DE3412089A1

DE3412089A1 - Verfahren zur messtechnischen ermittlung des abstandes zwischen zwei beliebigen gegenstaenden und sender und empfaenger zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3412089A1
Application number: DE19843412089
Authority: DE
Inventors: Lutz Ing.(grad.) 2000 Wedel Breitkreuz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1985-10-10
Also published as: GB2156986B; FR2562264A1; GB8508313D0; IT1183520B; FR2562264B1; GB2156986A; IT8520144A0

Description

Licentia P?tent-Verwaltungs-GmbH PTL-HIl/Sl/bl

Theodor-Stern-Kai 1 HH 84/05

D-6000 Frankfurt 70

"Verfahren 7ur meßtechnischen Ermittlung des Abstandes zwischen zwei beliebigen Gegenständen und Sender und Empfänger zur Durchführung des Verfahrens"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 .

Für Abstandsmessungen nach dem Impuls-Echo-Verfahren ist ein Luftultraschallwandler mit höherer Leistung bekannt geworden, mit dem eine große Anzahl von Betriebsfällen realisiert werden kann (Valvo, Technische Informationen für die Industrie, 771109). Einige Anwendungsbeispiele sind:

a. Die Füllstandsmessung in Silos oder Flüssigkeitsbehältern, b. die Abstandsmessung zwischen den ungekoppelten Kabinen einer Kabinenbahn, um Sicherheitsabstände einhalten bzw. einstellen zu können,

c. die Abstandsmessung als Rangierhilfe für LKW's und Eisenbahnen,

d. die Sicherung von Geräten oder Maschinen durch UltraschalIschranken oder Echolotanordnungen.

Im allgemeinen wird ein System mit zwei Wandlern, einem Sender und Empfänger, verwendet. Das vom Sender, dessen Frequenzgenerator mit dem

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Trimmwiderstand auf 21,5 kHz eingestellt wird, ausgesandte Signal wird entweder vom Empfänger direkt und nach Reflektion an einem beliebigen Gegenstand empfangen. Aus der Laufzeit des Signals kann unschwer auf den Abstand zwischen Sender und Empfänger bzw. zwischen Sender und Gegenstand bzw. Gegenstand und Empfänger geschlossen werden, wobei für den Reflektionsfall Sender und Empfänger zweckmäßigerweise direkt nebeneinander anzuordnen sind. Andernfalls mußten zwischen Sender und Empfänger bestehende Abstände besonders berücksichtigt werden. Nachteiligorweise arbeitet das bekannte System mit einer amplitudenabhängigen Signalverarbeitung. Da die Amplitude mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, entstehen über die erforderlichen amplitudenabhängigen Triggereinrichtungen verhältnismäßig große Meßfehler.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das eine.wesentliche Verbesserung der Meßgenauigkeit auf 0,1 inm als Abstandsmessung zwischen zwei beliebigen Gegenständen mit sich bringt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden V<»rfahrensschritte gemäß Anspruch L gelöst.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Eine Senderanlage und eine Empfängeranlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteranspriichen 8 bzw. !2 beansprucht .

Erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Senderanlage bzw. solche der Empfängeranlage sind in den Unteranspriichen 9 bis f und '3 bis '5 beschrieben .

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch Kodierung und Dekodierung des Sendesignals eine erhebliche Verringerung der Störanfälligkeit

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erreicht wird. Dadurch, daß die mechanischen Systeme, nämlich der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger, sich in einen eingeschwungenen Zustand befinden, werden das Ein- und das Ausschwingverhalten dieser Systeme gering, so daß dieses Verhalten vorteilhafterweise zu vernachlässrigbar kleinen Meßfehlern führt.

In der Zeichnung iM: ein Ausfiihrungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfp-hrens dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. ί eine erfindungs^emäße Scndoranlage,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Empfängeranlage, Fig. 5a und 3b zwei graphische Darstellungen eines Sendesignals bzw.

eines Sendesignal-Bitmusters, und Fig. 4a. 4b und 4c drei graphische Darstellungen von Empfängersignalen.

