DE3608384A1 - Verfahren zur messung von wegen, insbesondere zur absoluten messung von kleinen wegen, ueber die laufzeit von impulsen in einem materiellen traegermedium und zugehoerige vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Wegen, insbesondere zur absoluten Messung von kleinen Wegen, über die Laufzeit von Impulsen in einem materiellen Trägermedium mittels einer Eichstrecke und einer Meßstrecke, die beide von einem erzeugten Impuls eines Impulssenders durchlaufen werden; ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Durch die DE-OS 32 06 396 ist eine Ultraschallmeßeinrichtung zur Bestimmung der relativen Höhe eines Lastaufnahmemittels an einem ausfahrbaren Mast eines Gabelstaplers bekannt geworden. Die Meßeinrichtung umfaßt dabei eine längenmäßig bekannte Eichstrecke, an deren Enden ein Ultraschallsender und Schallwandler angeordnet sind, die den von dem Ultraschallsender ausgesendeten Ultraschall aufzufangen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln imstande sind. Des weiteren umfaßt die Meßeinrichtung eine veränderbare Meßstrecke, wobei hierzu ein Ultraschallempfänger am beweglichen Lastaufnahmemittel angeordnet ist und sich innerhalb des Ortungsbereiches des Schallsenders befindet. Des weiteren umfaßt die Meßeinrichtung eine Steuereinrichtung, die die zeitliche Abfolge von Senden und Empfangen steuert, ebenso wie eine Zeitmeßeinrichtung, die die Zeitdauer der Laufzeiten des Schalls auf der Eich- und Meßstrecke mißt, die zeitliche Differenz bildet und diese speichert. Des weiteren umfaßt die Meßeinrichtung eine Rechenvorrichtung, die aus der bekannten Länge der Eichstrecke und der aus der Schallaufzeit ermittelten Distanz ein Verhältnis bildet, das als Korrekturgröße dem Einfluß der Lufttemperatur auf die Schallgeschwindigkeit proportional entspricht. Des weiteren wird mittels der Meßvorrichtung aus der bekannten Länge der Eichstrecke und der ermittelten Korrekturzahl die Distanz zwischen dem Ultraschallsender und dem tatsächlichen Abstand des beweglichen Ultraschallempfängers am Lastaufnahmemittel errechnet.

Dieses Verfahren ist wohl theoretisch geeignet, rechenmäßig die Länge der Meßstrecke des beweglichen Ultraschallempfängers von dem Ultraschallsender zu errechnen, jedoch praktisch nur bedingt anwendbar, insbesondere ist es nicht zur Messung von kurzen Wegen oder Längen bei hoher Meßgenauigkeit geeignet. Bei den hier auftretenden zu messenden Längen müßten hohe Energien des Ultraschallsenders aufgebracht werden, um tatsächlich unter jedem Betrieb, insbesondere jeder Höhenstellung des Lastaufnahmemittels, eine Messung zu gewährleisten. Der entscheidende Nachteil dieser Anordnung ist jedoch die Abhängigkeit der Meßgenauigkeit von Parametern der Luft verändert. Zur Geringhaltung dieses Fehlers will deshalb die bekannte Vorrichtung einen Korrekturfaktor errechnen, um den Einfluß der Lufttemperatur auf die Schallgeschwindigkeit proportional zu korrigieren.

Zur Bestimmung dieses Korrekturfaktors wurde in der DE-OS 31 08 756 ein Verfahren und ein Apparat zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Gasen zum Zwecke der Ermittlung der Temperatur bekannter Gase bzw. der Zusammensetzung mehrerer Gasgemische bei bekannter Temperatur vorgeschlagen, wobei das Meßsystem aus einem Schallsender und einem Schallempfänger besteht und die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit störungsunempfindlich innerhalb einem gasförmigen Medium durch Korrelation von Laufzeit und Intensitätsabnahme des Pegels durchgeführt werden soll. Auf diese Weise wird die Schallgeschwindigkeit in einem Gas bekannter Zusammensetzung ermittelt und mit geeigneter digitaler oder analoger Rechenschaltung daraus die Gastemperatur errechnet. Umgekehrt kann dieses Verfahren angewendet werden, um bei bekannten Gaszusammensetzungen und bekannter Intensitätsabnahme des Pegels den Einfluß der Gastemperatur zu eliminieren.

