DE4229079A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung.

Bei nach dem Impuls-Echo-Verfahren arbeitenden Füllstandmeßgeräten wird in einer Sendephase ein Impuls ausgesendet und dieser nach Reflexion an der zu detektierenden Oberfläche wieder empfangen, wobei die Laufzeit des Impulses zwischen Aussendung und Empfang ein direktes Maß für den Ab­ stand zwischen Sender/Empfänger und zu detektierender Oberfläche ist.

Das empfangene Signal wird üblicherweise periodisch abgetastet und die Abtastwerte in einem Speicher abgelegt, so daß der Echoimpuls bei größeren Entfernungen an höheren Adressen des Speichers abgelegt ist als bei geringe­ ren Abständen. Durch Adressenabfragung der Lage des Echoimpulses im Speicher läßt sich somit die Laufzeit und damit der Abstand detektieren.

Der Sendeimpuls wird allerdings auf seinem Weg vom Sender zu der zu detektierenden Oberfläche, die beim Füllstandmeßgerät der Füllgutoberseite entspricht, und auch während des Rücklaufs zum Empfänger unterschiedlich gedämpft. Dabei nimmt die Energie des empfangenen Signals bei gleichblei­ bender Beschaffenheit der Füllgutoberfläche bekanntlich mit zunehmender Entfernung ab, so daß sich mit zunehmender Entfernung nicht nur die Signal­ laufzeit vergrößert, sondern auch die Amplitude des empfangenen Echoimpul­ ses verringert, was die Detektion erschwert. Des weiteren treten zusätzliche Dämpfungen auf, die durch das vom Impuls durchstrahlte Medium (Luft oder anderes Gas) hervorgerufen werden und zudem vom Druck und der Feuchte des Mediums abhängen. Ferner reflektiert auch das Füllgut je nach seiner Beschaffenheit sehr unterschiedlich. Dies hat zur Folge, daß der Pegel des empfangenen Echoimpulses so klein werden kann, daß keine klare Unter­ scheidung zwischen dem Eigenrauschen der Auswertekomponenten und den durch den Echoimpuls hervorgerufenen Signalanteilen mehr möglich oder diese zumindest erheblich erschwert ist.

Die Echoimpulserkennung kann zudem durch andere Störfaktoren wie etwa Befüllungslärm, pneumatische Füllsysteme, Rührwerke im Füllgutbehälter usw. überlagert werden, so daß die Unterscheidung zwischen Nutzecho und Störsignalen problematisch ist.

In der DE 26 11 758 A1 ist eine Anordnung zur berührungslosen Abstands­ messung beschrieben, bei der zur Verbesserung der Detektionsgenauigkeit die Signalauswertung nicht direkt nach Empfang des ersten Echoimpulses begon­ nen wird, sondern nach Aussendung und Empfang eines ersten Impulses dieser Zyklus "Aussendung und Empfang eines Impulses" zunächst noch weitere 7mal wiederholt wird und die hierbei erfaßten Empfangssignale aufeinander folgend in einem Speicher abgelegt werden. Anschließend werden die acht Empfangssignale jeder Sende-/Empfangsperiode aufintegriert, um das resultierende Empfangssignal zu bilden, das bei korrekter Lage der integrierten Signalanteile verbesserten Störabstand besitzt. Allerdings sind zur Durch­ führung dieser Methode acht Unterspeicher notwendig, die in der Lage sind, jeweils das ganze Signalprofil einer Empfangsperiode abzulegen. Daher ist hoher Speicherplatzbedarf mit entsprechend aufwendiger Handhabung einer entsprechend großen Datenmenge erforderlich. Weiterhin besitzt das Ver­ fahren den Nachteil, daß zur Gewinnung des Detektionssignals hohe Zeitdauer erforderlich ist. Beispielsweise beträgt bei einem Abstand von 50 m die Signallaufzeit zwischen Aussendung und Empfang 300 ms, so daß selbst ohne Berücksichtigung der Auswertezeit max. drei Impulse je Sekunde gesen­ det werden können. Für die Aussendung und den Empfang von acht Impulsen und die anschließend benötigte Auswertezeit ergibt sich somit ein Zeitintervall von ca. 3 Sekunden oder mehr, so daß erst minimal 3 Sekunden nach Meßbe­ ginn ein Meßwertsignal gebildet werden kann.

