DE102009030711A1

DE102009030711A1 - To determine the characteristics of hollow zones and any materials in them, e.g. tanks or silos or cylinders, uses a multi-mode broadband model in a frequency range to show electromagnetic characteristics

Info

Publication number: DE102009030711A1
Application number: DE200910030711
Authority: DE
Inventors: Andreas Lauer; Michael Engels
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2010-12-30

Abstract

To determine at least one characteristic of a hollow zone defined by electrically conductive surfaces and/or the material in the zone, a multi-mode broadband model is prepared for one frequency range for electromagnetic characteristics. An electromagnetic input signal is passed through the zone to a receiver. The transit signal is established for comparison with an expected signal to give the characteristic.

Description

[GEBIET DER ERFINDUNG][FIELD OF THE INVENTION]

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Verfahren zur Bestimmung von Kenngrößen eines Hohlraums, oder darin enthaltenen Materials, mit Hilfe eines elektromagnetischen Breitbandmodells des Hohlraums. Insbesondere beziehen sich einige Ausführungsformen auf die Bestimmung der variablen Länge eines Hohlraums, beispielsweise eines ölgefüllten, hydraulischen Zylinders. Weitere Ausführungsformen beziehen sich auf Vorrichtungen zur Bestimmung besagter Kenngrößen mit Hilfe des Breitbandmodells, beispielsweise der Länge des Hohlraums.embodiments of the present invention relate to methods for determination of characteristics of a Cavity, or material contained therein, by means of an electromagnetic Broadband model of the cavity. In particular, some relate embodiments on the determination of the variable length of a cavity, for example an oil-filled, hydraulic Cylinder. Further embodiments refer to devices for determining said characteristics Help the broadband model, for example, the length of the cavity.

[HINTERGRUND DER ERFINDUNG]BACKGROUND OF THE INVENTION

Ein häufig auftretendes technisches Problem ist die Bestimmung von Eigenschaften eines Hohlraums oder darin befindlicher Materialien. Beispielsweise können solche Eigenschaften die räumlichen Abmessungen des Hohlraums sein. Insbesondere die Bestimmung der variablen Länge eines Zylinders ist von Bedeutung in vielen industriellen Bereichen des Maschinenbaus, z. B. für die präzise Steuerung von Maschinen durch hydraulische oder pneumatische Zylinder.One often The technical problem encountered is the determination of properties a cavity or materials located therein. For example can such properties are the spatial Dimensions of the cavity. In particular, the determination of variable length A cylinder is important in many industrial areas of mechanical engineering, z. For example the precise one Control of machines by hydraulic or pneumatic cylinders.

Zur Bestimmung der Länge eines geschlossenen Zylinders kann eine von der Zylinderlänge abhängige Resonanzfrequenz verwendet werden. Hierzu emittiert eine Sendeantenne elektromagnetische Strahlung, die im Resonanzfall ein Signal in einer Empfangsantenne erzeugt. Aus der so bestimmten Resonanzfrequenz kann die Länge des Zylinders bestimmt werden. Ebenso kann die Länge aus zwei aufeinanderfolgenden Harmonischen einer Resonanzfrequenz ermittelt werden.to Determination of the length a closed cylinder can have a resonance frequency dependent on the cylinder length be used. For this purpose, a transmitting antenna emits electromagnetic Radiation, in the case of resonance, a signal in a receiving antenna generated. From the thus determined resonance frequency, the length of the Cylinders are determined. Similarly, the length of two consecutive Harmonics of a resonant frequency can be determined.

Die oben beschriebenen Verfahren weisen jedoch Schwachen auf. So können in dem Hohlraum auch längenunabhängige Resonanzen auftreten. Diese können die gewöhnlichen längenabhängigen Resonanzfrequenzen überlagern und die Messung verfälschen. Desweiteren weist ein im Verhältnis zum Durchmesser langer Zylinder sehr viele Resonanzfrequenzen auf, die dicht beieinander liegen und sehr schwach sein können, so dass eine Bestimmung erschwert oder unmöglich gemacht sein kann. Umgekehrt weist ein sehr kurzer Zylinder keine niederfrequenten längenabhängigen Resonanzfrequenzen auf, und die hochfrequenten Resonanzen können entweder gar nicht angeregt werden oder gehen im Messrauschen unter. Ferner genügt die Auswertung einer Resonanzfrequenz nicht, um weitere Parameter neben der zu messenden Länge zu bestimmen und auch in der Längenmessung zu berücksichtigen, z. B. Materialeigenschaften einer Ölfüllung des Zylinders.The However, the methods described above are weak. So can in the cavity also length-independent resonances occur. these can the ordinary ones Overlap length-dependent resonance frequencies and falsify the measurement. Furthermore, one has in proportion to the diameter of long cylinders very many resonance frequencies, which are close together and can be very weak, so that a determination can be made difficult or impossible. Vice versa For example, a very short cylinder does not have low frequency length dependent resonant frequencies on, and the high-frequency resonances can either not be excited become or go under in the measurement noise. Furthermore, the evaluation is sufficient a resonant frequency not to further parameters in addition to the measuring length to determine and also in the length measurement to take into account z. B. Material properties of an oil filling of the cylinder.

Angesichts der Probleme der eingangs beschriebenen Verfahren besteht also ein Bedarf, die Bestimmung von Eigenschaften eines Hohlraums oder darin befindlicher Materialien zu verbessern.in view of the problems of the method described above is therefore a Demand, the determination of properties of a cavity or in it materials to improve.

[ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG][SUMMARY OF THE INVENTION]

Im Hinblick auf die zuvor genannten Probleme wird ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 12 bereitgestellt. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen, die einzeln für sich oder in geeigneter Weise beliebig miteinander kombiniert werden können sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben.in the In view of the aforementioned problems, a method according to the independent claim 1 and a device according to the independent claim 12 provided. Further advantageous developments that individually for themselves or combined in any suitable manner with one another can are in the dependent on it claims specified.

Nach einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer Kenngröße eines durch elektrisch leitende Flächen definierten Hohlraums und/oder einer Kenngröße mindestens eines im Hohlraum befindlichen Materials bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erstellen eines Multimodenbreitbandmodells für einen ersten Frequenzbereich, wobei das Multimodenbreitbandmodell elektromagnetische Eigenschaften des Hohlraums und/oder des im Hohlraum befindlichen Materials berücksichtigt. Das Verfahren umfasst weiter ein Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung in den Hohlraum mit Frequenzen über den ersten Frequenzbereich mittels eines Senders als Eingangssignal und ein Auskoppeln eines übertragenen Teils der elektromagnetischen Strahlung aus dem Hohlraum als gemessenes Übertragungssignal mittels eines Empfängers. Ferner umfasst das Verfahren ein Bestimmen eines zu erwartenden Übertragungssignals zwischen Sender und Empfänger auf Basis des Multimodenbreitbandmodells, ein Vergleichen des gemessenen Übertragungssignals mit dem zu erwartenden Übertragungssignal, und ein Bestimmen der mindestens einen Kenngröße des Hohlraums und/oder der mindestens einen Kenngröße des mindestens einen im Hohlraum befindlichen Materials aus dem Vergleich des gemessenen Übertragungssignals mit dem zu erwartenden Übertragungssignal.To an embodiment is a method for determining at least one characteristic of a through electrically conductive surfaces defined cavity and / or a characteristic of at least one in the cavity provided material. The method includes Creating a multimode broadband model for a first frequency range, wherein the multimode broadband model has electromagnetic properties of the cavity and / or the material in the cavity taken into account. The method further includes coupling of electromagnetic Radiation into the cavity with frequencies over the first frequency range by means of a transmitter as an input signal and a decoupling of a transmitted part the electromagnetic radiation from the cavity as a measured transmission signal by means of a receiver. Furthermore, the method comprises determining an expected transmission signal between transmitter and receiver based on the multi-mode broadband model, comparing the measured transmission signal with the expected transmission signal, and determining the at least one characteristic of the cavity and / or the at least one characteristic of at least a material in the cavity from the comparison of the measured transmission signal with the expected transmission signal.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer Kenngröße eines durch elektrisch leitende Flächen definierten Hohlraums oder mindestens eines im Hohlraum befindlichen Materials bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Sender zum Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung in den Hohlraum mit Frequenzen über einen ersten Frequenzbereich als Eingangssignal und einen Empfänger zum Auskoppeln eines übertragenen Teils der elektromagnetischen Strahlung aus dem Hohlraum als gemessenes Übertragungssignal. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Auswertungseinheit, die eingerichtet ist zum Bereitstellen, insbesondere zum Bestimmen oder Abrufen aus einem Speicher, eines zu erwartenden Übertragungssignals zwischen Sender und Empfänger auf Basis eines Multimodenbreitbandmodells für den ersten Frequenzbereich, wobei das Multimodenbreitbandmodell elektromagnetische Eigenschaften des Hohlraums und/oder des im Hohlraum befindlichen Materials berücksichtigt. Die Auswerteeinheit ist auch eingerichtet zum Vergleichen des gemessenen Übertragungssignals mit dem zu erwartenden Übertragungssignal und zum Bestimmen der mindestens einen Kenngröße des Hohlraums und/oder der mindestens einen Kenngröße des mindestens einen im Hohlraum befindlichen Materials aus dem Vergleich des gemessenen Übertragungssignals mit dem zu erwartenden Übertragungssignal.To a further embodiment is a device for determining at least one characteristic of a through electrically conductive surfaces defined cavity or at least one located in the cavity Materials provided. The device comprises a transmitter for Coupling of electromagnetic radiation in the cavity with Frequencies over a first frequency range as an input signal and a receiver for Decoupling a transmitted Part of the electromagnetic radiation from the cavity as a measured transmission signal. The device further comprises an evaluation unit which is set up is for providing, in particular for determining or retrieving a memory, an expected transmission signal between Sender and receiver based on a multimode broadband model for the first frequency range, wherein the multimode broadband model has electromagnetic properties of the cavity and / or the material in the cavity taken into account. The evaluation unit is also set up for comparing the measured transmission signal with the expected transmission signal and for determining the at least one characteristic of the cavity and / or the at least one characteristic of at least a material in the cavity from the comparison of the measured transmission signal with the expected transmission signal.

Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekt und Details von Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Abbildungen und der Beschreibung.Further Advantages, features, aspect and details of embodiments will be apparent the dependent claims, the pictures and the description.

