DE19510452C2 - Sende- und Empfangseinrichtung zur drahtlosen Abfrage eines physikalischen Parameters - Google Patents
Sende- und Empfangseinrichtung zur drahtlosen Abfrage eines physikalischen ParametersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sende- und Empfangseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Art (US-PS 4 531 526).
Solche Sende- und Empfangseinrichtungen eignen sich vorteilhaft zum drahtlosen Abfragen von
physikalischen Parametern über relativ kurze Distanzen innerhalb einer Anlage, deren Geräte räumlich
verteilt, z. B. in den verschiedenen Räumen eines Gebäudes oder einer Gebäudegruppe, untergebracht sind.
Die Anlage ist z. B. eine Klima- und/oder Heizungsanlage, während die abzufragenden physikalischen
Parameter z. B. Schaltkontaktstellungen und/oder Meßwerte physikalischer Größen sind, welche letztere
mittels Sensoren ferngemessen werden sollen. Die physikalischen Größen sind z. B. ein Druck p,
Temperaturen T, Entfernungen d, Feuchtigkeit, Lichtstärke, usw.
Es ist bekannt, Informationen zwischen einzelnen Anordnungen einer Anlage drahtlos mittels hoch
frequenter elektromagnetischer Wellen zu übertragen. Übertragungen mittels solcher elektromagnetischer
Wellen sind in den meisten Ländern äußerst strengen Vorschriften der Postverwaltungen unterworfen oder
möglicherweise sogar ganz verboten, da leistungsstarke elektromagnetische Wellen den Funkverkehr sowie
die öffentlichen Rundfunk- und Fernsehübertragungen stören können.
Eine Sende- und Empfangseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der US-
PS 4 531 526 bekannt. Zur Abfrage eines physikalischen Parameters eines Objektes verwendet sie das
bekannte Echo-Prinzip mit trägerfrequenten Impulsen, wobei die Trägerfrequenz mittels eines PLL-
Phasenregelkreises auf die Resonanzfrequenz des Objektes abgestimmt wird.
Aus der CH-PS 679 707 ist eine Sende- und Empfangseinrichtung bekannt, die zum Senden und
Empfangen zwei gegeneinander um 90° verdrehte Antennen verwendet, um ein Übersprechen vom Sender
auf den Empfänger zu vermeiden, wodurch ein bestimmtes Verhältnis von Reichweite zu Sendeleistung
erzielt wird.
Aus der DE 28 54 199 C2 ist eine Einrichtung
zur Übertragung von Meßwerten
bekannt, die ebenfalls einen einzigen Schwingkreis
zum Senden des Abfragesignals
und Empfangen des Echosignals verwendet.
Eine Nachregelung der Abfragefrequenz
findet dort nicht statt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit und damit das Verhältnis von Reichweite
zu Sendeleistung einer Sende- und Empfangseinrichtung zu vergrößern.
Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Sende- und Empfangseinrichtung,
Fig. 2 verschiedene Signale und
Fig. 3 die Verwendung einer Sende- und Empfangseinrichtung zur
Frostschutzüberwachung.
Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Sende- und Empfangseinrichtung 1 zur drahtlosen Abfrage eines
physikalischen Parameters mindestens eines Objektes 13 ist in der Fig. 1 dargestellt. Sie weist einen
Mikroprozessor 2 als Kontroll- und Steuereinheit, einen spannungsgesteuerten Oszillator 3, einen
Schwingkreis 4, einen Differenzverstärker 5, ein schaltbares Filter 6, einen Phasenschieber 7, einen
Phasendetektor 8, einen Synchrondetektor 9, einen Multiplizierer 10 und zwei Schalter 11 und 12 auf.
