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Die
Erfindung betrifft ein Positionsmessverfahren und eine Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung
zur Positionserfassung eines in einem Bewegungsraum eines Aktor-Gehäuses beweglich
angeordneten Aktorglieds eines Aktors, mit einer Hochfrequenz-Mikrowellen-Antennenanordnung
zum Senden von Mikrowellen mit mindestens zwei voneinander verschiedenen
Frequenzen in den Bewegungsraum und zum Empfangen von durch zumindest
teilweise Reflexion der gesendeten Mikrowellen an dem Aktorglied
gebildeten Reflexions-Mikrowellen aus dem Bewegungsraum, und mit
Auswertemitteln zur Bildung eines die jeweilige Position des Aktorglieds
repräsentierenden
Positionssignals anhand eines anhand der Reflexions-Mikrowellen
gebildeten Messsignals.
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Beispielsweise
sind aus der
DE 198
33 220 A1 ein solches Positionsmessverfahren sowie eine
Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung bekannt. Die bekannte Positionsmessvorrichtung
verfügt über eine
Koppelsonde zur Einkopplung eines Mikrowel lensignals in das Aktorgehäuse zum
Beispiel eines pneumatischen Zylinders, dessen Kolben, d.h. das
Aktorglied, die Wellen reflektiert. Der Kolbeninnenraum bildet einen
Hohlleiter, in dem sich die Mikrowellen von der Koppelsonde zum
Kolben hin und von diesem reflektiert als reflektierte Mikrowellen
zurück
in Richtung der Koppelsonde ausbreiten können. Bei der bekannten Positionsmessvorrichtung
ist ein Oszillator (VCO) vorhanden, der die Mikrowellen innerhalb
einer vorbestimmten Bandbreite modulieren kann, um so mindestens
zwei voneinander verschiedene Frequenzen zu erzeugen.
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Bei
einer ersten Inbetriebnahme des Aktors bzw. der Positionsmessvorrichtung
gemäß der
DE 198 33 220 A1 wird
in einem sogenannten Suchmodus die absolute Position des Kolbens
bestimmt, wobei die Frequenzen variiert werden. Wenn die Kolbenposition
ermittelt ist, wird eine stehende Welle in das Zylindergehäuse eingekoppelt,
deren Verschiebung durch die Bewegung des Kolbens erfolgt, so dass über eine
Phasenauswertung die Kolbenposition ermittelbar ist.
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Allerdings
ist das Signal der stehenden Welle nicht in jedem Fall optimal,
so dass die Kolbenposition bei manchen Stellungen nicht mit der
gewünschten
Genauigkeit ermittelbar ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Positionsmessvorrichtung
sowie ein Positionsmessverfahren bereit zu stellen, die eine hohe
Messgenauigkeit ermöglichen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist bei der Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung der eingangs
genannten Art vorgesehen, dass die Auswertemittel zur Bildung des
Positionssignals von den mindestens zwei voneinander verschiedenen
Frequenzen abhängige
Anteile an dem Messsignal abhängig
von einer jeweiligen Position des Aktorglieds gewichten. Ferner
ist zur Lösung
der Aufgabe ein Positionsmessverfahren gemäß einem weiteren unabhängigen Anspruch
vorgesehen.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung ist, Mikrowellen, zum Beispiel Radarwellen,
mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen, z.B. in einem Bereich
von 10 MHz bis 25 GHz, in einem zweckmäßigerweise kontinuierlichen
Modus in den Bewegungsraum einzukoppeln, die dann vom Aktorglied,
beispielsweise dem Kolben eines Pneumatik-Zylinders, reflektiert
werden. Der Kolben reflektiert die Mikrowellen, so dass reflektierte
Mikrowellen bzw. Reflexions-Mikrowellen entstehen, die von der Mikrowellen-Antennenanordnung
wieder empfangen werden. Die reflektierten Mikrowellen werden in
Abhängigkeit
von der Kolbenposition bzw. Aktorglied-Position gewichtet, wobei
erfindungsgemäß diejenigen
Mikrowellen bzw. diejenigen Frequenzen der Mikrowellen ein stärkeres Gewicht
bei der Bildung des Positionssignals aufweisen, die eine höhere Messgenauigkeit
erwarten lassen, als Mikrowellen, die eine geringere Messgenauigkeit
erwarten lassen. Im einfachsten Fall sendet und empfängt die
Mikrowellen-Antennenanordnung Mikrowellen mit mindestens zwei Frequenzen, so
dass wenigstens eine dieser Frequenzen stärker gewichtbar ist als die
andere, wobei die Gewichtung von der Aktorgliedposition abhängt und
somit variabel ist.
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Die
Mikrowellen-Antennenanordnung sendet beispielsweise erste Mikrowellen
mit einer ersten Frequenz und mindestens zweite Mikrowellen mit
mindestens einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz
in den Bewegungsraum. Die Auswertemittel der Positionsmessvorrichtung
gewichten erfindungsgemäß zur Bildung
des Positionssignals einen von der ersten frequenzabhängigen ersten
frequenzabhängigen
Anteil an dem Messsignal und mindestens einen von der mindestens
zweiten frequenzabhängigen zweiten
frequenzabhängigen
Anteil an dem Messsignal in Abhängigkeit
von einer jeweiligen Position des Aktorglieds.
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Die
Position des Aktorglieds ist mit hoher Genauigkeit bestimmbar, z.B.
auf 10 Mikrometer genau.
