Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von physikalischen Grössen mit einem Fernmessgerät entsprechend dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Weiterentwicklung des Verfahrens gemäss der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 89/11 701. Dort wird eine Abfrage- und Fernwirkeinrichtung beschrieben, bestehend aus zwei kontaktlos arbeitenden Geräten, von denen das erste Gerät auf das zweite aus der Ferne wirkt und dieses auch abfragen kann. Die Übertragung der Energie und der Information geschieht über zwei in Wechselwirkung stehende Antennenanordnungen. Die Information wird mit Hilfe einer Unterträgerfrequenz übertragen, während für die Energieübertragung ein Hochfrequenzsignal verwendet wird. Dieses Gerät arbeitet im sogenannten elektromagnetischen Nahfeld mit relativ kleinen Antennen und eignet sich daher gut für eine Implementation in verschlossenen Materialien, wie in organischen Geweben, Beton usw.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein solches Verfahren derart zu verbessern, dass es gestattet, physikalische Grössen über längere Zeiträume innerhalb von Materialien einfach und ohne grossen Aufwand zu messen, wobei diese physikalischen Grössen von aussen unzugänglich sein können, wie z.B. Temperatur, Kraft und Feuchtigkeit in einer Mauer. Es wird daher ein Verfahren angegeben, um diese physikalischen Messgrössen, die als Signale hoher Frequenz vorliegen, kontaktlos zu übertragen und in sehr kurzer Zeit auf direktem Wege auszuwerten.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eignen sich vor allem Sensoren auf Quarzschwingerbasis. Solche Sensoren schwingen im 100-bis 1000-kHz-Bereich, wobei durch die zu erfassende physikalische Grösse die Schwingung nur geringfügig, z.B. 40 ppm/1 Grad Celsius geändert wird. Dadurch, dass im Gegensatz zu den konventionellen aktiven Fernmesssystemen ein Signal mit der Originalschwingfrequenz zurückgestrahlt wird, dauert eine ganze Messung nur wenige Millisekunden bei geringem apparativem Aufwand.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielsweise näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Fernmessgerätes,
Fig. 2 bis 5 verschiedene Signalverläufe und
Fig. 6 bis 9 einige Anwendungsbeispiele.
Das Fernmessgerät nach Fig. 1 umfasst zwei Teilgeräte A und B, die voneinander galvanisch getrennt sind, räumlich mehr oder weniger auseinander liegen und über je eine Antennenanordnung 11 bzw. 21 in Wechselwirkung stehen.
Das aktive Teilgerät A weist neben seiner Antennenanordnung 11 eine externe Speiseeinheit 12, einen HF-Generator 13, eine HF-Zuleitung 14, einen HF-Demodulator 15 und eine Auswerteelektronik 16 auf.
Das passive Teilgerät B arbeitet ohne eigene Speiseeinheit und weist neben seiner Antennenanordnung 21 einen HF-DC-Konverter 22, eine Lastimpedanz 23 und einen gesteuerten Signalgenerator 24 auf.
Das Fernmessegerät arbeitet folgendermassen:
Der HF-Generator 13, welcher von der Speiseeinheit 12 mit elektrischer Energie versorgt wird, erzeugt laufend eine sinusförmige hochfrequente Schwingung mit annähernd konstanter Frequenz von beispielsweise 27 MHz. Aufgrund dieser hochfrequenten Schwingung entsteht auf der HF-Zuleitung 14 eine Welle, die als vorlaufende Welle vom HF-Generator 13 zur Antenne 11 läuft.
Die vorlaufende Welle wird in der Antenne 111 weitgehend abgestrahlt, weil die Resonanzfrequenz der Antennenanordnung 11 mit Hilfe des Anpassnetzwerkes 112 bei der HF-Senderfrequenz liegt. Die Antenne 21 des passiven Teilgerätes B ist dank des Anpassnetzwerkes 212 ebenfalls eigenresonant für die HF-Senderfrequenz und empfängt unter Voraussetzung von induktiver Kopplung der beiden Antennen 111 und 211 einen beträchtlichen Teil der abgestrahlten HF-Leistung.
