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Dokumentenidentifikation DE2950902C2 12.10.1989
Titel Empfangsschaltung für die Laufzeitmessung von Schallsignalen
Anmelder Salzgitter Elektronik GmbH, 2302 Flintbek, DE
Erfinder Grisard, Klaus, Dr., 2351 Trappenkamp, DE
Vertreter Hansmann, D., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 2000 Hamburg
DE-Anmeldedatum 18.12.1979
DE-Aktenzeichen 2950902
Offenlegungstag 23.07.1981
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse G04F 10/00
IPC-Nebenklasse G01S 15/08   G01N 29/00   G01P 5/18   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Empfangsschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine solche Schaltung ist aus der DE-AS 25 30 114 bekannt.

Die Laufzeitmessung von Schallsignalen stellt eine vielseitig anwendbare Meßmethode dar. Mit ihrer Hilfe lassen sich durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Parameter des in der Schallstrecke befindlichen Mediums bestimmen; Durch Anwendung der Schallmitführungsmethode können Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums gemessen werden; Bei bekannter Schallgeschwindigkeit läßt sich über die Laufzeit die Streckenlänge bestimmen. Letztere Methode wird zur Entfernungsmessung von Schallwandlern gegenüber reflektierenden Flächen benutzt.

Will man bei dieser Methode die Meßgenauigkeit vergrößern, so muß die zeitliche Auflösung verbessert werden. Laufzeitverschiebungen in der elektronischen Empfangs- und Auswertschaltung spielen dann eine erhebliche Rolle. Thermische und geometrische Veränderungen (z. B. an flexiblen Verbindungskabeln) führen zu Veränderungen der Übertragungsparameter einzelner Baugruppen bzw. Bauelemente der Schaltung, die zu einer Veränderung der Signallaufzeit führen. Unter diese Laufzeitfehler in der Schaltung kann die Meßgenauigkeit jedoch nicht gedrückt werden. Es ist bekannt, Schaltungen der hier beschriebenen Art dadurch zu eichen, daß z. B. vor bzw. nach einer Messung ein einem typischen Empfangssignal nachgebildetes Referenzsignal am Eingang der Empfangsschaltung eingespeist wird. Man erhält dann ein Gleichspannungssignal, das nur die jeweiligen Zeitfehler in der elektronischen Schaltung berücksichtigt. Mit diesem Signal kann das Meßsignal korrigiert werden, entweder durch Addition zum Meßsignal auf rechnerischem Wege oder durch Nachregelung der Schaltungslaufzeit vermittels Stellgliedern. Diese Methode funktioniert allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die Laufzeit in der Schaltung während der Messung konstant bleibt. Außerdem ist diese Methode mit einigem Bedienungsaufwand verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ständig einen von Laufzeitschwankungen der Schaltung freien Meßwert liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichnungsteiles des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltung wird abwechselnd vom Meßsignal und vom Referenzsignal durchlaufen. Die Ausgangsgleichspannung nimmt also abwechselnd den Meßwert und einen vom Referenzsignal vorgegebenen Konstantwert an, wobei auch zeitlich kurzzeitige Laufzeitänderungen in der Schaltung beide Ausgangswerte gleichsinnig und um den gleichen Betrag verschieben. Die am Ausgang auftretende Wechselspannung entspricht in ihrer Amplitude folglich exakt der Differenz zwischen Meßwert und Referenzwert. Laufzeitschwankungen in der Schaltung ergeben lediglich eine Gleichspannungskomponente der Wechselspannung, die auf einfachem Wege ausgefiltert werden kann. Neben der hierdurch erzielbaren erheblichen Steigerung der Meßgenauigkeit ergibt sich der Vorteil, daß am Ausgang der Auswertschaltung unmittelbar eine Wechselspannung zur Verfügung steht, die besser weiterverarbeitet werden kann, da sie z. B. besser zur Fernüberwachung geeignet ist. Häufig sind die Schallwandler mit der Empfangsschaltung über längere Kabel verbunden, die durch Kapazitätsänderungen (z. B. bei Verbiegung) die Laufzeit ändern. Da die Kabelkapazität bei Einspeisung des Referenzsignales am Schaltungseingang mit berücksichtigt wird, lassen sich mit der Erfindung bauliche Probleme besser lösen.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Schaltung durch die Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeichnet. Diese Schaltung zeichnet sich durch große konstruktive Einfachheit aus, da sie die ohnehin vorhandenen Lücken zwischen den Schallsignalen benutzt. Die identische und zu den Empfangssignalen äquidistante Einspeisung des Referenzsignales führt zu einer symmetrischen Ausgangswechselspannung.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Schaltung vorteilhaft durch die Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet. Die erheblichen Schwierigkeiten bei zweikanaligen Schaltungen, in denen die beiden Kanäle unterschiedliche Laufzeitänderungen haben können, werden auf diese Weise elegant gelöst. Abwechselnd wird die Zeitdifferenz zwischen den Empfangssignalen der beiden Kanäle und zwischen den Referenzsignalen der beiden Kanäle gemessen. Die sich ergebende Ausgangswechselspannung ist also um die Laufzeitschwankungen beider Kanäle voll korrigiert.

In der Zeichnung ist die Erfindung am Beispiel einer Empfangsschaltung für ein Gerät zur Strömungsmessung nach der Schallmitführungsmethode dargestellt, bei dem über die durchströmte Meßstrecke gleichzeitig von beiden Enden Schallbursts ausgesandt und anschließend am gegenüberliegenden Ende empfangen werden.

