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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige der
Übertragungs- und Empfangszeit eines akustischen
Impulses, der ein Wellenpack umfaßt, dessen
Amplitudenhüllkurve eine ansteigende Flanke und eine abfallende Flanke
aufweist. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine
Vorrichtung zur Ausführung einer derartigen Zeitanzeige
eines akustischen Impulses, der in einem akustischen
System übertragen oder empfangen wird, welches Mittel
für die Erzeugung eines elektrischen Signals enthält,
das dem Impuls entspricht.
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Vorzugsweise können das Verfahren und die Vorrichtung
gemäß der Erfindung zur Messung der Übertragungszeit in
einem echoakustischen System verwendet werden, d. h. in
einem System, in dem die Übertragungszeit eines
akustischen Impulses aus der Zeit der Übertragung des Impulses
und der Zeit, zu der dieser wieder empfangen wird,
nachdem er reflektiert worden ist, gemessen wird.
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Derartige akustische Meßsysteme sind in verschiedenen
Variationen bekannt und werden in vielen
unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise zur Messung des Pegels
oder des Volumens in Tanks, in Behältern oder dergl. zur
Messung des Abstandes, beispielsweise zur automatischen
Fokussierung in Kameralinsen, zur Messung einer
Strömung, im Bereich der medizinischen Diagnostik,
beispielsweise zur Ultraschalluntersuchung sowie zur
Positionsbestimmung und dergl. verwendet.
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In Anbetracht des Umstandes, daß das Verfahren und die
Vorrichtung gemäß der Erfindung die heutzutage bei den
Messungen der Übertragungszeit in Verbindung mit einer
elektro-akustischen Flüssigkeitsmessung in Tanks und
Behältern auftretenden Probleme lösen, wird der Aufbau
und die Funktion eines bekannten akustischen
Flüssigkeitspegelmeßsystems im einzelnen beschrieben, wobei
nachfolgend die in einem derartigen System auftretenden
Schwierigkeiten verdeutlicht werden.
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Bei einer akustischen Flüssigkeitspegelmessung des
sogenannten Echotyps wird ein akustischer Wandler am
höchsten Punkt in einem die Flüssigkeit enthaltenden
Behälter angeordnet, dessen Pegel oder Volumen gemessen
werden soll. Der akustische Wandler wird von einem
Übertrager mit einem ersten elektrischen Signal versorgt,
beispielweise in form eines Wellenpacks von einer
verhältnismäßig kurzen Zeitdauer. Infolge dieses ersten Signals
erzeugt der Wandler einen entsprechenden akustischen
Impuls, der nach unten auf die Oberfläche der
Flüssigkeit gesendet wird. Nach der Reflektion an der
Oberfläche wird der Impuls wiederum durch den Wandler
aufgenommen, der infolgedessen ein zweites elektrisches Signal
erzeugt, das auf einen Empfänger gegeben wird. Das
Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten
elektrischen Signal, d. h. die Übertragungszeit des akustischen
Impulses, wird bestimmt, wobei der Abstand zwischen dem
Wandler und der Oberfläche der Flüssigkeit aus der
Kenntnis der Laufgeschwindigkeit des akustischen Impulses im
fraglichen Medium berechnet werden kann.
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In Verbindung mit einer derartigen Laufzeitmessung ist
es offensichtlich wichtig, daß man in der Lage ist, eine
genaue Zeitbestimmung des Empfangs des reflektierten
Impulses oder des Echos auszuführen. In diesem
Zusammenhang gibt es eine Mehrzahl von Faktoren, die für
ungenaue Meßergebnisse bei der Zeitanzeige der
übertragenen bzw. empfangenen Akustikimpulse verantwortlich
sind.
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Eine bekannte Art der Zeitanzeige eines akustischen
Impulses ist einfach die Erfassung des Vorhandenseins oder
Nichtvorhandenseins des Impulses. In diesem Falle ist
die Genauigkeit der Anzeige der Zeit des Impulses oder
des elektrischen Signals im wesentlichen abhängig von
der Breite der Amplitudenhüllkurve des Wellenpacks.
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Um eine höhere Genauigkeit bei der Anzeige der Zeit
akustischer Impulse zu erreichen, sind verschiedene
Arten von Schwellenpegeldetektoren vorgeschlagen worden.