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Besonders
zweckmäßig ist
es allerdings, Mikrowellen mit mindestens einer weiteren Sendefrequenz, d.h.
mindestens einer dritten Sendefrequenz, zu senden, und die durch
diese hervorgerufenen Reflexions-Mikrowellen zu empfangen und erfindungsgemäß zu gewichten,
so dass mindestens eine Redundanz vorhanden ist.
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Eine
Gewichtung kann sogar soweit gehen, dass eine oder mehrere der Frequenzen,
die eine besonders hohe Ungenauigkeit erzeugen würden, mit Null gewichtet werden,
d.h. sozusagen ausgeblendet werden.
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Zweckmäßigerweise
bilden die Auswertemittel einen Mittelwert aus mindestens zwei gewichteten
frequenzabhängigen
Anteilen an dem Messsignal. Ein Anteil mit einem größeren Gewicht
geht dabei stärker
in den Mittelwert ein als ein Anteil mit einem geringeren Gewicht.
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Durch
die Verwendung von zwei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen können nicht
ideale Verhältnisse,
die beispielsweise durch Rauschen, unerwünschte Reflexionen oder dergleichen
verursacht sind, verringert werden. Die Messwerte werden zweckmäßigerweise
so gemittelt, dass Einflüsse
von Anteilen mit ungünstigen
Frequenzen an einer Position durch geringe Gewichtung oder gar Ausblendung
gering sind.
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Ein
Maß für die Genauigkeit
eines Anteils an dem Messsignal ist beispielsweise der Betrag eines
Gradienten des Messsignals an einer Position des Aktorglieds in
dem Bewegungsraum. Die Auswertemittel gewichten einen größeren Gradientenbetrag
bzw. eine größere Steigung
des jeweiligen frequenzabhängigen
Anteiles an dem Messsignal zweckmäßigerweise stärker als
einen Anteil mit einem kleineren Gradientenbetrag. Vorteilhaft wird
ein Anteil an dem Messsignal ganz ausgeblendet, wenn sein Gradient
null ist oder in der Nähe von
Null ist.
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Dies
ist beispielsweise an den oberen und unteren Scheitelpunkten eines
sinus- oder kosinusförmigen Anteils
an dem Messsignal der Fall. Die Auswertemittel gewichten z.B. einen
der frequenzabhängigen
Anteile oder mehrere der Anteile an dem Messsignal mit Null, wenn
der Betrag seines Gradienten einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
Aber auch bei einem Phasensignal oder einer Phasendifferenzsignal
werden erfindungsgemäß Anteile
oder Abschnitte mit größeren Beträgen des
Gradienten stärker
gewichtet.
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Zweckmäßigerweise
hat die Positionsmessvorrichtung eine Mischeinrichtung zum Mischen,
beispielsweise Multiplizieren, gesendeter Mikrowellen mit den Reflektionsmikrowellen.
Das Ausgangssignal der Mischeinrichtung bildet das Messsignal, das
mehrere Anteile mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist.
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Vorzugsweise
wird im Rahmen der Erfindung eine Phasendifferenz-Messung durchgeführt. Die
Positionsmessvorrichtung ermittelt anhand einer Phasendifferenz
zwischen gesendeten und empfangenen Mikrowellen die Position des
Aktorglieds. Die Phasendifferenz entsteht durch eine Laufzeit der
Mikrowellen von der Antennenanordnung zum Aktorglied und von dort
wieder zurück
zur Antennenanordnung.
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Das
Messsignal enthält
beispielsweise einen mit einem Kosinuswert der Phasendifferenz multiplizierten
Gleichstromwert oder Gleichspannungswert. Das Messsignal kann auch
einen mit einem Sinuswert der Phasendifferenz multiplizierten Gleichstromwert
oder Gleichspannungswert aufweisen.
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Der
Kosinuswert entspricht beispielsweise einem Realteil eines komplexen
Reflexionsfaktors, der Sinuswert einem Imaginärteil eines komplexen Reflexionsfaktors.
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Besonders
zweckmäßig ist
es aber, dass bereits eine Phase oder eine Phasendifferenz, die
das Messsignal beeinflusst, in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen
Gradientenbetrag gewichtet wird. Wenn an einer Position ein betragsmäßig großer Gradient
bei dem Phasensignal oder Phasendifferenzsignal vorhanden ist, wird dieses
stärker
gewichtet wie ein anderes Phasensignal oder Phasendifferenzsignal,
das bei dieser Position einen kleineren Gradienten aufweist. Ferner
ist es denkbar, statt der Phase oder der Phasendifferenz den Realteil
oder dem Imaginärteil
eines komplexen Reflexionsfaktors erfindungsgemäß zu gewichten.
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Dabei
ist es z.B. möglich,
dass an einer Position, wo der Kosinus oder der Realteil einen kleinen
Gradientenbetrag aufweist, den Sinuswert bzw. dem Imaginärteil des
komplexen Reflexionsfaktors auszuwerten und umgekehrt.
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Ein
Phasenverlauf oder Phasendifferenzverlauf kann als der Arcustangens
eines Sinuswertes eines Phasenverlaufs bzw. Phasendifferenzsignals
im Verhältnis
zu einem Kosinuswert des Signals gebildet werden.
