DE102013016939A1

DE102013016939A1 - Einrichtung zur berührungslosen Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE102013016939A1
Application number: DE201310016939
Authority: DE
Inventors: Peter Rahms
Original assignee: Tiefenbach Control Systems GmbH
Current assignee: Tiefenbach Control Systems GmbH
Priority date: 2013-10-12
Filing date: 2013-10-12
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die berührungslose Entfernungsmessung basiert auf einer Ultraschall-Laufzeitmessung. Bei herkömmlichen Ultraschallentfernungsmesssystemen wird ein Ultraschallsignal in Richtung eines Objektes, zu dem die Entfernung bestimmt werden soll, gesendet. Dieses Objekt reflektiert das Ultraschallsignal und das Messsystem bestimmt über die Laufzeit des Signals die Entfernung. Die Einrichtung nach der Erfindung besteht aus einer Sende- und einer Empfangseinheit, es handelt sich also um eine Einwegmessung. Um den Messvorgang zu initiieren, wird eine Funkkommunikation aufgebaut und anschließend zu einer definierten Zeit die Ultraschallmessung durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft die Einrichtung zur berührungslosen Entfernungsmessungen zwischen einer Basisstation und einem Zielkörper nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Diese Einrichtung ist allgemein bekannt. Sie und das angewandte Messprinzip basiert auf einer Ultraschall-Flugzeitmessung.
Bei herkömmlichen Ultraschallentfernungsmesssystemen wird ein Ultraschallsignal in Richtung eines Objektes, zu dem die Entfernung bestimmt werden soll, gesendet.
Dieses Objekt reflektiert das Ultraschallsignal und das Messsystem bestimmt über die Laufzeit des Signals die Entfernung.
Ein Ultraschallsignal wird also von einem Sender in der Basisstation ausgesandt, an dem Zielkörper reflektiert und als reflektiertes Signale von einem Ultraschallempfänger in der Basisstation wieder registriert. Die Flugzeit des Schallsignals wird ermittelt und in die Entfernung zwischen Basisstation und Zielkörper umgerechnet.
Diese bekannte Einrichtung kann nur eingesetzt werden, wenn damit zu rechnen ist, dass das Ultraschallsignal an dem Zielkörper jedenfalls derart reflektiert wird, dass an der Basisstation und ihrem Ultraschallempfänger ein ausreichend starkes Reflektionssignal ankommt. Einen Nachteil ist auch, dass die Reflektion stets mit einer gewissen Streuung verbunden ist, so dass die Streusignale zu einer Verfälschung des Messwertes führen. Ferner besteht die Gefahr, dass die reflektierten Signale so schwach sind, dass der Empfang nicht eindeutig und ohne Rauschen festgestellt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur berührungslosen Entfernungsmessung mittels Ultraschall zu schaffen, die von der Reflektion des Ultraschallsignals und der Qualität der Reflektion unabhängig ist. Insbesondere soll die Einrichtung auch im Maschinenbau und insbesondere für Bergwerksmaschinen einsetzbar sein, die im Untertagebetrieb des Bergbaus eingesetzt sind, wo die Auswertung eines reflektierten Ultraschallsignal nicht zu reproduzierbaren, hinreichend genauen und unter allen Umständen auswertbaren Ergebnissen führt.
Die Lösung nach Anspruch 1 hat den Vorteil, dass die zitierten Nachteile vermieden werden und darüber hinaus an einer Vielzahl von Stellen durch Synchronisation des Startsignals einer Vielzahl derartiger Einrichtungen das Profil eines komplexen Zielkörpers mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Messstellen zu einem definierten Zeitpunkt festgestellt werden kann.
Diese Aufgabenstellung ergibt sich zum Beispiel bei der Feststellung des Höhenprofils eines Ausbauschildes im untertägigen Bergbau.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiel beschrieben. In der Zeichnung ist die Einrichtung als Blockschaltbild dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Basisstation 1
2: Ziel Körper 2
3: Ultraschallsender 3
4: Ultraschallempfänger 4
5: Steuer Einrichtung 5
5.1: Basis-Steuereinrichtung 5.1
5.2: Ziel-Steuereinrichtung 5.2
5.3: Übergeordnete Steuereinrichtung 5.3
6: Funktransceiver 6
6.1: Basis-Funktransceiver 6.1
6.2: Ziel-Funktransceiver 6.2

Das Messprinzip basiert ebenfalls auf einer Ultraschall-Flugzeitmessung.