Ausführungsformen sind auch auf Vorrichtungen gerichtet zur Ausführung der offenbarten Verfahren und beinhalten Vorrichtungsteile zur Ausführung eines jeden beschriebenen Methodenschritts. Die Verfahrensschritte können durch Gerätekomponenten, einem durch entsprechende Software programmierten Rechner, durch eine Kombination davon oder auf andere Art gesteuert oder ausgeführt werden. Desweiteren sind Ausführungsformen auch auf Verfahren gerichtet, nach denen beschriebene Vorrichtungen arbeiten oder durch welche sie hergestellt werden. Diese Verfahren enthalten Verfahrensschritte zum Ausführen der Funktionen der Vorrichtungen oder der Vorrichtungsteile.embodiments are also directed to devices for carrying out the disclosed methods and include device parts for carrying out each described Methods step. The process steps can be performed by device components, a computer programmed by appropriate software, through a combination thereof or otherwise controlled or executed. Furthermore, embodiments also directed to methods according to which described devices work or through which they are made. This procedure include method steps for performing the functions of the devices or the device parts.

[KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN][BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES]

Einige der oben erwähnten und weitere detaillierte Aspekte werden in der folgenden Beschreibung beschrieben und teilweise mit Bezug auf die Abbildungen erläutert.Some the above mentioned and more detailed aspects will be in the following description described and partially explained with reference to the figures.

1A–1C zeigen Hohlräume und Vorrichtungen zur Bestimmung von Kenngrößen der Hohlräume oder darin befindlicher Materialien gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen; 1A - 1C show cavities and devices for determining characteristics of the cavities or materials therein according to embodiments described herein;

2A–2C zeigen ein aus Breitbandmodellen des Hohlraums generiertes, erwartetes Übertragungssignal von durch den Hohlraum hindurch übertragener elektromagnetischer Strahlung gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen; 2A - 2C show an expected transmission signal generated from broadband models of the cavity of electromagnetic radiation transmitted through the cavity according to embodiments described herein;

3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Berechnung eines Breitbandmodells des Hohlraums gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen. 3 shows an equivalent circuit diagram for calculating a broadband model of the cavity according to embodiments described herein.

[DETAILLIERTE BESCHREIBUNG][DETAILED DESCRIPTION]

Innerhalb von Beschreibungen der Abbildungen beziehen sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oder ähnliche Komponenten. Im Allgemeinen werden nur die Unterschiede zwischen einzelnen Ausführungsformen beschrieben. Die Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und dienen der Illustration.Within Descriptions of the figures refer to like reference characters on the same or similar Components. In general, only the differences between individual embodiments described. The illustrations are not necessarily to scale and serve the illustration.

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von mindestens einer Kenngröße eines Hohlraums oder eines im Hohlraum befindlichen Materials bereitgestellt.According to embodiments The invention relates to methods and apparatus for the determination of at least one characteristic of a Cavity or a cavity material is provided.

Der hierin verwendete Ausdruck „Hohlraum” soll insbesondere Hohlleiter umfassen. Diese Hohlleiter können an einem Ende oder an beiden Enden durch Abschlüsse, wie z. B. Wände, im Wesentlichen abgeschlossen sein. Hierbei bedeutet „im Wesentlichen abgeschlossen”, dass mindestens ein Abschluss Restöffnungen aufweisen kann, die jedoch nicht mehr als ein Drittel der Fläche eines Hohlleiterendes unbedeckt lassen, typischerweise jedoch weniger, beispielsweise 1%–20% der Hohlleiterendfläche. Insbesondere kann der mindestens eine Abschluss das mindestens eine Hohlleiterende auch vollständig abschließen. Im Falle eines beidseitigen, im Wesentlichen abgeschlossenen Hohlleiters wird auch der Begriff Resonator verwendet.Of the The term "cavity" as used herein is intended to refer in particular Include waveguide. These waveguides can at one end or at both ends by degrees, such as Walls, be essentially completed. Here, "essentially completed", at least one conclusion may have residual openings which however, not more than one third of the area of a waveguide end uncovered let, but typically less, for example 1% -20% of Hollow fiber end face. In particular, the at least one degree may be the at least one Waveguide end also completely to lock. In the case of a bilateral, substantially closed waveguide The term resonator is also used.

Der Hohlraum kann aus einer Menge von Hohlleitern ausgewählt werden, welche längshomogene Hohlleiter, stückweise längshomogene Hohlleiter, Rundhohlleiter, Koaxialhohlleiter und Rechteckhohlleiter umfasst, wobei jeweils eine Endfläche oder beide Endflächen dieser Hohlleiter offen, im Wesentlichen abgeschlossen oder abgeschlossen sein können. Der Hohlraum kann aber auch allgemeinere Formen haben, z. B. kugelförmig sein. Hierbei ist zu beachten, dass die genannten Hohlräume nicht auf die mathematische, ideelle Form beispielsweise eines Zylinders, eines Quaders oder einer Kugel beschränkt sein sollen.The cavity can be selected from a set of waveguides which are longitudinally homogeneous Waveguide, piecewise longitudinally homogeneous waveguide, circular waveguide, coaxial waveguide and rectangular waveguide comprises, each one end face or both end faces of the waveguide can be open, substantially completed or completed. The cavity may also have more general forms, eg. B. be spherical. It should be noted that the cavities mentioned should not be limited to the mathematical, ideal shape of, for example, a cylinder, a cuboid or a sphere.

In typischen Ausführungsformen ist der Hohlraum durch elektrisch leitende Flächen definiert, z. B. nahezu ideal oder gut elektrisch leitende Flächen. Die elektrisch leitenden Flächen können metallene Wände sein, die den Hohlraum begrenzen. Alternativ kann der Hohlraum durch reflektierende Flächen, z. B. durch Wasserflächen oder Keramikoberflächen, definiert sein. Es können eine, mehrere oder alle Wände des Hohlraums aus Materialien ausgewählt werden, die in der folgenden Gruppe enthalten sind: Metalle, Stahl, rostfreier Stahl, Aluminium, Eisen, Kupfer, Quecksilber und Legierungen davon, sowie Glas, Keramik, metallisiertes Glas, metallisierte Keramik, leitende Flüssigkeiten, und Kombinationen davon.In typical embodiments the cavity is defined by electrically conductive surfaces, for. B. almost ideal or good electrically conductive surfaces. The electrically conductive surfaces can be metal walls, which limit the cavity. Alternatively, the cavity may be reflective surfaces, z. B. by water surfaces or ceramic surfaces, be defined. It can one, several or all walls of the cavity are selected from materials described in the following Group include: metals, steel, stainless steel, aluminum, Iron, copper, mercury and alloys thereof, and glass, ceramics, metallised glass, metallized ceramics, conductive liquids, and combinations thereof.

Die 1A–1C zeigen einige spezielle Hohlräume, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können. 1A zeigt einen Rundhohlleiter 100 in Form eines Zylinders, dessen Enden durch eine Wand 104 und eine Kolbenfläche 102 eines Kolbens 130 abgeschlossen sind. Der Zylinder weist momentan die Länge L zwischen der Wand 104 und der Kolbenfläche 102 auf. 1B zeigt ein zylindrisches Silo 100 mit einer Höhe L zwischen den die Enden abschließenden Wanden 104 und 102. Die obere Wand 102 kann beispielsweise auch nur im Wesentlichen abgeschlossen sein und, z. B., eine Öffnung zur Befüllung des Silos aufweisen. 1C zeigt einen rechteckigen Innenraum 100, beispielsweise einen Frachtraum eines Schiffes. Der Innenraum 100 ist ein Rechteckhohlleiter, der durch die Wand 104 an einem Ende abgeschlossen und durch die Wand 102 am anderen Ende im Wesentlichen abgeschlossen ist, wenn eine Tür 102B offen steht, und abgeschlossen ist, wenn die Tür 102B geschlossen ist.The 1A - 1C show some special cavities that can be used in embodiments of the invention. 1A shows a circular waveguide 100 in the form of a cylinder, the ends of which through a wall 104 and a piston surface 102 a piston 130 Are completed. The cylinder currently has the length L between the wall 104 and the piston surface 102 on. 1B shows a cylindrical silo 100 with a height L between the walls terminating the ends 104 and 102 , The upper wall 102 For example, may be only substantially completed and, for. B., having an opening for filling the silo. 1C shows a rectangular interior 100 For example, a cargo hold of a ship. The interior 100 is a rectangular waveguide that goes through the wall 104 completed at one end and through the wall 102 At the other end is essentially completed when a door 102B is open, and is completed when the door 102B closed is.

Gemäß Ausführungsformen kann der Hohlraum leer oder mit mindestens einem Material gefüllt sein. Insbesondere kann der Hohlraum vollständig mit einem Material oder mehreren Materialien gefüllt sein. In anderen Ausführungsformen ist der Hohlraum nur teilweise mit mindestens einem Material gefüllt. Ein Material kann mindestens eine der elektromagnetischen Eigenschaften aus folgender Gruppe besitzen: Homogenität, Isotropie in eine Raumrichtung, Isotropie in zwei oder drei Raumrichtungen und Isotropie.According to embodiments the cavity may be empty or filled with at least one material. Especially the cavity can be completely filled with one or more materials. In other embodiments the cavity is only partially filled with at least one material. One Material can have at least one of the electromagnetic properties from the following group: homogeneity, isotropy in one spatial direction, Isotropy in two or three spatial directions and isotropy.

In den 1A–1C sind beispielhaft Materialfüllungen der entsprechenden Hohlräume abgebildet. 1A zeigt den vollständig mit einem homogenen, isotropen Material 110, z. B. Öl oder Pressluft, gefüllten Zylinder 100. Typischerweise ist ein solcher Zylinder ein hydraulischer oder pneumatischer Zylinder. 1B zeigt das Silo 100, das bis zu Höhe H mit einem Material 110 befüllt ist und darüber Luft 112 enthält. Das Material 110 ist typischerweise Getreide. Während hier eine gleichmäßige Füllhöhe H des Silos gezeigt ist, kann z. B. durch Schüttung auch eine kegelförmige Grenzfläche des Materials 110 zur umgebenden Luft 112 entstehen. In 1C besteht die Füllung des Innenraums aus Frachtgut 116, z. B. mindestens einem Container, mindestens einem Menschen 114 und der umgebenden Luft 110. In typischen Ausführungsformen kann umgebende Luft wie Vakuum behandelt werden.In the 1A - 1C exemplary material fillings of the corresponding cavities are shown. 1A shows that completely with a homogeneous, isotropic material 110 , z. As oil or compressed air, filled cylinder 100 , Typically, such a cylinder is a hydraulic or pneumatic cylinder. 1B shows the silo 100 that is up to height H with a material 110 is filled and above it air 112 contains. The material 110 is typically cereal. While here a uniform filling height H of the silo is shown, z. B. by bed also a conical interface of the material 110 to the surrounding air 112 arise. In 1C the filling of the interior consists of freight 116 , z. B. at least one container, at least one human 114 and the surrounding air 110 , In typical embodiments, ambient air may be treated as vacuum.

