DE3639228A1

DE3639228A1 - Ultraschallentfernungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3639228A1
Application number: DE19863639228
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Hashinoki; Kenichi Dairiki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-11-15
Filing date: 1986-11-14
Publication date: 1987-05-21
Also published as: GB8627442D0; GB2184840A; GB2184840B; DE3639228C2; US4800757A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallent fernungsmeßvorrichtung. Die gemessene Entfernung kann beispielsweise die Dicke eines Meßobjekts oder ein bestimmter Abstand sein.

Eine bekannte typische Vorrichtung zur Messung einer Entfernung an einem Objekt aus einem festen Material (zum Beispiel Metall) unter Ver wendung von Ultraschallwellen sendet diese in das Objekt und empfängt die an der Rückseite des Objekts reflektierten Ultraschallwellen (Echowellen), woraus sich die Dicke des Objekts bestimmen läßt.

Eine derartige bereits vorgeschlagene Ultraschall dickenmeßvorrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. In dieser befinden sich ein Synchronteil 1 zur Erzeugung von Synchronisiersignalen, ein auf die Synchronisiersignale des Synchronteils 1 ansprechen des Übertragungsteil 2 zur Erzeugung von Über tragungssignalen, eine Sonde 3 zur Erzeugung von Ultraschallwellen in Abhängigkeit von den Übertragungssignalen des Übertragungsteils 2, zum Aussenden der erzeugten Wellen (Ausgangs wellen) in einem Prüfling über ein Kopplungs medium, zum Empfang der vom Prüfling zurück kommenden Echowellen und zur Umwandlung der Echowellen in elektrische Signale, ein Empfangs teil 4 zur Verstärkung der von der Sonde 3 gelieferten elektrischen Signale, ein Zeitmeß teil 5 zur Messung einer Zeitspanne zwischen der Emission der Ausgangswelle und dem Empfang der entsprechenden am Prüfling reflektierten Echowelle aus den Zeitpunkten der Ausgabe des Übertragungssignals und des Empfangs des Ausgangssignals des Empfangsteils 4 und zur Umwandlung des für die gemessene Zeitspanne erhaltenen Wertes in einen der Dicke des Prüflings entsprechenden Wert, und ein Anzeige teil 6 für die Ausgangssignale zur Anzeige des Dickenwertes. Ein Ultraschallabstands messer unterscheidet sich vom Ultraschall dickenmesser nur dadurch, daß die gemessene Entfernung nicht die Dicke eines Prüflings, sondern der Luftabstand zwischen zwei Punkten ist. Das Meßprinzip des Abstandsmessers ist grundsätzlich das gleiche wie das des Dicken messers.

Die bekannte Ultraschalldickenmeßvorrichtung hat die Nachteile, daß die Sonde in direktem Kontakt mit dem Prüfling ist und daß sie wegen des Erfordernisses eines Kopplungsmediums wie Wasser oder Öl mit einem aufwendigen Mechanismus versehen sein muß, wenn die Messung an einer automatischen Fördereinrichtung durch geführt wird. Andererseits hat die Ultraschall abstandsmeßvorrichtung insofern Mängel, als der ermittelte Abstandswert Schwankungen unterworfen sein kann, da die Schallge schwindigkeit und Laufstrecke der die Luft durchquerenden Ultraschallwelle sich mit der Lufttemperatur und dem Luftdruck sowie etwaigen Windgeschwindigkeiten ändern, so daß diese Meßvorrichtung mit komplizierten Kompensations einrichtungen ausgestattet sein muß, um eine ausreichende Zuverlässigkeit zu erhalten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Er findung, eine Ultraschallentfernungsmeßvorrichtung zu schaffen, die ohne ein Kopplungsmedium arbeitet, d.h. deren Sonden nicht in Berührung mit dem Meßobjekt oder Prüfling stehen, und die auch im wesentlichen ungestört durch äußere Einflüsse wie die Lufttemperatur und dergleichen arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange gebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Ultraschallentfernungs meßvorrichtung kennzeichnet sich durch ein Paar von übertragenden und empfangenden Elementen, die in einem vorbestimmten Abstand voneinander einander gegenüberliegen und jeweils in einen Zustand zur Übertragung und zum Empfang von Ultraschallsignalen versetzbar sind und auf ein Übertragungssignal ansprechen zur Übertragung von Ultraschallimpulsen sowie beim Empfang von Ultraschallimpulsen Empfangssignale erzeugen, wobei das eine dieser Elemente einer oberen Oberfläche eines Meßobjekts und das andere dieser Elemente einer unteren Oberfläche des Meßobjekts gegenüberliegen, ein Steuerteil zur Auswahl der jeweils gerade zu messenden aus drei Arten von Laufzeiten der Ultraschall impulse entsprechend der Ausbreitung zwischen dem Paar von Elementen, zwischen der oberen Oberfläche des Meßobjekts und dem dieser gegen überliegenden einen dieser Elemente, sowie zwischen der unteren Oberfläche des Meßobjekts und dem dieser gegenüberliegenden anderen dieser Elemente, und zur Erzeugung eines ersten Steuer signals für die Anzeige, welches der Elemente Ultraschallimpulse überträgt und welches der Elemente die übertragenen Ultraschallimpulse empfängt, wenn die gewählte Art von Laufzeit gemessen wird, ein Auswahlteil, das auf das erste Steuersignal des Steuerteils anspricht zur Aussendung von Übertragungssignalen zu dem Paar von Elementen für die Übertragung von Ultraschallimpulsen und zum Empfang des Empfangs signals von den Elementen für den Empfang der übertragenen Ultraschallimpulse, und zur Ausgabe der Übertragungs- und Empfangssignale, und ein Auswerteteil zum Empfang der Übertragungs und Empfangssignale vom Auswahlteil und zur Messung jeder der drei Arten von Laufzeiten von einem Zeitpunkt an, zu dem die Elemente einen Ultraschallimpuls übertragen und der durch das Übertragungssignal gegeben ist, und einem anderen Zeitpunkt, zu dem die Elemente den übertragenen Ultraschallimpuls empfangen und der durch das Empfangssignal gegeben ist, und zur Berechnung der Entfernung am Meßobjekt aus den ausgewerteten drei Arten von Laufzeiten.

