DE19833220A1

DE19833220A1 - Distance measuring device and method for determining a distance

Info

Publication number: DE19833220A1
Application number: DE19833220A
Authority: DE
Inventors: Guenther Trummer; Armin Seitz; Alfred Dr Neugebauer; Karl Dr Foerster
Original assignee: Festo SE and Co KG; MTS Mikrowellen Technologie und Sensoren GmbH
Current assignee: Festo SE and Co KG; Cruise Munich GmbH
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 1999-06-17

Abstract

The invention relates to a distance measuring device which uses a coupling probe for measuring the distance to a piston both discreetly and continuously. Said coupling probe feeds a transmission signal into a conducting structure, for example into a hollow conductor delimited by a piston rod, a piston and a cylinder wall.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmeßvorrich tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfah ren zur Bestimmung eines Abstands.The present invention relates to a distance measuring device device according to the preamble of claim 1 and a procedure to determine a distance.

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.Among other things, conventional distance measuring devices for example to detect the piston position of fluidi linear drives or pneumatic and hydraulic Cylinder inserted. The piston position detection on Zylin who can be both discreet, H. in discrete places, as also continuously, d. H. constantly during operation, he consequences.

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.The discrete piston position determination is usually required to execute or terminate a piston feedback to a sequential control system (e.g. PLC), to initiate the next process step, for example to be able to.

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.For this purpose, mainly magnetic field sensitive sensors are used or sensor devices used which the magnetic field a permanent magnet, which is located on the cylinder piston finds, detects. The sensors used are mounted externally on the cylinder barrel of the piston cylinder. The piston moves into the detection area of a sol Chen sensor, this detects the presence of the Zylin the piston, through the cylinder barrel. For this is predominantly the use of non-ferromagnetic Materials required and thus limits the construct tive properties or applications of the drive.

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.If, on the other hand, another position is to be detected, then the sensor must be mechanically adjusted accordingly. For every additional position to be recorded must therefore be a additional sensor can be installed with the associated additional material, assembly, adjustment and Installation costs.

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.Furthermore, for these externally attached sensors Installation space required. So that the accessibility and Ro bustness of the sensor can be guaranteed is common additional design effort required.

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.These types of sensors are predominantly magnetic field sensitive sensors are designed as reed switches, magnetoresistive (MR), giant magnetoresistive (GMR), Hall Known switches or magnetic inductive proximity switches.

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.The detection of the magnetic field is complex Matching the magnet to the sensor or to the sen device required. In addition, this measurement principle the possible applications due to disruptive static and dynamic magnetic fields (EMC, field of a near cylin ders) and the temperature behavior of the sensor limited.

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.For continuous piston position measurement are used Lich measuring systems used, potentiometrically, according to LVDT principle (Linear Variable Differential Transformer) or work on the ultrasound principle. The piston position tion with these systems is continuous and monitored output as an analog voltage signal. As a supplement incremental path measurements are also included with these systems knows. These systems are, for example, by the Codie tion of the piston rod and can therefore only be used for relative distance measurement can be used.

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.Both the continuous and the discrete piston po position determination can not or only with considerable constructive effort and the associated high Ko be integrated into a cylinder. The significant constructive effort is due to the fact that all be wrote common sensor principles on the corresponding Cylinder length must be adjusted because they are too short zen detection area.

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.The object of the present invention is therefore an Ab level measuring device and a method for determining the To create distance, which or which the above led to disadvantages and a continuous and thus discretizable distance determination, a simple one Handling and versatile uses allowed.

Diese Aufgabe wird mit den vorrichtungstechnischen Merkma len des Anspruchs 1 und mit den verfahrenstechnischen Merk malen des Anspruchs 16 gelöst.This task is accomplished with the device-technical features len of claim 1 and with the procedural note paint the claim 16 solved.