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In
der Praxis zeigt sich, dass ideale kosinusförmige oder sinusförmige Verläufe von
Anteilen an dem Messsignal beispielsweise durch Fehlanpassungen
der Mikrowellen-Antennenanordnungen
an den Hohlleiter, die sich in der Praxis nicht vermeiden lassen,
nicht erzielbar sind. Es liegt im Rahmen der Erfindung, durch solche
Fehlanpassungen hervorgerufene steilere und weniger steile Abschnitte
von frequenzabhängigen
Anteilen an dem Messsignal stärker
zu gewichten, wenn ihr Gradient an der jeweiligen Position des Aktorgliedes steiler
ist als bei einem anderen Anteil an dem Messsignal, das beispielsweise
ebenfalls durch die Fehlanpassung bedingt einen weniger steilen
Verlauf aufweist. Ferner können
im Rahmen der Erfindung auch gezielt Fehlanpassungen der Mikrowellen-Antennenanordnungen
herbeigeführt
werden, um erfindungsgemäß steilere
und weniger steile Abschnitte von frequenzabhängigen Anteilen an dem Messsignal
zu erhalten, z.B. an vorbestimmten Positionen, wo ansonsten kein
ausreichend genau auswertbares Messsignal vorläge.
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Die
Positionsmessvorrichtung kann beispielsweise einen Datensatz, z.B.
eine Tabelle, enthalten, in dem Gewichtungsfaktoren für eine jeweilige
Position des Aktorgliedes gespeichert sind. Die Gewichtungsfaktoren
können
beispielsweise in einem Lernmodus ermittelt werden und/oder mit
Hilfe eines Parametrierwerkzeuges, beispielsweise eine Personalcomputers,
programmiert werden.
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Bei
der Bestimmung der Gewichtungsfaktoren wird zweckmäßigerweise
untersucht, inwiefern eine kleine Änderung der Position des Aktorglieds
bei einer jeweiligen Sendefrequenz, beispielsweise bei einer ersten
Sendefrequenz, eine möglichst
große
Veränderung
des Messsignals bewirkt. Bei einer anderen Frequenz, beispielsweise
bei einer zweiten Frequenz, kann diese Veränderung um die aktuell zu bestimmende
Position beispielsweise geringer ausfallen, so dass die erste Frequenz
bei der aktuellen Position stärker
gewichtet wird. Für
spätere
Messungen der Position des Aktorglieds ist es dann bekannt, welche
Signalfrequenzen in einer Umgebung um eine jeweilige Position des
Aktorglieds eine starke Veränderung
des Messsignals bewirken. Diese Signalfrequenzen werden stärker gewichtet,
so dass die Position des Aktorglieds exakter bestimmbar ist.
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Die
Tabelle mit Gewichtungsfaktoren für die jeweiligen Positionen
des Aktorgliedes können
die Auswertemittel in dem Lernmodus z.B. so ermitteln, dass das
Aktorglied sequentiell und/oder kontinuierlich individuelle Positionen
anfährt.
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Eine
stärkere
und eine geringere Veränderung
des Messsignals durch einen jeweils frequenzabhängigen Anteil ist beispielsweise
durch einen Vergleich zwischen aktuellen Messwerten und vorherigen
Messwerten möglich.
Auf diesem Wege kann beispielsweise ein Gradient ermittelt werden.
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Es
ist aber auch möglich,
zunächst
anhand der Auswertung aller Messsignale eine grobe Positionsbestimmung
des Aktorgliedes durchzuführen,
wobei bei der groben Positionsbestimmung zweckmäßigerweise sämtliche
frequenzabhängigen
Anteile an dem Messsignal im wesentlichen gleichwertig ausgewertet
werden (es wäre
aber auch möglich,
einen Anteil oder mehrere Anteile bereits bei der Grobbestimmung
geringer zu gewichten oder gar auszublenden) und dann, bei einer
anschließenden
Feinbestimmung der Position, die erfindungsgemäße Gewichtung der frequenzabhängigen Anteile
durchzuführen,
so dass Anteile, die die Exaktheit des Positionssignales negativ
beeinflussen würden,
geringer gewichtet oder ausgeblendet bzw. ausgefiltert werden.
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Bei
der Untersuchung, welche Frequenzen eine besonders starke Auswirkung
an einer jeweiligen Position des Aktorglieds auf das Messsignal
haben, wird zweckmäßigerweise
rechnerisch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen berücksichtigt.
Auch eine Auswertung der Kalibrierung der Positionsmessvorrichtung
ist dabei zweckmäßig.
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Zur
Positionsermittlung des Aktorglieds und/oder bei der Gewichtung
der frequenzabhängigen
Anteile an dem Messsignal wird zweckmäßigerweise die Minimale-Fehlerquadrat-Methode
und/oder ein lineares Gleichungssystem verwendet.
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Die
Mikrowellen werden zweckmäßigerweise
in einem kontinuierlichen Modus gesendet. Es versteht sich, dass
die Anwendung der Erfindung auch bei einem diskontinuierlichen Modus
möglich
ist.
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Der
mit der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung
ausgestattete Aktor ist zweckmäßigerweise
ein Linearaktor. Der Aktor kann elektrisch, fluidtechnisch, beispielsweise
pneumatisch oder hydraulisch, angetrieben werden. Auch ein sogenannter
Hybrid-Antrieb, der elektrisch und fluidtechnisch antreibbar ist,
ist vorteilhaft.
