DD278865A1 - SWITCHING ARRANGEMENT FOR OPERATING A UNIVERSALLY APPLICABLE SENSOR - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines universell anwendbaren Sensors, bestehend aus einem Generator, einem Wellenleiter, einer Auskopplung und einer Antenne. Der Erfindung liegt als Aufgabe die Entwicklung einer Schaltungsanordnung zugrunde, durch die alle physikalische Groessen, die den Reflexionsfaktor elektromagnetischer Wellen beeinflussen koennen, gemessen bzw. qualitativ nachgewiesen werden koennen. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die Antenne als Seriendiskontinuitaet zwischen Generator und Auskopplung angeordnet ist, wobei der Realteil der Antennenimpedanz gross gegen den Realteil vom transformierten Widerstand ist, der Realteil ebenfalls gross gegen den Wellenwiderstand ist und der Imaginaerteil des transformierten Widerstandes so gross ist, dass er sich mit den Imaginaerteil der resultierenden Antennenimpedanz bei Anwesenheit eines Messobjektes aufhebt. FigurThe invention relates to a circuit arrangement for operating a universally applicable sensor, consisting of a generator, a waveguide, a coupling and an antenna. The invention is based on the development of a circuit arrangement by which all physical quantities which can influence the reflection factor of electromagnetic waves can be measured or qualitatively detected. The object is achieved according to the invention in that the antenna is arranged as a series discontinuity between generator and decoupling, wherein the real part of the antenna impedance is large against the real part of the transformed resistor, the real part is also large against the characteristic impedance and the imaginary part of the transformed resistor is so large in that it picks up on the imaginary part of the resulting antenna impedance in the presence of a measuring object. figure
Description
Die Erfindung betrifft eine Schallungsanordnung zum Betreiben eines universell anwendbaren Sensors, bestehend aus einem Generator, einem Wellenleiter, einer Auskopplung und einer Antenne.The invention relates to a sound arrangement for operating a universally applicable sensor, consisting of a generator, a waveguide, a coupling and an antenna.
Auf nahezu allen technischen Sachgebieten sind Messungen von physikalischen Größen erforderlich. Die dafür benötigten Einrichtungen werden allgemein als Sensoren bezeichnet. Eine Gruppe dieser Sensoren nutzt die Eigenschaft fester oder flüssiger Stoffe, elektromagnetische Wellen ganz oder teilweise reflektieren zu können.In almost all technical fields, measurements of physical quantities are required. The required facilities are commonly referred to as sensors. A group of these sensors uses the property of solid or liquid substances to be able to completely or partially reflect electromagnetic waves.
Der Einsatz dieser Sensoren erfolgt z. B. bei der Messung des Feuchtegehaltes eines Körpers bzw. eines Stoffes, bei der Ermittlung der Füllhöhe flüssiger oder fester Güter oder der qualitativen Erfassung der dielektrischen Eigenschaften von Stoffen.The use of these sensors is z. As in the measurement of the moisture content of a body or a substance in the determination of the liquid level or solid goods or the qualitative detection of the dielectric properties of substances.
Die Anwesenheit flüssiger oder fester Körper, die Länge von metallischen Körpern, der Abstand zwischen zwei Körpern oder die Lage bzw. die Richtung linear ausgedehnter Körper können ebenfalls mit Hilfe von Sensoren ermittelt werden.The presence of liquid or solid bodies, the length of metallic bodies, the distance between two bodies or the position or direction of linearly extended bodies can also be determined by means of sensors.
Die genannten Beispiele können nur eine Auswahl aus der Vielzahl der Anwendungsfälle darstellen. Allen gemeinsam ist, daß die Sensoren über ein Glied mit der Umwelt in Wechselwirkung stehen und auf eine physikalische Größe mit einer meist elektrisch meßbaren Änderung reagieren. Es gibt akustische, optische, elektrische, radiometrische und andc e Schaltungen für die oben genannten Sensoren.The examples mentioned can only represent a selection from the multitude of use cases. What they all have in common is that the sensors interact with the environment via a link and react to a physical variable with a mostly electrically measurable change. There are acoustic, optical, electrical, radiometric and other circuits for the above-mentioned sensors.