Die aus Figur 1 ersichtliche Senderanlage 1 weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines Mutterfrequenzsignales von 30 MHz auf, der zwei zweistufige Teilereinrichtungen 3a und 3b bzw. 4a und 4b nachgeordnet sind. Die Teilereinrichtung 3a, ob, deren Ausgang ebenso wie derjenige der Teilereinrichtung 4a, 4b acht-Bit-breit ausgeführt ist, erzeugt ein Fre- ^uenzsignal von 29,296875 kHz. Dieses Frequenzsignal, das an einem von drei Eingängen eines Umschalters 5 ansteht, dient in Form einer Sinusschwingung dazu, den Ultraschallsender 9 während der Sendepausen in einem eingeschwungenen Zustand zu halten. Die zweite Teilereinrichtung 4a, 4b stellt aus dem Mutterfrequenzsignal ein Frequenzsignal von 39,0625 kHz bereit, das als Sinus die Sendefrequenz für das Sendesignal darstellt und sowohl dem zweiten Eingang des Umschalters 5 als auch einem Eingang einer Einrichtung 6 zur Erzeugung eines seriellen Bitmusters zugeführt wird. Die Einrichtung 6 erzeugt ein Startsignal für einen Laufzeitzähler mit integriertem Optokoppler 17 (vgl. Figur 2) und ein serielles Bitmuster, das im vorliegenden Fall aus einem Startbit (ST-B) sowie einem Vier-Bit-Vort besteht, wobei das serielle Bitmuster am dritten Eingang des Umschalters 5 anliegt. Zur Einstellung des vorgegebenen Bitmusters weist die Einrichtung 6 vier Steuereingänge 6a bis 6d auf.

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Dem acht-Bit-brciten Ausgang des Umschalters 5 sind ein programmierbarer Speicher 7, ein Digital/Analog-Wandler 8, ein Verstärker !0 und ein Ultraschallsender 9 nachgeordnet, wobei der Ausgang des programmierbaren Speichers 7 ebenfalls acht-Bit-breit ist. Durch den Umschalter 5 werden in den Sendepausen das erste Frequenzsignal und in den Sendezeiten das mit dem seriellen Bitmuster modulierte zweite Frequenzsignal in Acht-Bit -Breite an den programmierbaren Speicher 7 gelegt, der in 25G Schritten als Sinus programmiert ist. Durch Taktansteuerung wird der Speicher 7 in Acht-Bit-Breite auf den Digital/Analog-V/andler 8 geschaltet, der für die Sendepausen und Sendezeiten das jeweilige Sinussignal über den Verstärker iO dem Eingang des Ultraschallsenders 9 zuführt.

Das von dem Ultraschallsender 9 an den Ultraschallempfänger 12 der Empfängeranlage gemäß Figur 2 abgegebene codierte serielle Scndesignal

Ü3 (vgl. Figur 3a) wird dadurch erzeugt, daß an den Eingang des Ultraschallsenders 9 zu verschiedenen Zeiten zwei verschiedene analoge Frequenz-Signale, vorzugsweise als Sinusschwingungen,'angelegt werden. Der Umschalter 5 schaltet derart um, daß das analoge Frcucnzsignal· zur Aufrechterhaltung des eingeschwungenen Zustandes während der Sendepausenzeit und das die codierte Information (Bitmuster - vgl. Figur 3b) aufweisende analoge Frequenzsignal zur Sendezeit an dem Eingang des Ultraschallsenders 9 anstehen. Hierbei werden die analogen Frequenzsignale mittels des programmierbaren Speichers 7 und des Digital/Analogwandlers aus den beiden oben beschriebenen Frequenzsignalen und dem seriellen Bitmuster hergestellt. Zur Umschaltung werden vorzugsweise die Flanken der aus dem Mütterfrenuenzsignal von 30 MHz erzeugten Frequenzsignale von 29,296875 kHz und 39,0625 kHz während eines Nulldurchganges herangezogen.