Weiterhin ist es bekannt, zur Verbesserung des Störabstands ein Filter im Empfänger vorzusehen, das breitbandige Rauschanteile unterdrückt. Eine Erhöhung der Filterwirkung durch Verwendung kleinerer Filterbandbreite bringt allerdings nur in Verbindung mit einem verlängerten Sendeimpuls einen nen­ nenswerten Signal-Rausch-Gewinn. Üblicherweise haben die Sendeimpulse eine Länge von 1,5-3 ms, was Ortsauflösungen von 0,25-0,5 m entspricht. Eine Verlängerung der Impulsdauer in Verbindung mit kleineren Filterband­ breiten führt somit unerwünschterweise zu einer Reduzierung der Ortsauflö­ sung und auch zu einer Verringerung der Detektionsgenauigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung zu schaffen, die sich durch hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit auszeichnen und eine rasche Messung er­ lauben.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 1 bzw. mit den im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird somit ein spezielles Sendesignal eingesetzt, das aus mehreren zeitlich getrennten Impulspaketen (Einzelimpulsen) besteht, deren Gesamtdauer unterhalb der Signallaufzeit des Signals (Meßzyklus) liegt. An­ stelle eines Einzelimpulses wird somit eine kurzzeitige Impulsfolge gesendet. Beim Empfänger treffen daher - nach Ablauf der Signallaufzeit - diese Einzel­ impulse in rascher Aufeinanderfolge als Echos ein, wobei der gegenseitige Signalabstand unverändert dem Zeitabstand der Einzelimpulse des Sendesi­ gnals entspricht. Für die Auswerteschaltung ist es daher in verhältnismäßig einfacher Weise möglich, das Empfangssignal im Hinblick auf die zeitliche Lage dieser aufgrund ihres rhythmischen Auftretens sehr viel einfacher detek­ tierbaren und von zufallsverteilten Störsignalen klar unterscheidbaren Einzel­ impulse auszuwerten und somit die gewünschte Information über die Signal­ laufzeit und damit den Meßabstand zu gewinnen. Da das Sendesignal aus mehreren kurzen Einzelimpulsen besteht, wird überdies gegenüber dem Ein­ satz eines einzelnen langen Impulses hohe Ortsauflösung und Genauigkeit erzielt. Wenn als Auswertungsparameter das rhythmische Auftreten solcher kurzzeitiger Echoimpulse definierten Zeitabstands erfaßt wird, ergibt sich selbst bei reduzierter Signalamplitude des Empfangssignals dennoch eine zuverlässige Unterscheidbarkeit von Störimpulsen, da diese nicht in gleichem rhythmischen Muster auftreten. Selbst sehr geringe Signalamplitu­ den lassen sich daher aufgrund ihres rhythmischen Auftretens mit hoher Zuverlässigkeit als das interessierende Echosignal erkennen.

Bei der Erfindung kann somit das Meßergebnis bereits unmittelbar nach Empfang des aus Einzelimpulsen bestehenden kompletten Echosignals, d. h. unmittelbar nach Abschluß des ersten Sende-/Empfangszyklus, bereitgestellt werden, so daß die Messung sehr rasch erfolgt, obwohl zur Erzielung erhöhter Genauigkeit mehrere Echo-Einzelimpulse zur Auswertung gelangen. Es ist folglich nicht notwendig, mehrere Sende-/Empfangs-Zyklen abzuwarten.

Zur Ermittlung des zunächst noch nicht bekannten korrekten Überlagerungs­ zeitpunkts wird vorteilhafterweise der Speicherinhalt in einzelne Abschnitte unterteilt und die in diesen Speicherabschnitten enthaltenen Signalanteile werden einander überlagert. Durch sukzessive Verschiebung der Lage der Grenzlinien zwischen den einzelnen einander zu überlagernden Signalanteilen (unter Beibehaltung der dem Einzelimpulsabstand entsprechenden Breite der Speicherabschnitte) ergeben sich somit unterschiedliche Überlagerungsresulta­ te, wobei das maximale Überlagerungsresultat die korrekte Speicherunter­ teilung entsprechend den einzelnen Echoimpulsen repräsentiert. Aus der zeitlichen Lage des maximalen Überlagerungsresultates läßt sich somit in einfacher Weise die verstrichene Signallaufzeit und damit der Meßabstand erkennen.

