DE102009055363A1

DE102009055363A1 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Kolbenzylinders und Mikrowellen-Sensorvorrichtung

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Publication number: DE102009055363A1
Application number: DE200910055363
Authority: DE
Inventors: Norbert Fend; Léon Audergon; Markus 73765 Fritton; Albert 73760 Dorneich
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Kolbenzylinders, bei dem Mikrowellen in einem Frequenzband in einen Zylinderraum vor dem Kolben eingestrahlt werden, wobei das Frequenzband so gewählt wird, dass mindestens zwei unterschiedliche positionsabhängige Moden angeregt werden, die Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Moden bestimmt werden und aus den Resonanzfrequenzen die Position des Kolbens ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Kolbenzylinders unter Verwendung von Mikrowellen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Mikrowellen-Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Kolbenzylinders.
Aus der DE 198 33 220 A1 ist eine Abstandsmessvorrichtung mit einer Sensoreinrichtung und einer Auswerteelektronik bekannt, bei der die Sensoreinrichtung zumindest eine Koppelsonde zur Einspeisung eines Sendesignals in eine Leitungsstruktur aufweist.
Aus der US 4,737,705 ist ein linearer Positionssensor bekannt, welcher einen koaxialen Resonantor-Hohlraum verwendet.
Aus der EP 0 303 595 B1 ist eine Vorrichtung zur Detektion der linearen Position eines Kolbens und einer Kolbenstange bekannt, bei der Mikrowellen reflektiert werden und transversale Moden erzeugt werden.
In der Doktorarbeit "Integrated Microwave Sensors for Cavity-Length Measurement in Machine Engineering" von Alexander Megej, Shaker Verlag, Aachen 2002, sind Mikrowellensensoren beschrieben, welche es ermöglichen, die Länge eines zylindrischen Hohlraums zu bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine hohe Messgenauigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mikrowellen in einem Frequenzband in einem Zylinderraum vor dem Kolben eingestrahlt werden, wobei das Frequenzband so gewählt wird, dass mindestens zwei unterschiedliche positionsabhängige Moden angeregt werden, dass die Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Moden bestimmt werden, und dass aus den Resonanzfrequenzen die Position des Kolbens ermittelt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung folgt eine multimodale Anregung in dem Zylinderraum als Hohlraum und es erfolgt eine multimodale Auswertung. Dadurch, dass Messungen an mindestens zwei Moden (wobei diese Moden positionsabhängig sind) durchgeführt werden, lässt sich die Länge dieses Zylinderraums und damit die Kolbenposition eindeutig bestimmen.
Durch die entsprechende breitbandige Anregung und durch diese Auswertung ergibt sich eine hohe Auflösung. Außerdem lässt sich über den gesamten Messbereich eine gleichbleibend hohe Auflösung erreichen.
Es ist günstig, wenn eine von der Position des Kolbens unabhängige Grundmode angeregt wird. Über diese Grundmode lässt sich die Dielektrizitätszahl eines Mediums (wie beispielsweise Hydrauliköl) in dem Zylinderraum bestimmen. Dadurch lässt sich auch bei a priori unbekannter Dielektrizitätszahl oder bei zeitlicher Änderung der Dielektrizitätszahl eine genaue Positionsbestimmung durchführen. Auf die Dielektrizitätszahl des Hydrauliköls beispielsweise haben die Temperatur und der Druck wie auch andere Umweltfaktoren einen starken Einfluss. Diese Einflussfaktoren können grundsätzlich die Kolbenpositionsmessung verfälschen. Durch eine unabhängige Bestimmung der Dielektrizitätszahl lassen sich diese Einflüsse kompensieren.
Insbesondere wird die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Grundmode für die Bestimmung der Dielektrizitätszahl für ein Medium im Zylinderraum verwendet. Dadurch lässt sich die Kolbenposition genau ermitteln.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen Amplitude und/oder Phase zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal ausgewertet werden. Mit Sendesignalen werden die Moden in dem Zylinderraum angeregt. Empfangssignale charakterisieren die reflektierte Energie. Aus der Amplitude und/oder Phase lässt sich bei entsprechender Auswertung eine einer entsprechenden Mode zugeordnete Resonanzfrequenz bestimmen.
Günstig ist es, wenn das Frequenzband im Bereich bis beispielsweise 20 GHz und insbesondere 10 GHz liegt. Vorteilhaft ist es, wenn das Frequenzband bis in einen technisch machbaren Bereich reicht. Beispielsweise geht das Frequenzband von einer unteren Cut-Off-Frequenz zu dieser oberen Frequenz.
Es ist günstig, wenn zu der Berechnung der Position des Kolbens eine Mode mit der höchsten Resonanzfrequenz verwendet wird. Dadurch lässt sich über dem gesamten Messbereich eine gleichmäßige Auflösung erzielen.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Referenzfahrt des Kolbens durchgeführt wird und Resonanzfrequenzen für Moden in Abhängigkeit der bekannten Kolbenpositionen ermittelt werden. Die so ermittelten Resonanzfrequenzen werden gespeichert. Bei einer aktuellen Messung kann dann ein Vergleich durchgeführt werden und dadurch lässt sich auf einfache Weise die Kolbenposition bestimmen.
Bei einer Ausführungsform wird bei einer Referenzfahrt ein Spektrum mindestens für ausgewählte Moden aufgenommen. Es lässt sich dadurch ein Modendiagramm für die Abhängigkeit der Resonanzfrequenzen von den Kolbenpositionen für unterschiedliche Moden ermitteln. Bei einer aktuellen Messung lässt sich dann auf einfache Weise ein Vergleich für gemessene Resonanzfrequenzen mit diesem Modendiagramm ähnlich einer Bildauswertung durchführen. Es wird dadurch eine Korrelation zwischen den gemessen Resonanzfrequenzen und dem aufgenommenen Modendiagramm (Spektrum) durchgeführt. Es lassen sich so die bei der aktuellen Messung ermittelten Informationen vollständig nutzen.
Bei einer alternativen Ausführungsform werden Resonanzfrequenzen unter Vergleich mit Schwellenwerten bei der Referenzfahrt bestimmt. Die so gemessenen Resonanzfrequenzen werden abgespeichert. Bei einer aktuellen Messung lässt sich ein schneller Vergleich durchführen.
