DE3032177C2 - Verfahren zur Füllstandsmessung mittels eines für das Aussenden und den Empfang von Schall- oder Ultraschallwellen eingerichteten Wandlers - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

c) die Nachschwingamplitude in einen Meßwert umgewandelt wird,

d) der Meßwert mit einem festlegbaren Grenzwert verglichen wird,

e) bei dessen Erreichen sich eine vorgebbare Verzögerungszeitdauer anschließt,

f) und darauf die Empfangsbetriebsweise eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Ansprud: 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung der Empfangsbetriebsweise der Wandler und/oder dem Wandler nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtungen (20, 22, 24, 42) für die Echos für den Empfang der Echos freigegeben wurden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung für die vom Wandler empfangenen Echos stetig vergrößert wird und die Anstiegsrate der Verstärkung groß gegenüber der Wiederholfrequenz der Impulspakete ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

a) mit einem für das periodische Aussenden und Empfangen von Schall- oder Ultraschallwellen eingerichteten Wandler,

b) und einer Vorrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude des Wandlers,

gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

c) der Wandler ist mit einem Verstärker (14) verbunden, an den eine Triggerschaltung (26) angeschlossen ist;

d) die Triggerschaltung (26) ist mit dem Rücksetzeingang eines Flip-Flop (36) verbunden;

e) der Setzeingang des Flip-Flop (36) ist mit einem zu Beginn des Sendeimpulspaketes am Ausgang (16) einer Steuereinheit (10) erzeugten Signal beaufschlagt;

f) am Ausgang des Flip-flop (36) ist ein Freigabesignal für Echos verfügbar;

g) mit dem Flip-Flop (36) ist über eine Torschaltung (40) ein Rampengenerator (42) verbunden, an dessen Ausgang ein Steuereingang (44) des Verstärkers (14) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitverzögerungs-

schaltung (28) zur Erzeugung der vorgebbaren Verzögerungszeitdauer zwischen Triggerschaltung (26) und Flip-Flop (36) geschaltet ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurcn gekennzeichnet, daß die Triggerschaltung (26) aus einem Differenzverstärker besteht, dessen invertierender Eingang mit dem Verstärker (14) verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang mit einer dem Grenzwert entsprechenden Spannung" beaufschlagt und über einen Rückkopplungswiderstand an den Ausgang angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungsschaltung (28) ein aus einem Widerstand (30) und einem Kondensator (32) bestehendes Verzögerungsglied aufweist, wobei eine Diode (34) zum Widerstand parallel geschaltet ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flip-Flop (36) zwei NAND-Glieder (38) enthält, deren Ausgänge kreuzweise je auf einen Eingang des anderen NAND-Gliedes (38) zurückgekoppelt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung durch periodisches Aussenden und Empfangen von Schall- oder Ultraschallwellen mittel¹.» eines Wandlers, wobei aus der zeitlichen Differenz zwischen dem Aussenden von Schallbzw. Ultraschall-Impulspaketen und dem Empfang der jeweiligen Echos die Füllstandshöhe bestimmt wird, wo· bei die Schwingungsamplitude des Wandlers überwacht wird. Mit Ultraschall arbeitende Meßverfahren für die Füllstandsmessung können bei Medien eingesetzt werden, die den Ultraschall gut reflektieren.

Die Ultraschallgeräte lassen sich kostengünstiger herstellen, wenn nur ein Schaliwandlsr verwendet wird, der sowohl für das Aussenden als auch den Empfang des Ultraschalls verwendet wird. Dieser Schailwandler strahlt einige Male pro Sekunde hochfrequente Schallimpulse ab. Nach dem Ende der Energiezufuhr zum Schallwandler setzt die Schwingung nicht sofort aus. Die Schwingung klingt erst allmählich ab, wobei die Schwingungsamplituden gen,aß einer Exponentialfunktion abnehmen. Innerhalb der Nachschwingzeit des Schallwandlers können eintreffende Echosignale nicht ausgewertet werden. Besondere Schwierigkeiten treten bei großen Meßstrecken auf. Die am Schallwandler ankommenden reflektierten Echosignale haben in diesem Faii sehr kleine Amplituden. Daher muß mit der Auswertung von Echosignalen so lange gewartet werden, bis auch die Nachschwingungen auf Amplituden zurückgegangen sind, die noch etwas darunter liegen. Hieraus ergeben sich nach dem Unterbrechen der Zufuhr der Sendersignale zum Schallwandler verhältnismäßig lange Totzeiten, bis Echosignale für die Füll-Standsmessung ausgewertet werden können. Lange Totzeiten bedeuten* daß die Messung nicht bei innerhalb eines großen Bereichs schwankenden Füllstandshöhen benutzt werden kann, wenn die Füllstandsoberfläche dem Schallwandler bei großen Füllstandshöhen nahekommt. Befindet sich der Schallwandler bei der höchsten zu messenden Füllstandshöhe in größerem Abstand von der Füllgutoberfläche, dann stören längere Totzeiten nicht.

