wie auch entsprechend umfangreiche elektrische bzw. elektronische Schaltungsanordnungen erforderlich, teils arbeiten diese Schaltungsanordnungen nach dem Analogprinzip, so daß die Meßresuhate von der Konstanz elektrischer .Spannungsquellen und Bauelemente, wie Kondensatoren und Widerstände, abhängen, und teils ist es nötig. Zeitglieder von elektronischen Blenden oder anderen Komponenten der Schaltungsanordnungen in Anpassung an die Laufzeiten der Schallwellenzüge in der Eichstreckc und in der Meßstrecke einzustellen, wodurch ein universeller Einsatz erschwert ist. Weiter ist für die Erzeugung der Schallwellenzüge ein Start-Stopp-Oszillaior und ein diesem nachgeschalteter Leistungsverstärker vorgesehen, der die mittels des Oszillators erzeugte elektrische Schwingung dem elektroakustischen Wandler zum Aussenden der Schallwellen aufdrückt. Hierdurch wird die Sendeeinrichtung verhältnismäßig aufwendig, besonders wenn im Hinblick auf die erzielbare Genauigkeit der Meßresultate eine hohe Ultraschallfrequenz angestrebt ist. Schließlich benötigt diese Art der Sendeeinrichtung auch relativ viel elektrische Energie, was besonders bei tragbaren Echolot-Anordnungen mit Batterien nachteilig ist.

Bei allen vorstehend besprochenen bekannten Echolot-Anordnungen ist zwischen den Einrichtungen zum Erzeugen und Senden der Schallimpulse und zum Empfangen der Referenzecho- und der Meßecho-lmpulse einerseits und den Einrichtungen zum Verarbeiten und Auswerten der empfangenen Referenzecho- und Meßecho-Impulse andererseits eine Zweiweg-Impulsübertragungsverbindung erforderlich, da die Sendcein-

IO

richtung durch die Einrichtungen zum Verarbeiten und Auswerten der empfangenen Impulse gesteuert wird. Dieses Erfordernis spielt praktisch keine Rolle, wenn die Zweiweg-Impulsübertragungsverbindung kurz ist, insbesondere wenn die erwähnten Einrichtungen in einem und demselben Gerät vereinigt sind. Will man Entfernungen, z. B. Pegelstände, an mehreren verschiedenen Orten messen und in einer diesen Meßorten gemeinsamen Zentrale auswerten, so wäre es jedoch erwünscht, an den einzelnen Meßorten jeweils nur die für die Erzeugung und Aussendung der Schallimpulse und zum Empfangen der Referenzecho- und der Meßecho-Impulse nötigen Einrichtungen zu installieren und die zum Verarbeiten und Auswerten der empfangenen Referenzecho- und Meßecho-Impulse nötigen Einrichtungen in der erwähnten Zentrale anzuordnen und abwechselnd mit den Einrichtungen an den verschiedenen Meßorten zu verbinden, damit die letzgenannten Einrichtungen nur in einem einzigen Exemplar vorhanden sein müssen. Mit den bekannten Anordnungen ist in diesem Fall aber zwischen jedem Meßort und der Zentrale eine Zweiweg-Impulsübertragungsverbindung erforderlich. Derartige Inipulsübertragungsverbindungen sind natürlich aufwendiger und kostspieliger als nur in einer Richtung arbeitende Übertragungsverbindungen, besonders wenn es sich um drahtlose Verbindungen handelt. Es besteh; daher das Bedürfnis, über eine Echolot-Anordnung zu verfugen, bei welcher anstelle der erwähnten Zweiweg-Impulsübertragungsverbindung eine einfachere, nur in Richtung vom Meßort zur Zentrale arbeitende Impulsübertragungsverbindung ausreicht.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum Messen von Entfernungen, insbesondere zum Messen von Pegelständen, durch Echolotung in einem gasförmigen Medium mittels Schallwellen so auszugestalten, daß die Nachteile bekannter Anordnungen vermieden sind und mii verhältnismäßg bescheidenem apparativem Aufwand durch rein digitale Arbeitsweise eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßresultate erzielbar ist. Die Anordnung soll in an sich bekannter Weise mit einem einzigen elektroakustischen Wandler auskommen, der sowohl zum Aussenden von Schallwellenzügen als auch zum Empfangen der Referenzechos und der Meßechos dient. Die Erzeugung der auszusendenden Schallwellenzüge soll jedoch ohne Zuhilfenahme eines getakteten Oszillators und eines nachgeschalteten Kraftverstärkers erfolgen können. In der elektrischen Schaltungsanordnung zur Verarbeitung und Auswertung der empfangenen Echoimpulse soll die Trennung der Referenzecho-Impulse und der Meßecho-Impulse ohne elektronische Blenden mit einstellbaren Zeiigiiedern erfolgen, so da1i für andere Längen der Eichstrecke und andere Meßbereiche eine Nachjustierung von Zeitgliedern gänzlich entfällt. Weiter soll die Anordnung derart ausgestaltet werden, daß auf \erhältnismäßig einfache Weise und mit geringem Aufwand eine Fernmessung, insbesondere auch an verschiedenen Meßorten. ermöglicht ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 definierte Anordnung gelöst.

