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Diese Erfindung betrifft ein Positionsmesssystem
und insbesondere ein akustisches Positionsmesssystem.
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Es ist im Stand der Technik akustischer
Positionsmesssysteme bekannt, einen Ultraschalltransmitter einzusetzen,
welcher mit einem Objekt verbunden ist, dessen Position detektiert
werden soll. Es ist ebenfalls bekannt, den akustischen Transmitter
bzw. den Schalltransmitter einen Schallpuls entlang einem Schallsignalleiter,
welcher sich entlang dem Weg erstreckt, entlang dem sich das Objekt
bewegt, transmittieren zu lassen, wobei der Leiter eine vorbestimmte
Schallausbreitungsgeschwindigkeit aufweist. Der Schallpuls wird
in beide Richtungen entlang dem Leiter gesendet und wird durch Empfänger an
jedem Ende des Leiters, zwischen denen sich das Objekt bewegt, empfangen.
Jeder Empfänger
stellt ein elektrisches Signal an einen Auswertungsschaltkreis bereit
(welches angibt, wann der Puls an dem jeweiligen Empfänger ankommt),
welcher den Zeitunterschied zwischen der Ankunft des Pulses an den zwei
Empfängern
misst. Aus diesem Zeitunterschied und der bekannten Schallgeschwindigkeit
in dem Leiter wird die Position des Objekts zwischen den Empfängern bestimmt.
Ein solches System ist in der europäischen Patentanmeldung
EP 0 694 792 A1 beschrieben,
welche am 31. Januar 1996 veröffentlicht wurde
und welche am 21. Juli 1995 durch den Anmelden K. A. Schmersal GmbH & Co. aus Deutschland eingereicht
wurde.
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Bei einer Aufzugsanwendung hängt der
Betrieb eines Aufzugs von genauer und verlässlicher Positions- und Geschwindigkeitsinformation
ab. Diese Information wird zur Steuerung der Bewegung des Aufzugs
sowie für
bestimmte Sicherheitsregeln und -arbeitsvorgänge, wie das Öffnen der
Türen,
eingesetzt. Moderne Aufzüge
setzen eine hoch auflösende Positionsinformation
aus einer Quelle wie einem Inkrementalgeber an einem Motor ein,
um das Geschwindigkeitsprofil zu steuern. Für sicherheitsrelevante Funktionen
verlassen sie sich jedoch auf zusätzliche, diskrete Schalter
in dem Aufzugschacht.
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Eine Art, hoch auflösende Messung
der Position einer Aufzugskabine in dem Aufzugschacht zu implementieren,
ist, den hierin zuvor beschriebenen Schallpositionssensor einzusetzen.
In diesem Fall wird der Messultraschallpuls entlang einem Kabel von
der Kabine zu den Empfängern
am unteren Ende und am oberen Ende des Aufzugschachts ausgesendet.
Aus dem Unterschied der Empfangszeitpunkte wird die Position der
Kabine berechnet. US-A-4 238 844 offenbart eine Vorrichtung, welche
eine versetzte Position detektiert durch Erzeugen eines Ultraschallsignals
in einem magnetostriktiven Kabel und Messen der Ausbreitungszeit
des erzeugten Signals. Anspruch 1 ist gegen dieses Dokument abgegrenzt.
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Ein solches System weist jedoch mehrere Nachteile
auf. Insbesondere induziert es Ungenauigkeiten in den Ortsmessungen,
wenn die Länge
des Signalleiters sich auf Grund von Temperatureffekten ändert. Ferner
bietet der Einsatz der Differenz zwischen den Empfangszeitpunkten
nur einen Kanal von Positionsinformation. Demnach resultiert ein
zufälliges
Versetzen eines Empfängers
oder irgendeine andere Änderung
in der Länge
des Signalwegs in fehlerhaften Messungen ohne die Möglichkeit,
aus der Signalinformation detektiert zu werden. Ferner werden Ungenauigkeiten,
welche durch temperaturabhängige
Variationen in der Signalgeschwindigkeit induziert werden, vollständig auf
die Positionsmessung übertragen.
