DE4204414C1 - Pulse echo level measuring instrument with pulse transceiver - has circuits to derive distance between transceiver and reflection surface from time between single or multiple echo pulses - Google Patents

Pulse echo level measuring instrument with pulse transceiver - has circuits to derive distance between transceiver and reflection surface from time between single or multiple echo pulses

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DE4204414C1
DE4204414C1 DE19924204414 DE4204414A DE4204414C1 DE 4204414 C1 DE4204414 C1 DE 4204414C1 DE 19924204414 DE19924204414 DE 19924204414 DE 4204414 A DE4204414 A DE 4204414A DE 4204414 C1 DE4204414 C1 DE 4204414C1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Impulsecho-Entfernungsmessung mit einem abwechselnd als Sendewandler zur Aussendung von Sendeimpulsen und als Empfangswandler der an einer Reflexionsebene reflektierten Echoimpulse betriebenen Wandler und einer, eine Impulslaufzeitmeßschaltung und einen Speicher aufweisende elektrische Auswerteschaltung zur Ermittlung des Abstandes zwischen Wandler und der Reflexionsebene aus der Laufzeit der Impulse.
Anordnungen dieser Art, bei welchem Schall- oder Ultraschallwellen zur Anwendung gelangen, werden häufig bei der Überwachung von Prozessen, z. B. zur Erfassung der Füllhöhe von Behältern oder Lagerplätzen, der Fließhöhe in offenen Gerinnen oder ähnlichen, für den Ablauf von Prozessen notwendigen Meßwerten, eingesetzt.
Bedingt durch das physikalische Verhalten des Sende- oder Empfangswandlers haben diese Vorrichtungen den Nachteil, daß die Messung der Wegstrecke zwischen Sende- und Empfangswandler und der Reflexionsebene nur bis zu einem Mindestabstand möglich ist. Dies bedeutet, daß ein Teil der Lagerkapazität eines Behälters oder eines Lagerplatzes oder das Fließvolumen eines Gerinnes zu einem Teil nicht ausgenutzt werden kann, weil eine Überwachung der Füll- oder Fließhöhe innerhalb des Mindestabstandes zwischen Sende- und Empfangswandler und der Reflexionsebene nicht möglich ist.
Bedingt wird dieser Mindestabstand dadurch, daß bei mit Schallimpulsen arbeitenden Wandlern die Schwingung der Membran nach Ende des Sendeimpulses nicht sprunghaft aufhören, sondern die Membran noch eine kleine Zeitspanne nachschwingt. In der Zeit des Nachschwingens können jedoch keine ankommenden Echoimpulse empfangen oder zumindest nicht erkannt werden.
Die Zeitspanne, in welcher ein Empfang oder die Auswertung des Echoimpulses nicht möglich ist, wird allgemein als Blockdistanz bezeichnet. Um diesen Nachteil zu beheben, schlägt die DE-PS 25 47 759 vor, den Sende- und Empfangswandlers eines Schall-Echolotes für die Messung von Füllständen, mittels eines Verlängerungsrohres oberhalb des Behälterdeckels, also in einem bestimmten Abstand oberhalb des Behälters anzuordnen, und damit die Blockdistanz in das Verlängerungsrohr zu verschieben. Dabei den Sende- und Empfangsimpuls innerhalb eines Schallführungsrohres zu leiten und dessen, auf das zu messende Medium gerichtete Ende zur Anpassung der akustischen Impedanz des Schallführungsrohres an die akustische Impedanz des Behälterinnenraumes mit Aussparungen oder Durchbrüchen so zu versehen, daß sein massiver Querschnitt zum Ende hin allmählich abnimmt. Eine solche Lösung ist mit einem vermehrten Aufwand verbunden und nicht immer läßt sich bei Bedarf ein für diese Ausführung notwendiges Verlängerungsrohr auf dem Behälterdeckel anbringen. Auch sind bei dieser Lösung erhebliche Aufwendungen zur Abdichtung des Behälterinnenraumes gegenüber der Umwelt notwendig.