Dadurch, daß der elektroakustische Wandler jeweils durch einen Impuls eines frei laufenden elektrischen Impulsgenerator zu einer freien Schwingung angeregt wird, erübrigt sich ein getakteter Oszillator zur Erzeugung einer elektrischen Schwingung, die mittels eines Kraftverstärkers dem elektroakustischen Wandler aufgedrückt werden müßte. Die mittels des elektroakustischen Wandlers ausgesendeten Schallwellen haben eine Frequenz, die gleich der Eigenresonanzfrequenz des Wandlers ist und vergleichsweise hoch gewählt

^ werden kann, was für die Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit wesentlich ist. Durch die Verwendung eines Schieberegisters, das die drei in jedem Meßvorgang auftretenden Impulse, nämlich den Sende-Impuls. den Referenzecho-Impuls und den Meßecho-lmpuls, auf

κι drei verschiedene Leitungen innerhalb der Anordnung verteilt, ist ein sicheres Arbeiten der Einrichtung ohne die Notwendigkeit eines Abgleichs von Sperren oder Blenden gewährleistet. Dadurch, daß der Zählausgang des Taktimpulszählers außer mit dem Digitalspeicher

i) für das Meßergebnis auch mit einem auf eine wählbare Zahl entsprechend dem Abstand der Referenz-Reflexionsfläche vom eiektroakusiischen Wandler bzw. von der Bezugsebene einstellbaren digitalen Komparator verbunden ist, der seinerseits jeweils bei Übereinstim-

'<> mung der eingestellten Zahl mit dem momentanen Zählstand des Impulszählers ein Ausgangssignal an den einen Eingang einer Erstimpuls-Erkennungsstufe liefert, an deren anderen Eingang der Referenzecho-Impuls geleitet wird, ist die Anordnung mühelos an verschiede-

2\ ne bekannte Abstände der Referenz-Reflexionsfläche vom elektroakustischen Wandler bzw. von der Bezugsebene einstellbar, und/oder es können wahlweise verschiedene Maßeinheiten für das gesuchte Meßresultat durch einfaches Ändern der am digitalen Kompara-

iii tor eingestellten Zahl zur Anwendung gelangen, wobei stets eine gute Reprodu/ierbarkeit der Meßresultate gewährleistet ist. Da der zum Anstoßen des elektroakustischen Wandlers dienende Impulsgenerator frei schwingt, d. h. nicht getaktet werden muß, ist zwischen

η der eigentlichen Meßsteile. an der sich der elektroakustische Wandler und der Impulsgenerator befinden, und den zur Verarbeitung der Sende-. Referenzecho- und Meßecho-Impulse dienenden Teilen der Anordnung ein nur in einer Richtung arbeitender Signalübertragungs-

JIi weg erforderlich, der zweckmäßig eine einfache Zweidrahtleitung, ein Koaxialkabel oder eine drahtlose Verbindung sein kann. Hierdurch ist ohne großen zusätzlichen Aufwand eine Fernmessung ermöglicht.

Einzelheiten bevorzugter Ausführungsbeispiele der

-r. Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßanordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Weg/Zeit-Diagramm eines SchalKvel-

-.O lenpaketes in der Anordnung nach Fig. 1.

F i g. 3 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf von digitalisierten Impulsen entsprechend dem ausgesendeten Schaiiwdienzug. dem empfangenen Referenzecho und dem empfangenen Meßecho.

>". Fig.4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Auswerteprinzips mittels eines Taktimpulszählers, dessen Zählstand in Funktion der Zeit dargestellt ist.

F i g. 5 zeigt ein Blockschema einer elektrischen Schaltungsanordnung, die ein Bestandteil der Meßan-

no Ordnung ist.

Es wird nun zunächst auf Fig. 1 verwiesen, gemäß welcher ein Gerät 5 zum Aussenden und Empfangen von Schallwellenzügen in einem vertikalen Abstand Λ, über einer horizontalen Bezugsebene B angeordnet ist.

ηί Die Bezugsebene B ist z. B. der Boden eines Behälters oder Kanals zur Aufnahme eines flüssigen oder rieselfähigen Gutes, dessen Spiegel oder obere Grenzfläche N eine unbekannte, zu messende Entfernung Λ,

von der Bezugsebene B aufweist und demzufolge nachstehend als Meßfläche bezeichnet wird. Die Entfernung Λ, kann je nach dem momentanen Füllstand des Behälters oder Kanals variieren zwischen Null und einem Maximum h_m.n, welches durch das höchstmögli- > ehe Niveau H des im Behälter oder Kanal befindlichen Gutes festgelegt ist. Dementsprechend variiert auch die Entfernung D, welche die Meßfläche N von dem Sende-Empfangsgerät 5 aufweist. Die ganze beschriebene Anordnung befindet sich in einem schall-leitenden, in gasförmigen Medium, z. B. LuIt. Durch Echolotung mittels Schallwellenzügen soll nun die unbekannte Entfernung D, bzw. /?, gemessen werden, wobei die Laufzeit eines vom Gerät ausgesendeten Schallwellenzuges bis zur Meßfläche N und nach Reflexion an der r, Meßfläche N zurück bis zum Gerät 5 ermittelt und zur Bestimmung der unbekannten Entfernung ausgewertet wird.

Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen im gasförmigen Medium durch äußere Einflüsse, insbesondere die Temperatur, veränderlich ist. wie eingangs dargelegt wurde, sind Maßnahmen getroffen, um die Schallgeschwindigkeit direkt zu erfassen und in die Auswertung des Meßergebnisses der Echolotung korrekt einzubeziehen. Zu diesem Zweck ist bei der r> Anordnung nach Fig. 1 zwischen dem Sende-Empfangsgerät S und dem Niveau H eine Referenz-Rellexionsfläche R angeordnet, deren geometrischen Abmessungen klein sind im Vergleich zu den Abmessungen der Meßfläche N. Die Referenz-Reflexionsfläche R befindet j< > sich in einem bestimmten und bekannten Abstand hu über der Bezugsebene B, womit auch der Abstand Dr zwischen der Referenz-Reflexionsfläche R und dem Sende-Empfangsgerät Sfestgelegt und bekannt ist.

