DE3807383A1 - Ultraschall-mess- bzw. ueberwachungseinheit mit permanenter funktionskontrolle - Google Patents

Description

Ultraschall-Impuls-Meß-Überwachungseinrichtungen bzw. Distanzvermessungseinrichtungen sind bekannt.

Das Prinzip ist üblicherweise, daß ein kurzer Sendeimpuls generiert wird und von einem Schall-Wandler abgestrahlt wird. Wird das Signal an einem Objekt reflektiert, wird ein Echo zurück geworfen, was von einen Empfangs-Schall- Wandler aufgenommen und verstärkt wird.

Zur Überwachung der sicheren Funktion sind in der Vergangen­ heit mehrere Wege beschrieben worden.

Ist ein kombinierter Sende-Empfangs-Schall-Wandler vorhan­ den, kann ein Soll-Ziel in einem definierten Abstand vom Schall-Wandler aufgestellt werden. Die Überwachungseinrich­ tung besteht darin, daß das Vorhandensein dieses Echos inner­ halb eines bestimmten Entfernungsbereiches permanent kon­ trolliert wird. Wenn dieses Echo verschwinden sollte, kann dies auf eine Fehlfunktion der Sender- oder Empfängeranord­ nung hinweisen und es kommt zu einer Störmeldung.

Da dieses Soll-Ziel außerhalb der Entfernung angeordnet sein muß, in der Ein- und Ausschwingvorgänge der Schall-Wandler unmittelbar nach dem Aussenden einen Empfang unmöglich machen, ist damit die Notwendigkeit verbunden, das Soll-Ziel in einer Mindestentfernung zum eigentlichen Schall-Wandler aufzustellen. Gerade bei Schall-Wandlern höherer Leistung und vergleichweise geringer Frequenz bedeutet dies, daß das Soll-Ziel in einem Abstand zwischen 0,5-1 m vom Wandler angebracht ist. Bei manchen Anwendungen ist eine solche Vorrichtung aus mechanischen und anwendungstechnischen Gründen nicht akzeptabel.

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Weg, hier Abhilfe zu schaffen und sowohl die Leistungen des Empfängers als auch des Senders zu überprüfen.

Erfindungsgemäß arbeitet das Gerät vorzugsweise mit so­ genannten Kombi-Wandlern. Darunter sind Schall-Wandler zu verstehen, die sowohl senden als auch empfangen können. Natürlich sind auch diskrete Sender- und Empfangs-Wandler möglich, ohne daß das Prinzip davon berührt wird.

In kurzem Abstand zum System befindet sich ein weiterer Wandler, der vorzugsweise etwas außerhalb der Hauptabstrahl­ richtung angebracht ist. Dieser Wandler ist ebenfalls vor­ zugsweise ein Kombi-Wandler.

Im Moment des Sendens ist dieser Wandler über einen Ver­ stärker als Empfänger geschaltet. Am Ausgang des Verstärkers wird bei korrektem Arbeiten des Senders der Sendeimpuls in einer bestimmten, bekannten Amplitude nachzuweisen sein. Dieser Impuls wird dahingehend überprüft, ob er in seiner Amplitude in einem vorgegebenen Fenster liegt. Wenn das der Fall ist, arbeitet das System. Anderenfalls wird eine Fehlermeldung aus­ gelöst.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, unterteilt sich die Zeit zwischen zwei Sendeimpulsen. Die eigentliche Meßzeit, die Zeit also in der Echo-Signale ausgewertet werden, beträgt - je nach Anwen­ dung - wenige Milli-Sekunden. Die Zeit zwischen dem Ende dieser Meßzeit und dem Beginn eines neuen Meßzyklus ist normalerweise eine tote Zeit. Sie ist in der Praxis notwendig, um das Ab­ klingen von Sekundär-Echos im Raum zu garantieren, die durch mehrfaches Hin- und Herlaufen von Schallsignalen entstehen können.

Innerhalb dieser Todzeit wird von dem Referenz-Sensor ein kurzer Ultraschall-Impuls abgestrahlt, der vom Empfänger-Schall-Wandler aufgenommen wird und vom Empfangsverstärker verstärkt wird. Eine elektronische Auswerteschaltung überprüft nunmehr, ob dieser Im­ puls mit einer vorgegebenen Amplitude an der entsprechenden Stelle der Zeitachse vorhanden ist.

Wenn der Impuls vorhanden ist, arbeitet die Empfangsan­ ordnung. Wenn der Impuls nicht vorhanden ist, könnte die Empfangsanordnung defekt sein und es kommt zu einer Fehler­ meldung.

Ergebnis:

Berührungslos arbeitende Ultraschall-Überwachungseinrich­ tungen können nach dem bisherigen Stand der Technik nicht auf ihre Wirksamkeit innerhalb des Normalbetriebes geprüft werden. Es ist bisher praktisch notwendig, die Wirksamkeit durch Provozieren des Sensors mit einem Zielobjekt zu über­ prüfen.

Beim Einsatz des Sensors insbesondere in Personenschutzein­ richtungen ist die Betriebsweise unzulässig, weil permanent die Arbeitsweise von Ultraschall-Sender, Empfänger und Aus­ wertelogik überprüft werden muß.