Eine andere Lösung des gleichen Problemes wird in der DE-PS 33 39 984 vorgeschlagen. Dieser Vorschlag geht davon aus, zur Vermeidung der Nachteile der in der DE-PS 25 47 759 vorgeschlagenen Lösung, den Sende- und Empfangswandler eines Schall- bzw. Ultraschall-Entfernungsmeßgerätes direkt in dem Behälterdeckel anzuordnen. In dieser Patentschrift wird vorgeschlagen, die von dem Wandler aufgrund der empfangenen Echoimpulse abgegebenen elektrischen empfangssignale einem Verstärker mit steuerbarer Verstärkung und einem nachgeschalteten Schwellenwert-Diskriminator sowie einer Verstärkersteuerschaltung zuzuleiten, die nach jedem Sendeimpuls die Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit von der Zeit, nach einer gespeicherten Funktion steuert. Dabei ist die gespeicherte Funktion entsprechend dem Ausschwingverhalten des Wandlers derart festgelegt, daß in der Ausschwingzeit des Wandlers die Verstärkung gesteuert wird und die vom Ausschwingen des Wandlers stammenden elektrischen Empfangssignale nach der Verstärkung kleiner als der Schwellenwert des Schwellenwert-Diskriminators sind. Damit ist es möglich, in der Ausschwingzeit, also in die Blockdistanz fallende Echosignale zu erfassen, ohne daß eine Gefahr der Übersteuerung des Verstärkers durch die Ausschwingsignale besteht. Diese vorgeschlagene Lösung hat den Nachteil, daß die Erfassung des Echosignales während der Ausschwingzeit nicht immer einwandfrei möglich ist, so daß Fehlmessungen nicht ausgeschlossen werden können.
Eine andere Lösung der gleichen Aufgabe ist in der US-PS 41 83 007 beschrieben. Aus dieser Druckschrift ist ein Ultraschallwandler bekannt, bei welchem der Mindestabstand zwischen Wandler und Reflextionsebene, in welcher der Abstand gerade noch meßbar ist, durch eine spezielle Konstruktion des Wandlers verringert.
Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung vorzuschlagen, durch welche die Erfassung und Auswertung erheblich kleinerer Abstände zwischen Sende- und Empfangswandler und Reflexionsebene möglich ist und gleichzeitig auf die sehr schwierige Erfassung von Echosignalen während der Blockdistanz verzichtet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile sind in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ultraschall- Füllstandsmeßgerätes mit der erfindungsgemäßen Anordnung, eingebracht in einem Behälter, dessen Füllhöhe mit dem Füllstandsmeßgerät ermittelt werden soll.
Fig. 2 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.
Fig. 3 das Digramm des zeitlichen Verlaufes von Signalen, welche bei der Ermittlung der Füllhöhe eines Behälters an den Sende- und Empfangswandler der Erfindung anliegen.
Fig. 4 des Flußdiagramm für eine, mittels eines Microprozessors realisierte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Ultraschall-Füllstandsmeßgerät bezeichnet, welches der Einfachheit halber im folgenden nur Sensor bezeichnet werden soll. Der Sensor wird abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben. Er ist in dem Deckel eines Behälters 2 angeordnet, in dessen Innenraum ein Füllgut 3 gelagert ist, dessen Füllhöhe mittels des Sensors 1 gemessen werden soll. Dazu richtet der Sensor 1 einen Sendeimpuls 4 auf die, die Reflexionsebene bildende Oberfläche 5 des Füllgutes. Der Sendeimpuls durchläuft die Strecke A zwischen Sensormembran und Füllgutoberfläche, reflektiert auf dieser und kehrt nach nochmaligem Durchlaufen der Strecke A als Echoimpuls 6 zur Sensormembran zurück. Bei bekannter Laufzeit des Schallimpulses in dem oberhalb des Meßmediums in dem Behälter befindllichen Gasraum ergibt sich für die Strecke A
und bei geleertem Behälter wird der Schallimpuls zweimal die Strecke E zurücklegen. Jede andere Füllhöhe ist dann eine Strecke mit einer Länge innerhalb der Strecke E. Nach Ende des Sendeimpulses kommt die Membran des Sensors 1 nicht sprunghaft zur Ruhe, sondern schwingt noch eine geringe Zeitspanne nach. In Fig. 3 ist der zeitliche Ablauf der Messung näher dargestellt. Wie später noch näher erläutert wird, kann die noch nicht in Ruhe befindliche Membran nur so von an ihr ankommenden Echoimpulsen zur Schwingung erregt werden, daß diese nicht klar als reflektierte Sendeimpulse erkennbar sind. Deshalb stellt in der Fig. 1 die Strecke A den räumlichen Abstand zwischen der Membran des Sensors 1 und der Oberfläche 5 und in Fig. 3 den zeitlichen Abstand dar, welcher gerade noch erfaßbar ist, weil die Echoimpulse erst zeitlich unmittelbar nach Ausschwingen der Membran, also nach Ende der Blockdistanz F an der Membran eintreffen. Durch die Nichterkennbarkeit der Echoimpulse war es bisher nicht möglich, die in der Blockdistanz F liegende kurze Strecke zwischen Sensor und Oberfläche zu messen. Dies bedetuet aber, daß der gesamte, in Fig. 1 gezeigte, Raum oberhalb des Füllgutes nicht als Lagerraum zur Verfügung steht.