In F i g. 2 ist das Weg/Zeil-Diägiamm für einen i"> Schallwellenzug in der Anordnung nach Fig. 1 dargestellt. Ein Schallwellenzug, der im Zeitpunkt ;; vom Sende-Empfangsgerät S in vertikaler Richtung nach unten ausgesendet wird, bewegt sich mit der momentan herrschenden Schallgeschwindigkeit ν in Richtung gegen die Referenz-Reflexionsfläche R und die Meßfläche N. Diese Bewegung des ausgesendeten Schallwellenzuges ist im Weg/Zeit-Diagramm nach F i g. 2 durch eine voll ausgezogene Linie 10 veranschaulicht. An der Referenz-Reflexionsfläche k wird ein Teil der ausgesen- 4ί deten Schallenergie im Zeitpunkt b reflektiert und gegen das Sende-Empfangsgerät Szurückgeworfen, wie in F i g. 2 durch eine strichpunktierte Linie 11 dargestellt ist. Der restliche Teil der Schallenergie bewegt sich weiter zur Meßfläche N und wird von dieser im vt Zeitpunkt c reflektiert und ebenfalls gegen das Sende-Emptangsgerät Czurückgeworfen. wie in F i g. 2 durch eine geStncheue LiHic ΐ2 gcZcigt i5t. im Zeitpunkt d erreicht die von der Referenz-Reflexionsfläche R zurückgeworfene Referenzecho-Schallwelle das Sende-Epfangsgerät 5. wogegen die von der Meßfläche N zurückgeworfene Meßecho-Schallwelle erst in einem späteren Zeitpunkt / auf das Sende-Empfangsgerät S auftrifft. Zwischen dem Aussenden des Schallwellenzuges im Zeitpunkt a und dem Empfang des Referenz- bo echos.im Zeitpunkt fliegt eine Zeitspanne r«. Eine größere Zeitspanne r, liegt zwischen dem Aussenden des Schallwellenzuges im Zeitpunkt a und dem Empfang des Meßechos im Zeitpunkt L

Aus den Zeitspannen i_R und /,. welche die Laufzeiten fe5 der Schallwellen in der Anordnung gemäß F i g. 1 sind, läßt sich die unbekannte Entfernung D_x unter Einbezug der bekannten Distanz Dr wie folgt berechnen:

Ansätze:

Ή ■■■--

2D_R

I_x =

2D_x

Werden die beiden Zeitspannen r« und i, ins Verhältnis zueinander gesetzt, ergibt sich die Gleichung

I_x

2D_x r ν ' 2D_H

D_x

Dr

Das Verhältnis der beiden Zeitspannen ι,/f« entspricht also dem Verhältnis der Distanzen DJDr, unabhängig von dem effektiven Wert der Schallgeschwindigkeit v. Aus der Gleichung (3) erhält man durch Multiplikation beider Seiten mit Dr die Formel

D_x

'λ · η_κ

>κ

Mittels der Formel (4) kann man somit unabhängig von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit ν der Schallwellen die unbekannte Entfernung D, berechnen.

Der ebenfalls unbekannte Füllstand Λ, ergibt sich aus der Differenz des bekannten Abstandes h_s des Sende-Empfangsgerätes S von der Bezugsebene Sund der mittels der Formel (4) errechneten Entfernung D_v:

= h_s - D_x = h_s -

'χ D_K

Wenn über der Bezugsebene B kein Füllgut vorhanden ist, fehlt die Meßfläche N. und die Schallwellen setzen ihren Weg fort bis zur Bezugsebene B. an welcher im Zeilpunkt edie Schallwellen reflektiert und zum Sende-Empfangsgerät S zurückgeworfen werden, wie in F i g. 2 durch die strichpunktierte Linie 13 veranschaulicht ist. Im Zeitpunkt g treffen dann die Echoschallwellen auf das Sende-Empfangsgerät Sauf.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist im folgenden eine elektrische Schaltungsanordnung beschrieben, mit deren Hilfe es ermöglicht ist. den unbekannten Füllstand Λ, vollautomatisch durch Echolotung zu messen und das Meßergebnis digital und analog anzuzeigen. Die Schaltungsanordnung ist relativ einfach ausgebildet und aus herkömmlichen elektronischen Bausteinen aufgebaut.

Die Schaltungsanordriürig gemäß F i g. 5 we«.: einen frei schwingenden elektrischen Impulsgenerator 2! auf. der zur Abgabe von elektrischen Impulsen ausgebildet ist,die periodisch in Intervallen wiederkehren, innerhalb welchen jeweils eine Entfernungsmessung stattfindet. Der Augang des Impulsgenerators 21 ist mit einem elektroakustischen Wandler 22 verbunden, der in Resonanz arbeitet und durch jeden elektrischen Impuls vom Generator 21 zu einer verhältnismäßig rasch abklingenden freien Schwingung anregbar ist. um einen Schallwellenzug zu erzeugen und in Richtung gegen die Meßfläche N und die Referenz-Reflexionsfläche R auszusenden. Der gleiche elektroakustische Wandler 22 dient auch dem Empfang der zurückkommenden Echo-Schallwellenzüge und zum Umwandeln derselben in elektrische Echo-Impulse.

