DE102013105976A1

DE102013105976A1 - Verfahren zur Messung der Länge eines Rohres

Info

Publication number: DE102013105976A1
Application number: DE201310105976
Authority: DE
Inventors: Stefan Bonerz; Josef Greif
Original assignee: OTT Jakob Spanntechnik GmbH
Current assignee: OTT Jakob Spanntechnik GmbH
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2013-12-19

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung der Länge eines Rohres werden Wellen, insbesondere elektromagnetische Wellen so in das Rohr eingekoppelt, dass das Rohr für die eingestrahlten Wellen als Wellenleiter wirkt, und es wird mindestens ein Parameter der Ausbreitung der Wellen in dem Rohr gemessen und aus dem gemessenen Parameter ein Maß für die Länge des Rohres abgeleitet. Aus dem offenen Ende des Rohres austretende Wellen werden mittels mindestens einer von diesem offenen Ende des Rohres beabstandeten Empfangsantenne empfangen und die Messung des Ausbreitungsparameters erfolgt anhand des von dieser Empfangsantenne empfangenen Signals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Länge eines Rohres und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die zuverlässige Messung der Längen von Rohren im industriellen Umfeld erfolgt meist noch mit klassischen Mitteln, also dem Anlegen mechanischer Messmittel. Der hierbei erforderliche ineffiziente und oft auch gefahrgeneigte Ablauf der Arbeitsprozesse lässt alternative Wege als attraktiv erscheinen. Neben indirekten Methoden unter Verwendung mehrerer Sensoren (z.B. Drehwinkelgeber an Rollen und Lichtschranken) spielen auch optische Entfernungsmesser eine gewisse Rolle. Während indirekte Methoden eine Anhäufung von Messfehlern bedingen, erweisen sich optische Entfernungsmesser als in Verschmutzung betroffenem Umfeld gefährdet. Zudem ist zur genauen Messung das Anbringen von Markierungsträgern notwendig.
Aus der JP 2005-172772 A ist ein Verfahren zur Messung der Länge eines Rohres bekannt, bei dem mittels einer im Kontakt mit einem Ende des Rohres angeordneten Sende- und Empfangseinrichtung ein Mikrowellensignal in das Rohr eingekoppelt und ein vom anderen Ende des Rohres reflektiertes Signal empfangen wird. Anhand des Reflexionssignals wird die Länge des Rohres ermittelt.
Aus der DE 10 2004 043 760 A1 ist ein Verfahren zum Erfassen von inneren Geometriemerkmalen eines Hohlkörpers bekannt, bei dem mittels einer an einer Öffnung des Hohlkörpers angeordneten Sende- und Empfangseinrichtung ein Mikrowellensignal in den Hohlkörper eingekoppelt und ein reflektiertes Signal empfangen wird. Anhand des Reflexionssignals werden innere Geometriemerkmale des Hohlkörpers ermittelt. Alternativ kann die Empfangseinrichtung auch an einer zweiten Öffnung des Hohlkörpers, die der ersten Öffnung gegenüberliegt, im Kontakt mit dem Hohlkörper angeordnet sein.
Die Aufgabe der nachfolgend beschriebenen Erfindung ist es, eine neue und zweckmäßige Lösung zur Messung der Länge eines Rohres auf Mikrowellenbasis aufzuzeigen, die eine effiziente, sichere sowie genaue und schnelle Erfassung von Rohrlängen trotz der in einem typischen industriellen Umfeld anzutreffenden Beeinträchtigungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12, 13 oder 17 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Das beschriebene Verfahren macht sich Ausbreitungsphänomene von nicht optischen Wellen an und in rohrförmigen Festkörpern zunutze. So werden z.B. metallische Rohre in der Mikrowellentechnik zur Führung elektromagnetischer Wellen verwendet, wobei sich im Vergleich zur Ausbreitung im freien Raum je nach spezifischem Typ der Ausbreitung andere Wellenlängen und Ausbreitungsgeschwindigkeiten ergeben. Diese sind aber berechenbar und erlauben bereits mittels vergleichender Messungen zwischen den beiden Öffnungen eines Rohres den Rückschluss auf die Länge des Rohres.
Sofern beide Öffnungen eines Rohres mittels elektrisch leitfähiger Körper verschlossen sind, können sich in diesem Rohr bei bestimmten Frequenzen örtlich stabile Maxima und Minima der Feldgrößen ausbilden. Die Länge des Rohres muss in diesem Fall dem ganzzahligen Vielfachen der halben bei solchen Frequenzen im Rohr auftretenden Wellenlängen betragen. Mehrere solcher Frequenzen ermöglichen somit eine Bestimmung der Länge des Rohres. Die einzelnen Frequenzen können aufgrund der Tatsache ermittelt werden, dass ein an dieses Rohr angekoppelter Mikrowellensender bei genau diesen Frequenzen maximale Leistung in das Rohr abgibt.
Sofern das Rohr nur auf einer Seite mittels eines elektrisch leitfähigen Körpers mit ebener Oberfläche verschlossen wird, wird der größte Teil der Leistung eines an das Rohr angekoppelten Mikrowellensenders über die verbliebene Öffnung in den freien Raum abgestrahlt. Dennoch sind bei bestimmten Frequenzen maximale Leistungsabgaben des Mikrowellensenders in das Rohr beobachtbar. Ein derartiges Rohr weist bei diesen Frequenzen eine Länge auf, die dem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge der entsprechenden Frequenz innerhalb des Rohres entspricht.
Es ist auch möglich, auf ein offenes Ende eines Rohres aus einem vorbestimmten Abstand elektromagnetischen Wellen einzustrahlen und die Rohrlänge anhand der Frequenzabhängigkeit der Reflexion zur einstrahlenden Antenne oder Feldsonde zu ermitteln, da diese Reflexion charakteristische Minima aufweist, deren Frequenz vor der Rohrlänge abhängt.