Für die Messung von hohen Füllhöhen, etwa in dem Meßbereich H, wirkt sich außerdem noch die Tatsache störend aus, daß der von dem Sensor 1 abgestrahlte Sendeimpuls die angenommene räumliche Strecke nicht nur einmal, sondern mehrmals durchläuft und zwar bedingt von wiederholenden Reflexionen an der Oberfläche des Füllgutes, der Innenfläche des Behälterdeckels, aber auch der Sensormembran und wiederum an der Oberfläche des Füllgutes usw. Jeder an der Membran eintreffende Echoimpuls regt diese zu Schwingungen an, so daß noch zusätzliche Störimpulse die Auswertung erschweren.
Gerade diese bisher störenden mehrfachen Echoimpulse sind es, welche sich die vorgeschlagene Anordnung zunutze macht.
Fig. 2 zeigt das Blockschema der erfindungsgemäßen Anordnung. Hierin ist mit 1 ein Sendeimpulsgenerator dargestellt, der in einem festgelegten Zeittakt, z. B. viermal pro Sekunde, über eine Leitung a einen Hochspannungsimpuls an den, im Inneren des Sensors angeordneten Sende- und Empfangswandler 2 abgibt. Zur Anregung seiner Membran ist der Sende- und Empfangswandler 2 mit einem piezoelektrischen Kristall ausgerüstet, welcher durch den von dem Sendeimpulsgenerator 1 erzeugten Sendeimpuls zu Schwingungen mit der Frequenz der Ultraschallwelle angeregt wird. Der piezoelektrische Kristall regt seinerseits die Membran des Sende- und Empfangswandlers 2 zu Schwingungen in der gleichen Frequenz an.
Zeitgleich mit dem Sendeimpuls gibt der Sendeimpulsgenerator 1 einen zweiten elektrischen Impuls ab, welcher über eine zweite Verbindungsleitung b zu der Zeitmeßstufe 4, sowie über eine dritte Leitung c den Zeitgliedern 5 und 6 übertragen wird. Der elektrische Impuls löst in der Zeitmeßstufe 4 den Start der Laufzeitmessung für die Ermittlung der Zeitdauer zwischen dem Aussenden des Sendeimpulses und dem Empfangen des Echoimpulses aus. Außerdem startet der elektrische Impuls die Zeitmessung in den beiden Zeitgliedern 5 und 6 welche einfache Monoflop sein können und auf deren Funktion später noch eingegangen werden soll. Nach Ende des Sendeimpulses und nach dem Ausschwingen der Membran empfängt der Sende- und Empfangswandler 2 das auf die Reflexionsebene gerichtete und dort reflektierte Echosignal und wird dadurch zu Schwingungen angeregt. Der piezoelektrische Kristall wandelt die akustischen Schwingungen in elektrische um und gibt über die elektrische Verbindungsleitung d eine elektrische Wechselspannung mit der Frequenz des Sendeimpulses an den Verstärker 3 ab.