Der elektroakustische Wandler 22 ist ferner an den Eingang einer Impulsfarmersfjfe 23 angeschlossen, in welcher die vom Wandler 22 erzeugten Echo-Impulse verstärkt, digitalisier und von Störsignalen getrennt werden. Auch die VG.n Impulsgenerator 21 gelieferten Impulse gelangen zum Eingang der Impulsfcrmerstufe 23, so daß am Ausgang der letzteren in jedem Meßintervall drei einheitliche elektrische Impulse Is, In und Im erscheinen, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Im folgenden wird der Impuls Is al* Sendeimpuls, der Impuls /«als Referenzecho-Impuls und der Impuls Im als Meßecho-Impuls bezeichnet. Die ansteigenden Flanken der aufeinanderfolgenden Impulse /5 und Ir haben den zeitlichen Abstand Ir voneinander, und zwischen den ansteigenden Flanken der Impulse Λ, und Im liegt die Zeitspanne t_x. Genau betrachtet treten die ansteigenden Flanken der Impulse Is und Ir und /λ/jeweils mit einer geringen, aber difinierten und konstanten Verzögerung nach den Zeitpunkten a, c/bzw. /auf, weil zur Erkennung der Frequenz eines jeden Impulszuges in der Impulsformerstufe 23 mehrere Perioden der Schwingung geprüft werden müssen. Der Impulsgenerator 21, der elektroakustische Wandler 22 und die Impulsformerstufe 23 sind zu dem bereits erwähnten Sende-Empfangsgerät S vereinigt, das vorzugsweise eine von der übrigen Anordnung getrennte Baueinheit ist.

Der Ausgang der Impulsformerstufe 23 steht mit dem Eingang eines Schieberegisters 24 in Verbindung, welches drei Ausgänge 24s 24« und 24a< aufweist, an denen die Impulse Is, /«und Im getrennt erscheinen. Der Ausgang 2As des Schieberegisters 24 ist mit einem Steuereingang 25 eines elektronischen Taktimpulszählers 26 verbunden, dessen Zähleingang 27 an den Ausgang eines Taktimpulsgebers 30 angeschlossen ist. Die Wiederholungsfrequenz des Taktimpulsgebers 30 ist durch ein elektrisches Regelsignal veränderbar, das mittels einer Schaltungsanordnung 31 erzeugt und einem Steuereingang 32 des Taktimpulsgebers zugeführt wird. Einzelheiten der genannten Schaltungsanordnung 31 sind weiter unten beschrieben.

Der Impulszähler 26 ist ein Rückwärtszähler und dient zum subtraktiven Zählen der vom Taktimpulsgeber 30 gelieferten Taktimpulse, wobei der Zählvorgang jeweils durch einen Sendeimpuls /5am Steuereingang 25 in Gang setzbar ist. Der Impulszähler 26 weist einen Ausgang 35 auf, an welchem jeweils ein elektrisches Endsignal erscheint, wenn der Endzählstand Null erreicht ist. Der Ausgang 35 ist über eine Zeitverzögerungsvorrichtung 36 mit einer auf eine vorwählbare Zahl einstellbare Vorrichtung 37 verbunden, die an einen Setzeingang 38 des Impulszählers 26 angescnlossen ist und zum Setzen des Zählstandes dient. Die Ausbildung des Ipulszählers 26 und der Setzvorrichtung 37 ist derart, daß jeweils beim Eintreffen eines Endsignals vom Ausgang 35 über die Verzögerungsvorrichtung 36 zur Setzvorrichtung 37 der Impulszähler auf den vorgewählten, an der Setzvorrichtung 37 einstellbaren Zählstand gebracht wird. Schließlich weist der Impulszähler 26 einen Zählausgang 39 auf, an welchem der jeweilige Zählstand durch elektrische Signale in binär-dezimal-kodierter Form ausgegeben wird.

Der Zählvorgang 39 ist sowohl mit der bereits erwähnten Schaltungsanordnung 31 zur Erzeugung eines Regelsignals für die Impulsfrequenz des Taktimpulsgebers 30 als auch mit einem Lesccingang 41 eines Digitalspeichers 42 verbunden, der weiter einen an den Ausgang 24m des Schieberegisters 24 angeschlossenen Lesebefehlseingang 43 aufweist. Der Digitalspeicher 42 ist derart ausgebildet, daß in ihm jeweils beim Eintreffen eines Meßecho-Irnpulses Im der momentan vorliegende Zählstand des Impulszählers 26 eingespeichert wird und daß jeweils nach dem Einspeichern einer vorbestimmten Anzahl Zählergebnisse automatisch der arithmetische Mittelwert dieser Zählergebnisse gebildet, gespeichert und durch elektrische Signale in binär-kodierter Form einem Ausgang 44 zugeführt wird. Der Ausgang 44 des Digitalspeichers 42 ist mit dem Eingang einer Digital-Anzeigevorrichtung 46 wie auch mit dem Eingang eines Digital-Analogwandlers 48 verbunden, an dessen Ausgang ein Analog-Anzeigeinstrument 50 angeschlossen ist.

Die oben bereits erwähnte Schaltungsanordnung 31 zur Erzeugung eines Regelsignals für den Taktimpulsgeber 30 weist einen an den Zählausgang 39 des Impulszählers 26 angeschlossenen digitalen Komparator 52 mit Koinzidenzschaltung auf zwecks. Abgabe eines elektrischen Koinzidenzsignals, jeweils wenn der Zählstand des Impulszählers 26 mit einer vorgewählten, am digitalen Komparator 52 einstellbaren Impulszahl übereinstimmt. Der Ausgang, an welchem das Koinzidenzsignal erscheint, ist mit einem Eingang B einer Erstimpuls-Erkennungsstufe 55 verbunden. Ein zweiter Eingang A der Γ'-stimpuls-Erkennungsstufe 55 ist an den Ausgang 24« des Schieberegisters 24 angeschlossen. Ferner weist die Erstimpuls-Erkennungsstufe 55 zwei Ausgänge 56 und 57 auf, die je mit einem Steuereingang eines elektronischen Schalters 60 bzw. 61 in Verbindung

jo stehen. Die Erstimpuls-Erkennungsstufe 55 und die elektronischen Schalter 60 und 61 sind derart ausgebildet, daß am einen Ausgang 56 jeweils ein erstes Steuersignal entsteht und den einen Schalter 60 in den leitenden Zustand steuert, wenn ein Referenzecho-lm-

:i5 puls Ir zeitlich vor einem Koinzidenzsignal aus dem digitalen Komparator 52 eintrifft, und daß am anderen Ausgang 57 jeweils ein zweites Steuersignal entsteht und den anderen Schalter 61 in den leitenden Zustand steuert, wenn ein Referenzecho-Impuls Ir zeitlich nach

■to einem Koinzidenzsignal eintrifft.

