DE19833220A1 - Abstandsmeßvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmeßvorrich­ tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfah­ ren zur Bestimmung eines Abstands.

Unter anderem werden herkömmliche Abstandsmeßvorrichtungen beispielsweise zur Detektion der Kolbenposition von fluidi­ schen Linearantrieben bzw. pneumatische und hydraulische Zylinder eingesetzt. Die Kolbenpositionserfassung an Zylin­ dern kann sowohl diskret, d. h. an diskreten Stellen, als auch kontinuierlich, d. h. ständig während des Betriebs, er­ folgen.

Die diskrete Kolbenpositionsbestimmung wird in der Regel benötigt, um die Ausführung bzw. Beendigung einer Kolbenbe­ wegung an eine Ablaufsteuerung (z. B. SPS) zurückzumelden, um somit beispielsweise den nächsten Ablaufschritt einlei­ ten zu können.

Hierzu werden überwiegend magnetfeldempfindliche Sensoren bzw. Sensoreinrichtungen verwendet, welche das Magnetfeld eines Permanentmagneten, der sich an dem Zylinderkolben be­ findet, detektieren. Die dabei eingesetzten Sensoren werden extern an das Zylinderrohr des Kolbenzylinders montiert. Bewegt sich der Kolben in den Erfassungsbereich eines sol­ chen Sensors, so erkennt dieser die Anwesenheit des Zylin­ derkolbens, durch das Zylinderrohr hindurch. Hierfür ist überwiegend die Verwendung von nicht-ferromagnetischer Werkstoffe erforderlich und beschrankt somit die konstruk­ tiven Eigenschaften bzw. Anwendungen des Antriebes.

Soll hingegen eine andere Position detektiert werden, so muß der Sensor entsprechend mechanisch justiert werden. Für jede zusätzlich zu erfassende Position muß folglich ein weiterer Sensor montiert werden, und zwar mit den damit verbundenen zusätzlichen Material-, Montage-, Justage und Installationskosten.

Ferner wird für diese extern angebauten Sensoren zusätzli­ cher Einbauraum benötigt. Damit die Zugänglichkeit und Ro­ bustheit des Sensors gewährleistet werden kann, ist häufig zusätzlicher konstruktiver Aufwand erforderlich.

Diese Art von Sensoren sind überwiegend als magnetfeldemp­ findliche Sensoren ausgeführt und sind als Reed-Schalter, magnetoresistive (MR), giant magnetoresistive (GMR), Hall- Schalter oder magnetinduktive Näherungsschalter bekannt.

Durch die Detektion des Magnetfeldes ist eine aufwendige Abstimmung des Magneten auf den Sensor bzw. auf die Sen­ soreinrichtung erforderlich. Zudem werden durch dieses Meß­ prinzip die möglichen Anwendungen durch störende statische und dynamische Magnetfelder (EMV, Feld eines nahen Zylin­ ders) sowie das Temperaturverhalten des Sensors beschränkt.

Zur kontinuierlichen Kolbenpositionsmessung werden gewöhn­ lich Meßsysteme verwendet, die potentiometrisch, nach dem LVDT-Prinzip (Linear Variable Differential Transformer) oder nach dem Ultraschall-Prinzip arbeiten. Die Kolbenposi­ tion wird bei diesen Systemen kontinuierlich und überwie­ gend als analoges Spannungssignal ausgegeben. Als Ergänzung zu diesen Systemen sind auch inkrementale Wegmessungen be­ kannt. Diese Systeme werden beispielsweise durch die Kodie­ rung der Kolbenstange realisiert und können somit nur zur relativen Wegmessung verwendet werden.

Sowohl die kontinuierliche als auch die diskrete Kolbenpo­ sitionsbestimmung können nicht bzw. nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand und den dadurch verbundenen hohen Ko­ sten in einen Zylinder integriert werden. Der erhebliche konstruktive Aufwand begründet sich dadurch, daß alle be­ schriebenen gängigen Sensorprinzipien auf die entsprechende Zylinderlänge angepaßt werden müssen, da sie einen zu kur­ zen Erfassungsbereich besitzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Ab­ standsmeßvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Abstands zu schaffen, welche bzw. welches die oben aufge­ führten Nachteile überwindet und eine kontinuierliche und somit diskretisierbare Abstandsbestimmung, eine einfache Handhabung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den vorrichtungstechnischen Merkma­ len des Anspruchs 1 und mit den verfahrenstechnischen Merk­ malen des Anspruchs 16 gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Abstandsmeßvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstands zur Verfügung ge­ stellt, wobei die Sensoreinrichtung eine Koppelsonde auf­ weist, die dazu dient, durch Abstrahlen und Empfangen von Wellen, einen bestimmten Abstand beispielsweise in einer Leitungsstruktur auszumessen, indem beispielsweise die Kop­ pelsonde in die Leitungsstruktur integriert wird. Aufgrund dieser Integration der Koppelsonde wird erreicht, daß die Abstandsmeßvorrichtung klein gebaut und nahezu keine bzw. geringe Umbaumaßnahmen erforderlich machen. Der gesamte Aufbau der anmeldungsgemäßen Abstandsvorrichtung kann somit ein sauberes, glattes Design aufgrund des Wegfalls einer Montagemöglichkeit für externe Sensoreinrichtungen aufwei­ sen, bzw. beeinflußt die äußere Erscheinung nicht. Mit der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung wird eine Instal­ lationsersparnis erreicht, da der vorgefertigte Zylinder lediglich ein Anschlußkabel zur Ansteuerung und Datenerfas­ sung aufweist. Dadurch wird ferner eine Trennung der Sen­ soreinrichtung von der Auswerteelektronik erreicht, welche extern und von der Abstandsmeßvorrichtung abgesetzt ange­ ordnet sein kann, und welche die Koppelsonde ansteuert. Ein Hochtemperatureinsatz, insbesondere ein Einsatz bis ca. 300°C bzw. 1000°C ist unproblematisch möglich. Gemäß dem anmeldungsgemäßen Verfahren wird die Länge der Lei­ tungsstruktur bis zu einem Kurzschluß der ggfs. auch ver­ schiebbar ist, gemessen. Das entsprechend dem anmeldungsge­ mäßen Verfahren bereitgestellte Sendesignal wird in eine Leitungsstruktur eingeleitet und von einem bestimmten Teil der Leistungsstruktur, vorzugsweise eines Kurzschlusses re­ flektiert. Dadurch wird die Messung des Abstandes zwischen dem von der Koppelsonde definierten Einspeisepunkt und dem vorbestimmten Teil der Leitungsstruktur durchgeführt. Der zu messende Abstand erfolgt hierbei durch eine Laufzeitmes­ sung des Sendesignals. Wird beispielsweise ein frequenzmo­ duliertes Sendesignal herangezogen, so ergibt sich der zu messende Abstand gemäß folgender Formel:

Abstand = n × Lichtgeschwindigkeit/2 × Frequenzhub; mit n = 1, 2, 3 etc.

Aufgrund dieser Bestimmung des zu messenden Abstands wird eine Genauigkeit der halben Wellenlänge des Sendesignals erreicht. Das so durchgeführte Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zu einem vorbestimmten Teil der Leitungsstruktur kann als sogenanntes Suchverfahren bezeichnet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des anmeldungsgemäßen Gegenstands sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wird gemäß Anspruch 2 eine Koppelsonde bereitgestellt, die eine magnetische oder elektrische Einkopplung bzw. eine Schlitzkopplung ermöglicht, so agiert die Leitungsstruktur als Hohlleiter bzw. als eine Koaxialleitung.

Je nach angestrebtem Mode wird gemäß Anspruch 3 die Koppel­ sonde eine elektromagnetische Welle im Hochfrequenzbereich vorzugsweise zwischen 10 MHz bis 25 GHz einspeisen, um eine bestmögliche Signalauswertung zuzulassen. In Abhängigkeit von den Dimensionen bzw. Ausmaßen der Leitungsstruktur, können untere Grenzfrequenzen verwendet werden, ab denen die nächsthöhere Mode ausbreitungsfähig ist. Die Praxis hat gezeigt, daß insbesondere bei der Anwendung hinsichtlich eines Zylinderkolbens gemäß Anspruch 4 eine monomodige Aus­ breitung von Vorteil ist, vorzugsweise im TEM-Mode. In die­ sem Mode ist insbesondere als nächsthöhere Mode der TE11-Feldtyp ausbreitungsfähig. Die sich daraus ergebenden Grenzfrequenzen sind beispielsweise bei einem Kolbenzylin­ der mit Zylinderdurchmesser D und dem Kolbenstangendurch­ messer d für D = 10 mm und d = 4 mm ungefähr 14 GHz für eine untere Grenzfrequenz des TE₁₁-Modes bzw. für D = 25 mm und d = 10 mm ca. 5,5 GHz für eine untere Grenzfrequenz des TE₁₁-Modes.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß der TE₁₁-Mode je­ doch bei dem Zylinderkolben durch zweifache, insbesondere gerade Achsensymmetrie sowohl der Feldanregung als auch des Feldraumes unterdrückt werden. Aufgrund dieser Achsensymme­ trie kann die Breite des Frequenzbereiches, in dem keine höheren Feldtypen ausbreitungsfähig sind, ungefähr verdop­ pelt werden. Der nächsthöhere, ausbreitungsfähige Mode in dem Beispiel ist dann der TE₂₁-Mode. Hierbei ist allerdings zu beachten, daß bei Zylindern mit durchgehender Kolben­ stange neben den Feldtypen des Koaxialleiters auch Feldty­ pen in Rundhohlleiter auftreten. Die Grenzfrequenz dieses Feldtyps im Rundhohlleiter ist für alle Zylinder größer als die entsprechenden Grenzwerte des Feldtypen im zylindri­ schen Koaxialleiter. Wird beispielsweise eine Betriebsfre­ quenz eingesetzt, bei der nur der TEM-Feldtyp im Koaxial­ leiter ausbreitungsfähig ist, so sind im gesamten Zylinder keine Feldtypen des Hohlleiters ausbreitungsfähig.

