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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Distanzmessung mittels Ultraschall.
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Bei solchen Sensorvorrichtungen wird mittels eines Schallwandlers, auch Transducer genannt, ein Ultraschallpuls ausgesendet und anhand eines zurückkommenden Echos detektiert, ob sich ein Gegenstand im Messbereich befindet und gegebenenfalls wie weit der Gegenstand vor der Sensorvorrichtung angeordnet ist.
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Soll über große Distanzen in der Luft gemessen werden, muss die Frequenz, mit der gesendet und empfangen wird, wegen der mit steigender Frequenz ansteigenden Absorption des Ultraschallsignals, tieffrequent sein. Ein Ultraschall-Transducer mit niedriger Frequenz muss aber auch wegen der großen Schallwellenlänge eine relativ große Abstrahlfläche haben, damit eine Direktivität des zu überwachenden Raumes gewährleistet ist. Die Direktivität ist also abhängig vom Verhältnis der Wellenlänge des ausgestrahlten Ultraschalls zum Radius der Abstrahlfläche.
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Wird ein Transducer mit großer Abstrahlfläche mit der heute üblichen Piezotechnik realisiert, wird er auch von der Masse her relativ schwer, weil die Frequenz durch den Durchmesser des Piezokristalls vorgegeben ist. Ein nach dem Senden einmal eingeschwungener Transducer wird umso länger ausschwingen, je schwerer er selber und die mitschwingenden Komponenten sind. Diese Zeit, in der der Transducer ausschwingt, kann für die Detektion von einlaufenden Ultraschallsignalen nicht genutzt werden, da die durch das Schwingen des Piezokristalls erzeugte Spannung sicher größer ist als das zu empfangende Signal. Diese Zeit nennt man Blindbereich des Sensors und die ist proportional zur Größe der Abstrahlfläche des Transducers.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Distanzmessung mittels Ultraschall mit einem kleinen Blindbereich und einem großen Messbereich zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sensorvorrichtung zur Distanzmessung mittels Ultraschall, umfassend mindestens zwei Schallwandler mit verschieden großen Abstrahlflächen, wobei die Schallwandler zum Senden und Empfangen in mindestens zwei verschiedenen Frequenzbereichen ausgestaltet sind, und wobei die Schallwandler in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind.
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Durch die Verwendung von zwei verschiedenen Schallwandlern in einer Sensorvorrichtung kann mit einem großen Messbereich und mit einem kleinen Blindbereich gemessen werden. Eine Reduzierung des Blindbereichs der Sensorvorrichtung kann durch Verwendung eines zweiten Transducers mit kleinerer Abstrahlfläche und demnach auch geringerer Reichweite aber auch geringerem Blindbereich einfach und kostengünstig erreicht werden. Dieser kleinere Transducer wird dann auch seinen Abmessungen nach mit einer erhöhten Erregerfrequenz betrieben und zwar so, dass die Direktivität etwa dem des größeren Transducers entspricht.
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Durch die Anbringung in einem einzigen Gehäuse bleibt die Sensorvorrichtung kompakt und kann etwa eine Sensorvorrichtung mit nur einem einzigen Schallwandler ersetzen. Ferner ist der Verkabelungsaufwand geringer als bei zwei einzelnen Sensorvorrichtungen.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann mit den folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Weiterentwicklungen weiter verbessert werden.
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In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schallwandler in derselben Gehäusewand angeordnet. Eine solche Gehäusewand kann insbesondere eben ausgestaltet sein, um eine einfache Anbringung der Sensorvorrichtung zu ermöglichen. Die Schallwandler können durch Öffnungen in der Gehäusewand hindurch messen. Die Öffnungen bzw. die Schallwandler können übereinander oder nebeneinander in einer Gehäusewand angeordnet sein.
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Die messseitigen Enden der Schallwandler können in einer Ebene liegen, um eine kompakte Ausgestaltung zu ermöglichen.
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Um die Sensorvorrichtung möglichst kompakt auszugestalten, können die Schallwandler auf denselben Messbereich ausgerichtet sein. Die Messrichtungen der Schallwandler können dabei mehr oder weniger parallel oder auch mit einem größeren Winkel zueinander verlaufen. Insbesondere können sich die Messrichtungen in einem Punkt schneiden.
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Zur Erzeugung eines Signals kann jeder Schallwandler einen eigenen Sendekreis aufweisen. Ein solcher Sendekreis kann verschiedene elektrische und/oder elektronische Komponenten umfassen und zur Erzeugung eines Signals für den Schallwandler dienen. In einer alternativen Ausgestaltung kann ein einziger Signalkreis für mindestens zwei Schallwandler, und insbesondere bei mehr als zwei Schallwandlern für alle Schallwandler vorhanden sein. Dadurch kann eine kompaktere Ausgestaltung möglich sein. Ein solcher Sendekreis kann beispielsweise verstellbar sein, so dass er für die mindestens zwei Schallwandler benutzt werden kann.
