JPH08511623A - 物体の、超音波送受波ユニットからの距離を測定するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本方法により殊に、超音波送受波ユニットの一義的に確定できない区間の領域にある距離の測定が可能になる。超音波送受波ユニットは、パルスエコーモードにおいて作動する唯一の超音波変換器からなっている。まず、最初に受信されたエコーの時点ｔ_e1が決定される。この時点が２倍のデッドタイム２ｔ_Tの外側にあるとき、測定は一義的でありかつ超音波送受波ユニットと物体との間の距離に比例している音波走行遅延時間が出力される。そうでない場合には、音波走行遅延時間は、同じ物体の２つの連続する多重エコーの生起の時点の差から決定される。

Description

【発明の詳細な説明】 物体の、超音波送受波ユニットからの距離を測定するための方法および装置 本発明は、単一変換器装置に基づいてパルスエコー作動において動作する超音 波距離センサに適している距離測定のための方法および装置に関する。本発明は 有利には、大きな測定領域ダイナミック特性を有する無接触距離測定、物体の位 置決定並びに充填状態測定の課題に対して使用可能である。 パルスエコー方法に従って動作する超音波距離センサは、音波信号を送波しか つ物体において反射される、エコーの形の信号を受波する。送波器から送波され る音響信号の、受波器に到来するまでの走行遅延時間が、絶対距離に対する尺度 を提供する。この場合絶対距離とは、送波器から物体までの距離とそこから送波 器に戻るまでの距離の謂いである。交互に送波および受波を行う唯一の音波変換 器が使用されることが多い。しかし反射された音波信号は、送波過程が十分に減 衰したとき漸く受波することができる。この理由から、唯一の変換器によって動 作する超音波センサは一義的には確定できない区間を有している。その拡がりは 、変換器特性並びに励振機能に依存している。原理に基因するこの一義的には確 定できない区間は、数多くの実 用例において不都合である。その理由は、一方において測定領域が、その走行遅 延時間が一義的には確定できない区間に相応する時間より小さいエコー信号がも はや検出されない程に制限されかつ他方においてエコーが検出された場合にも、 最初に実際に検出されたエコーが基本エコーであるのかまたは多重反射によって 生じたエコー、所謂マルチエコーであるのかを確定することができないからであ る。このことは、超音波距離センサと測定物体との間の前以て決められた最小距 離を下回るとき、大きな測定エラーを招来する可能性がある。 変換器の一義的には確定できない区間を最小化しようとする方法および回路装 置は公知である。ドイツ連邦共和国特許出願公開第３３３９９８４号公報および 米国特許第３６８３３２４号明細書に記載されているように、この問題の解決手 法は次の点にある。すなわち、制御可能な増幅器を用いて、送波過程後に減衰す るクロストーク信号の振幅を、所定のしきい値を上回らない程度に低減するので ある。これに対してこのしきい値より上にある、近接領域からのエコーは、検出 することができる。 別の解決手法によれば、変換器を送波過程後に逆位相のパルスによって励振し かつこれにより制動することによって、過度振動時間を短縮している。例えば、 Ma´gori，V.：Signal processing for smart ultras onic sensors．Proc．3rd Annual Eurpean Computer Conference，Hanburg，１ ９８９年３月、第３−２１ないし３−２６頁に記載の、逆変換器伝達関数に相応 する時間信号によって音波変換器を励振することによって、時間的に最適な短い エコー信号が得られる。しかしこの場合逆の励振信号の比較的長い時間的な拡が りに基づいて、センサの一義的には確定できない区間は殆ど低減されない。 とりわけ小さな距離が重要である測定課題に対しては、有利には、自ずから非 常に短い過渡振動時間という特徴を有する非常に広帯域の超音波変換器が使用さ れる。 しかし一義的には確定できない区間を短縮するための上述の解決手法は、一義 的には確定できない区間内のエコーを検出することができず、従って誤測定を惹 き起こす可能性があるという欠点を依然として持っている。