Jeweils ein Ausgang des Mikroprozessors 2 ist mit einem Steuereingang des Oszillators 3, des Schwing
kreises 4 bzw. des Filters 6 verbunden. Der Phasendetektor 8, der Synchrondetektor 9 und der Multipli
zierer 10 weisen je zwei Eingänge und einen Ausgang auf. Der Ausgang des Oszillators 3 ist mit dem
ersten Eingang des Synchrondetektors 9, dem ersten Eingang des Multiplizierers 10 und über den
zwischengeschalteten Phasenschieber 7 mit dem ersten Eingang des Phasendetektors 8 verbunden. Der
Schwingkreis 4 ist mittels des Schalters 12 entweder mit dem Ausgang des Oszillators 3 oder mit dem
ersten, nicht invertierenden Eingang 5a des Differenzverstärkers 5 verbindbar und somit auf Senden bzw.
Empfangen schaltbar. Der zweite, invertierende Eingang 5b des Differenzverstärkers 5 ist mittels des
Schalters 11 mit dem Ausgang des Multiplizierers 10 verbindbar. Der Ausgang des Differenzverstärkers 5
ist über das Filter 6 mit den zweiten Eingängen des Phasendetektors 8 und des Synchrondetektors 9
verbunden. Der Ausgang des Phasendetektors 8 ist mit einem Eingang des Mikroprozessors 2, der
Ausgang des Synchrondetektors 9 ist mit einem weiteren Eingang des Mikroprozessors 2 und mit dem
zweiten Eingang des Multiplizierers 10 verbunden. Zur Ausfilterung der trägerfrequenten Signalanteile ist
dem Ausgang des Phasendetektors 8 ein Filter 8a vorgeschaltet, welches beispielsweise ein Tiefpaß oder
ein Integrierglied sein kann.
Der Schwingkreis 4 besteht aus einer Spule LSE und einem kapazitiven Element CSE, dessen Wert
veränderbar ist. Das kapazitive Element CSE kann beispielsweise eine Anordnung von zu- und abschalt
baren Kondensatoren oder eine Kapazitätsdiode sein. Der Mikroprozessor 2 ist dahingehend programmiert,
durch Veränderung des Wertes des kapazitiven Elementes CSE die Resonanzfrequenz des Schwingkreises
4 auf die Schwingfrequenz fT des Oszillators 3 abzustimmen, so daß der Schwingkreis 4 die zu sendenden
und zu empfangenden trägerfrequenten Impulse möglichst verlustlos abstrahlen und empfangen kann.
Als Objekt 13 ist ein Sensor dargestellt, dessen physikalischer Parameter eine Temperatur ist. Es weist
einen Parallelresonanzkreis 14 auf, der aus einer Spule LO, einem Kondensator CO und einem temperatur
abhängigen Widerstand RO besteht. Der Widerstand RO wirkt als Dämpfungsglied. Die Frequenz fOP
mit welcher der freie, gedämpfte Parallelresonanzkreis 14 schwingt, beträgt
ist also sowohl vom Wert des Widerstandes RO abhängig als auch verschieden vom Wert der Resonanz
frequenz
Sind die Spule LO, der Kondensator CO und der Widerstand RO in Serie geschaltet und bilden einen
Serieresonanzkreis, dann beträgt dessen Frequenz fOS bei freier Schwingung
Falls mehrere Objekte 13 zur drahtlosen Abfrage durch eine gemeinsame Sende- und Empfangseinrichtung
1 vorgesehen sind, weisen sie je nach ihrer Aufgabe unterschiedliche Resonanzfrequenzen fOR auf. Zur
Einhaltung der anfangs erwähnten Vorschriften liegen die Resonanzfrequenzen fOR typischerweise in der
Gegend von 100 kHz.