Jedoch auch unter Zuhilfenahme dieses Verfahrens ist die praktische Anwendung des Verfahrens der DE-OS 32 06 396 nur bedingt gewährleistet, weil im praktischen Betrieb die Messung der Intensitätsabnahme eines Schallpegels auf einer Eichstrecke zu kompliziert, zu störanfällig und zu ungenau ist. Alle bis heute bekannten Ultraschall-Längenmeßverfahren kranken daran, daß die Verfälschungen des Meßergebnisses bei sich ändernden Umgebungsparametern der Luft zu groß sind. Deshalb können heute noch keine befriedigenden Meßsensoren hoher Meßgenauigkeit mittels Ultraschall aufgebaut werden, wie sie beispielsweise in Werkzeugmaschinen-Steuerungen, in der Navigation oder allgemein in der Längen- und Winkel-Meß- und Regeltechnik benötigt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Wegen, insbesondere zur absoluten Messung von kleinen Wegen, über die Laufzeit von Impulsen in einem materiellen Trägermedium, mittels einer Eichstrecke und einer Meßstrecke gemäß der genannten Gattung zu schaffen, mit dem mit hoher Genauigkeit relative Längenunterschiede und insbesondere absolut Längen oder Wege oder Winkel gemessen werden sollen, ohne daß sich ändernde Parameter oder Grenzbestimmungen des Trägermediums einen verfälschenden Einfluß auf das Meßergebnis haben. Ebenso liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, das mit hoher Genauigkeit relativ Längenunterschiede mißt und insbesondere zur absoluten Messung von Längen oder Wegen geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur absoluten Messung von Längen oder Wegen ist durch den Unteranspruch 3 gekennzeichnet. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur absoluten Messung von Geschwindigkeiten von strömenden Medien ist durch den Unteranspruch 14 gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt eine Reihe von hervorstechenden Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Es ermöglicht eine relative und absolute Messung von Längen oder Wegen oder Winkeln bei hoher vorgebbarer Meßgenauigkeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat zum Kern die meßtechnische Überlagerung zweier physikalischer Vorgänge, nämlich einer Welle als Ausbreitung einmaliger oder periodisch sich wiederholender Störungen der Masseteilchen eines bestimmten materiellen Trägermediums, welches nicht konstant zu sein braucht, mit einer elektrischen Schwingung einer schwingungsfähigen Schaltung hoher Frequenz. Während der Laufzeit eines derartigen Impulses, definiert als Masse× Geschwindigkeit, werden, sowohl auf der Eichstrecke, als auch synchron hierzu auf der zu bestimmenden Länge der Meßstrecke, auf zwei jeweils den Strecken zugeordnete elektronische Zählspeicher die elektrische Schwingung hoher Frequenz, die Zählfrequenz genannt wird, gegeben und die Impulse derselben gezählt. Die Zählspeicher werden dabei mit Beginn der Laufzeit des Impulses oder der Impulse innerhalb des Trägermediums gestartet und zu den normalerweise unterschiedlichen Endzeiten der Laufzeiten auf der Eichstrecke und auf der Meßstrecke gestoppt. Über den Vergleich der Anzahl der Impulse innerhalb der Zählspeicher ist eine relative Aussage über die Länge der Meßstrecke bezogen auf die Länge der Eichstrecke möglich, wenn die Länge der Eichstrecke nicht vorgegeben ist oder zu sein braucht. Die Meßgenauigkeit ist dabei mit hoher Genauigkeit wählbar. Dieselbe entspricht proportional der Frequenz der elektrischen Schwingung. Je höher somit die Zählfrequenz gewählt wird, umso größer wird die Meßgenauigkeit.

In vorteilhafter Weise gestattet das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die absolute Messung von Wegen oder Längen, indem die Zählfrequenz in Abhängigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses durch das Trägermedium entsprechend der gewünschten inkrementalen Meßgenauigkeit der Länge der Meßstrecke zur Eichstrecke gewählt wird, wobei die Länge der Eichstrecke vorgegeben und somit bekannt ist und die Eichstrecke durch die Zählfrequenz in die maximale Anzahl von inkrementen entsprechend der vorgegebenen Meßgenauigkeit unterteilt wird. Aus den Inhalten der beiden Zählspeicher kann dann die Differenz gebildet werden, die ein absolutes Maß für die Länge der Meßstrecke darstellt. Die Eichstrecke dient hier somit als Frequenz- oder Meßnormal.

Der Begriff "Inkremente" bezieht sich dabei immer auf einen Weg, eine Länge oder einen Winkel; der Begriff "Impulse" bezieht sich auf die entsprechende Anzahl oder Zahl der Impulse in den Zählspeichern. Als Zählfrequenz wird hier die vom Oszillator erzeugte elektromagnetische Schwingung bezeichnet.