Anstatt die Frequenz des eingestrahlten Signals zeitlich zu variieren, kann auch ein kurzer und damit entsprechend breitbandiger elektromagnetischer Impuls eingestrahlt werden. Das breite Spektrum eines solchen kurzen Impulses enthält eine Vielzahl von Frequenzenkomponenten, bei denen die Rohrlänge einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte bzw. eines Viertels Wellenlänge der sich in dem Rohr ausbreitenden Wellen entspricht. Dies führt im Zeitbereich zu einer Vielzahl von an der Sendeantenne eintreffenden Reflexionsimpulsen, aus deren zeitlichem Abstand die Rohrlänge errechnet werden kann. Ein weiterer erfindungsgemäß genutzter Effekt ist die Wirkung eines offenen Ende eines Rohres als Sendeantenne, wenn an anderen Ende ein elektromagnetisches Signal ausreichend hoher Frequenz eingekoppelt wird. In diesem Fall kann die Abhängigkeit der Phase eines von einem offenen Rohrende aus abgestrahlten Signals von den Orten mehrerer Empfangsantennen zur Bestimmung des Ortes des Rohrendes herangezogen werden. Durch Einkopplung eines Signals variabler Frequenz kann sowohl anhand der Cutoff-frequenz der Rohrdurchmesser, als auch anhand des Zusammenhangs zwischen der Frequenz und der Gruppenlaufzeit die Rohrlänge ermittelt werden. Es ist ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform, dass beide Größen, nämlich Länge und Durchmesser mit derselben Messapparatur ermittelt werden können.
Schließlich kann auch der Doppler-Effekt zur Rohrlängenmessung verwendet werden, wenn die Position eines Rohrendes bezüglich einer Empfangsantenne bekannt ist und eine Relativbewegung zwischen dem Rohr und der Empfangsantenne mit definierter Geschwindigkeit erfolgt.
Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 eine erste Messanordnung zur Rohrlängenmessung auf Mikrowellenbasis,
2 einen an einer Anordnung nach 1 gemessenen Verlauf des Reflexionsparameters s₁₁ über der Frequenz
3 eine zweite Messanordnung,
4 eine dritte Messanordnung,
5 eine vierte Messanordnung,
6 einen Teil der Messanordnung von 5 in einer anderen Ansicht,
7 eine fünfte Messanordnung
8 eine sechste Messanordnung,
9 eine Veranschaulichung der Funktionsweise der sechsten Messanordnung von 8
10 eine siebte Messanordnung,
11 qualitative Verläufe der Gruppenlaufzeit über der Empfangsfrequenz bei der siebten Messanordnung von 10,
12 durch Simulation erhaltene Verläufe der Gruppenlaufzeit über der Empfangsfrequenz bei der siebten Messanordnung von 10,
13 ein Blockschaltbild des Empfängers der siebten Messanordnung von 10
14 eine achte Messanordnung.
1 zeigt ein Rohr 2, das an seinen Enden von ebenen elektrisch leitfähigen Platten 4 abgedeckt wird. Das Rohr 2 weist eine seitliche Öffnung 8 auf, durch welche ein elektrisch leitfähiger Stab 6 in den Innenraum des Rohrs 2 ragt. Die Länge des Stabes 6 entspricht vorzugsweise einem Viertel der im freien Raum gegebenen Wellenlänge im zur Messung benutzten Frequenzbereich. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der in 1 auf der linken Seite dargestellten elektrisch leitfähigen Platte 4 und dem elektrisch leitfähigen Stab 6 ein Viertel der innerhalb des Rohres 2 entlang seiner Längsachse gegebenen Wellenlänge in der Mitte des zur Messung benutzten Frequenzbereiches. In der Praxis funktioniert die in 1 dargestellte Vorrichtung auch mit stark von diesen Dimensionierungsregeln abweichenden Längenwerten.
Der elektrisch leitfähige Stab 6 fungiert als Sendeantenne zur Einkopplung eines Mikrowellensignals in das Rohr 2, welches für dieses Mikrowellensignal als Wellenleiter wirkt. Der Stab 6 ist hierzu mit einer Messeinrichtung 10 elektrisch verbunden, in welcher sich ein Mikrowellensender befindet, dessen effektiv in das Rohr 2 abgegebene Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz messtechnisch erfasst wird, wozu die Sendefrequenz in einem vorgegebenen Bereich variiert wird. Die Erfassung dieser Leistung kann durch eine Reflexionsmessung erfolgen, d.h. es wird die Sendeleistung gemessen und mittels eines Empfängers, der ebenso wie der Sender über einen Richtkoppler mit dem Antennenstab 6 verbunden ist, auch die Leistung des zu dem Antennenstab 6 zurückreflektierten Signals gemessen.
Der Verlauf der abgegebenen Leistung über der Frequenz weist bei bestimmten Frequenzen, bei denen Resonanz herrscht, ausgeprägte Extrema maximaler effektiver Leistung bzw. minimaler Reflexion auf, deren Frequenzen für den Fall, dass das Rohr vorne und hinten verschlossen ist, näherungsweise durch folgende Formel gegeben sind:
Hierin ist f_r die gemessene Resonanzfrequenz, ε die Permittivität und μ die Permeabilität des Mediums, j'₁₁ die Nullstelle der Ableitung einer Besselfunktion, a der Rohrradius, p die ganzzahlige Anzahl der Halbwellen und L die Rohrlänge. Anhand dieser Formel kann aus gemessenen Resonanzfrequenzen f_r die Rohrlänge L berechnet werden. Ein Beispiel für einen an einer Anordnung gemäß 1 gemessenen Verlauf des Reflexionsparameters s₁₁ über der Frequenz, in dem mehrere Resonanzstellen als Minima deutlich erkennbar sind, zeigt 2.
In 1 ist der Antennenstab 6 durch eine seitliche Öffnung 8 in das Rohr 2, dessen Länge gemessen werden soll, eingeführt. Um die Notwendigkeit einer solchen Öffnung zu vermeiden, kann eine Anordnung, wie sie in 3 gezeigt ist, verwendet werden. Sie unterscheidet sich von der Anordnung nach 1 dadurch, dass derjenige Teil der effektiv wirksamen Rohrlänge, in dem sich die Öffnung 8 befindet, nicht Teil des Rohres 2 ist, dessen Länge gemessen werden soll. Vielmehr ist an das linksseitige Ende des Rohres 2 ein elektrisch leitfähiger hohlzylindrischer Körper 12 mit einem im Durchmesser abgestuften kreisförmigen Querschnitt mit einseitiger Öffnung angelagert, während das andere Ende des Rohres durch einen leitfähigen Körper 4, der die Form einer Kappe hat und das Ende des Rohres 2 mit einer ebenen Oberfläche abdeckt, verschlossen.