Das Diagramm von Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der, an dem Sende- und Empfangswandler 2 anliegenden Ein- und Ausgangssignale beim Senden und beim Empfang der Echoimpulse. Zur Vereinfachung des Diagramms von Fig. 3 sind nur die positiven Hüllkurven der Signale dargestellt. In Wirklichkeit handelt es sich um Schwingungen mit der Frequenz der Ultraschallwelle, deren Amplituden sich entsprechend den dargestellten Hüllkurven ändern. Der Meßzyklus beginnt im Zeitpunkt t₀. In diesem Zeitpunkt gibt der Impulsgenerator 1 einen Sendeimpuls ab, welcher den Sende- und Empfangswandler 2 zu Schwingungen anregt. Der Sendeimpuls liegt für die Dauer der Sendezeit s, also bis zum Zeitpunkt t₁ an dem Sende- und Empfangswandler 2 an. Während dieser Zeit schwingt der Sende- und Empfangswandler 2 mit einer durch die Amplitude des Sendeimpulses bestimmten Schwingungsamplitude. Der Sendeimpuls s endet im Zeitpunkt t₁. Der Sende- und Empfangswandler 2 hört aber nicht sprunghaft zu schwingen auf, sondern schwingt während einer Ausschwingzeit F allmählich aus. Es sei angenommen, daß der Sende- und Empfangswandler 2 im Zeitpunkt t₂ zur Ruhe kommt. In dieser, Blockdistanz genannten, Zeit ist keine oder nur erschwerte, d. h. unsichere Erkennung des Echosignales möglich. Der Echoimpuls E₀ ist ein solcher, bisher nicht auswertbarer Impuls.
Im Zeitpunkt t₃ liegt dann der erste erkennbare Echoimpuls E₁ an dem Sende- und Empfangswandler 2 an. Er wird in dem Verstärker 3 verstärkt und dem Auswerteelement 7 zugeführt. In dem Speicher 8 sind für die Meßeinrichtung spezielle Werte, wie z. B. die Sendefrequenz, die Amplitude, sowie das Ausblenden von Festzielen, d. h. die von festen einbauten des Behälters stammenden immer wiederkehrenden Störechos abgelegt. Das Auswerteelement 7 empfängt diese Speicherwerte und benutzt sie, um eine Auswertung des erhaltenen Echosignales derart vorzunehmen, daß nur solche Echoimpulse, die einwandfrei erkennbar sind, an die Zeitmeßstufe 4 weitergegeben werden. Der Eingang eines solchen Impulses bewirkt in der Zeitmeßstufe 4, das Beenden des Zeitmeßvorganges, so daß am Ausgang der Zeitmeßstufe 4 die gemessene Laufzeit des Ultraschallimpulses an den Speicher 9 abgegeben wird.
Befindet sich die zu ermittelnde Füllhöhe in einem räumlichen Meßbereich H, in welchem sich die Reflexionsebene 5 in einer kurzen Distanz zu dem Sensor 1 befindet (Fig. 1), treten wegen der in diesem Meßbereich noch hohen Energie des Echoimpulses erkennbare Doppelechos auf. Diese sind dadurch verursacht, daß der abgestrahlte Sendeimpuls mehrfach an der Füllgutoberfläche und an dem Behälterdeckel und dabei auch an der Sensormembran reflektiert. Jedes Eintreffen einer Echoschallwelle löst natürlich neben allen anderen Störechos in dem Sende- und Empfangswandler 2 die Abgabe einer elektrischen Wechselspannung mit der Frequenz des Sendeimpulses aus. In Fig. 3 sind mit E₁, E₂, E₃, E₄, die Hüllkurven solcher Mehrfachechos dargestellt. Da alle diese Echoimpulse die gleiche Strecke zwischen Sensor und Reflexionsebene durchlaufen, treffen sie auch mit dem gleichen zeitlichen Abstand T₁, T₂, T₃, T₄, wieder am Sende- und Empfangswandler 2 ein. Das Ausschwingverhalten des Sende- und Empfangswandlers verhindert bisher das Empfangen oder zumindestens Erkennen des in der Ausschwingkurve der Blockdistanz F liegenden Echoimpulses E₀. Deshalb wird der Sende- und Empfangswandler 2 nach Ende der Blockdistanz F, also nach Abklingen der Schwingungen der