Die Sende- und Empfangseinrichtung 1 arbeitet nach dem bekannten Echo-Prinzip, indem sie im Betrieb
zum drahtlosen Abfragen des Objektes 13 kurze, durch Impulslücken voneinander getrennte träger
frequente Impulse aussendet und während der Impulslücken das vom Objekt 13 abgestrahlte Signal erfaßt,
wobei die Trägerfrequenz gleich der Schwingfrequenz fT des Oszillators 3 ist. Der Schwingkreis 4 dient
dabei als Sende- wie als Empfangsantenne. Falls die Trägerfrequenz fT der Impulse annähernd gleich der
Resonanzfrequenz fOR des Schwingkreises 14 des Objektes 13 ist, wird der Schwingkreis 14 mit nennens
werter Amplitude erregt. Das vom Objekt 13 abgestrahlte Signal hat ebenfalls die Form trägerfrequenter
Impulse, deren Umhüllende exponentiell ansteigende Vorderflanken sowie exponentiell abfallende Rück
flanken aufweist. Die Trägerfrequenz dieser Impulse ist gleich der Frequenz fT des Oszillators 3, solange
die Sende- und Empfangseinrichtung 1 auf Senden eingestellt ist. Sobald die Erregung des Schwingkreises
14 unterbrochen ist, nimmt die Trägerfrequenz dieser Impulse jedoch den Wert der Frequenz fOP des
Schwingkreises 14 an.
In einer ersten Phase erfolgt in an sich bekannter Weise eine grobe Abstimmung des Oszillators 3 auf die
Resonanzfrequenz fOR des Schwingkreises 14 des abzufragenden Objektes 13. Dabei ist der Schalter 11
offen, so daß der Eingang 5b des Differenzverstärkers 5 vom Ausgang des Multiplizierers 10 getrennt ist
und der Differenzverstärker 5 als normaler Verstärker arbeitet. Der Mikroprozessor 2 erhöht die Steuer
spannung am Oszillator 3 nach und nach, so daß die Schwingfrequenz fT des Oszillators 3 größer und
größer wird, bis am Ausgang des Synchrondetektors 9 ein Signal U₇ mit nennenswerter Amplitude
erscheint. Der Mikroprozessor 2 interpretiert dieses Ereignis dahingehend, daß die Schwingfrequenz fT
des Oszillators 3 in der Nähe der Resonanzfrequenz fOR des abzufragenden Objektes 13 ist, worauf er zur
Steuerung der Schwingfrequenz fT des Oszillators 3 in einer nun folgenden zweiten Phase eine Steuer
spannung abgibt, die er beispielsweise als Summe aus der zuletzt abgegebenen Steuerspannung und aus
der am Ausgang des Phasendetektors 8 zur Verfügung stehenden Spannung U₆ kontinuierlich bildet. In
einer bevorzugten Variante bildet der Mikroprozessor 2 die Steuerspannung für den Oszillator 3 mittels
eines PI-Regelalgorithmus. Der Phasenschieber 7, der Phasendetektor 8, der Oszillator 3 und der Mikro
prozessor 2 mit oder ohne PI-Regelung arbeiten nun in bekannter Weise als PLL-Phasenregelkreis (phase-
locked-loop) zur Nachführung der Trägerfrequenz des ersten Signales U₂ nach der Trägerfrequenz des
zweiten Signales U₃, so daß die Trägerfrequenz fT der gesendeten Impulse in der Nähe der Frequenz fOP
des abzufragenden Objektes 13 einrastet.
Zur weiteren Steigerung der Empfindlichkeit bezüglich des Einrastens auf die Frequenz fOP ist eine zweite
Regelschleife vorgesehen, welche aus dem Differenzverstärker 5, dem Synchrondetektor 9, dem
Multiplizierer 10 und dem Schalter 11 gebildet ist. In einer dritten Phase schaltet deshalb der Mikro
prozessor 2 nun die beiden Schalter 11 und 12 mit einer gegenüber der Schwingfrequenz fT des Oszillators
3 um beispielsweise das Zwanzigfache langsameren Frequenz synchron so, daß der Eingang 5b des
Differenzverstärkers 5 immer dann mit dem Ausgang des Multiplizierers 10 verbunden ist, wenn die
Sende- und Empfangseinrichtung 1 auf Empfang geschaltet ist.