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Wie
bereits oben erläutert,
ist es zweckmäßig, redundante
Frequenzanteile zu generieren bzw. zu empfangen, um eine größere Auswahl
von frequenzabhängigen
Anteilen an dem Messsignal zu erzeugen, die gegebenenfalls geringer
gewichtbar oder gar ausblendbar sind. So sieht beispielsweise eine
zweckmäßige Variante
der Erfindung vor, dass neben den ersten und mindestens zweiten
Mikrowellen mit ersten und zweiten Frequenzen zusätzlich mindestens
eine dritte Frequenz gesendet und als Reflexions-Mikrowellen empfangen werden,
wobei die Auswertemittel zur Gewichtung eines Anteils der dritten
Mikrowellen im Verhältnis
zu den Anteilen der ersten und mindestens zweiten Mikrowellen an
dem Messsignal in Abhängigkeit
von der jeweiligen Position des Aktorglieds ausgestaltet sind. Die
Auswertemittel können
dann wahlweise die ersten, die zweiten oder die dritten frequenzabhängigen Anteile
an dem Messsignal individuell mit Gewichtungsfaktoren versehen,
gegebenenfalls ausfiltern.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel
anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
geschnittene und teilweise schematische Ansicht eines mit einer
erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung
ausgestatteten Aktors,
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2 ein
teilweises Blockschaltbild von Auswertemitteln der Positionsmessvorrichtung
gemäß 1,
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3 drei
frequenzabhängige
Phasendifferenzsignale als Ausgangssignal eines Mischers der Auswertemittel
gemäß 2,
wenn eine Mikrowellen-Antenne des Aktors gemäß 1 ideal
an dessen Hohlleiter angepasst ist,
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4 eine
von einer Position eines Aktorglieds des Aktors gemäß 1 abhängige Phasendifferenz eines
der Phasendifferenzsignale gemäß 3,
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5 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Auswertemittel
der Positionsmessvorrichtung gemäß 1,
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6 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Auswertemittel
der Positionsmessvorrichtung gemäß 1,
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7 von
einer Position eines Aktorglieds des Aktors gemäß 1 abhängige reale
Phasendifferenzen eines von Phasendifferenzsignalen, ähnlich 3,
allerdings bei einer nicht ideal an den Hohlleiter angepassten Mikrowellen-Antenne
des Aktors gemäß 1,
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8 Realteile
von komplexen Reflexionsfaktoren bei ideal und nicht ideal an einen
Hohlleiter angepasster Mikrowellen-Antenne, etwa entsprechend einem
der frequenzabhängigen
Phasendifferenzsignale gemäß 3,
und
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9 Imaginärteile von
komplexen Reflexionsfaktoren gemäß 8 bei
ideal und nicht ideal angepasster Mikrowellen-Antenne.
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Ein
pneumatischer Arbeitszylinder 10 bildet einen Aktor 11,
insbesondere einen fluidtechnischen Aktor. In einem Bewegungsraum 12 eines
Aktorgehäuses 13 ist
ein Aktorglied 14 linear hin- und herbeweglich angeordnet.
Das Aktorglied 14 ist durch einen Kolben 15 des
Arbeitszylinders 10 gebildet. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich
um einen pneumatischen Arbeitszylinder mit einer Kolbenstange, wobei
auch kolbenstangenlose Varianten, elektrische Antriebe, kombinierte
elektro-pneumatische Antriebe, insbesondere Linearantriebe, ohne
weiteres möglich
sind.
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Eine
Ventilanordnung 16, die beispielsweise ein 2/2-Ventil aufweist,
speist Druckluft 17 aus einer Druckluftquelle 18 über Druckluftanschlüsse 19, 20 in
den Bewegungsraum 12 ein bzw. ermöglicht das Ausströmen von
Druckluft aus den Druckluftanschlüssen 19, 20,
um den Kolben 15 anzutreiben, der den Bewegungsraum 12 in
zwei nicht näher
bezeichnete Teilkammern trennt. Am Außenumfang des Kolbens 15 ist
beispielsweise hierfür
eine Dichtung 21 vorgesehen.
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Ein
Mittelteil 22 des Gehäuses 13 wird
stirnseitig durch einen Lagerdeckel 23 sowie einen Abschlussdeckel 24 verschlossen,
und begrenzt somit den Bewegungsraum bzw. die Kolbenkammer 12.
Der Lagerdeckel 23 wird von einer Kolbenstange 25 durchdrungen,
die ein Kraftabgriffselement des Arbeitszylinders 19 bildet.
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Eine
Positionsmessvorrichtung 30 dient zu einer Positionserfassung
des Aktorglieds 14 innerhalb des Bewegungsraums 12,
beispielsweise eines Abstandes 31 des Kolbens 15 von
einem Endanschlag 32. Der Endanschlag 32 ist vorteilhaft
durch eine Schutzeinrichtung 33 gebildet, beispielsweise
ein Kunststoffelement, das eine Mikrowellen-Antennenanordnung 34 der
Positionsmessvorrichtung 30 vor mechanischen Einflüssen, beispielsweise
Druckstößen, Aufprall
des Kolbens 15 oder dergleichen, schützt.