Membran als ersten den Mehrfachechoimpuls E₁ erkennen. Diesen folgen die ebenfalls erkennbaren Mehrfachechos E₂, E₃. Sie treffen wegen dem, durch die Mehrfachreflektion verursachten Energieverbrauch mit immer kleiner werdender Amplitude an den Sende- und Empfangswandler 2 ein. Im Zeitpunkt t₄ endet die Zeitspanne B, in welcher das Erkennen solcher Mehrfachechos gewährleistet ist. Um diese Mehrfachechos im Gegensatz zu der bisher angewandten Praxis der Ausblendung zur Ermittlung einer, im Bereich der Blockdistanz F liegenden Füllhöhe auszunutzen, wird das von dem Auswerteelement 7 einwandfrei als Echosignal erkannte Signal parallel zu der Zeitmeßstufe 4 über die Schalteinrichtung 10 einer Mehrfachechoerkennungsschaltung 25 zugeführt. Dazu steht diese Schalteinrichtung 10 wie das Auswerteelement 7 über elektrische Leitungen mit den Zeitgliedern 5 und 6 in Verbindung. Die Aufgabe der Zeitglieder 5 und 6 ist es, nur solche Impulse zuzulassen, welche in der Zeitspanne B von Fig. 3 den Sende- und Empfangswandler 2 erreichen. Dies geschieht dadurch, daß ein vom Sendeimpulsgenerator 1 gleichzeitig abgegebene drittes Signal über die Verbindungsleitung c an die Zeitglieder 5 und 6 gelegt wird, welches in dem Zeitglied 5 eine Zeitmessung auslöst, um die Zeitdifferenz vom Sendeimpulsende, also vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂, d. h. die Blockzeit F zu ermitteln. Im Zeitpunkt t₂ öffnet das Zeitglied 5 in dem Schaltelement 10 das Zeittor B zum Empfang von Echoimpulsen. Das Zeitglied 6 bewirkt in dem Schaltelement 10, daß die in diesem Zeitglied ablaufende Zeitmessung das Zeitfenster B, in welchem allein auswertbare Doppelechos zur Verfügung stehen begrenzt. Nach Ablauf der in dem Zeitglied 6 programmierten Zeitspanne, also bei Erreichen des Zeitpunktes t₄ bewirkt das Zeitglied 6 in der Schalteinrichtung 10 das Schließen des Zeittores B. An Stelle der festen Zeiteinstellung, welche von der Zeitspanne, in welcher üblicherweise erkennbare Mehrfachechos zu erwarten sind, bestimmt ist, kann das Schließen des Zeittores B zum Zeitpunkt t₄ auch von einem, von der Amplitudenhöhe beeinflußbaren Schaltelement erfolgen.
Zur Auswertung der, während der Zeitspanne B den Sende- und Empfangswandler 2 erreichenden Doppelechos, löst das Auswerteelement 7 über die geschlossene Schalteinrichtung 10 in der Mehrfachechoerkennungsschaltung 25, d. h. in den Zählelementen 11, 14, 16 den Start von Zählvorgängen aus. Dabei stellt der Zähler 11 fest, welche Anzahl von Echoimpulsen liegen in der Zeitspanne B an dem Auswerteelement 7 an. Der mit dem Zähler 11 in Verbindung stehende Komparator 12 entscheidet, ob die Anzahl der erkannten Impulse die Voraussetzung
n3
erfüllt. Ist diese Voraussetzung erfüllt, gibt der Komparator 12 ein Signal an das UND-Element 13 ab. Gleichzeitig ermittelt das Zählelement 14 den zeitlichen Abstand zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₃, also die Zeitstrecke A. Der mit den Zeitgliedern 14 und 16 in Verbindung stehende Komparator 15 empfängt von dem Zählelement 14 den der Zeitstrecke A entsprechenden Wert und gleichzeitig von dem Zählelement 16 einen Wert, welcher der Zeitstrecke T₂ entspricht. Er stellt nun fest, ob die Voraussetzung
A=n×T₂
erfüllt ist. In einem solchen Fall gibt der Komparator 15 ebenfalls ein Signal an das UND-Element 13 ab. Weiter löst der, von dem Auswerteelement 7 abgegebene Impuls in dem Zählelement 13 einen Zählvorgang aus, der die zeitlichen Abstände T₂, T₃ feststellt.