Die Wirkungsweise der zweiten Regelschleife wird anhand des zeitlichen Spannungsverlaufes
verschiedener Signale U₁ bis U₆ erläutert, die in der Fig. 2 aus Darstellungsgründen mit unterschiedlicher
vertikaler Skala gezeichnet sind. Am Ausgang des Oszillators 3 ist ein sinusförmiges Signal U₁ mit der
Schwingfrequenz fT vorhanden. Die Erregung des Schwingkreises 4 der Sende- und Empfangseinrichtung
1 und des Schwingkreises 14 des abzufragenden Objektes 13 erfolgt mittels eines ersten Signales U₂,
welches mit dem Schalter 12 aus dem Signal U₁ gebildet ist und das die Form trägerfrequenter Impulse
aufweist. Die Spannung U₃ zeigt den Verlauf des vom Objekt 13 abgestrahlten Signales, wie es während
der Empfangszeit am Eingang 5a des Differenzverstärkers 5 anliegt. Das Signal U₃ ist ein trägerfrequentes
Ist-Signal, dessen Trägerfrequenz in einer Übergangsphase zu Beginn des Empfangsfensters jeweils von
der Trägerfrequenz fT des ersten Signales U₂ zur Frequenz fOP des Schwingkreises 14 des abstrahlenden
Objektes 13 übergeht. Am Eingang 5b liegt ein erwartetes trägerfrequentes Soll-Signal U₄ an, dessen
Frequenz und Phase gleich der Trägerfrequenz und deren Phase des ersten Signales U₂ sind und dessen
Umhüllende gleich der Umhüllenden des Signales U₅ am Ausgang des Differenzverstärkers 5 ist. Das Soll-
Signal U₄ wird mit Hilfe des Synchrondetektors 9 und des Multiplizierers 10 aus dem Signal U₅ und aus
dem als Referenzsignal dienenden Signal U₁ erzeugt. Das Signal U₅ ist auch dem Phasendetektor 8
zugeführt, dem als Referenzsignal ein mittels des Phasenschiebers 7 gegenüber dem Signal U₁ um 90°
phasenverschobenes Signal dient, so daß am Ausgang des Phasendetektors 8 ein Regelsignal U₆ mit
einem Vorzeichen vorhanden ist, das gleich dem Vorzeichen der Differenz der Trägerfrequenz fT und der
Frequenz fOP ist, wodurch der Frequenzunterschied der Trägerfrequenzen fT und fOP der beiden Signale
U₁ und U₅ gegen null regelbar ist. Das Signal U₆ dient einerseits als Korrektursignal zur Regelung der
Steuerspannung für den Oszillator 3, andererseits dient es zur Bestimmung des Zeitpunktes, zu welchem
die Sende- und Empfangseinrichtung 1 optimal auf das Objekt 13 eingestellt ist. Die Fig. 2 zeigt in
überspitztem zeitlichem Maßstab wie sich infolge der Wirkung der zweiten Regelschleife die Form der
Signale U₃ und U₄ von Impuls zu Impuls mehr angleicht, so daß die Amplitude des Signales U₆ gegen
einen konstanten Wert null strebt. Sobald der Absolutwert des über die Dauer mehrerer Impulse
gemittelten Signales U₆ einen vorbestimmten Schwellenwert ε unterschreitet, erfaßt der Mikroprozessor 2
das am Ausgang des Synchrondetektors 9 vorhandene Signal U₇, welches im nun eingeschwungenen
Zustand des Systems aus Sende- und Empfangseinrichtung 1 und Objekt 13 der Umhüllenden des Signales
U₅ und damit auch der Umhüllenden des vom Objekt 13 ausgesendeten Signales U₃ entspricht. Der Wert
des Widerstandes RO und damit dessen Temperatur T sind damit am Ende der dritten Phase in bekannter
Weise bestimmbar aus dem zeitlichen Verlauf des Signales U₇.
