DE3406180C2

DE3406180C2 - Vorrichtung zum Messen der Lage wenigstens eines Meßpunktes mit Hilfe von Ultraschall

Info

Publication number: DE3406180C2
Application number: DE19843406180
Authority: DE
Inventors: Markus Dr.rer.nat. 5300 Bonn Hansen; Günter Dr.Dr. 2509 Meckenheim Schumpe
Original assignee: Travenol 8000 Muenchen De GmbH; Travenol GmbH
Current assignee: Schumpe Guenter Prof Dr Dr 5309 Meckenheim
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-02-21
Publication date: 1989-10-12
Also published as: DE3406180A1

Description

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res möglich, den Ort des Meßpunktes innerhalb einer zugsweise zwischen 1 und 100 Hz, eingestellt, z. B. auf

Kugel mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm zu be- eine Frequenz von etwa 25 Hz. Bei dieser Einstellung

stimmen. Diese Messungen werden kurz nacheinander gibt der Zeitgeber 3, der ein frei schwingender Oszilla-

wiederholt, wobei die Wiederholungsfrequenz durch die tor ist, alle 40 Millisekunden einen Startimpuls an einen

Frequenz des Zeitgebers bestimmt i$t Dies ist daher 5 Sendeverstärker 4 ab, worauf der Sender 1 dann einen

vorzugsweise einstellbar, beispielsweise zwischen Wer- Ultraschall-Stoßimpuls abgibt

ten von 1 und 100 Hz. Je nach der jeweils verwendeten Gleichzeitig wird ein Zähler 5 auf Null gesetzt Hier-Meßanordnung, wobei insbesondere die Zahl de. je- für wird beispielsweise ein fünfstelliger Zähler verwenweils verbildeten Sender und Empfänger eine Rolle det Der Zähler 5 beginnt jetzt die Zählimpulse eines spielt sowie das zur Auswertung der Signale eingesetzte io HF-Oszillators 6 zu zählen, der ein Quarzoszillator ist Software-Programm und natürlich auch die Schnellig- und mit einer Frequenz von 3,438 MHz schwingt
keit des verwendeten Rechners, wird man die Frequenz Sobald ein Empfängerverstärker 9 über den Empfändes Zeitgebers auf einen passenden Wert einstellen, der ger 2 den Stoßimpuls empfängt sendet dieser ein Übernatürlich eine den jeweiligen Umständen angepaßte gu- nahmesignal an einen als Zwischenspeicher 7 arbeitente zeitliche Auflösung ergeben sollte. Versuche haben 15 den Speicher (Latch-Zwischenspeicher), der daraufhin gezeigt daß bei Frequenzen um 40 Hz bei einer nicht zu den gegenwärtigen Zählerstand des Zählers 5 übergroßen Anzahl von Sendern und Empfängern gute nimmt und bis zum entsprechenden Impuls bei der näch-Meßergebnisse erzielbar sind. sten Einzelmessung speichert. Der Inhalt des Speichers Die Schwingungsfrequenz des HF-Oszillators stellt 7, d. h. der Zählerstand, wird an eine-Anzeige 10 weiterman vorteilhaft so ein, daß die in der Anzeige erschei- 20 geleitet und dort sichtbar gemacht und/oder gespeinende Zahl, die, wie erläutert, proportional zur Laufzeit chert Die Anzeige ist beispielsweise eine Schirmbildan-¹ des Stoßimpulses ist und damit auch proportional zur zeige, ein Schreiber, ein Drucker oder auch eine direkte Entfernung zwischen Sender und Empfänger, direkt ei- Digitalanzeige des betreffenden Meßwertes. Auch könne Anzeige für die jeweils gemessene Entfernung in nen aus den gemessenen Koordinaten des Senders 1 dem betreffenden Maßsystem, im allgemeinen im metri- 25 dessen Bewegungen abgeleitet werden, weil die Messchen System, gibt Nachdem die Schallgeschwindigkeit sungen, wie erwähnt, kurz nacheinander durchgeführt in Luft bei einer Temperatur von 20⁰C bekanntlich werden. Aus diesen Meßdaten können auch alle ande-343,8 m/Sek. beträgt, bringt es daher für den Schal- ren, jeweils interessierenden Daten abgeleitet werden, tungsaufwand und die Anzeige Vorteile, wenn man die beispielsweise die Beschleunigung und, bei Vorhanden-Frequenz des HF-Oszillators auf einen Zahlenwert ein- 30 sein von wenigstens drei Meßpunkten, der Winkel zwistellt, der diesem Zahlenwert entspricht, multipliziert sehen den drei Meßpunkten, die Winkelgeschwindigmit 10", wobei π eine Zahl - 1,2,3... ist Vorzugsweise keit die Winkelbeschleunigung, Symmetrieabweichunist η -= 4, wobei dann die auf der Anzeige erscheinenden gen und weitere, interessierende Daten.
Zahlen die jeweils gemessene Entfernung direkt in ein Die Zählimpulse werden vom Zähler 5 dem Speicher Zehntel Millimeter wiedergeben. Dieselben Überlegun- 35 7 über eine Leitung 8 zugeleitet
gen gelten natürlich auch für Anzeigen in anderen Maß- Versuche haben ergeben, daß das zeitliche Auflösystemen, beispielsweise im Zoll-System. sungsvermögen der beschriebenen Vorrichtung bei der Nachdem die Schallgeschwindigkeit in Luft tempera- Verwendung von sechs Ultraschallsendern etwa gleich turabhängig ist, kann auch die Frequenz des HF-Oszilla- V₃₀ Sek. ist Dieser Wert wird bei Verwendung von wetors einstellbar sein, um zur Erzielung einer noch ver- 40 niger Sendern noch verbessert Verglichen mit anderen, besserten Meßgenauigkeit auch Temperaturschwan- bisher bekannten Meßsystemen, die vorzugsweise opkungen oder Abweichungen von der erwähnten Zim- tisch über Filmaufnahmen arbeiten, zeichnet sich die mertemperatur von 20⁰C zu berücksichtigen. erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine etwa drei-Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus- ßigfach bis einhundertfach verbesserte Ortsauflösung führungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt sehe- 45 aus. Je nach der verwendeten Anzahl der Sender und matisch das Prinzip einer eindimensionalen Meßstrecke Empfänger und auch der Rechnergeschwindigkeit eranhand eines Blockschaltbildes. gibt sich eine Meß- und Analysenzeit von wenigen Mi-Bezüglich des grundsätzlichen Aufbaus der beschrie- nuten bis herab zu etwa Άοο Sek. Eine solch kurze Zeitbenen Vorrichtung sei auf den eingangs erwähnten Auf- spanne zwischen dem Ereignis (Bewegung) und dessen satz von Schumpe u. a. verwiesen. Die Figur zeigt das 50 Darstellung erschließt neue Anwendungsgebiete, beiBlockschaltbild einer solchen Meßstrecke zwischen ei- spielsweise für die medizinische Rehabilitation und für nem einzigen Sender 1 und einem einzigen Empfänger 2, den Sportunterricht, wobei dann die betreifende Person d. h. bei einer eindimensionalen Meßstrecke. Es wird selbst, gegebenenfalls zusammen mit einem Arzt oder bevorzugt, insbesondere zur Vereinfachung der Softwa- Sportlehrer, die betreffenden Bewegungen praktisch re, wenn der Sender am Meßpunkt befestigt wird und 55 momentan sieht und kontrollieren kann.