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:
According to the invention, a distance measuring device and a method for determining a distance are provided, the sensor device having a coupling probe which is used to measure a specific distance, for example in a line structure, by emitting and receiving waves, for example by the coupling probe in the management structure is integrated. Due to this integration of the coupling probe, it is achieved that the distance measuring device is made small and almost no or little conversion measures are required. The entire structure of the spacer device according to the application can thus have a clean, smooth design due to the omission of an installation option for external sensor devices, or does not influence the external appearance. With the distance measuring device according to the application, installation savings are achieved since the prefabricated cylinder has only one connecting cable for control and data acquisition. This also achieves a separation of the sensor device from the evaluation electronics, which can be arranged externally and offset from the distance measuring device, and which controls the coupling probe. High-temperature use, in particular use up to approx. 300 ° C or 1000 ° C, is unproblematic. According to the method according to the application, the length of the line structure is measured up to a short circuit, which may also be slidable ver. The transmission signal provided in accordance with the method according to the application is introduced into a line structure and is reflected by a specific part of the power structure, preferably a short circuit. As a result, the distance between the feed point defined by the coupling probe and the predetermined part of the line structure is measured. The distance to be measured is carried out by a transit time measurement of the transmission signal. If, for example, a frequency-modulated transmission signal is used, the distance to be measured results according to the following formula:

Abstand = n × Lichtgeschwindigkeit/2 × Frequenzhub; mit n = 1, 2, 3 etc.Distance = n × speed of light / 2 × frequency deviation; with 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.Based on this determination of the distance to be measured an accuracy of half the wavelength of the transmitted signal reached. The procedure for determining the Distance to a predetermined part of the line structure can be described as a so-called search procedure.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des anmeldungsgemäßen Gegenstands sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous refinements of the application The subject of the subclaims.

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.Is provided according to claim 2, a coupling probe a magnetic or electrical coupling or a Slot coupling enables the line structure to act as a waveguide or as a coaxial line.

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.Depending on the desired mode, the coupling probe will feed an electromagnetic wave in the high-frequency range, preferably between 10 MHz and 25 GHz, in order to allow the best possible signal evaluation. Depending on the dimensions or dimensions of the line structure, lower cut-off frequencies can be used, from which the next higher mode can be propagated. Practice has shown that, particularly when used with respect to a cylinder piston, a single-mode expansion is advantageous, preferably in TEM mode. In this mode, the TE11 field type is particularly capable of being propagated as the next higher mode. The resulting limit frequencies are, for example in the case of a piston cylinder with the cylinder diameter D and the piston rod diameter d for D = 10 mm and d = 4 mm, approximately 14 GHz for a lower limit frequency of the TE ₁₁ mode or for D = 25 mm and d = 10 mm approx. 5.5 GHz for a lower cut-off frequency of the TE ₁₁ mode.

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.In this context it should be mentioned that the TE ₁₁ mode is suppressed in the cylinder piston by double, in particular straight axis symmetry of both the field excitation and the field space. Because of this axis symmetry, the width of the frequency range in which no higher field types are capable of propagation can be approximately doubled. The next higher, expandable mode in the example is then the TE ₂₁ mode. It should be noted, however, that in cylinders with a continuous piston rod, in addition to the field types of the coaxial conductor, field types also occur in circular waveguides. The limit frequency of this field type in the circular waveguide is greater than the corresponding limit values of the field type in the cylindrical coaxial conductor for all cylinders. If, for example, an operating frequency is used in which only the TEM field type can be propagated in the coaxial conductor, then no field types of the waveguide can be propagated in the entire cylinder.

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.According to claim 5, the coupling is egg ne singular unbalanced coupling, so is in In this example the TE11 mode for a coaxial cylinder spreadable. However, there will be several entry points used with axially symmetrical coupling, so at for example the TE11 mode for the coaxial cylinder presses, when using two 180 ° offset Kop pelsonden through both coupling probes from one entry point Splitting the RF signal via a 3dB power coupler or power dividers, e.g. B. Wilkinson are supplied at four coupling probes offset by 90 ° use two 3dB couplers det and with eight coupling probes offset by 45 ° four 3dB couplers are supplied. The advantage of axially symmetric Feed-in consists in suppressing the next higher one Modes and thus the possibility of a higher broadcast to be able to use quenz. Due to the higher transmission frequency and thus higher bandwidth can also be higher Achieve measurement accuracy.