Der Nachteil aller dieser Lösungen besteht darin, daß für jede zu messende physikalische Größe eine spezielle, für diese Belange angepaßte Sensorgrundschaltung angewendet werden muß.The disadvantage of all these solutions is that for each physical quantity to be measured, a special basic sensor circuit adapted for these concerns must be used.
Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Sensorgrundschaltung, die es gestattet, mehrere physikalische Größen ohne Änderungen der Grundschaltung zu erfassen.The aim of the invention is the development of a basic sensor circuit, which allows to detect several physical quantities without changes to the basic circuit.
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Entwicklung einer Schaltungsanordnung zugrunde, durch die alle physikalische Größen, die den Reflexionsfaktor elektromagnetischer Wellen beeinflussen können, gemessen bzw. qualitativ nachgewiesen werden können.The object of the invention is the development of a circuit arrangement by which all physical quantities which can influence the reflection factor of electromagnetic waves can be measured or qualitatively detected.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antenne als Seriendiskontinuität zwischen Generator und Auskopplung angeordnet ist, wobei der Realteil der Antennenimpedanz groß gegen den Realteil vom transformierten Widerstand ist, der Realteil ebenfalls groß gegen den Wellenwiderstand ist und der Imaginärteil des transformierten Widerstandes so groß ist, daß er sich mit den Imaginärteil der resultierenden Antennenimpedanz bei Anwesenheit eines Meßobjektes aufhebt.The object is achieved in that the antenna is arranged as a series discontinuity between generator and decoupling, the real part of the antenna impedance is large against the real part of the transformed resistor, the real part is also large against the characteristic impedance and the imaginary part of the transformed resistor is so large in that it cancels out the imaginary part of the resulting antenna impedance in the presence of a test object.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß diese Grundschaltung die Fertigung billiger und robuster, für die Maschinensteuerung geeigneter Sensoren erlaubt.The solution according to the invention has the advantage that this basic circuit allows the production of cheaper and more robust, suitable for machine control sensors.
Das Verfahren soll nun an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäfie Grundschaltung.The method will now be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows the basic circuit according to the invention.
Die Figur zeigt die prinzipielle Schaltung.The figure shows the basic circuit.
Am Ort 1 ist ein hier nicht näher dargestellter Generator angeordnet, der elektromagnetische Wellen, in einen Wellenleiter mit dem Wellenwiderstand Z0 einkoppelt. Am Ende des Wellenleiters ist eine HF-A'uskopplung mit der Zmpedanz Z2 angeordnet. An einer bestimmten Stelle zwischen Eingang und Ausgang des Wellenleiters ist eine Seriendiskontinuität in Form einer Antenne mit der Antennenimpedanz ZA angeordnet.At location 1, a generator not shown here is arranged, which couples electromagnetic waves into a waveguide with the characteristic impedance Z 0 . At the end of the waveguide, an RF A'uskopplung with Zmpedanz Z 2 is arranged. At a certain point between the input and output of the waveguide, a series discontinuity in the form of an antenna with the antenna impedance Z A is arranged.