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第８３３２００５号公報に記載されているよう な、センサヘッド内の整合された音波進行コースによって変換器の一義的には確 定できない区間が補償されるように、センサヘッド内に変換器が配設されている 、唯一の変換器を有する超音波距離センサが公知である。この手法において、多 義的なエコーに基因する誤測定は、測定物体が変換器までの最小距離を下回る可 能性がないという理由で、 妨げられる。その際進行コースは真っ直ぐであってもよいし、または屈曲してい ても構わない。いずれにしても、センサヘッドの構造形態が原理に規定されて大 きくなるのは不都合である。 さらに、エコーの時間的な経過に基づいて誤測定を抑圧する、距離センサの測 定結果の合理性を検査する方法が公知である。しかしこの方法は、センサが遮断 されかつ状況がその間に変化する場合には適用することができない。このことは 実際には頻繁に生じるのである。 さらに、送波および受波のための別個の変換器を有する超音波距離センサが公 知である。しかしこの場合コストが高くなること、構造形態が大きくなること、 そしてとりわけ近接領域において変換器の異なった位置に基因する視差エラーが 発生するという不都合がある。 これらの解決手法に共通しているのは、誤測定を回避するために、音波変換器 とリフレクタとの間の距離が決められた値を下回ることが許されないこと、或い は送波および受波のために別個の変換器が存在しなければならないということで ある。 本発明の課題は、ことに、超音波送受波ユニットの一義的には確定できない区 間の領域にある距離の測定のための、超音波を用いた距離測定方法および装置を 提供することである。本発明の利点は、誤測定を検出 しかつ相応に手を加えることができることである。 この課題は、請求項１ないし８に記載の方法および装置によって解決される。 本発明の有利な実施例は、その他の請求項に記載の構成によって特徴付けられ ている。 この課題を解決するために、まず、最初に検出されたエコーの時間位置の評価 を利用するのである。その理由は、時間位置が、測定信号の一義性に関するデー タを提供することができるからである。最初に検出されたエコーｔ_e1の到来時点 が装置のデッドタイムの２倍２ｔ_Tの外側にある場合（装置は以下にセンサとも 称する）、同じ物体のその前のエコーはデッドタイムｔ_T内に生じることは有り 得ない。測定距離は、当該物体に一義的に対応付けすることができる。第１のエ コーｔ_e1の到来時点がセンサのデッドタイムの２倍２ｔ_T内にあるとき、物体と 超音波送受波ユニットとの間の走行遅延時間の一義的な対応付けはもはや可能で はない。この理由から、少なくとも、同じ物体のそれに続くマルチエコーの到来 時点ｔ_e2を測定することが有意義である。その場合、超音波送受波ユニットから 測定物体までおよびそこから送受波ユニットに戻るまでの関心のある走行遅延時 間ｔ_Lは、時点ｔ_e2とｔ_e1との間の差として生じる。 次に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。 第１図は、測定状況およびそれに対応する、測定物 体の、２倍のデッドタイム２ｔ_Tの外側に生じるエコーに対する信号経過を示し 、 第２図は、測定状況およびそれに属する信号経過を示しているが、ここでは第 １のエコーは超音波送受波ユニットの１倍のデッドタイムｔ_Tと２倍のデッドタ イム２ｔ_Tとの間にあり、 第３図は、測定状況およびそれに対応する信号経過を示しており、ここでは２ 倍のデッドタイム２ｔ_Tの間には複数のエコーが生じており、 第４図は、測定状況およびそれに属する信号経過を示しており、ここではデッ ドタイムｔ_Tの外側にはもはやエコーは生じておらず、 第５図は、距離測定装置の構成の１例を示し、 第６図は、距離測定装置の別の実施例を示している。 第１図に図示の測定状況では、測定物体２は超音波送受波ユニット１まで距離 ｓ１のところにある。その際距離ｓ１は、送信パルス１００の反射信号１０１が 超音波送受波ユニット１の一義的には確定できない区間の２倍の外側にあるよう な大きさである。一義的には確定できない区間は通例、２倍のデッドタイム２ｔ_T から生じる。送信パルス１００ａによって、音波パルス１０１−エコーとも称 される−が発生され、この信号は測定物体２における反射後に超音波送受波ユニ ット１に戻る。