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Um eine hochwertige Analyse zu ermöglichen, kann jeder Schallwandler einen eigenen Empfangskreis aufweisen. Dieser kann elektrische und/oder elektronische Bauteile umfassen und dazu dienen, das vom Schallwandler empfangene Signal umzuwandeln. In einer alternativen Ausgestaltung kann ein Empfangskreis für mindestens zwei Schallwandler, bei mehr als zwei Schallwandlern insbesondere für alle Schallwandler, vorhanden sein. Dadurch ist eine kompaktere Ausgestaltung möglich. Ein solcher Empfangskreis kann beispielsweise verstellbar sein, um mit zwei oder mehr verschiedenen Schallwandlern benutzbar zu sein.
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Die Sensorvorrichtung kann in einer kompakten Ausgestaltung eine Steuerelektronik aufweisen, die beispielsweise dazu dient, den mindestens einen Sendekreis zu steuern. Sie kann lediglich eine einzige Steuerelektronik zur Steuerung sämtlicher Sendekreise aufweisen. Ferner oder alternativ kann die Steuerelektronik dazu dienen, den mindestens einen Empfangskreis bzw. sämtliche Empfangskreise zu steuern. Eine Steuerelektronik kann beispielsweise auf einer Platine angebracht sein und/oder einen Mikrocontroller umfassen.
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Die Sensorvorrichtung kann eine Auswerteelektronik aufweisen, welche beispielsweise die empfangenen Signale auswertet und Ausgangssignale erzeugt. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise lediglich eine einzige Auswerteelektronik aufweisen, um eine kompakte Ausgestaltung zu ermöglichen. Die Auswerteelektronik kann mit der Steuerelektronik vereint und zum Beispiel in einem einzigen Mikrocontroller angeordnet sein.
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Die Sensorvorrichtung kann eine Anzeige aufweisen, in der zum Beispiel eine gemessene Distanz unabhängig davon, von welchem Schallwandler sie gemessen wurde, angezeigt wird. Analog kann die Sensorvorrichtung einen Signalausgang, beispielsweise einen gemeinsamen Signalausgang für beide Schallwandler aufweisen, so dass jeweils nur ein Signal ausgegeben wird.
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Ferner kann eine Sensorvorrichtung nur eine einzige gemeinsame Spannungsversorgung für zum Beispiel mehrere Schallwandler aufweisen, um eine kompakte Ausgestaltung zu ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Lösung erfasst auch ein Gehäuse für eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung. Ein solches Gehäuse kann beispielsweise zwei Aussparungen oder Öffnungen für die Schallwandler aufweisen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung benutzt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein zweiter Schallwandler nach einem ersten Schallwandler betrieben. Dadurch wird die Fehlmessrate verringert, da sich die beiden Schallwandler nicht gegenseitig beeinflussen. Beispielsweise kann ein Schallwandler mit einem großen Messbereich zuerst betrieben werden. Im Anschluss kann ein Schallwandler mit einem geringen Blindbereich und einem kleinen Messbereich betrieben werden. Auch eine umgekehrte Ausgestaltung, also Betriebsreihenfolge, ist möglich. Insbesondere kann ein zweiter Schallwandler auch nur dann betrieben werden, wenn die Messung mit dem ersten Schallwandler kein zufriedenstellendes Ergebnis liefert, beispielsweise weil ein Objekt sich im Blindbereich des ersten Schallwandlers befindet oder sich außerhalb des Messbereiches des ersten Schallwandlers befindet. In diesem Fall kann eine Messung mit dem zweiten Schallwandler erfolgen. Falls die Messung mit dem ersten Schallwandler schon erfolgreich war, kann auf die Messung mit dem zweiten Schallwandler verzichtet werden.
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Der erste und der zweite Schallwandler können abwechselnd betrieben werden, um ein kontinuierliches Messen zu ermöglichen. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Objekt, das sich außerhalb des Messbereiches oder im Blindbereich des ersten Schallwandlers befindet, nicht übersehen wird. Auch können dadurch sich bewegende Objekte sicher erfassbar sein.