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.A distance measuring device is created according to claim 6 fen, which has a matching network, so the advantage achieved that with this matching network, preferably high frequency matching network he frequency bandwidth of the probe is raised and so the radiation or reception of a fre frequency-modulated transmission signal is possible. With a derar The matching network is created via the search process or the associated search algorithm Determine distance determination with high accuracy to be able to. Both coupling probe and are preferably Matching network provided as passive power structures, in the form of a thin layer of gold, for example 15 µm, preferably be produced galvanically. Purely practical tical reasons, it can also be advantageous to use the Axial axis to provide asymmetrical, singular coupling and the advantage of the symmetrical coupling of the higher ones Abandon transmission frequency and thus measurement accuracy. this has the advantage that for almost all common line structures ren, especially piston cylinder sizes, an identical Coupling probe can be used.

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.The symmetrical coupling according to claim 8 with several Coupling probes have the further advantage that the receiver and transmitter can already be separated on the antenna side. For this purpose, four coupling probes are used, for example two opposing coupling probes for sending and receiving gene used. If you do not separate the send and emp branch, then in addition to the coupling probe, the Line structure of the transmitter for the receiver up to Separation used by the coupler. Since the coupling probe is one Has insertion loss, this has the consequence that a Part of the transmission signal is reflected on the coupling probe and thus gets into the receiver. There overlaps the reflected part of the transmission signal with the actual Chen received signal and deteriorates the measurement accuracy. This is the case when the transmission and reception branches are separated already avoided on the antenna side.

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.The separation into a transmitting and receiving antenna has the further advantage that according to claim 9 each different Liche embodiments, d. H. electrical or magnetic Probes or a slot coupling, as a send or receive antennas can be used or combined. In order to can be a direct coupling of the transmission signal in the Receiver and thus an improvement in signal quality to reach.

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.Is preferably according to claim 11 in a broadcast and High frequency electronics of the Sen soreinrichtung, the receiving branch from a mixer and / or there are at least four high-frequency diodes seen, because of the number of high-frequency diodes both the direction detection of a movement of a predetermined part of the line structure as well as a significant change in distance of this part can be determined.

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.According to claim 12, a closed control loop before seen, for example, one from the transmission branch divided frequency for example of the voltage Controlled Oscillators (VCO) not directly as a result variable be used, but in a frequency and phases regulation can be used. This way is a direct one te and simplified in particular quick processing of Grant signals and evaluation to determine the distance accomplishes.

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.According to claim 13, this dynamic Fre frequency control via a phase lock loop (PLL) the one that consists of at least one frequency divider, one Phase discriminator and a low-pass filter is realized, the set frequency using a direct digital synthesizer is specified.

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.Contains the receiving branch according to claim 15 IQ detector (in-phase quatrature detector), so is also egg given a special arrangement with which a direction detection of a movement of a predetermined portion of the lei structure is made possible.

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.An advantageous, simplified embodiment results for the search mode if both the frequency deviation of the Os zillators as well as the length of the delay line so be interpreted that they predetermined a certain, fixed distance of the coupling probe to a point in the line tion structure, for example in a piston, d. H. if according to claim 19 a synchronization point in the management structure is preset. Will the synchro nization point, for example of a cylinder piston run over, then the sensor synchronizes itself immediately, switches to track mode and takes over the highly dynamic cal determination of the piston.

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.In addition, the synchronization point becomes relatively wide removed from the coupling probe, then this Ver drive the advantage that both the delay line and short piece of line, e.g. B. in printed form on the Running the back of the coupling probe and the frequency swing can be kept small.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of other subclaims.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel insbesondere für die Ver wendung in einem Zylinderkolben dargestellt.With reference to the accompanying drawings, is a preferred embodiment in particular for the Ver shown in a cylinder piston.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittzeichnung einer Inte gration der Abstandsmeßvorrichtung in einen Zylin derkolben; Fig. 1 shows a side sectional drawing of an inte gration of the distance measuring device in a Zylin derkolben;

Fig. 2 zeigt eine Frontansicht der erfindungsgemäßen Ab standsmeßvorrichtung; Fig. 2 shows a front view of the level measuring device from the invention;

Fig. 3 zeigt eine Frequenzverteilungskurve mit und ohne Anpaßnetzwerk gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung; Fig. 3 shows a frequency distribution curve with and without a matching network according to an embodiment of the prior invention;