Im HF-DC-Konverter 22 wird hieraus ein Gleichstrom I erzeugt, der dem Signalgenerator 24 die Energie zur Verfügung stellt. Die Frequenz des Signalgenerators 24 wird durch die physikalische Grösse, z.B. Temperatur, Kraft oder Feuchtigkeit gesteuert. Vorzugsweise besteht ein linearer Zusammenhang zwischen physikalischer Grösse und Signalfrequenz. Der gesteuerte Signalgenerator 24 schaltet nun seinerseits die Lastimpedanz 23. Diese Schaltvorgänge, welche die eigentliche Information enthalten, wirken sich rückwärts durch den HF-DC-Konverter 22 auf die Antenne 211 und von dieser auf die Antenne 111 aus, so dass auch im aktiven Teilgerät A eine rücklaufende Welle von der Antenne 11 zum HF-Generator 13 läuft. Die rücklaufende Welle wird aus der HF-Zuleitung 14 ausgekoppelt und dem HF-Demodulator 15 zugeführt.
Im gleichen Rhythmus wie die Originalmessfrequenz des Signalgenerators 24 ändert die Anpassung der Sendeantenne 111 und damit auch die rücklaufende Welle, die durch den HF-Demodulator 15 ausgewertet wird. Ferner entsteht eine amplitudenmodulierte Streustrahlung, die mit einem AM-Empfänger erfasst werden könnte. In beiden Fällen steht nun die Signalfrequenz an einem vom Messort entfernten Ort zur Verfügung, aus der die physikalische Grösse wieder zurückbestimmt werden kann.
Die Antennenanordnung 11 bzw. 21 besteht aus einer eigentlichen Antenne 111 bzw. 211, die schleifenförmig ausgebildet ist, und einem Anpassnetzwerk 112 bzw. 212, welches mindestens eine zur Induktivität der Antenne 111 bzw. 211 parallelgeschaltete Kapazität umfasst. Das Anpassnetzwerk 112 bzw. 212 hat die Aufgabe, die Resonanzfrequenz der Antennenanordnung 11 bzw. 21 an die HF-Senderfrequenz abzustimmen. Um externe Störeinflüsse unter Einfluss von Relativbewegungen zwischen den beiden Antennen zu minimieren, ist die Antenne 211 kleiner als die Antenne 111.
Die HF-Zuleitung 14 stellt das Übertragungsmedium sowohl für die vorwärts als auch für die rückwärts laufende HF-Welle dar und ist vorzugsweise als Koaxialkabel ausgebildet.
Der HF-Generator 13 liefert die für den Betrieb des passiven Teilgerätes B notwendige Energie, indem er die Spannung der Speiseeinheit 12 in den hochfrequenten Bereich um- oder wechselrichtet.
Die Amplitude und/oder die Phase der rücklaufenden Welle in der HF-Zuleitung 14 ist mit der Signalfrequenz schwach moduliert.
Der HF-Demodulator 15 besteht aus einem Richtkoppler 151, einem Bandpass 152 und einer Diskriminatoreinrichtung 153. Der Richtkoppler 151 erfasst nur die rücklaufende modulierte Welle und liefert eine modulierte Gleichspannung. Der Bandpass 152 filtert aus dem Spektrum des Eingangsignales die Messfrequenz des gesteuerten Signalgenerators 24 heraus. Der Bandpass 152 erfüllt sehr strenge Forderungen bezüglich Phasenjitter, der dadurch entsteht, dass sich der Pegel des Eingangssignals ändern kann, das heisst der Bandpass 152 sollte amplitudenunabhängig sein. Weil das Sendersignal des Teilgerätes B zu einem nicht genau vorhersehbaren Zeitpunkt einsetzt, in dem sich der Bandpass 152 in Ruhe befindet, muss letzterer sich zuerst auf die Signalfrequenz des Signalgenerators 24 einschwingen. Während dieser Zeit ist keine gültige Aussage über die Messfrequenz zulässig.
Nach dieser Einschwingzeit wird noch eine Sicherheitszeit abgewartet, um die Streuung der Einschwingzeit in Abhängigkeit der einfallenden Amplitude auszuschalten. Danach steht das sinusförmige Signal konstanter Frequenz zur Auswertung bereit. Das Signal wird der Diskriminatoreinrichtung 153 zugeführt, die vorzugsweise immer beim exakt gleichen Phasenwinkel umschaltet, um somit vorzugsweise ein rechteckförmiges Signal zu liefern.
In Fig. 1, Teilgerät B, ist der Punkt 213 ein Bezugspotentialanschluss, so dass sich am Punkt 214 die eigentliche Speisespannung für den Signalgenerator 24 ergibt. Die Lastimpedanz 23 ist zwischen dem Ausgang 215 des Signalgenerators 24 und dem Punkt 213 eingefügt. Der Strom I setzt sich daher aus dem Strom I1 für den Eigenverbrauch des Signalgenerators 24 bzw. seiner externen Sensoren und dem Strom I2 zusammen, der die Modulation bewirkt.