Es ist demgemäß wünschenswert, diese
Nachteile für
eine Aufzugsanwendung zu überwinden.
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Aufgaben der vorliegenden Erfindung
umfassen das Bereitstellen eines Schallpositionsmesssystems, welches
fehlertolerant und genau gegenüber der
Temperatur ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zum Messen der Position eines Objekts, wie in
Anspruch 1 beansprucht, bereitgestellt. Zumindest in einer bevorzugten
Ausführungsform
umfasst dieses Verfahren: (a) Übertragen eines
Schallsignals durch einen Transmitter, welcher mit dem Objekt verbunden
ist; (b) Empfangen des Schallsignals an einem ersten Empfänger, welcher
sich in einem ersten Abstand von dem Transmitter befindet, und Bereitstellen
eines ersten Empfangssignals, welches angibt, wann das Schallsignal
empfangen wird; (c) Empfangen des Schallsignals an einem zweiten Empfänger, welcher
sich in einem zweiten Abstand von dem Transmitter und an einer zu
dem ersten Empfänger
entgegengesetzten Seite des Transmitters befindet, und Bereitstellen
eines zweiten Empfangen-Signals, welches angibt, wann das challsignal
empfangen wird; (d) Berechnen eines ersten Abstands zwischen dem
Transmitter und dem ersten Empfänger;
(e) Berechnen eines zweiten Abstands zwischen dem Transmitter und
dem zweiten Empfänger;
und (f) Berechnen eines Gesamtmessabstands zwischen dem ersten Empfänger und
dem zweiten Empfänger
als Summe des ersten Abstands und des zweiten Abstands, (ekennzeichnet
durch Identifizieren des zu einem Anfangszeitpunkt berechneten Gesamtmessabstands
als einen Gesamtreferenzabstand, und Identifizieren aufeinander
folgender Berechnungen des Gesamtmessabstands, welche an aufeinander
folgenden Zeitpunkten nachfolgend auf den Anfangszeitpunkt gemessen
sind, als aktuelle Gesamtmessabstände, und Bereitstellen aufeinander
folgender Angaben der Position des Objekts durch aufeinander folgendes
Skalieren des ersten und des zweiten Abstands, welche zu aufeinander folgenden
Zeitpunkten berechnet sind, basierend auf den Ergebnissen eines
Vergleichs des korrespondierenden aktuellen Gesamtmessabstands mit
dem Gesamtreferenzabstand.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Schallpositionsmesssystem, wie in
Anspruch 11 beansprucht, bereitgestellt.
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Indem ein zusätzliches Signal zum Angeben, wann
der Schallpuls übertragen
wird, hinzugefügt wird,
ermöglicht
das System der vorliegenden Erfindung die Detektion eines beschädigten oder
veränderten
Signalwegs (z. B. ein mechanisches Versetzen eines Empfängers, ein
loses Schallkabel, oder eine Änderung
in der Länge
des Schallkabels), oder durch irreguläre Pulse, welche in den Signalweg durch
eine äußere Quelle
eingekoppelt werden. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine
Referenzbedingung des Abstands zwischen den Emp fängern bereit, welche durch
das System eingesetzt wird, um die Expansion oder Kontraktion eines
Gebäudes oder
andere durch Temperaturvariationen ausgelöste Ungenauigkeiten zu kompensieren.
Die Erfindung kann als Positionsmess- (oder Referenz-)system für einen
Aufzug in einem Aufzugschacht oder zum Detektieren der Position
eines Objekts, welches sich entlang einem vorbestimmten Weg bewegt,
eingesetzt werden.
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Die vorangehenden und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden angesichts der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung von deren beispielhaften Ausführungsformen,
wie sie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind, ersichtlicher.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Schall-Detektionspositionsvorrichtung des
Stands der Technik.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Schall-Positions-Wahrnehmungs-Referenzsystems in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
ein Zeitgraph, welcher Pulse von zwei Empfängern des Systems aus dem Stand
der Technik aus 1 zeigt.
