DE4215438C1 - Temp. compensation system for sound wave propagation distance measurements - using capacitor charging source or discharge circuit having temp. coefft. compensating temp. dependence of propagation time - Google Patents

Temp. compensation system for sound wave propagation distance measurements - using capacitor charging source or discharge circuit having temp. coefft. compensating temp. dependence of propagation time

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Abstract

A storage capacitor is charged from a source (Q1,R1..R4) upon transmission of the sound waves. The reception of the corresponding echo pulse is used to initiate its subsequent discharge, via a discharge circuit (Q2,R5,R6,D1,D2), with evaluation of the interval between the beginning of the capacitor charging and full discharge of the capacitor. The charging source (Q1,R1..R4) may have a positive temp coefficient and the discharge circuit (Q2,R5,R6,D1,D2) a negative temp coefficient. USE/ADVANTAGE - Precision ultrasonic ranging device, eliminating need for correction stage.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The present invention relates to a method according to the generic term of claim 1 and a Device for performing this method.

Zur Messung der Schallaufzeit ist es beispielsweise aus der EP-A2-02 43 941, von der das Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ausgeht, bekannt, die Aufladung eines Kondensators aus einer Konstantstromquelle beim Aussenden eines Schallimpulses zu starten und mit dem Empfang eines an einem Objekt reflektierten Echoimpulses zu beenden. Die bis zum Empfang des Echoimpulses sich ergebende Kondensator-Aufladung ist sodann ein Maß für die Entfernung des Objektes, an dem der Schall reflektiert wurde. Andererseits ist es bekannt, daß die Schall-Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft proportional zu ist, so daß bei Temperaturschwankungen das Meßergebnis mit einem Fehler behaftet ist. Um diesem Fehler zu begegnen, kann man die Konstantstromquelle mit einem kompensierenden Temperatur Koeffizienten versehen. Dann erhält man bei unterschiedlichen Temperaturen gleiche Kondensatoraufladungen bei gleicher Objektentfernung, wobei diese Kondensatoraufladung zur analogen Meßwertanzeige benutzt werden kann oder auch nach entsprechender Umsetzung digital ausgewertet werden kann. For measuring the sound propagation time, it is, for example, from EP-A2-02 43 941, from which the method according to the preamble of claim 1 is based, discloses the charging of a capacitor to a constant current source when emitting a sound pulse start and receive a reflected on an object To end the echo pulse. The until the reception of the echo pulse resulting capacitor charging is then a measure of that Distance of the object from which the sound was reflected. On the other hand, it is known that the Sound propagation speed in air proportional to is, so that the measurement result with a Is buggy. To counter this error, you can use the Constant current source with a compensating temperature Provide coefficients. Then you get at different ones Temperatures same capacitor charges at the same Object distance, this capacitor charging for analog Measured value display can be used or according to the corresponding Implementation can be evaluated digitally.  

Die Kompensation des Temperaturfehlers kann weiterhin gemäß der DE-A1-29 35 143 in der Weise erfolgen, daß man ein Objekt in bekannter Entferung anordnet und eine entsprechende Referenzmessung zur Korrektur bei der Entfernungsmessung anderer Objekte heranzieht.The compensation of the temperature error can continue according to the DE-A1-29 35 143 take place in such a way that an object in orders known distance and a corresponding Reference measurement for correction in the distance measurement of others Objects.

Man kann auch die Temperatur der Meßstrecke mit einem Temperaturfühler messen und nach Analog/Digital-Wandlung einem Mikroprozessor zuführen und in diesem eine Korrekturrechnung durchführen. Dies führt in Abhängigkeit der Bitbreite des Analog/ Digital-Wandlers nur zu einer stufenweisen Korrektur, die zudem vor der Anzeige einer gesonderten Berechnung bedarf.You can also measure the temperature of the measuring section with a temperature sensor measure and after analog / digital conversion a microprocessor feed and carry out a correction calculation in this. Depending on the bit width of the analog / Digital converter only for a gradual correction, which also requires a separate calculation before being displayed.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Temperaturkompensation durchzuführen, die besonders einfach ausgewertet werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.Based on the prior art mentioned at the beginning, it is the object of the present invention, a temperature compensation perform that particularly easily evaluated can be. This object is achieved according to the invention with the characterizing features of claims 1 and 5. Other advantageous embodiments of the method according to the invention and an apparatus for performing this method the dependent claims.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen seien im folgenden erfindungsgemäße Verfahrensvarianten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Es zeigen Based on the figures shown in the accompanying drawings In the following, exemplary embodiments are according to the invention Process variants and a device for implementation described the inventive method. Show it  