Somit wird eine Anzahl von beispielsweise n Inkrementen als Meßgenauigkeit vorgegeben und die vorgegebene Länge der Eichstrecke durch entsprechende Wahl der Zählfrequenz in n Inkremente unterteilt. In Abhängigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses durch das Trägermedium wird die Zählfrequenz derart gewählt, daß beispielsweise während der einfachen Laufzeit eines Impulses auf der Eichstrecke die Zählfrequenz einmal entsprechend der Meßgenauigkeit in den Eichstreckenzählspeicher gezählt und eingespeichert wird. Natürlich kann als Laufzeit des Impulses auf der Eichstrecke und auf der Meßstrecke auch ein Vielfaches der einfachen Laufzeit gewählt werden, so daß damit die Laufzeit des Impulses vom Zeitpunkt des Starts der Zählspeicher bis zum Zeitpunkt des Endes der Zählvorgänge der Zählspeicher ein Vielfaches der einfachen Laufzeit des Impulses zwischen Impulssender und Impulsempfänger beträgt. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Laufzeit des Impulses vom Beginn der Zählvorgänge bis zur Auslösung der elektrischen Stopsignale für die Zählspeicher, insbesondere für solche Trägermedien verlängert werden, die physikalisch eine hohe Fortplanzungsgeschwindigkeit des Energietransports der angeregten Masseteilchen des Trägermediums aufweisen, aus Anwendungsgründen aber ein solches Trägermedium mit hoher Fortpflanzungsgeschwindigkeit gewählt werden muß. Der Einsatz eines festen Stoffes als Trägermedium kann anwendungstechnisch wünschenswert sein, so daß hier zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit bei gegebener Zählfrequenz eine Vervielfachung der Laufzeiten des Impulses auf der Eichstrecke und auf der Meßstrecke, beispielsweise durch Reflexion des Impulses oder der Impulse, vorteilhaft sein kann.

Ebenso könnte bei hoher Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses durch das Trägermedium die Zählfrequenz statt entsprechend der einfachen Meßgenauigkeit einfach auch mehrfach in die Zählspeicher eingezählt werden, was u. U. nur einen höheren elektronischen Aufwand bedingen würde.

In höchst vorteilhafter Weise können nun desweiteren Änderungen von Parametern des Trägermediums oder sich ändernde Grenzbedingungen des Verfahrens eliminiert werden, beispielsweise die Abhängigkeit der Laufzeit des Impulses durch das Trägermedium von der Temperatur desselben oder Längenveränderungen der Eich- und Meßstrecke. Dazu werden zuerst die auftretenden Grenzbedingungen bestimmt, beispielsweise ein Arbeitsbereich des Verfahrens bezüglich der Temperatur zwischen 230 Grad K und 360 Grad K festgelegt. Daraus errechnet sich eine größte Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses innerhalb des gewählten Trägermediums, bezogen auf das Temperaturintervall und damit eine kleinste Laufzeit des Impulses auf der Eichstrecke.

Die Zählfrequenz wird nun dergestalt gewählt, d. h. die inkrementale Meßgenauigkeit derart festgelegt, daß noch bei der größten auftretenden Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses während dessen Laufzeit auf der Eichstrecke in den Eichstreckenzähler eine höhere Anzahl von Impulse der Zählfrequenz eingespeichert werden, als eben der festgelegten Anzahl von Inkrementen bezüglich der vorgegebenen Meßgenauigkeit entspricht. Dadurch kann innerhalb der Grenzbedingungen die vorgegebene Meßgenauigkeit nie unterschritten werden.

Zur Eliminierung der wechselnden Anzahl der tatsächlich in den Eichstreckenzählspeicher eingespeicherten Impulse, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, wird jeweils aus der entsprechenden vorgegebenen Anzahl von Inkrementen gemäß der Meßgenauigkeit und der in den Eichstreckenzählspeicher eingespeicherten Anzahl von Impulsen ein Korrekturparameter errechnet und mit diesem der Inhalt des Meßstreckenzählspeichers beaufschlagt. Beispielsweise wird bei Division der Meßgenauigkeit durch den tatsächlichen Inhalt des Eichstreckenzählspeichers immer ein Wert k: 0<k<1, erhalten, mit dem der Inhalt des Meßstreckenzählspeichers multipliziert wird. Ebenso kann die im Eichstreckenzählspeicher gezählte Anzahl von Impulsen durch die Anzahl der Inkremente der vorgegebenen Meßgenauigkeit dividiert werden, wodurch sich immer ein Wert 1<k ergibt, durch den der Inhalt des Meßstreckenzählspeichers dividiert wird. Da die Festlegung der Grenzwertbedingungen und Änderungen von Parametern des Trägermediums gleichermaßen die Eich- wie die Meßstrecke betreffen, sind somit derartige, das Meßergebnis verfälschende Umwelteinflüsse eliminiert.