Die erfindungsgemäße Ultraschallentfernungs meßvorrichtung ermittelt somit eine Entfernung wie die Dicke eines Meßobjekts oder den Abstand zwischen zwei Punkten aus der Laufzeit der an der oberen und unteren Oberfläche reflektier ten Echowellen, die unmittelbar nachdem das Objekt zwischen das Paar von übertragenden und empfangenden Elementen gebracht wurde, gemessen wird, und aus der Laufzeit der übertragenen Ultraschallwelle, die unmittelbar vor dem Einbringen des Objekts zwischen die Elemente gemessen wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der er findungsgemäßen Vorrichtung ist ein Überwachungs teil vorgesehen zur Feststellung, ob das Meßobjekt zwischen dem Paar von Elementen vorhanden ist oder nicht durch Erfassung der zwischen den Elementen sich ausbreitenden Ultraschallwelle, und zur Erzeugung von die An- oder Abwesenheit des Meßobjekts zwischen den Elementen anzeigenden und zum Steuerteil gelieferten Signalen, wobei das Steuerteil in Abhängigkeit von den Signalen des Überwachungsteils eine Auswahl zwischen den drei Arten von Laufzeiten trifft. Dies bedeutet, daß die Ultraschallentfernungsmeßvorrichtung feststellt, ob sich das Objekt zwischen dem Elementenpaar der Sonde befindet oder nicht durch Erfassung der zwischen diesen übertragenen Ultraschallwelle.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer bekannten Ultraschallentfernungsmeßvorrichtung,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ultraschall entfernungsmeßvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, das die Ver bindung zwischen einem Auswahlteil und anderen Teilen der erfindungs gemäßen Vorrichtung zeigt,

Fig. 4 ein Diagramm, aus dem die einzelnen Schaltzustände im Auswahlteil gemäß Fig. 2 für verschiedene Fälle er sichtlich ist,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 6 ein Blockschaltbild des Auswahl und Steuerteils der Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 7 ein Diagramm, aus dem die einzelnen Schaltzustände im Steuerteil der Vorrichtung nach Fig. 2 für ver schiedene Fälle ersichtlich ist,

Fig. 8 ein Blockdiagramm einer Ultraschall entfernungsmeßvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 ein Blockdiagramm des Überwachungs teils der Vorrichtung nach Fig. 8,