Die Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße des Hohlraums oder mindestens eines darin befindlichen Materials gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen umfassen ein Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung in den Hohlraum über einen ersten Frequenzbereich. Der Begriff „Einkoppeln über einen ersten Frequenzbereich” bezeichnet das Einkoppeln eines Frequenzspektrums, das in dem ersten Frequenzbereich liegt.The Method for determining at least one characteristic of the cavity or at least a material therein according to embodiments described herein include a coupling of electromagnetic radiation in the Cavity over a first frequency range. The term "coupling via a first frequency range " the coupling of a frequency spectrum in the first frequency range lies.

Typischerweise besteht das Frequenzspektrum aus einer Reihe von Frequenzen, die sich um einen z. B. konstanten Frequenzunterschied unterscheiden. Für das Einkoppeln eines solchen Frequenzspektrums wird auch der Ausdruck „Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung vermittels Durchfahrung des ersten Frequenzbereichs” verwendet, wenn die Frequenzen sequentiell eingekoppelt werden. Die eingekoppelte Strahlung stellt ein Eingangssignal dar.typically, the frequency spectrum consists of a number of frequencies, the around a z. B. distinguish constant frequency difference. For the Coupling of such a frequency spectrum is also the expression "coupling of electromagnetic radiation by passing through the first frequency range " when the frequencies are injected sequentially. The coupled radiation represents an input signal.

Generell kann ein Signal aus verschiedenen Teilsignalen bestehen, z. B. aus Teilsignalen für jede ein- oder ausgekoppelte Frequenz.As a general rule a signal may consist of different sub-signals, eg. B. off Partial signals for every on or off frequency.

Das Einkoppeln geschieht mittels eines Senders. In den 1A–1C ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung der mindestens einen Kenngröße gezeigt, die einen Sender 122 umfasst. In einigen Ausführungsformen ist der Sender eine Magnetschleife, die die Strahlung induktiv in den Hohlraum einkoppelt. Generell kann eine Einkopplung gemäß Ausführungsformen der Erfindung induktiv (magnetisch), kapazitiv (elektrisch) oder elektromagnetisch erfolgen.The coupling is done by means of a transmitter. In the 1A - 1C an embodiment of a device for determining the at least one characteristic is shown, which is a transmitter 122 includes. In some embodiments, the transmitter is a magnetic loop that inductively couples the radiation into the cavity. Generally, coupling according to embodiments of the invention may be inductive (magnetic), Capacitive (electric) or electromagnetically.

Die ausführungsformgemäßen Verfahren umfassen weiter ein Auskoppeln des durch den Hohlraum hindurch transmittierten Teils der eingekoppelten Strahlung. Für einen Hohlraum in Gestalt eines beinahe idealen luftgefüllten, oder gar evakuierten, Hohlleiters kann dieser Teil bis nahezu 100% betragen. Typischerweise jedoch gibt es Verluste an den Hohlleiterwänden und insbesondere durch eine Füllung des Hohlraums. Die ausgekoppelte Strahlung stellt, ein Übertragungssignal dar.The execution according to the method further comprise decoupling the transmitted through the cavity Part of the coupled radiation. For a cavity in shape a nearly ideal air-filled, or even evacuated, waveguide, this part can be almost 100% be. Typically, however, there are losses on the waveguide walls and in particular by a filling of the cavity. The decoupled radiation represents a transmission signal represents.

Das Auskoppeln geschieht mittels eines Empfängers. In den 1A–1C ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung der mindestens einen Kenngröße gezeigt, die einen Empfänger 124 umfasst. In einigen Ausführungsformen ist der Empfänger eine Magnetschleife, die die Strahlung induktiv aus dem Hohlraum auskoppelt. Generell kann eine Auskopplung gemäß Ausführungsformen der Erfindung induktiv (magnetisch), kapazitiv (elektrisch) oder elektromagnetisch erfolgen.The decoupling is done by means of a receiver. In the 1A - 1C an embodiment of a device for determining the at least one characteristic is shown, which is a receiver 124 includes. In some embodiments, the receiver is a magnetic loop that inductively decouples the radiation from the cavity. In general, a decoupling according to embodiments of the invention, inductively (magnetically), capacitively (electrically) or electromagnetically.

Die Ausführungsformen der Verfahren umfassen das Bestimmen der mindestens einen Kenngröße des Hohlraums und/oder des mindestens einen im Hohlraum befindlichen Materials. Insbesondere können eine oder mehrere Kenngrößen des Hohlraums bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ können auch eine oder mehrere Kenngrößen des Materials oder der Materialien im Hohlraum bestimmt werden. Generell können Kenngrößen direkt die Signalübertragung beeinflussende Größen sein, z. B. die dielektrischen Eigenschaften einer Hydraulikölfüllung eines Zylinders oder die Länge des Zylinders, oder können über Sekundärmodelle abgeleitete Größen sein, z. B. das Alter das Hydrauliköls oder allgemein der Wasseranteil in Materialien oder das Mischungsverhältnis von Materialbestandteilen.The embodiments The methods include determining the at least one characteristic of the cavity and / or the at least one cavity material. In particular, a or several characteristics of the Cavity be determined. additionally or alternatively also one or more characteristics of the Material or materials are determined in the cavity. As a general rule can parameters directly the signal transmission be influencing variables, z. B. the dielectric properties of a hydraulic oil filling a Cylinder or the length of the cylinder, or can via secondary models be derived quantities, z. B. the age of the hydraulic oil or generally the proportion of water in materials or the mixing ratio of Material components.

Zu bestimmende Kenngrößen des Hohlraums werden in einigen Ausführungsformen aus einer Kenngrößengruppe ausgewählt, die umfasst: die räumlichen Dimensionen des Hohlraums, die Länge, Breite und Höhe des Hohlraums, und die Eigenschaften der den Hohlraum begrenzenden Wände, z. B. Materialeigenschaften der Wände und eventuellen Restöffnungen in den Wänden. In typischen Ausführungsformen wird die variable Länge eines Zylinders bestimmt.To determining characteristics of the Cavity are in some embodiments from a characteristic group selected, which includes: the spatial Dimensions of the cavity, the length, width and height of the cavity, and the properties of the cavity limiting Walls, z. B. material properties of the walls and any residual openings in the walls. In typical embodiments becomes the variable length of a cylinder.

Zu bestimmende Kenngrößen des mindestens einen, im Hohlraum befindlichen Materials werden in einigen Ausführungsformen, in denen der Hohlraum mit Hydrauliköl gefüllt ist, aus einer Materialkenngrößengruppe ausgewählt, die umfasst: die dielektrischen Eigenschaften des Öls wie z. B. Permittivität und Verlustfaktor, Temperatur, Alter, Hersteller, und Charge des Öls. In anderen Ausführungsformen kann beispielsweise die Füllhöhe eines Silos mit Getreide, sowie Art und Feuchtigkeitsgehalt des Getreides bestimmt werden. In noch anderen Ausführungsformen kann beispielsweise das Vorhandensein von Fracht und/oder Personen in einem Frachtraum bestimmt werden.To determining characteristics of the at least one material in the cavity will be in some Embodiments, in which the cavity is filled with hydraulic oil, from a material parameter group selected, which includes: the dielectric properties of the oil such as. B. permittivity and loss factor, temperature, age, manufacturer, and batch of oil. In other embodiments For example, the level of a Silos with cereals, as well as the type and moisture content of the cereals be determined. For example, in still other embodiments the presence of cargo and / or persons in a hold be determined.

Eine präzise Bestimmung solcher Kenngrößen kann zur Verbesserung der Steuerung von Maschinen, z. B. der Steuerung eines Hydraulikzylinders, zur Verbesserung der Lagerung, z. B. von Getreide, und zur Erhöhung der Sicherheit beitragen, z. B. durch Bestimmung des Vorhandenseins von Personen in einem Raum und des Öffnungszustands von Türen des Raums.A precise Determination of such characteristics can for improving the control of machines, e.g. B. the controller a hydraulic cylinder, to improve the storage, eg. B. from Cereals, and to increase contribute to safety, eg B. by determining the presence of persons in a room and the opening state of doors of the Space.

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Verfahren zur Bestimmung der mindestens einen Kenngröße das Bestimmen der mindestens einen Kenngröße aus einem Vergleich des gemessenen Übertragungssignals, d. h. der durch den Hohlraum hindurch übertragenen und aus dem Hohlraum ausgekoppelten Strahlung, mit einem zu erwartenden Übertragungssignal. Das zu erwartende Übertragungssignal wird auf der Grundlage eines Multimodenbreitbandmodells bestimmt. Bespiele für Multimodenbreitbandmodelle werden unten erläutert.According to embodiments The invention comprises the method for determining the at least a parameter determining the at least one characteristic from a Comparison of the measured transmission signal, d. H. the transmitted through the cavity and out of the cavity decoupled radiation, with an expected transmission signal. The expected transmission signal is determined on the basis of a multimode broadband model. Examples for Multi-mode broadband models are explained below.

Zunächst sollen aber die Begriffe „Mode”, „Multimode”, „Strahlung”, „Breitbandmodell” und „Multimodenbreitbandmodell” mit Geltung für die gesamte Offenbarung definiert werden.First of all but the terms "mode", "multimode", "radiation", "broadband model" and "multimode broadband model" apply for the entire disclosure can be defined.