In höchst vorteilhafter Weise kann des weiteren mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Meßgenauigkeit erreicht werden, die heute bekannte Meßverfahren und die dazu verwendeten Sensoren an Auflösungsvermögen weit übertrifft. Denn die Meßgenauigkeit hängt in erster Linie von der Zählfrequenz und erst in zweiter Linie von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses durch das Trägermedium ab, wobei heute Zählfrequenzen und deren Zählung und Verarbeitung von 100 MHz und mehr ohne weiteres zu erzielen sind. Demgemäß sind Meßgenauigkeiten von weit weniger als 1/1000tel mm ohne weiteres mit dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch erzielbar.

Des weiteren ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, durch geometrische Anordnung der Meßstrecke zur Eichstrecke einen relativen Nullpunkt zu legen, so daß direkt positive und negative Strecken durch Angabe der Richtung, bezogen auf den Nullpunkt, erfaßt werden können.

Des weiteren ist in vorteilhafter Weise eine bestimmte geometrische Zuordnung der Meßstrecke zur Eichstrecke möglich. Sind beispielsweise beide Strecken direkt hintereinander angeordnet, so braucht nur das Ergebnis des Eichstreckenzählspeichers vom Ergebnis des Meßstreckenzählspeichers subtrahiert werden, um die Länge der Meßstrecke anzugeben. Bei derartigen geometrischen unterschiedlichen Anordnungen bzw. Verschiebungen der Meßstrecke zur Eichstrecke ist es notwendig, die sich ergebenden Zählerergebnisse der Zählspeicher zu korrigieren.

In vorteilhafter Weise werden Meßwerte fortlaufend durch zyklische Wiederholung des Verfahrens periodisch neu gebildet, insbesondere zur fortlaufenden Messung der Länge einer sich bewegenden Meßstrecke, um deren augenblickliche Stellung periodisch zu ermitteln.

Des weiteren kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bei entsprechender Auswertung der Zählspeicher auch die Änderung einer Winkelgeschwindigkeit gemessen werden, wobei hierfür die Zeitrahmen sehr klein vorgegeben werden kann, um eine hohe Auflösung der Änderung der Winkelgeschwindigkeit pro Zeiteinheit zu erzielen.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein Meßverfahren für Längen, Wege oder Winkel zur Verfügung, welches bei extrem hoher Auflösung in einer Vielzahl von Anwendungszwecken einsetzbar ist, beispielsweise im Automobil- oder Flugzeugbau oder bei der Steuerung von Werkzeugmaschinen und anderes mehr. Das Verfahren ist überall dort einsetzbar, wo kleine und insbesondere kleinste Abweichungen von Längenänderungen erfaßt und insbesondere längenmäßig absolut gemessen werden sollen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich höchst vorteilhaft dadurch aus, daß praktisch sämtliche Umwelteinflüsse des Trägermediums, die den Meßwert verfälschen könnten, eliminiert sind und daß entsprechend den vorgegebenen Grenzbedingungen die Meßgenauigkeit dergestalt gewählt werden kann, daß diese von den Grenzbedingungen unabhängig ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit diesem auch Winkel und Winkelabweichungen, insbesondere kleine Winkel und Winkelabweichungen, absolut gemessen werden können, in dem die rotatorische Bewegung einer Achse in die translatorische Bewegung der Meßstrecke umgeformt wird.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mit diesem auch Geschwindigkeiten von strömenden Medien, insbesondere solche mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten, als Trägermedium für Impulse gemessen werden können. In diesem Fall wird die Meßstrecke vom strömenden Medium durchströmt, wohingegen das Medium auf der Eichstrecke unbewegt ist und beide Strecken vorzugsweise gleich lang sind. Vorteilhaft sind in diesem Fall auch zwei getrennte Impulssender und Impulsempfänger für die Strömungsmäßig geeignet voneinander getrennte Meßstrecke und Eichstrecke vorhanden. Der prinzipielle Meßvorgang geschieht hier dergestalt, daß der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses auf der Meßstrecke überlagert wird, so daß bei einer von Null verschiedenen Strömungsgeschwindigkeit die Laufzeit des Impulses auf der Meßstrecke unterschiedlich von der Laufzeit des Impulses auf der Eichstrecke ist, auf der das Medium in Ruhe sich befindet.

Ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben; zwei Beispiele eines Sensors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ebenfalls in der Zeichnung abgebildet und anschließend beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführung des Verfahrens mit schaltungsmäßiger Darstellung der Eichstrecke, der Meßstrecke sowie des Impulssenders und der Impulsempfänger

Fig. 2 einen Sensor in perspektivischer Darstellung zur Messung von Wegen und

Fig. 3 einen ähnlichen Sensor in perspektivischer Darstellung zur Messung von Winkeln.