Fig. 10 ein Blockschaltbild des Steuerteils der Vorrichtung nach Fig. 8, und

Fig. 11 und 12 Blockdiagramme einer Ultraschall entfernungsmeßvorrichtung gemäß einem dritten und einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den einzelnen Figuren verwendete gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Teile.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 besitzt die gleichen Teile 1 bis 4 und 6 wie die bekannte Vorrichtung nach Fig. 1, ist jedoch verschieden von dieser in bezug auf ein Auswerteteil 5, ein Auswahlteil 7 und ein Steuerteil 8. Das Auswerteteil umfaßt ein Laufzeitmeßteil 5 t für die durch den Raum zwischen den Sonden 3 übertragene Ultraschall welle und für die von den oberen und unteren Flächen des Meßobjekts reflektierten Echowellen und ein Operationsteil 5 p für die Berechnung eines Dickenwertes eines Prüflings. Das Auswahl teil 7 verbindet wahlweise das Übertragungsteil 2 mit einer Sonde 3, die durch das Steuerteil 8 angezeigt wird, und empfängt auch das in einer vom Steuerteil 8 angezeigten Sonde 3 umgewandelte elektrische Signal aus der sich dazwischen aus breitenden Ultraschallwelle und den von den oberen und unteren Oberflächen reflektierten Echowellen. Das Steuerteil 8 ist beispielsweise aus Wechselschaltern aufgebaut und dient zur Abgabe von Steuersignalen an das Auswahlteil 7, von denen jedes einer der verschiedenen Lauf zeiten der sich zwischen den Sonden 3 aus breitenden Ultraschallwelle und den Laufzeiten der von den oberen und unteren Oberflächen reflektierten Echowellen zugeordnet ist.

Es wird nun die Funktion der Vorrichtung nach Fig. 2 anhand der Fig. 2 bis 5 näher erläutert.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild zur Darstellung der elektrischen Verbindungen zwischen dem Auswahlteil 7 und anderen Teilen der Vorrichtung nach Fig. 2.

Fig. 4 ist weiterhin ein Diagramm, das die Betriebs bedingungen der Schalter im Auswahlteil der Vorrichtung nach Fig. 2 zeigt.

Fig. 5 schließlich stellt ein Zeitdiagramm dar, das die Funktion der Vorrichtung nach Fig. 2 illustriert.

Zuerst wird während einer Zeitspanne, die zur Messung der Laufzeit der sich zwischen den Sonden ausbreitenden Ultraschallwelle verwendet wird, d.h. der Laufzeit unter der Bedingung, daß sich kein Prüfling zwischen den beiden Sonden 3 a und 3 b befindet, derart, daß diese sich in umgebender Luft in einem aus Fig. 3 ersichtlichen vorbestimmten Abstand gegenüberstehen, das Auswahlteil 7 so gesteuert, daß die Schalter S ₁ und S ₃ schließen und ein Schalter S ₂ öffnet (siehe Fall 1 in Fig. 4). Wie in Fig. 5 (c) dar gestellt ist, wird in Abhängigkeit von einem in Fig. 5 (b) gezeigten elektrischen Ausgangs signal des Übertragungsteils 2, das synchron zu einem aus Fig. 5 (a) ersichtlichen Ausgangs signal des Synchronteils 1 ausgegeben wird, ein Ultraschallimpuls von der Sonde 3 a ausge geben, der sich in der Luft fortpflanzt. Danach wird der Ultraschallimpuls von der Sonde 3 b aufgenommen (siehe Fig. 5 (f)). Die Sonde 3 b gibt dann ein entsprechendes Signal ab, das über den geschlossenen Schalter S ₃ zum Empfangsteil 4 übertragen wird. Das Laufzeitmeßteil 5 t empfängt weiterhin das Ausgangssignal des Empfangsteils 4 und zählt die Anzahl der Bezugstaktimpulse eines Bezugstaktimpulsgebers (nicht gezeigt) während einer Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Sonde 3 a einen Ultraschallimpuls aus sendet, und dem Zeitpunkt, zu dem die Sonde 3 b den ausgesandten Ultraschallimpuls empfängt. Das Laufzeitmeßteil 5 t mißt so die Laufzeit der durch den Raum zwischen den Sonden 3 a und 3 b wandernden Welle.

Als nächstes wird, für den Fall, daß ein Prüfling zwischen die Sonden 3 a und 3 b eingefügt ist, in einer Zeitspanne zur Messung der Laufzeiten der vom Prüfling reflektierten Echowellen der Zustand der Entfernungsmeßvorrichtung zuerst in eine erste Phase der Messung einer Laufzeit t _a (siehe Fig. 5 (d)) eines Echos von der oberen Oberfläche des Prüflings gebracht, und dann in eine zweite Phase der Messung einer Laufzeit t _b (siehe Fig. 5 (h)) eines Echos von der unteren Oberfläche des Prüflings übergeleitet, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist, seit die erste Phase der Messung der oberen Oberfläche gestartet wurde. Jedoch ist aus Gründen der Einfachheit der Darstellung diese vorbestimmte Zeitspanne in Fig. 5 (h) nicht gezeigt.

Wie aus Fig. 5 (e) und 5 (g) ersichtlich ist, wird die Sonde 3 a nicht in der zweiten Phase und die Sonde 3 b nicht in der ersten Phase zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall impulsen benutzt. Weiterhin wird in jeder der Phasen ein dem in der Sonde empfangenen Echo entsprechendes elektrisches Signal zum Empfangs teil 4 übertragen.