Der Begriff „Mode” ist wie folgt zu verstehen. In typischen Beispielen, nämlich in längshomogenen Strukturen, z. B. einem zylindrischen Wellenleiter, können die elektromagnetischen Feldgleichungen in der Regel mit einem Separationsansatz C(x)·B(y, z) gelöst werden, wobei x die Ausbreitungsrichtung ist, z. B. die axiale Richtung in dem zylindrischen Wellenleiter. Jedes beliebige Feld in der längshomogenen Struktur kann durch additive Überlagerung solcher Terme eindeutig beschrieben werden. Das zu einem einzelnen solchen Term gehörige elektromagnetische Feld wird hier als Mode oder Wellentyp bezeichnet. Die transversale Strukturfunktion B(y, z) der Mode hängt nicht von konkreten Anregungszuständen ab und ist charakteristisch für die Mode. Beispiele für Moden sind die TE- und TM-Moden in längshomogenen Hohlleitern oder die TEM-Moden in einem Koaxialhohlleiter. TE-Moden (transversal elektrische Moden) besitzen keine elektrische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung, TM-Moden (transversal magnetische Moden) keine magnetische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung und TEM-Moden (transversal elektromagnetische Moden) weder eine elektrische noch eine magnetische Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung.The term "mode" is to be understood as follows. In typical examples, namely in longitudinally homogeneous structures, for. As a cylindrical waveguide, the electromagnetic field equations can be solved with a separation approach usually C (x) · B (y, z), where x is the propagation direction, z. B. the axial direction in the cylindrical waveguide. Any field in the longitudinally homogeneous structure can be unambiguously described by additive superimposition of such terms. The electromagnetic field associated with a single such term is referred to herein as a mode or mode. The transverse structure function B (y, z) of the mode does not depend on specific excitation states and is characteristic of the mode. Examples of modes are the TE and TM modes in longitudinally homogeneous waveguides or the TEM modes in a coaxial waveguide. TE modes (transverse electric modes) have no electric field component in the propagation direction, TM modes (transverse magnetic modes), no magnetic field component in the propagation direction, and TEM modes (transverse electromagnetic modes) neither an electric nor a magnetic field component in the propagation direction.

Da in den längshomogenen Strukturen die transversalen Strukturfunktionen für eine Mode charakteristisch sind, kann in diesem Fall als „Multimode” die Überlagerung von mindestens zwei Moden mit unterschiedlicher Strukturfunktion verstanden werden. Im allgemeineren Fall, dass die Feldgleichungen nicht über einen Separationsansatz gelöst werden können, ist eine Mode die Lösung A(x,y,z) der Feldgleichungen. Eine Multimode ist dann entsprechend eine Kombination solcher Einzelmoden. Der allgemeinere Fall, der z. B. in Strukturen auftreten kann, die keine Längshomogenität besitzen, wird hier nicht weiter beschrieben, stellt jedoch ebenfalls Ausführungsformen dar. Gemeinsam ist den spezielleren und allgemeineren Ausführungsformen, dass gewöhnlich mindestens zwei Moden signifikant zum Wert der Übertragungsfunktion bei einer Frequenz ω beitragen.There in the longitudinal homogeneous Structures the transversal structure functions for a mode characteristic in this case, as "multimode", the superposition of at least two modes are understood with different structural function. In the more general case, the field equations do not have a Separation approach solved can be a fashion is the solution A (x, y, z) of the field equations. A multimode is then appropriate a combination of such single modes. The more general case, the z. B. may occur in structures that have no longitudinal homogeneity, is not further described here, but also provides embodiments Common to the more specific and more general embodiments, that usually at least two modes significant to the value of the transfer function at one Contribute frequency ω.

Eine Mode im längshomogenen Hohlleiter besitzt eine Cutoff-Frequenz. Der oben genannte Separationsansatz führt auf eine Differentialgleichung für C(x). Die Eigenschaften dieser Gleichung für die eindimensionale Wellenausbreitung hängen von der Frequenz ab. Unterhalb der Cutoff-Frequenz erhält man sogenannte Dämpfungstypen, bei denen C(x) über x exponentiell abklingt. Oberhalb der Cutoff-Frequenz ergibt sich Wellenausbreitung. Bei Cutoff existieren C(x)=const. Lösungen. Diese können zu Resonanzen führen, die nicht von der Längsgeometrie des Hohlleiters, d. h. von x, abhängen. Diese Resonanzen werden längenunabhängige Resonanzen oder synonym Cutoff-Resonanzen genannt. Die im Breitbandmodell verwendeten Cutoff-Frequenzen sind typischerweise komplexwertig, um Verlusten Rechnung zu tragen.A Fashion in the longitudinal homogeneous Waveguide has a cutoff frequency. The above separation approach leads up a differential equation for C (x). The properties of this equation for one-dimensional wave propagation hang from the frequency. Below the cutoff frequency, so-called damping types are obtained. where C (x) over x decays exponentially. Above the cutoff frequency results Wave propagation. At cutoff, C (x) = const. Solutions. these can lead to resonances, not from the longitudinal geometry of the waveguide, d. H. depend on x. These resonances will be length-independent resonances or synonymously called cutoff resonances. The ones used in the broadband model Cutoff frequencies are typically complex to loss Take into account.

Da Lösungen gemäß dem oben genannten Separationsansatz die elektromagnetischen Feldgleichungen erfüllen müssen, hängen die Lösungen für C(x) und B(y, z) über eine sogenannte Separationsgleichung zusammen. Diese stellt eine Beziehung zwischen der Komponente des Wellenvektors in Ausbreitungsrichtung, d. h. in x-Richtung, und dem Betrag des Wellenvektors her. Die Komponente k_x des Wellenvektors in Ausbreitungsrichtung wird Ausbreitungsmaß genannt. Das Ausbreitungsmaß hängt von der Cutoff-Frequenz ab. Insbesondere ist das Ausbreitungsmaß null, wenn die die Frequenz einer Mode gerade der Cutoff-Frequenz entspricht. Typischerweise sind die Ausbreitungsmaße von Moden analytisch bekannt.Since solutions according to the above-mentioned separation approach have to fulfill the electromagnetic field equations, the solutions for C (x) and B (y, z) depend on a so-called separation equation. This establishes a relationship between the component of the wave vector in the propagation direction, ie in the x direction, and the magnitude of the wave vector. The component k _{x of} the wave vector in the propagation direction is called the propagation dimension. The extent of propagation depends on the cutoff frequency. In particular, the propagation distance is zero if the frequency of a mode just corresponds to the cutoff frequency. Typically, the propagation dimensions of modes are known analytically.

Jeder Mode ist auch ein im Allgemeinen komplexwertiger Wellenwiderstand zugeordnet. Dieser hängt mit dem frequenzabhängigen Ausbreitungsmaß zusammen. Beispielsweise gilt in längshomogenen Hohlleitern für TE-Moden Z_TE = ωμ/k_x und für TM-Moden Z_TM = k_x/ωε, wobei ε die Permittivität, μ die Permeabilität, ω = 2πf, und f die Frequenz ist. Typischerweise sind die Wellenwiderstände der Moden analytisch bekannt.Each mode is also associated with a generally complex wave impedance. This is related to the frequency-dependent dispersion measure. For example, in longitudinally homogeneous waveguides for TE modes Z _TE = ωμ / k _x and for TM modes Z _TM = k _x / ωε, where ε is the permittivity, μ is the permeability, ω = 2πf, and f is the frequency. Typically, the mode resistances of the modes are known analytically.

Die Permittivität, auch dielektrische Funktion oder dielektrische Leitfähigkeit genannt, bestimmt die dielektrische Materialeigenschaft, die u. a. das Ausbreitungsverhalten von Wellen beeinflusst. Die Permittivität ist hier typischerweise komplexwertig, so dass dielektrische Materialverluste berücksichtigt werden. Für nicht-isotrope Materialien ist die Permittivität tensorwertig. Die relative Permittivität ε_r ist definiert als das Verhältnis der Permittivität zur elektrischen Feldkonstanten ε₀. Die relative Permittivität hängt von dem Material, der Frequenz, der Temperatur und allgemein auch von der Raumrichtung und der Stärke des elektrischen Feldes ab. In typischen Ausführungsformen, beispielsweise einem mit Hydrauliköl gefüllten Zylinder, kann die Abhängigkeit von der Raumrichtung und der Stärke des elektrischen Feldes vernachlässigt werden.The permittivity, also called dielectric function or dielectric conductivity, determines the dielectric material property which, among other things, influences the propagation behavior of waves. The permittivity here is typically complex-valued, so that dielectric material losses are taken into account. For non-isotropic materials, the permittivity is tensor value. The relative permittivity ε _r is defined as the ratio of the permittivity to the electric field constant ε _0th The relative permittivity depends on the material, the frequency, the temperature and generally also on the spatial direction and the strength of the electric field. In typical embodiments, for example a cylinder filled with hydraulic oil, the dependence on the spatial direction and the strength of the electric field can be neglected.

Entsprechend bestimmt die magnetische Permeabilität die Durchlässigkeit von Materie für magnetische Felder. In typischen Ausführungsformen kann die im Allgemeinen komplexwertige und/oder tensorwertige relative Permeabilität μ_r aber gleich eins gesetzt werden.Accordingly, the magnetic permeability determines the permeability of magnetic field matter. In typical embodiments, however, the generally complex-valued and / or tensor-valued relative permeability μ _r may be set equal to one.

Der Begriff elektromagnetische „Strahlung” umfasst sowohl ausbreitungsfähige elektromagentische Moden als auch Moden vom Dämpfungstyp. Durch einen Sender, bzw. Empfänger, kann elektromagnetische Strahlung ein-, bzw. ausgekoppelt werden, d. h. neben resonanten Moden auch andere ausbreitungsfähige Moden, die mehr oder weniger stark gedampft sein können, und sogar Moden vom Dämpfungstyp. Im Folgenden wird allerdings der geläufigere Begriff „Wellenleitung” statt „Strahlungsleitung” synonym verwendet.Of the Term includes electromagnetic "radiation" both spreadable electromagnetic modes as well as modes of damping type. Through a transmitter, or recipient, electromagnetic radiation can be switched on or off, d. H. besides resonant modes also other modes capable of propagation, which may be more or less damped, and even modes of damping type. In the following, however, the more common term "waveguide" instead of "radiation line" becomes synonymous used.

Ein Breitbandmodell der elektromagnetischen Eigenschaften des Hohlraums und/oder darin befindlichen Materials, insbesondere der Wellenleitungseigenschaften, beschreibt diese Eigenschaften für und über einen Frequenzbereich. In einigen Ausführungsformen ist dieser Frequenzbereich der erste Frequenzbereich. Der erste Frequenzbereich umfasst in einigen Ausführungsformen, die mit allen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, die Grenzfrequenzen von mindestens zwei Moden des Hohlraums, typischerweise von mindestens zwei Moden mit unterschiedlichen Strukturfunktionen. Der erste Frequenzbereich kann beispielsweise, ausgehend von einer den Frequenzbereich nach unten begrenzenden Frequenz, 0.1 bis 10 Oktaven, typischerweise 0.5 bis 2 Oktaven, z. B. 1.5 Oktaven betragen. Der erste Frequenzbereich kann z. B. 0.1 bis 100 GHz, typischerweise 0.5 bis 5 GHz, noch typischer 1 bis 2.5 GHz betragen. Der erste Frequenzbereich kann auch z. B. 1 bis 50 MHz betragen, beispielsweise bei Schiffsinnenräumen als Hohlräumen.A broadband model of the electromagnetic properties of the cavity and / or material therein, in particular waveguiding properties, describes these properties for and over a frequency range. In some embodiments, this frequency range is the first frequency range. The first frequency range, in some embodiments, encompasses all of the embodiments described herein can be combined, the cut-off frequencies of at least two modes of the cavity, typically of at least two modes with different structural functions. The first frequency range can, for example, starting from a frequency range limiting down the frequency, 0.1 to 10 octaves, typically 0.5 to 2 octaves, z. B. 1.5 octaves. The first frequency range can, for. 0.1 to 100 GHz, typically 0.5 to 5 GHz, more typically 1 to 2.5 GHz. The first frequency range can also z. B. 1 to 50 MHz, for example, in ship interiors as cavities.

