DE3142076A1

DE3142076A1 - "verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen messung von entfernungen und lageverschiebungen"

Info

Publication number: DE3142076A1
Application number: DE19813142076
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. 6000 Frankfurt Beuter; Rudolf 6277 Camberg Großbach; Egbert Dipl.-Ing. Dr. 6236 Eschbron Schäpermeier
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1981-10-23
Filing date: 1981-10-23
Publication date: 1983-05-05

Description

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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Entfernungen und Lageverschiebungen = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Entfernungen und Lageverschiebungen von Objekten nach dem Impuls-Echo-Prinzip durch Mittelwertbildung über mehrere Luafzeitbestimmungen von Schallimpulsen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Sende/ Empfangseinheit für Schallsignale und einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung, Laufzeitbestimmung und Mittelwertbildung.
Die Erfindung bezieht sich auf berührungslose Messung des Abstandes und der Abstandsänderung größerer Körper mit beliebig geformter Oberfläche von einem bestimmten Bezugspunkt aus und eignet sich insbesondere zur Feststellung langsamer Verschiebungen von Gesteinen im Bergbau, zur Kontrolle von Tunnelwänden, Gebäudestrukturen und dergleichen.
Die Überwachung von Bewegungen, Relativabständen, Differenzen oder Verhältnissen zwischen Verschiebungen liefert wichtige Grunddaten zur Beurteilung der Festigkeit von Strukturen oder zur Vorwarnung bei kritischen Zuständen, z.B. bei Einsturzgefahr Ein Indikator für die Gebirgsschlaggefahr im Kohlebergbau ist z.B. das Verhältnis der Auswanderung von Hangendem und Liegendem, die sogenannte Freisetzungsziffer. Solche Messungen werden bisher hauptsächlich mit Hilfe von Bohrungen und anderen direkten Verfahren durchgeführt und sind oft sehr auf wendig und zum Teil nicht genügend aussagekräftig. Es sind daherberührungslose Meßverfahren zu entwickeln, bei denen die Meßanordnung an einem Ort aufgestellt ist, wo sie eventuelle notwendige Arbeiten nicht behindert oder sonst unzugängliche Stellen der zu messenden Oberfläche erreicht. Aufgrund von Umweltbedingungen, wie Staubgehalt oder ungünstigen Meßflächen, können optische Verfahren nicht immer angewandt werden. Deshalb werden oft akustische Meßverfahren vorgezogen.
Die Entfernungsmessung mit dem Laufzeitverfahren nach Sende-Empfangs-Prinzip oder Impuls-Echo-Alethode wird in verschiedenen Ultraschall- oder sonstigen akustischen Geräten angewandt Dabei geht man meistens von einer bekannten oder als fest angenommenen Schallgeschwindigkeit aus. Wenn diese Grundannahme nicht zutrifft, ist aber die Genauigkeit des Verfahrens begrenzt. Weiter können durch unregelmäßige Ausformungen der schallreflektierenden Oberfläche die Echos in ihrer Struktur verändert, z .B. durch Mahrfadhwflexions zeitlich ausgedehnt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die akustische Messung von Abständen, Abstandsdifferenzen und deren Veränderungen so durchzuführen, daß Ungenauigkeiten durch unregelmäßig geformte Oberflächen und Schwankungen der Schallgeschwindigkeit eliminiert oder verringert werden.
Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art lösen läßt, wenn zur Feststellung und Kompensation von Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls entlang der Meßstrecke im Schallstrahlengang eine Referenzstrecke festgelegt wird und bei jedem Impuls die Laufzeit sowohl auf der Referenzstrecke als auch auf der Meßstrecke erfaßt wird und wenn mehrere Impulse in fortlaufender Folge ausgesandt werden.