Insbesondere werden bei einer aktuellen Messung mindestens zwei Resonanzfrequenzen ermittelt und eine Kolbenposition wird aus einem Vergleich mit bei der Referenzfahrt ermittelten Resonanzfrequenzen bestimmt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Auswertung durchführen, um eine Kolbenposition zu bestimmen.
Günstig ist es, wenn die Resonanzfrequenzen für mindestens zwei Moden des gleichen Modentyps ermittelt werden wie beispielsweise für die Moden E_01n bei einem hohlzylindrischen Zylinderraum oder für die Moden TEM_n für einen ringzylindrischen Zylinderraum. Dadurch ist der Aufwand für eine Referenzfahrt verringert und die Auswertung vereinfacht.
Es ist grundsätzlich auch möglich, die Kolbenposition aus den ermittelten (gemessenen) Resonanzfrequenzen und einer Formel zu berechnen, wenn die Modenstruktur für den entsprechenden Zylinderraum bekannt ist.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn bei einem hohlzylindrischen Zylinderraum E_01n-Moden angeregt werden mit n ≥ 1. Dabei ist E₀₁₀ die Grundmode. Wenn dieser Modentyp angeregt und ausgewertet wird, lassen sich für einen hohlzylindrischen Zylinderraum sehr gute Ergebnisse bezüglich Auflösung und damit bezüglich Ermittlung der Kolbenposition erreichen.
Es hat sich als günstig erwiesen, bei einem ringzylindrischen Zylinderraum TEM_n-Mode mit n ≥ 1 anzuregen. Ein ringzylindrischer Zylinderraum entsteht beispielsweise vor einem Kolben, wenn die Kolbenstange in diesem Zylinderraum positioniert ist.
Das Frequenzband lässt sich beispielsweise durch einen Frequenzsweep erzeugen. Dabei wird zeitlich sequenziell eine Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt. Beispielsweise wird die Frequenz in einem bestimmten Zeitintervall linear erhöht. Grundsätzlich kann es auch vorteilhaft sein, einen nicht-linearen Frequenzsweep durchzuführen. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn in bestimmten Frequenzbereichen feinere Frequenzschritte verwendet werden und vom linearen Frequenzsweepverlauf abgewichen wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine Mehrzahl von Oszillatoren unterschiedlicher Frequenzen an den Zylinderraum gekoppelt sind, um das Frequenzband zu erzeugen. Die Oszillatoren sind insbesondere parallel angeordnet. Dadurch lässt sich eine breitbandige Anregung erreichen. Es ist dabei möglich, dass eine parallele Anordnung von Oszillatoren mit einem Frequenzsweep gekoppelt ist. Dazu wird beispielsweise an Oszillatoren der parallelen Anordnung ein zeitlicher Frequenzsweep durchgeführt.
Es kann günstig sein, wenn nach Ermittlung der Position des Kolbens eine Anpassung des Frequenzbereichs zur Erhöhung der Messgeschwindigkeit erfolgt. Dadurch muss nicht der ganze Frequenzbereich durchfahren werden.
Es kann vorgesehen sein, dass zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl eines Mediums im Zylinderraum dem Zylinderraum eine positionsunabhängige, für Mikrowellen sichtbare Markierung zugeordnet wird. Dies lässt sich beispielsweise durch eine Durchmesseränderung an einer Wandung des Kolbenzylinders erreichen. Dies ermöglicht eine Zusatzauswertung zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass für eine Kompensation der Dielektrizitätszahl eine Eigenresonanz einer Antenne, welche in dem Zylinderraum angeordnet ist, bestimmt wird. Eine entsprechende Antenne weist beispielsweise einen Keramikkörper auf. Die Eigenresonanz der Antenne ist grundsätzlich unabhängig von der Position des Kolbens. Sie liegt üblicherweise in einem deutlich niedrigeren Frequenzband als die Resonanzfrequenzen der Eigenmoden im Zylinderraum. Die Eigenfrequenzen der Antenne lassen sich dadurch gut von Resonanzfrequenzen des Zylinderraums trennen. Diese Eigenfrequenzen wiederum sind, da das Medium an die Antenne ansteht, grundsätzlich abhängig von der Dielektrizitätszahl. Durch Vergleich einer oder mehrerer Eigenfrequenzen bei Mediumbeaufschlagung der Antenne mit entsprechenden Eigenfrequenzen bei Luftbeaufschlagung ist die Dielektrizitätszahl bestimmbar.
Günstig ist es, wenn Mikrowellenstrahlung über ein Richtkoppler in den Zylinderraum eingekoppelt und ausgekoppelt wird. Dadurch lässt sich ein Sendestrahl einkoppeln zur Anregung von Multimoden in dem Zylinderraum. Ferner lässt sich reflektierte Energie auskoppeln, um eine Amplitudenauswertung und/oder Phasenauswertung zur Ermittlung von Resonanzfrequenz durchzuführen.
Bei einer Ausführungsform wird zur Bestimmung der Resonanzfrequenz über die Phase ein Quadraturmischer verwendet, wobei ein Auswertungs-Sendesignal in um 90° phasenverschobenes Signal zerlegt wird und diese Signale mit Empfangssignalen gemischt werden. Es lässt sich dann an den entsprechenden I-Signalen und Q-Signalen über Arcustangens-Bildung direkt die Phase bestimmen. Der Kolbenzylinder ist insbesondere ein Pneumatikzylinder oder Hydraulikzylinder. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch mit Hydrauliköl gefüllte Zylinderräume verwenden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass ein entsprechender Phasenschieber schaltbar ist und dabei je nach Schaltzustand des Schalters ein um +90° phasenverschobenes Signal oder um –90° phasenverschobenes Signal erzeugbar ist. Durch eine Kombinationsauswertung der resultierenden phasenverschobenen Signale kann ein eventueller störender Temperatureinfluss des Quadraturmischers vermieden werden.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellen-Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die Bestimmung der Position des Kolbens mit hoher Genauigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Mikrowellen-Sensorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Koppelsondeneinrichtung zur Einkopplung und Auskopplung von Mikrowellenstrahlung in einen Zylinderraum des Kolbenzylinders vorgesehen ist, dass eine Quelleneinrichtung für Mikrowellenstrahlung, welche breitbandig in einem Frequenzband Mikrowellenstrahlung bereitstellt, vorgesehen ist, und eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, welche die Resonanzfrequenzen von mindestens zwei positionsabhängigen Moden des Zylinderraums vom gleichen Modentyp bestimmt und aus diesen Resonanzfrequenzen die Position des Kolbens ermittelt.