Fig. 1-3 verschiedene Diagramme zur Erläuterung von unterschiedlichen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1-3 shows different diagrams for explaining different variants of the method according to the invention,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 4 shows a circuit arrangement for performing the method according to the invention and

Fig. 5 verschiedene Signaldiagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4. Fig. 5 different signal diagrams for explaining the method according to the invention and the operation of the circuit according to Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 sind Signalverläufe dargestellt, die einer Kondensatoraufladung und Entladung zugeordnet sind, wobei mit der Aussendung eines Ultraschall-Impulses die Kondensatoraufladung gestartet wird und beim Empfang eines ersten Echoimpulses die Kondensatoraufladung gestoppt und seine Entladung gestartet wird. Bei diesem Diagramm sind unterschiedliche Schallaufzeiten für drei unterschiedliche Temperaturen von +75°C, +25°C und -25°C angenommen und es wurde ein positiver Temperaturkoeffizient TK für die Aufladung und ein negativer Temperaturkoeffizient TT für die Entladung vorgegeben. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist die Tatsache, daß nicht die Aufladung des Kondensators ausgewertet wird, was zu unterschiedlichen Meßwerten bei unterschiedlichen Temperaturen führen würde, sondern daß die Zeitspanne zwischen Beginn der Aufladung und Ende der Entladung ausgewertet wird, was in einem einfachen digitalen Zählprozeß erfolgen kann. Ebenso könnte durch Mittelung, d. h. Filterung der entstehenden Impulse, eine einfache analoge Anzeige des Meßergebnisses erfolgen.Referring to FIG. 1 waveforms are shown which are associated with a capacitor charging and discharging, wherein said capacitor charging is started with the transmission of an ultrasonic pulse and stopped capacitor charging upon receipt of a first echo pulse and its discharge is started. In this diagram, different sound propagation times for three different temperatures of + 75 ° C, + 25 ° C and -25 ° C are assumed and a positive temperature coefficient T K for charging and a negative temperature coefficient T T for discharge were specified. It is essential for the present invention that the charging of the capacitor is not evaluated, which would lead to different measured values at different temperatures, but that the time period between the start of charging and the end of the discharge is evaluated, which is done in a simple digital counting process can. Likewise, a simple analog display of the measurement result could take place by averaging, ie filtering the resulting pulses.

Fig. 2 zeigt die gleichen Verhältnisse bei Aufladung des Kondensators durch eine temperaturabhängige Konstantstromquelle und Entladung über eine Quelle mit negativem Temperaturkoeffizienten TK. Fig. 2 shows the same conditions when charging of the capacitor by a temperature dependent constant-current source and discharge a source with a negative temperature coefficient K T.

Fig. 3 zeigt die entsprechenden Verhältnisse bei einer Aufladung des Kondensators mit einer Ladequelle, die einen positiven Temperaturkoeffizienten TK aufweist und bei einer Entladung des Kondensators mittels einer temperaturunabhängigen Konstantstromquelle. Fig. 3 shows the respective ratios in a charging of the capacitor to a charging source having a positive temperature coefficient K T and at a discharge of the capacitor by means of a temperature-independent constant current source.