その際この図では、音波信号１０１は復調された包絡線として示 されている。エコー１０１ はパルス２０１に変換され、その際その前縁はエコー１０１の受信時点ｔ_e1を特 徴付けている。送信過程および音波変換器の減衰時間ｔ_Aの間、クロストーク信 号１００によるエコー受信は阻止されている。センサのデッドタイムｔ_Tは、超 音波送受波ユニットの励振持続時間と減衰時間ｔ_Aとの和から生じる。第１図に おいて時間差ｔ_e1−ｔ₀（ｔ₀は基準点である）は２倍のデッドタイム２ｔ_Tより 大きいので、その前のエコーがデッドタイムｔ_T内に“呑み込まれて”しまって いることは有り得ない。そうでない場合にはｔ_e1／２のところに第１のエコーが 生じているはずである。しかしデッドタイムｔ_Tの経過後、エコー信号が検出さ れかつｔ_e1／２はｔ_Tより大きいので、この第１のエコーは受信されているはず である。従って測定は一義的な結果をもたらす。超音波送受波ユニット１と測定 物体２との間の絶対距離に比例している、エコー１０１の走行遅延時間ｔ_Lに対 して、次式が成り立つ： ｔ_L＝ｔ_e1−ｔ₀ 第２図の図示の測定状況では、測定物体２は、超音波送受波ユニット１まで距 離ｓ２のところにある。距離ｓ２は、第１のエコー１０１の走行遅延時間が２倍 のデッドタイム２ｔ_Tより小さい程小さい。それから図示の期間内に、２つのエ コー１０１および１０２が受信される。エコー１０１は基本エコーを表している 。このエコー１０２は多重反射によって生じたものであ る。２つのエコー１０１および１０２はパルス２０１ないし２０２に変換され、 その際これらの前縁はエコー１０１ないし１０２の受信時点ｔ_e1ないしｔ_e2を表 している。第１のエコー１０１の到来時点ｔ_e1は２倍の２ｔ_T内にあるので、エ ラーメッセージを発生させるないし別のエコー、例えばエコー１０２の検出の開 始のために利用することができるセンサ制御信号３００が生成される。別のエコ ー１０２の検出の際、超音波送受波ユニット１から測定物体２までおよびそこか らユニットに戻るまでの音波走行遅延時間ｔ_Lが、２つのエコー１０１および１ ０２の発生の時間差から決定される。 図示の実施例では次式が成り立つ： ｔ_e2−ｔ_e1＝ｔ_e1−ｔ₀＝ｔ_L 一般に別のエコーの検出の際、超音波送受波ユニット１から測定物体２までお よびそこからユニットに戻るまでの音波走行遅延時間ｔ_Lの決定のために２つの 連続するエコー間の時間差を求めることができる。 第３図に図示の状況では、測定物体２は超音波送受波ユニット１まで距離ｓ３ のところにある。距離ｓ２より短い小さな距離ｓ３によって、次のことが起こる ：第１のエコー１００はデッドタイムｔ_Tが終了する前に既に超音波送受波ユニ ット１に到来する。デッドタイムｔ_Tの期間にはエコーは検出することができな いので、このエコー１００′は超音波送受波ユニット１ によって記憶されない。最初に検出されたエコー１０１の到来時点ｔ_e1と基準時 点ｔ₀との時間差は２倍のデッドタイム２ｔ_Tより小さいので、この場合も、エラ ーメッセージを発生させるないし別のエコー、例えばエコー１０２，１０３，１ ０４および１０５の検出の開始のために利用することができるセンサ制御信号３ ００が生成される。エコーはパルス２０１…２０５に変換される。別のエコー１ ０２…１０５の検出の際、超音波送受波ユニット１から測定物体２までおよびそ こからユニットに戻るまでの音波走行遅延時間ｔ_Lの決定のために、２つの連続 するエコー、例えば１０２および１０３の時間差を求めることができる。図示の 場合次式が成り立つ： ｔ_L＝ｔ_e5−ｔ_e4＝ｔ_e4−ｔ_e3＝ｔ_e3−ｔ_e2＝ｔ_e2−ｔ_e1≠ｔe１−ｔ₀ または一般に ｔ_L＝ｔ_ei+1−ｔ_ei≠ｔ_e1−ｔ₀ ただしｔ_e1…ｔ_e5＝エコー１０２…１０５の発生時点 ｉ＝エコーインデックス ｔ_e1は最初に検出されたエコーの時点であって、最初に発生したエコーの時 点ではないので、次式が成り立つ： ｔ_e1−ｔ₀≠ｔ_L 測定精度を高めるために、生じた時間差から平均値を形成することができる： ただしｎは検出されたエコーの数を表している。 信号１０３′は障害信号を表している。その都度２つの連続して現れるエコー 間の時間差を形成する場合、次式が成り立つ： ｔ_e3'−ｔ_e3≠ｔ_e4−ｔ_e3'≠ｔ_e2−ｔ_e1 これらの偏差は、対応するエラー通報が出力されるように作用させることがで きる。