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4 ist
ein Zeitgraph, welcher Pulse von einem Transmitter und zwei Empfängern zeigt,
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Logik-Flussdiagramm einer Positionsauswertungslogik in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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Bezugnehmend auf die 1 und 3 umfasst ein
Positions-Wahrnehmungs-System aus dem Stand der Technik eine Aufzugskabine 12 mit
einem Schalltransmitter 14 (oder Signalkoppler), welcher mit
diesem verbunden ist. Der Transmitter 14 erzeugt ein Schallsignal
(oder Puls) 16 mit einer vorbe stimmten Rate und koppelt
den Schallpuls in einen Schallsignalleiter 18 (oder Kabel),
welcher an beiden Enden durch eine Klemmvorrichtung (nicht gezeigt)
gehalten oder geklemmt ist. Der Schallpuls 16 propagiert
weg von dem Transmitter 14 in beide Richtungen entlang
dem Kabel 18 und wird an Schallempfängern 20, 22,
welche sich an entgegengesetzten Seiten des Transmitters 14 entlang
dem Kabel 18 befinden, empfangen. Wenn die Empfänger 20, 22 den Schallpuls 16 empfangen, übertragen
sie beide einen elektrischen Puls R1, R2 jeweils an Leitungen 24, 26 zu
einem Auswertungsschaltkreis (oder Logik) 30. Die Logik 30 umfasst
die notwendige Hardware (z. B. einen Mikroprozessor, analoge oder
digitale Schaltkreise) und/oder notwendige Software, um die hierin beschriebenen
Funktionen durchzuführen.
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Die Logik
30 misst den Zeitunterschied
Td zwischen der Ankunft der zwei Pulse
16 an den Empfängern
20,
22.
Die Logik
30 berechnet die Position des Aufzugs basierend
auf dem Zeitunterschied Td und der bekannten Schallgeschwindigkeit
in dem Kabel
18 und stellt ein Positionssignal an einer
Leitung
32 zu einer Aufzugssteuerung
34 bereit.
Zum Beispiel kann Td (durch die Schallgeschwindigkeit in einen Abstand
umgewandelt werden, welcher den Abstand vom Mittelpunkt zwischen
den Empfängern
angibt, wobei die Richtung von dem Mittelpunkt auf dem Vorzeichen
von Td basiert. Wenn die Zeit Td null ist, befindet sich der Transmitter
mittig zwischen den zwei Empfängern
20,
22.
Ein solches System ist ähnlich
zu demjenigen, welches in der europäischen Patentanmeldung
EP 0 694 792 A1 beschrieben
ist, veröffentlicht
am 31. Januar 1996, eingereicht am 21. Juli 1995.
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Bezugnehmend auf die 2 und 4 ist
das Positions-Referenzsystem der vorliegenden Erfindung ähnlich zu
dem System aus 1, fügt jedoch ein
Signal TS von dem Transmitter 14 hinzu, welches an einer
Leitung 36 zu einem Auswertungsschaltkreis (oder Logik) 40 (welcher
die Auswertungslogik 30 aus 1 ersetzt)
bereitstellt. Die Logik 40 umfasst die Hardware und/oder
Software, welche nötig ist,
um die hierin beschriebenen Funktionen durchzuführen. Der Transmitter 14 stellt
das elektrische Signal (oder Puls) TS an der Leitung 36 bereit,
wenn der Schallpuls 16 in das Kabel 18 eingekoppelt
(oder gesendet) wird. Das Signal TS erlaubt die Messung des absoluten
Abstands von dem Transmitter 14 zu jedem der Empfänger 20, 22 über die
gemessenen Laufzeiten und die bekannte Geschwindigkeit des Schallpulses 16,
und stellt dadurch zwei unabhängige
Messungen der Position der Kabine in dem Aufzugschacht bereit.