Handelt es sich gemäß Anspruch 5 bei der Einkopplung um ei­ ne singuläre also unsymmetrische Einkopplung, so ist in diesem Beispiel bei einem koaxialen Zylinder die TE11-Mode ausbreitungsfähig. Werden dagegen mehrere Einspeisepunkte mit axialsymmetrischer Einkopplung verwendet, so wird bei­ spielsweise beim koaxialen Zylinder die TE11 Mode unter­ drückt, wobei bei Verwendung von zwei 180° versetzte Kop­ pelsonden beide Koppelsonden von einem Einspeisepunkt durch Aufspaltung des HF-Signals über einen 3dB-Leistungskoppler bzw. -Leistungsteiler, z. B. Wilkinson versorgt werden, bei vier um 90° versetzte Koppelsonden zwei 3dB-Koppler verwen­ det und bei acht um 45° versetzte Koppelsonden vier 3dB-Koppler versorgt werden. Der Vorteil der axialsymmetrischen Einspeisung besteht in der Unterdrückung des nächsthöheren Modes und somit in der Möglichkeit eine höhere Sendefre­ quenz verwenden zu können. Durch die höhere Sendefrequenz und damit höhere Bandbreite läßt sich ferner eine höhere Meßgenauigkeit erzielen.

Wird gemäß Anspruch 6 eine Abstandsmeßvorrichtung geschaf­ fen, die ein Anpaßnetzwerk aufweist, so wird der Vorteil erzielt, daß mit diesem Anpaßnetzwerk, vorzugsweise Hoch­ frequenz-Anpaßnetzwerk die Frequenzbandbreite der Sonde er­ höht wird und so das Abstrahlen bzw. Empfangen eines fre­ quenzmodulierten Sendesignals möglich ist. Mit einem derar­ tigen Anpaßnetzwerk wird die Voraussetzung geschaffen, über den Suchvorgang bzw. den dazugehörigen Suchalgorithmus die Entfernungsbestimmung mit einer hohen Genauigkeit bestimmen zu können. Vorzugsweise sind sowohl Koppelsonde als auch Anpaßnetzwerk als passive Leistungsstrukturen vorgesehen, die in Form einer dünnen Goldschicht, beispielsweise 15 µm, vorzugsweise galvanisch hergestellt werden. Aus rein prak­ tischen Gründen kann es auch von Vorteil sein, die zur Axialachse unsymmetrische, singuläre Einkopplung vorzusehen und den Vorteil der symmetrischen Einkopplung der höheren Sendefrequenz und damit Meßgenauigkeit aufzugeben. Dies hat den Vorteil, daß für nahezu alle gängigen Leitungsstruktu­ ren, insbesondere Kolbenzylindergrößen, eine identische Koppelsonde einsetzbar ist.

Die symmetrische Einkopplung gemäß Anspruch 8 mit mehreren Koppelsonden besitzt den weiteren Vorteil, daß Empfänger und Sender bereits antennenseitig getrennt werden können. Hierzu werden beispielsweise bei vier Koppelsonden jeweils zwei gegenüber liegende Koppelsonden zum Senden und Empfan­ gen verwendet. Führt man keine Trennung von Sende- und Emp­ fangszweig durch, dann wird neben der Koppelsonde auch die Leitungsstruktur des Senders für den Empfänger bis zur Trennung durch den Koppler benutzt. Da die Koppelsonde eine Einfügungsdämpfung besitzt, hat dies zur Folge, daß ein Teil des Sendesignals an der Koppelsonde reflektiert wird und damit in den Empfänger gelangt. Dort überlagert sich der reflektierte Anteil des Sendesignals mit dem eigentli­ chen Empfangssignals und verschlechtert die Meßgenauigkeit. Dies wird bei der Trennung von Sende- und Empfangszweig be­ reits auf Antennenseite vermieden.

Die Trennung in eine Sende- und Empfangsantenne hat den weiteren Vorteil, daß gemäß Anspruch 9 jeweils unterschied­ liche Ausführungsformen, d. h. elektrische oder magnetische Sonden oder eine Schlitzkopplung, als Sende- bzw. Empfangs­ antennen verwendet bzw. kombiniert werden können. Damit läßt sich eine direkte Überkopplung des Sendesignals in den Empfänger und somit eine Verbesserung der Signalqualität erreichen.

Ist vorzugsweise gemäß Anspruch 11 die in einen Sende- und Empfangszweig aufgeteilte Hochfrequenzelektronik der Sen­ soreinrichtung, deren Empfangszweig aus einem Mischer und/oder mindestens vier Hochfrequenz-Dioden besteht, vor­ gesehen, so kann aufgrund der Anzahl der Hochfrequenz-Dioden sowohl die Richtungserkennung einer Bewegung eines vorbestimmten Teils der Leitungsstruktur als auch eine ein­ deutige Entfernungsänderung dieses Teils ermittelt werden.

Wird gemäß Anspruch 12 eine geschlossene Regelschleife vor­ gesehen, so kann beispielsweise eine aus dem Sendezweig heruntergeteilte Frequenz beispielsweise des Voltage- Controlled-Oszillators (VCO) nicht direkt als Ergebnisgröße herangezogen werden, sondern in einer Frequenz- und Phasen­ regelung eingesetzt werden. Auf diese Weise ist eine direk­ te und vereinfachte insbesondere schnelle Verarbeitung der Signale und Auswertung zur Bestimmung des Abstandes gewähr­ leistet.