或いは、検出された測定エラーは平均値形成の際に考慮されない。 時間差ｔ_ei+1−ｔ_eiのばらつきが著しく大きい場合、相応の時間差は平均値形 成のために用いられないようにされる。 第４図の図示の測定状況においては、超音波送受波ユニット１と測定物体２と の間の距離ｓ４は、異なった次数の１０１，１０２…１０５が干渉し、その結果 受信信号において重畳されたエコー信号１００ｂしか検出されない程に小さく、 この場合個別エコーはもはや分離されていない。パルス２００に変換された測定 信号の位置および持続時間に基づいて、センサ制御信号３００の他に、センサの 最小の測定領域を下回っていることを指示するエラー信号が発生される。 第５図には、センサの１実施例がブロック回路図にて示されている。パルス発 生器３によって送信パルス１００が発生され、それは送信増幅器６を介して超音 波変換器７に送出される。測定物体２によって反射された音波信号から、増幅器 ／復調器回路８を用いて包絡線が形成される。送信増幅器６、超音波変換器７お よび増幅器／復調器回路８は一緒に、超音波送受波ユニットＢを形成する。超音 波送受波ユニットＢのデッドタイムｔ_Tの終了後、時限素子５を用いてゲート回 路がイネーブル化され、その結果このデッドタイムｔ_Tの後に到来するすべての エコーは測定コンパレータ１０によってデジタルパルス２０１，２０２…に変換 される。これらデジタルパルス２０１，２０２は、クロックτによって動作する 計数器モジュール１１を制御するので、コンパレータ１０から到来するその都度 のパルス側縁によって、その時の計数器状態を評価ユニット１８に転送すること ができる。 送信パルス１００によって、第２の時限素子４が付勢され、これはゲート回路 １２を、測定コンパレータ１０によって発生されるパルスが２倍のデッドタイム ２ｔ_Tの持続時間の間通されるようにイネーブル化する。引き続いてゲート１２ は阻止される。エコーが２倍のデッドタイム２ｔ_Tの経過終了の前に検出される と、フリップフロップ１３がトリガされかつセンサ制御信号３００が発生される 。 第１の時限素子５によって予め決められるデッドタイムｔ_Tに続いて、デッド タイム時限素子１７が付勢され、それは時間ｔ_iの経過終了後、別のゲート回路 １５をイネーブル化する。結果的に、減衰期間ｔ_Aおよび送信期間が合わせて、 センサのデッドタイムｔ_Tより長く持続するかまたは減衰期間ｔ_Aが目標減衰期間 とは異なることになるのだが、減衰過程が遅延されるとき、積分器１４が、測定 コンパレータ１０の出力側に現れる信号のパルス長に相応する積分値を発生する 。この積分値は、ゲート１５が開いているときに後置接続されているコンパレー タ１６によってエラー信号３０１に変換される。 音波走行遅延時間ｔ_Lの評価は、計数器モジュール１１から転送される値に基 づいて評価ユニット３において行われる。 第６図のａには、制御および評価ユニットとしてのマイクロコントローラ２０ を有するセンサＡがブロック回路図にて示されている。マイクロコントローラ２ ０は送信パルス１００を発生し、それは増幅器６を介して超音波変換器７に送出 される。測定物体２によって反射された音波信号１０１，１０２，…は増幅器／ 復調器モジュール８において復調されるので、マイクロコントローラ２０のＡ／ Ｄ変換器ユニット２１の入力側には、エコー信号１０１，１０２，…が取り出さ れる。検出されたエコー１０１，１０２，…の評価は、適当な評価プログラムに 基づいて行われる。第６図のｂには、対応するプログラムシーケンスがフローチ ャートにて示されている。最初、超音波信号が送出され る。デッドタイムｔ_Tの期間中、エコーは検出することができないので、相応す る期間ｔ_Tを有する待ちループが実行される。受信信号の記憶後、まず、第１の エコー１０１の時点ｔ_e1が決定される。それが２倍のデッドタイム２ｔ_Tの外側 にあるとき、測定は一義的でありかつ測定値を出力することができる。そうでな い場合には、別のエコーが存在するかどうかが検査される。別のエコーがある場 合、音波走行遅延時間ｔ_Lは２つの連続するエコーの生起の時点の差から決定さ れる。精度を高めるために、複数の連続するエコーの生起時点の差からの平均値 を形成することもできる。