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Distanzmessanordnung
Die Erfindung betrifft eine Distanzmessanordnung, bei der in den beiden Endpunkten der zu messenden Strecke je eine ungedämpfte elektromagnetische Welle, fortan Messwelle genannt, ausgesendet und am andern Endpunkt empfangen wird. Diese beiden Messwellen besitzen eine unterschiedliche Frequenz und können auch auf eine Trägerwelle moduliert sein. In beiden Empfängern wird die empfangene Messwelle mit der gesendeten Messwelle gemischt und damit je eine Differenzschwingung erzeugt. Die beiden Differenzschwingungen weisen gegeneinander einen distanzabhängigen Phasenunterschied auf. Die im einen Endpunkt anfallende Differenzschwingung wird als Modulation zum andern Endpunkt übertragen und
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Differenzschwingung gemessen und daraus in bekannter Weise die Distanz zwischen den beiden Endpunkten der Strecke errechnet.
Der Phasenunterschied soll mit möglichst grosser Genauigkeit (z. B. auf 2. 10-5 - 2. 10-'genau) gemessen werden, ist sie doch massgebend für die Genauigkeit der Distanzmessung. Aus bekannten Gründen wählt man die Frequenz der Differenzschwingungen sehr viel niedriger als die Frequenzen der Messwellen (z. B. im Verhältnis 1 : 104 - 1 : 1 (/). Auch sehr kleine Frequenzabweichungen in den Messwellen, die trotz der heutigen Technik quarzstabilisierter Schwingungen nicht vermeidbar sind, verursachen relativ grosse Frequenzänderungen der Differenzschwingungen. Der Phasenmesser, in dem die Phasendifferenz der beiden Differenzschwingungen gemessen wird, muss eine grosse Frequenzbandbreite besitzen, da sonst infolge des nichtlinearen Phasenganges Messfehler auftreten können.
Phasenmesser mit der hier geforderten Genauigkeit und Bandbreite sind aber kaum oder nur mit sehr grossem Aufwand realisierbar. Man wird daher danach trachten, die Frequenzschwankungen der Differenzschwingungen einzuschränken.
Bei einem bekannten Gerät zur Distanzmessung wird die durch Mischung der gesendeten mit der empfangenen Messwelle gewonnene sinusförmige Differenzschwingung in einem Phasenschieber um'Ir/2 in der Phase verschoben. Die verschobene Schwingung und ihre Grundschwingung werden nach Verstärkung je auf ein Plattenpaar einer Kathodenstrahlröhre geführt, auf deren Schirm ein Kreis als Bild erscheint. Mit der andern, durch Demodulation erhaltenen Differenzschwingung wird das Bild moduliert. Eine Änderung der Frequenz der Differenzschwingungen bewirkt auf Grund der Schmalbandigkeit des'Ir/2-Phasenschiebers eine Verformung des Bildes, d. h. es weicht vom Kreis ab.
Wird eine solche Abweichung von der Kreisform festgestellt, so kann sie durch Nachstellen der einen Sendefrequenz korrigiert werden. Das Nachstellen erfolgt durch den Bedienungsmann, der damit die Frequenz der Differenzschwingungen innerhalb zulässiger Grenzen hält.
Dieses Vorgehen weist Nachteile auf, da ein technisch ausgebildeter Bedienungsmann erforderlich ist, der die Korrektur auszuführen hat. Die Genauigkeit des Phasenmessers ist daher von der Zuverlässigkeit und Fähigkeit des Bedienungsmannes abhängig. Ein weiterer Nachteil ist auch, dass die Nachstellung der Sendefrequenz nur langsam erfolgen kann, da die Abweichung zuerst festgestellt werden muss. Insbesondere ist diese Art der Korrektur der Sendefrequenz für Phasenmessgeräte mit selbsttätiger digitaler Anzeige der Phasendifferenz zumindest sehr ungeeignet.
Die Erfindung bezweckt die Verbesserung der Genauigkeit bei Distanzmessgeräten, indem die Frequenz der Differenzschwingungen durch selbsttätiges Regulieren der Frequenz der ungedämpften elektromagnetischen Welle des einen Senders konstant gehalten wird.