In diesen Fällen wird die Zeitanzeige mittels eines
Detektors ausgeführt, der die Amplitude des Impulses
erfaßt und den Impuls überprüft, ob seine Amplitude über
einen gegenwärtigen Schwellenpegel hinausgeht. Die
Zeitanzeige des Impulses geschieht in dem Augenblick, bei
dem die Amplitude des Impulses über den Schwellenwert
hinausgeht.
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In vielen Fällen liefert eine Schwellenpegelerfassung
auf der positiven oder ansteigenden Flanke eine nicht
ausreichend genaue Zeitanzeige des Impulses, wobei ein
Versuch, die Genauigkeit durch Vergrößerung der Neigung
der ansteigenden Flanke zu erzielen, eine Zunahme der
Bandbreite erfordert, was wiederum ungünstig ist und
gleichzeitig eine Verschlechterung des Signal-Rausch-
Verhältnisses zur Folge hat.
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Darüber hinaus hat die Schwellenpegeltechnik den
Nachteil, daß sie empfindlich in bezug auf Veränderungen der
Amplitude des Echos durch die Änderung der
Laufentfernung der Impulse ist, die sich im Zuge der Änderungen
des Flüssigkeitspegels ergibt. Eine sehr starke Dämpfung
der Impulse kann beispielsweise zur Folge haben, daß die
Amplitude niemals den Schwellenwert erreicht und die
dann als derart klein angenommen werden müssen, daß
ebenfalls akustische Interferenzen als gültige Echoimpulse
interpretiert werden können. Eine geringer starke
Dämpfung des akustischen Impulses kann zur Folge haben, daß
der Schnittpunkt des Schwellenpegels mit der
Amplitudenhüllkurve längs der ansteigenden Flanke bewegt wird,
d. h. die angezeigte Zeit, auf der die Übertragungszeit
der Messung beruht, wird innerhalb des Wellenpacks
verschoben.
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Das Problem der Verschiebung der gemessen Zeit längs der
ansteigenden Flanke eines Wellenpacks ist im Falle
verhältnismäßig niedriger benutzter Trägerfrequenzen
problembehaftet, da eine geringe Dämpfung der Amplitude in
diesem Fall wegen der schwachen Steigung der
ansteigenden Flanke eine große Änderung der Zeit zur Folge haben
kann, bei der die Amplitudenhüllkurve den Schwellenwert
schneidet. So werden beispielsweise niedrige akustische
Frequenzen in Verbindung mit Pegelmessungen in Behältern
für entzündliche Flüssigkeiten bevorzugt, die unter dem
Gesichtspunkt eines Explosionsrisikos nicht mit hohen
elektrischen Leistungspegeln im Wandler angelegt werden
sollten.
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In dem Fall, wo der akustische Impuls in einem Rohr oder
dergl. zwischen dem Wandler und der
Flüssigkeitsoberfläche ausgebreitet wird, ist es ebenfalls vorteilhaft,
niedrigfrequente Impulse zu verwenden, die weniger
empfindlich in bezug auf Störungen sind, die durch
Tropfenablagerungen, vorstehende Bezugspunkte und dergl. im
Rohr hervorgerufen werden, und die weniger Leistung
erfordern und die weniger dazu neigen, Schwingungszustände
höher Ordnung zu erzeugen. Die Verwendung hochfrequenter
Impulse, die im vorliegenden Fall wesentlich ist,
bedeutet, daß die Wellenlänge des akustischen
Impulsträgers gleich oder kleiner als der Durchmesser des Rohres
ist und zusätzlich zum Grundmode eine Mehrzahl von
Schwingungsmodes höherer Ordnung umfaßt, um sich durch
das Rohr hindurch fortzupflanzen. Im Gegensatz zu einer
ebenen Wellen oder dem Grundmode breiten sich die Modes
höherer Ordnung nicht nur längs der Richtung des Rohres
aus, sondern auch in seiner lateralen Richtung, was
ebenfalls falsche Echoimpulse und dadurch inkorrekte
Meßergebnisse zur folge haben kann.
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Um eine befriedigende Genauigkeit in einem derartigen
akustischen Rohrmeßsystem zu erreichen, ist man bisher
dazu veranlaßt gewesen, einen Ton mit relativ hoher
Frequenz wegen der vorangehend beschriebenen
Genauigkeitsprobleme und im Hinblick auf die Zeitanzeige niedrige
Frequenzimpulse zu verwenden.
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Aus der US-A-4 480 485 ist es bekannt, den Mittelpunkt
eines akustischen-Impulses durch Aufteilung des Impulses
in zwei Hälften zu führen und die Polarität einer der
Hälften umzukehren und die beiden Hälften in einem
Integrator zu vergleichen.