Diese Verschiebung der Grenzen zwischen den einzelnen Abschnitten erfolgt vorzugsweise schrittweise, wobei die einzelnen Signalanteile entweder auf­ addiert oder aufintegriert werden können.

Eine teilweise Reduzierung der Störanteile läßt sich durch Filterung des emp­ fangenen Signals vor dessen Auswertung erreichen, so daß die Genauigkeit noch weiter erhöht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 2 den Verlauf eines Sende-/ und Echosignals bei einer herkömm­ lichen Ausführungsform und

Fig. 3 den Verlauf eines Sende-/ und Echosignals bei einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung gezeigt, bei dem ein Schallwandler 4 sowohl als Sender als auch als Empfänger dient. Der Schallwandler 4 sendet in einer Sendephase ein Sendesignal in Richtung der zu detektierenden Ober­ fläche, die im Ausführungsbeispiel durch die Füllgutoberfläche 5 repräsentiert ist, aus und empfängt in der nachfolgenden Empfangsphase das von der Füllgutoberfläche 5 reflektierte Echosignal. Der Schallwandler 4 wird über eine Schaltvorrichtung 3 angesteuert, die die Umschaltung zwischen Sendebetrieb und Empfangsbetrieb bewirkt.

Während des Sendebetriebs ist der Schallwandler 4 über die Schaltvorrichtung 3 mit einem Pulsverstärker 2 verbunden, der durch eine elektronische Steuer­ schaltung 1 angesteuert wird und an den Schallwandler 4 das aus mehreren Einzelimpulsen bestehende Sendesignal anlegt. Der Schallwandler 4 ist als Ultraschallwandler, vorzugsweise in Form eines Piezo-Kristalls, ausgebildet, der mit akustischen Anpaßvorrichtungen versehen ist und bei Erregung ein gebündeltes Ultraschallsignal aussendet.

In der nachfolgenden Empfangsphase dient der Schallwandler 4 als Empfänger und wird durch die Schaltvorrichtung 3 vom Pulsverstärker 2 abgetrennt und statt dessen auf eine Empfangsvorstufe 6 geschaltet.

Die Empfangsvorstufe 6 verstärkt die empfangenen Signale und weist ein Bandpaßfilter auf, das breitbandige Rauschanteile unterdrückt, während es die Echoimpulse weitgehend ungehindert und ohne störende Profil- und Frequenz­ veränderungen durchläßt.

Das von der Demodulatorschaltung 7 abgegebene Signal wird durch einen Analog-/Digital-Wandler 8 digitalisiert. Der Analog-/Digital-Wandler 8 wird durch einen Taktgenerator 9 angesteuert, der die Arbeitsfrequenz des Analog- /Digital-Wandlers 8 bestimmt. Die Frequenz des Taktgenerators 9 ist aus­ reichend hoch gewählt, um das Hüllkurvensignal des Demodulators 7 mit der notwendigen Auflösung und Schnelligkeit in digitale Werte umzusetzen. Die vom Analog-/Digital-Wandler 8 abgegebenen digitalisierten Hüllkurvenwer­ te werden in einem Speicher 10 fortlaufend gespeichert. Im Speicher 10 wird somit das umgeformte Empfangssignal des Schallwandlers 4 in zeitrichtiger Reihenfolge abgelegt. Da die empfangenen Echoimpulse mit einer durch den Taktgenerator 9 bestimmten Frequenz periodisch abgetastet und fortlaufend im Speicher 10 gespeichert werden, kann eine auf den Speicher 10 zugreifen­ de Auswerteschaltung 12 die Laufzeit eines Signals aus der Speicher-Abla­ geadresse ermitteln und hierdurch die Meßdistanz errechnen.

Weiterhin ist ein Integrator 11 vorhanden, der auf den Speicher 10 zugreift, unter der Steuerung durch die Auswerteschaltung 12 eine nachfolgend noch näher beschriebene Integration durchführt und deren Ergebnisse jeweils der Auswerteschaltung 12 zuführt.