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der Hochfrequenz-Elektronik mit einem ersten Empfangszweig zur Bestimmung des Abstandes; Fig. 4 shows a block diagram of the high-frequency electronics with a first receiving branch to determine the distance;

Fig. 5a zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfre quenz-Elektronik zur Richtungserkennung eines sich bewegenden vorbestimmten Teils in der Lei tungsstruktur; Fig. 5a shows a further embodiment of a Hochfre-frequency electronics for the detection of direction of a moving predetermined portion in the processing structure Lei;

Fig. 5b zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfre quenz-Elektronik zur Richtungserkennung eines sich bewegenden vorbestimmten Teils in der Lei tungsstruktur; Fig. 5b shows another embodiment of a Hochfre-frequency electronics for the detection of direction of a moving predetermined portion in the processing structure Lei;

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfre quenz-Elektronik zur Bestimmung des Abstandes. Fig. 6 shows a further embodiment of a Hochfre frequency electronics for determining the distance.

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. Fig. 1 shows an application example of the distance measuring device according to the application as it can be used, for example, in a piston rod cylinder, which can be operated, for example, both hydraulically and pneumatically in a linear drive. The sensor device is arranged axially symmetrically around the piston rod 2 in a bearing cover 4 for the piston rod 2 . As can be seen in FIG. 1, in this embodiment a line structure is defined by the piston rod 2 , the piston 11 and the cylinder jacket 3 and the bearing cover 4 . The coupling probe 7 provided in the sensor device is integrated in the bearing cover 4 and directed in the direction of the line structure 5 . Furthermore, 4 channels 13 are provided in the bearing cover, which are integrated for the electrical feed lines of the sensor device and ends at a plug connection 9 provided in the periphery of the bearing cover 4 .

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.The cylinder tube and thus the piston rod cylinder itself can be designed in a variety of ways. It is essential, however, that a type of line structure 5 is provided which enables the transmission signal to be reflected. The reflection in the embodiment of Fig. 1 is made possible for example by the piston 11, which also functions as a short circuit. To protect the sensor device or coupling probe 7 , for example, a deposit buffer 14 for damping the impact of the piston on the bearing cover can also be seen. Both a control panel and a display field 8 can be present in the cover 5 , with which individual switching points can be displayed or set.

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.In Fig. 2 is a front view of the bearing cover 4 Darge provides that shows the device contained in the application Abstandsvorrich sensor device. In this embodiment shown in FIG. 2, the use has been designed for a circular cylinder piston. The sensor device has z. B. a multi-layer ceramic disc 21 , on the front of which the coupling probe 7 is formed and the back of which serves as a carrier substrate for the electronic components. The plated-through hole 23 of the transmission / reception line to the coupling probe 7 is preferably galvanic or via an aperture coupling. In order to be able to tune a larger frequency range, a matching network 25 is provided, which is arranged between the feed-in point, which is predetermined by the plated-through hole 23 , and the coupling probe 7 .

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. Fig. 3 clearly shows the influence of the matching network may have a frequency distribution. It is clear to know that the range of tunable frequencies, ie the half-width, doubles with matching network. At this point it should be noted that the ceramic disk does not generally have to run uni the piston rod, but also consists of a small, circular substrate which is introduced asymmetrically at one point on the piston rod. In general, however, the coupling probe can consist of several, for example, two contacts and a piece of printed wire on the front of the substrate, which connects the two vias with each other.

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.Here is the simplest embodiment of a magne table coupling probe from a piece of coaxial cable, at high higher frequencies, preferably a so-called semirigid Management. The coaxial line is mechanically controlled by the La led lid. The open inner conductor is then over a short loop in the air and in stock The lid is released and thus short-circuited.

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.Similar to the electrical probe, the magnetic one can too be designed as a printed strip line. Here the cable guides are related to the piston rods arranged in a star shape from the inside out. The Durchkon Clocking in turn connects the electronics on the back side of the substrate with the printed stripline the front. At the inner end of the printed strips the via is on the outside At the end the line with the cylinder housing is short-circuited sen. Other embodiments, e.g. B. the slot slot tion are conceivable. Otherwise, all variations are possible coaxial symmetry as for the electrical coupling probe.