Die erfindungsgemäße Mikrowellen-Sensorvorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf.
Der Eingriff an dem Kolbenzylinder zur Bestimmung der Kolbenposition lässt sich minimieren. Es lässt sich eine berührungslose Messung der Position durchführen.
Insbesondere liefert die Quelleneinrichtung Mikrowellenstrahlung im Frequenzband bis beispielsweise 20 GHz und insbesondere bis beispielsweise 10 GHz.
Es ist dabei möglich, dass die Quelleneinrichtung sequenziell Mikrowellenstrahlung unterschiedlicher Frequenzen liefert und insbesondere ein Frequenzsweep durchführt.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Quelleneinrichtung eine Mehrzahl von parallel angeordneten Oszillatoren unterschiedlicher Frequenzen aufweist. Dadurch lässt sich eine Multimodalanregung in dem Zylinderraum erreichen.
Bei einer Ausführungsform ist die Koppelsondeneinrichtung an einem hohlzylindrischen Zylinderraum vor dem Kolben angeordnet. Dadurch lässt sich eine Multimodalanregung in dem hohlzylindrischen Zylinderraum als Resonatorraum erreichen. Ein Kolbenzylinder mit einem Gelenkauge weist beispielsweise einen hohlzylindrischen Zylinderraum auf.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Koppelsondeneinrichtung an einem ringzylindrischen Zylinderraum vor dem Kolben angeordnet ist. Ein solcher ringzylindrischer Zylinderraum entsteht, wenn eine Kolbenstange in diesem positioniert ist. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die Kolbenbestimmung an einem Kolbenzylinder sowohl in einem hohlzylindrischen Zylinderraum als auch in einem gegenüberliegenden ringzylindrischen Zylinderraum erfolgt. Dadurch lässt sich die Genauigkeit erhöhen. Ein Kolbenzylinder mit einem Gelenkauge weist einen hohlzylindrischen Zylinderraum und einen ringzylindrischen Zylinderraum auf. Ein Gleichlaufzylinder weist zwei ringzylindrische Zylinderräume auf.
Günstig ist es, wenn die Auswertungseinrichtung eine Bestimmungseinrichtung für die Resonanzfrequenzen aus der Amplitude und/oder Phase (zwischen Sendesignal und Empfangsignal) aufweist. Die Ermittlung der Resonanzfrequenzen sowohl aus der Amplitude als auch aus der Phase ist möglich, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Bestimmungseinrichtung eine Phasenverschiebungseinrichtung, welche um 90° phasenverschobene Auswertungs-Sendesignale erzeugt. Diese Auswertungs-Sendesignale, wenn sie miteinander kombiniert werden, entsprechen grundsätzlich den Sendesignalen, mit welchen der Zylinderraum beaufschlagt wird. Die um 90° phasenverschobene Auswertungs-Sendesignale lassen sich jeweils mit Empfangssignalen mischen und dadurch lässt sich auf einfache Weise über Arcustangens-Bildung die Phase bestimmen.
Günstig ist es, wenn der Phasenverschiebungseinrichtung ein Schalter zugeordnet ist, durch den schaltbar ist, ob die Phasenverschiebung +90° oder –90° beträgt. Durch eine Kombinationsauswertung im Zusammenhang mit den um +90° und –90° verschobenen Signalen kann ein störender Temperatureinfluss eines Mischers vermieden werden.
Beispielsweise umfasst dann die Bestimmungseinrichtung einen Quadraturmischer, welcher entsprechende Mischungssignale erzeugt, aus denen dann wiederum auf einfache Weise durch Arcustangens-Bildung sich die Phase berechnen lässt.
Es ist günstig, wenn der Kolbenzylinder eine für Mikrowellen sichtbare, positionsunabhängige Markierung aufweist. Über diese Markierung lässt sich beispielsweise eine Kompensation bezüglich der Dielektriztätskonstante erreichen.
Günstig ist es, wenn eine Messeinrichtung für die Bestimmung von Eigenresonanzen einer am Zylinderraum angeordneten Antenne vorgesehen ist. Eine Antenne, welche Mikrowellen in den Zylinderraum einstrahlt und entsprechend Mikrowellenenergie aufnimmt und zur Auswertung ableitet, weist grundsätzlich Eigenresonanzen auf. Diese liegen üblicherweise in einem Frequenzband, welches außerhalb des Frequenzbands der Resonanzfrequenzen der Eigenmoden des Zylinderraums liegt. Es liegt dadurch eine Trennung zwischen Resonanzfrequenzen des Zylinderraums und Resonanzfrequenzen der Antenne vor. Die Eigenresonanzen der Antenne sind unabhängig von der Position des Kolbens. Sie sind jedoch abhängig von dem Medium, welches an der Antenne anliegt. Durch Bestimmung der Eigenresonanzen der Antenne lassen sich dadurch Informationen über die Dielektrizitätszahl gewinnen und es lässt sich eine entsprechende Kompensation durchführen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswertungseinrichtung aus einem Modendiagramm und den gemessenen Resonanzfrequenzen die Position ermittelt. Dadurch, dass die Resonanzfrequenzen für mindestens zwei positionsabhängige Moden des gleichen Modentyps ermittelt werden, lässt sich die Kolbenposition eindeutig bestimmen.