Gemäß Fig. 4 wird ein Speicherkondensator C aus einer Ladequelle aufgeladen, die einen pnp-Transistor Q1 umfaßt, welcher mit seinem Kollektor an den Speicherkondensator C angeschlossen ist. Der Transistor Q1 liegt mit seinem Emitter über einen Emitterwiderstand R1 an der positiven Betriebsspannungsquelle +UB. Dem Emitterwiderstand R1 ist ein veränderlicher Abgleichwiderstand R2 parallel geschaltet. Die Basis des Transistors Q1 ist über einen Widerstand R3 an die positive Betriebsspannungsquelle +UB und über einen Widerstand R4 an einen Eingang L angeschlossen. Das entsprechende Signal am Eingang L wird mit der Aussendung eines Ultraschallimpulses S gesetzt und beim ersten Echoimpuls zurückgesetzt. Dieses Signal steuert den Transistor Q1 auf, so daß der Speicherkondensator C geladen wird. Über die Basis/Emitterdiode des Transistors Q1 wird ein positiver Temperaturkoeffizient +TK bezüglich des Ladestroms vorgegeben. According to Fig. 4, a storage capacitor C from a charging source is charging, which comprises a PNP transistor Q1, which is connected with its collector to the storage capacitor C. The transistor Q1 has its emitter connected to the positive operating voltage source + U B via an emitter resistor R1. A variable trimming resistor R2 is connected in parallel with the emitter resistor R1. The base of the transistor Q1 is connected via a resistor R3 to the positive operating voltage source + U B and via a resistor R4 to an input L. The corresponding signal at input L is set with the transmission of an ultrasound pulse S and reset with the first echo pulse. This signal turns on the transistor Q1, so that the storage capacitor C is charged. A positive temperature coefficient + T K with respect to the charging current is specified via the base / emitter diode of transistor Q1.

Mit dem Empfang des ersten Echoimpulses wird das Signal L zurückgesetzt und ein Signal D gesetzt, wodurch gleichzeitig die Entladung des Speicherkondensators C über eine Entladequelle gestartet wird. Die Entladequelle umfaßt einen npn-Transistor Q2, der mit seinem Kollektor an den Kollektor des ersten Transistors Q1 und die eine Belegung des Speicherkondensators C angeschlossen ist und mit seinem Emitter über einen Widerstand R5 an der negativen Betriebsspannung -UB liegt. Die Kollektor/ Emitterstrecke des Transistors Q2 und der Widerstand R5 sind dem Speicherkondensator C parallel geschaltet. Zwischen die Basis des Transistors Q2 und die negative Betriebsspannung -UB sind zwei Dioden D1, D2 geschaltet, wobei eine Diode den Temperaturgang der Basis/Emitterdiode des Transistors Q2 kompensiert und die verbleibende Diode D2 einen negativen Temperaturkoeffizienten -TK bezüglich des Entladestromes vorgibt. Mit der bis hierhin beschriebenen Schaltung wird der Signalverlauf gemäß Fig. 1 realisiert.When the first echo pulse is received, the signal L is reset and a signal D is set, whereby the discharge of the storage capacitor C is started at the same time via a discharge source. The discharge source comprises an npn transistor Q2, the collector of which is connected to the collector of the first transistor Q1 and the occupancy of the storage capacitor C, and the emitter of which is connected to the negative operating voltage -U B via a resistor R5. The collector / emitter path of the transistor Q2 and the resistor R5 are connected in parallel with the storage capacitor C. Two diodes D1, D2 are connected between the base of the transistor Q2 and the negative operating voltage -U B , one diode compensating the temperature response of the base / emitter diode of the transistor Q2 and the remaining diode D2 specifying a negative temperature coefficient -T K with respect to the discharge current. The signal curve according to FIG. 1 is realized with the circuit described so far.

Wie anhand der Fig. 2 und 3 gezeigt worden ist, kann die Erfindung auch mit einer Schaltung realisiert werden, die im Lade- oder Entladeschaltkreis eine temperaturunabhängige Konstantstromquelle aufweist.As has been shown with reference to FIGS. 2 and 3, the invention can also be implemented with a circuit which has a temperature-independent constant current source in the charging or discharging circuit.