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Dabei wird in einem Frequenzdiskriminator die Frequenz der Differenzschwingungen mit der kon- stanten Frequenz einer Vergleichsschwingung verglichen, in Abhängigkeit von der Differenz dieser beiden
Frequenzen eine Regelgrösse abgeleitet und mit dieser die Frequenz der ungedämpften elektromagnetischen
Messwelle im Sender am entfernt liegenden Endpunkt so beeinflusst, dass die Frequenz der Differenzschwin- gungen den vorgegebenen Wert annimmt.
An Hand der Zeichnung wird im folgenden der Aufbau und die Wirkungsweise eines Ausführungsbei- spieles beschrieben. Dabei zeigt Fig. 1 ein Blockschema einer Einrichtung zur Distanzmessung, Fig. 2 ein
Blockschema der Phasenmesseinrichtung, Fig. 3 ein Blockschema eines zweiten Ausführungsbeispieles für den Einbau in die Einrichtung gemäss Fig. l, Fig. 4 das Blockschema eines Frequenzdiskriminators und
Fig. 5 das Schaltschema des Oszillators mit der Frequenzreguliereinrichtung.
In Fig. 1 ist die Station A die Haupt- oder eigentliche Messstation und die Station B die entfernt lie- gende Nebenstation. 1 und 2 bedeuten die Sende-Empfangseinrichtung, 3 und 4 die Oszillatoren für die ungedämpften elektromagnetischen Wellen, die Messwellen, mit deren Differenzschwingungen die Distanz gemessen wird. 7 und 8 sind die Oszillatoren für die Trägerschwingungen, deren Frequenzen um den Be- trag der Zwischenfrequenz voneinander abweichen. 5 und 6 sind Modulatoren zur Modulation der Träger- schwingungen und 9 und 10 sind Mischstufen. Die Zwischenfrequenzverstärker 11 und 12 sind mit schmal- bandigen Filterkreisen ausgerüstet. 13,14 und 15 sind Demodulatoren. Die Stufen 16 und 17 dienen der
Impulsformung.
Das Phasenmessgerät 18 zeigt mit Hilfe des Zähloszillators 19 die Phasenlage in digitaler
Form an. 20 ist ein Frequenzdiskriminator, der vom Referenzoszillator 21 seine Vergleichsfrequenz erhält.
Die Oszillatoren 7 und 8 erzeugen die Trägerwellen, die in den Modulatoren 5 und 6 mit den Mess- wellen, herrührend von den Oszillatoren 3 und 4, moduliert werden, wobei die Frequenzgenauigkeit des Oszillators 3 in der Hauptstation direkt in die Genauigkeit der Distanzmessung eingeht. Die modulier- ten Trägerwellen werden durch die Sende-Empfangseinrichtungen 1 und 2 zum grössten Teil über eine Richtantenne zur Gegenstation abgestrahlt, während ein kleiner Anteil als Lokaloszillatorsignal auf die Mischstufen 9 und 10 gelangt.
Die Sende-Empfangseinrichtungen empfangen das modulierte Trägersignal der Gegenstation und. leiten es ebenfalls an die Mischstufen 9 und 10 weiter. In den schmalbandigen Zwischenfrequenzverstärkern 11 und 12 werden nur die Differenzschwingungen der Trägerwellen als Zwischenfrequenzträger und die ihm am nächsten liegenden Seitenbänder verstärkt. Wird Frequenzmodulation empfangen, so bewirkt diese Beschneidung der Seitenbänder eine Amplitudenmodulation. In den Demodulatoren 14 und 15 wird diese Amplitudenmodulation demoduliert, und es werden so aus der Differenz der Messwellen die Differenzschwingungen gewonnen. In der Station A erzeugt der Impulsformer 17 aus dieser sinusförmigen Differenzschwingung Impulse, die im Phasenmesser 18 den Start des Zählvorganges bestimmen.
Die Schwingung des Zähloszillators 19 wird im Phasenmesser 18 in eine Reihe von Impulsen, die Zählimpulse, verwandelt.