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Die
Mikrowellen-Antennenanordnung 34 enthält eine Koppelsonde 35 zum
Senden und Empfangen von Mikrowellen mit hoher Frequenz, beispielsweise
in einem Frequenzbereich von etwa 10 MHz bis 25 GHz. Die Koppelsonde 35 kann
z.B. eine metallische Sonde sein. Vorliegend enthält die Koppelsonde 35 jedoch
ein Kunststoffelement 36, das zum Bewegungsraum 12 hin
einen Abstrahlbereich 38 aufweist, an dem sich nach hinten
ein Kanalabschnitt 37 anschließt. Der Kanalabschnitt 37 bildet
einen Koaxialleiter. Der Abstrahlbereich 38 ist beispielsweise
stufenzylindrisch ausgestaltet. Das Kunststoffelement 36 (es
könnte
auch aus Keramik oder einem sonstigen Dielektrikum bestehen) ist
innen und außen
mit einer elektrisch leitfähigen
Beschichtung 39, 40 versehen. Der Kanalabschnitt 37 verbindet
den Abstrahlbereich 38 mit einer Hochfrequenzeinrichtung 41,
beispielsweise einer Hochfrequenzplatine oder dergleichen, sowie
einer Auswerteeinrichtung 42.
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Mit
Hilfe der Hochfrequenzeinrichtung 41 können Signale Mikrowellen 43 erzeugt
werden, die die Koppelsonde 35 in den Bewegungsraum 12 einkoppelt.
Der Bewegungsraum 12 bildet einen Hohlleiter 26,
der die Mikrowellen 43 bis zum Aktorglied 14 leitet,
das die Mikrowellen 43 reflektiert und Reflexionsmikrowellen 44 bildet.
Die Beschichtungen 39, 40 sind mit der Hochfrequenzeinrichtung 41 elektrisch
verbunden, die nicht näher
bezeichnete Einkopplungselemente und Auskopplungselemente, zum Beispiel
Kondensatoren, Millimeterwellen Integrated Circuits (ICs), Richtkoppler
oder dergleichen enthält.
Diese Bauteile sind an einer im Wesentlichen planaren hinteren stirnseitigen
Trägerstruktur 45 angeordnet.
Die Hochfrequenzeinrichtung 41 kann die Mikrowellen 43 in
unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 und f3 sowie weiteren, nicht
näher bezeichneten
Frequenzen senden. Ein in 5 dargestellter
Generator 59, der beispielsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator
(VCO) oder dergleichen enthält,
erzeugt Mikrowellen 43 mit Referenzphasen φ01, φ02 und φ03 mit den
Frequenzen f1 bis f3 die die Koppelsonde 35 in den Hohlleiter 26 sendet.
Ferner werden die Mikrowellen 43 mit Referenzphasen φ01, φ02 und φ03 über eine
Leitung 62 zu der Mischeinrichtung 48 geführt.
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Die
Hochfrequenzeinrichtung 41 sowie die Auswerteeinrichtung 42,
die Auswertemittel im Sinne der Erfindung enthält oder bildet, sind elektrisch
miteinander verbunden und zweckmäßigerweise
auf derselben Trägerstruktur 45 angeordnet.
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Die
Auswerteeinrichtung 42 ermittelt anhand der Laufzeit und/oder
der Phasendifferenz zwischen den Mikrowellen 43, 44 eine
jeweilige Position x, die z.B. dem Abstand 31 entspricht,
des Aktorglieds 14 innerhalb des Bewegungsraumes 12.
Die Auswerteeinrichtung 42 enthält hierzu beispielsweise einen
Prozessor 46, einen Speicher 47 und/oder weitere
elektronische Bauelemente, beispielsweise ASICs (Application Specific
Integrated Circuits) oder dergleichen.
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Ferner
enthalten die Auswerteeinrichtung
43 und/oder die Hochfrequenzeinrichtung
41 eine
Mischeinrichtung
48 zum Mischen, insbesondere zum Multiplizieren
der in den Bewegungsraum
12 gesendeten Mikrowellen
43,
d.h. der zum Kolben
15 hin laufenden Mikrowellen, mit den
von dem Kolben
15 reflektierten, rücklaufenden Mikrowellen
44.
Die Mischeinrichtung
48 bildet ein Ausgangssignal
49.
Das Ausgangssignal
49 bildet vorliegend ein Messsignal
50.
Das Messsignal
50 enthält
beispielsweise Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a, die von Frequenzen
f1, f2, f3 der gesendeten bzw. empfangenen Reflexionsmikrowellen
43,
44 abhängig sind. Die
Anteile Ugl1a bis Ugl3a sind beispielsweise mit einem Gleichspannungswert
U0 multiplizierte Kosinuswerte von Phasendifferenzen Δφ1, Δφ2 und Δφ3, die ihrerseits
wiederum von den Frequenzen f1, f2 und f3 abhängen, beispielsweise gemäß nachfolgender
Formeln:
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Bei
den obigen Formeln (1)–(6)
bedeuten die Indizes 1 bis 3 die Abhängigkeit von den Frequenzen
f1 bis f3. λ1
bis λ3 sind
die Wellenlängen
und k1, k2 und k3 die Wellenzahlen der Mikrowellen 43, 44 in
Abhängigkeit
von den Frequenzen f1, f2 und f3. Die Phasendifferenzen Δφ1, Δφ2 und Δφ3 sind die
Differenzen zwischen von der Position x des Aktorglieds 14 abhängigen Phasen φ1(x), φ2(x) und φ3(x) der
reflektierten Mikro wellen 44 und den Referenzphasen φ01, φ02 und φ03. Die
Mikrowellen 44 werden von der Koppelsonde 35 empfangen
und als Signal 64 in eine mit einem Widerstand 60 abgeschlossene
Leitung 61 eingekoppelt, die zu der Mischeinrichtung 48 führt.