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Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, die vorangehend
aufgeführten Schwierigkeiten zu beseitigen und ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
vorzusehen, die eine beträchtlich verbesserte
Genauigkeit der Zeitanzeige eines akustischen Impulses im
Vergleich zu dem, was bisher mit der heutzutage
bekannten akustischen Meßtechnik zu erhalten möglich ist, zu
schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es
ermöglichen, eine sehr genaue Zeitanzeige akustischer
Impulse mit relativ hoher Frequenz zu ermöglichen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die
Notwendigkeit herkömmlicher Schwellenwerterkennung in
Verbindung mit der Zeitanzeige akustischer Impulse
entbehrlich macht.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die
eine genaue Zeitanzeige ermöglichen, die unabhängig von
den Veränderungen der Amplitude des gesendeten oder des
empfangenen Impulses ist.
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Diese und andere Aufgabe werden durch ein Verfahren und
eine Vorrichtung, wie sie in den Patentansprüchen 1 bzw.
7 beschreiben sind, gelöst.
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Da gemäß der Erfindung die abfallende Flanke der
Amplitudenhüllkurve zur Anzeige der Zeit des Impulses, im
Gegensatz zur herkömmlichen Schwellwerterkennung,
benutzt wird, bei der die positive oder ansteigende Flanke
der Amplitudenhüllkurve für die Zeitanzeige benutzt
wird, indem der Anfang der abfallenden Flanke zur
Bestimmung einer Referenzzeit benutzt wird, hat eine
Änderung der Amplitude des Wellenpacks, beispielsweise
infolge einer Dämpfung, keinen Einfluß auf die Position
der Referenzzeit relativ zum Wellenpack. Desweiteren ist
das neue und insbesondere kennzeichnende Merkmal der
Erfindung, daß ein vorbestimmter Nulldurchgang des
Wellenpacks festgestellt wird und daß eine Berechnung der
Laufzeit oder dergl. durch Berechnung der Zeit zwischen
vorbestimmten Nulldurchgängen in dem jeweiligen
Wellenpack ausgeführt werden kann.
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Andere Merkmale des Verfahrens und Vorrichtung gemäß der
Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung zur
Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung in Verbindung
mit einer Messung der Laufzeit unter Berücksichtigung
der dazugehörigen Zeichnungen beschreiben.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein bekanntes akustisches
Pegelmeßsystem, das mit einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung versehen ist,
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Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung
gemäß der in Fig. 1 dargestellten Erfindung,
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Fig. 3a-h stellen Diagramme dar, die die Wellenform der
Signale darstellen, die im Meßsystem und in
der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2
erscheinen,
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Fig. 4 zeigt in einem größerem Maßstab die Signale
der Fig. 3a, 3d, 3e und
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Fig. 5A, 5B zeigen einen speziellen Anwendungsbereich der
Erfindung.
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Ein Akustikpegelmeßsystem, das in Fig. 2 allgemein mit 1
bezeichnet ist, umfaßt einen Sender-Empfänger, der
elektrisch mit einem elektroakustischen Wandler 3 verbunden
ist, der auf dem Kopf eines Rohrs 4 angeordnet ist. Der
Sender-Empfänger 2 kann durch eine einzige Einheit, wie
sie in Fig. 1 dargestellt ist, aufgebildet sein, oder
durch einen Lautsprecher in Verbindung mit einem
Mikrofon. Das Rohr 4 erstreckt sich durch den oberen Bereich
eines Behälters oder Tanks 5, der eine Flüssigkeit 6
enthält, deren Pegel im Behälter gemessen werden soll.
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Der akustische Wandler 3 empfängt in vorbestimmten
Intervallen ein erstes elektrisches Signal E1 in der Form
eines Wellenpacks von Sender 2 und erzeugt in
Abhängigkeit davon einen akustischen Impuls P1, dem es möglich
ist, durch das Rohr 5 hindurchzulaufen, um an der
Flüssigkeitsoberfläche 6 reflektiert zu werden, die sich
oberhalb der unteren Kante des Rohres 4 befindet. Nach
einer gewissen Zeit nach der Aussendung, die die
Laufzeit des Impulses genannt wird, wird der reflektierte
Impuls oder das Echo P2 vom Wandler 3 empfangen, der den
Echoimpuls P2 in ein zweites elektrisches Signal E2
umwandelt. Das grundsätzliche Erscheinungsbild der
akustischen Impulse P1 und P2 und die entsprechenden
elektrischen Signale E1 und E2 sind in der Fig. 3a durch
ein Signal A dargestellt, dessen Wellenspitzen A1-A9
eine Amplitudenhüllkurve 7 aufweisen, die durch eine
gestrichelte Linie dargestellt ist, wobei die Hüllkurve
eine ansteigende und abfallende Flanke 7a bzw. 7b
aufweist.