Gemäß dem Blockschaltbild der Fig. 1 erzeugt ein Oszillator 1 eine elektrische Schwingung hoher Frequenz, beispielsweise 45 MHz, wobei diese elektromagnetische Schwingung nachfolgend die Zählfrequenz genannt ist. Diese Zählfrequenz wird über Dividierer 2, 3 soweit herabgeteilt, daß eine Schwingung niedriger Frequenz, beispielsweise einigen 10 Hz, erreicht wird. Dieses Signal steht somit am Ausgang des Dividierers 3 auf der Leitung 4 an. Das Signal wird nun auf den Setzeingang eines Flop-Flops 5 gegeben, welches beispielsweise ein D-Flip-Flop mit Preset ist. Gleichzeitig wird dieses Signal über eine Leitung 6 auf den Setzeingang eines zweiten Flip-Flops 7 gegeben, welches ebenfalls ein D-Flip-Flop mit Preset sein kann.

Das niederfrequente Signal dient gleichzeitig zur zyklischen, elektrischen Ansteuerung eines Impulssenders 10, wobei das Signal über die Leitung 6 und einen Analog-Verstärker 8 über einen Transformator 9 transformatorisch auf den Impulssender 10 gekoppelt wird. Somit dient das niederfrequente Signal von einigen 10 Hz, hergeleitet aus dem Oszillator 1, zum periodischen Setzen der Flip-Flops 5, 7 und zum periodischen Ansteuern des Impulssenders 10, der beispielsweise ein Ultraschallsender sein kann. Demgemäß können die Impulsempfänger Ultraschallwandler sein.

Mittels des Impulssenders 10 und eines ersten, feststehenden Impulsempfängers 11 wird eine Eichstrecke a gebildet, die bei absoluter Längenmessung eine vorgegebene und bekannte Länge besitzt. Das Trägermedium für die vom Impulssender 10 erzeugten Impulse kann gasförmig, flüssig oder fest sein; der Aggregatzustand des Trägermediums richtet sich nach den Erfordernissen und Grenzbedingungen bei der spezifischen Meßanwendung des Verfahrens.

Desweiteren befindet sich im Ortungsbereich des Impulssenders 10 ein weiterer Impulsempfänger 15, der in Richtung zum Impulssender 10 beweglich angeordnet ist, was durch den Bewegungs-Doppelpfeil 42 angedeutet ist, wobei der jeweilige Abstand des beweglichen Impulsempfängers 15 vom Impulssender 10 die zu messende Meßstrecke S angibt.

Der ortsfeste Impulsempfänger 11 ist über einen Analog-Verstärker 13 und eine Leitung 12 mit dem Reset-Eingang des Flip-Flops 7 verbunden. Der bewegliche Impulsempfänger 15 ist gleichermaßen über einen Analog-Verstärker 16 und eine Leitung 14 mit dem Reset-Eingang des Flip-Flops 5 verbunden. Die aus den Impulsempfängern 11, 15 herrührenden elektrischen Signale dienen somit zur Rücksetzung der Flip-Flops 5, 7.

Die Zählfrequenz wird über die Leitung 17 jeweils auf einen Eingang zweier UND-Glieder 18, 22 gegeben, wobei der zweite Eingang des UND-Gliedes 18 mit dem Q-Ausgang des Flip-Flops 5, der zweite Eingang des UND-Gliedes 22 mit dem Q-Ausgang des Flip-Flops 7 verbunden sind. Die Ausgänge 19, 24 der UND-Glieder 18, 22 sind je auf einen Zählspeicher 21, 25 gelegt, wobei der Zählspeicher 21 den Meßstreckenzählspeicher, der Zählspeicher 25 den Eichstreckenzählspeicher darstellt. Der Zählspeicher 21 ist somit der Meßstrecke s, der Zählspeicher 25 der Eichstrecke a zugeordnet. Die Ausgänge der Zählspeicher 21, 25 sind auf ein Rechenwerk 26 gelegt, mit dem sämtliche arithmetischen Operationen und Verknüpfungen, die Inhalt des erfindungsgemäßen Verfahrens sind, vorgenommen werden können. Der Ausgang des Rechenwerks 26 ist auf einen Parallel-Seriel-Wandler 27 gegeben, der über eine Clock-Leitung 28 aus dem Dividierer 2 getaktet wird. Am Ausgang 29 des Parallel-Seriel-Wandlers 27 steht dann ein serielles Ausgangssignal als absolutes Maß für den Abstand des Impulssenders vom beweglichen Impulsempfänger zur Verfügung.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende:
Der Oszillator 1 erzeugt die Zählfrequenz, die direkt an je einem der Eingänge der beiden UND-Glieder 18, 22 anliegt. Gleichzeitig wird die Zählfrequenz zu dem genannten Signal von einigen 10 Hz herabgeteilt und startet zum einen den Impulssender 10. Zum anderen setzt dieses Signal beide Flip-Flops 5, 7, so daß jeweils beim Q-Ausgang der Flip-Flops ein hoher Ausgangspegel erscheint, der jeweils auf den zweiten Eingang der UND-Glieder 18, 22 gelegt ist und diese durchschaltet. Mit Beginn der Laufzeit der beiden Impulse auf beiden Strecken a und s wird nunmehr die Zählfrequenz in die Zählspeicher 21, 25 eingegeben.