Dank der zweiten Regelschleife kann die Empfindlichkeit der Sende- und Empfangseinrichtung 1 gegen
über bekannten Schaltungen wesentlich gesteigert werden. Der Differenzverstärker 5 muß nur noch die
Differenz des empfangenen Ist-Signales U₃ zu einem erwarteten Soll-Signal U₄ verstärken. Nach erfolgter
Angleichung sind die Signale U₃ und U₄ in Phase und weisen eine bis auf einen vom Verstärkungsfaktor
des Differenzverstärkers 5 abhängigen konstanten Faktor die gleiche Umhüllende auf, da die Schwing
frequenz fT des Oszillators 3 gleich der Frequenz fOP des Objektes 13 ist. Der Differenzverstärker 5 kann
somit mit einem hohen Verstärkungsfaktor von wenigstens 100 versehen sein, ohne daß die Gefahr der
Sättigung besteht. Aus der am Ausgang des Differenzverstärkers 5 auftretenden Spannung U₅ wird mittels
des Phasenschiebers 7 und des Phasendetektors 8 ein Regelsignal U₆ erzeugt und dem Mikroprozessor 2
zur Steuerung des Oszillators 3 zugeführt, dank dem eine wesentlich bessere Übereinstimmung der
Schwingfrequenz fT des Oszillators 3 und der Frequenz fOP des Schwingkreises 14 erzielbar ist. Mit der
erhöhten Empfindlichkeit der Sende- und Empfangseinrichtung 1 ist entweder bei gleicher Sendeleistung
eine größere Entfernung zu den abzufragenden Objekten 13 möglich oder eine kleinere Sendeleistung bei
unveränderter Maximalreichweite.
Das Filter 6 ist ein Tiefpaß oder ein Bandpaß mit veränderbarer Grenz- bzw. Resonanzfrequenz. Es ist
z. B. in der Form eines switched capacitor filters (SCF) verwirklicht. Der Mikroprozessor 2 führt die
Grenz- bzw. Resonanzfrequenz des Filters 6 der Schwingfrequenz fT des Oszillators 3 nach. Sein
Frequenzgang ist vorteilhaft so vorbestimmt, daß Oberwellen der Schwingfrequenz fT unterdrückt
werden. Es dient der Erhöhung der Stabilität der Sende- und Empfangseinrichtung 1.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Arbeitsweise der Sende- und Empfangseinrichtung 1
weiter verfeinert. Aus dem in der Fig. 2 dargestellten Beispiel ist ersichtlich, daß die Spannung U₅ am
Ausgang des Differenzverstärkers 5 eine große Amplitude haben kann, wenn die Phasendifferenz
zwischen der Trägerfrequenz fOP des Signales U₃ und der Trägerfrequenz fT des Signales U₄ groß ist.
Damit der Differenzverstärker 5 mit einem möglichst hohen Verstärkungsfaktor ohne Gefahr der Sättigung
versehbar ist, erfolgt in der dritten Phase der Wechsel des Schalters 11 in die Empfangsstellung in
bekannter Weise jeweils zeitverzögert um beispielsweise drei Schwingungsperioden des Signales U₁ nach
dem Wechsel des Schalters 12. Auf diese Weise sind auch beim Betätigen des Schalters 12 auftretende
Transienten unterdrückbar.
Die Tastzeiten des Schalters 12, mit denen die Dauer der Sendezeit wie der Empfangszeit pro gesendetem
Impuls festgelegt sind, sind mit Vorteil dem Schwingungsverhalten des Objektes 13 angepaßt. Bei starker
Dämpfung und entsprechend tiefer Güte des Schwingkreises 14 verlaufen die Einschwingvorgänge relativ
schnell, bei schwacher Dämpfung und entsprechend hoher Güte des Schwingkreises 14 dauert es länger,
bis der Schwingkreis 14 in einem stationären Zustand ist. Es ist deshalb eine vierte Phase vorgesehen, in
welcher die Tastzeiten des Schalters 12 vom Mikroprozessor 2 entsprechend der am Ende der dritten Phase
aus dem Signal U₇ bestimmten Güte des Schwingkreises 14 festgelegt sind. Weiter ist die Dauer der
Zeitverzögerung zwischen dem Betätigen der Schalter 12 und 11 so weit verkürzbar, auf z. B. nur noch
eine Schwingungsperiode, wie für den Differenzverstärker 5 keine Sättigungsgefahr besteht. Der
Mikroprozessor 2 bestimmt nun den Wert des interessierenden physikalischen Parameters aus dem Signal
U₇ am Ende der vierten Phase.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Eingänge 5a und 5b des Differenzverstärkers 5
während der Sendezeit der Sende- und Empfangseinrichtung 1 mittels weiterer Schalter an Masse
anschließbar oder miteinander verbindbar.