Auf der Basis des Breitbandmodells kann das zu erwartende Übertragungssignal bestimmt werden, bzw. die für jede Frequenz in dem Frequenzbereich zu erwartenden Teilsignale. Da sich die elektromagnetischen Eigenschaften des Hohlraums aufgrund einer Vielzahl von Parametern ändern können, werden einer oder mehrere dieser Parameter in der Breitbandmodellierung als Modellparameter berücksichtigt.On The base of the broadband model can be the expected transmission signal be determined, or for each frequency in the frequency range expected partial signals. Because the electromagnetic properties of the cavity due to change a variety of parameters can, become one or more of these parameters in broadband modeling considered as a model parameter.

Gemäß Ausführungsformen, die mit allen anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann der mindestens eine Modellparameter aus einer Gruppe von Parametern ausgewählt werden, die umfasst: die räumlichen Dimensionen des Hohlraums, die Länge, Breite, Tiefe des Hohlraums, die Permittivität und relative Permittivität des Materials oder der Materialien, die magnetische Permeabilität oder relative magnetische Permeabilität des Materials oder der Materialien, und die Kopplungsstärken, Ausbreitungsmaße und Wellenwiderstände von Moden.According to embodiments, which are combined with all other embodiments described herein can, can be the at least one model parameter from a group of parameters selected which includes: the spatial Dimensions of the cavity, the length, Width, depth of the cavity, the permittivity and relative permittivity of the material or materials, magnetic permeability or relative magnetic permeability of the material or materials, and the coupling strengths, propagation and characteristic impedance of Fashions.

Die Kopplungsstärken einzelner Moden bestimmen, in welchem Maß die betreffende Mode durch den Sender erregt und/oder durch den Empfänger ausgekoppelt werden kann. In typischen Ausführungsformen sind die Kopplungsstärken schwach. Hierbei bedeutet „schwach”, dass Rückkopplungseffekte vernachlässigbar sind, d. h. Rückwirkungen des Empfängers auf den Sender. Die Kopplungsstärken einzelner Moden hängen von der Positionierung des Senders und Empfängers ab. Beispielsweise kann eine Mode nicht erregt werden, wenn der Sender sich in einem Knotenpunkt derselben befindet.The coupling strengths single modes determine to what extent the relevant mode through the transmitter can be excited and / or decoupled by the receiver. In typical embodiments the coupling strengths weak. Here, "weak" means that Feedback effects negligible are, d. H. repercussions Recipient on the transmitter. The coupling strengths single fashions hang from the positioning of the transmitter and receiver. For example, can a mode can not be excited when the transmitter is in a node is the same.

In den 1A–1C sind die Sender 122 und Empfänger 124 nebeneinander an dem Abschluss 104 gezeigt. Sowohl Sender 122 als auch Empfänger 124 können jedoch auch anders positioniert werden, insbesondere unabhängig voneinander an den Abschlüssen 102, 104 oder den Seitenwänden des Hohlraums 100.In the 1A - 1C are the transmitters 122 and receiver 124 next to each other at the conclusion 104 shown. Both transmitters 122 as well as receiver 124 However, they can also be repositioned differently, in particular independently of each other on the financial statements 102 . 104 or the sidewalls of the cavity 100 ,

Die Kopplungsstärken können, gemäß Ausführungsformen der Erfindung, an Messungen oder Simulationen bei bekannten Dimensionen des Hohlraums und/oder bekannten Materialparametern angepasst werden. In einigen Ausführungsformen erfolgt die Anpassung während des Verfahrens zur Bestimmung der mindestens einen Kenngröße des Hohlraums. Die Anpassung des Modellparameters Kopplungsstärke bei bekannten Dimensionen des Hohlraums und/oder bekannten Materialparametern wird auch als Kalibrierung bezeichnet.The coupling strengths can, according to embodiments invention, measurements or simulations of known dimensions the cavity and / or known material parameters are adjusted. In some embodiments the adjustment takes place during the method for determining the at least one characteristic of the cavity. The adaptation of the model parameter Coupling strength for known dimensions of the cavity and / or known material parameters is also called Calibration called.

2A zeigt zwei aufgrund eines Breitbandmodells zu erwartende Breitbandtransmissionsfunktionen von elektromagnetischer Strahlung durch einen abgeschlossenen Zylinder variabler Länge, wobei die eine Funktion für eine erste Länge L1 und die andere Funktion für eine zweite Länge L2 des Zylinders aus dem Breitbandmodell generiert wurde. Der Wert der Funktion zu jeder Frequenz entspricht dem bei dieser Frequenz zu erwartenden Verhältnis aus Übertragungssignal zu Eingangssignal, welches hier in Dezibel angegeben ist. Zu erkennen sind zwei längenunabhängige Resonanzen A und B und eine längenabhängige Resonanz C. Das Modell beschreibt sowohl die Resonanzbereiche als auch die Frequenzbereiche zwischen den Resonanzen mit hoher Genauigkeit. 2A Figure 4 shows two broad band transmission electromagnetic wave radiation transmission functions due to a broadband model through a variable length closed cylinder, where one function for a first length L1 and the other function for a second length L2 of the cylinder were generated from the broadband model. The value of the function for each frequency corresponds to the ratio of transmission signal to input signal to be expected at this frequency, which is specified here in decibels. Evident are two length-independent resonances A and B and a length-dependent resonance C. The model describes both the resonance ranges and the frequency ranges between the resonances with high accuracy.

Insbesondere beschreibt allgemein ein Breitbandmodell gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht lediglich nur die Lage von längenabhängigen Resonanzen des Hohlraums. Vielmehr beschreibt ein Breitbandmodell gemäß Ausführungsformen, die mit allen Ausführungsformen kombiniert werden können, neben der Lage der längenabhängigen Resonanzfrequenzen im Frequenzbereich mindestens eine weitere Eigenschaft aus folgender Merkmalsgruppe, welche umfasst: die Lage von längenunabhängigen Resonanzen, die Stärke von längenabhängigen Resonanzen, die Stärke von längenunabhängigen Resonanzen, die Breite von Resonanzen, die Breite, Stärke und Form der Frequenzzwischenräume zwischen Resonanzen, und die vollständige Beschreibung der Wellenleitungseigenschaften.Especially generally does not describe a broadband model according to embodiments of the invention only the location of length-dependent resonances of the cavity. Rather, a broadband model according to embodiments describes with all the embodiments can be combined in addition to the position of the length-dependent resonance frequencies at least one more property in the frequency domain from the following Feature group, which includes: the location of length-independent resonances, the strength of length-dependent resonances, the strenght of length-independent resonances, the width of resonances, the width, strength and shape of the frequency gaps between Resonances, and the complete Description of waveguide properties.

Ein Breitbandmodell, das mindestens zwei Moden unterschiedlicher Strukturfunktion bei jeder Frequenz oder über Frequenzen eines Frequenzbandes berücksichtigt, wird hierin als Multimodenbreitbandmodell bezeichnet. Beispielsweise sind die in 2A abgebildeten zu erwartenden Breitbandtransmissionsfunktionen auf der Grundlage eines Multimodenbreitbandmodells erzeugt worden, welches Moden mit fünf unterschiedlichen Strukturfunktionen berücksichtigt.A broadband model that takes into account at least two modes of different structure function at each frequency or frequencies of a frequency band is referred to herein as a multimode broadband model. For example, the in 2A imaged expected broadband transmission radio have been generated based on a multi-mode broadband model, which takes into account modes with five different structural functions.

Demgegenüber ist beispielsweise die Längenbestimmung mittels der Resonanzfrequenzen

eines Koaxialresonators allein auf der Grundlage einer in den Koaxialresonator eingekoppelten TEM-Mode oder ihrer Harmonischer weder ein Breitbandmodell noch ein Multimodenmodell, geschweige denn ein Multimodenbreitbandmodell im Sinne dieser Offenbarung. In obiger Gleichung ist n = 1, 2, ... und c₀ die Vakuumlichtgeschwindigkeit und L die Koaxialresonatorlänge.In contrast, for example, the length determination by means of the resonance frequencies

a coaxial resonator based solely on a coupled into the coaxial resonator TEM mode or their harmonics neither a broadband model nor a multimode model, let alone a multi-mode broadband model in the sense of this disclosure. In the above equation, n = 1, 2, ... and c _{0 is} the vacuum light velocity and L is the coaxial resonator length.

Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst das Verfahren zur Bestimmung der mindestens einen Kenngröße das Anpassen von mindestens einem Modellparameter des Breitbandmodells. Insbesondere umfasst das Vergleichen des nach dem Breitbandmodell zu erwartenden Übertragungssignals mit dem tatsächlich gemessenen Übertragungssignal das Anpassen des mindestens einen Modellparameters. In einigen Ausführungsformen erfolgt diese Anpassung durch Vergleich, insbesondere durch eine Optimierung, des Verhältnisses von Übertragungssignal zu Eingangssignal des Modells mit dem Verhältnis des gemessenen Übertragungssignals zu dem gemessenen Eingangssignal. Solche Signale sind typischerweise Spannungen.According to some Embodiments, those with all other embodiments can be combined For example, the method for determining the at least one characteristic variable comprises the adaptation of at least one model parameter of the broadband model. In particular, includes comparing the transmission signal to be expected according to the wideband model with that actually measured transmission signal the Adjust the at least one model parameter. In some embodiments this adjustment is made by comparison, in particular by a Optimization, the ratio from transmission signal to input signal of the model with the ratio of the measured transmission signal to the measured input signal. Such signals are typical Tensions.