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Über den Sender-Empfänger 2 ist das Meßsystem 1 mit
einer Zeitanzeige- und Meßeinrichtung 8 verbunden, die
gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Der Zweck der
Vorrichtung ist es, das erste elektrische Signal E1 zu
empfangen, das den gesendeten Umpuls P1 erzeugt, und
ebenfalls das zweite elektrische Signal E2, das aus dem
Empfang des reflektierten Impulses P2 erzeugt wird, und
die Laufzeit des Impulses aus den beiden elektrischen
Signalen E1 und E2 zu bestimmen. Genauer gesagt besteht
der Zweck der Vorrichtung 8 darin, einen vorbestimmten
Null-Durchgang im ersten bzw. im zweiten elektrischen
Signal zu identifizieren, im folgenden Signal A genannt,
wobei die Laufzeit aus der Differenz der Zeit zwischen
zwei angegebenen Zeitpunkten berechnet wird. Bei der
dargestellten Ausführungsform wird der vorbestimmte
Null-Durchgang durch den Null-Durchgang NG im Signal A
gebildet, wie es in Fig. 3a angegeben ist. Demzufolge
ist nach der Ermittlung eines elektrischen Signals A die
Zeit TN für den Null-Durchgang NG zu identifizieren und
zu bestimmen. Da die elektrischen Signale E1 und E2 auf
dieselbe Vorrichtung 8 gegeben werden, wird eine
mögliche Drift in der Vorrichtung und eines damit
verbundenen Verstärkers oder dergl. keinen Einfluß auf das
Ergebnis der Zeitanzeige und der Messung der Laufzeit
haben.
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Die Vorrichtung 8 weist einen Hüllendetektor 9 auf,
dessen Aufbau im einzelnen weiter unten beschrieben wird.
Der Hüllendetektor 9 empfängt das elektrische Signal 8
und ermittelt den Beginn der negativen Flanke 7b der
Amplitudenhüllkurve 7. Der Hüllendetektor bestimmt eine
vorbestimmte Zeit, die als Referenzzeit TR (vergleiche
Fig. 3a) bezeichnet wird, im Wellenpack an der negativen
Flanke 7b der Amplitudenhüllkurve 7 unmittelbar nachdem
die Hülle abzufallen begonnen hat. In dem Augenblick, in
dem die Referenzzeit TR bestimmt worden ist, erzeugt der
Hüllengenerator 9 ein Trigger-Signal C (vergleiche Mol-%3f), das auf einen Nulldurchgangdetektor 10 in der
Vorrichtung 8 gegeben wird.
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Der Nulldurchgangsdetektor 10 wird ebenfalls mit einem
elektrischen Signal A versorgt und wird durch das
Triggersignal C des Hüllendetektors 9 in Betrieb gesetzt, um
den vorbestimmten Nulldurchgang NG im Wellenpack zu
identifizieren. Zum Zeitpunkt TN, wenn der
Nulldurchgangsdetektor 10 den vorbestimmten Nulldurchgang NG
identifiziert, erzeugt der Detektor ein Zeitsignal D (vergleiche
Fig. 3h), das auf eine Signalbearbeitungseinheit 11,
beispielsweise einen Mikroprozessor, gegeben wird. Es
muß hervorgehoben werden, daß die Festlegung des
Nulldurchganges relativ ist, und daß der Nullpegel nicht
vollständig symmetrisch in bezug auf das Signal A sein
muß, wie es in Fig. 3a dargestellt ist. Genauer gesagt,
kann es für bestimmte Fälle, beispielsweise
Nullpegelrauschen in Verstärkern, Obertragern, usw. vorteilhaft
sein, den Nullpegel, der für die Anzeige des
Nulldurchganges NG benötigt wird, im Hinblick auf das, was in der
Fig. 3a dargestellt ist, geringfügig zu verschieben.