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Um zu überprüfen, ob ein Empfang mit dem ersten Schallwandler und/oder ein Senden mit dem zweiten Schallwandler möglich ist oder ob ein Defekt vorliegt, kann ein zum ersten Schallwandler gehörender erster Empfangskreis zusammen mit einem zum zweiten Schallwander gehörenden zweiten Sendekreis betrieben werden. Eine Sensorvorrichtung kann dazu eine Steuerelektronik aufweisen, die dazu ausgestaltet ist zur Funktionskontrolle einen zu einem ersten Schallwandler gehörenden ersten Empfangskreis zusammen mit einem zum zweiten Schallwander gehörenden zweiten Sendekreis zu betreiben. Umgekehrt kann natürlich auch ein zum zweiten Schallwandler gehörender zweiter Empfangskreis zusammen mit einem zum ersten Schallwandler gehörenden ersten Sendekreis betrieben werden. Ein bei einem solchen Funktionstest ausgesandtes Signal kann von einem im Messbereich angeordneten Objekt zurückgeworfen werden. Insbesondere kann es sich um ein permanent im Messbereich vorhandenes Objekt, etwa eine Wand oder ein speziell ausgestaltetes Reflexionselement handeln, sodass ein genau definiertes Echo zurückgeworfen wird und eine einfache Verifikation der Funktionsfähigkeit möglich ist. Ferner kann das Signal auch durch die Sensorvorrichtung selbst, etwa durch ein Gehäuse von dem ersten Schallwandler zum zweiten Schallwandler übertragen werden.
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Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann zur Messung von Füllständen von Schüttgut, insbesondere Saatgut verwendet werden.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung anhand vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die gezeigten vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind voneinander unabhängig und können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
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2 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
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3 eine schematische Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Sensorvorrichtung 1 weist zwei Schallwandler 2, auch Transducer genannt, auf, die zum Senden und Empfangen in zwei verschiedenen Frequenzbereichen ausgestaltet sind. Die beiden Schallwandler 2 sind in einem einzigen Gehäuse 3 angeordnet. Es handelt sich dabei um eine ebene Gehäusewand 31. Ein erster Schallwandler 2, 21 arbeitet mit einer hohen Frequenz und hat daher einen kleineren, insbesondere einen kürzeren Messbereich 21A, als der zweite Schallwandler 2, 22, der mit einer niedrigeren Frequenz arbeitet. Nachteilig beim zweiten Schallwandler 22 ist jedoch, dass aufgrund der größeren Dimensionen, die zur Erzeugung der niedrigeren Frequenzen notwendig sind, auch der Blindbereich 22B des zweiten Schallwandlers 22 größer und länger ausfällt als der entsprechende Blindbereich 21B beim ersten Schallwandler 21. In einem solchen Blindbereich 21B, 22B kann nicht zuverlässig detektiert werden, ob ein Objekt vor der Sensorvorrichtung 1 angeordnet ist, da nach dem Aussenden eines Ultraschallimpulses der Schallwandler 2, 21, 22 noch nachschwingt und schwer unterscheidbar ist, ob ein gemessenes Signal ein Echo von einem Objekt oder ein Nachschwingen des Schallwandlers 2, 21, 22 ist. Mit einem kleinen Blindbereich 21B geht also ein kleiner Messbereich 21A einher. Mit einem großen Messbereich 22A geht ein großer Blindbereich 22B einher. Um eine Messung mit einem großen Messbereich 22A und gleichzeitig einem kleinen Blindbereich 21B zu ermöglichen, sind zwei Schallwandler 2, 21, 22 in einem einzigen Gehäuse 3 angebracht. Diese können vorzugsweise nacheinander zur Messung benutzt werden, um sich möglichst wenig gegenseitig zu stören.
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Eine Messung kann insbesondere automatisch durch abwechselndes Betreiben des ersten Schallwandlers 21 und des zweiten Schallwandlers 22 erfolgen, um zu verhindern, dass ein Objekt in den Blindbereich 22B des zweiten Schallwandlers 22 oder außerhalb des Messbereiches 21A des ersten Schallwandlers 21 kommen kann ohne bemerkt zu werden.
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Alternativ können die beiden Schallwandler 2, 21, 22 auch gleichzeitig betrieben werden. Dabei müssen allerdings entsprechende Maßnahmen getroffen werden, um zu verhindern, dass Störungen durch den jeweils anderen Schallwandler 22 bzw. 21 auftreten.
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Die beiden Schallwandler 2, 21, 22 sind auf denselben Messbereich 26 hin ausgerichtet. Dieser gemeinsame Messbereich 26 ist also größer als die einzelnen Messbereiche 21A, 21B der beiden Schallwandler 2, 21, 22. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich das zu messende Objekt zwischen den einzelnen Messungen nicht oder kaum bewegt.