Analog zu der in 1 dargestellten Vorrichtung ragt in den Körper 12 der elektrisch leitfähige Stab 6 durch die seitliche Öffnung 8. Die zuvor angegebenen, Dimensionierungsvorschriften gelten ebenso für die Anordnung nach 3 und sind auch hier nicht zwingend. Der Innendurchmesser im linken Teil des Körpers 12 entspricht dem Innendurchmesser des Rohrs 2, der Innendurchmesser im rechten Teil des Körpers 12 entspricht dem Außendurchmesser des Rohres 2, so dass dieses in den Körper 12 bis zu der in dessen Durchmesser vorhandenen Stufe eingeführt werden kann. Die Resonanzeigenschaften der Anordnung von 2 werden zwar durch die Summe der Längen des zu messenden Rohres 2 und des Körpers 12 von der Stufe des Durchmessers bis zu seinem geschlossenen Ende bestimmt, doch ist die exakte Länge dieses Teils des Körpers 12 exakt bekannt und kann bei der Berechnung der Länge des Rohres 2 aus den gemessenen Resonanzfrequenzen entsprechend berücksichtigt werden.
Eine in 4 dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Rohrlängenmessung zeigt das Rohr 2 ohne leitfähige Abschlussfläche an seinem rechtsseitigen Ende. Das Rohr 2 bleibt dort offen, während an das linksseitige Ende des Rohres 2 ebenso wie bei der Vorrichtung nach 3 ein elektrisch leitfähiger Körper 12 mit einem im Durchmesser abgestuften kreisförmigen Innenraum mit einseitiger Öffnung angelagert ist. Wie bei der in 3 dargestellten Vorrichtung ragt in den Körper 12 der elektrisch leitfähige Stab 6 durch die seitliche Öffnung 8. Die nicht zwingenden Dimensionierungsvorschriften sind auch hier die gleichen. Der Innendurchmesser im linken Teil des Körpers 12 entspricht dem Innendurchmesser des Rohrs 2, der Innendurchmesser im rechten Teil des Körpers 12 entspricht dem Außendurchmesser des Rohres 2.
Die in 2 sichtbaren Resonanzerscheinungen treten auch bei einem einseitig offenen Rohr 2 auf, doch ist dem Verlauf des Reflexionsparameters s₁₁ mit Resonanzminima in charakteristischen Abständen in diesem Fall eine kontinuierliche Änderung mit der Frequenz überlagert. Dennoch ist es weiterhin möglich, Resonanzminima, welche durch das ganzzahlige Vielfache des Viertels der jeweiligen Wellenlänge der verwendeten Messfrequenz innerhalb des Rohrs 2 gekennzeichnet sind, zu detektieren und aus diesen die Länge des Rohres 2 zu errechnen.
Daneben erlaubt diese Vorrichtung jedoch auch eine andere Messmethode. Hierzu weist die Messeinrichtung 110 außer einer stabförmigen Sendeantenne 6 und einem mit dieser verbundenem Mikrowellensender 15 auch eine externe, d.h. außerhalb des Rohres 2 angeordnete Empfangsantenne 18 und einen mit dieser verbundenen Empfänger 14 auf. Zur Messung der Phasenverschiebung zwischen dem über die stabförmige Sendeantenne 6 und das Rohr 2 abgestrahlten Signal und dem von der Empfangsantenne 18 empfangenen Signal. weist die Messeinrichtung 110 eine Zeitbasis 16 zur Synchronisation zwischen dem Sender 15 und dem Empfänger 14 auf.
Weiterhin erlaubt diese Messeinrichtung 110 die genaue Bestimmung der Grenzwellenlänge des Rohres 2 bezüglich der Ausbreitung des entsprechenden Hohlleiter-Modes und damit sowohl des genauen relevanten Durchmessers des Rohres 2 als auch dessen Übertragungsverhaltens. Bei Kenntnis dieser Daten ist es möglich, durch Berechnung der vom Durchmesser des Rohres 2 und der Betriebsfrequenz abhängigen Dispersion der Gruppenlaufzeit des Signals auf die Länge des Rohres 2 zu schließen. Die Dispersion ist unabhängig von der Position der Antenne 18 im freien Raum, da die Gruppengeschwindigkeit der Wellen im freien Raum frequenzunabhängig und somit kein Beitrag der Übertragungsstrecke im freien Raum zur Dispersion gegeben ist.
Folgende Formeln geben den Zusammenhang zwischen der Gruppenlaufzeit bzw. der Dispersion der Gruppenlaufzeit und der Länge eines Hohlleiters näherungsweise an und lassen sich zur Berechnung der Rohrlänge bei Messung der Gruppenlaufzeit bzw. deren Dispersion benutzen:
Hierin ist t_gruppe die Gruppenlaufzeit, l_Hohlleiter die Hohlleiterlänge, c₀ die Lichtgeschwindigkeit, f die Frequenz und f_c die Hohlleitergrenzfrequenz.
Eine weitere Möglichkeit, einen Mikrowellensender an ein zu messendes Rohr 2 anzukoppeln, ist in 5 dargestellt. Ein zylindrischer Körper 20, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Rohres 2 entspricht, ist teilweise in das Rohr 2 eingeführt. Die in 6 dargestellte Stirnfläche der in das Rohr 2 eingeführten Seite des Körpers 20 weist einen als Antenne wirksamen Schlitz 22 auf, der vorzugsweise eine entsprechende Länge aufweist, welche der halben Freiraumwellenlänge der verwendeten Frequenz entspricht. Diese Länge ist wiederum nicht notwendigerweise einzuhalten, sie kann insbesondere nach unten abweichen.
Innerhalb des Körpers 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Messvorrichtung untergebracht, doch könnte sie auch außerhalb des Körpers angeordnet und mit dem Körper 20 verbunden sein. Durch Messungen bei unterschiedlichen Einführungstiefen des Körpers 20 in das Rohr 2 können unterschiedliche Resonanzfrequenzen ermittelt werden, da die für die Messung relevante Länge des Rohres 2 sich jeweils geringfügig unterscheidet. Auf diese Weise kann die Anzahl der halben bzw. viertel Wellenlängen bestimmt werden, um nach Berechnung der jeweils innerhalb des Rohres in Achsrichtung des Rohres 2 auftretenden Wellenlängen die Länge des Rohres 2 zu bestimmen.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung, bei welcher das Rohr 2 beidseitig offen ist. In der Nähe einer seiner zwei Öffnungen befindet sich eine Antenne 23, die mit einer Messeinrichtung 210 verbunden ist. Die Messeinrichtung 210 umfasst einen Sender, einen Empfänger und eine Auswertungseinrichtung. Die Antenne 23 kann auch durch eine nicht resonante Feldsonde ersetzt werden, die dann in unmittelbarer Nähe einer der beiden Öffnungen des Rohres 2 zu platzieren ist. Im allgemeinen kommt eine relativ breitbandige Antenne 23 zum Einsatz, die zur Anregung von vorzugsweise fundamentalen in dem Rohr 2 ausbreitungsfähigen Moden entsprechend auszurichten ist, wobei sich die Antenne 23 vorzugsweise in einer Entfernung von der ihr zugewandten Öffnung des Rohres 2 befindet, die im Grenzbereich zwischen dem Nahfeld und dem Fernfeld der Antenne 23 liegt.