Typischerweise werden alle in dem Breitbandmodell berücksichtigten Modellparameter, also ein Modellparameter oder mehrere Modellparameter, angepasst, so dass das zu erwartende Übertragungssignal möglichst gut mit dem gemessenen Übertragungssignal übereinstimmt. Hierbei bedeutet „möglichst gut”, dass ein Optimierungsverfahren durchgeführt wird. Das Optimierungsverfahren kann in einer punktweisen Anpassung im Bereich der Resonanzen bestehen. Eine punktweise Anpassung kann beispielsweise eine Anpassung an 10 bis 100 Punkte im Frequenzspektrum sein, z. B. an 30, 40 oder 50 Punkte. Durch punktweise Anpassung wird der Rechenaufwand verringert. Eine Anpassung kann für erhöhte Genauigkeit aber auch im gesamten Frequenzbereich erfolgen. Auch andere Optimierungsverfahren wie Least-Square-Fit o. ä., möglicherweise mit Gewichtung, die den Resonanzbereichen größeres Gewicht verleiht, sind gemäß weiteren Ausführungsformen möglich.typically, all model parameters considered in the broadband model, ie a model parameter or several model parameters, adapted, so that the expected transmission signal as possible matches well with the measured transmission signal. This means "as possible Good", that an optimization process is performed. The optimization process may consist in a pointwise adaptation in the area of the resonances. A point-by-point adaptation can, for example, be an adaptation to 10 to 100 points in the frequency spectrum, z. B. at 30, 40 or 50 points. Point-by-point adaptation reduces the computational effort. An adaptation can for increased Accuracy but also in the entire frequency range done. Also other optimization methods like Least Square Fit or similar, possibly with weighting, which gives the resonance areas greater weight, are according to another Embodiments possible.

In einigen Ausführungsformen werden Startwerte für die Modellparameter aus dem gemessenen Übertragungssignal gewonnen. Beispielsweise kann in solch einem solchen teilheuristischen Ansatz ein Startwert für die Permittivität aus den gemessenen Breitbandtransmissionsfunktionen ermittelt werden. Der Realteil der Permittivität kann gemäß einigen Ausführungsformen aus der Lage der Cutoff-Resonanzen erhalten werden, der Imaginärteil (Verluste) aus den Resonanzbreiten oder der Güte der Resonanzen. Die Güte ist definiert als Verhältnis des Realteils der Permittivität zum Imaginärteil.In some embodiments will be starting values for the model parameters obtained from the measured transmission signal. For example, in such a partially heuristic approach a starting value for the permittivity be determined from the measured broadband transmission functions. The real part of the permittivity can according to some embodiments obtained from the location of the cutoff resonances, the imaginary part (losses) from the resonance widths or the quality of the resonances. The goodness is defined as relationship the real part of permittivity to the imaginary part.

Das Vergleichen, bzw. das Anpassen, kann in einer Auswerteeinheit erfolgen. Generell kann eine Auswerteeinheit mindestens ein Rechner, mindestens ein Mikroprozessor oder mindestens ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder eine Kombination davon sein. Da sogar Multimodenbreitbandmodelle oft analytisch oder teilanalytisch gelöst werden können, genügt oft eine relativ geringe Rechenkraft, wie sie auch kleine Recheneinheiten aufbringen können. Generell kann die Komplexität des Breitbandmodells gemäß Ausführungsformen der Erfindung an die Leistungsfähigkeit der Auswerteeinheit angepasst werden.The Comparing or adapting can be done in an evaluation unit. Generally, an evaluation unit can have at least one computer, at least a microprocessor or at least a field programmable gate array (FPGA) or a combination thereof. Because even multimode broadband models often can be solved analytically or partially analytically, often satisfies a relatively small Computing power, as you can apply even small arithmetic units. As a general rule can the complexity the broadband model according to embodiments the invention of the performance be adapted to the evaluation unit.

In einigen Ausführungsformen, die mit allen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst das Bestimmen der mindestens einen Kenngröße das Bestimmen der mindestens einen Kenngröße auf der Grundlage des mindestens einen angepassten Modellparameters. Insbesondere kann ein Modellparameter mit einer zu bestimmenden Kenngröße identisch sein, wie z. B. im Fall der Länge des Hohlraums. In anderen Ausführungsformen werden die Kenngröße oder die Kenngrößen, z. B. das Alter des Hydrauliköls, aus mindestens einem Modellparameter über ein Sekundärmodell abgeleitet.In some embodiments, which are combined with all embodiments described herein can, The determining of the at least one parameter comprises determining the at least one characteristic on the Basis of the at least one adapted model parameter. Especially A model parameter can be identical to a parameter to be determined be like In the case of length of the cavity. In other embodiments become the parameter or the characteristics, z. The age of the hydraulic oil, from at least one model parameter via a secondary model derived.

Die Bestimmung einer oder mehrere Kenngrößen des Hohlraums und/oder einer oder mehrerer Kenngrößen von mindestens einem darin befindlichen Material auf der Grundlage eines Breitbandmodells des Hohlraums, insbesondere eines Multimodenbreitbandmodells, besitzt u. a. folgende Vorteile gegenüber einer Kenngrößenbestimmung, die lediglich auf der Lage der Resonanzfrequenzen beruht: Es können Störungen durch Überlappung frequenzabhängiger und frequenzunabhängiger Resonanzen vermieden und höhere Messgenauigkeiten erzielt werden, beispielsweise für einen Hydraulikzylinder genauer als 1 mm für einen Zylinder der Länge 1 m bei einem Multimodenbreitbandmodell mit fünf Moden unterschiedlicher Strukturfunktion bei jeder Frequenz.The determination of one or more characteristics of the cavity and / or one or more characteristics of at least one material therein based on a broadband model of the cavity, in particular a multi-mode broadband model, has the following advantages over a characteristic determination based solely on the location of the resonance frequencies: It can be avoided interference by overlapping frequency-dependent and frequency-independent resonances and higher measurement accuracy can be achieved, for example, for a hydraulic cylinder more than 1 mm for a cylinder of length 1 m in a multi-mode broadband model with five modes of different structural function at each the frequency.

Durch Modellierung der Stärke der sowohl der parameterabhängigen als auch der parameterunabhängigen Resonanzen entfallen Mehrdeutigkeiten, die ansonsten entstehen können, wenn parameterabhängige und parameterunabhängige Resonanzen sich überlappen oder zusammenfallen. Dank der Kenntnis der Stärke der Resonanz können auch solche überlappenden Resonanzen als getrennte Resonanzphänomene erkannt werden, was Fehlerquellen in der Bestimmung eines Parameters wie der Länge des Hohlraums verringert.By Modeling the strength both the parameter-dependent as well as the parameter independent Resonances eliminate ambiguities that can otherwise arise when parameter dependent and parameter-independent Resonances overlap or coincide. Thanks to the knowledge of the strength of the resonance can also such overlapping Resonances are recognized as separate resonance phenomena, which Sources of error in the determination of a parameter such as the length of the Cavity reduced.

Durch das Breitbandmodell und den Vergleich zwischen sich daraus ergebendem erwarteten Übertragungssignal und gemessenem Übertragungssignal können auch Materialparameter eines oder mehrerer im Hohlraum befindlicher Materialien bestimmt werden. Dies ist in einem Modell nicht möglich, in dem lediglich Hohlraumparameter wie die Länge des Hohlraums aus der Lage von Resonanzen bestimmt werden.By the broadband model and the comparison between it expected transmission signal and measured transmission signal can also material parameters of one or more in the cavity befindlicher Materials are determined. This is not possible in a model, in the only cavity parameter as the length of the cavity from the situation be determined by resonances.

Die Bestimmung der Länge eines Hohlraums wird auch verbessert in Bereichen, in denen die Länge viel kleiner oder viel größer als die Dimensionen des Querschnittes des Hohlraums ist.The Determination of the length A cavity is also improved in areas where the Length a lot smaller or much bigger than is the dimensions of the cross section of the cavity.

Bei kleiner Länge, d. h. sehr kleinem Volumen, gibt es wenige oder sogar keine niederfrequenten längenunabhängigen Resonanzen. Bei großer Länge, d. h. großem Volumen, gibt es sehr viele, möglicherweise schwache Resonanzen. Das Breitbandmodell hilft, auch in diesen Fällen Messdaten korrekt zu interpretieren, während andere, rein resonanzfrequenzbasierte Verfahren möglicherweise versagen.at small length, d. H. very small volume, there are few or even no low frequency length-independent resonances. At big Length, d. H. great Volume, there are many, possibly weak Resonances. The broadband model helps, even in these cases, measurement data to interpret correctly while other pure frequency-based methods may be to fail.

2A–2C zeigen aus einem Breitbandmodell gewonnene Transmissionsfunktionen, wobei der Wert zu jeder Frequenz ein Verhältnis des aus dem Modell berechneten Übertragungssignals zu dem entsprechenden Eingangssignal ist. Die Werteskale ist in der dimensionslosen Einheit Dezibel aufgetragen. 2A zeigt Transmissionsfunktionen eines ölgefüllten Zylinders mit variabler Länge, dessen Querschnitt ein Quadrat der Seitenlänge 100 mm ist, wobei die Seitenlänge des Quadrats größer ist als die Länge L₁ = 20 mm, und L₂ = 40 mm. 2B zeigt Transmissionsfunktionen desselben Zylinders, allerdings mit einer Länge von L₃ = 100 mm und L₄ = 120 mm. 2C schließlich zeigt Transmissionsfunktionen des besagten Zylinders, allerdings mit einer Länge von L₅ = 800 mm und L₆ = 820 mm, wobei beide Längen L₅ und L₆ größer als die Seitenlänge des quadratischen Querschnitts sind. Die längenunabhängigen Resonanzen A und B bei ungefähr 1.4 GHz und 2.2 GHz sind in allen 2A–2C eindeutig zu identifizieren. In 2A hingegen gibt es nur eine längenabhängige Resonanz, während es in 2C viele, jedoch schwächer ausgeprägte längenabhängige Resonanzen gibt. 2A - 2C show transmission functions derived from a broadband model, the value for each frequency being a ratio of the transmission signal calculated from the model to the corresponding input signal. The value scale is plotted in the dimensionless unit decibel. 2A shows transmission functions of an oil-filled cylinder of variable length, whose cross-section is a square of the side length 100 mm, the side length of the square being greater than the length L ₁ = 20 mm, and L ₂ = 40 mm. 2 B shows transmission functions of the same cylinder, but with a length of L ₃ = 100 mm and L ₄ = 120 mm. 2C Finally, transmission functions of the said cylinder, but with a length of L ₅ = 800 mm and L ₆ = 820 mm, both lengths L ₅ and L _{6 are} greater than the side length of the square cross-section. The length-independent resonances A and B at approximately 1.4 GHz and 2.2 GHz are in all 2A - 2C clearly identifiable. In 2A however, there is only a length-dependent resonance, while in 2C There are many, but weaker length-dependent resonances.