Es ist ferner günstig, wenn die Auswertungseinrichtung mittels der Resonanzfrequenz einer Grundmode (welche positionsunabhängig ist) die Dielektrizitätszahl eines Mediums im Zylinderraum direkt oder indirekt ermittelt. Dadurch lässt sich auch bei a priori unbekannter Dielektrizitätszahl diese bestimmen und entsprechend lässt sich ja dann auch die Kolbenposition mit hoher Genauigkeit bestimmen. Es lassen sich auch zeitliche Änderungen der Dielektrizitätszahl beispielsweise durch Alterung von Hydrauliköl erfassen und berücksichtigen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Kolbenzylinders;
2 eine schematische Darstellung der Amplitude für eine bestimmte Mode im Bereich der Resonanzfrequenz;
3 eine schematische Darstellung des Phasenverlaufs für eine bestimmte Mode im Bereich der Resonanzfrequenz;
4 ein Modendiagramm für einen hohlzylindrischen Zylinderraum, in welcher die Frequenzabhängigkeit von (Eigen-)Moden in Abhängigkeit von der Position des Kolbens gezeigt ist;
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
6 eine schematische Darstellung eines Modendiagramms für einen ringzylindrischen Zylinderraum;
7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; und
9 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kolbenzylinders.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Sensorvorrichtung, welche in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, dient zur Bestimmung der Position eines Kolbens 12 eines Kolbenzylinders 14. Der Kolbenzylinder 14 weist dabei einen Zylinderraum 16 auf, in welchem der Kolben 12 beweglich ist. Der Zylinderraum 16 ist dabei mit einem Medium gefüllt. Bei einem Pneumatikzylinder ist der Zylinderraum 16 mit Luft gefüllt. Bei einem Hydraulikzylinder ist der Zylinderraum 16 mit Hydrauliköl gefüllt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist an dem Kolben 12 eine Kolbenstange 18 angeordnet. Es existieren dadurch ein erster Unterraum 20a und ein zweiter Unterraum 20b. Der Unterraum 20a liegt vor dem Kolben 12 in dem Bereich, in dem die Kolbenstange 18 nicht angeordnet ist. Wenn der Kolbenzylinder 14 zylindrisch ist, dann hat der erste Unterraum 20a eine hohlzylindrische Gestalt.
Der zweite Unterraum 20b ist von der Kolbenstange 18 durchsetzt. Der zweite Unterraum 20b hat eine ringzylindrische Gestalt.
Die Mikrowellen-Sensorvorrichtung 10 dient zur Ermittlung der Position I des Kolbens 12 beispielsweise bezogen auf eine Stirnseite 22 des ersten Unterraums 20a. Es ist grundsätzlich alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Position des Kolbens 12 bezogen auf eine Stirnseite 24 des zweiten Unterraums 20b ermittelt wird.
An dem Kolbenzylinder 14 ist eine Koppelsondeneinrichtung 26 angeordnet, über welche Mikrowellenstrahlung in den Zylinderraum 16 über eine Antenne 28 eingekoppelt wird. Entsprechend lässt sich Mikrowellenstrahlung auch über die Koppelsondeneinrichtung 26 auskoppeln. Wenn Mikrowellenstrahlung in den ersten Unterraum 20a eingekoppelt werden soll, ist die Koppelsondeneinrichtung 26 entsprechend an diesem angeordnet. Wenn Mikrowellenstrahlung alternativ oder zusätzlich in den zweiten Unterraum 20b eingekoppelt werden soll, ist eine Koppelsondeneinrichtung an diesem angeordnet.
Ein Kolbenzylinder, welcher ein Gelenkauge aufweist, hat einen hohlzylindrischen Unterraum 20a und einen ringzylindrischen Unterraum 20b. Die Mikrowellenmessung lässt sich an dem Unterraum 20a und/oder dem Unterraum 20b durchführen. Ein Gleichlaufzylinder weist zwei Kolbenstangen auf. Die dortigen Unterräume sind beide ringzylindrisch. An einem oder beiden dieser ringzylindrischen Unterräume kann die Mikrowellenmessung durchgeführt werden.
Die Mikrowellen-Sensorvorrichtung 10 umfasst ferner eine Quelleneinrichtung 30, welche in einem Frequenzband Mikrowellenstrahlung bereitstellt. Durch die Quelleneinrichtung 30 lässt sich breitbandige Mikrowellenstrahlung in den Zylinderraum 16 einkoppeln.
Beispielsweise liegt das Frequenzband für die breitbandige Einkopplung im Bereich zwischen 4 GHz und 8 GHz oder im Bereich zwischen 4 GHz und 10 GHz. Beispielsweise erstreckt sich das Frequenzband für den Unterraum 20a (hohlzylindrischer Unterraum) von einer Cut-Off-Frequenz bis zu einer technischen möglichen Frequenz wie beispielsweise 10 GHz.
Mikrowellenstrahlung unterschiedlicher Frequenzen im Frequenzband wird bei einer Ausführungsform dadurch erzeugt, dass eine Frequenzsweep insbesondere linearer Frequenzsweep durchgeführt wird. Dazu wird beispielsweise innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls die Frequenz linear erhöht und bei Beendigung des Zeitintervalls wird wieder auf eine Anfangsfrequenz zurückgesprungen. Von dort aus erfolgt wiederum die lineare Erhöhung. Dadurch wird Mikrowellenstrahlung unterschiedlicher Frequenz zeitlich sukzessive in den Zylinderraum 16 eingekoppelt.
Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Quelleneinrichtung eine Mehrzahl von parallel angeordneten Oszillatoren unterschiedlicher Frequenzcharakteristik. Diese Oszillatoren sind alle an den Zylinderraum 16 angekoppelt. Wenn der Kolben in einer geeigneten Position ist, führt die Mikrowellenstrahlung, welche von einem bestimmten Oszillator bereitgestellt wird, zu einer Resonanzanregung. Bei einer anderen Position des Kolbens 12 führt die Mikrowellenstrahlung eines anderen Oszillators zur Resonanzanregung.
Ein Frequenzsweep und die Anordnung paralleler Oszillatoren lässt sich kombinieren. Beispielsweise werden an parallel angeordneten Oszillatoren jeweils zusätzlich Frequenzsweeps durchgeführt, um eine möglichst lückenlose breitbandige Abdeckung des Frequenzbands zu erhalten.
Die Mikrowellen-Sensorvorrichtung 10 umfasst ferner einen Richtkoppler 32, welcher eingangsseitig an die Quelleneinrichtung 30 gekoppelt ist und ausgangsseitig an die Koppelsondeneinrichtung 26 gekoppelt ist. Über den Richtkoppler 32 wird von der Quelleneinrichtung 30 bereitgestellte Mikrowellenstrahlung als Sendesignal der Koppelsondeneinrichtung 26 zur Einkopplung in den Zylinderraum 16 geliefert. Ferner werden von dem Zylinderraum 16 bereit gestellte Empfangsignale über den Richtkoppler 32 empfangen und zur Auswertung weitergeleitet (reflektierte Mikrowellenenergie).