Die im Demodulator 15 der Station B gewonnene sinusförmige Differenzschwingung wird einerseits dem Modulator 6 und anderseits dem Frequenzdiskriminator 20 zugeführt. Zwischen Demodulator 15 und Modulator 6 kann eine Impulsformerstufe eingeschoben werden, so dass die Phasenlage der Differenzschwingung durch Impulse gekennzeichnet ist und als zweite Modulation der Trägerwelle aufgedrückt werden kann, während die Differenzschwingung ohne Impulsstufe als sinusförmige Frequenzmodulation erscheint. Diese zweite Modulation durchläuft auf der Empfangsseite (Station A) den Zwischenfrequenzverstärker unbeeinflusst und wird an seinem Ausgang durch einen Demodulator 13 zurückgewonnen. Bei sinusförmiger zweiter Modulation wird ein Impulsformer 16 benötigt. Die Impulse des Impulsformers 16 dienen im Phasenmessgerät 18 als Stoppimpulse für den Zählvorgang.
Im Frequenzdiskriminator 20 wird die demodulierte Differenzschwingung vom Demodulator 15 mit der frequenzkonstanten Schwingung aus dem Referenzoszillator 21 verglichen. Die daraus resultierende Fehlerspannung wird über den Eingang C einem spannungsabhängigen Ziehkreis des Oszillators 4 zugeführt, wodurch seine Frequenz so geregelt wird, dass sie eine konstante vorgeschriebene Differenz gegen- über derjenigen des Oszillators 3 aufweist.
Das Phasenmessgerät 18 nach Fig. 1 ist in vereinfachter Form in Fig. 2 dargestellt. Es setzt sich aus den beiden Eingängen 16 und 17, welche aus den entsprechenden Stufen in Fig. 1 gespeist werden, dem Messeinleitungsschalter 23, dem elektronischen Wiederholungszähler 24, den logischen Schaltungen 25, 26'und 27, dem Impulsformer 28, dem elektronischen Zähler 29 und dem Zähloszillator 19 zusammen, wobei letzterer dem gleichbezeichneten Block in Fig. 1 entspricht.
Das Phasenmessgerät 18 misst die Phase zwischen den Impulsfolgen an den Eingängen 17 und 16.
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Durch Schliessen des Schalters 23 wird der Messvorgang eingeleitet und der Wiederholungszähler 24 in Be- trieb gesetzt, der seinerseits die Anzahl der zu messenden Perioden festlegt und in bekannter Weise aus Binärzählstufen aufgebaut sein kann. Der Wiederholungszähler24 gibt ein Potential auf das Und-Tor 25, das für die Startimpulse des Einganges 17 leitend wird. Diese Startimpulse werden im Wiederholungszäh- i ler 24 gezählt. Das Und-Nicht-Tor 26 gibt bis zum Eintreffen des nächsten Stoppimpulses vom Eingang 16 ein Potential auf das Phasenmesstor 29, das damit für die Zählimpulse, die im Impulsformer 28 aus der frequenzgenauen Schwingung des Zähloszillators 19 hergestellt werden, leitend wird. Die Zählimpulse werden im elektronischen Zähler 29 gezählt.
Der Vorgang wird für die durch den Wiederholungszähler 24 festgelegte Anzahl Perioden wiederholt. Die Zahl der im elektronischen Zähler 29 gezählten Zählim- ) pulse ist ein Mass für den zu messenden Phasenunterschied zwischen den Differenzschwingungen.
Die Ausführung gemäss Fig. 3 bezweckt eine Kombination und Ergänzung der Stationen A und B, so dass die daraus resultierende Station sowohl als Haupt- als auch als Nebenstation verwendet werden kann.
