DE3442686C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer handlichen und tragbaren Vorrichtung zur Bestimmung von Entfernungen nach dem Ultraschallimpulslaufzeitmeßprinzip, bestehend aus einem Haupt- und einem von diesem räumlich getrennten Trans­ pondergerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Bestimmung des Abstandes zweier Punkte voneinander mittels der Messung der Laufzeit eines Signales zwischen diesen Punkten bei bekannter Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit des Signales im Transportmedium werden üblicherweise Signale wellenförmiger Natur eingesetzt, wobei es grundsätzlich unerheblich ist, ob es sich um elektromagnetische Wellen (Licht, Radiowellen) oder um mecha­ nische Wellen (akkustische Wellen wie Ultraschall usw.) handelt. Dabei ist es Stand der Technik, die Laufzeit zu messen, die zwischen Aussenden und Empfang des Signales liegt, wobei der Reflex (Echo) des Signales von einem Ziel empfangen wird.

Ebenso ist der Transponderbetrieb bekannt, bei dem ein Objekt (Kleinflugzeuge, kleine Schiffe) einen "Transponder" mit sich führt, der aktiv dann ein Signal aussendet, wenn er ein bestimmtes Signal empfängt. Dadurch wird erreicht, daß z.B. der Radarempfänger einer Radaranlage auch bei sehr kleinen Objekten ein auswertbares, deutliches Signal angeboten bekommt.

Durch die DE-OS 26 20 437 ist ein Gerät zur Distanzmessung mittels eines Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfängers bekanntgeworden, bei der das Gerät in zwei voneinander getrennte, unabhängige Gehäuse untergebracht ist, deren erstes den Ultraschallempfänger, eine Meßuhr mit Auswertungs­ elementen und ein Anzeigenfeld und deren zweites den Ultraschallsender aufweist, während beide Aggregate so verkoppelt sind, daß ein Startimpuls im Hauptgerät sowohl den Start der Meßuhr im Hauptgerät, als auch den Start des Ultraschallsenders im Transpondergerät bewirkt. Die Gleichzeitigkeit wird dadurch erreicht, daß entweder beide Aggregate durch ein Kabel oder durch eine Licht­ kopplung oder durch eine Funkkopplung verkoppelt sind. Die Aggregate können auch so ausgebildet sein, daß sie sowohl Messungen der vorbeschriebenen Art wie auch solche mit reflektierenden Signalen ermöglichen, wenn z.B. das Gerät mit zusätzlichem Licht- oder Funksender und -empfänger ausgerüstet und ent­ sprechend geschaltet wird. Eine echte Echomethode ist jedoch mit einem derar­ tigen Gerät nicht zu verwirklichen. Eine Berücksichtigung unterschiedlicher Gege­ benheiten beim Transponder- und beim Echobetrieb ist ebenfalls nicht möglich.

Durch die US-PS 30 76 519 ist ein Transpondergerät zur Entfernungsmessung nach der Laufzeitmessung von Schallsignalen bekanntgeworden, bei der das Hauptgerät mittels eines Ultraschallsignals im Transponder die Aussendung eines Ultraschallsignals veranlaßt, deren Ultraschall-Frequenzen verschieden sind. Weder findet die Berücksichtigung der Eigenlängen der beiden Geräte statt, noch sind dieselben zum Echobetrieb geeignet.

Durch die US-PS 40 26 654 ist ein weiteres Transpondergerät zur Distanz­ messung mittels Ultraschallsignalen bekanntgeworden, welches prinzipiell ähnlich dem Gerät der US-PS 30 76 519 arbeitet. Auch dieses Gerät besteht aus einem Haupt- und einem Transpondergerät, deren Sender auf verschiedenen Frequenzen arbeiten. Dieses Gerät dient insbesondere zur Messung des Abstandes und der Geschwindigkeit von zwei sich bewegenden Fahrzeugen und arbeitet zur genauen Distanzbestimmung mit elektromagnetischen Wellen.