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Das
Ausgangssignal 49 der Mischeinrichtung 48 entspricht
den Anteilen (z.B. Spannungen) Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a, die von Frequenzen
f1, f2, f3 der gesendeten bzw. empfangenen Reflexionsmikrowellen 43, 44 abhängig sind.
In 5 sind beispielhaft die Referenzphase φ01, die
Phase φ1(x)
und der Anteil Ugl1a eingezeichnet. Diese Werte entstehen, wenn
der Generator 58 Mikrowellen 43 mit der Frequenz
f1 erzeugt.
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In 3 sind
die kosinusförmigen
Verläufe
der Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a dargestellt.
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In
einem ersten Schritt ermitteln die Auswertemittel bzw. die Auswerteeinrichtung 42 zunächst eine
absolute Position x des Aktorglieds 14 in dem Bewegungsraum 12.
Der Prozessor 46 ermittelt anhand von mindestens zweien
der Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a zunächst die absolute Position
x. Beispielsweise wertet er zwei der Formeln (1), (2) und (3) in
der Art eines linearen Gleichungssystemes aus. Auch die Anwendung
einer Minimalen Fehlerquadrat-Methode ist zur Bestimmung der Absolutposition
x des Aktorglieds 14 denkbar. Allerdings haben die Erfinder
erkannt, dass die Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a nicht bei jeder
Position x eine hinreichende Messgenauigkeit und Positionsbestimmung
möglich
machen. Hier setzt die Erfindung an:
Die Auswerteeinrichtung 42 gewichtet
die Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a in Abhängigkeit von einer jeweiligen Position
x des Aktorglieds 14. Beispielsweise ist in dem Speicher 47 eine
Tabelle 51 mit Gewichtungsfaktoren g11, g12, g13 für eine Position
x1, Gewichtungsfaktoren g21, g22, g23 für eine Position x2, g31, g32,
g33 für eine
Position x3 des Aktorglieds 14 sowie weiteren aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellten Gewichtungsfaktoren für weitere Positionen x des
Aktorglieds 14 gespeichert. Die Tabelle 51 ist
beispielsweise über
eine Parametrierschnittstelle 57 parametrierbar.
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Ferner
kann die Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung 30 die Tabelle 51 in
einer Art Lernmodus selbsttätig
erstellen, bei dem das Aktorglied 14 innerhalb des Bewegungsraums 12 positioniert
wird und die Auswerteeinrichtung 42 die jeweiligen Anteile
Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a bei diesen Positionen auf ihre Genauigkeit
hin, insbesondere ihren Gradienten an den jeweiligen Positionen,
analysiert.
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Die
Auswerteeinrichtung 42 gewichtet die Anteile Ugl1a, Ugl2a
und Ugl3a mit einem Satz Gewichtungsfaktoren g11, g12, g13 bei einer
Position x1, g21, g22, g23 bei einer Position x2 sowie g31, g32,
g33 bei einer Position x3 des Aktorglieds 14. Die Gewichtungsfaktoren
g11 bis g13 können
bei einer jeweiligen Position x1, x2 oder x3 auch 0 sein.
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Ferner
können
die Gewichtungsfaktoren g11 bis g33 vorteilhaft dazu dienen, ein
Positionssignal 52, das die Auswerteeinrichtung 42 anhand
der Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a generiert, und/oder die Anteile Ugl1a,
Ugl2a und Ugl3a zu linearisieren.
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Das
Positionssignal 52 repräsentiert
eine jeweilige Position x des Aktorglieds 14 in dem Bewegungsraum 12.
Das Positionssignal 52 ist beispielsweise ein analoges,
zweckmäßigerweise
lineares, Spannungssignal Up in Abhängigkeit von der Position x,
ein digitales Ausgangssignal oder dergleichen. Das Positionssignal 52 ist
vorteilhaft ein anhand der gewichteten, mit den Gewichtungsfaktoren
g11–g13,
g21–g23,
g31–g33
multiplizierten Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a gebildeter Mittelwert.
Die Gewichtungsfaktoren g11–g13,
g21–g23, g31–g33 bilden
vorteilhaft jeweils dieselbe Gesamtsumme, z.B. jeweils 1.
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Die
Auswerteeinrichtung 42 versendet das Positionssignal 52 z.B.
drahtgebunden (nicht dargestellt) oder drahtlos mit einer Antenne 58.
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Beispielsweise
weisen die Anteile Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a eine größere Genauigkeit
im Bereich ihrer Nullpunkte auf als im Bereich ihrer Minima –Uo bzw.
Maxima +Uo. Im Bereich der Minima –Uo bzw. Maxima +Uo ändern sich
die Anteil Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a bei einer Positionsänderung
des Aktorglieds 14 in x-Richtung verhältnismäßig wenig. Es ist beispielsweise
denkbar, dass die Auswerteeinrichtung 42 die Anteile Ugl1a, Ugl2a
und Ugl3a nur dann auswertet, wenn sie an einer beliebigen Position
x innerhalb eines Korridors 53 sind, der durch einen oberen
und einen unteren Grenzwert 54, 55 begrenzt ist.