Aus »Messen + Steuern«, Technische Information der Endress & Hauser GmbH, Nr. 14 (1967), Seiten 22—24 ist ein Ultraschalldetektor für Flüssigkeiten mit einem UltraschalLsender und einem Melder für das Erreichen eines bestimmten Flüssigkeitsspiegels bekannt, der auf der unterschiedlichen Dämpfung des Ultraschallsenders in Luft und in der betreffenden Flüssigkeit beruht. Die Schwingungsamplitude des ständig schwingenden Ultraschalisenders wird überwacht und die beim Eintauchen des Senders in die Flüssigkeit auftretende Änderung der Schwingungsamplitude gemessen. Mit einer derartigen Anordnung kann jedoch nicht die Änderung eines Flüssigkeitspegels über einen Bereich festgestellt werden wie beim weiter oben geschilderten gattungsgemäßen Verfahren, sondern nur überwacht werden, ob die Flüssigkeit den Ultraschallsender erreicht hat

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erläuterten Gattung derart weiterzuentwickeln. daß die Totzeit der Laufzeit des Ultraschalls angepaßt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Nachschwingamplitude in einen MeSwert umgewandelt wird, der Meßwert mit einem festlegbaren Grenzwert verglichen wird, bei dessen Erreichen sich eine vorgebbare Verzögerungszeitdauer anschließt, und darauf die Empfangsbetriebsweise eingeleitet wird.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, sowohl starke Echosignale bei minimalen Abständen zwischen Schallwandler und Füllgutoberfläche als auch schwache Echosignale zu messen. Bei sehr geringen Abständen zwischen Füllgutoberfläche und Schallwandler kann die Totzeit wesentlich verkürzt werden, da für die Auswertung der Echosignale nicht gewartet werden muß, bis die Nachschwingungen auf sehr kleine Amplituden abgeklungen sind. Die Totzeit wird durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen automatisch an die Nachschwingung angepaßt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur einleitung der Empfangbetriebsweise der Wandler und/oder werden dem Wandler nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtungen für die Echos für den Empfang der Echos freigegeben. Dadurch treten keine Beeinträchtigungen durch die im Vergleich zu den Echos sehr intensiven Sendeimpulse auf.

Vorzugsweise wird die Verstärkung für die vom Wandler empfangenen Echos mit zunehmender Zeitdauer stetig vergrößert, wobei die Anstiegsrate der Verstärkung groß gegenüber der Wiederholfrequenz der Impulspakete ist. Durch die Zunahme der Verstärkung als Funktion der Zeit werden Dämpfungen der Echowellen bei größeren Reichweiten zumindest teilweise ausgeglichen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens mit einem für das periodische Aussenden und Empfangen von Schall- oder Ultraschallwellen eingerichteten Wandler und einer Vorrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude des Wandlers besteht erfindungsgemäß darin, daß der Wandler mit einem Verstärker verbunden ist, an den eine Triggerschaltung angeschlossen ist, die Triggerschaltung mit dem Rücksetzeingang eines Flip-Flop verbunden ist, der Setzeingang des Flip-Flop mit einem zu Beginn des Sendeimpulspaketes am Ausgang einer Steuereinheit erzeugten Signa! beaufschlagt ist. am Ausgang des Flip-Flop ein Freigabesignal für Echos verfügbar ist. und mit dei,i Flip-Flop über eine Torschaltung ein Rampengenerator verbunden ist, an dessen Ausgang ein Steuereingang des Verstärkers angeschlossen ist

In dieser Vorrichtung werden mit einfachen Mitteln die in Anspruch 1 dargelegten Schritte schaltungstechnisch realisiert

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Zeitverzögerungsschaltung zur Erzeugung der vorgebbaren Verzögerungszeitdauer zwisehen Triggerschaltung und Flip-Flop geschaltet.