Durch die DE-AS 25 15 087 ist eine zur berührungslosen Bestimmung kurzer Abstände im Meßbereich eines Maßbandes dienende, tragbare Vorrichtung bekannt geworden mit einer Meßeinrichtung, die im Ultra- oder Hyperschallbe­ reich arbeitet und einen ein Meßsignal aussenden Schallsender und einen das Meßsignal empfangenden Schallempfänger aufweist. Bei dieser Vorrichtung kann die zwischen dem Sender und dem Empfänger bestehende Eigenlänge des Gerätes für die Auswertung der Laufzeit des Meßsignals kompensiert werden, wobei die Laufzeitmeßeinrichtung Verzögerungsglieder umfassen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dergestalt zu verbessern, daß bei Entfernungsmessungen kürzeren Abstandes eine hohe Genauigkeit erzielt wird und eine fehlerfreie Messung der lichten Abstände von nicht zugänglichen Wänden, insbesondere Höhen, möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß mit dieser Entfernungen, insbesondere Entfernungen kürzerer Distanzen zwischen Wänden, sehr genau ermittelt werden können, weil die Eigenlängen der Geräte, nämlich sowohl die Eigenlänge des Transpondergerätes, als auch die Eigenlänge des Hauptgerätes, berücksichtigt werden können. Insbesondere können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die lichten Abstände zwischen Wänden mit geringstmöglichem Fehler gemessen werden. Die Vorrichtung kann vorteilhaft sowohl im Transponderbetrieb als auch im Echobetrieb arbeiten, wobei beim Umschalten von einer Betriebsart zur anderen die sich ändernden Eigenlängen der Vorrichtung in vorteilhafter Weise berücksichtigt werden können. Somit können zusätzlich im Echobetrieb Höhen oder die Abstände von zwei Wänden gemessen werden, deren zweite Wand nicht zugänglich ist.

In vorteilhafter Weise ist die Frequenzverkämmung zwischen Sende- und Empfangsfrequenz erfindungsgemäß umschaltbar, damit beim Transponder­ betrieb natürliche Echos nicht ausgewertet werden können.

In vorteilhafter Weise werden die Temperaturabhängigkeit der Schallge­ schwindigkeit in der Luft, als auch die Tatsache berücksichtigt, daß die Amplitude des Empfangssignales in einem nicht linearen Zusammenhang zur Distanz steht. Ebenso berücksichtigt die Vorrichtung, daß die Laufzeit der elektrischen Signale innerhalb des Transponders sich von der Laufzeit des Schallsignales über die Gerätelänge des Transpondergerätes unterscheiden.

Das Signal, das nach Empfang im Transponder den Sendeimpuls auslöst, wird um die Zeitspanne verzögert, die das Signal benötigen würde, wenn es den zusätzlichen Weg über die Gerätelänge zum dahinterliegenden Ziel zurücklegen würde.

Alternativ zur Verzögerung des Signales um den der Gerätelänge entsprechen­ den Zeitbetrag kann auch im Hauptgerät die Verzögerungszeit, die die Länge des Hauptgerätes kompensiert, umschaltbar um den Betrag verlängert werden, der der Länge des Transpondergerätes entspricht.

Des weiteren muß die Verstärkungsleistung des Empfängers berücksichtigt werden in einem Maße, welches es gestattet, die natürliche Dämpfung des Signals über die Laufzeit zu kompensieren. Das wird durch eine entsprechend zeitabhängige Regelspannung erreicht, die auf dem Empfänger des Hauptgerätes in einer zeitabhängigen Form einwirkt. Da es sich um eine nicht lineare Funktion handelt, kann die Regelspannung synthetisch in einen Generator erzeugt werden, in dessen Verlauf die Regelungskurve über die Zeit eingeprägt ist.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltdiagramm des Hauptgerätes, bestehend aus einem Schallwandler, an den sich ein Empfänger, eine Verzögerungs­ einrichtung, eine Logik- und Zeitbasis und eine Anzeige wie auch ein Sender anschließen, dessen Senderfrequenzen für den Echo-Betrieb und den Transponder-Betrieb umschaltbar sind,

Fig. 2 ein Blockschaltdiagramm des Transpondergerätes, bestehend aus einem Schallwandler, einem daran angeschlossenen Empfänger und einer Verzögerungseinrichtung, wie einem Sender, wobei Sender und Empfänger auf das Hauptgerät abgestimmt sind und

Fig. 3 eine Schaltung zur Erzeugung, nach der der Verstärkungszuwachs der natürlichen Dämpfung entgegenwirkt.

Gemäß dem in den Figuren gezeigten Beispiel wird im Hauptgerät der Empfangsimpuls um die Zeit verzögert, die der Laufzeit der doppelten Länge bei einer definierten Temperatur entspricht zum Zwecke der Berücksichtigung der Gerätelänge des Hauptgerätes. Das Transpondergerät enthält insofern die gleiche Einrichtung mit dem Ziel, daß bei Echo- oder Transpondermessungen keine Laufzeitunterschiede auftreten. Im Hauptgerät kann auch eine Umschaltung der Laufzeitaddition erfolgen, wobei die Umschaltpositionen jeweils der Verzögerung der Echo- oder der Transpondermethode entsprechen.