Die für den Typ des Hohlraums charakteristischen, längenunabhängigen Resonanzen können beispielsweise helfen, die gemessenen Resonanzen mit den Modellresonanzen zu identifizieren. Beispielsweise mag es schwer sein, eine gemessene Resonanzkurve für einen Zylinder wie in 2C mit den längenabhängigen Modellresonanzen zu identifizieren, die dicht beieinander liegen und sich bei Abweichungen des Längenparameters von der tatsächlichen Länge des Zylinders zudem verschieben. Die längenunabhängigen Resonanzen A und B ermöglichen hingegen eine „Grobpositionierung”.For example, the length-independent resonances characteristic of the type of cavity can help identify the measured resonances with the model resonances. For example, it may be hard to get a measured resonance curve for a cylinder as in 2C be identified with the length-dependent model resonances, which are close to each other and also shift in case of deviations of the length parameter from the actual length of the cylinder. The length-independent resonances A and B, however, allow a "coarse positioning".

Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit allen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst das Erstellen eines Multimodenbreitbandmodells Erstellen eines Ersatzschaltbildes. Das Ersatzschaltbild beinhaltet eine vollständige Beschreibung des Multimodenbreitbandmodells. Insbesondere gestattet die Modendarstellung die Betrachtung dreidimensionaler, gegebenenfalls stückweise längshomogener Strukturen als Überlagerung eindimensionaler Leitungsmodelle zur Bestimmung von C(x) und somit eine Darstellung als Ersatzschaltbild.According to some Embodiments, which are combined with all embodiments described herein can, includes creating a multimode broadband model Create an equivalent circuit diagram. The equivalent circuit diagram contains a complete description of the multimode broadband model. In particular, the fashion display allows the consideration of three-dimensional, possibly piecewise longitudinally homogeneous Structures as overlay one-dimensional conduction models for the determination of C (x) and thus one Representation as equivalent circuit diagram.

Wie oben erklärt, kann jeder Mode des Hohlraums ein Wellenwiderstand und ein Ausbreitungsmaß zugeordnet werden. Ist der Hohlraum nicht leer, so sind diese von der Permittivität des im Hohlraum befindlichen Materials oder der im Hohlraum befindlichen Materialien abhängig. Der Einfluss aller Moden, die nicht explizit berücksichtigt werden, insbesondere der nicht ausbreitungsfähigen Moden, kann durch einen gesonderten Übertragungskanal berücksichtigt werden.As explained above Each mode of the cavity can be assigned a characteristic impedance and a propagation dimension become. If the cavity is not empty, these are dependent on the permittivity of the Cavity material or located in the cavity Materials dependent. The influence of all modes that are not explicitly taken into account, in particular the non-proliferating Modes, can be considered through a separate transmission channel become.

3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Multimodenbreitbandmodells. Das Ersatzschaltbild zeigt einen Sender TX beschrieben durch eine Spannungsquelle U_in, einen komplexen Widerstand R_in, z. B. den Wellenwiderstand eines Koaxialkabels, und eine Induktivität L_in, z. B. eine Spule. Der Sender S koppelt in diesem Fall induktiv Strahlung in verschiedene Moden des Hohlraums ein. 3 shows an equivalent circuit diagram of a multi-mode broadband model. The equivalent circuit diagram shows a transmitter TX described by a voltage source U _in , a complex resistor R _in , z. As the characteristic impedance of a coaxial cable, and an inductance L _in , z. B. a coil. In this case, the transmitter S inductively couples radiation into different modes of the cavity.

Gezeigt sind in 3 Transmissionskanäle dreier Moden, die mit den Stärken M₁, M₂ und M₃ eingekoppelt sind, sowie einen Transmissionskanal mit Kopplungsstärke M₀, der den Einfluss aller übrigen Moden beschreibt. Die drei explizit berücksichtigten Moden sind im Ersatzschaltbild durch die induktiv induzierten Spannungsquellen U₁, U₂ und U₃ und Wellenleiter dargestellt, deren Anfang und Ende symbolisch durch die kleinen, offenen Kreise dargestellt werden. Die Wellenleiter besitzen, jeweils auf eine Mode i bezogen mit i = 1, 2, 3, einen Wellenwiderstand Z_i(ε), der von der Permittivität abhängt. Ferner sind die Wellenleiter durch die Parameter Ausbreitungsmaße γ_i und die Länge L des Hohlraums beschrieben.Shown are in 3 Transmission channels of three modes, which are coupled with the strengths M ₁ , M ₂ and M ₃ , and a transmission channel with coupling strength M ₀ , which describes the influence of all other modes. The three explicitly considered modes are shown in the equivalent circuit diagram by the inductively induced voltage sources U ₁ , U ₂ and U ₃ and waveguides whose beginning and end are represented symbolically by the small, open circles. The waveguides have, in each case in a mode i with i = 1, 2, 3, a characteristic impedance Z _i (ε), which depends on the permittivity. Furthermore, the waveguides are described by the parameters propagation dimensions γ _i and the length L of the cavity.

Das Ersatzschaltbild in 3 zeigt werter einen Empfänger RX beschrieben durch eine Spannungsquelle U_out, einen Widerstand R_out, z. B. den Wellenwiderstand eines Koaxialkabels, und eine Induktivität L_out, z. B. eine Spule. Der Empfänger RX koppelt in diesem Fall induktiv Strahlung aus den verschiedenen Moden des Hohlraums aus. Die Stärken der Auskopplung der explizit berücksichtigten Moden sind mit M'₁, M'₂ und M'₃ bezeichnet Zum besseren Verständnis wird im Folgenden eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die sich auf einen Rundhohlleiter mit abgeschlossenen Enden, d. h. auf einen Resonator, bezieht. Jedoch können Multimodenmodelle und entsprechende Ersatzschaltbilder auch für jede andere Ausführungsform erstellt werden, z. B. Rechteckhohlleiter, Koaxialhohlleiter oder allgemeinere Hohlräume.The equivalent circuit diagram in 3 Werter shows a receiver RX described by a voltage source U _out , a resistor R _out , z. As the characteristic impedance of a coaxial cable, and an inductance L _out , z. B. a coil. The receiver RX in this case inductively couples radiation from the different modes of the cavity. The strengths of the coupling out of the explicitly considered modes are designated M ' ₁ , M' ₂ and M ' _3. For a better understanding, an embodiment of the invention is described below which relates to a round waveguide with terminated ends, ie a resonator. However, multimode models and equivalent equivalent circuit diagrams can also be created for any other embodiment, e.g. B. rectangular waveguide, coaxial waveguide or more general cavities.

Gemäß dem Ersatzschaltbild in 3, kann der Strom I_in in der Einkoppelschleife TX komplexwertig als

beschrieben werden, wobei U_in eine Eingangsspannung, L_in die Induktivität der Einkoppelschleife, R_in der Wellenwiderstand der Einkoppelschleife, ω die Kreisfrequenz und j die imaginäre Einheit sind. Ganz allgemein kann die Induktivität einer Leiterschleife gemäß Ausführungsformen entweder aus Simulationen gewonnen oder gemessen werden, z. B. bei niedriger Frequenz.According to the equivalent circuit in 3 , the current I _{in may become} complex in the launch loop TX

are described, wherein an input voltage U _in, L _in the inductance of the coupling loop, R _in the characteristic impedance of the coupling loop, ω is the angular frequency and j is the imaginary unit. In general, the inductance of a conductor loop according to embodiments may either be obtained from simulations or measured, e.g. B. at low frequency.

Der Strom I_in induziert Ströme I_i in die Moden i des Hohlraums gemäß

wobei M_i die Kopplungsstärken der Einkopplung in die i-te Mode und Z_in,i die Eingangsimpedanzen der i-ten Mode des Hohlraums sind. Die Kopplungsstärken sind typischerweise so schwach, dass Rückwirkungen vernachlässigt werden können. Für einen Rundhohlleiter berechnen sich die Eingangsimpedanzen wie folgt.The current I _in induces currents I _i into the modes i of the cavity according to FIG

where M _{i are} the coupling strengths of the injection into the ith mode and Z _{in, i} the input impedances of the ith mode of the cavity. The coupling strengths are typically so weak that repercussions can be neglected. For a circular waveguide, the input impedances are calculated as follows.

Die elektromagnetischen Feldgleichungen werden vorzugsweise statt in kartesischen in Zylinderkoordinaten gelöst durch einen Ansatz C(x)B(r, ϕ) für das Vektorpotential, wobei r die radiale und ϕ die azimutale Koordinate sind. Dabei sind zusätzlich Randbedingungen und die Separationsgleichung zu beachten. Aus der Lösung ergeben sich zwei unterschiedliche Wellentypen, die TM-Moden und die TE-Moden. Diese klingen nur oberhalb einer Grenzfrequenz, auch Cutoff-Frequenz genannt, nicht aperiodisch ab. Die Grenzfrequenzen berechnen sich für die i-te Mode gemäß

wobei c₀ die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist, r der Radius des Hohlleiters, ε_r die relative, typischerweise komplexwertige Permittivität und μ_r die relative Permeabilität ist, welche jedoch typischerweise gleich eins gesetzt werden kann. Die Größen e_tr,i sind die transversalen Eigenwerte der ersten zehn Moden im Rundhohlleiter, d. h. der zehn Moden mit den niedrigsten Grenzfrequenzen und unterschiedlichen Strukturfunktionen. Die folgende Tabelle listet die ersten zehn Moden und die zugehörigen transversalen Eigenwerte auf:

Index i Modenname e_tr,i 1 TE_1,1 1.841183 2 TM_0,1 2.404825 3 TE_2,1 3.054237 4 TM_1,1 3.831706 5 TE_0,1 3.831706 6 TE_3,1 4.201189 7 TM_2,1 5.135622 8 TE_4,1 5.317553 9 TE_1,2 5.331442 10 TM_0,2 5.520078

The electromagnetic field equations are preferably solved in Cartesian in cylindrical coordinates by an approach C (x) B (r, φ) for the vector potential, where r is the radial and φ the azimuthal coordinate. In addition, boundary conditions and the separation equation must be taken into account. From the solution there are two different wave types, the TM modes and the TE modes. These sound only above a cutoff frequency, also called cutoff frequency, not aperiodically. The cutoff frequencies are calculated according to the ith mode according to

where c _{0 is} the vacuum light velocity, r is the radius of the waveguide, ε _{r is} the relative, typically complex valency permittivity, and μ _{r is} the relative permeability, which, however, can typically be set equal to one. The quantities e _{tr, i} are the transverse eigenvalues of the first ten modes in the circular waveguide, ie the ten modes with the lowest limit frequencies and different structural functions. The following table lists the first ten modes and the associated transversal eigenvalues:

Index i Fashion name e _{tr, i} 1 TE _1,1 1.841183 2 TM _0.1 2.404825 3 TE _2.1 3.054237 4 TM _1.1 3.831706 5 TE _0.1 3.831706 6 TE _3.1 4.201189 7 TM _2.1 5.135622 8th TE _4.1 5.317553 9 TE _1,2 5.331442 10 TM _0.2 5.520078

Diese Moden des Hohlleiters besitzen das Ausbreitungsmaß

wobei f die Frequenz ist, und für TE-Moden den Wellenwiderstand

und für TM-Moden den Wellenwiderstand

wobei Z_F0 der Freiraumwellenwiderstand mit einer Größe von ungefähr 377 Ohm ist.These modes of the waveguide have the extent of propagation

where f is the frequency and for TE modes the characteristic impedance

and for TM modes the characteristic impedance

where Z _{F0 is} the free space _wave resistance having a size of about 377 ohms.