Der Komparator 17 ist mit dem Zählelement 16 verbunden. Er wird, wenn die Voraussetzung
T₂=T₃
erfüllt ist, ebenfalls ein Signal an das UND-Element 13 abgeben. Weiter ist das Zählelement 16 mit dem Speicher 18 verbunden. Das Zählelement 16 gibt den Abstand T₂ an den Speicher 18 ab. Sind die, von den Komparatoren 12, 15, 17 geforderten Bedingungen gegeben, bedeutet dies, daß bereits ein Echoimpuls E₀ mit dem Abstand T₁ und gleichzeitig mit dem Abstand T₀ von dem Zeitpunkt t₀ aus während der Blockdistanz F, d. h. während des Ausschwingens den Sende und Empfangswandler 2 erreichte, und es sich bei den Echoimpulsen E₁, E₂, E₃ um Mehrfachechos des Echoimpulses E₀ handelt. Das UND-Element 13 ist so aufgebaut, daß sein Ausgang nur dann einen Impuls abgibt, wenn an allen Eingängen der von den Komparatoren 12, 15, 17 abgegebene Impuls anliegt. Dann löst das UND-Element 13 über die Zeitverzögerungsstufe 19 die Betätigung eines Umschaltelementes 20 aus. Das Umschaltelement 20 stellt wahlweise die elektrische Verbindung zwischen dem Speicher 9 und dem Schaltungspunkt 21 oder zwischen dem Speicher 18 und dem Schaltungspunkt 21 her. Ist die elektrische Verbindungen zwischen dem Speicher 18 und dem Schaltungspunkt 21 geschlossen, liegt an dem Schaltungspunkt 21 ein Wert an, der dem zeitlichen Abstand T₀ von Fig. 3 entspricht. Für den Fachmann ist es nun klar erkenntlich, daß damit aus dem Zeitabstand T₂, T₃ der außerhalb der Blockdistanz F in dem Zeitfenster B an dem Sende- und Empfangswandler 2 anliegenden Mehrfachechoimpulse E₁, E₂, E₃ der Zeitabstand T₀ des innerhalb der Blockdistanz F liegenden Echoimpulses ermittelt und daraus exakt eine Füllhöhe C bestimmt werden kann, dessen Reflexionsebene 5 einen wesentlich kleineren Abstand zum Sensor 1 aufweist, als dies bisher möglich war. Damit verbunden ist eine wesentllich bessere Nutzung derSpeicherkapazität von Behältern und Lagerplätzen sowie der Fließhöhe von Gerinnen.
Der Schaltungspunkt 21 steht seinerseits mit der Anzeigeeinheit 22 und über den Analog-Digital-Wandler 23 mit dem Aktor 24 in elektrischer Verbindung.
Stellt zumindest einer der Komparatoren 12, 15, 17 fest, daß die geforderten Voraussetzungen nicht erfüllt sind, liegen keine Mehrfachechos vor und das UND-Element 13 bestätigt über die Zeitverzögerungsstufe 19 wiederum das Umschaltelement 20. Durch diesen Umschaltvorgang liegt nun der Wert des Speichers 9 an dem Schaltungspunkt 21 an. Dies bedeutet, daß sich die Füllhöhe und damit die Reflexionsebene 5 in dem Meßbereich D befindet. Wie bereits ausgeführt, kann die Ermittlung der Füllhöhe in diesem Meßbereich auf die bisher bekannte Art der Impulslaufzeitmessung erfolgen.
Unabhängig, welcher der Speicher 9 oder 18 mit dem Schaltungspunkt 21 in Verbindung steht, ermittelt die Anzeigeeinheit 22 aus der ihr zugeführten Laufzeit des Schallimpulses den eigentlichen Abstand die Strecke s zwischen Sensor 1 und Reflexionsebene 5. Da der Abstand E in der Anzeigeeinheit 22 fest eingegeben ist, läßt sich nun durch die Anzeigeeinheit 22 sehr leicht die Füllhöhe ermitteln und anzeigen. Bei dem beschriebenen Beispiel entspricht die Füllhöhe dem Abstand E abzüglich der halben Laufzeit des zeitlichen Abstandes T₀, also der Strecke C, Füllhöhe = E-C.