Wenn die Schalter S ₁ und S ₂ schließen und der Schalter S ₃ öffnet (siehe Fall 2 in Fig. 4), empfängt der Laufzeitmeßteil 5 t das Ausgangs signal des Empfangsteils 4 und den Bezugstakt impuls und mißt weiterhin die Laufzeit t _a der Ultraschallwelle, die sich durch das Medium zwischen der Sonde 3 a und der gegenüberliegenden oberen Oberfläche Ta des Prüflings ausbreitet.

Wenn andererseits der Schalter S ₁ öffnet und die Schalter S ₂ und S ₃ schließen (siehe Fall 3 in Fig. 4), empfängt das Laufzeitmeßteil 5 t die Bezugstaktimpulse und die Ausgangssignale des Empfangsteils 4 und mißt weiterhin die Lauf zeit t _b der Ultraschallwelle, die sich durch die Luft zwischen der Sonde 3 b und der gegen überliegenden unteren Oberfläche Tb des Prüflings ausbreitet. Der Operationsteil 5 p berechnet die Geschwindigkeit der durch die Luft laufenden Ultraschallwelle, die Laufstrecken der Echowellen und die Dicke des Prüflings anhand der Ausgangs signale des Laufzeitmeßteils 5 t.

Das Operationsteil 5 p führt die Berechnungen nach den folgenden Gleichungen unter der Einwirkung der Signale aus dem Steuerteil 8 durch.

Hier bedeuten Va, l _o und t _o die Geschwindigkeit der die Luft durchquerenden Ultraschallwelle, einen mechanischen Abstand zwischen den Sonden 3 a und 3 b und die Laufzeit der ausgesandten Welle.

In dieser Gleichung stellen l _a und t _a die Laufstrecke und Laufzeit der von der oberen Oberfläche Ta des Prüflings auf die Sonde 3 a reflektierten Echowelle dar.

Hier sind l _b und t _b die Laufstrecke und Laufzeit der von der unteren Oberfläche des Prüflings reflektierten Echowelle.

Die Dicke d des Prüflings wird dann mittels folgender Gleichungen erhalten:

Das Steuerteil 8 zur Steuerung der Arbeitsweise des Auswahlteils 7 umfaßt weiterhin Schalter S ₁₀, S ₂₀ und S ₃₀, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist. In dieser Figur sind auch Spulen L ₁, L ₂ und L ₃ jeweils eines Relais enthalten. Eine Bedienungs person beobachtet eine Wellenform des Ausgangs signals des Empfangsteils 4, das auf einer Anzeige vorrichtung wie einer Kathodenstrahlröhre im Anzeigeteil 6 wiedergegeben wird, um zu be stimmen, ob sich ein Prüfling zwischen den Sonden 3 a und 3 b befindet oder nicht. Ent sprechend dieser Bestimmung öffnet oder schließt die Bedienungsperson manuell die Schalter S ₁₀, S ₂₀ und S ₃₀, so wie in Fig. 7 veranschaulicht ist, um den Zustand der Schalter S ₁, S ₂ und S ₃ im Auswahlteil 7 wie in Fig. 4 gezeigt einzustellen. Die Fälle 1, 2 und 3 in Fig. 7 entsprechen im übrigen den Fällen 1, 2 und 3 in Fig. 4.

Fig. 8 enthält ein Blockdiagramm einer anderen bevorzugten Ultraschallentfernungsvorrichtung. In dieser befindet sich ein Überwachungsteil 9 zur Überwachung der zwischen den beiden Sonden übertragenen Ultraschallwellen und zur Abgabe von Signalen an das Steuerteil 8, die anzeigen, ob die übertragene Welle dazwischen vorhanden ist oder nicht. Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm dieses Überwachungsteils 9. Fig. 10 zeigt weiter hin ein Blockschaltbild des Steuerteils 8 mit den darin enthaltenen elektrischen Verbindungen.

Im übrigen zeigt auch Fig. 3 Verbindungen zwischen einem Auswahlteil 7 und anderen Teilen 3, 4 und 8 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 8. Darüber hinaus zeigt auch Fig. 4 Betriebsbe dingungen von Schaltern im Auswahlteil 7 entsprechend diesem Ausführungsbeispiel. Weiterhin zeigen auch Fig. 6 und 7 den Aufbau und die Betriebs bedingungen des Steuerteils bei diesem Aus führungsbeispiel.