Sobald nun der auf der Meßstrecke s laufende Impuls den Impulsempfänger 15 erreicht, gibt dieser ein elektrisches Signal ab, welches das Flip-Flop 5 rücksetzt und dieses sperrt, so daß am Q-Ausgang ein Null-Pegel erscheint und das UND-Glied 18 sperrt. Damit ist der Zählvorgang für die Zählfrequenz betreffend den Meßstreckenzählspeicher 21 abgeschlossen. Sobald der Impuls des Impulssenders 10 die Eichstrecke a durchlaufen hat und den Impulsempfänger 11 erreicht, gibt dieser ebenfalls ein elektrisches Signal ab, welches seinerseits das Flip-Flop 7 rücksetzt, so daß am Q-Ausgang desselben ebenfalls ein Null-Pegel erscheint und das UND-Glied 22 gesperrt wird, womit der Zählvorgang für die Zählfrequenz betreffend den Eichstreckenzählspeicher 25 ebenfalls abgeschlossen ist. Die Inhalte der Zählspeicher 21, 25 werden nun über das Rechenwerk 26 ausgewertet und entsprechend den beschriebenen Verfahren miteinander verknüpft und parallel dem Parallel-Seriel-Wandler 27 zugeführt, der das Meßergebnis seriel umwandelt und ausgibt.

Fig. 2 zeigt einen Sensor zum Aufbau der Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Innerhalb eines Gehäuses 30 befindet sich ortsfest ein Impulssenderbaustein 31, der beispielsweise als doppelter Impulssender 32, 33 ausgebildet ist, wobei die Impulssender vorzugsweise Ultraschallsender sind. Der Impulssenderbaustein 31 ist geeignet innerhalb des Gehäuses 30 gehaltert, beispielsweise auf einer Stange 36 befestigt, die längs innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet und an ihren Enden in den Seitenwänden des Gehäuses 30 gehaltert ist. Der Impulssenderbaustein 31 wird von einer Achse 34 durchstoßen, die gleichermaßen die Seitenwände des Gehäuses 30 durchsetzt und innerhalb derselben verschieblich gehaltert ist, wobei die Enden der Achse 34 das Gehäuse 30 durchragen. Das vordere Ende 35 der Achse 34 trägt eine Kupplung zum Ankuppeln an ein bewegliches Teil. Die Achse 34 ist innerhalb des Gehäuses 30 und des Impulssenders 31 translatorisch verschiebbar, was durch den geraden Bewegungsdoppelpfeil 40 angedeutet ist.

Unter einem vorgegebenen Abstand vom Impulssender 33 ist ein erster Impulsempfänger 37 ortsfest angeordnet, der zwischen sich und dem Impulssender 33 abstandsmäßig die Eichstrecke a festlegt, wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist. Auf der Achse 34 ist fest ein zweiter Impulsempfänger 38 montiert, der dem Impulssender 32 gegenübersteht und der zwischen sich und dem Impulssender 32 abstandsmäßig die zu messende Meßstrecke s festlegt und der somit bei translatorischer Verschiebung der Achse 34 hin- und herverschoben wird. Der Impulsempfänger 38 ist zu seiner Führung auf der Stange 36 abgestützt. Dabei ist die Meßstrecke s gemäß Fig. 2 beispielsweise bezüglich der Eichstrecke a derart gelegt, daß die Mitte der Meßstrecke s auf der Höhe des Endes der Eichstrecke a liegt, so daß die erste Hälfte der Meßstrecke auf der Eichstrecke liegt oder mit dieser zusammenfällt und die zweite Hälfte der Meßstrecke nach der Eichstrecke oder in Verlängerung derselben liegt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die Impulsempfänger 37, 38 können dabei Ultraschallwandler sein, das Trägermedium kann Luft sein.

Fig. 3 zeigt einen weiteren Sensor, der zur Messung von Winkeln geeignet, und der ähnlich dem Sensor der Fig. 2 aufgebaut ist.