Während aber bei herkömmlichen Ultraschallentfernungsmesssystemen ein Ultraschallsignal in Richtung eines Objektes, zu dem die Entfernung bestimmt werden soll, gesendet wird, welches das Ultraschallsignal reflektiert und mitels des Messsystems über die Hin- und Her-Laufzeit des Signals und eines der reflektierten Streusignale die Entfernung bestimmt wird, besteht die Einrichtung nach der Erfindung aus einer Sende- und einer Empfangseinheit; es handelt sich also um eine Einwegmessung.
Um den Messvorgang zu initiieren, wird eine Funkkommunikation aufgebaut und anschließend zu einer definierten Zeit die Ultraschallmessung durchgeführt.
Das Messergebnis wird über eine genormte Schnittstelle zur Verfügung gestellt. Im Einzelnen geschieht die Entfernungsmessung nach folgendem Verfahren:
In die BasisSteuereinrichtung 5.1 wird von Hand oder auf später geschilderte Weise ein Initial-Signal eingegeben. Dadurch wird mittels der BasisSteuereinrichtung 5.1 der Basis-Funktransceiver 6.1 zur Abgabe des Startsignals an den Ziel-Funktransceiver 6.2 veranlaßt. In der Basissteuereinrichtung 5.1 und – je nach angewandtem Rechenverfahren – auch in der Ziel-Steuereinrichtung 5.2 ist ein fester Zeitabstand (Wartezeit T) gespeichert zwischen der Abgabe des Startsignals und der Absendung des Ultraschallsignals von dem Ultraschallsender 3. Bei Ablauf dieses Zeitabstands veranlasst die BasisSteuereinrichtung 5.1 den Ultraschallsender 3 zur Absendung des Ultraschallsignals. In der Ziel-Steuereinrichtung 5.2 wird der Ankunftszeitpunkt des Ultraschallsignals registriert.
Dem Berechnungsverfahren liegt zugrunde, dass die Flugzeit des Ultraschallsignals von dem Ultraschallsender 3 zu dem Ultraschallempfänger 4 des Zielkörpers ein endlicher Wert ist, im Vergleich zu welchem die Flugzeit F des Funksignals von dem Basis-Funktransceiver 6.1 zu dem Ziel-Funktransceiver 6.2 vernachlässigbar klein ist. Daher kann die Flugzeit des Ultraschallsignals als Differenz zwischen dem Eingang des Funksignals am Ziel-Funktransceiver 6.2 und dem Eingang des Ultraschallsignals am Ultraschallempfänger 4 gemessen werden. Dabei wird auch der Zeitabstand (Wartezeit T) berücksichtigt. Die Flugzeit kann sodann in der Rechnerkapazität der Steuereinrichtungen 5 oder 5.1 oder 5.2 in die Entfernung zwischen dem Ultraschallsender 3 und dem Ultraschallempfänger 4 umgerechnet werden.
Für diese Berechnung wird jedenfalls der Eingang des Ultraschallsignals am Ultraschallempfänger 4 registriert.
Wenn in der Ziel-Steuereinrichtung 5.2 keine Rechnerkapazität vorhanden ist, wird dieser Zeitpunkt durch Funksignal von dem Ziel-Funktransceiver 6.2 an den Bissi-Funktransceiver 6.1 gemeldet und die Flugzeit sodann in der Rechnerkapazität der Basis-Steuereinrichtung 5.1 unter Berücksichtigung der Wartezeit T in die Entfernung zwischen dem Ultraschallsender 3 und dem Ultraschallempfänger 4 umgerechnet.
Wenn in der Ziel-Steuereinrichtung eine Rechnerkapazität vorhanden ist, kann dort die Berechnung ganz oder teilweise vorgenommen werden durch einen oder mehrere der Berechnungsschritte und Übersendung des jeweiligen Teilergebnisses bzw. Ergebnisses mittels Ziel-Funktransceiver 6.2 an den Basis-Funktransceiver 6.1 und Auswertung des übermittelten Teilergebnisses/Ergebnisses in der Rechnerkapazität der Basis-Steuereinrichtung 5.1 bzw. der übrigen übergeordneten Steuereinrichtuing und deren Rechnerkapazität.
Durch eine derertige Steuereinrichtung können auch mehrere der beschriebenen Einrichtungen angesteuert werden, wie in 2 gezeigt. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Entfernungemessungen an einem Körper vorgenommen wird, der aus einzelnen Zielkörpern zusammengesetzt ist, wobei die Zielkörper die zeitlich wechsaelnde Außenkontur des Körpers darstellen. Diese abstrakte Beschreibung trifft z. B. an dem Ausbauschild im Streb eines Bergwerks zu. Man will dort ermitteln, welche Höhe und Lage die einzelnen Abstützelemente des Ausbauschildes haben.