Gemäß Anspruch 13 kann beispielsweise diese dynamische Fre­ quenzregelung über ein Phase-Lock-Loop (PLL) geregelt wer­ den, welcher aus mindestens einem Frequenzteiler, einem Phasendiskriminator und einem Tiefpaßfilter realisiert ist, wobei die Sollfrequenz über ein Direct-Digital-Synthesizer vorgegeben wird.

Enthält der Empfangszweig gemäß Anspruch 15 einen IQ-Detektor (Inphase Quatratur Detektor), so ist ebenfalls ei­ ne besondere Anordnung gegeben, mit der eine Richtungser­ kennung einer Bewegung eines vorbestimmten Teils der Lei­ tungsstruktur ermöglicht wird.

Eine vorteilhafte, vereinfachte Ausführungsform ergibt sich für den Suchmode dann, wenn sowohl der Frequenzhub des Os­ zillators als auch die Länge der Verzögerungsleitung so ausgelegt werden, daß sie einer bestimmten, fest vorgegebe­ nen Entfernung der Koppelsonde zu einem Punkt in der Lei­ tungsstruktur, beispielsweise in einem Kolben, entsprechen, d. h. wenn gemäß Anspruch 19 ein Synchronisationspunkt in der Leitungsstruktur voreingestellt ist. Wird der Synchro­ nisationspunkt beispielsweise von einem Zylinderkolben überfahren, dann synchronisiert sich der Sensor sofort auf, schaltet in den Trackmode um und übernimmt die hochdynami­ sche Positionsbestimmung des Kolbens.

Wird darüberhinaus der Synchronisationspunkt relativ weit entfernt von der Koppelsonde gewählt, dann hat dieses Ver­ fahren den Vorteil, daß sowohl die Verzögerungsleitung als kurzes Stück Leitung, z. B. in gedruckter Form auf der Rückseite der Koppelsonde ausgeführt und der Frequenzhub klein gehalten werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel insbesondere für die Ver­ wendung in einem Zylinderkolben dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittzeichnung einer Inte­ gration der Abstandsmeßvorrichtung in einen Zylin­ derkolben;

Fig. 2 zeigt eine Frontansicht der erfindungsgemäßen Ab­ standsmeßvorrichtung;

Fig. 3 zeigt eine Frequenzverteilungskurve mit und ohne Anpaßnetzwerk gemäß einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der Hochfrequenz-Elektronik mit einem ersten Empfangszweig zur Bestimmung des Abstandes;

Fig. 5a zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfre­ quenz-Elektronik zur Richtungserkennung eines sich bewegenden vorbestimmten Teils in der Lei­ tungsstruktur;

Fig. 5b zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfre­ quenz-Elektronik zur Richtungserkennung eines sich bewegenden vorbestimmten Teils in der Lei­ tungsstruktur;

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfre­ quenz-Elektronik zur Bestimmung des Abstandes.

Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung wie sie beispielsweise in einem Kol­ benstangenzylinder, der beispielsweise bei einem linearen Antrieb sowohl hydraulisch als auch pneumatisch betrieben werden kann, einsetzbar ist. Die Sensoreinrichtung ist axialsymmetrisch um die Kolbenstange 2 in einem Lagerdeckel 4 für die Kolbenstange 2 angeordnet. Wie in Fig. 1 zu er­ kennen ist, wird in dieser Ausführungsform eine Lei­ tungsstruktur durch die Kolbenstange 2, den Kolben 11 sowie dem Zylindermantel 3 und dem Lagerdeckel 4 definiert. Die in der Sensoreinrichtung vorgesehene Koppelsonde 7 ist in den Lagerdeckel 4 integriert und in Richtung der Lei­ tungsstruktur 5 gerichtet. Ferner sind in dem Lagerdeckel 4 Kanäle 13 vorgesehen, die für die elektrischen Zuleitungen der Sensoreinrichtung integriert sind und an einer in der Peripherie des Lagerdeckels 4 vorgesehenen Steckverbindung 9 endet.

Das Zylinderrohr und somit der Kolbenstangenzylinder selbst kann vielfältig ausgestaltet sein. Wesentlich ist jedoch, daß eine Art Leitungsstruktur 5 bereitgestellt wird, die eine Reflektion des Sendesignals ermöglicht. Die Reflektion im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird beispielsweise durch den Kolben 11, der ebenso als Kurzschluß fungiert, ermöglicht. Zum Schutz der Sensoreinrichtung bzw. Koppel­ sonde 7 kann beispielsweise auch ein Einlagenpuffer 14 zur Dämpfung des Aufpralls des Kolbens auf den Lagerdeckel vor­ gesehen sein. In dem Deckel 5 können beispielsweise sowohl ein Bedienfeld als auch ein Anzeigefeld 8 vorhanden sein, mit dem einzelne Schaltpunkte angezeigt bzw. eingestellt werden können.