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Demzufolge wird bei einem Meßvorgang, d. h. der
Aussendung des Impulses P1 und des Empfanges des Echos P2, die
Signalbearbeitungseinheit 11 zuerst das Zeitsignal D für
den Impuls P1 empfangen und die entsprechende Zeit TN
für den Nulldurchgang NG im ersten Signal E1 wird
gespeichert. Dann wird nach Erfassung des Echos P2 die
Signalbearbeitungseinrichtung 11 das Zeitsignal D
empfangen, das dem Echo P2 entspricht und die Zeit TN für
den Nulldurchgang ND des zweiten Signals E2 angibt. Die
Laufzeit des Impulses wird dann in der
Signalbearbeitungseinrichtung 11 aus der Zeitdifferenz zwischen der
Zeit TN, die für den gesendeten Impuls P1 bestimmt
wurde, und der Zeit TN, die für den reflektierten Impuls
bestimmt wurde, berechnet. Unter Kenntnis der
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses im gegenwärtigen
Medium kann der zu ermittelnde Flüssigkeitspegel auf
bekannte Weise berechnet werden.
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Der Aufbau und die Funktion der Vorrichtung 10 gemäß der
Erfindung wird nun in größerer Einzelheit anhand eines
Ausführungsbeispieles unter Hinweis auf die Fig. 2
und 3 beschrieben.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfaßt der
Hüllendetektor 9 eine Eingangsstufe 12, die mit dem
Sender-Empfänger 2 verbunden ist. In der dargestellten
Ausführungsform wird die Eingangsstufe durch einen Kondensator
13 gebildet, der über eine Gleichrichteranordnung,
beispielsweise eine Diode 14, augenblicklich auf den
Spitzenwert des Signals A gleichzeitig mit dem Empfang
des Signals geladen wird, und der über einen Widerstand
15 im Zeitintervall zwischen den Spitzenwerten des
Signals A entladen wird. Die Eingangsstufe 12 kann als
Halbwellengleichrichter oder RC-Filter betrachtet
werden, der eine geeignete Zeitkonstante aufweist. Das
bedeutet im Einzelnen, daß der Widerstandswert des
Widerstandes 15 derart ausgewählt ist, daß während der
Entladung die Ladespannung des Kondensators 13, nachdem der
höchste Punkt der Hülle überschritten ist, in einem
kleineren Maß als die Spitzenwerte des Wellenpacks an der
abfallenden Flanke 7 abnimmt. Das grundsätzliche
Erscheinungsbild des Ausgangssignals a der Eingangsstufe
12 ist schematisch in Fig. 3b dargestellt, wobei die
Ladungswellenformen in a&sub1;-a&sub9; ersichtlich sind. Es sei
angemerkt, daß die Entladung bis zu einem gewissen
Ausmaß in den Zeitintervallen zwischen den Wellenspitzen
A&sub1;-A&sub9; des Signals A notwendig ist, um die Erfassung
solcher akustischer Impulse auch zu ermöglichen, die eine
Amplitudenhüllkurve 7 aufweisen, die einen linearen
horizontalen Teil zwischen der ansteigenden und der
abfallenden Flanke aufweisen.
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Der Eingangsstufe 12 folgt eine Differenzierungsstufe,
in der das Ausgangssignal der Eingangsstufe 12 in bezug
auf die Zeit differenziert wird. Das Ausgangssignal b
der Differenzierstufe 16 besteht aus schmalen Impulsen,
den Impulsen b&sub1;-b&sub5;, die in Fig. 3c dargestellt sind
und die den Wellenspitzen A&sub1;-A&sub5; des Signals a
entsprechen. Auf geeignete Weise wird dann das Signal b in
einem Impulsformer 17 geformt, um eine in Fig. 3d
dargestellte Impulsfolge d zu bilden, wobei die Impulse d&sub1;-d&sub5;
den jeweiligen Impulsen b&sub1;-b&sub5; entsprechen, d. h.
den Ladewellenformen a&sub1;-a&sub5; des in Fig. 3a
dargestellten Kondensators 13. Das Ausgangssignal oder die
Impulsfolge d wird auf den D-Eingang eines D-Flip-Flop 18
gegeben wobei dessen Takteingang L1 mit einem Zeitsignal e
versorgt wird. Das Zeitsignal e wird aus dem Signal A
durch einen Schaltkreis 19 erzeugt, der in der
dargestellten Ausführungsform eine Phasenverschiebung des
Signals A um 90º bewirkt, und durch einen Impulsformer
20, durch den die positive Halbperiode des
phasenverschobenen Signals A geformt wird. Die Phasenverschiebung
des Schaltkreises 19 wird derart gewählt, daß die
positiven Flanken der Impulse im Zeitsignal e in die Impulse
des Ausgangssignals d des Impulsformers 17 fallen, was
aus einem Vergleich zwischen der Fig. 3d und Fig. 3e
oder aus Fig. 4 ersichtlich ist. Das Triggersignal C des
Hüllendetektors 9 wird vom invertierenden Ausgang Q des
D-Flip-Flops 18 abgenommen.