Der Lösung liegt folgender Effekt zugrunde: Bestrahlt man ein beliebiges Objekt mit elektromagnetischen Wellen, wird je nach Betrag und Phase des Reflexionsfaktors r des betreffenden Objektes ein Teil der Wellen reflektiert und gelangt in die Antenne zurück. Das führt zu einer Veränderung der Antennenimpedanz ZA, da der transformierte Reflexionsfaktor r einer zur Antenne parallelen, in der Zeichnung dargestellten Impedanz Zm entspricht. Diese Veränderung der Antennenimpedanz ZA ist abhängig von Betrag und Phase des Reflexionsfaktors r des reflektierenden Objektes und vom Objektabstand. Stellt die Antennenimpedanz ZA eine Seriendiskontinuität im Wellenleiter zwischen Generator und Auskopplung dar (siehe Figur), kann die Anpassung zwischen Generator und Auskopplung durch die Veränderung der Antennenimpedanz ZA beeinflußt werden. Bei an den Wellenwiderstand Zo angepaßtem Generator herrscht dann Anpassung für die vom Generator kommende Welle, wenn ZA +Zi = Z0 ist, d. h., die Imaginärteile von ZA und Z, sich gegenseitig aufheben. Anders ausgedrückt, der Imaginärteil von Zi ist so groß, daß er sich mit dem Imaginärteil der resultierenden Antennenimpedanz bei Anwesenheit eines Meßobjektes aufhebt. Die Summe der Realteile entspricht gerade dem Wellenwiderstand Z0 des Wellenleiters. Zt ist die über den Wellenleiter transformierte Impedanz Z2 des Wellenleiters am Ort 3. Dabei teilt sich die am Ort 3 auftretende Spannung entsprechend dem Spainungsteilerverhältnis RA:Ri auf die Antenne und den zur Auskopplung führenden Wellenleiter auf. Die gezeichneten Ebenen kann man rechnerisch zusammenfallenlassen, wenn die Länge der Seriendiskontinuität sehr klein gegen die Wellenlänge ist. RA und R1 sind die Realteile der komplexen Impedanzen ΖΛ und Z1. Ist z. B. RA (ohne reflektierendes Objekt) groß gegen R1 und den Wellenwiderstand Z0, dann wird erstens ein Teil der Generatorleistung zum Cenerator reflektiert und zweitens entsprechend dem Verhältnis RA/Ri nur ein Bruchteil zur Auskopplung gelangen. Dieses Verhältnis wird durch die parallel zur Antenne liegende Impedanz Zm, (entspricht dem Reflexionsfaktor des Objekts) zugunsten der Auskopplung geändert und kann so gewählt werden, daß zwischen den Orten 1 und 3 Anpassung herrscht, bzw. der Reflexionsfaktor verringert wird. Besteht die Auskopplung z. B. aus einer Transistoraudionstufe, können in Abhängigkeit vom reflektierenden Objekt Gleichspannungen zwischen 0 und mehreren Volt als Signalspannung gewonnen werden.The solution is based on the following effect: irradiated any object with electromagnetic waves, depending on the amount and phase of the reflection factor r of the object in question, a part of the waves is reflected and returned to the antenna. This leads to a change in the antenna impedance Z A , since the transformed reflection factor r corresponds to an impedance Zm parallel to the antenna and shown in the drawing. This change in the antenna impedance Z A is dependent on the magnitude and phase of the reflection factor r of the reflecting object and the object distance. If the antenna impedance Z A represents a series discontinuity in the waveguide between generator and decoupling (see figure), the adaptation between generator and decoupling can be influenced by the change in the antenna impedance Z A. When adapted to the characteristic impedance Zo generator then there is adaptation for the wave coming from the generator when Z A + Zi = Z 0 , ie, the imaginary parts of Z A and Z, cancel each other out. In other words, the imaginary part of Zi is so large as to cancel out the imaginary part of the resulting antenna impedance in the presence of a DUT. The sum of the real parts just corresponds to the characteristic impedance Z 0 of the waveguide. Z t is the impedance Z 2 of the waveguide transformed at the location 3 via the waveguide. In this case, the voltage occurring at location 3 is divided according to the divider ratio R A : Ri onto the antenna and the waveguide leading to the outcoupling. The plotted planes can be computationally collapsed if the length of the series discontinuity is very small compared to the wavelength. R A and R 1 are the real parts of the complex impedances Ζ Λ and Z 1 . Is z. B. R A (without reflective object) large against R 1 and the characteristic impedance Z 0 , then, firstly, a part of the generator power is reflected to the Cenerator and secondly according to the ratio R A / Ri reach only a fraction for decoupling. This ratio is changed by the parallel to the antenna impedance Zm, (corresponds to the reflection factor of the object) in favor of the coupling out and can be chosen so that between the places 1 and 3 adjustment, or the reflection factor is reduced. Is the decoupling z. B. from a transistor audio stage, DC voltages between 0 and several volts can be obtained as a signal voltage, depending on the reflective object.
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