In Fig. 2 ist eine Frontansicht des Lagerdeckels 4 darge­ stellt, die die in der anmeldungsgemäßen Abstandsvorrich­ tung enthaltene Sensoreinrichtung zeigt. In dieser in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Verwendung für einen kreisförmigen Zylinderkolben konzipiert worden. Die Sen­ soreinrichtung weist z. B. eine mehrlagige Keramikscheibe 21 auf, auf deren Vorderseite die Koppelsonde 7 ausgebildet ist und deren Rückseite als Trägersubstrat für die Elektro­ nik-Bauteile dient. Die Durchkontaktierung 23 der Sende- Empfangsleitung zur Koppelsonde 7 erfolgt vorzugsweise gal­ vanisch oder über eine Apperturkopplung. Um einen größeren Frequenzbereich durchstimmen zu können, ist ein Anpaßnetz­ werk 25 vorgesehen, welches zwischen dem Einspeisepunkt, der durch die Durchkontaktierung 23 vorgegeben ist, und der Koppelsonde 7 angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt deutlich, welchen Einfluß das Anpaßnetzwerk auf eine Frequenzverteilung haben kann. Deutlich ist zu er­ kennen, daß sich der Bereich der durchstimmbaren Frequen­ zen, d. h. die Halbwertsbreite, mit Anpaßnetzwerk verdop­ pelt. An dieser Stelle-sei bereits darauf hingewiesen, daß die Keramikscheibe nicht generell uni die Kolbenstange ver­ laufen muß, sondern auch aus einem kleinen, kreisrunden Substrat besteht, welches unsymmetrisch an einer Stelle der Kolbenstange eingebracht ist. Generell können aber auch die Koppelsonde aus mehreren beispielsweise aus zwei Kontaktie­ rungen bestehen und einem Stück gedruckter Leitung auf der Vorderseite des Substrats, welches die beiden Durchkontak­ tierungen miteinander verbindet.

Hierbei besteht die einfachste Ausführungsform einer magne­ tischen Koppelsonde aus einem Stück Koaxialleitung, bei hö­ heren Frequenzen vorzugsweise einer sogenannten Semirigid- Leitung. Die Koaxialleitung wird -mechanisch durch den La­ gerdeckel geführt. Der offene Innenleiter wird anschließend über eine kurze Schleife in der Luft geführt und am Lager­ deckel aufgelöst und somit kurzgeschlossen.

Ähnlich der elektrischen Sonde kann die magnetische auch als gedruckte Streifenleitung ausgeführt werden. Hierbei werden die Leitungsführungen bezogen auf die Kolbenstangen sternförmig von innen nach außen angeordnet. Die Durchkon­ taktierung verbindet wiederum die Elektronik auf der Rück­ seite des Substrates mit der gedruckten Streifenleitung auf der Vorderseite. Am inneren Ende der gedruckten Streifen­ leitung befindet sich die Durchkontaktierung, am äußeren Ende ist die Leitung mit dem Zylindergehäuse kurzgeschlos­ sen. Weitere Ausführungsformen, z. B. die über Schlitzkopp­ lung sind denkbar. Ansonsten sind alle Variationsmöglich­ keiten bezüglich der koaxialen Symmetrie anwendbar wie bei der elektrischen Koppelsonde.

In Fig. 4 ist die Auswerteelektronik zusammen mit der Hoch­ frequenz-Elektronik dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, daß die Koppelsonde 7 von einem Oszillator 31 vorzugsweise einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) angesteuert wird, wobei die Abstimmspannung durch eine Rampensteuerung aus der Steuerungs- und Auswerteelektronik 33 hervorgerufen wird. Das Sendesignal wird über eine magnetische oder elek­ trische Koppelsonde in die Leitungsstruktur eingespeist (Sendezweig). In einem ersten Schritt wird der absolute Ab­ stand zwischen absolutem Einspeisepunkt und Kolben gemes­ sen. Hierbei wird eine Laufzeitmessung des frequenzmodu­ lierten Sendesignals ausgewertet. Es ergibt sich gemäß Gleichung 1 dargestellter Zusammenhang.

Die Auswertung des empfangenen und am Mischer 35 in der Frequenz herabgesetzten Signals liefert den absoluten Ab­ stand zwischen Einspeisepunkt und Position des Kolbens, bzw. eines vorbestimmten Teils in einer Leitungsstruktur, mit einer Genauigkeit mindestens der halben Wellenlänge des Sendesignals. Dieses Verfahren wird als Suchverfahren be­ zeichnet. Nachdem die Kolbenposition mit hinreichender Ge­ nauigkeit eindeutig ermittelt wurde, wird in den sogenann­ ten Track-Mode umgeschaltet. Hierbei wird ein Dauerstrich­ signal, z. B. bei 5 GHz, in den Zylinder eingekoppelt. Auf­ grund der Einkopplung bildet sich eine stehende Welle aus, deren Verschiebung durch die Bewegung des Kolbens erfolgt und über eine Phasenauswertung, des in der Frequenz herab­ gesetzten Signals ermittelt wird. Dieses Verfahren ermög­ licht die Bestimmung der Entfernung zum Kolben mit der Ge­ nauigkeit im Submillimeter-Bereich. Die generell in einen Sende- und Empfangszweig aufgegliederte Hochfrequenz- Elektronik besteht entsprechend Bild 4 aus einem spannungs­ gesteuerten Oszillator (VCO) und einem oder mehreren Fre­ quenzteilern. Der Oszillator wird über die Abstimmspannung einer Varaktordiode in der Frequenz z. B. zwischen 4 und 6 GHz durchgestimmt. Ein Teil der Energie wird resistiv aus dem Sendezweig aus gekoppelt und über Frequenzteiler herun­ tergeteilt, z. B. auf 30 MHz, so daß die Sendefrequenz zu jedem Zeitpunkt bekannt ist. Der Empfänger besteht aus ei­ nem Mischer 35, der das Empfangssignal durch Mischung mit einem Sendesignal in einem Frequenzbereich bis zu einigen wenigen KHz-Signalen transformiert. Da während der Track- Phase nur ein Dauerstrichsignal gesendet wird, muß es sich bei dem Mischer um einen gleichstrom-gekoppelte Mischer handeln.