Die Mikrowellen-Sensorvorrichtung 10 umfasst ferner eine als Ganzes mit 34 bezeichnete Auswertungseinrichtung, welche eine Auswertung zur Ermittlung der Kolbenposition I durchführt. Die Auswertungseinrichtung 34 ermittelt insbesondere die notwendigen Informationen aus einer Modenstruktur von Eigenmoden im Zylinderraum 16 und führt die entsprechenden Berechnungen zur Ermittlung der Kolbenposition I durch.
Die Auswertungseinrichtung 34 umfasst eine Bestimmungseinrichtung 36 für die Resonanzfrequenzen von Moden im Zylinderraum 16. Die Bestimmungseinrichtung 36 bestimmt dabei aus Amplitude und/oder Phase des Empfangssignals (wobei die Phase im Vergleich mit Sendesignalen ermittelt wird) die Resonanzfrequenz. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die Bestimmung der Resonanzfrequenz nur aus der Amplitude, nur aus der Phase oder sowohl aus Amplitude als auch Phase bestimmt wird.
Eine Berechnungseinheit 38 der Auswertungseinrichtung 34 berechnet dann insbesondere die Kolbenposition I oder ermittelt diese anhand eines Vergleichs von bei einer Referenzfahrt bestimmten Daten (siehe unten).
In 2 ist ein Beispiel einer ermittelten Amplitude A eines Empfangssignals in Abhängigkeit der Frequenz f gezeigt. Diese Amplitude A weist einen Peak 40 im Bereich der Resonanzfrequenz f_res auf. Aus der Lage des Peaks ist die Resonanzfrequenz f_res bekannt.
In 3 ist der Phasenwinkel in Abhängigkeit der Frequenz f gezeigt. Im Bereich der Resonanzfrequenz liegt ein Phasensprung vor. An der Resonanzfrequenz 42 ist der Phasenwinkel Null.
Die Bestimmungseinrichtung 36 ermittelt aus Amplitudendaten der Form, wie sie beispielhaft in 2 gezeigt sind, und/oder aus Phasendaten, wie sie beispielhaft in 3 gezeigt sind, die Resonanzfrequenzen.
In 4 ist die Modenstruktur für bestimmte E-Moden des Unterraums 20a (Hohlzylinder) gezeigt. In diesem Modendiagramm ist die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Länge l gezeigt (siehe Formel (1) unten).
Die E_01n-Moden lassen sich vorteilhafterweise für die Bestimmung der Position des Kolbens 12 verwenden.
Die Resonanzfrequenz für eine bestimmte Mode E_01n ergibt sich als
Dabei ist C₀ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, ε_R ist die Dielektrizitätszahl eines Mediums in dem ersten Unterraum 20a, μ_R ist die magnetische Permeabilitätszahl des Mediums im ersten Unterraum 20a, r_i ist der Innenradius des ersten Unterraums 20a, j₀₁ ist eine Konstante (j₀₁ = 2,405) und n ist die Modennummer (n = 0, 1, 2, ...). Üblicherweise kann von μ_R = 1 ausgegangen werden.
Die Kolbenposition ergibt sich daraus als
Die Grundmode ist E₀₁₀. Diese Grundmode ist unabhängig von der Position des Kolbens 12 (siehe Formel (1) mit n = 0). Wenn die Resonanzfrequenz der Grundmode E₀₁₀ bekannt ist, dann lässt sich daraus die Dielektritziätszahl des Mediums in dem ersten Unterraum 20a bestimmen und verwenden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung sendet die Quelleneinrichtung 30 Mikrowellenstrahlung in einem solchen Frequenzband aus, dass außerhalb der Grundmode mindestens zwei Moden des gleichen Modentyps angeregt werden. Wenn die Resonanzfrequenzen bestimmt worden sind, dann lässt sich dadurch eindeutig die Position I des Kolbens 12 bestimmen. Grundsätzlich ist, wenn nur eine Resonanzfrequenz bekannt ist, wie aus dem Modendiagramm gemäß 4 ersichtlich ist, die Zuordnung zwischen Resonanzfrequenz und Länge des ersten Unterraums 20a (und damit der Kolbenposition) nicht eindeutig. Wenn eine weitere Resonanzfrequenz bekannt ist, wird diese Zuordnung eindeutig und es lässt sich dann aus der Gleichung (1) die Kolbenposition I berechnen.
Wenn zuvor die Dielektrizitätszahl ε_R unbekannt war, lässt sich dies aus der Grundmode berechnen oder über andere Verfahren (siehe unten). Es lassen sich dadurch auch zeitliche Variationen in der Dielektrizitätszahl (die beispielsweise durch Ölalterung hervorgerufen sind) berücksichtigen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine breitbandige Mikrowellenbeaufschlagung des Zylinderraums 16, so dass mindestens zwei positionsabhängige Moden beispielsweise des gleichen Typs (mit unterschiedlicher Ordnungszahl n) angeregt werden. Insbesondere ist es beim hohlzylindrischen Zylinderraum 16 vorgesehen, dass E_01n-Moden angeregt werden. Es werden dann Resonanzfrequenzen bestimmt, die abhängig von der Position 1 des Kolbens 12 sind. Wenn mindestens zwei Resonanzfrequenzen bekannt sind, kann diese Position I eindeutig bestimmt werden.
Es ist dabei bevorzugt, dass bei der Auswertung immer die Resonanzfrequenz mit der höchsten Frequenz herangezogen wird. Dadurch kann eine gleich bleibende hohe Auflösung über den gesamten Messbereich erreicht werden.
Es ist auch möglich, die Kolbenposition ohne Verwendung einer Formel zu bestimmen. Dazu wird eine Referenzfahrt (Kalibrierfahrt) an dem entsprechenden Kolbenzylinder 14 durchgeführt. Bei unterschiedlichen Kolbenpositionen I wird das Frequenzspektrum aufgenommen. Es werden dazu beispielsweise bei der Referenzfahrt Resonanzfrequenzen durch Vergleich mit Schwellenwerten bestimmt und in einer Referenzliste abgelegt.
Es ist auch möglich, dass das gesamte Spektrum (Modendiagramm) der Abhängigkeit der Resonanzfrequenzen von der Kolbenposition I aufgenommen wird.