Ein beidseitig unverschlossenes Rohr 2 weist bei Einkopplung von Mikrowellenleistung grössere Abstrahlungsverluste auf. Allerdings gilt dies weniger für Mikrowellen einer Wellenlänge, die nur wenig kürzer als die für einen entsprechenden im Rohr ausbreitungsfähigen Mode höchstmögliche Wellenlänge ist. Die Antenne 23 absorbiert aus dem Rohr 2 eine reflektierte Mikrowellenleistung, die von der Frequenz abhängt. Wegen der gleichartigen Randbedingungen an beiden Enden des Rohres 2 weist das Rohr 2 bei Frequenzen maximaler Absortion von Mikrowellenleistung eine Länge auf, die dem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge der entsprechenden Frequenz innerhalb des Rohres 2 entspricht. Hieraus kann bei einer Variation der Sendefrequenz aus der Frequenzabhängigkeit des von der Antenne 23 empfangenen Reflexionssignals durch die Auswertungseinrichtung der Messeinrichtung 210 die Länge des Rohres 2 berechnet werden.
Die Ausführungsform von 7 kann analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen betrieben werden, d.h. dass die Messeinrichtung 210 die Frequenz des über die Antenne 23 auf das dieser zugewandte Ende des Rohres 2 eingestrahlten Signals variiert und ihre Auswertungseinrichtung die Frequenzabhängigkeit des reflektierten Signals auf charakteristische Resonanzfrequenzen hin untersucht, aus denen sich die Länge des Rohres 2 berechnen lässt.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Betriebsweise mit einer zeitlichen Variation der Frequenz des eingekoppelten Signals besteht die Möglichkeit, ein Messsignal, welches einen großen Frequenzbereich umfasst, mittels eines sehr kurzen elektromagnetischen Impulses darzustellen. Sämtliche Komponenten des Spektrums dieses Messsignals, die in das Rohr 2 eingekoppelt werden und dort einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte bzw. des Viertels der entsprechenden Wellenlänge im Rohr 2 entsprechen, überlagern sich im Zeitbereich zu einem sich innerhalb dieses Rohres 2 mit im Vergleich zum Freiraum mit reduzierter Geschwindigkeit fortpflanzendem Impuls, welcher dann mehrfach mit einer der Laufzeit im Rohr entsprechenden Verzögerung an der dann entsprechend breitbandig auszuführenden Einkopplungsvorrichtung als Reflexionssignal detektiert werden kann. Hierbei kann durch die Nähe der sog. Grenzfrequenz des Rohres 2 eine starke Verzerrung bzw. Glättung des Impulses im Reflexionssignal beobachtet werden.
Eine Weiterentwicklung der Ausführungsform nach 4 zeigt 8. Hier umfasst die Messeinrichtung 310 im Unterschied zu der Messeinrichtung 110 von 4 nicht nur einen einzigen Empfänger 14 mit einer Antenne 18, sondern eine Vielzahl von Empfängern 14A, 14B, 14C, 14D mit jeweiligen Antennen 18A, 18B, 18C, 18D, während die Komponenten 6, 8, 12 und 15 der Messeinrichtung 110 entsprechen und daher hier nicht mehr erläutert werden. Die Anzahl der Empfänger und zugehörigen Antennen ist eine beliebige gerade Zahl, die auch größer als in dem dargestellten Beispiel sein kann, was in 8 durch Punkte am rechten Rand angedeutet ist. Die Antennen 18A, 18B, 18C, 18D sind auf einer parallel zur Längsmittelachse des Rohres 2 verlaufenden Linie angeordnet, die in 8 als x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems eingezeichnet ist. Jeweils einem Paar einander benachbarter Empfänger 14A, 14B bzw. 14C, 14D ist eine gemeinsame Zeitbasis 16A bzw. 16B als Phasenreferenz zugeordnet. Wie in 8 durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist, könnte auch nur eine einzige Zeitbasis 16A als gemeinsame Phasenreferenz für alle Empfänger 14A, 14B, 14C, 14D vorgesehen sein und diese könnte auch wie bei dem Ausführungsbeispiel von 4 mit dem Mikrowellensender 15 verbunden sein, doch ist dies nicht notwendig. Wesentlich ist nur, dass stets ein benachbartes Paar von Empfängern 14A, 14B bzw. 14C, 14D mit einem gemeinsamen Phasenreferenzsignal versorgt wird.
Die Funktionsweise der Ausführungsform nach 8 veranschaulicht 9, welche die xy-Ebene des in 8 eingezeichneten Koordinatensystems unter der Annahme zeigt, dass die Längsmittelachse des zu vermessenden Rohres 2 in dieser xy-Ebene liegt. Entlang der x-Achse sind die bekannten Positionen zweier Paare von Empfangsantennen 18A, 18B und 18C, 18D gekennzeichnet. Diese sind Brennpunkte von Hyperbeln, in denen dreidimensionale Hyperboloide die xy-Ebene schneiden. Solche Hyperboloide stellen die Position eines Senders dar, dessen Signal von den Antennen 18A, 18B bzw. 18C, 18D des Empfängerpaares 14A, 14B bzw. 14C, 14D mit der jeweils zwischen den beiden Empfangssignalen eines Antennenpaares 18A, 18B bzw. 18C, 18D gemessenen Phasendifferenz empfangen werden.
In 9 ist eine erste Hyperbel 24 eingezeichnet, auf welcher sich bei einer ersten Messung aufgrund der zwischen den Empfangssignalen der Antennen 18A und 18B festgestellten Phasendifferenz der Ort des Senders befinden muss. Des Weiteren ist eine zweite Hyperbel 25 eingezeichnet, auf welcher sich bei besagter erster Messung aufgrund der zwischen den Empfangssignalen der Antennen 18C und 18D festgestellten Phasendifferenz der Ort des Senders befinden muss. Folglich kann der Ort des Senders als Schnittpunkt 26 der beiden Hyperbeln 24 und 25 ermittelt werden. Die Vorgehensweise ist umgekehrt zu dem früher in der Seefahrt verwendeten Verfahren der Hyperbelnavigation, bei dem mehrere ortsfeste Sender mit bekannten Positionen vorgesehen sind und die Position eines einzigen Empfängers an Bord eines Schiffes anhand der von diesem gemessenen Phasendifferenzen zwischen den Signalen der verschiedenen Sender ermittelt wird.