Der Abschluss des Rundhohlleiters, bzw. die Abschlüsse des Rundhohlleiters zu einem Resonator, können im Ersatzschaltbild als Kurzschluss aufgefasst werden. Um diesem Kurzschluss Rechnung zu tragen, transformiert sich der Wellenwiderstand Z_i, wobei damit sowohl der Wellenwiderstand Z_TE,i der TE-Moden als auch der Wellenwiderstand Z_TM,i gemeint ist, zu einer Eingangsimpedanz Z_in,i gemäß Zin,i = Zi tanh(γiL)wobei L die Resonatorlänge ist.The conclusion of the circular waveguide, or the terminations of the circular waveguide to a resonator, can be considered in the equivalent circuit diagram as a short circuit. In order to take account of this short circuit, the characteristic impedance Z _i , whereby both the characteristic impedance Z _{TE, i of} the TE modes and the characteristic impedance Z _{TM, i} is meant, is transformed to an input impedance Z _{in, i} according to FIG Z in, i = Z i tanh (γ i L) where L is the resonator length.

Für die Spannung U_out, die über die Induktivität L_out in den Ausgangsschaltkreis induziert wird gilt

wobei M'_i die Auskopplungsstärken der i-ten Mode sind. Der erste Term mit Kopplungsstärke M₀ berücksichtigt alle nicht explizit in der Summe erfassten Moden.For the voltage U _out , which is induced via the inductance L _out in the output circuit applies

where M ' _{i are} the outcoupling strengths of the ith mode. The first term with coupling strength M ₀ takes into account all modes not explicitly included in the sum.

Gemäß Ausführungsformen, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst das Multimodenbreitbandmodell des Hohlraums von 2 bis 30 Moden unterschiedlicher Strukturfunktion, typischerweise von 2 bis 10 Moden, noch typischer von 2 bis 5 Moden, z. B. 2, 3, 4 oder 5 Moden. In 3 sind 3 Moden im Ersatzschaltbild dargestellt.According to embodiments that may be combined with all other embodiments, the cavity multimode broadband model comprises from 2 to 30 modes of different structure function, typically from 2 to 10 modes, more typically from 2 to 5 modes, e.g. B. 2, 3, 4 or 5 modes. In 3 3 modes are shown in the equivalent circuit diagram.

Das Ergebnis der Modellberechnung ist das Verhältnis ν(f, εr, L) = Uout/Uin das insbesondere von der Frequenz f, der relativen Permittivität ε_r und der Hohlraumlänge L abhängt.The result of the model calculation is the ratio ν (f, ε r , L) = U out / U in which depends in particular on the frequency f, the relative permittivity ε _r and the cavity length L.

Die Funktion ν(f, ε_r, L) wird hierin auch Breitbandtransmissionsfunktion genannt und ist im Allgemeinen komplexwertig. In einigen Ausführungsformen entspricht das Messergebnis dem Betrag dieser Funktion. In anderen Ausführungsformen können sowohl die Entsprechungen zum Betrag und der Phase dieser Funktion gemessen werden. Es können auch Entsprechungen zum Real- und Imaginärteil dieser Funktion gemessen oder aus den Messwerten gebildet werden. In den 2A–2C ist der Betrag einer Breitbandtransmissionsfunktion ν(f, ε_r, L) des Rechteckhohlleiters in Dezibel gegen die Frequenz aufgetragen. Typischerweise werden die komplexe Permittivität und die Hohlraumlänge an die Messergebnisse angepasst, z. B. mittels eines Optimierungsverfahrens.The function ν (f, ε _r , L) is also called broadband transmission function herein and is generally complex-valued. In some embodiments, the measurement result corresponds to the amount of this function. In other embodiments, both the correspondences to the magnitude and phase of this function may be measured. Correspondences to the real and imaginary parts of this function can also be measured or formed from the measured values. In the 2A - 2C the amount of a broadband transmission function ν (f, ε _r , L) of the rectangular waveguide is plotted against the frequency in decibels. Typically, the complex permittivity and cavity length are adjusted to the measurement results, e.g. B. by means of an optimization process.

Einigen Ausführungsformen entsprechend, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, werden mehrere Sender und/oder mehrere Empfänger verwendet.some embodiments accordingly, which are combined with all other embodiments can, Several transmitters and / or multiple receivers are used.

Diese können verschieden positioniert sein, und beispielsweise unterschiedlich an Hohlraummoden koppeln. Das Multimodenbreitbandmodell kann verschiedene Eingangs- und Übertragungssignale aus den mehreren Sendern und/oder Empfängern berücksichtigen. Dies kann die Genauigkeit und Flexibilität des Modells erhöhen, z. B. um nicht-isotropen und nicht-homogenen Verteilungen von Materialien im Hohlraum Rechnung zu tragen.These can be positioned differently, and for example different couple to cavity modes. The multimode broadband model can be various Input and transmission signals from the multiple senders and / or receivers. This can be the Accuracy and flexibility of the model, z. For example, non-isotropic and non-homogeneous distributions of materials to take into account in the cavity.

Der Hohlraum kann auch als Tank oder Silo ausgebildet sein. Das darin enthaltende Material kann ein Fluidum oder Schüttgut sein.Of the Cavity can also be designed as a tank or silo. That in it containing material may be a fluid or bulk material.

Während sich obige Erläuterungen auf einzelne Ausführungsformen der Erfindung beziehen, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung ersonnen werden ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, welcher durch die nachfolgenden Patentansprüche festgelegt wird.While above explanations to individual embodiments can refer to the invention, others and other embodiments of the invention are devised without departing from the scope of the invention to depart, which is defined by the following claims becomes.

Claims

Method for determining at least one Characteristic of a through electrically conductive surfaces defined cavity and / or a characteristic of at least one in the cavity material, the method comprising: Create a multimode broadband model for a first frequency range, in which the multimode broadband model electromagnetic properties of the Cavity and / or of the material located in the cavity taken into account; coupling of electromagnetic radiation into the cavity at frequencies above the first frequency range by means of a transmitter as an input signal; decoupling a transferred one Part of the electromagnetic radiation from the cavity as a measured transmission signal by means of a receiver; Determine an expected transmission signal between transmitter and receiver based on the multimode broadband model; Compare the measured transmission signal with the expected transmission signal; Determine the at least one characteristic of the cavity and / or the at least one characteristic of the at least one im Cavity material from the comparison of the measured transmission signal with the expected transmission signal.

Method according to one of the preceding claims, wherein the multimode broadband model the electromagnetic properties dependent on taken into account by at least one model parameter, and wherein the comparing the measured transmission signal with the expected transmission signal includes: Customize the at least one model parameter the basis of the transmission signal; and wherein determining the at least one characteristic comprises: Determine the at least one characteristic on the Basis of the at least one adapted model parameter.

Method according to one of the preceding claims, wherein the first frequency range the cutoff frequencies of at least two Comprises modes of the cavity having different structural function, Preferably, the cutoff frequencies of the at least two modes of Waveguide with lowest cutoff frequency.

Method according to one of the preceding claims, wherein the cavity is a tank or silo or has a variable length.

Method according to one of the preceding claims, wherein the cavity is substantially defined by at least one end termination completed waveguide of a waveguide group is made of consists of the following elements: circular waveguide, coaxial waveguide and rectangular waveguide.

Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one material is a fluid or bulk material, or wherein the at least one material is a fluid and the Cavity one filled with the fluidum hydraulic or pneumatic cylinder is.

Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one parameter from a parameters group selected is, which consists of the following elements: length of the cavity, permittivity of at least a material, temperature of the at least one material and state of aging of the at least one material.

Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one model parameter is selected from a parameter group, consisting of the following elements: length of the cavity, permittivity of the at least a material, characteristic impedance and dispersion measures of cavity modes.

Method according to one of the preceding claims, wherein determining the expected transmission signal on the Base of the multimode broadband model includes: Determine from cavity-length-dependent resonance signatures and / or cavity length independent resonance signatures in the expected transmission signal based on the multimode broadband model.

Method according to one of the preceding claims, wherein determining the expected transmission signal on the Base of the multimode broadband model includes: Determine from resonance strength and / or width of at least one resonance signature in the expected transmission signal based on the multimode broadband model.

Method according to one of the preceding claims, wherein comparing the measured transmission signal with the expected transmission signal includes: Adjusting the expected transmission signal on the Based at least one resonance signature in the measured transmission signal.

Device for determining at least one Characteristic of a defined by electrically conductive surfaces Cavity or at least one material in the cavity, the device comprising: a transmitter for coupling of electromagnetic radiation in the cavity with frequencies over a first Frequency range as input signal; a receiver for Decoupling a transmitted Part of the electromagnetic radiation from the cavity as a measured transmission signal; a Evaluation unit that is set up: to provide an expected transmission signal between stations and receiver based on a multimode broadband model for the first frequency range, wherein the multimode broadband model has electromagnetic properties the cavity and / or the material in the cavity takes into account; to the Compare the measured transmission signal with the expected transmission signal; and for determining the at least one characteristic of the cavity and / or the at least one characteristic of the at least one im Cavity material from the comparison of the measured transmission signal with the expected transmission signal.

Apparatus according to claim 12, wherein said at least a material is a fluid and the cavity is a fluid filled hydraulic or pneumatic cylinder of variable length.

Device according to one of claims 12 to 13, wherein the evaluation unit selected from a group which consists of the following elements: microcontrollers and FPGAs.

Device according to one of claims 12 to 14, which is established is for execution of the method according to any one of claims 1 to 11.