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.In Fig. 4 the evaluation electronics is shown together with the high frequency electronics. It can be seen here that the coupling probe 7 is controlled by an oscillator 31, preferably a voltage-controlled oscillator (VCO), the tuning voltage being brought about by a ramp control from the control and evaluation electronics 33 . The transmission signal is fed into the line structure via a magnetic or electrical coupling probe (transmission branch). In a first step, the absolute distance between the absolute feed point and the piston is measured. Here, a transit time measurement of the frequency-modulated transmission signal is evaluated. The relationship shown in equation 1 results.

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.The evaluation of the signal received and reduced in frequency at the mixer 35 provides the absolute distance between the feed point and the position of the piston, or a predetermined part in a line structure, with an accuracy of at least half the wavelength of the transmission signal. This process is referred to as the search process. After the piston position has been clearly determined with sufficient accuracy, a switch is made to the so-called track mode. Here, a continuous line signal, for. B. at 5 GHz, coupled into the cylinder. Due to the coupling, a standing wave is formed, the displacement of which is caused by the movement of the piston and a phase evaluation of the signal with a reduced frequency is determined. This procedure enables the distance to the piston to be determined with accuracy in the submillimeter range. The generally broken down into a transmitting and receiving branch radio frequency electronics consist according to figure 4 consists of a voltage-controlled oscillator (VCO) and one or more quenzteilern Fre. The oscillator is tuned via the tuning voltage of a varactor diode in frequency z. B. tuned between 4 and 6 GHz. Part of the energy is resistively coupled from the transmission branch and divided down via frequency dividers, e.g. B. to 30 MHz, so that the transmission frequency is known at all times. The receiver consists of a mixer 35 which transforms the received signal by mixing it with a transmitted signal in a frequency range up to a few kHz signals. Since only a continuous wave signal is sent during the track phase, the mixer must be a DC-coupled mixer.

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:
In Fig. 5a, an arrangement of detector diodes 45 is provided instead of the mixer shown in FIG. 4. In order to determine both the direction detection and a clear change in the distance of the piston position by shifting the standing wave, at least four detector diodes must be used, which must be spaced according to equation 2:

Abstand der Dioden = n (Wellenlänge/2) + Wellenlänge/16 mit n = 1, 2, (2)Diode distance = n (wavelength / 2) + wavelength / 16 with 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.An explanation of the distance determination is given indicated that there are two phases of signal evaluation. After switching on the sensor or after a loading malfunction, for example due to a power failure, becomes an absolute distance in the so-called search mode mood to the cylinder piston or to the predetermined part the management structure.

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.Here, the oscillator (VCO) in its frequency, for. B. within a bandwidth of 1.5 GHz. The Ent The coupling probe to the cylinder piston can then be removed Calculation of an FFT (Fast Fourier Transform) with on final calculation of the DFT (Discrete Fourier transformation) of the video signal with an accuracy of Distance determination of half the wavelength or over a simple zero or minimum or maximum count voices.

Hierbei gilt:
The following applies:

Zylinderlänge = n × Lichtgeschwindigkeit/2 × FrequenzhubCylinder length = n × speed of light / 2 × frequency deviation

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.It is easy to see from this equation that an internal Cylinder length 0 (piston is in the stop at on feed point) require an infinitely large frequency swing would. Therefore, there is between the recipient and the entry point a 50 Ω delay line is required. The length of ver the delay line also limits the piston stop required frequency shift to a feasible size of e.g. B. 20% of the transmission frequency.

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.The frequency of the VCO is regulated in the simplest embodiment from FIG. 4 statically via a micro controller or discrete electronics. For this purpose, part of the transmission signal z. B. resistively coupled out of the transmission branch and optionally reduced by at least one frequency divider 37 in frequency so that the resulting frequency can be determined by means of a simple digi tal counter. The deviation between the setpoint and actual frequency of the oscillator is then corrected by changing the tuning voltage on the oscillator, for example by B. the corresponding voltage value is output via digital / analog conversion. This method of determining the frequency control is called "static frequency control".