Die Zeitverzögerungsschaltung gibt den Wandler zu einem Zeitpunkt für den Empfang frei, an dem die Amplituden der Nachwingung den unteren Grenzwert bereits unterschritten haben. Der Einfluß von Nachschwingungen wird dadurch völlig beseitigt

Vorzugsweise besteht die Triggerschaltung aus einem Differenzverstärker, dessen invertierender Eingang mit dem Verstärker verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang mit einer dem Grenzwert entsprechenden Spannung beaufschlagt und üVs;r einen Rückkoppiungswiderstand an den Ausgang angei ihiossen ist

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Zeitverzögerungsschaltung ein aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Verzögerungsglied auf, wobei eine Diode zum Widerstand parallel geschaltet ist

Zweckmäßigerweise enthält das Flip-Flop zwei NAND-Glieder, deren Ausgänge kreuzweise je auf einen Eingang des anderen NAND-Gliedes zurückgekoppelt sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert

In der Zeichnung ist ein Schaltbild, teilweise in Blockform, eines Meßgeräts zur Füllstandsmessung dargestellt.

Ein Meßgerät zur Füllstandsmessung enthält eine Steuereinheit 10 für die Erzeugung von Sende/requenzen und Steuersignalen. Die Sendeimpulse werden von der Steuereinheit 10 einem Sendeverstärker 12 zugeleite., an den ein nicht dargestellter Wandler für die Umformung von elektrischen Signalen in Schallwellen oder Ultraschallwellen angeschlossen ist. Die Schallwellen bzw. Ultraschallwellen können als Impulspakete mit Impulspausen ausgesendet werden. Nach der Reflexion an einer Füllgutoberfläche gelangen den Schall- bzw. UI-traschall-Impulspaketen entsprechende Schallwellen zum gleichen Wandler, der sie in elektrische Signale umformt, die einem Verstärker 14 zugeführt werden, dessen Verstärkungsgrad veränderbar ist. Aus der Laufzeit der Schallimpulse in der Luft wird die Entfernung des Wandlers zur Füllgutoberfläche bestimmt.

Ζ · 3eginn der Sendezeit wird von der Steuereinheit 10 ein Sendeimpuls erzeugt, der an einem Ausgang 16 verfügbar ist. Von. Sendeimpuls wird ein Rimpengenerator 18 angestoßen, der eine linear abfallende Spannung erzeugt. Der Momentanwert dieser Rampenspannung entsprich; zum jeweiligen Zeitpunkt der zurückgelegten Wegstrecke des Luftschalls.

Wenn eine Echowelle vom Verstärker 14 erfaßt wird, gelangt bei einem Meßvorgang ein entsprechendes Signal zu einem Detektor 20, der einen kurzen Abtastimpuls erzeugt. Der Detektor 20 kann eine nicht näher dargestellte Schwellwerterkennungsschaltung und eine Differenzierschaltung aufweisen.

Mit dem Rampengenerator ist eine Rampensignalabtastschaltung 22 verbunden, die von dem Detektor 20 betätigt wird. Der von dem Detektor 20 erzeugte Ab-

tastimpuls veranlaßt die Übernahme des Momentanwerts der Rampenspannung in einen Speicher der Ram· pensignalabtastschaltung 22, der ein Ausgangsverstärker 24 nachgeschaltet ist. Mit dem Ausgangsverstärker 24 wird der in der Rampensignalabtastschaltiing 22 ge- > speicherte Wert in einen eingeprägten Strom umgewandelt, der einem nicht dargestellten Auswertgerät, /.. B. einem Gleichstrommeßgerät, zugeführt wird.

Der nicht näher dargestellte Wandler, der sowohl für das Aussenden als auch den Empfang von Schall- bzw. Ultraschallwellen dient, beendet seine Schwingungen nicht gleichzeitig mit dem Ende der über den Sendeverstärker 12 zugeführten elektrischen Schwingungen. Am Wandler treten nach dem Ende der am Eingang anstehenden elektrischen Schwingungen noch Schall- bzw. Ultraschallschwingungen auf. die nach einer Exponentialfunktion abklingen.