Der Aktor 24 dient der Auslösung von Prozeßsteuervorgängen.
Der Sendeimpulsgenerator 1 weist noch einen weiteren Ausgang e auf. Dieser steht mit den Zählelementen 11, 14, 16 ebenfalls in Verbindung. Mit Beginn jedes Sendeimpulses setzt dieser an den Zählelementen 11, 14, 16 anliegende Impuls den Zählerstand der Zählelemente auf 0 zurück, damit ein neuer Auswertezyklus beginnen kann.
In einer üblichen preiswerten Weise, kann die erfindungsgemäße Anordnung selbstverständlich auch durch einen Mikroprozessor realisiert sein. Fig. 4 zeigt das Flußdiagramm für eine solche Ausführungsform. Der Sendeimpulsgenerator 1 startet den Meßzyklus. Stellt der Mikroprozessor fest, daß es sich bei den ankommenden Echoimpulsen um ein Vielfachecho aus dem Meßbereich B handelt und liegen alle Kriterien zur Ermittlung des im Meßbereich F liegenden tatsächlichen Füllstandes vor, wird dieser tatsächliche Füllstand E-C angezeigt und/oder ein Aktor betätigt. Im anderen Falle handelt es sich um einen Meßwert im Meßbereich D, wofür das ankommende Echo als einmalige Reflexion des Sendeimpulses bewertet wird und zur Ermittlung der Laufzeit und der daraus errechneten Füllhöhe Verwendung findet.

Claims (11)

1. Anordnung zur Impuls-Echo-Entfernungsmessung mit einem abwechselnd als Sendewandler zur Aussendung von Sendeimpulsen und als Empfangswandler, der an einer Reflexionsebene reflektierten Echoimpulse betriebenen Wandler und einer, eine Impulslaufzeitmeßschaltung und einen Speicher aufweisende elektrische Auswerteschaltung zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Wandler und der Reflexionsebene aus der Laufzeit der Impulse, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
  • a) die Auswerteschaltung weist eine Impulslaufzeitmeßschaltung (1, 4, 7), eine Zeittorschaltung (1, 5, 6, 10), eine Mehrfachechoerkennungsschaltung (25), Umschaltvorrichtungen (10, 20), ein UND-Glied (13) sowie Speicher (9, 18) auf,
  • b) die Zeittorschaltung (1, 5, 6, 10) hält ein Zeittor (B) für eine vorbestimmte Zeitspanne geöffnet,
  • c) die Zeitspanne (B) beginnt unmittelbar nach Ende der, dem Sendeimpuls (S) folgende Ausschwingzeit (F) der Membran des Wandlers (2),
  • d) die Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) empfängt in der Zeitspanne (B) die an den Wandler (2) anliegenden Echoimpulse (E₁, E₂, E₃, En) und vergleicht durch, mit den Zählelementen (11, 14, 16) elektrisch verbundenen Komperatoren (12, 15, 17), das Erreichen eines Sollwertes und ermittelt aus dem Vergleich zwischen den empfangenen Echoimpulsen und dem Sollwert das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Mehrfachechos sowie die Laufzeit zwischen zwei Echoimpulsen und führt diesen Zeitwert dem Speicher (18) zu,
  • e) das UND-Glied (13) betätigt in Abhängigkeit von dem Anliegen mehrfacher Echoimpulse (E₁, E₂, E₃, En), die Umschaltvorrichtung (20) und bringt den Speicher (18) so in elektrische Verbindung mit einer Anzeigevorrichtung (22) und/oder einen Aktor (24), daß der räumliche Abstand zwischen Sensor (2) und der Reflexionsebene aus dem, in dem Speicher (18) gespeicherten Zeitwert zwischen zwei Mehrfachechoimpulsen (T₂=T₃=Tn) ermittelt ist und
  • f) die Zeittorschaltung (1, 5, 6, 10) trennt nach Ende der vorbestimmten Zeitspanne (B) die Impulslaufzeitmeßschaltung (1, 4, 7) von der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) oder das UND-Glied (13) betätigt bei Nichtvorliegen von Mehrfachechoimpulsen die Umschaltvorrichtung (20), die Zeittorschaltung (10) oder die Umschaltvorrichtung (20) bringen den Speicher (9) so in elektrische Verbindung, zu der Anzeigeeinheit (22) und/oder dem Aktor (24), daß der räumliche Abstand zwischen dem Sensor (2) und der Reflektionsebene aus dem, in dem Speicher (9) gespeicherten Zeitwert ermittelt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinheit (22) aus dem, in dem Speicher (18) gespeicherten Zeitwert (T₂=T₃=Tn), die in dem Ausschwingzeitraum (F) der Membran des Wandlers (2) liegende Laufzeit (T₀) und daraus den räumlichen Abstand zwischen dem Wandler (2) und der Reflektionsebene ermittelt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zählelemente (11, 14, 16) der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) die, innerhalb der Zeitspanne (B) die Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) erreichenden Echoimpulse (E₁, E₂, E₃, En), addieren, den Zeitabstand (A) zwischen Sendeimpuls und erstem, Echoimpuls (E₁) sowie den Zeitabstand (T₂, T₃, Tn) zwischen den Echoimpulsen (E₁, E₂, E₃, En) ermitteln und den Wert des Zeitabstandes (T₂=T₃=Tn) an den Speicher (18) abgeben.
4. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Zählelementen (11, 14, 16) in elektrischer Verbindung stehenden Komparatoren (12, 15, 17) der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) die Anzahl der erfaßten Impulse (E₁, E₂, E₃, En), den Zeitabstand (A) zwischen dem Sendeimpuls (S) und dem ersten, die Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) erreichenden Echoimpulses (E), die Zeitabstände (T₂, T₃, Tn), zwischen den Echoimpulsen (E₁, E₂, E₃, En), mit jeweils einem Sollwert vergleichen und bei Erreichen des Sollwertes einen elektrischen Impuls an das UND-Glied (13) abgeben und das UND-Glied (13) die Umschaltung der Umschaltvorrichtung (20) auslöst und damit den Speicher (18) mit der Anzeigeeinheit (22) und/oder den Aktor (24) in elektrische Verbindung bringt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitglied (5) elektrisch mit dem Impulsgenerator (1) dem Auswerteelement (7) und der Umschaltvorrichtung (10) verbunden ist, der Impulsgenerator (1) in dem Zeitglied (5) einen Zeitmeßvorgang auslöst und bei Erreichen eines vorgegebenen Zeitwertes, das Zeitmeßglied (5), das Auswerteelement (7) für den Empfang von Echoimpulsen öffnet und gleichzeitig die Umschaltvorrichtung (10) schließt und damit das Auswertelement (7) elektrisch mit der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) verbindet.
6. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Zeitglied (6) elektrisch mit dem Impulsgenerator (1) und der Umschaltvorrichtung (10) verbunden ist, der Impulsgenerator (1) in dem Zeitglied (6) einen Zeitmeßvorgang auslöst und das Zeitglied (6) bei Erreichen eines vorgegebenen Zeitwertes, das Schaltelement (10) öffnet, so daß die elektrische Verbindung zwischen dem Auswerteelement (7) und der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) geöffnet und nur das Auswerteelement (7) mit der Zeitmeßstufe 4 elektrisch verbunden bleibt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswerteelement (7) über die Umschaltvorrichtung (10) mit der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) und gleichzeitig mit der Zeitmeßstufe 4 verbunden ist und das Auswerteelement (7) nur einwandfrei erkennbare Echoimpulse der Zeitmeßstufe 4 oder der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) zuführt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (1) in dem Zählelement (11) die Addition der ankommenden Echoimpulse in dem Zählelement (14) die Messung des Zeitabstandes (A) zwischen dem Aussenden des Sendeimpulses (S) und dem Empfangen des ersten Echoimpulses (E₁) und dem Zählelement (16) die Messung des Zeitabstandes zwischen den Echoimpulsen (T₂, T₃, Tn) auslöst.
9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß das UND-Glied (13) über eine Zeitverzögerungsstufe (19) mit dem Umschaltelement (20) verbunden ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (1) zu Beginn eines jeden Sendeimpulses die Rückstellung der Zählelemente (11, 14, 16) der Mehrfachechoerkennungsschaltung (25) auslöst.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung durch einen Mikroprozessor realisiert ist.
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