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. 5b, a further possibility is shown, while the distance determination may also lead to a direction recognition. Instead of a mixer 35 according to FIG. 4 and an arrangement of detector diodes 45 according to FIG. 5a, an IQ detector is used here as the receiving branch. The IQ detector consists of 2 mixers 55 and 65 , the z. B. local oscillators have a phase shift of 90 °. So you get two received signals, in-phase (sine component) and quatrature (cosine component). Because of the relationship between the two, it is then possible to distinguish the forward movement from the backward movement of the piston (direction detection). The method is preferably used in track mode when a CW signal (at a frequency) is emitted. The 90 ° line length differences between the two local oscillators only apply at a fixed transmission frequency. This must then also be observed in track mode.

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.In Fig. 6 the dynamic frequency control is shown, de ren essential difference is that the VCO frequency divided down over the frequency divider 37 is not used directly as a result variable, but is used in a frequency and phase control and thus forms a closed control loop. By z. B. a microcontroller, a direct digital synthesizer (DDS) 71 is set to a frequency which is sent as a reference variable via a phase discriminator 73 , which discriminates the signal emanating from the digital synthesizer 71 and the divided frequency signal, into the closed control loop . After determining the absolute distance using one of the above-mentioned regulations, the sensor switches to track mode in order to improve the accuracy of the distance measurement and to enable the piston to be tracked highly dynamically during operation.

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.A CW signal is now sent in track mode. It then forms a standing wave in the cylinder, the change in the receiver by the previously described IQ detector or an arrangement of detector diodes 45 or the mixer 35 in the baseband, for example from 0 to 100 kHz, is reduced and then by the downstream one Electronics is evaluated.

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.If you choose the transmission frequency in track mode so low that half the wavelength just the maximum cylinder length then a simple CW measurement can be used clear distance determination carried out and on the Searchmode or searchmode are completely omitted.

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.This method can be particularly advantageous for long-stroke Cylinders are used. It’s only problematic if a large number of different cylinder sizes is considered and the transmission frequency for all cylinder types pen should be retained (universally applicable Senso ren), especially since the transmission frequency is a clear To be able to determine the distance accordingly the longest cylinder must be selected. For very small The distance determination is then very unneeded ne cylinder no.

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.Through the microcontroller used and the cylinder controller structure results in a large variety of possible electrical and mechanical versions as well as the imple mentation of additional functions.

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.So for the arrangement of the electrical connection any position of the fixed cylinder part le can be used. The internal feed then takes place via corresponding channels of the housing profile. this applies also for a user interface that is used for display and Partial adjustment of the switching points of the cylinder required does. This interface can best of LED, LCD displays hen and an adjustment of the switching points via Te provide ach-in buttons or potentiometers.

Ferner kann dieses Bedienfeld auch vom Zylinder abgesetzt sein, wodurch eine Verbesserung der Zugänglichkeit erreicht wird.This control panel can also be set off from the cylinder be, which improves accessibility becomes.

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.Additional functions, which this in the spacer sensor system used compared to the prior art additionally allowed are, for example, the error and Self-diagnosis, free configuration of the outputs, additional che direct control of other components such. B. too switchable chokes or controllers, as well as a bus connection node. Under free initial configuration is to be understood hen that, for example, each switching output as an error gnal, for external cable break detection, as a service partner display or as an analog output with freely definable Characteristic curve can be set up.

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.The electrical connection is preferably pluggable, whereby the power supply lines an additional, mo duplicated, bidirectional communication signal superimposed can be. This is a without additional effort Parameterization or setup with an external device possible. In addition to this connection technology is also a pure one Bus connection technology conceivable, which ideally already has the pneumatic connections are guided or integrated. Wireless signal transmission is also possible.

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.To the area of application, especially in high and low temperature expanding the range of the cylinder is one deposed, d. H. not integrated evaluation electronics possible Lich. The connection between the coupling probe and the evaluation electronics electronics takes place via stripline or high-frequency Coaxial lines. Since then there are none on or in the cylinder active electronic components are more High temperature applications in a simple way possible.