Wenn zwischen dem Wandler und der Füllgutoberfläche größere Abstände vorhanden sind, liüriii können die vom Wandler empfangenen Echosignale sehr kleine Amplituden haben. Es muß daher verhindert weiden, daß Nachschwingungen, die eventuell noch längere Zeit auftreten, als Echosignale ausgewertet werden.

Hierzu wird ein Grenzwert für die am Wandler anstehenden Schwingungsamplituden festgelegt, der maßgebend dafür ist, ob Schwingungsamplitude als Echosignale weiterverarbeitet werden oder nicht. Nur oberhalb dieses Grenzwertes liegende Schwingungsamplituden werden für die Messung des Weges zwischen Wandler und Füllgutoberfläche ausgenutzt. Die Schwingungsam- jo plituden des Wandlers einschließlich der Nachschwingungen werden auf diesen Grenzwert hin überwacht. Der Grenzwert richtet sich unter anderem nach der Reichweite des Wandlers in einem Behälter bzw. nach der bei maximalem Abstand zwischen Wandler und Füllgutoberfläche noch am Wandler verfügbaren Echoschwingung.

Unterschreitet die Amplitude der sich an Sendeschwingungen des Wandlers anschließenden Nachschwingungen den Grenzwert, dann wird eine vorgeb- *o bare Verzögerungszeit eingeleitet. Erst nach Ablauf dieser Verzögerungszeit wird der Wandler für den Empfang von Echowellen freigegeben. Während der Sperrung des Wandlers sind auch die dem Wandler nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheiten 20, 22, 24 für die Verarbeitung von Echosignalen gesperrt. Es ist auch möglich nicht den Wandler, sondern nur die dem Wandler nachgeschalteten Einheiten 20, 22, 24 für die Dauer der Sende- und der Nachschwingungen und für die Dauer der Verzögerungszeit zu sperren, so daß die vom Wandler dem natiigeschalteten- Empfänger zugeführten elektrischen Signale nicht zur Messung herangezogen werden.

Nach Ablauf der Verzögerungszeit sind die Nachschwingungen des Wandlers auf hinreichend kleine Amplitudenwerte abgeklungen, die nicht ais Echosignale ausgewertet werden.

Die nach dem Ende der Sendeschwingungen infolge des Wandlernachschwingens notwendige Totzeit wird durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen automatisch dem Verlauf der Nachschwingung angepaßt Bei längerer Dauer des Nachschwingens verlängert sich die Totzeit, während ein kurzes Nachschwingen die Totzeit vermindert

Dem Verstärker 14 ist eine Triggerschaltung 26 nachgeschaltet, die vorzugsweise aus dem Differenzverstärker besteht, dessen invertierender Eingang an den Verstärker 14 angeschlossen ist während der nichtinvertierencle Eingang von einer dem Grenzwert entsprechenden Gleichspannung beaufschlagt ist. Zwischen dem Ausgang und dem nichtinvertierenden Eingang ist ein Riickkopplungswidcrstand angeordnet. Der Ausgang der Triggerschaltung 26 speist eine Zeitverzögerungsschaltung 28, die ein RC-Clied mit einem Widerstand 30 und einem Kondensator 32 enthält. Zu dem Widerstand 30 ist eine Diode 34 parallel geschaltet, deren Kathode an den Kondensator 32 angeschlossen ist. An den Ausgang der Zeitverzögerungsschaltung 28 ist der Rücksetzeingang eines Flip-Flop 36 angeschlossen, dessen Setzeingang mit dem Ausgang 16 der Steuereinheit 10 in Verbindung steht. Das Flip-Flop 36 enthält zwei NAND-Glieder 38. deren Ausgänge jeweils auf einen Eingang des anderen zurückgekoppelt sind.

Das Flip-Flop 36 speist über ein Invertierglied 46 und über eine Torschaltung 40 den Detektor 20. Der zweite Eingang der Torschaltung 40 ist an den Ausgang des Verstärkers i4 angeschlossen. Der Ausgang der Torschaltung 40 ist einerseits mit dem Detektor 20 und andererseits mit einem weiteren Rampengenerator 42 verbunden, der eine stetig ansteigende Steuerspannung als Funktion der Zeit erzeugt, wenn er über die Torschaltung 40 angestoßen wird. Der Ausgang des Rampengenerators 42 steht mit einem Steuereingang 44 des Verstärkers 14 in Verbindung. Die vom Rampengenerator 42 abgegebene Spannung dient dazu, die Verstärkung urs Verstärkers 14 mit zunehmender Zeitdauer stetig zu vergrößern. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Steuerspannung des Rampengenerators 42 ist so gewählt, daß sie groß gegenüber aer Wiederholfrequenz wird.