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Bezugnehmend auf die 4 und 5 beginnt die
Auswertungslogik 40 mit einem Schritt 100, welcher die
Zeit T1 zwischen den Pulsen TS und R1 und die Zeit T2 zwischen den
Pulsen TS und R2 berechnet. Als Nächstes berechnet eine Reihe
von Schritten 102 D1 und D2 basierend auf T1 und T2 und der bekannten
Schallgeschwindigkeit VSOUND in dem Kabel 18.
Dann berechnet ein Schritt 104 einen Gesamtabstand (TD) gleich der
Summe von D1 und D2. Als Nächstes
bestimmt ein Schritt 106, ob das System in einem Initialisierungs-
oder Kalibrierungsmodus ist. Falls es in einer Kalibrierung oder
Initialisierung ist, wird TD als Gesamtreferenzabstand (TRD) gespeichert.
Falls es nicht in einer Kalibrierung oder Initialisierung ist, wird
TD als Gesamtmessabstand (TMD) gespeichert. Wenn das System in einem
normalen Messbetrieb ist, wird der Wert von TMD bei einer vorbestimmten
Rate aktualisiert, z. B. zu jedem Zeitpunkt, wenn die Position berechnet
wird. Alle vordefinierten Positionen in dem Aufzugschacht, z. B.
Etagenhöhen,
etc., stehen in Beziehung mit TMD und/oder TRD.
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Als Nächstes vergleicht ein Schritt
112 TMD mit TRD, und wenn der Unterschied zwischen TMD und TRD größer ist
als ein vorbestimmter Fehlerschwellwert, z. B. 8 mm, setzt ein Schritt
114 einen Fehler-Kennzeichner auf eins, was der Steuerung 34 an
einer Leitung 42 bereitgestellt wird. Andere Fehlerschwellwerte
können
eingesetzt werden. Dann prüft
ein Schritt 116, ob die Änderung
in TMD größer als
ein vorbestimmter Betrag (x%), z. B. 50%, von dem vorhergehenden
Wert von TMD ist. Andere Prozentänderungen
können,
falls gewünscht,
eingesetzt werden. Trifft dies zu, setzt der Schritt 114 den Fehler-Kennzeichner auf
eins, was der Steuerung 34 an der Leitung 42 bereitgestellt
wird.
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Dann kompensiert ein Schritt 118
Temperaturvariationen durch Berechnen eines skalierten Werts von
D1 als D1SCALED durch Multiplizieren von D1
mit einem Skalierungsfaktor TRD/TMD. D1SCALED ist
gleich der absoluten Position der Aufzugkabine.
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Die TRD- und TMD-Parameter werden
in den Schritten 112, 116 eingesetzt, um Anomalien wie einen fehlerhaften
oder geänderten
Signalweg zu detektieren. Solche Anomalien können durch ein mechanisches
Versetzen eines Empfängers
eine Unterbrechung oder eine mechanische Versetzung in dem Signalweg
(z. B. ein akustisches Kabel, welches lose gezogen oder in seiner
Länge verändert ist)
oder durch irreguläre
Pulse, welche in den Signalweg durch eine äußere Quelle eingekoppelt sind,
etc., begründet
sein.
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TRD und TMD werden auch in dem Schritt 118
eingesetzt, um Temperaturvariationen mit dem Skalierungsfaktor zu
kompensieren. Insbesondere wenn TMD graduell von dem TRD abweicht
und die Abweichungen den Fehlerschwellwert nicht überschreiten,
werden Temperaturvariationen als von der Abweichung begründet angesehen,
und die Berechnungen von D1 und D2 werden skaliert. Statt oder zusätzlich zu
der Berechnung von D1SCALED kann die Logik
D2SCALED als D2 x (TRD/TMD) berechnen. Die
skalierten Abstände
geben dann die wahre Position der Kabine in dem Aufzugschacht wieder.