Der eine elektronische Schalter 60 ist einerseits an eine Gleichstromquelle 62 angeschlossen und steht andererseits über einen elektrischen Widerstand 63 mit der einen Elektrode eines elektrischen Kondensators 64 in Verbindung, dessen andere Elektrode, z. B. über Masse, an die Gleichstromquelle 65 angeschlossen ist, so daß bei leitendem Zustand des Schalters 60 eine Ladung des Kondensators über den Widerstand 63 erfolgt und die über dem Kondensator herrschende Gleichspannung steigt. Der andere elektronische Schalter 61 ist ebenfalls einerseits über den Widerstand 63 an die eine Elektrode des Kondensators 64 und anderseits direkt an die andere Elektrode des Kondensators angeschlossen, so daß bei leitendem Zustand des Schalters 61 eine Entladung des Kondensators über den Widerstand 63 erfolgt und die über dem Kondensator herrschende Gleichspannung sinkt. Die über dem Kondensator herrschende Spannung ist als Regelspannung dem Steuereingang 32 des Taktimpulsgebers 30 zugeführt.

ω Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebenen Echolot-Anordnung zum Messen des Füllstandes h_y sind wie folgt:

Vor Beginn der Messung stellt man an der Setzvorrichtung 37 eine Impulszahl ein, die in einem

M bestimmten Verhältnis q zu dem bekannten Abstand /?, der Bezugsebene B vom elektroakustischen Wandler 22 des Sende-Empfangsgerätes 5 steht. Vorzugsweise wählt man q — 1, so daß an der Setzvorrichtung 37 eine

Zahl eingestellt werden kann, die mit der Anzahl Längenmeßeinheiten, z. B. cm oder mm, des Abstandes As genau übereinstimmt. In analoger Weise stellt man am digitalen Komparator 52 eine Impulszahl ein, die im gleichen bestimmten Verhältnis q zu dem bekannten Abstand Ar der Referenz-Reflexionsfläche R von der Bezugsebene B steht

Es sei nun angenommen, daß der Taktimpulsgeber 30 kontinuierlich läuft und Taktimpulse mit einer Wiederholungsfrequenz von z. B. 150 kHz erzeugt, und daß der Zählstand des Impulszählers 26 mit der an der Setzvorrichtung 37 eingestellten Impulszahl q h_s übereinstimmt. Weiter sei angenommen, daß der Impulsgenerator 21 kontinuierlich läuft und elektrische Impulse in Zeitintervallen von z. B. 40 ms erzeugt.

Ein jeder der vom Impulsgenerator 21 erzeugten elektrischen Impulse stößt den elektroakustischen Wandler 22 zu einer abklingenden freien Schwingung mit einer Frequenz von z.B. 120 kHz an, so daß im Zeitpunkt a (F i g. 2) ein Schallwellenzug vom Wandler 22 in Richtung gegen die Referenz-Reflexionsfläche R und die Meßfläche N ausgesendet wird. Gleichzeitig gelangt der vom Impulsgenerator 21 erzeugte elektrische Impuls auch in die Impulsformerstufe 23, welche einen Sendeimpuls Is(F i g. 3) abgibt, dessen ansteigende Flanke gegenüber dem Zeitßunkt a nur eine geringe und bestimmte Verzögerung aufweist. Dieser Sendeimpuls /5 gelangt zum Schieberegister 24 und von dessen erstem Ausgang 24s zum Steuereingang 25 des Impulszählers 26. Durch die ansteigende Flanke des Sendeimpulses Is wird der Impulszähler 26 in Gang gesetzt, so daß er von diesem Augenblick an die vom Taktimpulsgeber 30 erzeugten Taktimpulse subtraktiv zählt, wobei der Zählstand des Impulszählers 26 fortwährend abnimmt.

Wenn der vom elektroakustischen Wandler 22 ausgesendete Schallwellenzug auf die Referenz-Reflexionsfläche R auftrifft, wird ein Teil der Schallwellen im Zeitpunkt b(F i g. 2) an der genannten Fläche reflektiert und gegen den Wandler 22 zurückgeworfen, während die übrige Schallenergie sich weiter gegen die Meßfläche N fortpflanzt. Sobald die an der Referenz-Reflexionsfläche R zurückgeworfenen Referenzecho-Schallwellen im Zeitpunkt d(F i g. 2) auf den elektroakustischen Wandler 22 auftreffen, wandelt dieser die Schallschwingungen in entsprechende elektrische Schwingungen um, welche der Impulsformerstufe 23 zugeleitet werden. In der Impulsformerstufe 23 werden die elektrischen Schwingungen geprüft, von Störsignalen getrennt und in einen digitalen Referenzecho-Impuls Ir umgewandelt, dessen ansteigende Flanke gegenüber dem Zeitpunkt d die gleiche bestimmte Verzögerung aufweist wie die ansteigende Flanke des Sendeimpulses /5 in bezug auf den Zeitpunkt a. Der Referenzecho-Impu!s Ir gelangt zum Schieberegister 24 und von dessen zweitem Ausgang 24« zum Eingang A der Erstimpuls-Erkennungsstufe 55. Sobald der Zählstand des Impulszählers 26 die am Komparator 52 eingestellte Impulszahl q A« erreicht, gibt der Komparator 52 ein Koinzidenzsignal an den Eingang ßder Erstimpuls-Erkennungsstufe 55 ab, welche nun vergleicht, ob der Referenzecho-Impuls Ir zeitlich vor oder nach dem Koinzidenzsignal eintrifft.