Wenn die x-Koordinate des anderen Endes des Rohres 2 durch einen mechanischen Anschlag festgelegt und innerhalb des erwähnten Koordinatensystems bekannt ist, kann somit unter der Annahme, dass der Ort des Senders der Flächenschwerpunkt der Rohröffnung ist, die Länge des Rohres aus der x-Koordinate des auf diese Weise ermittelten Senderortes berechnet werden. In 9 sind noch zwei weitere Hyperbeln 27 und 28 eingezeichnet, die sich bei einer zweiten Messung an einem Rohr 2 anderer Länge als mögliche Positionen des Senders ergeben haben. In diesem Fall ergibt sich ein anderer Schnittpunkt 29 als Ort des Senders, der gegenüber dem Schnittpunkt 26 der ersten Messung etwas nach links verschoben ist. Die Rohrlänge ist also in diesem Fall bei gleicher Position des entgegengesetzten Rohrendes kürzer.
Die wahren Orte der Flächenschwerpunkte der Rohröffnungen sind in 9 für beide Messungen als Mittelpunkte von Kreisen 30 bzw. 31 dargestellt. Die Abweichungen der gemessenen Orte 26 und 29 von den wahren Orten 30 und 31 beruhen auf systematischen Fehlern, die als solche bei der Berechnung der Rohrlänge berücksichtigt und somit eliminiert werden können. Die Ursache der Abweichungen liegt nämlich darin, dass sich das Phasenzentrum der als Aperturantenne wirksamen Öffnung des Rohres 2 nicht exakt an der Endfläche des Rohres 2 auf der Rohrlängsachse befindet. Besagtes Phasenzentrum einer Antenne stellt den Mittelpunkt sämtlicher Flächen gleicher Phase des von der Antenne abgestrahlten Signals im Fernfeld dar, welche im Gegensatz zu den Verhältnissen in der Nähe der Antenne näherungsweise kugelförmig sind. Es befindet sich im speziellen Fall der Apertur eines im fundamentalen Mode als Wellenleiter wirkenden Rohres 2 stets innerhalb des Rohres 2, d.h. es ist von der Endfläche des Rohres 2 axial nach innen versetzt.
Weil die Öffnung des Rohres 2 in Bezug auf die Wellenlänge des abgestrahlten Signals klein ist, erfolgt die Abstrahlung nicht nur in Richtung der Längsachse des Rohres 2, sondern durch Beugung auch über einen relativ weiten Winkelbereich in seitlicher Richtung. Das Phasenzentrum einer Rohr-Aperturantenne befindet sich nur dann auf der Längsachse des Rohres 2, wenn das Fernfeld auch in der Nähe der Längsachse des Rohres 2 vermessen wird. Da die gegenüber der Wellenlänge relativ kleine Apertur beugungsbedingt auch bis zu einem Winkel von etwa 45° in Bezug auf die Längsachse des Rohres die Vermessung eines Fernfeldes erlaubt, wandert für diesen in 8 gezeigten Fall, d.h. bei einer Anordnung der Empfangsantennen 18A bis 18D radial deutlich abseits von der Längsachse des Rohres 2, das hypothetische Fernfeld-Phasenzentrum von der Längsachse des Rohres 2 weg. Für die Messung der Rohrlänge ist jedoch nur die axiale Abweichung des wahren Ortes 30 bzw. 31 des Rohrendes von dem anhand eines Hyperbelschnittpunktes 26 bzw. 29 ermittelten Phasenzentrum von Bedeutung.
Die genaue Bestimmung der Abweichung der Position des für eine Messanordnung gemäß 8 wirksamen Phasenzentrums vom Mittelpunkt der Öffnung eines Rohres 2 durch mathematische Berechnungen ist verhältnismäßig komplex. Solche Daten können jedoch für verschiedene Innen- und Außendurchmesser sowie Längen eines Rohres 2 durch Simulation oder auch experimentell gewonnen werden. Zwischen den so gewonnenen Stützstellen kann dann interpoliert werden, um für jede interessierende Kombination von Rohrdurchmessern eine Kennlinie zur Korrektur der Abweichung der tatsächlichen Position des Endes des Rohres 2 vom Schnittpunkt zweier aus einer gemessenen Phasendifferenz errechneter Hyperbeln zu erhalten. Die Rohrlänge für eine bekannte Rohrdurchmesserkombination kann dann mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, indem zunächst entsprechend 9 ein Näherungswert anhand eines Hyperbelschnittpunktes bestimmt und dieser Näherungswert anschließend anhand von als Tabellen oder Interpolationsformeln vorgehaltenen Korrekturkennlinien in einen endgültigen Messwert korrigiert wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 10 dargestellt. Ein Mikrowellensender 32 strahlt über eine Sendeantenne 33 ein frequenzmoduliertes Mikrowellensignal auf ein offenes Ende des zu vermessenden Rohres 2 ein. Ein Empfänger 34 mit einer Empfangsantenne 35 ist so angeordnet, dass er das Sendesignal über zwei verschiedene Ausbreitungspfade 36 und 37 empfängt, nämlich über einen ersten Ausbreitungspfad 36, welcher der kürzesten Linie von der Sendeantenne 33 zur Empfangsantenne 34 entspricht, und über einen zweiten Ausbreitungspfad 37, welcher durch das zu vermessende Rohr 2 verläuft und von dessen anderem, d.h. der Sendeantenne 33 abgewandten Ende auf der kürzesten Linie zu der Empfangsantenne 35 führt.
Der Mikrowellensender 32 strahlt über die Antenne 33 ein Chirp-Signal mit einer linearen Änderung der Sendefrequenz über der Zeit aus. Der teilweise in dem zu vermessenden Rohr 2 verlaufende Ausbreitungspfad 37 bewirkt eine starke, frequenzabhängige Verzögerung des sich über diesen Pfad 37 ausbreitenden Signals und wirkt außerdem als Hochpass mit einem charakteristischen Sprung im Frequenzgang, da unterhalb der Cutoff-Frequenz f_C des fundamentalen, im Rohr 2 ausbreitungsfähigen Hohlleitermodes über den Pfad 37 kein Signal übertragen wird. Im Gegensatz dazu breitet sich das Sendesignal auf dem direkten Pfad 36 ungestört über den freien Raum zur Empfangsantenne 35 aus.