Der Speicherkondensator C ist mit seiner die veränderliche Spannung aufweisenden Belegung an den einen Eingang eines Komparators Komp angeschlossen, dessen anderer Eingang an einen zwischen die Betriebsspannung geschalteten Spannungsteiler R7, R8 angeschlossen ist. Die durch den Spannungsteiler vorgegebene Referenzspannung ist vorzugsweise so gewählt, daß der Komparator Komp schaltet, wenn die Spannung über dem Kondensator den Wert 0 erreicht. Das entsprechende Schaltsignal wird über einen Koppelkondensator CK und einen Widerstand R9 dem Ausgang A der Schaltung zugeführt. Der Ausgang A ist ferner über einen Widerstand R10 an die positive Betriebsspannung +UB und über einen weiteren npn-Transistor Q3 an einen Eingang SEM angeschlossen. Die Basis des Transistors Q3 ist über einen Widerstand R11 mit einem Eingang F verbunden.The storage capacitor C, with its variable voltage assignment, is connected to one input of a comparator Komp, the other input of which is connected to a voltage divider R7, R8 connected between the operating voltage. The reference voltage specified by the voltage divider is preferably selected so that the comparator Komp switches when the voltage across the capacitor reaches the value 0. The corresponding switching signal is fed to the output A of the circuit via a coupling capacitor C K and a resistor R9. The output A is also connected via a resistor R10 to the positive operating voltage + U B and via a further npn transistor Q3 to an input SEM. The base of transistor Q3 is connected to an input F via a resistor R11.

Aus dem vorstehend beschriebenen Schaltungsaufbau ergibt sich folgende anhand von Fig. 5 veranschaulichte Wirkungsweise. Bei Aussendung eines Schallimpulses S durch den Sende/Empfangs- Modulator SEM des Ultraschallsensors wird z. B. ein Zähler zur Zählung freigegeben, indem der Ausgang A hochgesetzt wird. Gleichzeitig mit diesem Signal wird das Signal L hochgesetzt, wodurch die Aufladung des Speicherkondensators C über den Ladekreis gestattet wird. Beim Empfang des ersten Echoimpulses E wird das Signal L zurückgesetzt und ein Signal D hochgesetzt, wodurch die Aufladung des Speicherkondensators C gestoppt und dessen Entladung gestartet wird. Bei einer Entladung des Speicherkondensators C auf Null wird über den Komparator Komp der Ausgang A zurückgesetzt und die Zählung gestoppt. Zuvor wurde bereits beim Empfang des ersten Echosignals E das Signal F zurückgesetzt, so daß irgendwelche Folgeechos nicht mehr von dem Modulator SEM zum Ausgang A gelangen können.From the circuit structure described above, the following mode of operation is illustrated with reference to FIG. 5. When a sound pulse S is emitted by the transmit / receive modulator SEM of the ultrasonic sensor, z. B. released a counter for counting by increasing output A. At the same time as this signal, the signal L is raised, thereby permitting the storage capacitor C to be charged via the charging circuit. When the first echo pulse E is received, the signal L is reset and a signal D is raised, as a result of which the charging of the storage capacitor C is stopped and its discharge is started. If the storage capacitor C is discharged to zero, the output A is reset via the comparator Komp and the counting is stopped. The signal F was previously reset when the first echo signal E was received, so that any subsequent echoes can no longer reach the output A from the modulator SEM.

Anstatt einer digitalen Auswertung, bei der mit dem Sendeimpuls ein Zähler gestartet und bei erfolgter Entladung des Speicherkondensators C der Zähler gestoppt wird, ist auch eine analoge Signalauswertung möglich, indem bei einer vorgegebenen Sende- Impulsfolgefrequenz des Signals S das Impuls/Pausenverhältnis des Signals A z. B. mit einem Filter angezeigt wird.Instead of a digital evaluation, with the send pulse a counter started and when the storage capacitor is discharged C the counter is stopped is also an analog  Signal evaluation possible by at a given transmission Pulse repetition frequency of the signal S the pulse / pause ratio of the signal A z. B. is displayed with a filter.