daher beweglich ist und die Empfänger — wenigstens

drei Empfänger sind vorgesehen — raumfest sind. Es ist Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

aber grundsätzlich auch die umgekehrte Anordnung

möglich, d. h. mit raumfesten Sendern und an den Meßpunkten angebrachten Empfängern, wenngleich dies ei- 60
nen größeren Aufwand bei der Software mit sich b-;ngt.
Das im folgenden beschriebene Prinzip der eindimensionalen Meßstrecke bleibt bei allen diesen Meßstrekken zwischen jedem Sender und jedem Empfänger beibehalten. Die EDV-Anlage kann über ihre Software die 65
Empfangsimpulse jedem Empfänger und jedem Sender
zuordnen.
Ein Zeitgeber 3 ist auf eine bestimmte Frequenz, vor-

Claims

1 2 eine hohe Energie aus, sie beinhalten jedoch stets meh- Patentansprüche: rere Wellenzüge. Dadurch leidet aber die Meßgenauigkeit, weil gegebenenfalls auch die Schwingungen nach

1. Vorrichtung zum Messen der Lage wenigstens dem ersten, ansteigenden Impuls von den Ultraschalleines Meßpunktes mit einem an dem Meßpunkt be- 5 empfängern gemessen werden können. Dies führt entfestigten Ultraschallsender bzw. -empfänger und mit weder zu Fehlmessungen oder es muß durch eine geeigwenistens drei raumfest angeordneten Ultraschall- nete Programmierung der EDV-Anlage dafür gesorgt empfängern bzw. -sendern, wobei die Ultraschall- werden, daß diese Wellenzüge, die ja eine geringere sender Ultraschallsignale abstrahlen, die nach einer Amplitude haben, bei der Auswertung der Messung gewissen Laufzeit von den Ultraschallempfängern ίο nicht berücksichtigt werden. Dies kann gegebenenfalls empfangen werden, ferner mit einer EDV-Anlage, zu erhöhten Rechnerzeiten führen und damit wiederum die aus den ihr eingegebenen Koordinaten der zu einer gewissen Verzögerung bei der Darstellung der raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender und gemessenenen Werte, was bei einigen Anwendungsfälaus den jeweiligen Laufzeiten die momentane Lage len stört