Wenn die Steuereinheit 10 ein für die Dauer des Aussendens von Schall- oder Ultraschallwellen anstehendes Signal am Ausgang 16 erzeugt und der Empfangsverstärker 14 ein der Schwingung des Wandlers entspre-

rfnal Aar

das Flip-Flop 36 gesetzt. Die Triggerschaltung 26 nimmt an ihrem Ausgang ein hohes Potential an, das den Kondensator 32 über die Diode 34 auflädt Mit dem Ende des Sendesignals am Ausgang 16 geht das hohe Potential zurück. Da die Nachschwingung noch andauert, wird der Kondensator 32 weiterhin durch das hohe Potential am Ausgang der Triggerschaltung 26 aufgeladen. Das Flip-Flop 36 bleibt daher auch nach dem Ende des hohen Potentialsam Ausgang 16gesetzt

Sinkt die Nachschwingungsamplitude unter die an der Triggerschaltung 26 eingestellte Grenze ab, dann geht der Ausgang der Triggerschaltung 26 auf niedriges Potential über. Danach entlädt sich der Kondensator 32 über den Widerstand 30. Die Dauer der Entladung hängt von der Bemessung des Widerstands 30 und des Kondensators 32 ab. Durch die Entladung wird eine Zeitverzögerung erzeugt, nach der das Potential am Rücksetzeingang des Flip-Flop 36 so weit abgesunken ist, daß das entsprechende NAND-Glied 38 auf den niedrigen Pegel anspricht Es herrschen dann am Setz- und am Rückseizeingang niedrige Potentiale, durch die das Flip-Flop 36 zurückgesetzt wird.

Bei gesetztem Flip-Flop 36 wird die Torschaltung 40 über das Invertierglied 46 gesperrt Der Detektor 20 ist daher für die Ausgangssignale des Verstärkers 14 gesperrt Erst wenn das Flip-Flop 36 zurückgesetzt ist, d. h. wenn eine aus der Dauer der Wandlernachschwingung bis zum Unterschreiten des Grenzwertes und aus der Zeitverzögerung der Schaltung 28 zusammengesetzte Zeit abgelaufen ist, wird die Torschaltung 40 freigegeben. Nach der Freigabe der Torschaltung 40 können die

vom Verstärker 14 erfaßten Echowellen zum Detektor 20 gelangen und jeweils einen Abtastimpuls auslösen.

Mit dem Zurücksetzen des Flip-Flops 36 wird der Rampengenerator 42 angestoßen, der die Verstärkung des Verstärkers 14 mit zunehmender zeitlicher Verzögerung stetig erhöht. Hierdurch wird erreicht, daß die bei kleinen Abständen zwischen Wandler und Füllgultio^rfläche größeren Echoamplituden weniger verstärkt werden als die bei größeren Entfernungen zwischen Wandler und Füllgutoberfläche kleineren Echoamplituden. Es wird also ein gewisser Ausgleich für die durch den längeren Weg hervorgerufene Dämpfung geschaf

Mit der in der Zeichnung dargestellten Anordnung können daher die Abstände bei gefüllten Behältern, wenn starke Echoamplituden aufgrund minimaler Abstände zwischen Wandler und Füllgutoberfläche erzeugt werden, und bei leeren Behältern gemessen werden, wenn durch die großen Abstände zwischen Wandler und Füllgutoberfläche nur kleinere Echoamplituden entstehen. Die Verstärkungsregelung ermöglicht diese Messung in Verbindung mit einer entsprechend eingestellten Grenze. Hierdurch wird die Totzeit beträchtlich verkürzt.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:
   1. Verfahren zur Füllstandsmessung

   a) durch periodisches Aussenden und Empfangen von Schall- oder Ultraschallwellen mittels eines Wandlers, wobei aus der zeitlichen Differenz zwischen dem Aussenden von Schall- bzw. Ultraschall-lmpulspaketen und dem Empfang der jeweiligen Echos die Füllstandshöhe bestimmt wird, wobei

   b) die Schwingungsamplitude des Wandlers überwacht wird.