Innerhalb eines Gehäuses 41 ist ein Impulssenderbaustein 39 ortsfest gehaltert, der wiederum ein doppelter Impulssender 44, 45 sein kann. Der Impulssenderbaustein 39 wird von einer Gewindespindel 42 durchsetzt, die geeignet in den Seitenwänden des Gehäuses 41 drehbar gelagert ist. Am nach außen ragenden Ende der Gewindespindel 42 greift ein Hebelarm 43 zur Drehung der Gewindespindel 42 an. Unter einem vorgegebenen Abstand vom Impulssender 44 ist wiederum ein erster, ortsfester Impulsempfänger 47 angeordnet, der zwischen sich und dem Impulssender 44 abstandsmäßig die Eichstrecke a festlegt. Auf der Gewindespindel 42 sitzt ein Impulsempfänger 46, der eine Gewindedurchgangsbohrung besitzt und der zusammen mit dem Impulssender 45 die Meßstrecke s festlegt. Bei Drehen der Spindel 42 über den Hebelarm 43 wandert der bewegliche Impulsempfänger 46 längs der Spindel 42 hin und her. Eine parallel zur Gewindespindel 42 verlaufende Stange 48 dient zur Drehsicherung des beweglichen Impulsempfängers 46. Mit der Bezugsziffer 50 ist ein gekrümmter Bewegungsdoppelpfeil gekennzeichnet zur Andeutung der Rotation der Gewindespindel 42. Der übrige Aufbau des Sensors, insbesondere die Anordnung der Meßstrecke s zur Eichstrecke a, entspricht dem Aufbau der Fig. 2, weshalb auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.

• Liste der Bezugszeichen:  1Oszillator 2, 3Dividierer 4Leitung 5, 7Flip-Flops 6Leitung 8Analogverstärker 9Transformator10Impulssender11ortsfester Impulsempfänger12Leitung13Analogverstärker14Leitung15beweglicher Impulsempfänger16Analogverstärker17Leitung18UND-Glied19, 20Leitungen21Meßstreckenzählspeicher22UND-Glied23, 24Leitungen25Eichstreckenzählspeicher26Rechenwerk27Parallel-Seriell-Wandler28Clockleitung29serieller Ausgang des Parallel-Seriell Wandlers30Gehäuse31Impulssender-Baustein32, 33Impulssender34Achse35vorderes Ende der Achse36Stange37, 38Impulsempfänger39Impulssender-Baustein40, 50Bewegungsdoppelpfeile41Gehäuse42Gewindespindel43Hebelarm44, 45Impulssender46, 47Impulsempfänger48Stange

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung von Wegen, insbesondere von kleinen Wegen, über die Laufzeit von Impulsen in einem materiellen Trägermedium, mittels einer Eichstrecke und einer Meßstrecke, die beide von einem erzeugten Impuls eines Impulssenders durchlaufen werden, der nach Durchlaufen der Strecken beim Empfang in je ein elektrisches Signal gewandelt und die physikalische Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses durch das Trägermedium innerhalb der Eich- und Meßstrecke zur Bestimmung der Länge der Meßstrecke herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Eichstrecke und der Meßstrecke je ein elektronischer Zählspeicher (21, 25) zugeordnet sind, die mit dem Beginn der Laufzeit des Impulses durch das Trägermedium mit einer hohen Zählfrequenz beaufschlagt werden und diese Zählfrequenz speichern und mit dem Ende der Laufzeit des Impulses und dessen Wandlung in je ein elektrisches Signal gestoppt werden und die Summenergebnisse der beiden Zählspeicher zum Vergleich der Länge der Meßstrecke (s) zur Eichstrecke (a) herangezogen werden.

