DE2934187A1

DE2934187A1 - Vorrichtung zur automatischen kalibrierung von ultraschallentfernungsmessern

Info

Publication number: DE2934187A1
Application number: DE19792934187
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Valentin 8000 München Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1981-03-12

Description

Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung von Ultra-
schallentfernungsmessern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung von Ultraschallentfernungsmessern, bei der eine Einrichtung zum Bestimmen einer Referenzlaufzeit vorgesehen ist, die die Laufzeit von von einem Ultraschallsender ausgesendeten Ultraschallwellen nach Durchlaufen einer bekannten, konstanten Referenzstrecke feststellt und die festgestellte Referenzlaufzeit zum Bewerten der Arbeitsmeßstrecke ausnutzt.
Bei Ultraschallentfernungsmessern ist die fortlaufende automatische Kalibrierung wünschenswert, weil die mit den wechselnden physikalischen Bedingungen des tbertragungsmediums, beispielsweise Luft, variable Schallgeschwindigkeit direkt in das Meßergebnis eingeht.
Aus der D-AS 22 53 958 ist eine Vorrichtung zum Messen des Füllstandes eines Behälters bekannt. Dabei handelt es sich um ine Vorrichtung mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempgänger, die beide oben am Behälter derart angebracht sind, daß vom Sender ausgesandte Wellen von der Oberfläche des Behälterinhaltes reflektiert auf den Empfänger gelangen, mit einer Einrichtung zum Bestimmen einer Meßlaufzeit, die die vom Behälterinhalt reflektierten Wellen vom Sender bis zum Empfänger benötigen, mit einer Einrichtung zum Bestimmen einer Referenzlaufzeit, die die vom Sender ausgesandten Wellen zum Durchlaufen einer festen Strecke oberhalb des Behälterinhalts benötigen, und mit einer Einrichtung, die aus der Meßlaufzeit und der Eichlaufzeit den Füllstand des Behälters bestimmt. Diese bekannte Vorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß in kurzer Entfernung unterhalb des Ultraschallsenders ein Ultraschalleichempfänger angeordnet ist, der die vom Ultraschallsender ausgesandten Wellen unmittelbar empfängt und an die Einrichtung zum Bestimmen der Referenzlaufzeit angeschlossen ist.
Bei einer anderen bekannten Vorrichtung der beschriebenen Gattung, nämlich US-PS 31 84 969, ist die Einrichtung zum Bestimmen einer Referenzlaufzeit im wesentlichen durch einen Reflektor gebildet, der oberhalb des maximal zulässigen Püllstandes derart angeordnet ist, daß vom Ultraschallsender auf ihn gelangende Wellen zum Ultraschallempfänger reflektiert werden.
Bei der zuerst genannten bekannten Vorrichtung ist als nachteilig anzusehen, daß der vorgesehene Ultraschall-Eichempfänger aufwendig vor seine Funktionen beeinflussenden Umweltbedingungen geschützt sein muß. Hinzu kommt der Nachteil, daß der Meßvorgang durch die bei den bekannten Schallwandlern vorhandene Verzögerung erster und zweiter Ordnung bei sich schnell ändernden Distanzen zwischen Meßobjekt und Meßeinrichtung unzulässig beeinträchtigt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung von Ultraschallentfernungsmessern zu schaffen, die die genannten Nachteile umgeht. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, im Bereich der Meßstrecke einen gegenüber schädlichen Umweltbedingungen unempfindlichen und darüber hinaus kostengünstigen Schallwandler zu verwenden, der die Verzögerung erster Ordnung nicht aufweist und eine große Anstiegsflankenstelheit hat.
Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs erwahnte Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung von Ultraschallentfernungsmessern, bei der eine Einrichtung zum Bestimmen einer Referzlaufzeit vorgesehen ist, die die Laufzeit von von einem Ultraschallsender ausgesendeten Ultraschallwellen nach Durchlaufen einer bekannten konstanten Referenzstrecke feststellt und die festgestellte Referenzlaufzeit zum Bewerten der Arbeitsmeßstrecke ausnutzt, gelöst, die durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß der Zeitpunkt des Aussendens eines Referenzmeßimpulses in weitere Grenzen frei wählbar ist. Damit ergibt sich unter anderem, daß Signale von Störobjekten, wie z.B. herumfliegendem Schüttgut, aus Gründen der zeitlichen Irrelevanz erkennbar sind. Dies wiederum ergibt sich daraus, daß eine genau festlegbare und damit vorbekannte Sequenz von Ereig- nissen abläuft, womit Schallsignale, die nicht in das zeitliche Raster passen, unberücksichtigt bleiben können. Es ist außerdem vorteilhaft, daß die Anordnung eines Hilfsschallwandlers, der als Schallsender arbeitet, eine robuste und kostengünstige Lösung gestattet.
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Im folgenden soll die Erfindung an Hand mehrerer, Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung betreffender Figuren erläutert werden.
Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Sende-/ Empfangs-Hauptschallwandlers 1, der über eine zweiadrige Verbindungsleitung mit einer nicht dargestellten Sende-/Empfangselektronik 4 verbunden ist und einen Hauptschallimpuls 11 auf ein reflektierendes Objekt 3 richtet und einen reflektierten Hauptschallimpuls 12 empfängt, und mit einem Hilfsschallwandler 2, der über eine zweiadrige Verbindungsleitung mit einer nicht gezeigten Hilfselektronik 5 verbunden ist, der über eine Referenzdistanz 22 einen Hilfsschallimpuls 21 auf den Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 richtet.
Figur 2 zeigt in Form eines Zeitdiagramms die zeitlichen Verläufe eines elektrischen Sendesignals UB, eines elektrischen Empfangssignals ue und eine Bewertungsspannung up über die Zeit t.
Wie bereits erläutert, zeit Figur 1 schematisch die Anordnung eines Sende-/Empfangs-Hauptschallwandlers 1, der über eine zweiadrige Verbindungsleitung mit einer nicht dargestellten Sende-/Empfangselektronik 4 verbunden ist und einen Hauptschallimpuls 11 auf ein reflektierendes Objekt 3 richtet und einen reflektierten Hauptschallimpuls 12 empfängt und mit einem Hilfsschallwandler 2,der über eine zweiadrige Verbindungsleitung mit einer nicht gezeigten Hilfselektronik 5 verbunden ist, der über eine Referenzdistanz 22 einen Hilfsschallimpuls 21 auf den Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 richtet.
Der Hilfsschallwandler 2 ist in einer vorgegebenen Referenzdistanz angeordnet und sendet zur Kalibrierung der Vorrichtung periodisch den Hilfsschallimpuls 21 in Richtung zu dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler aus.
Der Hilfsschallwandler 2 ist vorzugsweise als piezokeramischer, zylindrischer Körper aufgebaut, dem zum Aufladen über zwei an ihm angebrachte Kontaktflächen über einen Begrenzungswiderstand eine hohe Gleichspannung zugeführt wird. Eine nicht dargestellte Eurzschlußeinrichtung dient dazu, den piezokeramischen Körper spontan zu entladen, wodurch der Hilfsschallwandler 2 ein gedämpftes Ultraschallschwingungsbündel mit einer größtmöglichen Anstiegsflankensteilheit abstrahlt. Der Hilfsschallwandler ist so dimensioniert, daß seine Schwingfrequenz auf die Eigenfrequenz des Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 abgestimmt ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Hilfsschallwandler 2 auch so dimensioniert sein, daß seine Schwingfrequenz auf eine Nebenresonanz des Sende-/Empfangs-Hauptschallwandlers 1 abgestimmt ist. Diese Weiterbildung der Erfindung hat den Vorteil, daß der Hilfsschallwandler 2 auf Grund der latsache, daß die Nebenresonanz des Sende-/ Empfangs-Hauptschallwandlers 1 eine andere Richtcharakteristik als für die Hauptschallfrequenz aufweist, womit der Hilfsschallwandler nicht im Bereich der Hauptschallkeule angebracht sein muß.