Die Leistung des Empfängerverstärkers vom Beginn der Messung an kann durch eine Regelspannung so gesteuert werden, daß der Verstärkungszuwachs der natürlichen Dämpfung entgegenwirkt; eine derartige Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt. In dieser Schaltung ergibt sich die Regelspannung im Eingangstransistor des Empfängerverstärkers in besonders einfacher und wirkungsvoller Weise, die eine besonders vorteilhafte preiswerte und einfache Darstellung der Kurvenform ermöglicht.

Mit Beginn der Messung wird die Anode freigegeben. Da der Feldeffekttransistor völlig außerhalb des Arbeitsbereiches ist, fließt durch den Feldeffekttransistor ein erheblicher Gleichstrom, und die Wechselspannungsverstärkung ist äußerst niedrig.

Mit zunehmender Ladung des Kondensators C 1 wird der Gleichstromwiderstand des Feldeffekttransistors höher. Nach einer dimensionsabhängigen Zeit erreicht der Transistor einen stabilen Arbeitspunkt bei maximaler Verstärkung.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Beschaltung liegt darin, daß die normale R/C-Ladekurve, die normalerweise einer e-Funktion entspricht, hier in einer den physikalischen Gegebenheiten sehr entgegenkommender Weise in eine quasi negativ quadratische Funktion verschoben wird.

Claims (7)

1. Handliche und tragbare Vorrichtung zur Bestimmung von Entfernungen nach dem Ultraschallimpulslaufzeitmeßprinzip, bestehend aus einem Haupt- und einem von diesem räumlich getrennten Transpondergerät, die beide sowohl Ultraschall-Sende- als auch -Empfangseinrichtungen aufweisen und das Haupt­ gerät zusätzlich eine Anzeigeeinrichtung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auf zwei unterschiedliche Betriebsarten umschaltbar ist, nämlich "Echobetrieb" und "Transponderbetrieb", und den beiden Betriebsarten verschiedene Frequenzen zugeordnet sind, wobei die Sende- oder die Empfangs­ frequenz entsprechend der jeweiligen Betriebsart derart umschaltbar sind, daß beim Transponderbetrieb Signalechos nicht ausgewertet werden und zur Vermeidung von Laufzeitunterschieden bei der Echo- oder der Transponderbetriebsart eine umschaltbare Verzögerungseinrichtung vorgesehen ist, die den Sendeimpuls um die Zeit verzögert, die der Laufzeit der doppelten Gerätelänge bei einer definierten Temperatur entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung innerhalb des Hauptgerätes angeordnet ist, wobei die Verzögerungseinrichtung eine umschaltbare Laufzeitaddition ist und der addierte Wert jeweils der Verzögerung des Echo- oder des Transponderbetriebs entsprechen.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Empfängerverstärkers vom Beginn der Messung an durch eine Regelspannung so gesteuert wird, daß der Verstärkungszuwachs der natür­ lichen Dämpfung entgegenwirkt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung zeitabhängig gesteuert ist, die auf dem Empfänger des Hauptgerätes in einer zeitabhängigen Form einwirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung synthetisch in einem Generator erzeugt wird, in dessen Verlauf die Regelungskurve über die Zeit eingeprägt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Regelspannung das Anwachsen derselben über einem Kondensator (C 1) benützt wird, der über einen ohmschen Widerstand (R 2) und den Innenwiderstand (Ri) eines Feldeffekttransistors geladen wird und die Regel­ spannung erst nach einer dimensionsabhängigen Zeit im optimalen Arbeitspunkt eines nachgeschalteten Transistors des Empfängerverstärkers anlangt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptgerät zwei umschaltbare Sendefrequenzen (f 1, f 2), jedoch nur eine Empfangsfrequenz für eine der beiden Sendefrequenzen aufweist und das Transpondergerät als Empfangsfrequenz diejenige der beiden Sendefrequenzen des Hauptgerätes aufweist, die ungleich der Empfangsfrequenz des Hauptgerätes ist, wobei die Sendefrequenz des Transpondergerätes gleich der Empfangs­ frequenz des Hauptgerätes ist.