Dem Ultraschallempfänger 12 der in Figur 2 dargestellten Empfängeranlage 11 ist ein Verstärker 19, ein Nulldurchgangsdetektor 13, eine Einrichtung 14 zum NuIlvergleich und eine Einrichtung 15 zur Signaldekodierung nachgeordnet. Die Ausgänge der Einrichtung 15 sind mit den Isteingängen einer Vergleichseirheit 16 elektrisch leitend verbunden, über deren Solleingänge 16a bis iod das Sollwert-Bitmuster zugeführt wird. Über die

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Solleingänge 16a bis 16<1 kann eine Einstellung des SolI-Bitmusters erfolgen.

Das von dem Vltrpschallempfänger ¹2 empfangene codierte serielle Sende-0" signal des Ultraschallsenders 9 wird nach seiner Verstärkung im Verstärker 19 von dem Nulldurchgangsdetektor ¹3 in seine Nullpunktdnrchgänge aufgelöst (siehe Figur 4a). Durch Vergleich mit den Sollfrenuenzen wird durch die Einrichtung ¹4 zum N'ulldurchgangsvergleich ein Signal entsprechend dem codierten seriellen Sendesignal bereitgestellt (vgl. Figur ^b). Nach seiner Dekodierung in der Einrichtung J5 wird das dekodierte Signal (vgl. 4c) der Vergleichseinheit 16 zugeführt, die dann, wenn die Soll- und die Istwerte übereinstimmen, ein Stoppsignal an den Stoppeingpng eines Laufzeitzählers mit integriertem Optokoppler ¹7 abgibt. -Die Ausgänge des LaufZeitzählers "7 sind an einen Rechner zur Auswertung der eingezählten und ein Maß für den Abstand zwischen Ultraschallsender 9 und Ultraschallempfänger 12 darstellenden Impulse angeschlossen. Von diesem Rechner können auch die Rechnungsoperationen durchgeführt werden, die für die in der Beschreibungseinleitung erwähnten Anwendunü;.=fällc erforderlich sind.

Claims

Licentia Patont-Verwaltimgs-GmbH PTL-HH/Sl/bl Theodor-Stern-Ifei 1 HH 84/05 D-6000 Frankfurt 70 Patentansprüche

1. Verfahren zur meßtechnischen Ermittlung des Abstandes zwischen 7vei beliebigen Gegenständen, insbesondere zur Ermittlung von Füllständen, von Schallgeschwindigkeiten in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien und der Luftfeuchte über Schallgeschwindigkeit, Temperatur und Druck, unter Verwendung von von einem Sender ausgesandten Ultraschall-Signalen mit vorgegebenen Sendefrequenzen (Sendesignale), die von einem Empfänger empfangen und deren Laufzeit zwischen Sender und Empfänger ermittelt und zur Abstandsberechnung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines für die Sende- und die Pausenzeit verschiedene Frequenzen aufweisenden codierten seriellen Sendesignales an den Eingang des Ultraschall-Senders (9) zu verschiedenen Zeiten zwei verschiedene analoge Frequenzsignale angelegt werden, daß die analogen Frer.uenzsignale zu genau definierten Zeitpunkten umgeschaltet werden, daß das eine von dem Ultraschall-Empfänger ( 12) erkennbare und auswertbare codierte Informationen aufweisende analoge Frequenzsignal zur Sendezeit dem Ultraschall-Sender (9) zugeführt wird, und daß durch das andere analoge Freiuenzsignal der Ultraschall-Sender (9) und der Ultraschall-

