DE3511563A1

DE3511563A1 - Apparat und vorrichtung zum zwecke der distanzvermessung mit ultraschall mit kompensation der temperaturbedingten fehler der signalamplitude

Info

Publication number: DE3511563A1
Application number: DE19853511563
Authority: DE
Inventors: Michael 5850 Menden Kalle; Udo 5885 Schalksmühle Kloss; Hanns 4750 Unna-Massen Rump
Original assignee: Individual
Current assignee: Etr Elektronik und Technologie Rump 4600 GmbH
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1986-10-02

Description

Es ist bekannt, daß bei ULTRASCHALL-Impuls-Echo- q C 1 1 C C Meßverfahren ein kurzer Schallimpuls ausgesendet ° ^ ' ' 3 O wird, ein Medium durcheilt ( z.B. Luft ), und nach Reflexion den Empfänger nach einer schallgeschwindigkeitsabhängigen Laufzeit erreicht. Im Empfänger wird das Signal verstärkt, digitalisiert und einer Meßschaltung zugeführt.

Weiter ist bekannt, daß das Signal - den bekannten Ausbreitunqsgesetzen folgend, sich auf dem Weg abschwächt. Näherungsweise erfolgt diese Abschwächung nach einer nichtlinearen Funktion, die etwa dem Quadrat der Entfernung entspricht.

In der Literatur sind Verfahren beschrieben worden, diese natürliche Dämpfung zu kompensieren, indem der Verlauf der EmpfänqerverStärkung zeitabhängig nach einer reziproken Funktion so gesteuert wird, daß diese der Dämpfung entgegenwirkt.

Will man das Ultraschallmeßverfahren für präzise Messungen einsetzen, sind allerdings weitere Effekte zu beachten. Denn unter allen - insbesondere Temperaturbedinqunqen muß sichergestellt sein, daß das Echosiqnal am Empfänqerausgang die gleiche Amplitude hat, damit keine Hysteresefehler auftreten.

Die Temperatur der Luft wirkt einmal auf die Schal!geschwindigkeit nach dem bekannten Ausdruck

In erster Näherung ändert sich die Schallgeschwindigkeit um 1% bei einer Temp.änderung von 6 C.

Weiter wirkt die Temperatur auf die Absorbtion des

Schalles in der Luft. Bei einer Temperatur von 50 C

ist die Dämpfung etwa um den Faktor 1,6 größer als bei einer Temperatur von -20⁰C.

Bei der bekannten Kompensation der wegabhängiqen, quasiquadratischen Dämpfung kommt es zu einem Problem, weil bei qeqebenem, nur zeitlich gesteuertem Verstärkungsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur sich der Zeitpunkt des eintreffenden Echos verschiebt. Ist z.B. der Verstärker bei einer Temp, von +50 C ideal eingestellt, wandert das Echo auf der Zeitachse um 10% nach hinten, wenn die Lufttemperatur sich um -60 C verändert.

Daraus folgt, daß das Signal eine erheblich größere Verstärkung erfährt, weil die Verstärkung zeitgesteuert ist.

Da gleichzeitig die Dämpfung des Signals aufgrund der bei Kälte verbesserten Schallleitfähigkeit ohnehin geringer ist, steht am Ausgang des Empfängers eine erheblich höhere Signalamplitude als bei der Ausgangstemperatur.

bad o

-3-

naohqereicht]

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß die temp, bedingte Absobation des Schalles in der Luft kompensiert wird.

Weiter wird ein Lösungsweg für den Fall vorgeschlagen, daß die Grundvertärkung zeitabhängig gesteuert wird, was bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Positionen auf der Zeitachse mit unterschiedlicher Verstärkung zur Folqe hat.

Nachfolgend die mathematischen Zusammenhänge zur Kompensation der entfernunqsabhänqiqen Amplitudenabschwächunq

. _\fir~ ρ A = Faktor f. Verstärkung

-^ S= Strecke in m

^{c =} ys—~

» max
max = größte zu regelde Strecke

Da in der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Weg aus der Zeit bestimmt wird, wird obriqe Gleichung wiefolgt, verändert;

= 331,

c ν_ς = Schallgeschw, bei

V - 2. ^ΰ

S - t t = Zeit

Daraus ergibt sich:
S

t =

A = t 331,3 . 1+

273,1

NACHGEREIOHT

3511562

Das ergibt eine Kurvenschar in Abhängigkeit

von t und &l Siehe Figur 3

Zur Ausreqlung der temp, bedingten Absorbtion des Schalles muß berücksichtigt werden, daß das Verhältnis der Dämpfunq wie folgt ist:

A - ^v/3warm _(331, 3 · 1+ ^ ^l ⁼ ^^varm

^v3kalt ' · % = Aa U

_n ^ 3 ^?

.₃.f;

Ergebnismäßig erhält man eine progressiv steigende Dämpfunq mit zunehmender Temperatur.

Beispiel:	bei	-20°	A =	1	256
Dämpfung	Il	0°	A =	1,	692
Il	It	+ 60°	A =	1,
Il

Aus dieser mathematischen Betrachtung ist das Funktionsbild des erfindunqsqemäßen Verstärkers abgeleitet

Die Verstärkung von zwei Stufen V, und V_ ist V

ges,

V = V₁ .
ges. 1

Die Reihenfolge ist prinzipiell beliebig.

Eine Stufe qleicht die temp, bedingten Amplitudenfeh]er •aus Absobtion und zeitqeführter steierung aus. Die andere Stufe steuert den Verstärkungsgrad zeitabhängj η .

Ergebnismäßig ergibt die Lehre der Erfindung Signalamplit.uden am Ausgang des Empfängers, die idealerweise Qistanz- und temperaturunabhängig sind.

BAD ORIGINAL

Claims

NACHaERElOHT

1. Ultraschall-Impuls-Echo-L aufzeitmeßeinrichtung zum Zwecke der Entfernungsmessung mit zeitabhängig gesteuertem ßlpfjindlichkeitsverlauf des Empfängers, der vorzugsweise guadratisch erfolgt, dadurch ge-

·» ' -kennzeichnet, daß eine weitere Verstärkungssteuerung auf die Empfindlichkeit einwirkt, die temperaturgeführt ist.

Apparat und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfind!ichkeitssteuerung temperaturgeführt di£ durch die Absorbtion des Mediums temperaturabhängige Dämpfung kompensiert, indem im Gegenkopplungszvveiq eines Verstärkers ein temperaturabhängiges Bauteil so auf den Empfängerverstärker einwirkt, daß die temp.abhäng ige Dämpfung des Schalls im Medium ausgeglichen wird.

Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Anspruch 2 beschriebene Kompensation über die Kompensation der Schallabsorbtion hinaus den Fehler kompensiert, der durch das Wandern des Echos auf der Zeitachse bei gleichzeitig zeitgesteuerter Verstärkung -entsteht.

Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 und 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation derart erfolgt, daß in einer durch Opperationsverstärker dargestellten Verstärkerschaltung die Gegenkopplung durch Einsatz von temperaturabhängigen Widerständen temperaturgeführt so verändert wird, daß die Fehler Von Absorbtion und Zeitsteuerung gleichermaßen aufgehoben werden.

BAD ORIGiNAL