Falls die ansteigende Flanke des Referenzecho-Impulses Ir zeitlich vor dem Koinzidenzsignal liegt, liefert der Ausgang 56 der Erstimpuls-Erkennungsstufe 55 ein Steuersignal zum elektronischen Schalter 60, so daß letzterer in den leitenden Zustand gesteuert und der Kondensator 64 über den Widerstand 63 an die Gleichstromquelle 62 angeschlossen wird. Dadurch wird der Kondensator 64 geladen, weshalb die über dem Kondensator liegende Spannung ansteigt und die Frequenz des Taktimpulsgebers 30 erhöht wird. Wenn hingegen die ansteigende Flanke des Referenzecho-Impulses Ir zeitlich nach dem Koinzidenzsignal liegt. Hefen der Ausgang 57 der Erstimpuls-Erkennungsstufe 55 ein Steuersignal zum elektronischen Schalter 61, so daß dieser in den leitenden Zustand gesteuert und der Kondensator 64 über den Widerstand 63 entladen wird. Dadurch sinkt die über dem Kondensator 64 liegende Spannung, was eine Reduktion der Frequenz des Taktimpulsgebers 30 zur Folge hat Wenn aber die ansteigende Flanke des Referenzecho-Impulses Ir und das Koinzidenzsignal des Komparator 52 zeitlich zusammenfallen, liegt weder am Ausgang 56 noch am Ausgang 57 der Erstimpuls-Erkennungsstufe 55 ein Steuersignal vor, so daß die beiden elektronischen Schalter 60 und 61 den nicht-leitenden Zustand einnehmen oder beibehalten und die Frequenz des Taktimpulsgebers 30 unverändert bleibt.

Auf die beschriebende Weise wird der Istwert der Anzahl Taktimpulse, welche im Zeitraum t_R zwischen den ansteigenden Flanken des Sendeimpulses /sund des Referenzecho-Impulses Ir auftreten, mit dem am digitalen Komparator 52 eingestellten Sollwert q Iir verglichen und hierauf die Frequenz des Taktimpulsgebers 30 in Abhängigkeit von Unterschieden zwischen dem Istwert und dem Sollwert geregelt, derart, daß die Unterschiede vermindert werden und in mehreren nacheinander folgenden Meßvorgängen gegen Null tendieren.

Diejenigen Schallwellen, welche sich an der Refe-

)5 renz-Reflexionsfläche R vorbei gegen die Meßfläche N bewegen, werden im Zeitpunkt c (Fig.2) an der Meßfläche N reflektiert und als Meßecho gegen das Sende-Empfangsgerät S zurückgeworfen. Wenn die Meßecho-Schallwellen im Zeitpunkt /(Fig. 2) auf den

4(i elektroakustischen Wandler 22 auftreffen, wandelt dieser die Schallwellen in entsprechende elektrische Schwingungen um, welche in der Impulsformerstufe 23 geprüft und von Störsignalen getrennt werden. Die Impulsformerstufe 23 erzeugt einen Meßecho-Impuls Im (F i g. 3), dessen ansteigende Flanke in bezug auf den Zeitpunkt /"die gleiche zeitliche Verzögerung hat wie die ansteigende Flanke des Sendeimpulses Is in bezug auf den Zeitpunkt a. Der Meßecho-Impuls Im gelangt zum Schieberegister 24 und von dessen drittem

so Ausgang 24m zum Lesebefehlseingang 43 des Digitalspeichers 42. Wenn die ansteigende Flanke des Meßecho-Impulses Im beim Eingang 43 eintrifft, wird der in diesem Augenblick vorliegende Zählstand des Impulszählers 26 in den Digitalspeicher 42 eingespeichert. Der eingespeicherte Zählstand ist gleich der Anzahl Taktimpulse, welche im Zeitraum f_A zwischen den ansteigenden Flanken des Sendeimpulses Is und des Meßecho-Impulses Im aufgetreten sind. Diese Anzahl Taktimpulse ist gleich q h_x, sofern die Frequenz des

bo Taktimpulsgebers 30 so geregelt war, daß das vom Komparator 52 abgegebene Koinzidenzsignal zeitlich mit der ansteigenden Flanke des Referenzecho-Impulses/«zusammenfiel.

Der Impulszähler 26 zählt die vom Taktimpulsgeber

(i5 30 kommenden Taktimpulse weiter in subtraktiver Weise, bis der Endzählstand Null erreicht ist. In diesem Augenblick erscheint am Ausgang 35 des Impulszählers ein elektrisches Endsignal, das in der Verzögerungsvor-

richtung 36 eine zeitliche Verzögerung von wenigen ms erfährt und dann der Setzvorrichtung 37 zugeleitet wird. Diese gibt an den Setzeingang 38 des Impulszählers 26 ein Signal ab, durch welches der Zählstand des Zählers aut den an der Setzvorrichtung 37 eingestellten Anfangswert qhs zurückgestellt wird. Die Anordnung ist damit für einen nächsten Meßvorgang vorbereitet, der durch den nachfolgenden Impuls des Impulsgebers 21 ausgelöst wird.

Die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich zyklisch, wobei die Wiederholungsfrequenz durch die Frequenz des Impulsgenerators 21 gegeben ist, im vorliegenden Beispiel also 25 Zyklen pro Sekunde beträgt. Wenn bei den ersten paar Meßzyklen jeweils noch ein zeitlicher Unterschied zwischen der ansteigenden Flanke des Referenzecho-Impuises Ir und dem durch den digitalen Komparator 52 abgegebenen Koinzidenzsignai vorliegt, so wird bei den folgenden Meßzyklen der genannte Unterschied immer kleiner und schließlich praktisch Null, weil die Abhängigkeit von den erwähnten zeitlichen Unterschieden die Frequenz des Taktimpulsgebers 30 geregelt wird. In Fig.4 ist die Arbeitsweise des Impulszählers 26 für einen Meßzyklus dargestellt. Die voll ausgezogene schräg verlaufende Gerade 70 zeigt den Zählstand in Funktion der Zeit, für den Fall, daß die ansteigende Flanke des Referenzecho-Impulses Ir zeitlich mit dem Koinzidenzsignai vom Komparator 52 zusammenfällt.