In Fig. 5a ist anstelle des Mischers gemäß Fig. 4 eine An­ ordnung aus Detektordioden 45 vorgesehen. Um sowohl die Richtungserkennung als auch eine eindeutige Entfernungsän­ derung der Kolbenposition durch Verschiebung der stehenden Welle feststellen zu können, müssen mindestens vier Detek­ tordioden verwendet werden, die entsprechend Gleichung 2 beabstandet sein müssen:

Abstand der Dioden = n (Wellenlänge/2) + Wellenlänge/16 mit n = 1, 2, (2)

Zur Erläuterung der Entfernungsbestimmung wird darauf hin­ gewiesen, daß es zwei Phasen der Signalauswertung gibt. Nach dem Einschalten des Sensors oder nach einer einer Be­ triebsstörung, beispielsweise durch einen Spannungsausfall, wird im sogenannten Suchmodus eine absolute Entfernungsbe­ stimmung zum Zylinderkolben bzw. zum vorbestimmten Teil in der Leitungsstruktur durchgeführt.

Hierbei wird der Oszillator (VCO) in seiner Frequenz, z. B. innerhalb einer Bandbreite von 1.5 GHz, moduliert. Die Ent­ fernung Koppelsonde zum Zylinderkolben läßt sich dann durch Berechnung einer FFT (Fast-Fourier-Transformation) mit an­ schließender Berechnung der DFT (Discret-Fourier­ transformation) des Videosignals mit einer Genauigkeit der Entfernungsbestimmung der halben Wellenlänge oder über eine einfache Nullstellen- oder Minimum- oder Maximumzählung be­ stimmen.

Hierbei gilt:

Zylinderlänge = n × Lichtgeschwindigkeit/2 × Frequenzhub

Dieser Gleichung ist leicht zu entnehmen, daß eine interne Zylinderlänge 0 (Kolben befindet sich im Anschlag am Ein­ speisepunkt) einen unendlich großen Frequenzhub erfordern würde. Deshalb wird zwischen Empfänger und Einspeisepunkt eine 50 Ω Verzögerungsleitung benötigt. Die Länge der Ver­ zögerungsleitung begrenzt auch bei Kolbenanschlag den er­ forderlichen Frequenzhub auf eine realisierbare Größe von z. B. 20% der Sendefrequenz.

Die Frequenz des VCOs wird hierbei in der einfachsten Aus­ führungsform entsprechend Fig. 4 statisch über einen Mi­ krokontroller oder diskrete Elektronik geregelt. Dazu wird ein Teil des Sendesignals z. B. resistiv aus dem Sendezweig ausgekoppelt und wahlweise übers mindestens einen Frequenz­ teiler 37 in der Frequenz soweit heruntergesetzt, daß die sich dann ergebende Frequenz mittels eines einfachen digi­ talen Zählers bestimmt werden kann. Die Abweichung zwischen Soll- und IST-Frequenz des Oszillators wird anschließend durch Änderung der Abstimmspannung am Oszillator nachgere­ gelt, indem z. B. über Digital/Analogwandlung der entspre­ chende Spannungswert ausgegeben wird. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Frequenzregelung wird "statische Frequenzre­ gelung" genannt.

In Fig. 5b ist eine weitere Möglichkeit gezeigt, während der Abstandsbestimmung auch eine Richtungserkennung durch­ führen zu können. Anstelle eines Mischers 35 gemäß Fig. 4 und einer Anordnung aus Detektordioden 45 gemäß Fig. 5a wird hier als Empfangszweig ein IQ-Detektor eingesetzt. Der IQ-Detektor besteht aus 2 Mischern 55 und 65, deren z. B. Lokaloszillatoren einen Phasenversatz von 90° besitzen. So­ mit erhält man zwei Empfangssignale, Inphase (sinus-Anteil) und Quatratur (cosinus-Anteil). Aufgrund des Verhältnisses beider zueinander, ist es dann möglich, die Vorwärtsbewe­ gung von der Rückwärtsbewegung des Kolbens zu unterscheiden (Richtungserkennung). Das Verfahren wird vorzugsweise im Track-Mode ausgenutzt, wenn ein CW-Signal (bei einer Fre­ quenz) abgestrahlt wird. Die 90° Leitungslängenunterschiede zwischen den beiden Lokaloszillatoren gelten nur bei einer festen Sendefrequenz. Diese muß dann auch im Track-Mode eingehalten werden.

