WO2016034366A1 - Verfahren zum betreiben eines ultraschallsensors - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an ultrasonic sensor having a piezoelectric transducer ⁇ element, a driver circuit, a pulse generator and a signal processing circuit.
  • Such electrical-acoustic transducers in particular in piezoelectric transducers, which are in particular part of a sensor system, electrical signals are converted into ultrasound signals, which are reflected in the form of echo signals and converted back into electrical signals.
  • sensors or transducers can be used for example for measuring fill levels and / or properties of liquids or gases.
  • a special application is the use for measuring the viscosity of liquids, such as oil, in motor vehicles.
  • the amplitudes of the ultrasound echo signals obtained are highly dependent on the respective medium, of the coupling layer between the transducer element and the medium, the temperature of the medium, etc.
  • echoes be greatly attenuated or amplified by ultrasonic transducers.
  • ultrasonic transducers By different high amplitudes of the echo signal corresponding problems arise.
  • Such ultrasonic transducers have an output amplifier for amplifying the received echo signals so that they are further processed in a signal processing circuit Kgs ⁇ NEN.
  • a transducer element of the ultra sound transducer ⁇ from the encoder to sinusoidal voltages is excited under ⁇ Kunststoffaji frequencies.
  • This so-called Sweep takes a long time and very expensive electronic construction ⁇ elements to generate the frequency spectrum of the Sinunssignale.
  • searching for the resonance frequency with the aid of the signal processing circuit, it is then possible, for example, to determine the quality of the fluid.
  • determining the oil quality using the prior art method takes about 20 to 30 seconds.
  • vibrational energy is introduced into the medium to be measured (for example, oil) which heats the medium and thus significantly ver ⁇ falsifies the measurement results.
  • the present invention has for its object to provide a method of the type mentioned above, which delivers very quickly with little effort measurement results.
  • the pulse generator is driven by the driver circuit such that it excites the transducer element with an elec ⁇ trical pulse corresponding in its temporal course of a Heavisidean jump function and the step response is evaluated by the signal processing circuit with a fast Fourier transform, can on the Excitation of the transducer element with different sinusoidal voltages can be dispensed with.
  • the process of sweeping is eliminated and, for example, the measurement of the physical properties of a liquid with the ultrasonic transducer can be done very quickly.
  • the determination of the oil quality of a engines ⁇ oil in the combustion engine with the inventive method requires only about 5 msec plus the calculation time for the Fast Fourier Transform, so that there are about 20 msec information on the oil quality.
  • no appreciable energy is introduced into the medium to be measured, so that it can not come to a heating of the medium by the measurement.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an ultrasonic transducer of a corresponding sensor system
  • FIG. 2 shows an ultrasonic sensor
  • FIG. 3 shows a Heavisid jump function
  • FIG. 4 shows a system response.
  • the ultrasonic sensor 9 has a driver circuit 1, which causes an associated pulse generator 2 an ultrasonic transducer element 4 via an input amplifier 3 applied with corresponding excitation pulses.
  • the converter element 4, which is designed as a transducer element piezoelektonisches usually converts the electrical pulses in ultra ⁇ sound pulses (ultrasonic wave 12) and acted upon a suitable medium 11 (for example oil).
  • Corresponding echo pulses are collected by the conversion element 4, back into electrical pulses, and a main action ⁇ more 5 supplied, are supplied from which amplified signals to a signal processing circuit.
  • a memory 7 and a monitor 8 which may include a subsequent vehicle electronics, connected.
  • the pulse generator 2 is driven by the driver circuit 1 so that he
  • Transducer element 4 is excited by an electrical pulse, which in its time course of a Heavisidean jump function 13th equivalent.
  • the transducer element 4 receives the response of the impinged with the pulse medium and passes the measurement results via the output amplifier 5 to the signal processing circuit ⁇ circuit.
  • the step response 14 is evaluated with a fast Fourier transform.
  • FIG. 2 shows an ultrasonic sensor 9, as used, for example, in motor vehicles for measuring the engine oil level and the engine oil quality.
  • the level in the ultrasonic sensor 9 and in the motor itself is identical and the measuring range of the ultrasonic sensor 9 is generally between a minimum and a maximum value.
  • FIG. 2 shows an ultrasonic sensor 9 with three chambers 24, 26, 27 without liquid.
  • the cross section of the ultrasonic sensor 9 is round and the individual chambers 24, 26, 27 are formed by concentrically arranged tubes.
  • the outer tube is suit ⁇ closed with a bottom 23 and a cover 22 and forms the housing of the sensor.