Die strichpunktierten Linien 71 und 72 zeigen den Verlauf des Zählstandes bei zu hoher bzw. zu tiefer Frequenz des Taktgebers 30.

Jeweils nach einer bestimmten Anzahl Meßzyklen, z. B. nach acht Zyklen, wird aus den im Digitalspeicher 42 gespeicherten Zählergebnissen der arithmetische Mittelwert gebildet und gespeichert. Dieser Mittelwert wird durch die Anzeigevorrichtung 46 digital angezeigt. Gleichzeitig wird mit Hilfe des Digital-Analog-Wandlers 48 ein dem Mittelwert entsprechendes Analogsignal, z. B. in Form eines Gleichstromes veränderlicher Stärke, erzeugt und durch das Zeigerinstrument 50 analog angezeigt. Der durch die Vorrichtung 46 oder das Instrument 50 angezeigte Wert beträgt q h_x und steht daher mit dem unbekannten, zu messenden Füllstand h_x im konstanten Verhältnis q. Sofern q — 1 gewählt ist, zeigen die Vorrichtung 46 und das Instrument 50 unmittelbar den Füllstand Λ, in Längenmeßeinheiten, z. B. cm oder mm. Das an der Vorrichtung 46 und am Instrument 50 ablesbare Meßresultat ist korrekt, unabhängig von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen.

Es leuchtet ein, daß Änderungen der Schallgeschwindigkeit, z. B. infolge Temperatureinwirkungen, nicht zu Fehlresultaten führen, da beim Auftreten von Änderungen der Schallgeschwindigkeit automatisch die Frequenz des Taktimpulsgebers 30 so geregelt wird, daß jeweils innerhalb der Zeitspanne r« genau die dem bekannten Abstand h_R der Referenz-Reflexionsfläche R vom elektroakustischen Wandler 22 des Sende-Empfangsgerätes 5 entsprechende Anzahl q Λ« Taktimpulse erzeugt wird

Bei dem mittels der beschriebenen Meßanordnung durchführbaren Echolotverfahren, wird also während der Entfernungsmessung der Meßfläche N zusätzlich

ίο und auf gleiche Weise auch die Entfernung der Referenz-Reflexionsfläche R gemessen und mit dem bekannten Abstand Dr bzw. Λ« dieser Fläche von elektroakustischen Wandler 22 bzw. der Bezugsebene B verglichen, wobei die Frequenz der zur Zeitmessung dienden Taktimpulse in Abhängigkeit von gegebenenfalls vorliegenden Unterschieden geregelt wird, bis die Unterschiede praktisch NuJI werden. Hierdurch wird die Schallgeschwindigkeit in die Messung einbezogen, ohne daß man den tatsächlichen Wert der Schallgeschwindigkeit zu kennen braucht. Wenn die Entfernungsmessung der Referenz-Reflexionsfläche R ein Resultat ergibt, das mit der tatsächlichen und bekannten Entfernung dieser Fläche übereinstimmt, führt auch die Entfernungsmessung der Meßfläche N zu einem korrekten Ergebnis,

2^r> unabhängig von der Schallgeschwindigkeit.

Die oben erwähnte Mittelwertbildung aus den Meßresultaten mehrerer Meßzyklen ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Meßfläche Nnicht stationär ist und z. B. wechselnde Unebenheiten oder Wellen aufweist, wie das beim Spiegel eines strömenden Gewässers od. dgl. der Fall ist. In einem solchen Fall würde bei fehlender Mittelwertbildung die digitale Anzeige der Vorrichtung 46 ständig in so rascher Folge ändern, daß eine Ablesung der niedrigeren Dekadenstellen praktisch

y, unmöglich wäre.

Anstatt die Füllhöhe h, kann man mit der beschriebenen Einrichtung ohne Schwierigkeiten auch die Entfernung D»der Meßfläche Λ/vom elektroakustischen Wandler im Sende-Empfangsgerät 5 messen, wenn der Impulszähler 26 auf additive Zählung und auf automatische Rückstellung auf den Zählstand Null nach jedem Meßzyklus modifiziert wird. In diesem Fall hat man am digitalen Komparator 52 eine Impulszahl einzustellen, die in einem bestimmten Verhältnis q zum Abstand Dr der Referenz-Reflexionsfläche R vom elektroakustischen Wandler 22 im Sende-Empfangsgerät S steht. Durch die Vorrichtung 46 und das Instrument 50 wird dann ein Meßresultat angezeigt, das im gleichen Verhältnis q zur gesuchten Entfernung D_x steht.