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Der Nulldurchgangsdetektor 10 umfaßt einen
invertierenden Impulsformer 21 und ein D-Flip-Flop 22, dessen
D-Eingang D&sub2; das Triggersignals des Hüllendetektors 9
empfängt, wobei sein Takteingang CL&sub2; ein Zeitsignal F vom
Impulsformer 21 erhält. Das Zeitsignal f, das in Fig. 3g
dargestellt ist, wird durch Invertierung und
Impulsformung des Signals A erhalten, wodurch die positive Flanke
des Zeitimpulses F in zeitlicher Hinsicht mit den
negativen Nulldurchgängen des Signals A zusammenfällt. Das
Zeitsignal D, dessen Erscheinungsbild in Fig. 3h
dargestellt ist, wird vom nichtinvertierenden Ausgang Q des
D-Flip-Flop 22 erhalten und wird auf die
Signalbearbeitungseinrichtung 11 gegeben, wie es in Fig 1 dargestellt
ist.
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Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, kann die
Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit
einem Schwellendetektor 23 versehen sein, der an seinem
Eingang das Signal a der Eingangsstufe 12 empfängt, und
dessen Ausgang mit dem Einschalt- bzw.
Aktivierungseingang S&sub1; des D-Flip-Flops 18 verbunden ist. Der
Schwellendetektor 23 erfaßt das Signal a und gibt das Signal a
nur dann frei, wenn die Amplitude des Signals a über
einen vorbestimmten Schwellenwert hinausgeht, wobei in
diesem Falle ein verbessertes Signal B zum Einschalt- bzw.
Aktivierungseingang S&sub1; des D-Flip-Flops 18 gegeben
wird, das als Folge des verbesserten Signals B aktiviert
wird. Dadurch kann die Erfassung falscher Echoimpulse,
hervorgerufen durch Störungen bzw. Rauschen oder
dergleichen, verändert werden.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung arbeitet
folgendermaßen. Nach dem Empfang eines Signals A an der
Eingangsstufe 12 des Detektors 12, d. h., wenn ein
akustischer Impuls ausgesendet oder empfangen wird, wird der
Kondensator 13 über eine Diode 14 bei jeder positiven
Halbwelle des Signals A geladen. Gleichzeitig mit der
Erfassung der positiven Flanke nimmt die Ladung des
Kondensators, wie bei a&sub1;-a&sub5; in Fig. 3b dargestellt, zu,
und die Ladespannung nimmt ihren höchsten Wert ein, wenn
die Amplitudenhüllkurve 7 ihren maximalen Wert M (Mol-%3a) erreicht. Demzufolge ist der Kondensator 13, wenn
der höchste Punkt der Hüllkurve 7 überschritten ist, auf
seine maximale Spannung geladen, die in einem
verhältnismäßig geringen Grad durch den Widerstand 15 abnimmt.
Wie mit in Fig. 3b ersichtlich ist, ist die Amplitude
der positiven Halbperiode A&sub6;, die unmittelbar dem
höchsten Punkt A&sub5; der Hüllkurve folgt, kleiner als die
Ladespannung des Kondensators zum Zeitpunkt der Spitze der
Halbperiode A&sub6;, so daß die Diode 14 deshalb in einer
nichtleitende Richtung vorgespannt wird und ein weiteres
Laden des Kondensators wird verhindert, nachdem der
höchste Punkt der Hüllkurve überschritten worden ist.
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Das vom Hüllkurvendetektor 9 erhaltene Ausgangssignal A
enthält eine Information, aus der der vorbestimmte
Nulldurchgang NG ermittelt werden kann. Das Ausgangssignal a
wird in der Differenzierungsstufe 16 im Hinblick auf die
Zeit differenziert und im Impulsformer 17 geformt und
auf das D-Flip-Flop 18 gegeben.