Die Sende- und Empfangseinrichtung 1 eignet sich zur drahtlosen Abfrage eines Objektes 13 mit einem
schwach oder kaum gedämpften Schwingkreis 14. Dann gilt näherungsweise fOP ≅ fOR. Der Grad der
Dämpfung ist dann bestimmbar aus dem zeitlichen Verlauf des Signales U₇. Bei einem Objekt 13, das aus
einem aus einem Kondensator CO und aus einer Spule LO gebildeten Schwingkreis 14 besteht, bei dem
der zu messende physikalische Parameter direkt der Wert des Kondensators CO oder der Wert der Spule
LO ist, ist die Information über den Zustand des Objektes 13 als Frequenzänderung gegenüber einer
festgelegten Bezugsfrequenz vorhanden. Dank der hohen Empfindlichkeit der Sende- und Empfangs
einrichtung 1 ist eine solche Frequenzänderung mit hoher Genauigkeit bestimmbar.
Eine Analyse der Sende- und Empfangseinrichtung 1 im Frequenzbereich zeigt auf, daß die Wirkung der
zweiten Regelschleife darin besteht, die Spektrallinie bei der Trägerfrequenz ω = fT zu unterdrücken bzw.
im eingeschwungenen Zustand annähernd zu eliminieren, so daß der PLL-Phasenregelkreis nur die
sogenannten "double side band (DSB)" Spektrallinien der Phasenmodulation detektiert. In anderen Worten
ausgedrückt geht es darum, daß der Verstärker 5 in der Nähe des optimalen Arbeitspunktes bei fT ≅ fOP
nicht durch Signale übersteuert wird, die keine Information enthalten.
Die Fig. 3 zeigt die Verwendung einer Sende- und Empfangseinrichtung 1 zur drahtlosen Abfrage von
Temperaturfühlern 15, die an verschiedenen Stellen auf einem Heizregister 16 eines Warmwasser-Luft
erhitzers angebracht sind. Das Heizregister 16 ist in einem Lüftungsrohr 17 angeordnet zur Erhitzung von
Zuluft. Die Temperaturfühler 15 erfassen luftseitig die Temperatur des Heizregisters 16 zur Vermeidung
von Frostschäden, da bei tiefen Außentemperaturen das Wasser im Heizregister 16 gefrieren könnte.
Die Temperaturfühler 15 stellen Objekte 13 (Fig. 1) dar, die alle in der gleichen Art ausgeführt sind als ein
Schwingkreis 14, der aus einer Spule LO und einem kapazitiven Element CO besteht. Die Kapazität des
Elementes CO weist eine vorbestimmte Temperaturabhängigkeit auf, so daß eine Temperaturänderung zu
einer wohldefinierten Änderung der Resonanzfrequenz fO des entsprechenden Temperaturfühlers 15 führt.
Die Sende- und Empfangseinrichtung 1 ist dahingehend programmiert, in regelmäßigen Abständen oder
kontinuierlich die Schwingfrequenz fT des Oszillators 3 in einem Frequenzband durchzufahren, dessen
Grenzfrequenzen den Resonanzfrequenzen fO angepaßt ist, die bei der tiefsten und der höchsten zu
erwartenden Temperatur der Temperaturfühler 15 entstehen. Immer dann, wenn wenigstens einer der
Temperaturfühler 15 in Resonanz ist, erscheint am Ausgang des Synchrondetektors 9 ein Signal U₇ mit
nennenswerter Amplitude. Aus der kleinsten oder höchsten der in einem Frequenzscan gemessenen
Resonanzfrequenzen fO bestimmt die Steuer- und Kontrolleinheit 2 der Sende- und Empfangseinrichtung 1
oder ein mit ihr verbundenes Steuer- oder Regelgerät 18 die tiefste der gemessenen Temperaturen und
veranlaßt bei Bedarf in bekannter Weise geeignete Maßnahmen wie Erhöhung der Heizleistung des
Heizregisters 16 durch mit sinkender Temperatur proportionales Öffnen eines Heizventils 19 oder
Drosselung der Luftzufuhr, etc.