Eine Darstellung des prinzipiellen Verlaufes der Laufzeit eines Signals vom Sender 32 zum Empfänger 34 über der Frequenz zeigt 11. Hierbei stellt die Kurve 38 die Frequenzabhängigkeit der Signallaufzeit eines über den direkten Ausbreitungspfad 36 zur Empfangsantenne 35 gelangenden, linear frequenzmodulierten Signals dar. Die Frequenzabhängigkeit der Signallaufzeit eines gleichartigen Sendesignals, welches über den durch das Rohr 2 verlaufenden Ausbreitungspfad 37 zur Empfangsantenne 35 gelangt, ist als Kurve 39 dargestellt. Unterhalb der Cutoff-Frequenz f_C läßt der Übertragungspfad 37 keine Signalausbreitung zu, d.h. es ist dort kein signifikantes Empfangssignal detektierbar, was in 11 darin zum Ausdruck kommt, dass die Kurve 39 bei dieser Frequenz f_C endet.
Die anhand des Verlaufes der Kurve 39 in 11 ermittelbare Cutoff-Frequenz f_C erlaubt somit die Bestimmung des Innendurchmessers des Rohres 2 nach der Formel D = (1,841·c) / (π·f_C), worin der Faktor 1,841 die erste Nullstelle der modifizierten Besselfunktion erster Ordnung, welche die Differentialgleichung der Ausbreitung des H11-Modes in einem rohrförmigen Wellelleiter löst, und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen im freien Raum ist. So ergibt sich beispielsweise für eine Cutoff-Frequenz f_C = 3,663 GHz ein Rohrdurchmesser D = 48 mm.
Beginnend mit der Cutoff-Frequenz f_C verläuft die Kurve 39 zunächst stark nichtlinear, um sich mit steigender Frequenz einer der Gesamtpfadlänge des Übertragungspfades 37 im freien Raum entsprechenden Geraden asymptotisch anzunähern. Mit dem Erreichen von Cutoff-Frequenzen höherer Hohlleitermoden können zudem weitere Kurven in der Darstellung hinzukommen. Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Mikrowellen im freien Raum beträgt die Gruppenlaufzeit t_R eines Signals der Frequenz f durch ein Rohr der Länge l_R mit der Cutoff-Frequenz f_C
Die gesamte Gruppenlaufzeit des durch das Rohr 2 verlaufenden Ausbreitungspfades 37 umfasst die Laufzeit t_R im Rohr 2 und Laufzeiten von außerhalb des Rohres 2 befindichen Abschnitten zwischen der Sendeantenne 33 und dem ihr zugewandten Rohrende sowie zwischen dem anderen Rohrende und der Empfangsantenne 35. Da die Länge zumindest eines dieser Abschnitte bei festem Abstand zwischen der Sendeantenne 33 und der Empfangsantenne 35 von der Rohrlänge l_R anhängt, kann letztere nicht durch Messung der gesamten Gruppenlaufzeit für eine bestimmte Frequenz ermittelt werden, auch wenn die Cutoff-Frequenz f_C bekannt ist. Es ist aber möglich, bei bekannter Cutoff-Frequenz f_C, die entweder gemessen oder bei vorab bekanntem Rohrdurchmesser D aus diesem berechnet werden kann, ein mathematisches Modell des Verlaufs der Kurve 39 in 11, in welchem die Rohrlänge l_R als Parameter auftritt, iterativ numerisch mit den Mitteln der Ausgleichsrechnung an einen tatsächlich gemessenen Verlauf dieser Kurve 39 anzupassen und auf diese Weise den Parameterwert mit geringster Abweichung zwischen Modell und Messkurve als die gesuchte Rohrlänge l_R zu bestimmen.
Als Beispiel zeigt 12 mehrere durch Simulation erzeugte Kurven der Signallaufzeit über der Frequenz für verschieden lange Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern bzw. Cutoff-Frequenzen f_C. Die unterste, geradlinig verlaufende Kurve 40 entspricht der Kurve 38 in 11 und ist dem direkten Ausbreitungspfad 36 zugeordnet. Die Kurve 41 ergibt sich bei einer Ausbreitung durch ein Rohr mit einer Cutoff-Frequenz f_C1 = 3.663 GHz mit einer Rohrlänge l_R = 1 m. Die Kurve 42 ergibt sich bei einer Ausbreitung durch ein Rohr mit derselben Cutoff-Frequenz f_C1 = 3.663 GHz, jedoch der doppelten Länge l_R = 2 m. Die Kurve 43 ergibt sich bei einer Cutoff-Frequenz f_C2 = 3.7 GHz und einer Länge von l_R = 1 m. Wie daraus zu ersehen ist, nähern sich die Kurven 41 und 43, die Rohren unterschiedlichen Durchmessers, aber gleicher Länge zugeordnet sind, mit zunehmender Frequenz oberhalb der größeren der beiden Cutoff-Frequenzen, nämlich f_C2 einander eng an, während zwischen den Kurven 41 und 42, die Rohren gleichen Durchmessers, aber deutlich verschiedener Länge zugeordnet sind, auch weit oberhalb der gemeinsamen Cutoff-Frequenz f_C1 noch eine merkliche Distanz verbleibt.
Ein Blockschaltbild eines Empfängers 34 zeigt 13. Das von der Empfangsantenne 35 empfangene Signal wird durch ein Bandpassfilter 44 auf den durch die lineare Frequenzmodulation des Senders 32 erfassten spektralen Bereich begrenzt. Sein Pegel wird durch einen anschliessenden Verstärker 45 angehoben und in einem mit einem Abtast- und Halteglied ausgestatteten Analog-Digitalwandler 46 digitalisiert. Die jeweils einen Zyklus der periodisch wiederkehrenden linearen Frequenzmodulation des Signals beinhaltenden digitalen Abtastwerte werden durch einen FFT-Analysator 47 in eine Anzahl gleichgrosse Untergruppen, die aufeinanderfolgende Zeitintervalle repräsentieren, unterteilt und einer schnellen Fouriertransformation unterzogen. Schließlich wird die erhaltene diskrete Spektralfunktion in einem Speicher 48 zur weiteren Auswertung abgelegt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 14 dargestellt. Sie beruht darauf, dass das Rohr 2 relativ zu einem Empfänger 14, der in der Umgebung eines offenen Endes des Rohres 2 in einem radialen Abstand von dem Rohr 2 angeordnet ist und ein aus dem offenen Ende des Rohres 2 abgestrahltes Mikrowellensignal empfängt, in Richtung seiner Längsachse mit einer definierten Geschwindigkeit v_X bewegt wird. Hierdurch ergibt sich aufgrund des Doppler-Effektes eine Änderung der Frequenz bzw. Phase des Empfangssignals über der Zeit. Die Anordnung nach 14 unterscheidet sich von derjenigen nach 4 dadurch, dass die Empfangsantenne gegenüber der Rohrachse radial versetzt ist und keine gemeinsame Zeitbasis benötigt wird. Die Komponenten 6, 8, 12 und 15 der Messeinrichtung 410, die hier zusammen mit dem Rohr 2 bewegt werden, entsprechen denen der Messeinrichtung 110 und brauchen daher hier nicht mehr erläutert werden.