Das vorgeschlagene System arbeitet daher wie folgt:

Zentrales Steuerelement ist eine elektronische Logik, die vorzugsweise als Mikroprozessor (1) ausgebildet ist. Der Mikroprozessor ist so ausgerüstet, daß er Steuersignale ge­ nerieren kann und die Größe analoge Impulse überprüfen kann. In der bevorzugten Ausführung wird daher ein Mikro-Controler mit integriertem A/D-Wandler eingesetzt, der über mehrere analoge Eingänge verfügt. In technisch bekannter Weise ver­ fügt dieser Mikroprozessor über eine Überwachungsschaltung, die stets dann anspricht, wenn der Prozessor nicht mehr arbei­ tet. (Elektronischer Watch-Dog) (2)

Die Einrichtung verfügt über einen Ultraschall-Sender nebst Schall-Wandler (3). Außerdem ist ein Empfänger nebst Empfangs- Schall-Wandler selbstverständlich vorhanden (4). Ultraschall- Sender- und Empfangs-Wandler kann ein sogenannter Kombi-Wandler sein.

In geringem Abstand zu diesen Schall-Wandlern ist ein Re­ ferenz-Wandler aufgebaut, der ebenfalls über ein Empfänger- und über einen Impuls-Generator verfügt. (5)

Entsprechend Fig. (1) wird zum Zeitpunkt des Meßbeginns ein Ultraschall-Impuls vom Sende-Wandler (3) ausgestrahlt. Dieser Impuls wird vom Referenz-Wandler (5) empfangen und dem Mikroprozessor (1) zugeführt. Das Programm des Mikro­ prozessors entscheidet, ob die Amplitude dieses Impulses innerhalb der vorgegebenen Toleranzen ist. Wenn das nicht der Fall ist, kommt es zu einer Fehlermeldung.

Nach Ablauf der Meßzeit und vor Beginn des nächsten Sende­ impulses wird vom Mikroprozessor veranlaßt, daß der Referenz- Wandler einen Ultraschall-Impuls abstrahlt. Dieser Impuls wird im Empfangs-Wandler (4) empfangen, verstärkt und vom Mikroprozessor (1) bewertet. Liegt dieser Impuls außerhalb eines definierten Toleranzbereiches, kommt es ebenfalls zu einer Fehlermeldung.

Ergebnismäßig wird mit der Lehre dieser Erfindung erreicht, daß die qualitative und quantitative Funktion der Ultra­ schallsende- und Empfangseinrichtung, sowie die Funktion des Mikroprozessors überwacht wird. Damit ist es möglich, Sensoren der beschriebenen Art in sicherheitsrelevanten Bereichen ein­ zusetzen.

Claims (4)

1. Apparat und Verfahren zum Zwecke der Objekterfassung inner­ halb definierter Distanzen bzw. zum Bestimmen der Distanzen zu einem Objekt nach dem Ultraschall-Impuls-Echo-Laufzeit­ verfahren, wobei dieser Sensor aus einem Ultraschall-Sender, einem Ultraschall-Empfänger nebst dazugehörigen Schall-Wand­ lern und einer Steuerlogik besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Nahbereich der Empfänger/und Sender-Schall-Wandler des Sensors zusätzliche Empfangs- und Sende-Schall-Wandler als Referenz-Sensoren zusätzlich angeordnet sind, wobei beim Aussenden des Sendeimpulses zu Beginn der Messung dieser Im­ puls vom Referenz-Empfangs-Schall-Wandler empfangen wird, wobei die dabei ermittelte Amplitude innerhalb eines vorge­ gebenen Toleranzspektrum sich befinden muß, was von der Steuer­ logik überprüft wird.

Ist die Signal-Amplitude außerhalb des Toleranzbereiches, wird von der Steuerlogik eine Fehlermeldung veranlaßt. In der Zeitspanne zwischen Ende des Meßbereiches und vor Beginn des neuen Meßzyklusses wird von der Steuerlogik veranlaßt, daß der Referenz-Schall-Sender einen kurzen Impuls abgibt, der vom Empfänger-Schall-Wandler des Sensors aufgenommen wird und von der Auswerteelektronik auf das Einhalten einer vorgegebenen Amplitude innerhalb eines Toleranzfeldes überprüft wird. Wenn das Toleranzfeld verlassen wird, wird von der Steuerlogik eine Fehlermeldung ausgelöst. Die Steuerlogik wird von einer unab­ hängig arbeitenden elektronischen Schaltung auf Arbeitsfähig­ keit permanent getestet, wobei bei Störungen der Steuerlogik ebenfalls eine Fehlermeldung erzeugt wird.

2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik durch einen Mikroprozessor realisiert ist, die Ultraschall-Sende- und Empfangskapsel der Sensoranordnung in einer einizigen, kombinierten Schallwandlerordnung zusammen­ gefaßt ist und die Sende- und Empfangs-Schall-Wandler der Referenzanordnung ebenfalls durch einen kombinierten Sende-Empfangs-Schall-Wandler realisiert ist.

3. Apparat und Verfahren nach mindesten einem der vorange­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- und Empfangs-Schall-Wandler und Referenz-Schall-Wandler in einem einzigen Gehäuse integriert sind.