  • the middle tube extends from the bottom 23 to the cover 22 and forms the measuring chamber 24.
  • the outer chamber, also referred to as inlet chamber 27, and the measuring chamber 24 each have on their outer side near the bottom 23 an opening 2 8 for on and
  • the inlet chamber 27 and the measuring chamber 24 include a further chamber 2 6, wherein the outside of the further chamber 2 6 is formed by the inside of the inlet chamber 27 and the inside of the further chamber 2 6, through the outside of the measuring chamber 24.
  • a reflection body 25 is mounted, which can be used in the context of fiction, ⁇ contemporary method for reflection of the emitted from the transducer element 4 ultrasonic waves 12.
  • the chambers 24, 2 6, 27 vent openings 2 9 on.
  • FIG. 3 shows the Heavisian step function 13 with which the transducer element 4 is excited.
  • the time t is plotted in milliseconds, wherein the zero point is plotted on the right side of the coordinate system and the time course of the Heaviside step function 13 is recognizable up to a time of 10 milliseconds.
  • the jump function is at about 0 V, after which the voltage is suddenly increased from 0 to 12 V at 5 milliseconds, after which this voltage is held for 5 milliseconds and then drops back to 0.
  • the system response 14 is shown in the second part of the diagram.
  • Heavisid jump function 13 was excited and emitted sound waves 12 in the medium 11, which were reflected by reflection back to the transducer element 4 after a short time, a voltage is indicated by the reflected ultrasonic wave in the transducer element, which is recorded as a system response 14.
  • This system response 14 can be seen in the second graph of the coordinate system in FIG.
  • the system response can be analyzed using a fast Fourier transform, as shown in FIG.
  • the system response 14 contains a variety of frequencies, with a significant resonance of the system at a frequency of 10.5 kHz can be seen. All other peaks in the frequency spectrum of Figure 4 correspond to harmonics of the fundamental resonance frequency of the system. On the basis of this resonance frequency of the system can be deduced on the quality of the medium under investigation. If the ultrasonic sensor is used as a quality sensor, z. B. the nature of an engine oil in an internal combustion engine during operation of the internal combustion engine ana ⁇ lysed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, einem Treiberschaltkreis, einem Impulsgeber und einem Signal- verarbeitungsschaltkreis. Um Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das mit geringem Aufwand besonders schnell Messergebnisse liefert, wird der Impulsgeber derart von dem Treiberschaltkreis angesteuert, dass er das Wandlerelement mit einem elektrischen Impuls anregt, der in seinem zeitlichen Verlauf einer Heavisideschen Sprungfunktion entspricht, wobei die Sprungantwort von dem Signalverarbeitungsschaltkreis mit einer schnellen Fourier Transformation ausgewertet wird.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES ULTRASCHALLSENSORS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors mit einem piezoelektrischen Wandler¬ element, einem Treiberschaltkreis, einem Impulsgeber und einem Signalverarbeitungsschaltkreis .
Bei derartigen elektrisch-akustischen Wandlern, insbesondere bei piezoelektrischen Wandlern, die insbesondere Teil einer Sensorik sind, werden elektrische Signale in Ultraschallsignale umgewandelt, die in der Form von Echo-Signalen reflektiert und wieder in elektrische Signale zurückverwandelt werden. Solche Sensoren bzw. Wandler können beispielsweise zur Messung von Füllständen und/oder von Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden. Ein spezieller Anwendungsfall ist der Einsatz zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl, in Kraftfahrzeugen.
Die Amplituden der erhaltenen Ultraschall-Echosignale sind dabei stark abhängig vom jeweiligen Medium, von der Koppelschicht zwischen dem Wandlerelement und dem Medium, von der Temperatur des Mediums etc. Insbesondere können durch äußere Einwirkungen, beispielsweise Luftblasen, Veränderungen der Zusammensetzung des Mediums etc., Echos von Ultraschallwandlern stark gedämpft oder verstärkt werden. Durch unterschiedlich hohe Amplituden des Echosignales ergeben sich entsprechende Probleme.
Solche Ultraschallwandler haben einen Ausgangsverstärker zum Verstärken der empfangenen Echo-Signale, damit diese in einem Signalverarbeitungsschaltkreis weiterverarbeitet werden kön¬ nen .