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Empfänger O2) während der Sende-Pausenzeit in einem eingeschwungenen Zustand gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge, codierte Informationen aufweisende Frequenzsignal durch Modulation eines Frequenzsignalcs (39,0625 kHz) und eines seriellen Bitmusters, die aus einem Mutterfrequenzsignal (30 MHz) (2) hergestellt werden, und mittels programmierbarer Speicher (7) und Digital/Analogwandler (8) erzeugt wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Frequenzsignal (29,296875 kHz) fur den eingeschwungenen Zustand von Ultraschall-Sender (9) und Ultraschall-Einpfänger (¹2) aus dem Mutterfrequenzsignal (30 MHz) und mittels programmierbarer Speicher (7) und Digital/Analogwandler (8) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als analoge-Frequenzsignale Sinusschwingungen verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der analogen Frequenzsignale aus dem Mutterfrequenzsignal (30 MHz) durch Teilung zwei Frequenzsignale mit verschiedenen Frequenzen (29,296875 kHz bzw. 39,0625 kHz) gewonnen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung der analogen Frequenzsignale die Flanken der aus dem Mutterfrequenzsignal (30 MHz) erzeugten Frequenzsignale (29,296875 kHz bzw. 39,0625 kHz) während eines Nulldurchganges herangezogen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das serielle Bitmuster aus einem Startbit und einem Vier-Iiit-Wort zusammengesetzt ist.

8. Senderanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer Einrichtung (2) zur Erzeugung

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eines Mutterfrequenzsignales zwei Teilereinriehtungen (öa und ~b bzw. 4a und 4b) zur Erzeugung von zwei Frequenzsignalen mit unterschiedlichen Frequenzen (29,2<>0Β75 kHz bzw. 39,OG25 kHz) nachgeschaltet sind, deren Ausgänge mit jeweils einem Eingang eines Umschalters (5) elektrisch leitend verbunden sind, daß der Ausgang der zweiten Teilereinrichtung (4a und 4b) an den Eingang einer Einrichtung mit zwei Ausgängen (6) zur Erzeugung eines seriellen Bitmusters angeschlossen ist, deren erster Ausgang mit einen dritten Eingang des Umschalters (5) und deren zweiter Ausgang mit dem Starteingang eines Laufzeitzählers mit integriertem Optokoppler (17) des Empfängers (11) in elektrisch leitender Verbindung steht, und daß dem Umschalter (5) ein programmierbarer Speicher (7), ein Digital/Analog-Wandler (8) und Ultraschallsender (9) nachgeordnet sind.

9. Senderanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Verstärker (10) zwischen dem Digital/Analog-Wandler (8) und dem Ultraschallsender (9).

10. Senderanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Teilereinrichtungen (3a, 3b bzw. 4a, 4b), des Umschalters (5) und des programmierbaren Speichers (7) acht-Bit-breit ausgeführt sind.

11. Senderanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Erzeugung eines seriellen Bitmusters Steuereingänge (6a bis 6d) zur Einstellung eines vorgegebenen Bitmusters ausweist.

12. Empfängeranlage zur Durchführung des Verfahrens, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einem Ultraschallempfänger (12) ein Nulldurchgangsdetektor (13), eine Einrichtung zum Nulldurchgangsvergleich (14) und eine Einrichtung (15) zur Signaldekodierung nachgeordnet sind, daß die Ausgänge der Einrichtung (J5) zur Signaldekodierung mit den Isteingängen einer Vergleichseinheit (I6) elektrisch leitend verbunden sind, deren Solleingängen (16a bis 16d) das Sollwert-

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Bitmuster zuführbar ist, und daß der Ausgang der Vergleichseinheit (16) ein Stoppsignal an den Stoppeingang eines Laufzeitzählers mit integriertem Optokoppler (17) abgibt.

13. Empfängeranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge des LaufZeitzählers mit integriertem Optokoppler (17) ein Rechner (18) zur Auswertung der eingezahlten, ein Maß für den Abstand zwischen Ultraschall-Sender (9) und Ultraschall-Empfänger (12) darstellenden Impulse angeschlossen ist.

14. Bmpfangeranlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Verstärker (19) zwischen Ultraschallempfanger (12) und NuIldurchgangsdetektor (lo).