Die Anschlüsse A, B, C und D sind an den gleichbezeichneten Trennstellen der Fig. 1 anzuschliessen. Die
Stellungen der Schalter 32,33, 34 und 35 sind in der Lage für eine Hauptstation gezeichnet ; die Funk- i tionsweise entspricht demnach derjenigen der Station A in Fig. l. Vom Zwischenfrequenzverstärker 11 werden die Differenzschwingungen einerseits im Demodulator 13 und anderseits im Demodualtor 14 de- moduliert. Die Impulsformerstufen 16 und 17 führen die Impulsfolgen zum Phasenmessgerät 18, das die
Zählimpulse vom Zähloszillator 19 erhält. Der Schalter 35 legt über den Eingang D eine feste Vorspan- nung U2 an den spannungsabhängigen Ziehkreis von Oszillator 4, Fig. 1, wodurch dieser die für die Hauptstation festgelegte Frequenz annimmt. Der Eingang C zu demselben Ziehkreis ist dabei durch den Schal- ter 34 an Masse gelegt.
Der Schalter 33 trennt den Diskriminator 20 vom Modulator 6, Fig. l.
Bei umgelegten Schaltern 32,33, 34 und 35 wird das Phasenmessgerät 18 von der Impulsformerstufe
17 getrennt und erhält daher keine Startimpulse mehr. Die Umlegung des Schalters 35 legt die Vorspan- nung U1 an den spannungsabhängigen Ziehkreis im Oszillator 4, Fig. l, wodurch dessen Frequenz unge- fähr um die Frequenz der Differenzschwingungen verschoben wird. Der Ausgang der Impulsformerstufe 17 wird einerseits über die Trennstelle B auf den Modulator 6, Fig. 1 und anderseits auf den Frequenzdiskri- minator 20 geführt.
In einem Frequenzteiler 31 wird die Frequenz der Schwingung des Zähloszillators 19 auf die Frequenz der Vergleichsschwingung des Referenzoszillators 21, Fig. 1 gebracht und auf den Fre- quenzdiskriminator 20 gegeben. dessen Regelspannung über die Trennstelle C die Frequenz des Oszilla- tors 4, Fig. 1 so regelt, dass sie genau um den Betrag der Frequenz der Vergleichsschwingung aus dem
Frequenzteiler 31 von der Frequenz des Oszillators der Hauptstation abweicht.
Die Vorteile dieser Anordnung sind ohne weiteres ersichtlich. Für die Serienfabrikation von Distanz- messgeräten bedeutet es eine wesentliche Vereinfachung, wenn alle Geräte identisch aufgebaut sind. Je- des Gerät kann sowohl als Haupt- als auch als Nebenstation verwendet werden, wodurch auf einfachste
Weise Messungen in beiden Richtungen ermöglicht und auch Dreipunktvermessungen durchführbar werden.
Die Organisation zur Durchführung von Distanzmessungen vereinfacht sich damit ganz wesentlich. Da die
Phasenmessung einer der wichtigsten Bestandteile der Einrichtung ist, kann ein grösserer Aufwand, insbe- sondere in bezug auf die Frequenzkonstanz des Zähloszillators in Kauf genommen werden. Da die Mess- genauigkeit aber ebenfalls von der Konstanthaltung der Frequenz der Differenzschwingung abhängt, muss auch hier ein absolut zuverlässiger Oszillator für die Vergleichsschwingung vorgesehen werden. Durch die
Erfindung ist es möglich, den Oszillator für die Zählimpulse auch als Referenzoszillator für die Differenz- schwingung zu verwenden.
Das Blockschema des Frequenzdiskriminators in Fig. 4 besteht aus einem phasengesteuerten Demodu- lator 40, einem Phasenschieber 41, einer Mischstufe 42, einem Differenzierglied 43 und einer zweiten
Mischstufe 44.
Die Schwingung A sin wxt sei die zu regelnde und die Schwingung B sin wot die Bezugsschwingung.
Beide Schwingungen gelangen auf die Mischstufe 42, die eine beliebige bekannte Schaltung aufweisen kann und z. B. ein Ringmodulator ist. Ein Tiefpass in der Mischstufe 42 sorgt dafür, dass nur die Differenz- schwingung C sin (wx - wo) t am Ausgang erscheint. Diese wird einem ebenfalls nach bekannter Art ge- schalteten Differenzierglied 43 zugeführt. Durch die Differenzierung entsteht eine SchwingungD (wx-w ) cos (wx-wo) t, deren Amplitude frequenzabhängig ist und welche auf den phasengesteuerten Demodulator 40 gegeben wird. Die Bezugsschwingung B sin w t wird ausserdem im Phasenschieber 41 um ir/2 in der Pha- se geschoben und in der zweiten Mischstufe 44, welche gleich wie die Mischstufe 42 aufgebaut sein kann, mit der zu regelnden Schwingung A sin wxt gemischt.