Claims (7)

1. Verfahren zur temperaturkompensierten Schall-Laufzeitmessung, bei welchem die zwischen Aussendung eines Schallimpulses und Empfang eines Echoimpulses verstrichene Zeit ein Maß für die Entfernung eines zu messenden Gegenstandes darstellt und wobei ein Speicherkondensator aus einer Ladequelle bei Aussendung eines Schallimpulses aufgeladen wird und die Aufladung beim Empfang des Echoimpulses gestoppt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Empfang des Echoimpulses eine Entladung des Speicherkondensators über eine Entladequelle gestartet wird, daß die Ladequelle und/oder die Entladequelle eine die temperaturabhängige Schallaufzeit kompensierende Temperaturkonstante aufweist und daß die Zeit zwischen Beginn der Speicherkondensatoraufladung und dem Ende der Speicherkondensatorentladung ermittelt und ausgewertet wird.1. A method for temperature-compensated sound propagation time measurement, in which the time elapsed between the transmission of a sound pulse and the reception of an echo pulse represents a measure of the distance of an object to be measured, and wherein a storage capacitor is charged from a charging source when a sound pulse is transmitted and the charge is received of the echo pulse is stopped, characterized in that when the echo pulse is received, a discharge of the storage capacitor is started via a discharge source, that the charge source and / or the discharge source has a temperature constant that compensates for the temperature-dependent sound propagation time and that the time between the start of the storage capacitor charging and the end of the Storage capacitor discharge is determined and evaluated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Speicherkondensators mit einer temperaturunabhängigen Konstantstromquelle erfolgt und die Entladung des Speicherkondensators mit einer Entladequelle erfolgt, welche einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. 2. The method according to claim 1, characterized in that that charging the storage capacitor with a temperature-independent constant current source and discharge the storage capacitor with one Discharge source takes place which has a negative temperature coefficient having.   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Speicherkondensators mit einer Ladequelle erfolgt, die einen positiven Temperatur- Koeffizienten aufweist und die Entladung über eine temperaturunabhängige Konstantstromquelle erfolgt.3. The method according to claim 1, characterized in that charging the storage capacitor with a charging source that has a positive temperature Has coefficients and the discharge via a temperature-independent constant current source. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Speicherkondensators mit einer Ladequelle erfolgt, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und daß die Entladung des Speicherkondensators mit einer Entladequelle erfolgt, die einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist.4. The method according to claim 1, characterized in that charging the storage capacitor done with a charging source that has a positive temperature coefficient and that the discharge of the storage capacitor done with a discharge source that one has negative temperature coefficient. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Ladekreis, der an einen mit der Aussendung des Ultraschall-Impulses gesetzten sowie beim ersten Echoimpuls zurückgesetzten Eingang (L) angeschlossen ist und einen pnp-Transistor (Q1) aufweist, und durch einen Entladekreis, der mit einem beim Zurücksetzen am Eingang (L) gesetzten Signal (D) gestartet ist und einen npn-Transistor (Q2) aufweist, für einen Speicherkondensator (C), dessen Entladung auf Null als ein Signal für die Messung der Schall- Laufzeit dient.5. Device for performing the method according to claim 4, characterized through a charging circuit that is sent to one with the of the ultrasound pulse as well as the first Echo pulse reset input (L) is connected and has a pnp transistor (Q1), and by one Discharge circuit, which with a when resetting at the entrance (L) set signal (D) is started and an npn transistor (Q2), for a storage capacitor (C), the Discharge to zero as a signal for measuring the sound Term serves. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (C) an einen Komparator (Komp) angeschlossen ist, der ein Ausgangssignal liefert. 6. The device according to claim 5, characterized in that that the storage capacitor (C) to one Comparator (Komp) is connected to an output signal delivers.   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Sperre (F, R11, Q3) des Schaltungsausganges (A) gegenüber dem ersten Echoimpuls nachfolgenden Folge- Echoimpulsen.7. The device according to claim 6, characterized by a lock (F, R11, Q3) of the circuit output (A) subsequent sequence following the first echo pulse Echo pulses.
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