In den Fig. 9 und 10 kennzeichnen die Bezugszeichen 9 a, 9 b und OS ein Überwachungstorerzeugungsteil zur Bildung von Toren für die Überwachung der übertragenen Welle, eine Entscheidungsschaltung und einen Oszillator. Die Bezugszeichen C ₁ bis C ₆ kennzeichnen logische Elemente.

Im folgenden wird die Arbeitsweise dieses Aus führungsbeispiels erläutert.

Für den Fall, daß sich zunächst kein Prüfling zwischen den Sonden, die in Luft in der Weise angeordnet sind, daß sie sich in vorbestimmtem Abstand voneinander gegenüberstehen, befindet, d.h. im in Fig. 4 gezeigten Fall 1, sind die Schalter so gesteuert, daß die Schalter S ₁ und S ₃ schließen und der Schalter S ₂ öffnet. In diesem Fall durchquert die von der Sonde 3 a ausgesandte Ultraschallwelle die Luft und wird von der Sonde 3 b empfangen. Ein durch Umwandlung der empfangenen Welle in der Sonde 3 b erzeugtes elektrisches Signal wird von dieser zum Empfangs teil 4 geliefert. Gleichzeitig hiermit erzeugt das Überwachungstorerzeugungsteil 9 a im Über wachungsteil 9 Überwachungstore, derart, daß jedes dieser Tore eine Zeitspanne ist, die dem mechanischen Abstand l _o zwischen den Sonden 3 a und 3 b entspricht, und die Entscheidungsschaltung 9 b bestimmt, ob die übertragene Welle im Überwachungstor existiert oder nicht. Wenn die übertragene Welle im Überwachungstor festgestellt wird, liefert die Entscheidungs schaltung 9 b dem Steuerteil 8 ein Signal, welches anzeigt, daß der Schalter S ₂ öffnet und so das Auswahlteil 7 seine augenblicklichen Betriebs zustände aufrechterhält.

Für den Fall, daß ein Prüfling zwischen die Sonden 3 a und 3 b eingefügt ist, empfängt die Sonde 3 b andererseits keine übertragene Welle und somit erscheint keine derartige Welle innerhalb des Überwachungstors. In diesem Fall liefert das Überwachungsteil 9 ein Signal an das Steuerteil 8, das anzeigt, daß das Auswahlteil 7 seine augenblicklichen Betriebszustände ändert und der Schalter S ₂ schließt. Wenn der Schalter S ₂ sich schließt, werden die Ausgangssignale des Übertragungsteils 2 zu den Sonden 3 a und 3 b geliefert, so daß diese Sonden in die Bereitschaft gebracht werden, die Ultraschallwelle in die Luft auszusenden. In dieser Zeitspanne zur Messung der Laufzeit der Echowellen wird sie von der ersten Phase der Messung der Laufzeit t _a der Echowelle von der oberen Oberfläche des Prüflings (in welcher, wie im Fall 2 von Fig. 4 gezeigt ist, die Schalter S ₁ und S ₂ schließen und der Schalter S ₃ öffnet) zu der zweiten Phase der Messung der Laufzeit t _b der Echowelle von der unteren Oberfläche des Prüflings (in welcher, wie im Fall 3 in Fig. 4 gezeigt ist, die Schalter S ₂ und S ₃ schließen und der Schalter S ₁ öffnet) verschoben, und in jeder dieser Phasen wird die empfangene Echowelle in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und zum Empfangs teil 4 geliefert.

Als nächstes wird die elektrische Funktion dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.

Zuerst, wenn kein Prüfling zwischen den einander gegenüberliegenden Sonden 3 a und 3 b angeordnet ist, tritt ein Ausgangssignal vom Empfangsteil 4 innerhalb eines im Überwachungsteil erzeugten Überwachungstors auf. Während dieser Zeitspanne beträgt das Ausgangssignal sig 1 des Über wachungsteils 9 "OV" (dieser Spannungspegel wird im folgenden als "L" bezeichnet) und es hält den Schalter S ₂ des Auswahlteils 7 geöffnet. Weiterhin betragen die Ausgangssignale sig 2 und sig 3 "+5 V" (dieser Spannungspegel wird im folgenden als "H" bezeichnet) und daher schließen die Schalter S ₁ und S ₂.