Besteht das Lüftungsrohr 17 aus metallischem Material, kann es einen starken Einfluß auf die räumliche
Verteilung des elektromagnetischen Feldes ausüben, das sich aufgrund der Erregung des Schwingkreises 4
(Fig. 1) der Sende- und Empfangseinrichtung 1 und der Schwingkreise 14 der Temperaturfühler 15 aus
bildet: es kann wie ein Hohlleiter wirken. Hohlleiter sind dadurch charakterisiert, daß elektromagnetische
Felder unterhalb einer sogenannten Cutoff Frequenz die Form exponentiell gedämpfter Felder annehmen,
während sich oberhalb der Cutoff Frequenz laufende oder stehende Wellen in der Form ganz bestimmter
Moden ausbilden können. Oberhalb der Cutoff Frequenz sind somit die in Abhängigkeit der Temperatur
kontinuierlich veränderlichen Resonanzfrequenzen fO der Temperaturfühler 15 nicht meßbar. Gemäß
Angaben in Lehrbüchern, z. B. R.P. Feynman, R.B. Leighton und M. Sands in "Vorlesungen über Physik",
Oldenbourg Verlag, ist die Cutoff Frequenz im wesentlichen bestimmt durch die charakteristischen
Abmessungen des Hohlleiters, die im Falle des Lüftungsrohres 17 als typische Querschnitte von einigen
Dezimetern und Längen von einigen bis zu einigen zehn Metern auftreten können, so daß die Cutoff
Frequenz oberhalb von einigen zehn MHz liegt. Weiter nimmt die Dämpfung der Felder mit abnehmender
Frequenz zu, so daß die Sende- und Empfangseinrichtung 1 und die Temperaturfühler 15 mit Vorteil zur
Arbeit mit Frequenzen etwas unterhalb der Cutoff Frequenz ausgebildet sind, wo die Dämpfung am
geringsten ist. Unterhalb der Cutoff Frequenz weist das elektromagnetische Feld einen exponentiellen, im
Wesentlichen knotenfreien Feldverlauf auf, so daß keine Gefahr besteht, daß die Temperaturfühler 15 in
einem Knoten positioniert sind, wo die Feldstärke verschwindet. Ein Vorteil des metallischen Lüftungs
rohres 17 ist darin zu sehen, daß es mit seiner Wirkung als Hohlleiter auch als Abschirmung wirkt, so
daß außerhalb des Lüftungsrohres 17 keine von der Sende- und Empfangseinrichtung 1 stammenden
unerwünschten elektromagnetischen Felder auftreten. Dank dieser Abschirmungseigenschaft ist die
Sendeleistung beliebig erhöhbar, bis jeder Temperaturfühler 15 abfragbar ist, ohne in Konflikt mit irgend
welchen fernmelderechtlichen Vorschriften zu kommen. Eine Bestimmung der zur sicheren Abfrage der
Temperaturfühler 15 benötigten Sendeleistung kann mittels eines kleinen Programmes im Mikroprozessor
2 bei der Installation der Temperaturfühler 15 für jeden Temperaturfühler 15 einzeln erfolgen. Weiter
vermag das Lüftungsrohr 17 eine mögliche, durch das Heizregister 16 verursachte Schattenbildung für das
elektromagnetische Feld mindestens teilweise auszugleichen, so daß die Positionierung der Temperatur
fühler 15 wenig kritisch ist, obwohl eine Sichtverbindung zwischen den Temperaturfühlern 15 und der
Sende- und Empfangseinrichtung 1 vorzuziehen ist.