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß eine während des Betriebs der Vorrichtung ständig arbeitende, an sich bekannte, zyklisch wirkende Ablaufsteuerung vorgesehen ist, mittels derer zu einem Ausgangszeitpunkt to, vgl. Figur 2, dem S,nde-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 ein elektrisches Sendesignal zugeführt wird, worauf der Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 den Hauptschallimpuls 11 aussendet. Außerdem wird zu einem weiteren Zeitpunkt die Kurzschlußschalteinrichtung aktiviert, wodurch der Hilfsschallwandler 2 den Hilfsschallimpuls 21 abgibt. Mittels der Ablaufsteuerung werden zu einem Bewertungszeitpunkt ein zwischengespeichertes, elektrisches Signal, das der bis zu einem ersten,den Empfang des Hilfsschallimpulses 21 betreffenden Empfangszeitpunkt tH5 vergangenen Zeit entspricht und ein zwischengespeichertes, elektrisches Signal, das der bis zu einem zweiten, den Empfang eines reflektierten Hauptschallimpulses 12 betreffenden Empfangszeitpunkt tOb vergangenen Zeit entspricht, miteinander in Beziehung gesetzt, so daß die Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 und einem reflektierenden Objekt 3 unabhängig von der Fortpflanzungsge schwindigke it der Ultraschallwellen bestimmbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liegt der weitere Zeitpunkt, zu dem die Kurzschlußschalteinrichtung aktiviert wird, vor dem Ausgangszeitpunkt to.
Eine andere WeiterbSdung der Erfindung sieht vor, daß der weitere Zeitpunkt, zu dem die Kurzschlußschalt- einrichtung aktiviert wird, nach dem Ausgangszeitpunkt to liegt.
Einer anderen Weiterbildung der Erfindung zufolge ist eine an sich bekannte Umschalteinrichtung vorgesehen, mittels derer die Eingangsempfindlichkeit eines den Sende-/Empfangs-Eauptschallwandler 1 nachgeschalteten Empfangssignalverstärkers vor dem Empfang des Hilfsschallimpulses 21 niedrig und vor dem Empfang des reflektierten Hauptschallimpulses 12 hoch geschaltet wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Bewertungseinrichtung vorgesehen ist, bei der mittels einer Konstantstromquelle in an sich bekannter Weise beginnend zum Ausgangszeitpunkt to eine über die Zeit t geradlinig ansteigende Bewertungsspannung up aufgebaut wird, deren erster Augenblickswert u1 beim Empfang des Hilfsschallimpulses 21 zum ersten Empfangszeitpunkt tHS und deren zweiter Augenblickswert up2 beim Empfang des reflektierten Hauptschallimpulses 12 zum zweiten Empfangszeitpunkt tObj für die Bestimmung der Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 und dem reflektierenden Objekt 3 mit an sich bi annten Mitteln zwischengespeichert werden.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein weiterer Augenblickswert uKS der Bewertungsspannung zu zu einem die Aktivierung der Kurzschlußschalteinrichtung betreffenden weiteren Zeitpunkt tgS mit an sich bekannten Mitteln zwischengespeichert wird und daß dieser weitere Augenblickswert uKS zur Bestimmung der iistanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Xauptschallwandler 1 und dem reflektierenden Objekt 3 mit dem ersten Augenblickswert up1 und dem zweiten Augenblickswert up2 in Beziehung gesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird ein die bestimmte Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 nnd dem reflektierenden Objekt 3 vertretendes analoges elektrisches Signal einer Analoganzeigeeinrichtung und/oder einem Regelkreis zugeführt.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein die bestimmte Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 und dem reflektierenden Objekt 3 vertretendes analoges und elektrisches Signal in ein digitales elektrisches Signal umgesetzt wird und daß das digitale elektrische Signal einer Digitalanseflgeeinrichtung und/oder einem Regelkreis zugeführt wird.