Der Tiefpass in der Mischstufe lässt nur die
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nach beim Durchgang durch Wx = wo einen Phasensprung von T. Diese Schwingung wird als Schalt- spannung für den phasengesteuerten Demodulator 40 benützt, in welchem dadurch die Schwingung
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Der regelbare Quarzoszillator 4 der Fig. 1 ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Die Anschlüsse C, D und E sind an den gleichbezeichneten Trennstellen in Fig. 1 anzuschliessen. Der Verstärkertransistor H 51 arbeitet in Basis-Grundschaltung auf den Transformator T 51 als Last. Seine Sekundärwicklung koppelt einen Teil der Ausgangsspannung über die Ziehkapazität C 51, über den frequenzbestimmenden Schwing- quarz Q 51 in Serieresonanzschaltung, über die Regelkapazität, bestehend aus der Parallelschaltung der
Diode G 51 und dem Kondensator C 52, und schliesslich über den Trennkondensator C 53 auf den Emit- ter des Transistors H 51 zurück, dem die Vorspannung aus der positiven Spannungsquelle +B über einen
Widerstand R 51 zugeführt ist. Der Kondensator C 59 entkoppelt die Speisespannung, dadurch ist die
Schwingbedingung erfüllt.
Die Dioden G 52 und G 53 begrenzen die Amplitude des Ausgangssignals, das über den Kondensator
C 58 auf den Ausgang geführt wird. Vorteilhaft wird am Ausgang eine Trennstufe angeschlossen, um Rückwirkungen der Last auf die Oszillatorschaltung zu vermeiden. Die Oszillatorspeisung erfolgt zwischen den Punkten +B und-B.
DieFrequenzregelung erfolgt mit Hilfe der Regelkapazität G 51, C 52. G 51 ist eine Siliziumdiode, welche im Sperrgebiet betrieben wird und deren Kapazität von der angelegten Gleichspannung abhängig ist.
Diese steuerbare Kapazität wirkt als veränderbare Ziehreaktanz im Quarzkreis und hat eine Veränderung der Serienresonanzfrequenz der Schaltung und damit der Oszillatorfrequenz zur Folge. Die veränderliche Sperrspannung für die Diode G 51 wird zwischen den Punkten C und D angelegt, wobei der Widerstand R 52 für eine Strombegrenzung sorgt und die Induktivität L 51 mit der Kapazität C 55 sowie die Induktivität L 52 mit der Kapazität C 56 je einen Tiefpass darstellen. Als Regelspannung steht die Spannung des Frequenzdiskriminators 20, Fig. l, zur Verfügung. Da dessen Spannung sowohl negative als auch positive Werte annehmen kann, muss durch eine entsprechende feste negative Spannung in Serie zur Regelspannung dafür gesorgt werden, dass die Diode G 51 im richtigen Spannungsbereich arbeitet.
Es ist naheliegend, die Regelspannung auf den Eingang C zu geben und an den Eingang D eine negative Spannung geeigneter Grösse zu legen, welche auch für-die Verschiebung um die Frequenz der Differenzschwingung beim Umschalten von Haupt- auf Nebenstation oder umgekehrt verwendet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Distanzmessanordnung, bei der in jedem Endpunkt der zu messenden Strecke elektromagnetische ungedämpfte Wellen ausgesendet und am andern Endpunkt empfangen werden, in beiden Empfängern die empfangene Welle mit der gesendeten Welle gemischt wird, die im entfernt liegenden Endpunkt aus dieser Mischung hergeleitete Differenzschwingung als Modulation an den andern Endpunkt übertragen wird, wo die beiden Differenzschwingungen in der Phasenlage verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Differenzschwingung durch selbstätiges Regulieren der Frequenz der elektromagnetischen ungedämpften Welle des einen Senders konstant gehalten wird.