Zur Kühlung vorbeiströmender Luft ist anstelle des Heizregisters 16 ein Kühlelement oder ein Kühl- und
Heizelement einsetzbar, wobei sich die Problematik des Frostschutzes in gleicher Weise stellt.
Claims (9)
1. Sende- und Empfangseinrichtung (1) zur drahtlosen Abfrage eines physikalischen Parameters
mindestens eines Objektes (13) nach dem Echoprinzip, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (3) und
einem Schalter (12) zur Erzeugung und Mitteln (4) zur Abstrahlung eines ersten trägerfrequenten Signales
(U₂), Mitteln zur Erfassung (4) und Verstärkung (5) eines vom Objekt (13) abgestrahlten zweiten träger
frequenten Signales (U₃), und Mitteln (7, 8) zur Bildung eines Regelsignales (U₆) zur Nachführung der
Trägerfrequenz des ersten Signales (U₂) nach der Trägerfrequenz des zweiten Signales (U₃), wodurch ein
PLL-Phasenregelkreis gebildet ist, mit dem in einer ersten und zweiten Phase die Steuerspannung für den
Oszillator (3) annähernd eingeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (5) zur Verstärkung
einen Differenzverstärker (5) mit einem nicht invertierenden Eingang (5a), einem invertierenden Eingang
(5b) und einem Ausgang aufweisen und daß in einer dritten Phase durch synchrone Betätigung des
Schalters (12) zum abwechselnden Senden und Empfangen und eines dem invertierenden Eingang (5b)
vorgeschalteten weiteren Schalters (11) eine zweite Regelschleife aktivierbar ist, welche aus dem
Differenzverstärker (5), Mitteln (9, 10) zur Erzeugung eines dritten trägerfrequenten Signales (U₄), dessen
Trägerfrequenz und deren Phase gleich der Trägerfrequenz und deren Phase des ersten Signales (U₂) sind
und dessen Umhüllende gleich der Umhüllenden des am Ausgang des Differenzverstärkers (5) vorhandenen
Signales (U₅) ist, und dem weiteren Schalter (11) besteht, wobei dem nicht invertierenden Eingang (5a)
während des Empfangens das zweite Signal (U₃) und dem invertierenden Eingang (5b) das dritte Signal
(U₄) zugeführt sind.
2. Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9,
10) zur Erzeugung des dritten Signales (U₄) ein Synchrondetektor (9) und ein Multiplizierer (10) sind,
denen das trägerfrequente Signal (U₁) des Oszillators (3) als Referenzsignal zugeführt ist.
3. Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Regelschleife ein Filter (6) enthält, dessen Frequenzgang auf die Schwingfrequenz (fT) des Oszillators (3)
abstimmbar ist.
4. Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerspannung für den Oszillator (3) mittels eines PI-Regelalgorithmus aus dem Regelsignal
(U₆) gebildet wird.
5. Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingänge (5a, 5b) des Differenzverstärkers (5) beim Senden an Masse angeschlossen oder
miteinander verbunden sind.
6. Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel (4) zur Abstrahlung des ersten trägerfrequenten Signales (U₂) und die Mittel (4) zur
Erfassung des zweiten trägerfrequenten Signales (U₃) ein einziger Schwingkreis sind.
7. Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Resonanzfrequenz des Schwingkreises (4) auf die Frequenz (fT) des Oszillators (3) abstimmbar ist.
8. Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß in einer vierten Phase jeweils beim Wechsel vom Senden auf Empfangen die Betätigung des weiteren
Schalters (11) um einen Wert zeitverzögert nach der Betätigung des Schalters (12) erfolgt, wenn für den
Differenzverstärker (5) keine Sättigungsgefahr besteht.
9. Verwendung einer Sende- und Empfangseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur
Frostschutzüberwachung eines in einem Lüftungsrohr (17) vorhandenen Heizregisters (16) und/oder
Kühlelementes, wozu am Heizregister (16) und/oder Kühlelement mindestens ein als Temperaturfühler
(15) dienendes Objekt (13) angebracht ist.
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