In Fig. 6 ist die dynamische Frequenzregelung gezeigt, de­ ren wesentlicher Unterschied darin besteht, daß die über den Frequenzteiler 37 heruntergeteilte VCO-Frequenz nicht direkt als Ergebnisgröße dient, sondern in einer Frequenz- und Phasenregelung verwendet wird und somit einen geschlos­ senen Regelkreis bildet. Durch z. B. einen Mikrocontroller wird ein direkter digitaler Synthesizer (DDS) 71 auf eine Frequenz eingestellt, die als Führungsgröße über ein Pha­ sendiskriminator 73, welcher das aus dem digitalen Synthe­ sizer 71 ausgehende Signal und das heruntergeteilte Fre­ quenzsignal diskriminiert, in die geschlossene Regelschlei­ fe eingeht. Nach Bestimmung der absoluten Entfernung mit einer der voran genannten Regelungen schaltet der Sensor in den Track-Mode, um die Genauigkeit der Entfernungsmessung zu verbessern und die hochdynamische Verfolgung des Kolbens im Betrieb zu ermöglichen.

Im Track-Mode wird nun ein CW-Signal gesendet. Es bildet sich dann im Zylinder eine stehende Welle, deren Änderung im Empfänger durch den zuvor beschriebenen IQ-Detektor bzw. eine Anordnung von Detektordioden 45 bzw. des Mischers 35 ins Basisband, beispielsweise von 0 bis 100 kHz, herabge­ setzt und anschließend durch die nachgeschaltete Elektronik ausgewertet wird.

Wählt man die Sendefrequenz im Track-Mode so niedrig, daß die halbe Wellenlänge gerade der maximalen Zylinderlänge entspricht, dann kann über die einfache CW Messung eine eindeutige Entfernungsbestimmung durchgeführt und auf den Searchmode bzw. Suchmode ganz verzichtet werden.

Dieses Verfahren kann besonders vorteilhaft bei langhubigen Zylindern eingesetzt werden. Es ist nur dann problematisch, wenn eine große Anzahl von unterschiedlichen Zylindergrößen betrachtet wird und die Sendefrequenz für alle Zylinderty­ pen beibehalten werden soll (universell einsetzbare Senso­ ren), insbesondere da die Sendefrequenz, um eine eindeutige Entfernungsbestimmung durchführen zu können, entsprechend dem längsten Zylinder ausgewählt werden muß. Für sehr klei­ ne Zylinder wird die Entfernungsbestimmung dann sehr unge­ nau.

Durch den verwendeten Mikrokontroller und der Zylinderkon­ struktion ergibt sich eine große Vielzahl der möglichen elektrischen und mechanischen Ausführungen sowie die Imple­ mentierung von Zusatzfunktionen.

So kann für die Anordnung der elektrischen Anschlußverbin­ dungen jede beliebige Stelle der feststehenden Zylindertei­ le verwendet werden. Die interne Zuführung erfolgt dann über entsprechende Kanäle des Gehäuseprofils. Dies gilt auch für eine Bedienerschnittstelle, die zur Anzeige und Einstellung der Schaltpunkte des Zylinders teilweise benö­ tigt. Diese Schnittstelle kann aus LED, LCD Anzeigen beste­ hen und eine Einstellmöglichkeit der Schaltpunkte über Te­ ach-In-Tasten bzw. Potentiometer bieten.

Ferner kann dieses Bedienfeld auch vom Zylinder abgesetzt sein, wodurch eine Verbesserung der Zugänglichkeit erreicht wird.

Zusatzfunktionen, welche dieses in der Abstandsvorrichtung eingesetzte Sensorsystem gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich erlaubt, sind zum Beispiel die Fehler- und Selbstdiagnose, freie Konfiguration der Ausgänge, zusätzli­ che direkte Steuerung weiterer Komponenten wie z. B. zu­ schaltbare Drosseln bzw. Regler, sowie eines Busanschluß­ knoten. Unter freier Ausgangskonfiguration ist zu verste­ hen, daß beispielsweise jeder Schaltausgang als Fehlersi­ gnal, zur externen Kabelbruchdetektion, als Serviceinter­ vallanzeige oder als Analogausgang mit frei definierbarer Kennlinie eingerichtet werden kann.

Die elektrische Verbindung ist vorzugsweise steckbar, wobei den Spannungsversorgungsleitungen ein zusätzliches, aufmo­ duliertes, bidirektionales Kommunikationssignal überlagert werden kann. Hierdurch ist ohne zusätzlichen Aufwand eine Parametrierung bzw. Einrichtung mit einem externen Gerät möglich. Neben dieser Anschlußtechnik ist auch eine reine Busanschlußtechnik denkbar, die idealerweise bereits über die pneumatischen Anschlüsse geführt bzw. integriert ist. Zudem ist eine drahtlose Signalübertragung möglich.

Um den Einsatzbereich, insbesondere im Hoch- und Tieftempe­ raturbereich des Zylinders deutlich zu erweitern, ist eine abgesetzte, d. h. nicht integrierte Auswerteelektronik mög­ lich. Die Verbindung zwischen Koppelsonde und Auswerteelek­ tronik erfolgt über Streifenleiter oder Hochfrequenz- Koaxialleitungen. Da sich dann am bzw. im Zylinder keine aktiven elektronischen Komponenten mehr befinden, sind die Anwendungen im Hochtemperaturbereich auf einfache Weise möglich.

Das anwendungsgemäße Verfahren besitzt noch einen weiteren Vorteil im Bereich Füllstandsmessung, insbesondere von Trennschichten. Befinden sich mehrere Flüssigkeiten mit un­ terschiedlichen Dielektrizitätskonstanten in der Lei­ tungsstruktur, beispielsweise eines Tauchrohres eines Tanks, dann ist die Bestimmung der Grenzschicht zwischen den Flüssigkeiten möglich.