Erfindungsgemäß wird die Lageverschiebung nach der Formel e ( b - c a ) berechnet, wobei e die Länge der Referenzstrecke, f d f den Anfangswert der Laufzeit auf der Referenzstrecke, a und d die Momentanwerte der Laufzeit auf der Meßstrecke und der Referenzstrecke, b die Differenz zwischen a und dem Anfangswert der Laufzeit auf der Meßstrecke und c die Differenz zwischen d und f bedeuten. Zur Bestimmung des Verhältnisses zweier Lageverschiebungen zweier Objekte oder von verschiedenen Teilen eines Objektes werden mindestens zwei Meßstrecken vorgesehen und die Lageverschiebungen auf den einzelnen Meßstrecken werden in laufender Folge gemessen. Zur Ermittlung der Laufzeiten wird vorzugsweise der Nulldurchgang nach dem höchsten Bxtremum des Echosignals herangezogen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sende/Empfangseinheit für Schallsignale und einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung, Laufzeitbestimmung und Mittelwertsbildung enthält die Sende/Empfangseinheit mindestens für eine Meßstrecke einen Schallreflektor, dessen festgelegter Abstand vom Sender die Referenzstrecke definiert. Ferner sind in der Auswerteeinheit für jede Meßstrecke und für jede Refernzstrecke die Laufzeiten mehrfach aufsummierbar, die Summationsergebnisse, insbesondere von Anfangswerten der Laufzeiten speicherbar und die Differenzen zwischen Anfangswerten- und Momentanwerten der Laufzeiten sowohl auf der Meßstrecke als auch auf der Referenzstrecke bildbar. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise die Taktfrequenz für die Zäher so eingestellt, daß der Zahlenwert des aufsummierten Mittelwerts die Entfernung bzw. Verschiebung in Millimtern oder in Zehnerpotenzen von Millimetern darstellt. Vorzugsweise ist in jeder Meßstrecke ein Echodiskriminator vorgesehen, der auf den Nulldurchgang nach dem höchsten Extremum des entsprechenden Echosignals anspricht. Vorzugsweise zeigt die optische Anzeige die Anfangsentfernung mit drei signifikanten Dezimalstellen und die Verschiebung mit zwei nachfolgenden genaueren Dezimalstellen an.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Bestimmung des Eintreffzeitpunktes ein markanter Teil des Echosignals in einem Diskriminator identifiziert. Zur Eliminierung von Laufzeitschwankungen werden mit jedem Puls gleichzeitig Referenzmessungen und Objektmessungen durchgeführt sowie durch Summation zeitliche Mittelwerte über mehrere entsprechende Messungen gebildet. Zur Erleichterung der Ablesung und Interpretation werden die Meßwerte und ihre Differenzen angezeigt oder verrechnct, so daß einfache Kennwerten wie z.B. die mittlere Verschiebung pro Meßzyklus oder die Freisetzungsziffer angezeigt werden.
Die Erfindung wird anhand beiliegenders lediglich eine Ausführungsform darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Vereinfachung Figur 1 die Verschaltung der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Wie aus Figur 1 hervorgeht, wird der Ablauf der Messung und die Anzeige von einer Kontrolleinheit 1 gesteuert, in der der Zeittakt die Ansteuerungssignale für die Aktivierung der Sender 2 und der Empfänger 3 und Zeitmarken erzeugt werden. Im Pulsformer 4 wird ein Sendesignal mit passenden Eigenschaften für günstige Abstrahlung hergestellt, das über einen blultiplexschalter 5 auf den jeweiligen Verstärker mit Ultraschallwandler 2 geleitet wird.
Nach Verstärkung im Empfangsteil 3 wird der Eintreffzeitpunkt eines markanten Echoteils in einem Diskriminator 6 festgestellt, der durch Adressenwahl und Zeitfenster für die Verarbeitung der Signale aus einem vorwählbaren Erwartungsbereich aktiviert wird. Entsprechend der Pulsaussendezeit, dem Referenzzeitpunkt und dem tintreffzeitpunkt des Objektechos wird vom Diskriminator 6 eine der Laufzeit des entsprechenden Schallsignals zugeordnete Offnungsdauer des Zählertors im Zähler 7 für die Objektlaufzeit zum Ziel und im Zähler 8 für die Referenzstrecke hergestellt. Dieser Vorgang wiederholt sich entsprechend der vorgewählten Mittelungszahl von n n-mal. Nach jedem solchen Zyklus wird das Summationsergebnis im Speicher 9 für die Meßstrecke und im Speicher 10 für die Referenzstrecke gespeichert.