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An
der Position x1 haben beispielsweise die Anteile Ugl1a und Ugl2a
eine große
Steigung bzw. einen großen
Gradienten. Dementsprechend sind beispielsweise die Gewichtungsfaktoren
g11 und g12, die den Anteilen Ugl1a und Ugl2a zugeordnet sind, groß, wohingegen
der Gewichtungsfaktor g13, der dem Anteil Ugl3a zugeordnet ist,
klein ist. An der Position x1 ist der Anteil Ugl3a außerhalb
des Korridors 53. Die Steigung des Anteils Ugl3a ist außerhalb
des Korridors 53 und somit auch bei der Position x1 verhältnismäßig klein.
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Es
besteht nun die Möglichkeit,
dass die Auswerteeinrichtung 42 den Anteil Ugl3a beispielsweise
mit dem Gewichtungsfaktor g13 = NULL bewertet und somit sozusagen
ausfiltert oder ausblendet und das Positionssignal 52 bei
der Position x1 ausschließlich
anhand der Anteile Ugl1a, Ugl2a ermittelt.
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Weil
die Auswerteeinrichtung 42 anhand der Auswertung der Gleichungen
(1) bis (3) bereits die absolute Position x1 des Aktorglieds 14 grob
bestimmt hat, wäre
es sogar möglich,
dass die Auswerteeinrichtung 42 eine Feinbestimmung der
Position x1 nur anhand eines der beiden Anteile Ugl1a oder Ugl2a
an dem Messsignal 50 bestimmt, beispielsweise durch eine
Arcuskosinus-Auswertung der Gleichungen (1) oder (2).
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Bei
der Position x2 ist der dem Anteil Ugl1a zugeordnete Gewichtungsfaktor
g21 zweckmäßigerweise 1,
die Gewichtungsfaktoren g22 und g23 sind vorteilhafterweise 0, weil
nur der Anteil Ugl1a eine optimale Steigung bei dieser Position
x2 aufweist. Der Anteil Ugl1a hat bei x2 z.B. einen Gradienten gr1.
Die Gradienten gr2 und gr3 der Anteile Ugl2a und Ugl3a sind bei
x2 z.B. wesentlich kleiner als der Gradient gr1.
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Bei
der Position x3 hingegen ist der dem Anteil Ugl1a zugeordnete Gewichtungsfaktor
g31 vorteilhafterweise 0, weil das Signal Ugl1a an dieser Stelle
eine geringe Steigung hat. Der Kosinuswert ist bei x3 nämlich nahe
dem unteren Maximum –U0
bzw. dem unteren Scheitelpunkt. Die Anteile Ugl2a und Ugl3a werden zweckmäßigerweise
mit höheren
Gewichtungsfaktoren g32 und g33 gewichtet.
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Zweckmäßigerweise
bildet die Auswerteinrichtung 42 einen Mittelwert anhand
der gewichteten, mit den Gewichtungsfaktoren g32 und g33 multiplizierten
Anteile Ugl2a und Ugl3a. Das Signal Ugl1a bildet an der Position
x3 z.B. ein redundantes Signal.
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In 4 ist
ein beispielhafter Verlauf der Phasendifferenz Δφ1 dargestellt, wobei das Signal Δφ1 um eine
360° bzw.
2π-Periodizität bereinigt
ist. Mit einer gestrichelten Linie 56 ist eine nicht solcherart
bereinigte Phasendifferenz Δφ1' angedeutet.
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Im
Zusammenhang mit 3 wurde erläutert, dass der Gradient eines
Anteils Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a bei einem kosinusförmigen Verlauf
gemäß Formeln
(1), (2) und (3) ein zweckmäßiges Kriterium
darstellt, welcher Anteil Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a höher gewichtet
werden soll und welcher geringer. Bei der Darstellung gemäß 4 ist
prinzipiell dieselbe Vorgehensweise möglich. Beispielsweise wird
das Phasensignal Δφ1 jeweils zwischen
Positionen x1 und x4, x6 und x7 sowie x8 und x9 mit einem Gewichtungsfaktor
ungleich Null, z.B. größer Null,
bewertet und außerhalb
dieser Positionen mit einem Gewichtungsfaktor 0. Bei dem oberen
Maximum π bzw.
dem unteren Maximum –π ist nämlich cos(Δφ) = 0.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht nur bei Linearaktoren, sondern
auch bei sonstigen Abstandsmessungen bzw. Positionsmessungen sinnvoll
zweckmäßig anwendbar
ist.
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Es
versteht sich, dass die Auswerteeinrichtung 42 – wie auch
ein sonstiges erfindungsgemäßes Auswertemittel – auch sozusagen
online die Gewichtungsfaktoren an einer Position x ermitteln kann,
z.B. durch Auswertung der jeweiligen Gradienten der frequenzabhängigen Anteile
Ugl1a, Ugl2a und Ugl3a. Gespeicherte Gewichtungsfaktoren, z.B. die
Tabelle 51, sind dann nicht nötig. Z.B. kann die Auswerteeinrichtung 42 die
Gradienten gr1, gr2 und gr3 zueinander in Relation setzen, um die
Gewichtungsfaktoren g21, g22 und g23 zu ermitteln. Ferner kann die
Auswerteeinrichtung 42 z.B. mindestens einen der Anteile
Ugl1a, Ugl2a oder Ugl3a auswählen,
der an einer Position x den größten Gradienten
gr1, gr2 und gr3 hat, und einen oder mehrere Anteile Ugl1a, Ugl2a
oder Ugl3a mit Null gewichten, z.B. bei x2 die Anteile Ugl2a und
Ugl3a.