別のエコーが存在していない場合、相応のエラーメッ セージが出力される。 本システムは、狭帯域の２００ｋＨｚ空中超音波距離センサの例に基づいてテ ストされた。本システムは殊に、液体の充填状態測定装置にも使用される。とい うのはそこでは通例、境界面空気−液体の形の唯一の、明らかに定義されている 測定物体しか存在しないからである。この形式のレベルセンサの信頼性および確 実な測定は、本発明の解決手法によって僅かなコストで著しく改善される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体の、超音波送受波ユニットからの距離を測定するための方法において 、前記超音波送受波ユニット（１）を超音波パルスを放射するように制御し、 第１の超音波エコー（１０１）の受信時点ｔ_e1を記憶しかつ 前記第１の超音波エコー（１０１）に続く第２の超音波エコー（１０２）の受信 時点ｔ_e2を記憶しかつ前記第１の超音波エコー（１０１）が、前記超音波パルス の放射後の前以て決められた時間間隔内に生起した場合には、距離の決定のため に時間差ｔ_e2−ｔ_e1を用いる ことを特徴とする方法。 ２．前記第１の超音波エコー（１０１）が前記前以て決められた時間間隔内に 生起しなかった場合には、距離の決定のために前記第１の超音波エコー（１０１ ）の受信時点ｔ_e1を用いる 請求項１記載の方法。 ３．前記時間間隔を、前記超音波送受波ユニット（１）のデッドタイム（ｔ_T ）に比例して選択する 請求項１または２記載の方法。 ４．前記時間間隔は２倍のデッドタイム（２ｔ_r）に相応する 請求項３記載の方法。 ５．別のエコー（１０３，１０４…）の別の受信時点（ｔ_e3，ｔ_e4…）を記憶 し、 その都度２つの連続するエコーの時間差を平均時間差の決定のために用い、 該平均時間差を距離の決定のために用いる 請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。 ６．別のエコーの別の受信時点を記憶し、 その都度２つの連続するエコーの時間差が相互に異なっている場合、該偏差を記 憶する 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。 ７．前記超音波送受波ユニットに固有の減衰時間（ｔ_A）が目標減衰時間と異 なっているとき、記憶を行う 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。 ８．パルス発生器（３）と、 超音波送受波ユニット（Ｂ）と、 １倍のデッドタイム（ｔ_T）を有する第１のデッドタイム時限素子（５）と、 第１のゲート回路（９）と、 第１のコンパレータ（１０）と、 計数器（１１）と を備え、ここにおいて前記パルス発生器（３）は前記超音波送受波ユニット（Ｂ ）および前記第１のデッドタイム時限素子（５）を制御し、かつ前記超音波送受 波ユニット（Ｂ）および前記第１のデッドタイム時限 素子（５）は前記第１のゲート回路（９）を制御し、かつ前記第１のゲート回路 （９）は前記第１のコンパレータ（１０）を制御し、かつ前記第１のコンパレー タ（１０）は前記計数器（１１）を制御する ことを特徴とする距離測定装置（Ａ）。 ９．装置はさらに、 ２倍のデッドタイム（２ｔ_T）を有する第２のデッドタイム時限素子（４）と、 第２のゲート回路（１２）と、 メモリ回路（１３）と を有し、ここにおいて前記パルス発生器（３）は付加的に第２のデッドタイム時 限素子（４）を制御し、かつ該第２のデッドタイム時限素子（４）および前記第 １のコンパレータ（１０）は前記第２のゲート回路（１２）を制御し、かつ該第 ２のゲート回路（１２）は前記メモリ回路（１３）を制御する 請求項８記載の回路。 １０．装置はさらに、 デッドタイム（ｔ₁）を有する第３のデッドタイム時限素子（１７）と、 積分器（１４）と、 第３のゲート回路（１５）と、 第２のコンパレータ（１６）と を有し、ここにおいて前記第１のデッドタイム時限素子（５）は前記第３のデッ ドタイム時限素子（１７） を制御し、かつ該第３のデッドタイム時限素子（１７）および前記積分器（１４ ）は前記第３のゲート回路（１５）を制御し、かつ該第３のゲート回路（１５） は前記第２のコンパレータ（１６）を制御し、かつ前記第１のコンパレータ（１ ０は付加的に前記積分器（１４）を制御する 請求項８または９記載の装置。