Bei einer aktuellen Messung werden dann die gemessenen Resonanzfrequenzen mit den abgespeicherten Werten verglichen, wobei ein Vergleich der Resonanzfrequenzen von mindestens zwei positionsabhängigen Moden durchgeführt wird.
Es wird also eine Korrelation zwischen den gemessenen Werten und den bei der Referenzfahrt aufgenommenen Werten durchgeführt. Aus dieser Korrelation ergibt sich dann die Kolbenposition I.
Grundsätzlich ist es dabei möglich, dass die mindestens zwei benutzten Moden nicht vom gleichen Modentyp sind. Für eine schnelle Auswertung ist es vorteilhaft, wenn diese Moden vom gleichen Typ sind. Insbesondere wenn eine Formel wie die Formel (2) zur Auswertung herangezogen wird, ist es sehr vorteilhaft, wenn Moden des gleichen Modentyps verwenden werden, wie beispielsweise E_01n-Moden verwenden werden oder (siehe unten) TEM_n-Moden.
Eine einfache Möglichkeit ist eine Subtraktion der Datensätze voneinander, um die aktuelle Messposition mit allen gespeicherten Positionen, welche bei der Referenzfahrt vorgegeben wurden, zu ermitteln. Ein Minimum bei dieser Subtraktion bedeutet die größtmögliche Übereinstimmung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass der Kolben 12 beispielsweise durch einen Bereich mit einem modifizierten Querschnitt eine Markierung 50 (9) aufweist, welche für Mikrowellenstrahlung sichtbar ist. Diese Markierung ist positionsunabhängig. Dadurch lässt sich eine Kompensation der Dielektrizitätszahl ε_R durchführen.
Die Antenne 26 weist einen Antennenkörper 52 auf (9). Sie ist an der Stirnseite 22 angeordnet und weist in einen Teilraum 54 des ersten Unterraums 20a, wobei dieser Teilraum 54 einen kleineren Querschnitt aufweist als ein auf diesen Teilraum 54 folgender weiterer Teilraum 56, in welchem sich der Kolben 12 bewegt. Durch den Übergang zwischen dem Teilraum 54 und dem Teilraum 56 ist die Markierung 50 gebildet.
Es ist auch möglich, eine Kompensation der Dielektrizitätszahl über die Antenne 26 durchzuführen. Der Antennenkörper 52 ist vorzugsweise aus Keramik hergestellt, da die Hochfrequenzeigenschaften von Keramik gut bekannt sind und keramische Materialien insbesondere ölbeständig sind. Die Antenne 26 weist eine Eigenresonanz auf, welche unabhängig von der Position des Kolbens 12 ist. Diese Eigenresonanz liegt in einem deutlichen niederen Frequenzband als die Eigenfrequenzen des Zylinderraums 20a (bzw. 20b, wenn dort eine Antenne angeordnet ist). Über Bestimmung der Eigenfrequenzen lässt sich die Dielektrizitätszahl bestimmen und diese Information lässt sich entsprechend verwenden. Der Antenne 26 ist eine Messeinrichtung 58 zugeordnet, durch welche Eigenresonanzen der Antenne 26 ermittelbar sind.
Das Verfahren gilt grundsätzlich auch, wenn Resonanzfrequenzen für Moden des zweiten Unterraums 20b (ringzylindrischer Zylinderraum) ausgewertet werden. Das Modendiagramm ist hier anders und die Formel (1) gilt hier mit der Konstante j = 0.
Im Falle von TEM_n-Moden gilt dann Folgendes:
In 6 ist ein entsprechendes Modendiagramm gezeigt. Aus Kenntnis von mindestens zwei Resonanzfrequenzen lässt sich wiederum die Kolbenposition I eindeutig bestimmen.
Bei einem Ausführungsbeispiel, welches in 5 schematisch gezeigt ist, umfasst eine Bestimmungseinrichtung 36 der entsprechenden Mikrowellen-Sensorvorrichtung einen Quadraturmischer 44. Von einem Sendesignal der Quelleneinrichtung 30 wird ein Auswertungs-Sendesignal abgezweigt und dieses wird in ein erstes Signal und ein zweites Signal aufgeteilt. Das zweite Signal wird dabei über eine Phasenverschiebungseinrichtung 46 um 90° bezüglich des ersten Signals phasenverschoben.
Bei einer Ausführungsform ist der Phasenverschiebungseinrichtung 46 ein Schalter 47 zugeordnet. Durch den Schalter 47 lässt sich schalten, ob die Phasenverschiebungseinrichtung 46 eine Phasenverschiebung um +90° oder –90° durchführt. Dies ermöglicht eine Kombinationsauswertung. Dadurch kann ein eventueller störender Temperatureinfluss des Quadraturmischers 44 vermieden werden.
Das erste Signal und ein Empfangssignal wird einem Mischer zugeführt. Ferner wird das zweite Signal und ein Empfangssignal einem weiteren Mischer des Quadraturmischers 44 zugeführt. Die Phase lässt sich dann aus den Signalen, welche von den entsprechenden Mischern bereitgestellt werden (I und Q) über Arcustangens-Bildung berechnen. Daraus wiederum lässt sich die Resonanzfrequenz ermitteln.
Zusätzlich kann die Bestimmungseinrichtung 36 auch eine Detektoreinrichtung 48 zur Amplitudenauswertung aufweisen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine multimodale Anregung in dem Zylinderraum 16 und es folgt eine Multimodenauswertung; es werden mindestens zwei positionsabhängige Moden bezüglich ihrer Resonanzfrequenz ausgewertet. Bei der Ausführungsform wird zusätzlich noch die Grundmode zur direkten oder indirekten Bestimmung der Dielektrizitätszahl des Mediums in dem Zylinderraum 16 ausgewertet. (Bei der direkten Bestimmung der Dielektrizitätskontante wird diese direkt gemessen und dann bei der Berechnung der Kolbenposition I in Gleichung (1) eingesetzt. Es ist beispielsweise auch eine Art von indirekte Berechnung möglich, bei der die Dielektrizitätszahl nicht direkt gemessen wird, sondern eine Art von Kompensation durchgeführt wird.)