Diese Skalierung kompensiert ebenfalls die Expansion des Gebäudes, welche
durch Temperaturänderungen
begründet
ist, vorausgesetzt, die Temperaturverteilung in dem Aufzugschacht
ist homogen.
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Als Nächstes berechnet ein Schritt
120 eine Geschwindigkeit der Kabine V
CAR mittels
der Gleichung:
wobei Position (n – 2) und
Position (n – 1)
die Positionswerte sind, welche in den vorangehenden zwei Berechnungen
der Position berechnet sind und ΔT die
aktualisierte Rate der Positionsberechnung ist. Die Geschwindigkeit
V
CAR stellt eine Anpassung des Werts von
D1
SCALED bereit, um Änderungen in der Kabinenposition
während
der Verzögerungszeit
(Td) von da ab, wenn das Schallsignal
16 in den Leiter
18 eingekoppelt
wird, bis dann, wenn das Positionssignal der Steuerung
34 bereitgestellt
wird, zu kompensieren. Die Verzögerungszeit
Td umfasst zwei Hauptkomponenten, eine Schallausbreitungsverzögerung des
Schallsignals entlang dem Leiter
18 und eine Berechnungszeit/aktualisierte
Rate für
die Logik 30, um das Positionssignal bereitzustellen.
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Die Ausbreitungs-Verzögerungskomponente der
Zeitverzögerung
Td ist basierend auf der Längeren
der zwei Ausbreitungszeiten T1, T2 (für die aktuelle Positionsberechnung)
bestimmt, wenn die Logik darauf wartet, beide, T1 und T2, vor dem
Berechnen der Position zu empfangen (d. h. TMD wird berechnet mit
derselben Aktualisierungsrate wie die Position). Alternativ kann
die Kürzere
der beiden Zeiten T1, T2 eingesetzt werden, wenn die Berechnung
den Gesamtabstand TMD mit einer geringeren Aktualisierungsrate als
die Berechnung der Position aktualisiert. Die Berechnungskomponente
von Td ist basierend auf der durchschnittlichen Aktualisierungsrate und
der Berechnungszeit der Logik 30 vorbestimmt. Andere Techniken
können
eingesetzt werden, um Td zu berechnen.
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Zusätzlich zu der Geschwindigkeitskorrektur kann
die Logik 30 auch eine Beschleunigungskorrektur der Position
bereitstellen, d. h. eine Änderung
der Geschwindigkeit über
die Verzögerungszeit
Td. In einem solchen Fall berechnet ein Schritt 122 die Kabinenbeschleunigung
ACAR. Die Kabinenbeschleunigung ACAR kann direkt aus der Position an Hand
der zweiten Ableitung der Position berechnet werden.
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Als Nächstes berechnet ein Schritt
124 ein Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungskorrigiertes Positionssignal,
welches an der Leitung 32 der Steuerung 34 bereitgestellt
ist, durch die Gleichung: Position = D1SCALED + POFFSET wobei
POFFSET ein Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungskorrekturterm
ist. Für
eine Geschwindigkeitskorrektur kann POFFSET =
(VCAR × Td)
sein. Für eine
Geschwindigkeits- und Beschleunigungskorrektur kann POFFSET =
(VCAR × Td)
+ ½ ACAR Td2 sein. Um sowohl
die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung zu korrigieren kann
alternativ der Wert von VCAR in (VCAR × Td)
basierend auf einer mittleren Änderung der
Geschwindigkeit über
die Zeitverzögerung
Td angepasst werden. Andere Gleichungen zum Kompensieren der Geschwindigkeit
und/oder Beschleunigung können,
falls gewünscht,
eingesetzt werden.
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Die Logik 30 kann auch die
Geschwindigkeit VCAR und/oder die Beschleunigung
ACAR der Steuerung 34 an Leitungen 38 bereitstellen.