In Fig. 2 ist der Signalverlauf bei einem herkömmlichen Impuls-Echo-Ver­ fahren dargestellt. Hierbei wird von einer Meßdistanz von 50 m ausgegangen. In der Sendephase wird vom Schallwandler 4 ein Einzelimpuls 13 in Richtung zu der zu detektierenden Füllgutoberfläche ausgesendet. Nach zweimaligem Durchlaufen der Strecke zwischen Schallwandler 4 und Füllgutoberfläche gelangt der reflektierte Echoimpuls 14 verringerter Amplitude wieder zum Schallwandler 4 zurück und wird von diesem erfaßt. Der zeitliche Abstand zwischen Beginn des Sendeimpulses 13 und Beginn des Empfangs des Echo­ impulses beträgt bei der Meßentfernung von 50 m ca. 300 ms.

In Fig. 3 ist ein Signalverlauf gezeigt, wie er bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird. In der Sendephase wird ein Signal ausgesendet, das aus mehreren zeitlich getrenn­ ten Impulspaketen (Einzelimpulsen) 15 bis 19 besteht. Die Gesamtzeitdauer des Sendesignals, d. h. der Impulse 15 bis 19 einschließlich der zwischen diesen liegenden Zeitdauer, liegt unterhalb der Signallaufzeit des Signals (Meßzyklus).

Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die in der Sendephase gesendeten Impulspakete eine Dauer von jeweils 2 ms und einen gegenseitigen Abstand (von Impulsbeginn zu Impulsbeginn) von 5 ms. Die Anzahl der Impulspakete (Einzelimpulse) jedes Sendesignals und auch deren Dauer und gegenseitiger Abstand können je nach Bedarf und Einsatzbereich variiert werden, beispiels­ weise in Abhängigkeit von der zu messenden Entfernung oder der Beschaffen­ heit des Übertragungsmediums oder der zu detektierenden Oberfläche.

Diese Impulspakete werden nach Durchlaufen des Meßabstands und Reflexion an der zu detektierenden Oberfläche als Echoimpulse 20 bis 24 wieder empfangen. Der zeitliche Abstand zwischen Beginn des Sendesignals und Beginn des Empfangssignals beträgt bei einer Meßentfernung von 50 m in gleicher Weise wie bei Fig. 2 ca. 300 ms. Der gegenseitige zeitliche Abstand der empfangenen Echoimpulse (Impulspakete) 20 bis 24 stimmt mit dem der Sendeimpulspakete 15 bis 19 überein. Aufgrund der kurzen Gesamtzeitdauer des gesendeten Signals von ca. 22 ms wirken sich selbst Veränderungen der Füllgutoberfläche aufgrund Befüllung/Entleerung nicht nennenswert aus, da die Füllgutoberfläche selbst in diesem Fall während der Sendesignaldauer als stationär angesehen werden kann. Die Detektionsgenauigkeit bleibt damit sehr hoch.

Das die Echoimpulse 20 bis 24 enthaltende Empfangssignal wird nach Ver­ stärkung/Filterung, Demodulierung und Digitalisierung im Speicher 10 gespei­ chert.

Die Auswerteschaltung 12 ermittelt daraufhin die Adressenlage der Echoim­ pulse 20 bis 24, um hieraus die Signallaufzeit und damit den Meßabstand zu berechnen. Hierbei zerlegt die Auswerteschaltung 12 den Speicherbereich des Speichers 10 in kleine Stücke, deren Länge dem Zeitabstand der einzelnen Sende-Impulspakete 15 bis 19 entspricht, d. h. im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, 5 ms lang ist. Jeweils 5 solcher aufeinanderfolgender Stücke des Speicherbereichs werden übereinandergelegt. Der Integrator 11 bildet das Integral über diese 5 jeweils übereinandergelegten Stücke und führt das Ergebnis der Auswerteschaltung 12 zu. Durch sukzessive Veränderung der Lage der Unterteilung der 5 ms langen Teile des Speicherbereichs wird diese Speicherinhaltsanalyse wiederholt durchgeführt, wobei die Auswerteschaltung 12 die bei der Integration jeweils erhaltenen Ausgangswerte speichert. Diese Ausgangswerte können im Speicher 10 abgelegt werden. Die Auswerteschal­ tung überprüft schließlich die einzelnen gespeicherten Integralwerte im Hin­ blick auf einen geeigneten Parameter, insbesondere maximale Größe, und definiert denjenigen Integralwert, bei dem der Parameter eine vorbestimmte Beziehung erfüllt, beispielsweise die Amplitude maximal ist, als den inter­ essierenden Wert. Aus der Lage der den ausgewählten Integralwert gebildet habenden Stücke des Speicherbereichs innerhalb des Speichers läßt sich somit die Signallaufzeit und damit der Meßabstand in herkömmlicher Weise berechnen.