2. Verfahren zur absoluten Messung von Wegen mit vorgegebener Länge der Eichstrecke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählfrequenz in Abhängigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses durch das Trägermedium und der gewünschten inkrementalen Meßgenauigkeit des Verfahrens so gewählt wird, daß die Eichstrecke (Meßnormal) durch die Zählfrequenz in die vorgegebene Anzahl von Inkrementen entsprechend der Meßgenauigkeit unterteilt wird und die Differenz der Impulse der beiden Zählspeicher (21, 25) gleich dem absoluten Weg in Inkrementen der Meßstrecke (s) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2 mit einem nicht konstanten Trägermedium, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß bei vorgegebenen Grenzbedingungen für das Verfahren die Zählfrequenz für die beiden Zählspeicher (21, 25) dergestalt gewählt wird, daß noch bei der größten sich aus den Grenzbedingungen ergebenden Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses während der Laufzeit desselben durch die Eich- und Meßstrecke eine höhere Anzahl von Zählimpulsen gespeichert wird, als die vorgegebene inkrementale Meßgenauigkeit erfordert.
• b) daß aus der durch die geforderte Meßgenauigkeit bestimmte Zahl von Inkrementen und der tatsächlichen im Eichstreckenzählspeicher (25) gespeicherten Anzahl von Impulsen der Ouotient gebildet und mit der Anzahl der gespeicherten Impulse im Meßstreckenzählspeicher (21) beaufschlagt wird und das Ergebnis gleich dem absoluten Weg in Inkrementen entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus geforderter Meßgenauigkeit und dem Zählergebnis des Eichstreckenzählspreichers (25) (Q<1) mit der Anzahl der Zählimpulse des Meßstreckenzählerspeichers (21) multipliziert oder der Quotient aus den Zählimpulsen des Eichstreckenzählerspeichers (25) und der geforderten Meßgenauigkeit (1<Q) durch die Anzahl der Zählimpulse des Meßstreckenzählspeichers (21) dividiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Impulse für die Meß- und Eichstrecke ein gemeinsamer oder je ein getrennter Impulssender Verwendung finden, die gleichzeitig gestartet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei getrennten Impulssendern die Meßstrecke und die Eichstrecke von den Impulsen gleichzeitig, versetzt oder nacheinander durchlaufen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwert durch zyklische Wiederholung des Verfahrens periodisch neu gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur absoluten fortlaufenden Messung der Länge einer sich bewegenden Meßstrecke (s) zyklisch fortlaufend Meßwerte periodisch neu gebildet werden.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei geometrisch versetzten Anordnungen der Eich- zur Meßstrecke die sich ergebenden Zählergebnisse der Zählspeicher summarisch korrigiert werden.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch geometrische Versetzung der Meßstrecke zur Eichstrecke ein relativer Nullpunkt gebildet wird, zu dem positive und negative Abweichungen als direkte Meßwerte erhalten werden.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium für die Impulse gasförmig, flüssig oder fest ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse Schallimpulse sind und das Trägermedium ein Gas, insbesondere Luft, ist.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis des Meßstreckenzählers parallel oder seriell einzeln oder im Rhythmus der zyklischen Meßwerterfassung über eine geeignete Schnittstelle übertragen wird.

14. Verfahren zur Messung von Geschwindigkeiten von strömenden Medien, vorzugsweise solchen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten, über die Laufzeit von Impulsen innerhalb des Mediums gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3 oder den Kombinationen der Ansprüche 1 und 6 oder 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke von dem strömenden Medium durchströmt wird, in der Eichstrecke hingegen das Medium unbewegt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Laufzeit des Impulses auf der Meßstrecke sich derselbe entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Mediums ausbreitet.

16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Winkeln eine rotatorische Bewegung einer Achse in die translatorische Bewegung der Meßstrecke übersetzt wird.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 mit einem ortsfesten Impulssender, einem ersten ortsfesten Impulsempfänger (Eichstreckenempfänger) und einem zweiten, im Ortungsbereich des Impulssenders beweglichen Impulsempfängers (Meßstreckenempfänger) und einer Meßeinrichtung zur Bestimmung der Differenz der Laufzeiten der Impulsempfänger, gekennzeichnet durch

• a) einen Oszillator (1), der eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung, die Zählfrequenz, erzeugt, die als Startsignal des Impulssenders benützt wird und
• b) mindestens zwei Zählspeicher (21, 25) (Eichstreckenzählspeicher 25 und Meßstreckenzählspeicher 21), auf die jeweils die Zählfrequenz aufgegeben und die Impulse derselben gezählt werden, wobei das Startsignal für den Impulssender jeweils den synchronen Startimpuls für die Zählspeicher bildet und
• c) wobei die Zählvorgänge der beiden Zählspeicher bei Ende der Laufzeiten der Impulse jeweils durch die von denselben herrührenden Ausgangssignale der beiden Impulsempfänger gestoppt werden und aus den Inhalten der beiden Zählspeicher die Differenz gebildet wird, die ein relatives Maß für die Länge des beweglichen Impulsempfängers vom Impulssender, bezogen auf die Länge der Eichstrecke, bildet.

18. Vorrichtung zur absoluten Messung von Wegen nach den Ansprüchen 3 oder 4 und 17, gekennzeichnet durch einen Dividierer (26), in welchem die die Meßgenauigkeit bildende, vorgegebene Anzahl von Inkrementen durch die tatsächliche Anzahl der Zählfrequenz innerhalb des Eichstreckenzählspeichers (25) dividiert wird und durch einen Multiplizierer (26), der die innerhalb des Meßstreckenzählspeichers (21) gezählte Zählfrequenz mit dem Ergebnis multipliziert oder umgekehrt.

19. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Impulsempfänger ein getrennter Impulssender zugeordnet ist.