Die Quelleneinrichtung 30 kann dabei ein Frequenzsweep beispielsweise durch lineare Frequenzveränderung durchführen und es werden alle auftretenden Resonanzen vermessen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Zylinderraum 16 als frequenzbestimmtes Bauelement einer Oszillatoreinrichtung betrieben wird.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich grundsätzlich für alle Kolbenabstände I eine hohe Genauigkeit erreichen. Auch wenn die Dielektrizitätszahl ε_R oder auch der Radius r_i a priori nicht genau bekannt sind, lässt sich die Kolbenposition I mit hoher Genauigkeit ermitteln, da diese Größen ε_R und r_i sich aus Formel (1) berechnen lassen, wenn die Resonanzfrequenzen f 01n / res und f 01m / res für zwei unterschiedliche Modennummern n und m bekannt sind und die Modennummern bekannt sind.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass, wenn die Position des Kolbens 12 durch Messung des gesamten Frequenzbereichs bekannt ist, der Frequenzbereich angepasst wird und insbesondere verkleinert wird, um die Messgeschwindigkeit zu erhöhen.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer Mikrowellen-Sensorvorrichtung, welche in 7 schematisch dargestellt und dort mit 60 bezeichnet ist, ist eine Quelleneinrichtung 62 vorgesehen, welche eine erste Oszillatoreinheit 64 und eine zweite Oszillatoreinheit 66 aufweist. Die erste Oszillatoreinheit 64 sendet Mikrowellenstrahlung in Frequenzen f₁ in einem Frequenzband aus. (Dies lässt sich durch einen Frequenzsweep und/oder durch eine Anordnung von mehreren Oszillatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen erreichen.) Die zweite Oszillatoreinheit 66 sendet ebenfalls Mikrowellenstrahlung aus, wobei die Frequenzen der zweiten Oszillatoreinheit 66 an die erste Oszillatoreinheit 64 gekoppelt sind mit einem Unterschied Δf. Wenn die erste Oszillatoreinheit 64 zu einem bestimmten Zeitpunkt Mikrowellenstrahlung einer Frequenz f₁ aussendet, dann sendet die zweite Oszillatoreinheit 66 Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz f₁ + Δf aus. Diese Beziehung gilt für alle Frequenzen f₁; die Differenz Δf ist fest.
Die Frequenzen f₁ liegen im Gigahertzbereich. Der Frequenzunterschied Δf liegt im Megahertzbereich und beispielsweise in der Größenordnung von 10 MHz.
Die erste Oszillatoreinheit 64 ist über einen ersten Richtkoppler 68 und einen zweiten Richtkoppler 70 an die Kopplungssondeneinrichtung 26 zur Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in den Zylinderraum 16 verbunden.
Der erste Richtkoppler 68 ist ausgangsseitig mit einem ersten Mischer 72 verbunden. Der zweite Richtkoppler 70 ist ausgangsseitig mit einem zweiten Mischer 74 verbunden. Die zweite Oszillatoreinheit 66 sendet entsprechende Signale an den ersten Mischer 72 und den zweiten Mischer 74.
Einkopplungssignale, welche von der ersten Oszillatoreinheit 64 breitbandig in den Zylinderraum 16 eingekoppelt werden, werden über den ersten Mischer 72 auf eine Frequenz Δf heruntergesetzt. Ein erster Filter 76, welcher im Frequenzbereich Δf arbeitet, ist an den ersten Mischer 72 gekoppelt.
Vom Zylinderraum 16 stammende Signale, welche über den zweiten Richtkoppler 70 dem zweiten Mischer 74 zugeführt werden, werden ebenfalls auf das Frequenzband Δf heruntergesetzt. Es ist ein zweiter Filter 78 vorgesehen, welcher an den zweiten Mischer 74 gekoppelt ist. Dieser ist ebenfalls auf das Frequenzband Δf ausgelegt.
Der erste Filter 76 und der zweite Filter 78 sind an eine entsprechende Bestimmungseinheit 80 gekoppelt. Diese ermittelt aus den bereitgestellten Signalen die Amplitude und/oder die Phase zur Ermittlung der Resonanzfrequenz.
Die Mikrowellen-Sensorvorrichtung 60 arbeitet nach dem Heterodyn-Prinzip. Über die zweite Oszillatoreinheit 66 wird eine Zwischenfrequenz bereitgestellt, welche die Signale auf das Frequenzband der Zwischenfrequenz heruntersetzt. Der erste Filter 76 und der zweite Filter 78 sind auf den Frequenzbereich der Zwischenfrequenz ausgelegt und im Frequenzbereich der Zwischenfrequenz wird dann auch über Amplitudenauswertung und/oder Phasenauswertung die Resonanzfrequenz bestimmt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Mikrowellen-Sensorvorrichtung, welches in 8 schematisch gezeigt und dort mit 82 bezeichnet ist, ist eine Quelleneinrichtung 30 wie oben beschrieben vorgesehen, welche über einen Richtkoppler 32 dem Zylinderraum 16 Mikrowellenstrahlung bereitstellt.
Es ist eine Phasenverschiebungseinrichtung 84 vorgesehen, welche von einem Sendesignal ein um 90° verschobenes Signal bereitstellt. Der Phasenverschiebungseinrichtung 84 ist ein Schalter 86 zugeordnet, mit dem schaltbar ist, ob ein um +90° oder –90° verschobenes Signal erzeugt wird.
Es ist ein Mischer 88 vorgesehen, welcher das von der Phasenverschiebungseinrichtung 84 kommende Signal und das vom Richtkoppler 32 bereitgestellte Sendesignal vom Kolbenzylinder 14 mischt.
An diesem gemischten Signal erfolgt die Auswertung zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen über Amplitudenauswertung und/oder Phasenauswertung.
Durch Kombination von bei der Schaltung +90° zu –90° resultierenden phasenverschobenen Signalen kann ein störender Temperatureinfluss des Mischers 88 vermieden werden.
Die Mikrowellen-Sensorvorrichtung 82 arbeitet nach dem Homodyn-Prinzip.