Bei Übereinanderlagerung der den Echoimpulsen 20 bis 24 entsprechenden Teile des Speicherbereichs ergibt sich somit ein Signalgewinn. Des weiteren werden durch die Integration Rauschanteile unterdrückt. Das Nutzsignal hat (bei 5 Sendeimpulspaketen) die 5fache Energie eines Einzelsignals. Auch die Schärfe der Ortsauflösung bleibt erhalten. Ferner wird ein Auswertungsergeb­ nis schon nach einem einzigen Sendesignal mit deutlichem Signal-Rausch- Gewinn erhalten.

Claims (10)

1. Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung, bei dem in einer Sendephase ein impulsförmiges Signal abgestrahlt und in einer Emp­ fangsphase ein von einer zu detektierenden Oberfläche reflektiertes Impulsechosignal aufgenommen und abgespeichert wird, wobei die Signallaufzeit zwischen Absendung und Empfang des Signals als Maß für den Abstand zur zu detektierenden Oberfläche ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendephase ein aus mehreren zeitlich getrennten Impulspaketen (15-19) bestehendes Signal mit einer unterhalb der Signallaufzeit des Signals liegenden Gesamtzeitdau­ er gesendet wird und daß die den einzelnen empfangenen Impulspake­ ten entsprechenden Signalanteile (20-24) ausgewertet, vorzugsweise einander überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spei­ cherinhalt eines das empfangene Signal speichernden Speichers (10) in einzelne Abschnitte unterteilt wird, deren Größe etwa dem Mittelab­ stand der einzelnen Impulspakete (20-24) entspricht, und die in diesen Speicherabschnitten enthaltenen Signalanteile einander überlagert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Grenzen zwischen den einzelnen Speicherabschnitten schrittweise geändert und dabei jeweils überprüft wird, bei welcher Lage der Gren­ zen ein Maximum des bei der Überlagerung der Signalanteile resul­ tierenden Signals erhalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzelnen Signalanteile addiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzelnen Signalanteile aufintegriert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das empfangene Signal vor der Speicherung gefiltert und hüllkurvendemoduliert wird.

7. Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, mit einer Wandleranordnung (4) zur Aussendung und zum Emp­ fang eines in Richtung zur zu detektierenden Oberfläche gerichteten und von dort reflektierten Signals, einem Speicher (10) zur Speicherung des empfangenen Signals, und einer Auswerteschaltung (12) zur Aus­ wertung des empfangenen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das gesendete Signal aus mehreren zeitlich getrennten Impulspaketen (15-19) mit einer unterhalb der Signallaufzeit des Signals liegenden Ge­ samtzeitdauer besteht, und daß die Auswerteschaltung (12) die den einzelnen empfangenen Impulspaketen (20-24) entsprechenden Si­ gnalanteile erfaßt, vorzugsweise einander überlagert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ werteschaltung (12) einen Integrator (11) aufweist, der die einzelnen Signalanteile integriert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (12) den Speicherbereich des Speichers (10) in einzelne, dem Zeitabstand der Sende-Impulspakete entsprechende Abschnitte unterteilt, eine der Anzahl von Sende-Impulspaketen ent­ sprechende Anzahl fortlaufender Speicherabschnitte überlagert und diesen Vorgang wiederholt und unter Verschiebung der Grenzen zwi­ schen den einzelnen Abschnitten wiederholt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Wandleranordnung (4) und dem Speicher (10) ein Filter (6) angeordnet ist.