Die Relativgeschwindigkeit zweier sich geradlinig bewegender Objekte, deren Bewegungsbahnen dicht aneinander vorbei führen, unterscheidet sich in großer gegenseitiger Entfernung noch kaum von der Relativgeschwindigkeit zweier auf Kollisionskurs befindlicher Objekte, doch hängt sie im Bereich des minimalen Abstandes stark von diesem minimalen Abstand ab. Je größer dieser minimale Abstand ist, umso geringer wird die Relativgeschwindigkeit in diesem Bereich. Im einzelnen beträgt bei der Anordnung nach 14, in welcher der Abstand der Empfangsantenne 18 von der Rohrlängsachse d_Y ist und sich das vordere Ende des Rohres 2 momentan in einem axialen Abstand d_X von der Empfangsantenne 18 befindet, die momentane Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Rohr 2 und der Empfangsantenne 18:
Die durch den Dopplereffekt verursachte Verschiebung Δf der Empfangsfrequenz elektromagnetischer Wellen gegenüber der Sendefrequenz f₀ beträgt bei einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit c und einer Relativgeschwindigkeit v zwischen Sender und Empfänger bekanntlich:
Wenn sich das Rohrende in einer großen Entfernung von der Empfangsantenne 18 befindet und deren seitlicher Versatz von der Rohrachse noch vernachlässigbar ist (d_Y << d_X) so daß die Relativgeschwindigkeit v annähernd der axialen Geschwindigkeit v_X entspricht, dann ergibt sich beispielsweise bei einer axialen Bewegungsgeschwindigkeit v_X = 1 m/s und einer Sendefrequenz f₀ = 5,8 GHz eine maximal mögliche Frequenzverschiebung Δf = 19,3 Hz. Wenn sich das Rohrende der Empfangsantenne 18 soweit annähert, dass d_Y << d_X nicht mehr gilt, dann ist die Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit v von v_X, d_X und d_Y gemäß obiger Formel zu berücksichtigen und ergibt:
Diese Gleichung kann nach d_X aufgelöst und d_X somit bestimmt werden, da alle anderen Größen bis auf Δf bekannt sind und Δf messbar ist. Wenn das Rohr 2 mit bekannter Geschwindigkeit v_X bewegt wird und der axiale Abstand d₀ des anderen Rohrendes, an dem das Mikrowellensignal eingekoppelt wird, von der Empfangsantenne 18 zumindest zu einem Zeitpunkt t₀ während des Bewegungsablaufes genau bekannt ist, dann kann die Rohrlänge aus der Differenz zwischen dem bekannten Wert d₀(t₀) und dem Messwert d_X(t₀) zu besagtem Zeitpunkt t₀ berechnet werden. Es können jedoch auch mehrere Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten über eine bestimmte Strecke der Rohrbewegung erfolgen, um zur Bestimmung der Rohrlänge eine Mittelwertbildung vorzunehmen. Der für die Messung von d_X nutzbare Bewegungsbereich des Rohres 2 ist insofern begrenzt, als die Mikrowellenabstrahlung von dem offenen Ende des Rohres 2 nur bis zu einem Winkel von ca. 45° gegenüber der Rohrlängsachse erfolgt, also etwa bis d_X = d_Y ist.
Alternativ zur Bewegung des Rohres 2 bei ortsfester Empfangsantenne 18 kann natürlich auch das Rohr 2 ortsfest gehalten werden und die Empfangsantenne 18 bewegt werden, da es für das Auftreten des Doppler-Effektes nur auf die Relativbewegung ankommt. Eine weitere in Form einer Figur nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, mehrere Empfangsantennen vorzugsweise dichter als im Abstand einer halben Wellenlänge des Sendesignals linear nebeneinander in Axialrichtung des Rohres 2 anzuordnen und zwischen diesen sequentiell so umzuschalten, dass die jeweils mit dem Empfänger verbundene Antenne sich mit der Zeit in Richtung der Rohrlängsachse bewegt. Auf diese Weise kann eine lineare Relativbewegung zwischen dem Rohr 2 und einer einzigen Empfangsantenne 18 simuliert werden, ohne dass tatsächlich eine kinematische Bewegung stattfindet.