Bezugszeichenliste

10: Mikrowellen-Sensorvorrichtung
12: Kolben
14: Kolbenzylinder
16: Zylinderraum
18: Kolbenstange
20a: Erster Unterraum
20b: Zweiter Unterraum
22: Stirnseite
24: Stirnseite
26: Kopplungssondeneinrichtung
28: Antenne
30: Quelleneinrichtung
32: Richtkoppler
34: Auswertungseinrichtung
36: Bestimmungseinrichtung für Resonatorfrequenzen
38: Berechnungseinheit
40: Peak
42: Resonanzfrequenz
44: Quadraturmischer
46: Phasenverschiebungseinrichtung
47: Schalter
48: Detektoreinrichtung
50: Markierung
52: Antennenkörper
54: Teilraum
56: weiterer Teilraum
58: Messeinrichtung
60: Mikrowellen-Sensorvorrichtung
62: Quelleneinrichtung
64: erste Oszillatoreinheit
66: zweite Oszillatoreinheit
68: erster Richtkoppler
70: zweiter Richtkoppler
72: erster Mischer
74: zweiter Mischer
76: erster Filter
78: zweiter Filter
80: Bestimmungseinheit
82: Mikrowellen-Sensorvorrichtung
84: Phasenverschiebungseinrichtung
86: Schalter
88: Mischer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19833220 A1 [0003]
US 4737705 [0004]
EP 0303595 B1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Integrated Microwave Sensors for Cavity-Length Measurement in Machine Engineering” von Alexander Megej, Shaker Verlag, Aachen 2002 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens eines Kolbenzylinders, bei dem Mikrowellen in einem Frequenzband in einen Zylinderraum vor dem Kolben eingestrahlt werden, wobei das Frequenzband so gewählt wird, dass mindestens zwei unterschiedliche positionsabhängige Moden angeregt werden, die Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Moden bestimmt werden und aus den Resonanzfrequenzen die Position des Kolbens ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzband so gewählt wird, dass eine von der Position des Kolbens unabhängige Grundmode angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Resonanzfrequenz der Grundmode für die Bestimmung der Dielektrizitätszahl für ein Medium im Zylinderraum verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen Amplitude und/oder Phase zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Bestimmung der Position des Kolbens eine Mode mit der höchsten Resonanzfrequenz verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzfahrt des Kolbens durchgeführt wird und Resonanzfrequenzen für Moden in Abhängigkeit von bekannten Kolbenpositionen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Referenzfahrt ein Spektrum mindestens für ausgewählte Moden aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Resonanzfrequenzen durch Vergleich mit Schwellenwerten bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aktuellen Messung mindestens zwei Resonanzfrequenzen ermittelt werden und eine Kolbenposition aus einem Vergleich mit bei der Referenzfahrt ermittelten Resonanzfrequenzen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenzen für mindestens zwei Moden des gleichen Modentyps ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpositionen aus den ermittelten Resonanzfrequenzen und einer Formel berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohlzylindrischen Zylinderraum E_01n-Moden angeregt werden mit n ≥ 1, wobei E₀₁₀ die Grundmode ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ringzylindrischen Zylinderraum TEM_n-Moden mit n ≥ 1 angeregt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzband durch einen Frequenzsweep erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Oszillatoren unterschiedlicher Frequenzen an den Zylinderraum gekoppelt sind, um das Frequenzband zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatoren parallel angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ermittlung der Position des Kolbens eine Anpassung des Frequenzbereichs zur Erhöhung der Messgeschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl eines Mediums im Zylinderraum dem Zylinderraum eine positionsunabhängige, für Mikrowellen sichtbare Markierung zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenresonanz einer Antenne, welche in dem Zylinderraum angeordnet ist, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellenstrahlung über einen Richtkoppler in den Zylinderraum eingekoppelt und ausgekoppelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Resonanzfrequenz über die Phase ein Quadraturmischer verwendet wird, wobei ein Auswertungs-Sendesignal in um 90° phasenverschobene Signale zerlegt wird und diese Signale mit Empfangssignalen gemischt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenzylinder ein Pneumatikzylinder oder Hydraulikzylinder ist.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Position eines Kolbens (12) eines Kolbenzylinders (14) , umfassend eine Koppelsondeneinrichtung (26) zur Einkopplung und Auskopplung von Mikrowellenstrahlung in einen Zylinderraum (16) des Kolbenzylinders (14), eine Quelleneinrichtung (30) für Mikrowellenstrahlung, welche breitbindig in einem Frequenzband Mikrowellenstrahlung bereitstellt, und eine Auswertungseinrichtung (34), welche die Resonanzfrequenzen von mindestens zwei positionsabhängigen Moden des Zylinderraums (16) vom gleichen Modentyp bestimmt und aus diesen Resonanzfrequenzen die Position des Kolbens (12) ermittelt.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelleneinrichtung (30) sequenziell Mikrowellenstrahlung unterschiedlicher Frequenzen liefert.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelleneinrichtung (30) eine Mehrzahl von parallel angeordneten Oszillatoren unterschiedlicher Frequenzen aufweist.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelsondeneinrichtung (26) an einem hohlzylindrischen Zylinderraum (20a) vor dem Kolben (12) angeordnet ist.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelsondeneinrichtung (26) an einem ringzylindrischen Zylinderraum (20b) vor dem Kolben (12) angeordnet ist.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (34) eine Bestimmungseinrichtung (36) für die Resonanzfrequenzen aus der Amplitude und/oder Phase aufweist.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungseinrichtung (36) eine Phasenverschiebungseinrichtung (46; 84) umfasst, welche um 90° phasenverschobene Auswertungs-Sendesignale erzeugt.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenverschiebungseinrichtung (46; 84) ein Schalter (47; 86) zugeordnet ist, durch den schaltbar ist, ob die Phasenverschiebung +90° oder –90° beträgt.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach Anspruch 29 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungseinrichtung einen Quadraturmischer (44) umfasst.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenzylinder (14) eine für Mikrowellen sichtbare, positionsunabhängige Markierung aufweist.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (58) für die Bestimmung von Eigenresonanzen einer am Zylinderraum (20a; 20b) angeordneten Antenne (26) vorgesehen ist.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (34) aus einem Modendiagramm und den gemessenen Resonanzfrequenzen die Position (I) ermittelt.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (34) mittels der Resonanzfrequenz einer Grundmode die Dielektrizitätszahl eines Mediums im Zylinderraum (16) direkt oder indirekt ermittelt.
Mikrowellen-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass an dieser das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 durchgeführt wird und/oder durchführbar ist.