Hier zeigt sich der Vorteil, der sich ergibt, wenn man gemäss der Erfindung mit der hohen Originalmessfrequenz arbeitet. Denn bei heruntergeteilten Signalmessfrequenzen würde sonst die Einschwingzeit des Bandpasses länger sein und es müssten höhere Anforderungen zur Einhaltung eines konstanten Phasenwinkels gestellt werden. Das Signal wird nun der Auswerteelektronik 16 zur digitalen Signalverarbeitung zugeführt, indem beispielsweise die Pulsdauer durch einen sehr schnellen Zähler ausgezählt und eventuell mit einer vorgegebenen Kennlinie nach Fig. 5 ausgewertet wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mit einem sehr kurzen Messfenster die Originalmessfrequenz und damit die physikalische Grösse mit sehr grosser Genauigkeit zu bestimmen.
Für eine genaue Auswertung der Messsignalfrequenz ist es von Vorteil, dass die Diskriminatoreinrichtung 153, die das Messfenster erzeugt, möglichst genau bei den Nulldurchgängen der Phase umschaltet.
Der HF-DC-Konverter 22 richtet das von der Antennenanordnung 21 empfangene HF-Signal in eine Gleichspannung um. Eine wechselnde Belastung auf der Eingangsseite führt zu einer wechselnden Impedanzveränderung der Antennenanordnung 21. Die Lastimpedanz 23 kann beispielsweise ein ohmscher Widerstand oder eine elektronische Schaltung sein, die sich vorzugsweise wie ein Widerstand oder eine Kapazität verhält. Sie erzeugt am Richtkopplerausgang ein Sinus- oder Rechtecksignal gemäss Fig. 3. Ist die Lastimpedanz 23 eine Kapazität am Ausgang eines Rechtecksignalgenerators, so entstehen die in Fig. 4 gezeigten Signalspikes. Der Vorteil solcher Lastimpedanzen liegt beim geringen Leistungsbedarf zum Betrieb des Teilgerätes B.
Der gesteuerte Signalgenerator 24 weist einen Schwingkreis konstanter Frequenz (sinus-/rechteckförmig, Fig. 2 bzw. 3) bei konstanten physikalischen Bedingungen auf. Somit hat der Schwingkreis für eine bestimmte gleichbleibende physikalische Grösse eine konstante Frequenz. Ändert sich nun besagte Grösse nach bekannter Gesetzmässigkeit, z.B. linear mit bekannten Koeffizienten oder nach vorheriger ausgemessener Kurve, so ändert sich proportional auch die Frequenz. Der Signalgenerator wird durch eine physikalische Grösse, wie Kraft, Temperatur, Feuchtigkeit usw. frequenzgesteuert. An den Signalgenerator werden sehr hohe Ansprüche gestellt, beispielsweise Langzeitstabilität der einmal aufgenommenen Kurve (Fig. 5), weil dann der Signalgenerator für immer verschlossen wird und somit nicht mehr zugänglich ist.
Ausserdem muss die Frequenz-Messwert-Kennlinie entweder einen monoton steigenden oder einen streng fallenden Verlauf haben, um durch eine vorgegebene Frequenz einen und nur einen Wert der physikalischen Grösse bestimmen zu können. Daher können auch Signalgeneratoren mit nichtlinearen Kennlinien verwendet werden. Die Kennlinie wird in der Auswerteelektronik 16 zur Berechnung des Wertes der physikalischen Grösse herangezogen.
Es gibt nun zwei Möglichkeiten, verschiedene physikalische Grössen am gleichen Ort zu messen. Man benützt dafür entweder einen Signalgenerator mit einer Frequenzcharakteristik in mehreren physikalischen Grössen unter der Voraussetzung der eineindeutigen Zuweisung (Fig. 6) mittels einer zeitlich verschachtelten Umschaltung der physikalischen Grössen (Zeitmultiplex) oder verschiedene parallel arbeitende (Frequenzmultiplex) Signalgeneratoren mit jeweils verschiedenen Frequenz-Messwert-Kennlinien (Fig. 7).
Um die gleiche physikalische Grösse an verschiedenen Orten zu messen, können mehrere Teilgeräte B, C, D (Fig. 8 bzw. 9) verwendet und mit einem mobilen Teilgerät A abgetastet werden, indem es räumlich in die Nähe der Teilgeräte B, C oder D gebracht wird. In Fig. 8 geschieht die Wechselwirkung mit dem Teilgerät B und in Fig. 9 mit dem Teilgerät C.