Daher wird mittels erfindungsgemäßer Einrichtungen die Relativlage einzelner Abstützelemente zu einer vorbestimmten Basis ermittelt. Wird in diesem Falle nur eine Basis verwandt, kann auch die Basisstation 1 mit dem Ultraschallsender 3, der Basis-Steuereinrichtung 5.1 und dem Basis-Funktransceiver 6.1 nur an einmal an der Basis vorhanden. Jedes der als Zielkörper 2 dienende Abstützelement des Ausbauschildes ist mit Ultraschallempfänger 4, Ziel-Steuereinrichtung 5.2 und Ziel-Funktransceiver 6.2 ausgestattet. Jedem der Abstützelemente kann dabei eine geringfügig andere Wartezeit T zwischen der Abgabe des Startsignals und der Absendung des Ultraschallsignals von dem Ultraschallsender 3 in der übergeordneten Steuereinrichtung 5.3 zugeordnet, so dass die Funksignale und Ultraschallsignale zeitlich geringfügig von einander getrennt abgesandt und empfangen werden. Eine wesentliche Funktion der übergeordneten Steuereinrichtung 5.3 besteht dabei darin, an die eine bzw. alle Basis-Steuereinrichtungen 5.1 synchron das Initial-Signal zur Ausführung einer Messung abzugeben. Dadurch kann die Kontur des Körpers/Ausbauschildes zu einem bestimmten Zeitpunkt – mit der geringen vernachlässigbaren Differenz der Wartezeiten ermittelt werden.

Claims

Einrichtung zur berührungslosen Entfernungsmessung zwischen einer Basisstation und einem Zielkörper, umfassend Ultraschallsender und -empfänger sowie Steuereinrichtungen zur Messung der Flugzeit des Ultraschallsignals und Umrechnung der Flugzeit in die Entfernung zwischen Basisstation und Zielkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation (1) mit dem Ultraschallsender (3) und der Zielkörper (2) mit dem Ultraschallempfänger (4) ausgerüstet ist, dass die Steuereinrichtung zwischen Basisstation (1) und Zielkörper (2) aufgeteilt ist und • eine erste an der Basisstation angebrachte Basis-Steuereinrichtung (5.1), welche mit dem Ultraschallsender verbunden ist • und eine zweite an dem Zielkörper angebrachte Ziel-Steuereinrichtung (5.2) umfasst, welche mit dem Ultraschallempfänger verbunden ist, dass die Basisstation und der Zielkörper über zwei Funktransceiver (6.1, 6.2) mit einander kommunizieren, wobei • der an der Basisstation angebracht Start-Funktransceiver (6.1) über die Basis-Steuereinrichtung mit dem Ultraschallsender der Basisstation • und der an dem Zielkörper angebrachte Ziel-Funktransceiver (6.2) über die Ziel-Steuereinrichtung mit dem Ultraschallempfänger derart verbunden sind, o dass durch ein Startsignal des Start-Funktransceivers (6.1) die Sendung des Ultraschallsignals durch den Ultraschallsender (3) ausgelöst und an den Ziel-Funktransceiver (6.2) mitgeteilt wird, o und dass durch die Ziel-Steuereinrichtung die Zeitabstand zwischen dem Startsignal und dem Empfang des Ultraschallsignals erfasst, o durch den Ziel-Funktransceiver (6.2) an den Basisfunktransceiver (6.1) übertragen o und in der Steuereinrichtung die Zeitverzögerung in die Entfernung zwischen Basis-Station und Zielkörper umgerechnet wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung durch die Zielsteuereinrichtung in die Entfernung zwischen Basis-Station und Zielkörper umgerechnet und als Entfernung an den Basisfunktransceiver übertragen wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Das Ultraschallsignal mit einer vorgegebenen in der Steuereinrichtung gespeicherten Zeit-verzögerung ausgelöst und die Flugzeit des Ultraschallsignals unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung in die Entfernung umgerechnet wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem aus mehreren Zielkörpern zusammengesetzten Körper die Startsignale der Funktransceiver der den einzelnen Zielkörpern zugeordneten Basisstationen synchronisiert – vorzugsweise mit geringem zeitlichen Abstand (Wartezeit T) synchronisiert – und dadurch die Kontur des Körpers zu einem vorgegebenen Zeitpunkt festgestellt wird.