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.The method according to the application has yet another Advantage in level measurement, especially of Separating layers. Are several liquids with un different dielectric constants in the Lei tion structure, for example a dip tube Tanks, then the determination of the boundary layer between the liquids possible.

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.A common application for this can be found, for example in oil tanks. Condensation forms over time Bottom of the tank which is to be suctioned off without the Having to empty the tank. Here the oil floats with one Dielectric constant from about 2 to 10 on the water surface with a dielectric constant of approx. 88.

Claims

1. Distance measuring device with a sensor device and evaluation electronics, characterized in that the sensor device has at least one coupling probe for feeding a transmission signal into a line structure.

2. Distance measuring device according to claim 1, characterized records that the coupling probe is a magnetic or electrical coupling or a slot coupling in a waveguide or a coaxial line as Lei structure.

3. Distance measuring device according to claim 1 or 2, characterized characterized in that an elec tromagnetic wave in the high frequency range, preferred as between 10 MHz to 25 GHz, is fed.

4. Distance measuring device according to claim 3, characterized records that the coupled electromagnetic Wel le has a monomode spread, preferably in TEM mode with coaxial structures.

5. Distance measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is the Einkopp around a singular coupling and / or an axial symmetrical coupling with several coupling probes delt.

6. Distance measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a matching network is featured see is.

7. Distance measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the sensor device high-frequency electronics with a transmit and emp has catch branch.

8. Distance measuring device according to one of claims 1 to 7 characterized in that several coupling probes are featured are seen, with each half of the coupling probes for Transmitter or receiver are provided.

9. Spacer according to claim 8, characterized records that for the Sen intended for the transmitter antenna and for that intended for the receiver Receiver antenna different types of Koppelson which are used.

10. Distance measuring device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the transmission branch from one Oscillator, preferably a voltage controlled Os zillator (VCO) exists.

11. Distance measuring device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the receiving branch from a mixer and / or at least four radio frequency Consists of diodes, the diodes being arranged that the tap of the signal on the transmission line ever Weil at a distance of 1 / (4 times the number of diodes) -th the Wavelength of the transmission signal in CW mode.

12. Distance measuring device according to claim 10, characterized ge indicates that there is a closed control loop is seen.

13. Distance measuring device according to claim 12, characterized ge indicates that the control loop is a phase locked Is loop (PLL) and consists of at least one frequency divider, a phase discriminator and a low pass filter and the target frequency via a DDS (Direct Digi tal synthesizer) is specified (dynamic frequency regulation / provision).

14. Distance measuring device according to claim 12, characterized ge indicates that the control loop consists of at least one egg there is a frequency divider and a frequency counter ler, microcontroller and digital-to-analog converter is closed (static frequency control / determination).

15. Distance measuring device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the receiving branch from an in-phase quatrature detector.

16. A method for determining a distance, in particular using a distance measuring device according to one of claims 1 to 15, with the following steps

a) providing a transmission signal which is introduced into a line structure via a coupling probe;
b) Measuring the distance between the entry point defined by the coupling probe and a predetermined part of the line structure.

17. The method of claim 16, further comprising the step c) has, providing a frequency-modulated High-frequency continuous wave signal, which from the Kop pelsonde is fed into the line structure with which continuously determines the distance to be measured becomes.

18. The method of claim 16, further comprising the step c) has, providing a frequency-modulated High-frequency continuous wave signal, which from the Kop pelsonde is fed into the line structure with which continuously measures the distance to be measured absolutely is true.

19. The method according to any one of claims 16 to 18, which further comprising step d), presetting one Synchronization point in the line structure.

20. The method according to any one of claims 16 to 19, in which in step a) a single-mode transmission signal, preferably in TEM mode with coaxial structures.

21. The method according to any one of claims 16 to 20, characterized characterized in that a waveguide as the line structure or a coaxial line is used.

22. Use of the distance measuring device according to one of the Claims 1 to 15, in particular using the Method according to one of claims 16 to 21, in one Cylinder piston.

23. Use according to claim 22, in which a pneumatic Linear drive in the form of a piston is used.

24. Use according to claim 22, in which a hydraulic Linear drive in the form of a piston is used.

25. Use according to claim 22, wherein a dip tube in a tank is used.