des betreffenden Meßpunktes im Raum bestimmt, 15 Die DE-OS 24 22 ö37 beschreibt eine Vorrichtung diese speichert und die Messung nacheinander wie- zum Messen der Lage wenigstens eines Meßpunktes mit derholt und daraus eine zwischenzeitlich erfolgte einem an dem Meßpunkt befestigten Ultraschallsender Ortsveränderung des Meßpunktes mißt, und mit ei- oder -empfänger und mit wenigstens drei raumfest anner Anzeige und mit einem Speicher für die Meß- geordneten Ultraschallempfängern bzw. -sendern, wowerte, wobei der Ultraschallsender über einen Sen- 20 bei die Empfangssignale einer Datenverarbeitungsanladerverstärker mit einem Stoßimpuls beaufschlagt ge zugeleitet werden, die die Koordinaten des Meßwird und dem Ultraschallempfänger ein Empfänger- punktes anzeigt Gegebenenfalls ist dieser Anzeige eine verstärker nachgeschaltet ist, dadurch ge- weitere Anzeige nachgeschaltet, die die Meßdaten eines kennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung Modells in Meßdaten tatsächlicher Größe umwandelt vorgesehen ist, die einen Zeitgeber (3) aufweist, der 25 Auch dieser Druckschrift kann der Aufbau dieser Schalgleichzeitig mit dem Stoßimpuls einen Startimpuls tungsanordnung nicht entnommen werden,
an einen Zähler (5) abgibt, der von einem HF-Oszil- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine lator (6) mit Zählimpulsen beaufschlagt ist, daß der Schaltungsanordnung vorzuschlagen, mii der die Vor-Ausgang des Zählers (5) mit einem empfängerseiti- richtung der eingangs genannten Art zufriedenstellend gen Speicher (7) für die Zählimpulse verbunden ist, 30 arbeitet derart, daß die Meßwerte mit großer Genauigdessen Eingang auch an den Ultraschallempfänger keit und Schnelligkeit zur Verfügung stehen und ange-(2) angeschlossen ist und an dessen Ausgang die An- zeigt werden können,
zeige (10) angeschlossen ist Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kenn-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnenden Maßnahmen von Patentanspruch 1.
zeichnet, daß die Frequenz des Zeitgebers (3) ein- 35 Sobald der Zeitgeber einen Impuls abgibt, wird der stellbar ist betreffende Ultraschallsender zu einem Stoßimpuls er-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- regt, der sich durch eine hohe Amplitude und damit zeichnet, daß die Frequenz des Zeitgebers (3) zwi- durch einen hohen Energieinhalt sowie durch eine nur sehen 1 Hz und 100 Hz einstellbar ist. kurzzeitige Erregung mit sofort daran anschließendem

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, 40 Abfall stuf Null auszeichnet Der Stoßimpuls hat vordadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des HF- zugsweise nur eine einzige vordere Anstiegsflanke und Oszillators (6) einstellbar ist. geht dann sofort auf die Intensität Null zurück, oder

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —4, doch im wesentlichen auf Null. Fehlmessungen werden dadurch gekennzeichnet, daß der Zahlenwert der dadurch weitestgehend ausgeschlossen. Gleichzeitig mit Frequenz des HF-Oszillators (6) so einstellbar ist 45 der Aussendung des Startimpulses über den Zeitgeber daß er geteilt durch den Zahlenwert der Schallge- wird der Zähler auf Null gesetzt, der jetzt die ihm fortschwindigkeit in Luft bei der Meßtemperatur der laufend zugeführten Schwingungen des HF-Oszillators Luft den Wert 10" hat, mit η = einer ganzen positi- zählt Diese Zahl wird in den empfängerseitigen Speiven Zahl. eher übertragen, sobald dieser den Empfangsimpuls er-

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- 50 hält Die im Speicher befindlichen Zahl ist somit ein zeichnet, daß die Frequenz des HF-Oszillators (6) direktes Maß für das Zeitintervall zwischen dem Ausetwa = 3,438 MHz beträgt. senden des Stoßimpulses und dessen Empfang im Empfänger. Aufgrund der bekannten Fortpflanzungsge-

schwindigkeit des Schalls in dem betreffenden Medium,

55 im allgemeinen in Luft kann daraus der Anzeige direkt die Entfernung zwischen Sender und Empfänger ange-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen zeigt werden.

der Lage wenigstens eines Meßpunktes mit den Merk- Es ist auch möglich, die Schaltungsanordnung so zu

malen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1. treffen, daß der Zähler die ihm vom HF-Oszillator zuge-

Eine solche Vorrichtung ist beschrieben in der Zeit- 60 leiteten Impulse ständig an den empfängerseitigen Speischrift »Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie«, eher weiterleitet, der dann die betreffende Zahl anzeigt, Stuttgart, 1979, Seiten 69 bis 72. Einzelheiten über die sobald er den zugehörigen Empfangsimpuls erhält
dort verwendete Schaltungsanordung, mit der man aus Auf die beschriebene Art und Weise werden alle Imden Laufzeiten der Ultraschallsignale die Entfernungen pulse zwischen einem Sender und wenigstens drei Empmißt sowie über die dort verwendeten Ultraschallsen- 65 fängern verarbeitet, und zwar unter Zuhilfenahme der der sind in diesem Aufsatz nicht angegeben. Außerdem erwähnten EDV-Anlage einschließlich ihres Prowird dort vorgeschlagen, die Ultraschallsender zu Stoß- gramms.
wellen anzuregen. Stoßweilen zeichnen sich zwar durch Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es ohne weite-