Wenn sich andererseits ein Prüfling T zwischen den einander gegenüberliegenden Sonden 3 a und 3 b befindet, tritt kein Signal vom Empfangsteil 4 im vom Überwachungsteil 9 erzeugten Überwachungs tor auf. Während dieser Zeitspanne hat das Aus gangssignal sig 1 des Überwachungsteils 9 den Pegel "H" und der Schalter S ₂ im Auswahlteil 7 schließt. Weiterhin bewirkt die aus den Elementen C ₁ bis C ₆ bestehende logische Schaltung, daß die Spannungspegel der Ausgangssignale sig 2 und sig 3 des Steuerteils 8 entsprechend den Ausgangssignalen des Oszillators OS zwischen "H" und "L" wechseln zur Erzeugung von Signalen von jeweils konstanter Dauer und so werden die Schalter S ₂ und S ₃ des Auswahlteils 7 abwechselnd geschlossen. Das Laufzeitmeßteil 5 t zählt die vom (nicht gezeigten) Bezugstaktgenerator erzeugten Bezugstaktimpulse, der durch ein vom Synchronteil 1 geliefertes Synchronisiersignal aktiviert wurde, bis die Sonde 3 b die Ultra schallwelle empfängt, und mißt so die Laufzeit t _o der zwischen den Sonden 3 a und 3 b übertragenen Ultraschallwelle. Wenn die Schalter S ₁ und S ₂ schließen und der Schalter S ₃ öffnet, empfängt das Laufzeitmeßteil 5 t den Bezugstakt und die Ausgangsignale des Empfangsteils 4 und mißt die Laufzeit t _a der Ultraschallwelle durch die Luft zwischen der oberen Oberfläche des Prüflings und der dieser Oberfläche gegenüberliegenden Sonde 3 a. Wenn weiterhin der Schalter S ₁ öffnet und die Schalter S ₂ und S ₃ schließen, empfängt das Laufzeitmeßteil 5 t den Bezugstakt und die Ausgangssignale des Empfangsteils 4 und mißt die Laufzeit t _b der Ultraschallwelle durch die Luft zwischen der unteren Oberfläche des Prüflings und der diese gegenüberliegenden Sonde 3 b. Das Operations teil 5 p berechnet die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle, die Laufstrecken der Echowellen und den Dickenwert des Prüflings aus den Ausgangssignalen des Laufzeitmeßteils 5 t.

Das Operationsteil 5 p führt die Berechnung gemäß Gleichungen durch, die die gleichen wie die in bezug auf Fig. 2 genannten Gleichungen (1) bis (4) sind.

Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Fig. 11 und 12 gezeigt. Im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 8 hat jedes Auswerteteil dieser Ausführungsbeispiele anstelle des Lauf zeitmeßteils 5 t nach den Fig. 2 und 8 drei Untereinheiten 5 a, 5 b und 5 c, die jeweils zur schnellen Messung der Laufzeiten t _o, t _a und t _b dienen. Die Steuerteile 8 der Ausführungsbei spiele nach den Fig. 11 und 12 schalten diese Untereinheiten 5 a, 5 b und 5 c in Übereinstimmung mit der Art der jeweils gerade gemessenen Lauf zeit t _o, t _a oder t _b. Diese Ausführungsbeispiele erfüllen ebenfalls den Zweck der vorliegenden Erfindung, doch erhöhen sie gegenüber den Aus führungsbeispielen nach den Fig. 2 und 8 den gerätemäßigen Aufwand des Laufzeitmeßteils 5 t und erfordern eine kompliziertere Funktion des Steuerteils 8, das weiterhin die drei Untereinheiten 5 a, 5 b und 5 c steuert bzw. schaltet in Übereinstimmung mit der Art der zu messenden Laufzeit.

Wie vorstehend festgestellt wurde, kann die erfindungsgemäße Ultraschallentfernungsmeßvor richtung Größenmessungen an einen Prüfling wie dessen Dicke durchführen unter Ausnutzung des Vorteils der Laufzeit der Ultraschallwelle, die durch die Luft zwischen den Sonden übertragen wird, wobei diese außer Berührung mit den Ober flächen des Prüflings bleiben. Die vorliegende Vorrichtung ist daher frei von jeglichem mechanischen Abrieb infolge eines Kontakts mit der Oberfläche des Prüflings und kann daher langdauernd verwendet werden. Dieser technische Vorteil kann unabhängig von der Art des Materials des Prüflings erhalten werden, da die Ultraschall wellen nicht die Prüflinge durchlaufen. Darüber hinaus erfordert die erfindungsgemäße Vor richtung keine Korrektur von Fehlern aufgrund von Störungen wie Änderungen der Lufttemperatur. Weiterhin kann diese Vorrichtung zu installierende Teile wie einen Photodetektor in der Nähe der Sonden in der Ultraschalldickenmeßvorrichtung, die ein Meßobjekt erfassen, ersparen, weil die Anwesenheit des Prüflings durch Erfassung der durch die Luft zwischen den Sonden übertragenen Ultraschallwelle festgestellt wird.