Nach dem Stand der Technik wird ein Wandlerelement des Ultra¬ schallwandlers vom Impulsgeber mit Sinusspannungen unter¬ schiedlicher Frequenzen angeregt. Dieses sogenannte Durch- sweepen benötigt viel Zeit und sehr teure elektronische Bau¬ elemente zur Erzeugung des Frequenzspektrums der Sinunssignale . Durch eine Suche nach der Resonanzfrequenz mit Hilfe des Signalverarbeitungsschaltkreises kann dann zum Beispiel die Qualität der Flüssigkeit bestimmt werden. Jedoch benötigt eine Bestimmung der Ölqualität mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik etwa 20 bis 30 sec. Darüber hinaus ist es nachteilig, dass mit dem Sweepen der Frequenzen Schwingungsenergie in das zu messende Medium (zum Beispiel Öl) eingebracht wird, die das Medium aufheizt und somit die Messergebnisse deutlich ver¬ fälscht .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das mit geringem Aufwand besonders schnell Messergebnisse liefert .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Dadurch, dass der Impulsgeber derart von dem Treiberschaltkreis angesteuert wird, dass er das Wandlerelement mit einem elek¬ trischen Impuls anregt, der in seinem zeitlichen Verlauf einer Heavisideschen Sprungfunktion entspricht und die Sprungantwort von dem Signalverarbeitungsschaltkreis mit einer schnelle Fourier Transformation ausgewertet wird, kann auf die Anregung des Wandlerelements mit unterschiedlichen Sinusspannungen verzichtet werden. Der Vorgang des Durchsweepens entfallt und zum Beispiel die Messung der physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit mit dem Ultraschallwandler, kann sehr schnell durchgeführt werde. Die Bestimmung der Ölqualität eines Motoren¬ öls im Verbrennungsmotor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt nur etwa 5 msec zuzüglich der Rechenzeit für die schnelle Fourier Transformation, so dass nach etwa 20 msec Informationen über die Ölqualität vorliegen. Darüber hinaus wird keine nennenswerte Energie in das zu messende Medium eingebracht, so dass es nicht zu einer Erwärmung des Mediums durch die Messung kommen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen :
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ultraschallwandlers einer entsprechenden Sensorik;
Figur 2 einen Ult aschallsensor ;
Figur 3 eine Heavisidische Sprungfunktion; Figur 4 eine Systemantwort.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Ultraschallsensors 9. Der Ultraschallsensor 9 besitzt einen Treiberschaltkreis 1, der bewirkt, dass ein zugehöriger Impulsgeber 2 ein Ultra- schall-Wandlerelement 4 über einen Eingangsverstärker 3 mit entsprechenden Anregeimpulsen beaufschlagt. Das Wandlerelement 4, das in der Regel als piezoelektonisches Wandlerelement ausgebildet ist, wandelt die elektrischen Impulse in Ultra¬ schallimpulse (Ultraschallwelle 12) um und beaufschlagt damit ein geeignetes Medium 11 (zum Beispiel Öl) . Entsprechende Echo-Impulse werden vom Wandlerelement 4 aufgefangen, in elektrische Impulse zurückverwandelt und einem Ausgangsver¬ stärker 5 zugeführt, von dem aus verstärkte Signale einem Signalverarbeitungsschaltkreis 6 zugeleitet werden. An den Signalverarbeitungsschaltkreis 6 sind ein Speicher 7 und ein Monitor 8, der eine nachfolgende Fahrzeugelektronik beinhalten kann, angeschlossen.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Impulsgeber 2 so von dem Treiberschaltkreis 1 angesteuert, dass er das
Wandlerelement 4 mit einem elektrischen Impuls anregt, der in seinem zeitlichen Verlauf einer Heavisideschen Sprungfunktion 13 entspricht. Das Wandlerelement 4 nimmt die Antwort des mit dem Impuls beaufschlagten Mediums auf und leitet die Messergebnisse über den Ausgangsverstärker 5 an den Signalverarbeitungsschalt¬ kreis 6 . In dem Signalverarbeitungsschaltkreis 6 wird die Sprungantwort 14 mit einer schnellen Fourier Transformation ausgewertet. Damit steht in sehr kurzer Zeit eine Information über die zu untersuchenden physikalischen Eigenschaften des Mediums (zum Beispiel Motorenöl, Kühlwasser oder Urea Reduk¬ tionslösung) zur Verfügung.