Die Steuerung 34 kann VCAR und/oder
ACAR für
Sicherheitssysteme oder für
Etagenausrichtungssysteme oder für
andere Einsätze
verwenden. Anstatt VCAR und/oder ACAR jeweils in den Schritten 120, 122 zu
berechnen, kann VCAR und/oder ACAR der
Logik 30 durch ein Geschwindigkeitssignal von einer anderen
Vorrichtung, wie einem Geschwindigkeitssensor oder der Steuerung 34, bereitgestellt
werden.
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Der Wert der Position kann auch über eine vorbestimmte
Anzahl von Aktualisierungen gefiltert oder gemittelt werden. Zum
Beispiel kann die Berechnung von D1SCALED bei
einer ersten Aktualisierungsrate durchgeführt werden, z. B. 1 Millisekunde (ms),
und gefiltert oder gemittelt werden über eine vorbestimmte Anzahl
von Aktualisierungen, z. B. 3 bis 10 Aktualisierungen. Dann kann
die Berechnung der Position bei einer niedrigeren Aktualisierungsrate,
z. B. 10 ms, mittels des gefilterten Werts von D1SCALED durchgeführt werden.
Andere Aktualisierungsraten können,
falls gewünscht,
eingesetzt werden. In diesem Fall kann auch der Wert von Td zum Korrigieren
der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung ein Bemittelter oder
gefilterter Wert von Td sein.
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Die Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungskorrektur
der Position ist für
die vorliegende Erfindung nicht notwendig, kann aber nötig sein,
um die gewünschte
Genauigkeit der Position bereitzustellen. Wenn eine Geschwindigkeits-
und/oder Beschleunigungskorrektur nicht eingesetzt wird, müssen die Schritte
120, 122 jeweils nicht durchgeführt
werden, und der Schritt 124 würde
die Position entsprechend gleich D1SCALED oder
D2SCALED ersetzen.
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Der Schallsignalleiter 18 kann
eine Stahlschiene oder ein Drahtkabel oder ein anderer, geeigneter
Wellenleiter für
die Ausbreitung eines Ultraschallsignals mit einer vorbestimmten
Schallausbreitungsgeschwindigkeit sein. Wenn der Schallsignalleiter 18 z.
B. aus Stahl gefertigt ist, ist die Schallgeschwindigkeit VSOUND in dem Leiter 18 etwa 5300
m/s. Mit einer Zeitauflösung
von 188 Nanosekunden ist die Ortsauflösung des Messwegs etwa 1 mm.
Andere Materialien mit anderen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten
können
eingesetzt werden.
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Der Schalltransmitter 14 kann
der gleiche sein oder ähnlich
zu einem Transmitter sein, welcher von K. A. Schmersal GmbH & Co. aus Deutschland gefertigt
wird; der Transmitter 14 hat jedoch das zusätzliche
Ausgabesignal TS. Der Transmitter 14 kann induktiv arbeiten,
um einen elektrischen Puls, welcher von einem Pulserzeugungsschaltkreis
(nicht gezeigt) empfangen wird, in einen akustischen Puls an dem
Kabel 18 zu koppeln.
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Die akustischen Empfänger 20, 22 können die
gleichen sein oder ähnlich
sein zu den Empfängern,
welche durch K. A. Schmersal GmbH & Co. aus Deutschland gefertigt werden.
Die Empfänger 20, 22 können ein
ein Piezoelektrik-Signal-Ausgangs-Koppler
oder induktiv oder kapazitiv sein. Andere Arten von Transmittern
und/oder Empfängern
können,
falls gewünscht,
eingesetzt werden, um das akustische Signal in das aus dem Kabel 18 zu
koppeln.
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Die Signale R1, R2, TS an den Leitungen 24, 26, 36 können auch
optisch, elektrisch, mikrowellenartig oder jeder andere Typ von
Signal sein, welcher durch die Logik 40 gelesen wird. Das
Signal R1, R2, TS kann ferner auch, anstatt über die Leitungen 24, 26, 36 übertragen
zu werden, durch die Luft mittels bekannter kabelloser Technologie,
z. B. Hochfrequenz, Mikrowelle, optisch, moduliert, etc. übertragen
werden.