The present invention relates to a method for measuring physical quantities with a telemetry device according to the preamble of independent claim 1.
The invention relates to a further development of the method according to the international patent application with the publication number WO 89/11 701. There, an interrogation and remote control device is described, consisting of two contactless devices, of which the first device acts on the second from a distance and can also query this. The energy and information are transmitted via two interacting antenna arrangements. The information is transmitted using a subcarrier frequency, while a high frequency signal is used for the energy transmission. This device works in the so-called electromagnetic near field with relatively small antennas and is therefore well suited for implementation in closed materials, such as in organic tissues, concrete, etc.
The object of the present invention is to improve such a method in such a way that it allows physical quantities to be measured over long periods of time within materials simply and without great effort, these physical quantities being inaccessible from the outside, such as e.g. Temperature, power and humidity in one wall. A method is therefore specified in order to transmit these physical measured variables, which are present as high-frequency signals, without contact and to evaluate them directly in a very short time.
Sensors based on quartz oscillators are particularly suitable for carrying out the method according to the invention. Such sensors vibrate in the 100 to 1000 kHz range, whereby the vibration is only slightly, e.g. 40 ppm / 1 degree Celsius is changed. Because, in contrast to conventional active telemetry systems, a signal is radiated back at the original oscillation frequency, an entire measurement only takes a few milliseconds with little outlay on equipment.
The invention is described in more detail below, for example, with the aid of a drawing. Show:
1 shows the block diagram of a remote measuring device according to the invention,
Fig. 2 to 5 different waveforms and
6 to 9 some application examples.
1 comprises two sub-devices A and B, which are galvanically separated from one another, are spatially more or less apart and interact via an antenna arrangement 11 and 21, respectively.
In addition to its antenna arrangement 11, the active subunit A has an external supply unit 12, an HF generator 13, an HF feed line 14, an HF demodulator 15 and evaluation electronics 16.
The passive sub-device B works without its own supply unit and, in addition to its antenna arrangement 21, has an HF-DC converter 22, a load impedance 23 and a controlled signal generator 24.
The remote measuring device works as follows:
The HF generator 13, which is supplied with electrical energy by the supply unit 12, continuously generates a sinusoidal high-frequency oscillation with an approximately constant frequency of, for example, 27 MHz. Because of this high-frequency oscillation, a wave is formed on the RF feed line 14, which runs as a leading wave from the RF generator 13 to the antenna 11.
The leading wave is largely radiated in the antenna 111 because the resonance frequency of the antenna arrangement 11 is at the RF transmitter frequency with the aid of the matching network 112. Thanks to the matching network 212, the antenna 21 of the passive sub-device B is also inherently resonant for the RF transmitter frequency and, provided the two antennas 111 and 211 are inductively coupled, receives a considerable part of the radiated RF power.
A direct current I is generated therefrom in the HF-DC converter 22, which provides the signal generator 24 with the energy. The frequency of the signal generator 24 is determined by the physical size, e.g. Temperature, force or humidity controlled. There is preferably a linear relationship between physical quantity and signal frequency. The controlled signal generator 24 in turn now switches the load impedance 23. These switching operations, which contain the actual information, act backwards through the HF-DC converter 22 on the antenna 211 and from there on the antenna 111, so that also in the active subunit A a returning wave runs from the antenna 11 to the RF generator 13. The returning wave is coupled out of the RF feed line 14 and fed to the RF demodulator 15.
In the same rhythm as the original measuring frequency of the signal generator 24, the adaptation of the transmitting antenna 111 changes and thus also the returning wave, which is evaluated by the RF demodulator 15. Furthermore, an amplitude-modulated scattered radiation arises, which could be detected with an AM receiver. In both cases, the signal frequency is now available at a location distant from the measurement location, from which the physical size can be determined again.
The antenna arrangement 11 or 21 consists of an actual antenna 111 or 211, which is in the form of a loop, and a matching network 112 or 212, which comprises at least one capacitance connected in parallel with the inductance of the antenna 111 or 211. The matching network 112 or 212 has the task of tuning the resonance frequency of the antenna arrangement 11 or 21 to the RF transmitter frequency. In order to minimize external interference under the influence of relative movements between the two antennas, the antenna 211 is smaller than the antenna 111.