Claims

1. Ultraschallentfernungsmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Paar von übertragenden und empfangenden Elementen (3 a, 3 b), die in einem vorbestimmten Abstand voneinander einander gegenüberliegen und jeweils in einen Zustand zur Übertragung und zum Empfang von Ultraschallsignalen ver setzbar sind und auf ein Übertragungssignal ansprechen zur Übertragung von Ultraschall impulsen sowie beim Empfang von Ultraschall impulsen Empfangssignale erzeugen, wobei das eine dieser Elemente (3 a) einer oberen Ober fläche (Ta) eines Meßobjekts (T) und das andere dieser Elemente (3 b) einer unteren Ober fläche (Tb) des Meßobjekts (T) gegenüber liegen,
ein Steuerteil (8) zur Auswahl der jeweils gerade zu messenden aus drei Arten von Lauf zeiten der Ultraschallimpulse entsprechend der Ausbreitung zwischen dem Paar von Elementen (3 a, 3 b), zwischen der oberen Oberfläche (Ta) des Meßobjekts (T) und dem dieser gegenüber liegenden einen dieser Elemente (3 a), sowie zwischen der unteren Oberfläche (Tb) des Meßobjekts (T) und dem dieser gegenüber liegenden anderen dieser Elemente (3 b), und zur Erzeugung eines ersten Steuersignals für die Anzeige, welches der Elemente (3 a, 3 b) Ultraschallimpulse überträgt und welches der Elemente (3 a, 3 b) die übertragenen Ultraschallimpulse empfängt, wenn die ge wählte Art von Laufzeit gemessen wird,
ein Auswahlteil (7), das auf das erste Steuer signal des Steuerteils (8) anspricht zur Aussendung von Übertragungssignalen zu dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) für die Übertragung von Ultraschallimpulsen und zum Empfang des Empfangssignals von den Elementen (3 a, 3 b) für den Empfang der über tragenen Ultraschallimpulse, und zur Ausgabe der Übertragungs- und Empfangssignale, und
ein Auswahlteil (5) zum Empfang der Übertragungs und Empfangssignale vom Auswahlteil (7) und zur Messung jeder der drei Arten von Laufzeiten von einem Zeitpunkt an, zu dem die Elemente (3 a, 3 b) einen Ultraschallimpuls übertragen und der durch das Übertragungs signal gegeben ist, und einem anderen Zeitpunkt, zu dem die Elemente (3 a, 3 b) den übertragenen Ultraschallimpuls empfangen und der durch das Empfangssignal gegeben ist, und zur Berechnung der Entfernung am Meßobjekt (T) aus den ausge werteten drei Arten von Laufzeiten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Überwachungsteil (9) zur Feststellung, ob das Meßobjekt (T) zwischen dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) vorhanden ist oder nicht durch Erfassung der zwischen den Elementen (3 a, 3 b) sich ausbreitenden Ultraschallwelle, und zur Erzeugung von die An- oder Abwesenheit des Meßobjekts (T) zwischen den Elementen (3 a, 3 b) anzeigenden und zum Steuerteil (8) gelieferten Signalen vorgesehen ist, und daß das Steuerteil (8) in Abhängigkeit von den Signalen des Überwachungsteils (9) eine Auswahl zwischen den drei Arten von Laufzeiten trifft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswerteteil (5) eine Einrichtung (5 t; 5 a, 5 b, 5 c) zur Messung der drei Arten von Laufzeiten und eine Ein richtung (5 p) zur Berechnung der Entfernung am Meßobjekt (T) aus den gemessenen Werten für die drei Arten von Laufzeiten aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der drei Arten von Laufzeiten eine erste Einheit (5 a) zur Messung der Laufzeit des übertragenen Ultraschallimpulses in Luft zwischen dem Paar von Elementen (3 a, 3 b),
eine zweite Einheit (5 b) zur Messung der Laufzeit des übertragenen Ultraschallimpulses zwischen der oberen Oberfläche (Ta) und dem dieser Oberfläche gegenüberliegenden einen (3 a) dieses Paars von Elementen, und
eine dritte Einheit (5 c) zur Messung der Laufzeit des übertragenen Ultraschallimpulses zwischen der unteren Oberfläche (Tb) und dem dieser Oberfläche gegenüberliegenden anderen (3 b) dieses Paars von Elementen umfaßt, daß das Steuerteil (8) ein zweites Steuersignal erzeugt zur Anzeige, welche der ersten, zweiten oder dritten Einheit mit dem Auswahlteil (7) in Übereinstimmung mit der gewählten Laufzeitart verbindbar ist, und daß die Einrichtung zur Messung der drei Arten von Laufzeiten in Abhängigkeit vom zweiten Steuersignal des Steuerteils (8) das Auswahlteil (7) mit der ersten, zweiten oder dritten Einheit (5 a, 5 b, 5 c) zum Empfang des Übertragungs- und Empfangssignals ver bindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungsteil (9) ein Überwachungstorerzeugungsteil (9 a) zur Erzeugung von Überwachungstoren, die jeweils einer mechanischen Entfernung zwischen dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) entsprechen, und eine Entscheidungsschaltung (9 b) zum Empfang des Empfangssignals und zur Entscheidung, ob sich das Meßobjekt (T) zwischen dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) befindet oder nicht durch Erfassung des Empfangssignals im Überwachungstor, aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil (8) das Ausgangssignal des Überwachungsteils (9) empfängt und ein drittes, viertes oder fünftes Steuersignal als erstes Steuersignal zum Auswahlteil (7) sendet, daß das Steuerteil (8) das empfangene Ausgangssignal des Über wachungsteils (9) als drittes Steuersignal ausgibt zur Anzeige des einen aus dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) als Ultraschallimpulse übertragendes Element und des anderen aus dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) als die übertragenen Ultraschallimpulse empfangendes Element für die Messung der Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) wenn das empfangene Aus gangssignal des Überwachungsteils (9) in einem vorgegebenen Zustand ist, und daß das Steuerteil (8) das vierte und fünfte Steuer signal ausgibt, wenn das empfangene Ausgangs signal des Überwachungsteils (9) in einem anderen vorgegebenen Zustand ist, wobei das vierte und fünfte Steuersignal anzeigen, daß den Elementen (3 a, 3 b) die obere bzw. untere Oberfläche (Ta bzw. Tb) gegenüberliegen zur Messung der Laufzeiten der an der oberen bzw. unteren Oberfläche reflektierten Echowellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Steuerteil (8)
ein erstes logisches Element (C ₆) zum Empfang des Ausgangssignals des Überwachungsteils (9) und zum Invertieren dieses Signals,
einen Oszillator (OS) zur Erzeugung oszillieren der positiver und negativer Ausgangssignale konstanter Dauer,
ein zweites logisches Element (C ₅) zum Empfang des Ausgangssignals des ersten logischen Elements und zum Invertieren dieses Signals,
ein drittes logisches Element (C ₁) zum Empfang sowohl des negativen Ausgangssignals des Oszillators als auch des Ausgangssignals des zweiten logischen Elements und zur Erzeugung eines Ausgangssignals nur dann, wenn jedes der vom Oszillator und vom zweiten logischen Element empfangenen Signale sich in einem vorbestimmten Zustand befindet,
ein viertes logisches Element (C ₂) zum Empfang sowohl des positiven Ausgangssignals des Oszillators als auch des Ausgangssignals des zweiten logischen Elements und zur Erzeugung eines Ausgangssignals nur dann, wenn jedes der vom Oszillator und vom zweiten logischen Element empfangenen Signale sich in einem vorbestimmten Zustand befindet,
ein fünftes logisches Element (C ₃) zum Empfang der Ausgangssignale sowohl des ersten als auch des dritten logischen Elements und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn eines oder mehrere der vom ersten und dritten logischen Element empfangenen Signale sich in einem vorbestimmten Zustand befinden, und
ein sechstes logisches Element (C ₄) zum Empfang der Ausgangssignale sowohl des ersten als auch des vierten logischen Elements und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn eines oder mehrere der vom ersten und vierten logischen Element empfangenen Signale sich in einem vorbestimmten Zustand befinden,
aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Steuerteil (8) die Ausgangs signale des fünften und sechsten logischen Elements als zweites bzw. drittes Steuer signal ausgibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Steuerteil (8) die Ausgangs signale des fünften und sechsten logischen Elements als drittes oder zweites Steuer signal ausgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Auswahlteil (7) eine auf das erste Steuersignal des Steuerteils (8) ansprechende Einrichtung zur Verbindung einer Signalquelle mit den übertragenden und empfange nen Elementen (3 a, 3 b) für die Übertragung von Ultraschallimpulsen enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung ein erstes Schaltglied zum Herstellen und Trennen einer Verbindung zwischen der Signalquelle und dem einen aus dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) und ein zweites Schaltglied zum Herstellen und Trennen einer Verbindung zwischen der Signalquelle und dem anderen aus dem Paar von Elementen (3 a, 3 b) enthält, derart, daß in Abhängigkeit vom ersten Steuersignal des Steuerteils (8) die Schaltglieder aktivierbar und deaktivierbar sind für die Übertragung von Ultraschallimpulsen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß das erste und das zweite Schaltglied jeweils ein Relais enthalten.