Eine häufige Anwendung hierfür findet sich beispielsweise in Öltanks. Im Laufe der Zeit bildet sich Kondenswasser am Boden der Tanks welches abgesaugt werden soll, ohne den Tank leeren zu müssen. Hierbei schwimmt das Öl mit einer Dielektrizitätskonstante von ca. 2 bis 10 auf der Wasser­ oberfläche mit einer Dielektrizitätskonstante von ca. 88.

Claims (25)

1. Abstandsmeßvorrichtung mit einer Sensoreinrichtung und einer Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung zumindest eine Koppelsonde zur Einspeisung eines Sendesignals in eine Leitungsstruktur aufweist.

2. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Koppelsonde eine magnetische oder elektrische Einkoppelung oder eine Schlitzkopplung in einen Hohlleiter oder eine Koaxialleitung als Lei­ tungsstruktur ermöglicht.

3. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über die Koppelsonde eine elek­ tromagnetische Welle im Hochfrequenzbereich, vorzugs­ weise zwischen 10 MHz bis 25 GHz, eingespeist wird.

4. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die eingekoppelte elektromagnetische Wel­ le eine monomodige Ausbreitung aufweist, vorzugsweise im TEM-Mode bei koaxialen Strukturen.

5. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Einkopp­ lung um eine singuläre Einkopplung und/oder eine axial­ symmetrische Einkopplung mit mehreren Koppelsonden han­ delt.

6. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anpaßnetzwerk vorge­ sehen ist.

7. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung eine Hochfrequenz-Elektronik mit einem Sende- und Emp­ fangszweig aufweist.

8. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Koppelsonden vorge­ sehen sind, wobei je die Hälfte der Koppelsonden für Sender bzw. Empfänger vorgesehen sind.

9. Abstandsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die für den Sender vorgesehene Sen­ derantenne und für die für den Empfänger vorgesehene Empfängerantenne unterschiedliche Typen der Koppelson­ den verwendet werden.

10. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendezweig aus einem Oszillator, vorzugsweise einem Voltage Controlled Os­ zillator (VCO) besteht.

11. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangszweig aus einem Mischer und/oder mindestens vier Hochfrequenz- Dioden besteht, wobei die Dioden so angeordnet sind, daß der Abgriff des Signals auf der Sendeleitung je­ weils im Abstand 1/(4 mal Anzahl der Dioden)-tel der Wellenlänge des Sendesignals im CW-Betrieb erfolgt.

12. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine geschlossene Regelschleife vor­ gesehen ist.

13. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regelschleife ein Phase Locked Loop (PLL) ist und aus mindestens einem Frequenzteiler, einem Phasendiskriminator und einem Tiefpaßfilter be­ steht und die Sollfrequenz über einen DDS (Direct Digi­ tal Synthesizer) vorgegeben wird (dynamische Frequenz­ regelung/bestimmung).

14. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regelschleife aus mindestens ei­ nem Frequenzteiler besteht und über einen Frequenzzäh­ ler, Mikrocontroller und Digital-Analogwandler ge­ schlossen wird (statische Frequenzregelung/bestimmung).

15. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangszweig aus einem Inphase-Quatratur-Detektor besteht.

16. Verfahren zur Bestimmung eines Abstands, insbesondere unter Verwendung einer Abstandsmeßvorrichtung nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 15, mit folgenden Schritten

• a) Bereitstellen eines Sendesignals, welches über eine Koppelsonde in eine Leitungsstruktur eingeleitet wird;
• b) Messung des Abstands zwischen dem von der Koppel­ sonde definierten Einspeisepunkt und einem vorbe­ stimmten Teil der Leitungsstruktur.

17. Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner den Schritt c) aufweist, Bereitstellen eines frequenzmodulierten Hochfrequenz-Dauerstrichsignals, welches von der Kop­ pelsonde in die Leitungsstruktur eingespeist wird, mit dem kontinuierlich der zu messende Abstand bestimmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner den Schritt c) aufweist, Bereitstellen eines frequenzmodulierten Hochfrequenz-Dauerstrichsignals, welches von der Kop­ pelsonde in die Leitungsstruktur eingespeist wird, mit dem kontinuierlich der zu messende Abstand absolut be­ stimmt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, welches ferner den Schritt d) aufweist, Voreinstellen eines Synchronisationspunkts in der Leitungsstruktur.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem im Schritt a) ein einmodiges Sendesignal, vorzugsweise im TEM-Mode bei koaxialen Strukturen, verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitungsstruktur ein Hohlleiter oder eine Koaxialleitung verwendet wird.

22. Verwendung der Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, insbesondere unter Heranziehung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 21, in einem Zylinderkolben.

23. Verwendung nach Anspruch 22, bei der ein pneumatischer Linearantrieb in Form eines Kolbens herangezogen wird.

24. Verwendung nach Anspruch 22, bei der ein hydraulischer Linearantrieb in Form eines Kolbens herangezogen wird.

25. Verwendung nach Anspruch 22, bei der ein Tauchrohr in einem Tank verwendet wird.