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Beim
obigen Ausführungsbeispiel
waren die Anteile Ugl1a bis Ugl3a jeweils ideal, weil die Mikrowellen-Antennenanordnung 34 ideal
auf den Hohlleiter 26 angepasst war. Beim nachfolgenden
Ausführungsbeispiel
ist dies nicht der Fall. Ferner dient das nachfolgend anhand der 6 bis 9 beschriebene
zweite Ausführungsbeispiel
einer Auswerteeinrichtung 42' dazu,
zu erläutern,
dass an Stelle eines sinusförmigen
oder kosinusförmigen
Anteils an dem Messsignal 50 auch andere Anteile, beispielsweise
Realteile eines komplexen Reflexionsfaktors und/oder Phasendifferenzsignale
erfindungsgemäß unterschiedlich
stark gewichtet werden können.
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Die
Auswerteeinrichtung 42' gemäß 6,
die einen sogenannten I/Q-Mischer umfasst, entspricht teilweise
der Auswerteeinrichtung 42 gemäß 5. Gleiche
oder gleichartige Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Zusätzlich zu
der Mischeinrichtung 48 enthält die Auswerteeinrichtung 42' eine zweite
Mischeinrichtung 71 zum Erzeugen sinusförmiger Anteile Ugl1b, Ugl2b
und Ugl3b an dem Messsignal 50. Das Signal 62 mit
den Referenzphasen φ01, φ02 und/oder φ03 wird
zunächst
einem Laufzeitglied 70, z.B. einer λ/4-Leitung oder einem sogenannten
90-Grad-Hybrid zugeführt.
Das Laufzeitglied 70 bewirkt eine Veränderung der Phasenlage des
Signals 63 um 90°.
Das Ausgangssignal 73 des Laufzeit glieds 70 und
das Signal 64 werden der Mischeinrichtung 71 zugeführt, die
beispielsweise bei Beaufschlagung mit der Frequenz f1 das Ausgangssignal
Ugl1b(f1) gemäß der nachfolgenden
Formel erzeugt.
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Durch
die Veränderung
der Phasenlage um 90° entsteht
ein sinusförmiger
Verlauf. Sinngemäß stehen analog
zu den Formeln (2) und (3) von den Frequenzen f2 und f3 abhängige Anteile
Ugl2b und Ugl3b als Ausgangssignal 72 am Ausgang des Mischers 71 bereit,
wenn der Generator mit den Frequenzen f2 und f3 arbeitet.
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Die
Anteile Ugl1a und Ugl1b kann man auch als die Realteile und Imaginärteile eines
komplexen Reflexionsfaktors gemäß den nachfolgenden
Formeln 8 und 9 darstellen: Ugl1a = Re(U0·e–jkx·2) (8) Ugl1b = Im(U0·e–jkx·2) (9)
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Bei
ideal an den Hohlleiter 26 angepasster Mikrowellen-Antennenanordnung 34 werden
die ideale Verläufe
Ugl1ai(f1) und Ugl1bi(f1) gemäß 8 und 9 gebildet.
Der Index i bedeutet idealer Verlauf, der bei einer ideal an den
Hohlleiter 26 angepassten Antennenanordnung 35 entsteht.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch als vorteilhaft erkannt worden,
vorhandene Fehlanpassungen der Antennenanordnung 34 an
den Hohlleiter 26 bei der Gewichtung der Anteile an dem
Messsignal auszunutzen. Es liegt sogar im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzeptes,
gezielt Fehlanpassungen der jeweiligen Antennenanordnung an den
jeweiligen Hohlleiter herbeizufügen,
um Verläufe
von Anteilen an dem Messsignal zu erzeugen, die gerade nicht ideal
sind und stärkere
und größere und
kleinere Gradienten aufweisen.
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Beispielsweise
haben die realen Verläufe
(Index r) Ugl1ar(f1) und Ugl1br(f1) Gradienten, die von den Gradienten
der Idealverläufe
Ugl1ai(f1) und Ugl1bi(1) abweichen.
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Bei
einer Position x1 hat das Signal Ugl1ar(f1) einen Nulldurchgang
und einen maximalen Gradienten. An dieser Stelle wird das Signal
Ugl1ar(f1) ausgewertet. Auch bei einer Position x3 wird das Signal
Ugl1r(f1) von der Auswerteeinrichtung 42' stark gewichtet.
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Bei
einer Position x2 hingegen hat der Anteil Ugl1ar(f1) einen kleinen
Gradienten und wird geringer gewichtet oder gar mit einem Faktor
Null gewichtet und somit ausgeblendet.
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An
dieser Stelle erkennt man einen Zusammenhang mit dem Phasendifferenzverlauf
gemäß 7.
In 7 sind Phasendifferenzverläufe Δφ1(x) und Δφ2r(x) dargestellt, die durch
eine ohnehin vorhandene und/oder gezielt herbeigeführte Fehlanpassung
der Antennenanordnung 34 an den Hohlleiter 26 bewirkt
sind. In 4 sind zum Vergleich ideale
Verläufe
dargestellt. Beispielsweise hat das Signal Δφr(x) an der Position x1 einen
steilen Gradienten. An der Position x2 verläuft das Signal Δφ1r(x) flacher.
An dieser Stelle wird zweckmäßigerweise
das Signal Δφ2r(wx),
das von der Frequenz f2 abhängt,
ausgewertet.
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Die
Auswerteeinrichtung
42' bildet
das Signal Δφ2r(x) beispielsweise
als Arcustangens gemäß der nachfolgenden
Formel (10)