Anstelle der analogen elektrischen Signale kann gemäß einer anderen Weitrbildung der Erfindung auch in rein digitaler Technik gearbeitet werden. Dazu ist gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ein Taktgenerator vorgesehen, dessen Ausgangsimpulse einer Zählschaltung zugeführt werden. Die von dem Ausgangszeitpunkt to bis zu dem ersten Empängszeitpunkt tHS vergangene Zeit und die von dem Ausgangszeitpunkt to bis zu dem zweiten Empfangszeitpunkt tobå vergangene Zeit ist auf einfache, bekannte Weise aus der Anzahl der registrierten Ausgangsimpulse ableitbar.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Frequenz des Taktgenerators so nachregelbar, daß während der Laufzeit des Hilfsschallimpulses 21 eine konstante, vorgegebene Anzahl von Ausgangsimpulsen abgegeben wird, so daß aus der Anzahl der während der Laufzeit des Hauptschallimpu$sesl 1 abgegebenen Ausgangsimpulse auf Grund der gegebenen Proportionalität die Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler 1 und dem reflektierenden Objekt 3 auf einfache Weise ermittelt werden kann.
Zur Bestimmung der Distanz zwischen dem Sende-/Rmpfay-Hauptschallwandler 1 und dem reflektierenden Objekt 3 kann eine an sich bekannte Verknüpfungsschaltung, der die zwischengespeicherten, digital dargestellten elektrischen Signale zugeführt werden, benutzt werden.
16 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims

Patentansprüche i..Vorrichtung zur automatischen Kalibrierung von UltraschallentSernungsmessen, bei der eine Einrichtung zum Bestimmen einer Referenzlaufzeit vorgesehen ist, die die Laufzeit von von einem Ultraschallsender ausgesendeten Ultraschallwellen nach Durchlaufen einer bekannten, konstanten Referenzstrecke feststellt und die festgestellte Referenzlaufzeit zum Bewerten der Arbeitsmeßstrecke ausnutzt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Hilfsschallwandler (2) in einer vorgegebenen Referenzdistanz (22) zu einem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) angeordnet ist und daß der Hilfsschallwandler (2) zur Kalibrierung der Vorrichtung periodisch einen Hilfsschallimpuls (21) in Richtung zu dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) aussendet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hilfsschallwandler (2) aus einem piezokeramischen, vorzugsweise zylindrischen Körper besteht, daß dieser piezokeramische Körper zum Aufladen über zwei an ihm angebrachte Kontaktflächen an eine hohe, über einen Begrenzungswiderstand zugeführte Gleichspannung legbar ist und daß eine Eursschlußschalteinrichtung vorgesehen ist, mittels derer der piezokeramische Körper spontan entladbar ist, wodurch der Hilfsschallwandler (2) ein gedampftes Ultraschallschwingungsbündel mit einer größtmöglichen AnstiegsSlankensteilheit abstraht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hilfsschallwandler (2) so dimensioniert ist, daß seine Schwingfrequenz auf die Eigenfrequenz des Sende-/Empfangs-Hauptschallwandlers (1) abgestimmt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Hilfsschallwandler (2) so dimensioniert ist, daß seine Schwingfrequenz auf eine Nebenresonanz des Sende-/Empfangs-Hauptschallwandlers (1) abgestimmt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine während des Betriebes der Vorrichtung ständig arbeiJnde, an sich bekannte, zyklisch wirkende Ablaufsteuerung vorgesehen ist, mittels derer zu einem Ausgangszeitpunkt (to> dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) ein elektrisches SBadesignal zugeführt wird, worauf der Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) einen Hauptschallimpuls (11) aussendet, mittels derer zu einem weiteren Zeitpunkt die Kurzschlußschalteinrichtung aktiviert wird, wodurch der Hilfsschallwandler (2) den Hilfsschallimpuls (21) abgibt, und mittels derer zu einem Bewertungszeitpunkt ein der bis zu einem ersten den Empfang des Hilfsschallimpulses (21) betreffenden Empfangszeitpunkt (tHs) vergangenen Zeit entsprechendes zwischengespeichertes elektrisches Signal und ein der bis zu einem zweiten den Empfang eines reflektierten Hauptschallstrahls (12) betreffenden Empfangszeitpunkt (tObj, ) vergangenen Zeit entsprechendes zwischengespeichertes elektrisches Signal miteinander in Beziehung gesetzt werden, so daß die Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) und einem reflektierenden Objekt (3) unabhängig von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen bestimmbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der weitere Zeitpunkt, zu dem die Kurzschlußschalteinrichtung aktiviert wird, vor dem Ausgangszeitpunkt (t0) liegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der weitere Zeitpunkt, zu dem die Kurzschlußschalteinrichtung aktiviert wird, nach dem Ausgangszeitpunkt (to) liegt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine an sich bekannte Umschalteinrichtung vorgesehen ist, mittels derer die Eingangsempfindlichkeit eines dem Sende-/Rmpfangs-Hauptschallwandler (1) nachgeschalteten Empfangs s ignalverstärkeis vor dem Empfang des Rilfsschallimpulses (21) niedrig und vor dem Empfang des reflektierten Hauptschallimpulses (12) hoch geschaltet wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Bewertungseinrichtung vorgesehen ist, bei der mittels einer Konstantstromquelle in an sich bekannter Weise beginnend zum Ausgangszeitpunkt (to) eine über die Zeit (t) geradlinig ansteigende Bewertungsspannung (up) aufgebaut wird, deren erster Augenblickswert (um1) bei Empfang des Rflfsschallimpulses (21) zum ersten Empfangszeitpunkt (tris) und deren zweiter Augenblickswert (up>) bei Empfang des reflektierten Hauptschallimpulses (12) zum zweiten Empfangszeitpunkt (tObj ) für die Bestimmung der Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Eauptschallwandler (1) und dem reflektierenden Objekt (3) mit an sich bekannten Mitteln zwischengespeichert werden.
10. Vorrichtung nach den Ansprilchen 5 und 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein weiterer Augenblickswert (uns) der Bewertungsspannung (up) zu einem die Aktivierung der Kurzschlußschalteinrichtung betreffenden weiteren Zeitpunkt (tee) mit an sich bekannten Mitteln zwischengespeichert wird und daß dieser weitere Augenblickswert (uKs) zur Bestimmung der Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) und dem reflektierenden Objekt (3) mit dem ersten Augenblickswert (um1) und dem zweiten Augenblickswert (up2) in Beziehung gesetzt wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine steuerbare Konstantstromquelle vorgesehen ist und daß die Konstantstromquelle mittels einer an sich bekannten Regelschaltung derart gesteuert wird, daß sich der erste Augenblickswert (u1) und/oder ein der Differenz zwischen dem weiteren Augenblickswert (uns) und dem ersten Augenblickswert (up1) entsprechender Wert, nämlich up1-uKs, auf einen vorbestimmten Betrag einstellt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein die bestimmte Distan zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) und dem reflektierenden Objekt (3) vertretendes analoges elektrisches Signal einer Analoganzeigeeinrichtung und/ oder einem Regelkreis zugeführt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein die bestimmte Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) und dem reflektierenden Objekt (3) vertretendes analoges elektrisches Signal in ein digitales elektrisches Signal umgesetzt wird und daß das digitale elektrische Signal einer Digitalanzeigeeinrichtung und/oder einem Regelkreis zugeführt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Taktgenerator vorgesehen ist, dessen Ausgangsimpulæ einer Zählschaltung zugeführt werden und daß die von dem Ausgangszeitpunkt (to) bis zu dem ersten Empfangszeitpunkt (tees) vergangene Zeit und die von dem Ausgangszeitpunkt (t0) bis zu dem zweiten Empfangszeitpunkt (tObj ) vergangene Zeit aus der Anzahl der registrierten Ausgangs impulse ableitbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz des Taktgenerators so nachgeregelt wird, daß während der Laufzeit des Hilfsschallimpulses (21) eine konstante, vorgegebene Anzahl von Ausgangsimpulsen abgegeben wird, so daß aus der Anzahl der während der Laufzeit des Hauptschallimpulses (11; 12) abgegebenen Ausgangsimpulse auf Grund der gegebenen Proportionalität die Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) und dem reflektierenden Objekt (3) auf einfache Weise ermittelt werden kann.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Bestimmung der Distanz zwischen dem Sende-/Empfangs-Hauptschallwandler (1) und dem reflektierenden Objekt (3) durch eine an sich bekannte Verknüpfungsschaltung, der die zwischengespeicherten, digital dargestellten, die Laufzeit des ilfsschallimpulses (21) und die Laufzeit des Hauptschallimpulses (11; 12) repräsentierenden elektrischen Signale zugeführt werden, durchführbar ist.