The RF feed line 14 represents the transmission medium for both the forward and the backward running RF wave and is preferably designed as a coaxial cable.
The HF generator 13 supplies the energy necessary for the operation of the passive subunit B by converting or converting the voltage of the supply unit 12 into the high-frequency range.
The amplitude and / or the phase of the returning wave in the HF feed line 14 is weakly modulated with the signal frequency.
The HF demodulator 15 consists of a directional coupler 151, a bandpass 152 and a discriminator device 153. The directional coupler 151 only detects the returning modulated wave and supplies a modulated DC voltage. The bandpass filter 152 filters the measurement frequency of the controlled signal generator 24 from the spectrum of the input signal. The bandpass 152 fulfills very strict requirements with regard to phase jitter, which arises from the fact that the level of the input signal can change, that is to say the bandpass 152 should be independent of the amplitude. Because the transmitter signal of subunit B starts at an unpredictable point in time when bandpass 152 is at rest, the latter must first settle on the signal frequency of signal generator 24. During this time, no valid statement about the measuring frequency is permitted.
After this settling time, a safety time is waited to switch off the spread of the settling time depending on the incident amplitude. Then the sinusoidal signal of constant frequency is available for evaluation. The signal is fed to the discriminator device 153, which preferably always switches at the exact same phase angle, in order to thus preferably supply a rectangular signal.
In FIG. 1, subunit B, point 213 is a reference potential connection, so that the actual supply voltage for signal generator 24 results at point 214. The load impedance 23 is inserted between the output 215 of the signal generator 24 and the point 213. The current I is therefore composed of the current I1 for the internal consumption of the signal generator 24 or its external sensors and the current I2, which effects the modulation.
This shows the advantage that results when working with the high original measuring frequency according to the invention. Because with divided signal measurement frequencies, the settling time of the bandpass would be longer and higher requirements would have to be met to maintain a constant phase angle. The signal is now fed to the evaluation electronics 16 for digital signal processing, for example by counting the pulse duration by a very fast counter and possibly evaluating it with a predetermined characteristic curve according to FIG. 5. This enables the original measuring frequency and thus the physical size to be determined with very high accuracy with a very short measuring window.
For an accurate evaluation of the measurement signal frequency, it is advantageous that the discriminator device 153, which generates the measurement window, switches as precisely as possible at the zero crossings of the phase.
The RF-DC converter 22 converts the RF signal received by the antenna arrangement 21 into a DC voltage. A changing load on the input side leads to a changing change in impedance of the antenna arrangement 21. The load impedance 23 can be, for example, an ohmic resistor or an electronic circuit that preferably behaves like a resistor or a capacitance. It generates a sine or square-wave signal at the directional coupler output according to FIG. 3. If the load impedance 23 is a capacitance at the output of a square-wave signal generator, the signal spikes shown in FIG. 4 arise. The advantage of such load impedances lies in the low power requirement for operating the subunit B.
The controlled signal generator 24 has a resonant circuit of constant frequency (sinusoidal / rectangular, FIGS. 2 and 3) under constant physical conditions. The resonant circuit therefore has a constant frequency for a certain constant physical quantity. Now said size changes according to known law, e.g. linear with known coefficients or according to a previously measured curve, the frequency also changes proportionally. The signal generator is frequency controlled by a physical variable such as force, temperature, humidity, etc. Very high demands are placed on the signal generator, for example long-term stability of the curve once recorded (FIG. 5), because then the signal generator is closed forever and is therefore no longer accessible.
In addition, the frequency-measured value characteristic curve must either have a monotonically increasing or a strictly decreasing curve in order to be able to determine one and only one value of the physical quantity using a predetermined frequency. Therefore signal generators with non-linear characteristics can also be used. The characteristic curve is used in the evaluation electronics 16 to calculate the value of the physical quantity.
There are now two ways to measure different physical quantities at the same location. Either a signal generator with a frequency characteristic in several physical quantities is used for this, on the condition of unambiguous assignment (FIG. 6) by means of a time-interleaved switchover of the physical quantities (time division multiplex) or different signal frequency generators operating in parallel (frequency division multiplex), each with different frequency measurement values. Characteristic curves (Fig. 7).
In order to measure the same physical quantity at different locations, a plurality of sub-devices B, C, D (FIGS. 8 and 9, respectively) can be used and scanned with a mobile sub-device A by being spatially close to the sub-devices B, C or D. brought. In FIG. 8 the interaction takes place with subunit B and in FIG. 9 with subunit C.