Die dargestellte Schaltung besitzt zwei an Schallwandler 1 bzw. 1&min; angeschlossene Kanäle, die abwechselnd in der Betriebsart "Senden" gleichzeitig auf beide Schallwandler Sendesignale geben und anschließend nach Umschalten auf die Betriebsart "Empfangen" von den Schallwandlern empfangene Signale verarbeiten.

Zu diesem Zweck ist ein Empfangsumschalter vorgesehen. In der Betriebsart Empfang schaltet dieser die Schallwandler 1 bzw. 1&min; auf die Eingänge von Empfangsverstärkern 2 bzw. 2&min;. In der Betriebsart Senden schaltet er den Ausgang eines Sendeverstärkers 3 parallel auf die Schallwandler 1 und 1&min;.

Die dargestellte Anordnung wird zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines zwischen den Schallwandlern 1 und 1&min; strömenden Mediums verwendet. Die Strömungskomponente in Richtung der Verbindungslinie zwischen den Schallwandlern ergibt für das in der einen Richtung laufende Signal eine Verzögerung und für das andere Signal eine Beschleunigung um denselben Betrag. Die Laufzeitdifferenz zwischen den Signalen entspricht also im wesentlichen dem doppelten Wert der Strömungsgeschwindigkeit. Im vorliegenden Beispiel werden als Schallsignale Bursts (burst = Schwingungsgruppe) verwendet, deren Laufzeitdifferenz durch Phasenvergleich ermittelt wird. Die Ausgänge der Sendeverstärker 2, 2&min; werden daher den Eingängen eines Phasendetektors zugeführt, auf dessen Ausgangsleitung 4 ein der Phasendifferenz entsprechendes Gleichspannungssignal erzeugt wird.

In den Eingangsleitungen 5 bzw. 5&min; zwischen den Schallwandlern 1 bzw. 1&min; und dem Empfangsumschalter, in den vom empfangenen Signal durchlaufenen Baugruppen des Empfangsumschalters und in den anschließenden Signalwegen der Empfangssignale bis einschließlich des Phasendetektors können in den beiden Empfangskanälen Laufzeitveränderungen z. B. durch geometrische Änderungen und durch thermische Veränderungen auftreten. Diese Laufzeitveränderungen, die z. B. in beiden Empfangskanälen gegensinnig verlaufen können, begrenzen die nutzbare Zeitauflösung bekannter Schaltungen dieser Art. Erfindungsgemäß werden die Auswirkungen dieser Laufzeitschwankungen auf das Ausgangssignal auf der Ausgangsleitung 4 wie folgt eliminiert:

Ein Referenzumschalter gibt die Sendefrequenz eines Oszillators abwechselnd über eine Sendeleitung 6 auf den Eingang des Sendeverstärkers 3 und über eine Referenzleitung 7 auf Abschwäch- bzw. Koppelglieder 8, 8&min;, die an die Eingangsleitungen 5 bzw. 5&min; gekoppelt sind. Referenzumschalter und Empfangsumschalter sind derart betrieben, daß das Referenzsignal in den Lücken zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal in der Betriebsart Empfang des Empfangsumschalters eingespeist werden, und zwar in der Burstlänge identisch zum Empfangskanal und äquidistant zu den Empfangssignalen. Die Referenzsigale sind derart gleichzeitig eingekoppelt, daß sie am Phasendetektor die Phasendifferenz null ergeben. Treten Laufzeitveränderungen in den beiden Empfangskanälen bzw. in den Empfangsleitungen 5 auf, so beeinflussen diese die Referenzsignale in gleicher Weise wie die Empfangssignale. Das Ausgangssignal am Phasendetektor verschiebt sich also für beide Werte in gleicher Richtung. Die sich ergebende symmetrische Wechselspannung auf der Ausgangsleitung 4 ist also, abgesehen von Gleichspannungskomponenten, um die Laufzeitschwankungen in der Empfangsschaltung und im Phasendetektor vollständig korrigiert.

Ein Programmwerk beherrscht den Referenzschalter und steuert diesen in seine beiden Betriebsarten. Ferner werden über eine Steuerleitung 9 die Empfangsverstärker 2 bzw. 2&min; während der Betriebsart Senden des Empfangsumschalters inaktiviert, um durch eine Überlastung während des Sendens auftretende Störungen zu verhindern. Eine Ausblendeleitung 10 steuert den Phasendetektor frequenz- und phasenstarr zu der Umschaltfrequenz derart, daß von den ausgewerteten Empfangsbursts nur bestimmte, von Ein- bzw. Ausschwingverzerrungen der Schallwandler 1 bzw. 1&min; nicht beeinflußte Teile (vorzugsweise der mittlere Teil) ausgewertet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. An Schallwandler angeschlossene Empfangsschaltung für die Laufzeitmessung von Schallsignalen mit Auswertschaltung zur Erzeugung eines laufzeitabhängign Gleichspannungssignales, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (5, 5&min;) der Empfangsschaltung (2, 2&min;) in konstanter zeitlicher Folge abwechselnd mit dem Signal des Schallwandlers (1, 1&min;) und einem Referenzsignal (7) beaufschlagt wird, das einem Schallsignal konstanter Laufzeit entspricht.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1 für den Empfang diskreter Schallsignale, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal identisch und äquidistant zum Empfangssignal in den Empfangspausen eingespeist wird.
  3. 3. Empfangsschaltung nach Anspruch 2 zur Strömungsmessung nach der Schallmitführungsmethode mit zwei Empfangskanälen, die gleichzeitig gegenläufig über eine Meßstrecke geschickte Signalbursts empfangen, deren Laufzeitdifferenz in der Auswertschaltung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzbursts in den Pausen zwischen Sendung und Empfang gleichzeitig dem Eingang beider Empfangskanäle zugeführt werden.






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