Danach übernimmt der Speicher 11 bzw. 12 den Wert vom Speicher 9 bzw. 10. Der korrekte Zeitablauf für die Datenübergabe wird durch die Verzögerungseinheiten 13 und 14 sichergestellt.
Die Substraktionsstufen 15 und lt) bilden die Differenz zwischen den beiden zugehörigen Speicherinhalten und somit zwischen aufeinanderfolgenden Mittelungszyklen. Die Arithmetikeinheit 17 ist so gestaltet, daß sie die Speicherinhalte der Zähler 7 und 8 und der Substraktionsstufen 15 und 16 verrechnen kann. Die Zahlenwerte in den Speichern 9 und 11 bzw. 10 und 12 werden je nach Bedarf in der Displayeinheit 18 dargestellt. Andere fiatenausgänge können an die Arithmetikeinheit 17 gekoppelt werden.
Die oben erläuterte Ausführungsform ermöglicht die Darstellung und die Verrechnung jeweils aufeinanderfolgender Mittelungsergebnisse. In ähnlicher Weise können auch Anfangswerte und Momentanwerte der Laufzeiten miteinander verrechnet und dargestellt werden. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform liefert diese Möglichkeit das Integral der Verschiebungen.
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Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Entfernungen und Lageverschiebungen von Objekten nach dem Impuls-Echo-Prinzip durch Mittelwertbildung über mehrere Laufzeitbestimzungen von Schallimpulsens dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung und Kompensation von Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls entlang der Meßstrecke im Schallstrahlengang eine Referenzstrecke festgelegt wird und bei jedem Impuls die Laufzeit sowohl auf der Referenzstrekke als auch auf der Meßstrecke erfaßt wird, und daß mehrere Impulse in fortlaufender Folge ausgesandt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageverschiebung nach der Formel ef c) f d berechnet wird, wobei e die Länge der Referenzstrecke, f den Anfangswert der Laufzeit auf der Referenistrecke, a und d die Momentanwerte der Laufzeit auf der Meßstrecke und der Referenzstrecke, b die Differenz zwischen a und dem Anfangswert der Laufzeit auf der Meßstrecke und c die Differenz zwischen.d und £ bedeuten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Verhältnisses zweier Lageverschiebungen zweier Objekte oder von verschiedenen Teilen eines Objektes mindestens zwei Meßstrecken vorgesehen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageverschiebungen auf den einzelnen Meßstrecken in umlaufender Folge gemessen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Laufzeiten der Nulldurchgang nach dem höchsten Extremum des Echosignals herangezogen wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, mit einer Sende/Empfangseinheit für Schallsignale und einer Auswerteeinheit zur Signalverarbeitung, Laufzeitbestimmung und Mittelwertbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangseinheit (2,3) mindestens für eine Meßstrecke einen Schallreflektor enthält, dessen festgelegter Abstand vom Sender (2) die Referenzstrecke definiert und daß in der Auswerteeinheit für jede Meßstrecke und für jede Referenzstrecke die Laufzeiten mehrfach aufsummierbar (7,8), die Summationsergebnisse, insbesondere von Anfangswerten der Laufzeiten speicherbar (9,10,11,12) und die Differenzen zwischen Anfangswerten und Momentanwerten der Laufzeiten sowohl auf der Meßstrecke als auch auf der Referenzstrecke bildbar (15,1t) sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz für die Zähler (7,8) so eingestellt ist, daß der Zahlenwert des aufsummierten Mittelwerts die Entfernung bzw. die Verschiebung in Millimetern oder in Zehnezpotenzen von Millimetern darstellt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Meßstrecke ein Echodiskriminator (6) vorgesehen ist, der auf den Nulldurchgang nach dem höchsten Extremum des entsprechenden Echosignals anspricht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anzeige (18) die Anfangsentfernung mit drei signifikanten Dezimalstellen und die Verschiebung mit zwei nachfolgenden genaueren Dezimalstellen anzeigt.