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Wie in der Fig. 3d dargestellt ist, weist die
Impulsfolge d bis zu d&sub1;-d&sub5; Impulse innerhalb der positiven
Halbperiode A&sub5; des Signals A auf, wobei diese
Halbperiode den höchsten Spitzenwert aufweist. Folglich zeigt
der erste fehlende Impuls des Signals d an, daß die
Hüllkurve abzufallen beginnt und daß eine Referenzzeit
TR bestimmt werden muß. Dieses wird durch das
D-Flip-Flop 18 und das Zeitsignal e ausgeführt. Wenn der
D-Eingang D&sub1; des D-Flip-Flops 18 einen niedrigen Pegel
aufweist, d. h. das Signal d befindet sich zur selben Zeit,
wo ein positives Zeitsignal e auf den Takteingang CL&sub1;
gegeben wird, auf niedrigem Pegel, wird das Flip-Flop 18
umschalten und sein invertierender Ausgang Q wird zur
Erzeugung des Triggersignals C auf hohen Pegel gehen.
Demgemäß wird, wie aus Fig. 3f ersichtlich, die positive
Flanke des Triggersignals C mit der Referenzzeit TR
zusammenfallen.
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Nachdem das zweite Flip-Flop 23 zum Zeitpunkt TR das
Triggersignal c empfangen hat, wird dieses Flip-Flop
beim nächsten Zeitimpuls im Signal F umschalten, d. h,
beim nächsten Nulldurchgang des Signals A. Demgemäß wird
das benötigte Zeitsignal D für die Bestimmung der Zeit
TN für einen vorbestimmten Nulldurchgang ND am Ausgang Q
des D-Flip-Flops 23 erhalten.
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Es sei angemerkt, daß dann, wenn die Phasenverschiebung
im Schaltkreis 19 in einer geeigneten Weise ausgewählt
worden ist, das in Fig. 2 dargestellte Flip-Flop 22 und
der dazugehörige Impulsformer 21 entfallen können. Fig.
4, die in einem größeren Maßstab die Beziehung zwischen
den Signalen A, d und e darstellt, erläutert, wie die
Referenzzeit TR in Übereinstimmung mit der Zeit TN für
einen vorbestimmten Nulldurchgang NG gebracht werden
kann.
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Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist die vordere Flanke
der d-Impulse d&sub3;, d&sub4; und d&sub5; in Übereinstimmung mit den
Ladewellenformen a&sub3;, a&sub4; und a&sub5; des Kondensators. In der
Fig. 4 ist ebenfalls mittels einer gestrichelten Linie
der erste fehlende Impuls d&sub6; der Impulsfolge d
dargestellt. Aus einem Vergleich mit der Fig. 3d ist
ersichtlich, daß in diesem Falle eine größere Impulsbreite für
die d-Impulse d&sub3;, d&sub4; und d&sub5; ausgewählt worden ist. Durch
Zunahme der Impulsbreite wird das Zeitintervall R, in
das die vordere Flanke des e-Impulses hineinfallen muß,
verbreitert, d. h. eine größere Wahlfreiheit, soweit sie
die Phasenverschiebung im Schaltkreis 19 betrifft, wird
erhalten. Im Gegensatz zur vorangehenden
Ausführungsform, bei der die Phasenverschiebung ungefähr 90º
betrug, ist in dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel eine
derartige Phasenverschiebung des e-Signals derart
ausgewählt worden, daß die vorderen Flanken des e-Impulses in
zeitlicher Übereinstimmung mit den negativen
Nulldurchgängen des Signals A stehen. Der erste fehlende d-Impuls
d&sub6; erfaßt durch den e-Impuls e&sub6; zur Referenzzeit TR, die
bei einem vorbestimmten Nulldurchgang N in
Übereinstimmung mit der Zeit tN ist. In diesem Fall kann das
Triggersignal C des D-Flip-Flops 18 offensichtlich zur
Anzeige der Zeit der akustischen Impulse P1 oder P2
verwendet werden. Es sei jedoch angemerkt, daß für die
Angabe der Zeit des akustischen Impulses fortwährend ein
Zeitpunkt festgelegt werden muß, der in Übereinstimmung
mit dem oder der in unmittelbarer Nähe des
Nulldurchganges des Wellenpacks ist.
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Die Verwendung der Erfindung in Verbindung mit der
Anzeige der Zeit zwischen akustischen Impulsen ist nicht
begrenzt auf den Fall, bei dem die Zeitenmessung
zwischen der Aussendung eines Impulses und dem Empfang des
reflektierten Teils desselben Impulses stattfindet. In
Fig. 5A und 5B ist ein Beispiel ersichtlich, bei dem
eine Zeitmessung zwischen zwei Echoimpulsen ausgeführt
wird. Dieselben Referenznummern in Fig. 1 und in den
Fig. 5A und 5B bezeichnen dieselben Teile.