Figur 2 zeigt einen Ultraschallsensor 9 , wie er zum Beispiel in Kraftfahrzeugen zum Messen des Motorölpegels und der Motoröl- qualität verwendet wird . Dabei ist der Pegel im Ultraschallsensor 9 und im Motor selbst identisch und der Messbereich des Ul- traschallsensors 9 liegt in der Regel zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert . Figur 2 zeigt einen Ultraschallsensor 9 mit drei Kammern 24 , 26, 27 ohne Flüssigkeit . Der Querschnitt des Ultraschallsensors 9 ist rund und die einzelnen Kammern 24 , 26, 27 werden durch konzentrisch angeordnete Rohre gebildet . Das äußere Rohr ist mit einem Boden 23 und einem Deckel 22 abge¬ schlossen und bildet das Gehäuse des Sensors . Das mittlere Rohr erstreckt sich vom Boden 23 bis zum Deckel 22 und bildet die Messkammer 24. Die äußere Kammer, auch als Einlasskammer 27 bezeichnet , und die Messkammer 24 besitzen jeweils an ihrer Außenseite nahe dem Boden 23 eine Öffnung 2 8 zum Ein- und
Ausströmen des Motoröls . Die Einlasskammer 27 und die Messkammer 24 schließen eine weitere Kammer 2 6 ein, wobei die Außenseite der weiteren Kammer 2 6 durch die Innenseite der Einlasskammer 27 und die Innenseite der weiteren Kammer 2 6 , durch die Außenseite der Messkammer 24 gebildet wird . Innerhalb der Messkammer 24 ist ein Reflexionskörper 25 angebracht , das im Rahmen des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens zur Reflexion der vom Wandlerelement 4 ausgesendeten Ultraschallwellen 12 benutzt werden kann . Zudem weisen die Kammern 24 , 2 6 , 27 Entlüftungsöffnungen 2 9 auf.
Figur 3 zeigt die Heavisidesche Sprungfunktion 13 , mit der das Wandlerelement 4 angeregt wird. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Zeit t in Millisekunden aufgetragen, wobei der Nullpunkt auf der rechten Seite des Koordinatensystems eingezeichnet ist und der zeitliche Verlauf der Heavisideschen Sprungfunktion 13 bis zu einem Zeitpunkt von 10 Millisekunden erkennbar ist. Vom Nullpunkt bis zu 5 Millisekunden befindet sich die Sprungfunktion bei etwa 0 V, wonach dann schlagartig bei 5 Millisekunden die Spannung von 0 auf 12 V erhöht wird, wonach diese Spannung für 5 Millisekunden gehalten wird und dann wieder auf 0 abfällt. Die Systemantwort 14 ist im 2. Teil des Diagramms dargestellt. Nachdem das piezoelektronische Wandlerelement 4 mit der
Heavisideschen Sprungfunktion 13 angeregt wurde und Schallwellen 12 in das Medium 11 ausgesendet hat, die nach kurzer Zeit durch Reflektion zurück zum Wandlerelement 4 reflektiert wurden, wird durch die reflektierte Ultraschallwelle im Wandlerelement eine Spannung indiziert, die als Systemantwort 14 aufgezeichnet wird. Diese Systemantwort 14 ist im 2. Graph des Koordinatensystems in Figur 3 zu erkennen.
Die Systemantwort, die auch als Sprungantwort 14 bezeichnet wird, kann mithilfe einer schnellen Fourier-Transformation analysiert werden, was in Figur 4 dargestellt ist. Die Systemantwort 14 enthält eine Vielzahl von Frequenzen, wobei eine deutliche Resonanz des Systems bei einer Frequenz von 10,5 kHz zu erkennen ist. Alle anderen Spitzen im Frequenzspektrum der Figur 4 entsprechen Oberwellen der Grundresonanzfrequenz des Systems. Anhand dieser Resonanzfrequenz des Systems kann auf die Qualität des untersuchenden Mediums zurückgeschlossen werden. Wenn der Ultraschallsensor als Qualitätssensor eingesetzt wird, kann z. B. auch die Beschaffenheit eines Motoröls in einem Verbren- nungsmotor während des Betriebes des Verbrennungsmotors ana¬ lysiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors (9) mit einem piezoelektrischen Wandlerelement (4), einem Trei¬ berschaltkreis (1), einem Impulsgeber (2) und einem Signalverarbeitungsschaltkreis (6), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Impulsgeber (2) derart von dem Treiberschaltkreis (1) angesteuert wird, dass er das Wandlerelement (4) mit einem elektrischen Impuls anregt, der in seinem zeitlichen Verlauf einer
Heavisideschen Sprungfunktion (13) entspricht, wobei die Sprungantwort (14) von dem Signalverarbeitungsschaltkreis (6) mit einer schnellen Fourier Transformation ausgewertet wird .
2. Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallsensors (9) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ultraschallsensor (9) zur Bestimmung der Qualität eines Motorenöls geeignet ist.
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