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Die Messrichtungen 21C, 22C der Schallwandler 2, 21, 22 sind in dem gezeigten Beispiel etwa parallel zueinander ausgerichtet und ergeben eine Gesamtmessrichtung 25 der Sensorvorrichtung 1. Wenn die beiden Schallwandler 2, 21, 22 auf einen gemeinsamen Messbereich 26 ausgerichtet sind, können die beiden Messrichtungen 21C, 22C auch mehr oder weniger geneigt zueinander verlaufen. Die beiden Schallwandler 2, 21, 22 können also auf denselben Messbereich 26 gerichtet sein, jedoch verschiedene Messrichtungen 21C, 22C haben. Umgekehrt können die beiden Schallwandler 2, 21, 22 auch parallele Messrichtungen 21C, 22C aufweisen, die jedoch nicht auf denselben Messbereich 26 gerichtet sind, beispielsweise wenn die beiden Schallwandler 2, 21, 22 entsprechend weit voneinander versetzt angeordnet sind. Dies kann etwa bei sich bewegenden Objekten von Vorteil sein, da dann zu einem ersten Zeitpunkt mit dem ersten Schallwandler 21 gemessen werden kann und nach einer bestimmten Zeit und einer daraus resultierenden Positionsänderung des Objektes mit dem zweiten Schallwandler 22 gemessen werden kann.
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Die gezeigten Messbereiche 21A, 22A sind hier in der Seitenansicht etwa dreieckig oder trapezförmig, d. h. in drei Dimensionen etwa konisch dargestellt. Dabei handelt es sich um eine schematische Darstellung. In der Praxis werden meist keulenförmige Messbereiche 21A, 22A benutzt. Auch andere Formen von Messbereichen, zum Beispiel Messbereiche mit gleichbleibender Dicke, also etwa zylindrische, oder sich verjüngende Messbereiche sind möglich.
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In 2 ist ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 gezeigt. In dem gemeinsamen Gehäuse 3 sind insbesondere zwei Schallwandler 2, 21, 22, angeordnet. Ein erster Schallwandler 21 wird von einem ersten Sendekreis 41 zur Aussendung eines Ultraschallimpulses 91 angeregt. Der Schallwandler 21 dient hier also als Sender. Nachdem Teile des Ultraschallimpulses 91 von einem Objekt zurückgeworfen wurden, werden sie wieder von Schallwandler 21 aufgenommen und in einem Empfangskreis 51 umgeformt.
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Analog veranlasst ein zweiter Sendekreis 42 ein Aussenden eines Ultraschallimpulses 92 mit einer höheren Frequenz als der Ultraschallimpuls 91 durch den zweiten Schallwandler 22. Auch hier dient der Schallwandler 22 wieder als Empfänger, wenn Teile des Ultraschallimpulses 92 von einem Objekt reflektiert werden. Anschließend wird in einem zweiten Empfangskreis 52 dieses Signal umgewandelt.
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Die Steuerung der beiden Sendekreise 41, 42 erfolgt durch eine einzige Steuerelektronik 60, die in einem Mikrocontroller 85 angeordnet ist. Auch die Auswertung der durch die beiden Empfangskreise 51, 52 gelieferten Empfangssignale erfolgt im Mikrocontroller 85, nämlich in einer Auswerteelektronik 70. An den Mikrocontroller 85 können noch weitere Elemente angeschlossen sein, beispielsweise eine LED 62 oder ein Temperatursensor 63.
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Die Sensorvorrichtung 1 verfügt über eine einzige Spannungsquelle 81 sowie über einen einzigen Signalausgang 80.
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Um die Funktionsfähigkeit des ersten Sendekreises 41 oder des zweiten Empfangskreises 52 zu testen, können diese zusammen betrieben werden, d. h., dass der erste Sendekreis 41 den ersten Schallwandler 2 zum Aussenden eines Signals anregt und der zweite Schallwandler 22 mit dem zweiten Empfangskreis 52 benutzt wird, um ein mögliches Echo zu detektieren. Zwar ist aufgrund der abweichenden Frequenzen in vielen Fällen nicht mit einem sehr starkem Signal zu rechnen, jedoch kann das Signal ausreichend groß sein um festzustellen, ob in den benutzten Komponenten ein Fehler vorliegt.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 1 dargestellt. Zu erkennen sind ein erster Schallwandler 2, 21 und ein daneben angeordneter zweiter Schallwandler 2, 22. Ferner ist an dem Gehäuse 3 ein einziger Signalausgang 80 angeordnet. Die beiden Schallwandler 2, 21, 22 sind an derselben Gehäusewand 30 angeordnet und arbeiten durch eine erste Öffnung 31 für den ersten Schallwandler 21 und eine zweite, größere Öffnung 32 für den zweiten Schallwandler 22.