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Der in den Fig. 5A und 5B dargestellte Aufbau dient
dem Zweck, eine genaue Pegelmessung vorzunehmen, die
unabhängig von der Neigung des Behälters 5 ist, wobei
beispielsweise dieses Problem in einem Tanker auftreten
kann, der eine nicht ausbalancierte Ladung aufweist, in
einem Erdtank, der durch Bodenfrost oder dergleichen
verschoben wird, oder in einem Kraftstofftank eines
Fahrzeugs, das sich auf einem schrägen Untergrund
befindet. Zum Ausgleich der Neigung des Behälters 5 werden
zwei Rohre 4a und 4b benötigt, die an jeder Seite des
Behälters angeordnet sind. Für drehende Bewegungen um
eine einzige Achse, wie es im Fig. 5B dargestellt ist,
sind zwei Rohre erforderlich und für drehende Bewegungen
um zwei Achsen wird ein drittes Rohr benötigt. Das
System ist um einen einzigen akustischen Wandler 3 herum
angeordnet, der über eine Verzweigung 24 akustische
Impulse durch beide Rohre 4a und 4b sendet. Um die Zeit
der von einer horizontalen Flüssigkeitsoberfläche 6a
reflektierten Echoimpulse zu trennen und anzuzeigen, ist
ein akustisches Verzögerungsglied in Form eines
zusätzlichen Rohrstücks 25 an einem der Rohre 4b angebracht.
Demgemäß wird in Fig. 5a, wo der Behälter seine
horizontale Stellung einnimmt, der Wandler zuerst den
Echoimpuls vom Rohr 4a und danach den Echoimpuls vom Rohr 4b
empfangen. Der Ausgleich der Pegelmessung für die
Neigung des Behälters in 5B wird durch Berechnung der
Zeitdifferenz zwischen den auf diese Weise voneinander
getrennten Echoimpulsen ausgeführt. Die Länge der
Ausweitung 25 ist derart gewählt, daß die Echoimpulse auch
dann nicht übereinstimmen können, wenn der Behälter
seinen maximalen Neigungswinkel annimmt.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellten
und beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, vielmehr
kann diese auf vielfältige Weise innerhalb des
beanspruchten Patentschutzes abgewandelt werden.
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So kann beispielsweise vorzugsweise die im Fig. 2
dargestellte Vorrichtung durch ein Schieberegister oder
dergleichen vervollständigt werden, durch das die Zeit
anderer Nulldurchgänge vor und nach dem dargestellten
Nulldurchgang bestimmt werden kann. In diesem Falle
findet vorzugsweise der Nulldurchgang im Wellenpack für
die Anzeige der Zeit Verwendung, der das günstigste
Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.
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Es ist darüber hinaus zu beachten, daß das
erfindungsgemäßer Verfahren auch durch andere als die in den
Figuren 1 und 2 dargestellten Mittel ausgeführt werden
kann. Beispielsweise kann der Detektor einen
Spitzendetektor und einen Komparator (analog oder digital)
umfassen, der für jedes der elektrischen Signale einen
Spitzenwert des Signals mit dem unmittelbar
vorausgehenden Spitzenwert im Wellenpack vergleicht und ein
Triggersignal erzeugt, wenn der späteste Spitzenwert
kleiner als der unmittelbar vorausgegangene Spitzenwert
ist. Der Spitzendetektor und der Komparator können als
Tastspeicherschaltung (sample-and-hold-Schaltung) in
Kombination mit einem analogen Komparator aufgebaut
sein, oder aber alternativ dazu mit einem A/D-Wandler
und einer digitalen Rechenschaltung.
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Schließlich sei angemerkt, daß für den Erhalt einer
befriedigenden Messung mittels des beschriebenen
Verfahrens ein geringer Streubereich des Wellenpacks
angenommen wird. Die Streuung erfolgt, wenn die
Gruppengeschwindigkeit der Welle, d. h. die Geschwindigkeit der Hülle
sich von der Phasengeschwindigkeit unterscheidet, d. h.
der Geschwindigkeit des akustischen Trägers. Im Falle
der Streuung sind die Wellenspitzen relativ zur
Amplitudenhüllkurve versetzt, was zur Folge haben kann, daß
ein anderer Nulldurchgang als der vorbestimmte
Nulldurchgang NG als Echoimpuls identifiziert wird.