Je nach dem Verwendungszweck der beschriebenen Meßanordnung kann gegebenenfalls die digitale Anzeigevorrichtung 46 oder die Vorrichtung 48, ,50 zur Analoganzeige des Meßresuitates weggelassen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Messen von Entfernungen, insbesondere zum Messen von Pegelständen, durch Echolotung in einem gasförmigen Medium mittels Schallwellen, mit einem elektroakustischer! Wandler, der durch einen elektrischen Impulsgeber erregbar ist zum Aussenden von jeweils einen Meßvorgang einleitenden Schallwellenzügen sowohl gegen eine Referenz-Reflexionsfläche, die einen bestimmten und bekannten Abstand vom elektroakustischer! Wandler bzw. von einer Bezugsebene aufweist, als auch gegen eine Meßfläche, deren Entfernung vom elektroakustischen Wandler bzw. von einer Bezugsebene aufweist, als auch gegen eine Meßfläche, deren Entfernung vom elektroakustischen Wandler bzw. von der Bezugsebene gemessen werden soll, welcher elektroakustische Wandler auch zum Empfangen von an der Referenz-Reflexionsfläche und an der Meßfläche auftretenden Echos jedes Schallwellenzuges und zum Umwandeln derselben in elektrische Referenzecho- bzw. Meßecho-Signale dient, einer mit dem elektroakustischen Wandler verbundenen Impulsformstufe, die ausgangsseitig pro Meßvorgang einen elektrischen Sende-Impuls, einen elektrischen Referenzecho-Impuls und einen elektrischen Meßecho-Impuls liefert, einem in seiner Wiederholungsfrequenz regelbaren Taktimpulsgeber zum Erzeugen von der Zeitmessung dienenden elektrischen Taktimpulsen, elektronischen Mitteln zum Unterscheiden der Referenzecho-Impulse und der Meßecho-Impulse, einer Schaltungsanordnung zum Regeln der Wiederholungsfrequenz des Taktimpulsgebers in Abhängigkeit von der jeweils im Zeitraum vom Beginn des Sende-Impulses bis zum Beginn des Referenzecho-Impulses auftretenden Anzahl Taktimpulse, einem rückstellbaren Taktimpulszähler zum Zählen der jeweils im Zeitraum vom Beginn des Sende-Impulses bis zum Beginn des Meßecho-Impulses auftretenden Taktirnpulse, einem an den Zählausgang des Impulszählers angeschlossenen Digitalspeicher zum Speichern der Zählergebnisse des Impulszähler und mindestens einer Vorrichtung zum Anzeigen des Meßergebnisses, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Impulsgeber ein frei schwingender Impulsgenerator (21) ist, dessen periodisch auftretende Ausgangsimpulse jeweils den elektroakustischen Wandler (22) zu einer abklingenden freien Schwingung anstoßen, die den Schallwellenzug hervorruft, daß der Ausgang des Impulsformerstufe (23) an den Eingang eines Schieberegisters (24) angeschlossen ist, das die pro Meßvorgang eintreffenden drei Eingangsimpulse auf drei Ausgangsleitungen (24s, 24«, 24_m) verteilt, von denen die den Sende-Impuls (Is) führende Leitung (24s,) an einen Steuereingang (25) des Impulszählers (26) zum Auslösen des Beginnes einer Zählung angeschlossen ist, die den Referenzecho-Impuls (Ir) führende Leitung (24/?^ an den einen Eingang einer Erstimpuls-Erkennungsstufe (55) der Schaltungsanordung (31) zum Regeln der Wiederholungsfrequenz des Taktimpulsgebers (30) angeschlossen ist und die den Meßecho-Impuls (Im) führende Leitung (24/w) an einen Lesebefehlseingang des Digitalspeichers (42) zum Einlesen des momentanen Zählstandes Taktimpulszählers (26) in den Digitalspeicher (42) angeschlossen ist, daß der

Zählausgang (39) des Taktimpulszählers außer mit dem Digitalspeicher (42) auch mit dem Eingang eines auf eine wählbare Zahl entsprechend dem Abstand (Dr bzw. Λ«) der Referenz-Reilexionsfläche (R) vom elektroakustischen Wandler (22) bzw. von der Bezugsebene (B) einstellbaren digitalen !Comparators (52) verbunden ist, der jeweils bei Übereinstimmung der eingestellten Zahl mit dem momentanen Zählstand des Imupulszählers (26) ein Ausgangssignal an den zweiten Eingang der Erstimpuls-Erkennungsstufe (55) liefert, und daß ein eine Verzögerungsstufe (36) enthaltender Rückstell-Stromkreis (35, 36, 37, 38) zum selbsttätigen Rückstellen des Taktimpulszählers (26) am Ende jedes Meßvorganges auf einen bestimmten Anfangszählstand vorhanden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpulszähler (26) bei jedem Meßvorgang bis zum Ende seiner Zählkapazität weiter zählt und zur Abgabe eines elektrischen Endsignais beim Erreichen des Endes der Zählkapität eingerichtet ist, welches Endsignal über den Rückstell· Stromkreis (35,36,37,38) den Taktimpulszählei (26) jeweils auf den Anfangszählstand zunjckstellt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpulszähler (?6) ein Rückwärtszähler ist, der bei jedem Meßvorgang bis zum Zählstand Null rückwärts zählt und zur Abgabe des elektrischen Endsignals beim Erreichen des Zählstandes Null eingerichtet ist, und daß der Rückstell-Stromkreis (35, 36, 37, 38) eine auf eine wählbare Zahl entsprechend dem Abstand (hs)des elektroakustischen Wandlers (22) von der Bezugsebene (B) einstellbare Vorrichtung (37) zum Setzen des Taktimpulszählers (26) auf die eingestellte Zuhl enthält, wobei die Anzeigevorrichtung (46, 48) jeweils den Abstand (h_x)der Meßfläche (N) von der Bezugsebene (^anzeigt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalspeicher (42) zur periodischen Bildung des arithmetischen Mittelwertes der eingespeicherten Zählergebnisse aus mehreren aufeinanderfolgenden Meßvorgängen und zur Abgabe dieses Mittelwertes an die Anzeigevorrichtung (46,48) ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (21), der elektroakustische Wandler (22) und die Impulsformerstufe (23) zu einer Baueinheit (S) zusammengefaßt sind, die mit den weiteren Teilen der Anordnung über einen Übertragungsweg gekoppelt ist, der lediglich den Ausgang der Impulsformerstufe (23) mit dem Eingang des Schieberegisters (24) verbindet.