In diesem Fall ergibt sich im Empfänger bei abrupter Umschaltung zwischen den einzelnen Empfangsantennen ein durch Phasensprünge gekennzeichnetes Signal. Dieses bewirkt eine massive Ausweitung der Bandbreite, die vermieden werden kann, indem die einzelnen Empfangsantennen über ein Netzwerk steuerbarer Dämpfungsglieder mit dem Empfänger verbunden werden, wodurch die Empfangssignale räumlich aufeinanderfolgender Antennen in einem variablen Verhältnis überlagert und somit der Übergang des Empfangssignals von einer Antenne zur nächsten kontinuierlich ausgeführt werden kann. Hierdurch vereinfacht sich im Vergleich zur abrupten Umschaltung die Signalverarbeitung im Empfänger.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-172772 A [0003]
DE 102004043760 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Messung der Länge eines Rohres (2), bei dem Wellen, insbesondere elektromagnetische Wellen, so in ein an mindestens einem Ende offenes Rohr (2) eingekoppelt werden, dass das Rohr (2) für die eingestrahlten Wellen als Wellenleiter wirkt, wobei mindestens ein Parameter der Ausbreitung der Wellen in dem Rohr (2) gemessen und aus dem gemessenen Parameter ein Maß für die Länge des Rohres (2) abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem offenen Ende des Rohres (2) austretende Wellen mittels mindestens einer von diesem offenen Ende des Rohres (2) beabstandeten Empfangsantenne (18; 18A–18D; 23; 35) empfangen werden, und dass die Messung des Ausbreitungsparameters anhand des von dieser Empfangsantenne (18; 18A–18D; 23; 35) empfangenen Signals erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen von einer Antenne (23) oder Feldsonde aus einem vorbestimmten Abstand auf ein offenes Ende des Rohres (2) eingestrahlt werden, und dass von dem Rohr (2) reflektierte Wellen durch die Antenne (23) oder Feldsonde empfangen und das Maß für die Länge des Rohres (2) durch Auswertung des empfangenen Signals abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des eingestrahlten Signals variiert wird, aus dem Spektrum der von dem Rohr (2) aufgenommenen Leistung Resonanzfrequenzen ermittelt werden, und aus der Lage solcher Resonanzfrequenzen die Länge des Rohres (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppenlaufzeit und/oder die Dispersion der Gruppenlaufzeit der aus einem offenen Ende des Rohres (2) austretenden Wellen gemessen wird, und dass aus der Gruppenlaufzeit und/oder deren Dispersion die Länge des Rohres (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlten Wellen die Form eines kurzen elektromagnetischen Impulses haben, und dass die Zeiten zwischen der Aussendung eines Sendeimpulses und dem Empfang mehrerer Reflexionsimpulse am Ort der Aussendung des Sendeimpulses gemessen und aus diesen Zeiten die Länge des Rohres (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem offenen Ende des Rohres (2) austretenden Wellen mittels einer Vielzahl von räumlich verteilt angeordneten Empfangsantennen (18A–18D) empfangen werden, die jeweils Empfängern (14A–14D) mit zumindest paarweise gleicher Phasenreferenz (16A; 16B) zugeordnet sind, dass aus den Phasenbeziehungen zwischen den zwei Empfangssignalen jedes Empfängerpaares (18A, 18B; 18C, 18D) gleicher Phasenreferenz (16A; 16B) jeweils eine Hyperbelkurve (24, 27; 25, 28) als Standort des Senders der Wellen ermittelt wird, und dass anhand mindestens eines Schnittpunktes (26, 29) von unterschiedlichen Empfängerpaaren (18A, 18B; 18C, 18D) zugeordneten Hyperbelkurven (24, 27; 25, 28) ein Näherungswert für die Position des offenen Endes des Rohres (2) relativ zu den Standorten der Empfangsantennen (18A–18D) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ermittelten Näherungswert anhand von experimentell oder durch Simulationen für verschiedene Rohrlängen und Rohrdurchmesser ermittelten Korrekturkennlinien ein genauerer Wert für die Position des offenen Endes des Rohres (2) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des in das Rohr (2) eingekoppelten Signals variiert wird, dass die Frequenzabhängigkeit der Gruppenlaufzeit der sich durch das Rohr (2) ausbreitenden Wellen gemessen wird, und dass aus deren Verlauf die Länge des Rohres (2) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Länge des Rohres (2) durch numerische Anpassung eines mathematischen Modells des Verlaufs der Frequenzabhängigkeit der Gruppenlaufzeit, in welchem der Rohrdurchmesser als Parameter enthalten ist, an den gemessenen Verlauf ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Rohres (2) anhand der Cutoff-Frequenz, unterhalb derer keine Wellenausbreitung durch einen rohrförmigen Wellenleiter möglich ist. ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2) und die Empfangsantenne (18) relativ zueinander bewegt werden oder eine solche Bewegung durch Umschaltung zwischen verschiedenen Empfangsantennen oder variable Mischung der Signale verschiedener Empfangsantennen simuliert wird, und dass die Position des offenen Endes des Rohres (2) anhand einer Frequenzverschiebung des Empfangssignals gegenüber dem Sendesignal aufgrund des Doppler-Effektes ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen elektrisch leitfähigen Körper (12) in Form eines einseitig offenen Hohlzylinders aufweist, dessen Durchmesser an einer Stelle seiner Längsrichtung abgestuft ist, wobei das offene Ende einen größeren Durchmesser als das geschlossene Ende hat und der Innendurchmesser des offenen Endes dem Außendurchmesser eines zu messenden Rohres (2) entspricht, um die Einführung des Rohres (2) in den hohlzylindrischen Körper (12) bis zu dem Absatz zu ermöglichen, und wobei der Innendurchmesser des geschlossenen Endes dem Innendurchmesser eines zu messenden Rohres (2) entspricht, dass ferner an dem Abschnitt des hohlzylindrischen Körpers (12) mit kleinerem Innendurchmesser eine Antenne in Form eines elektrisch leitfähigen Körpers (6) in den hohlzylindrischen Körper hineinragend angeordnet ist, und dass die Antenne mit einer Messeinrichtung (10; 110; 310; 410) verbunden ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zumindest teilweise zylindrischen Körper (20) mit einem dem Innendurchmesser eines zu messenden Rohres 20 entsprechendem Außendurchmesser, welcher die zumindest teilweise Einführung des zylindrischen Körpers (20) in ein zu messendes Rohr ermöglicht, aufweist, dass an der Stirnfläche des in ein zu messendes Rohr einführbaren Teils des zylindrischen Körpers (20) eine Antenne in Form eines Schlitzes angeordnet ist, und dass die Antenne mit einer Messeinrichtung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (10) einen Sender zur Erzeugung eines durch die Antenne (6) abzustrahlenden Sendesignals, einen Empfänger zum Empfang eines von derselben Antenne (6) empfangenen Reflexionssignals, einen Richtkoppler zur Verbindung des Senders und des Empfängers mit der Antenne (6) und eine Auswertungseinheit zur Ermittlung des Verhältnisses aus Reflexions- und Sendeleistung sowie zur Berechnung der Rohrlänge aus dem spektralen Verlauf des Verhältnisses aus Reflexions- und Sendeleistung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (110) mindestens einen mit der Antenne (6) verbundenen Sender (15) zur Erzeugung eines durch die als Sendeantenne fungierende Antenne (6) abzustrahlenden Sendesignals, mindestens eine weitere als Empfangsantenne fungierende Antenne (18; 18A–18D)), die von einem offenen Ende eines zu messenden Rohres (2) beabstandet angeordnet ist, und mindestens einen mit dieser verbundenen Empfänger (14; 14A–14D) zum Empfang eines Empfangssignals, welches sich nach Abstrahlung eines Sendesignals durch das Rohr (2) hindurch ausgebreitet hat, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zeitbasis (16) zur Synchronisation des Senders (15) mit dem Empfänger (14) und eine Auswertungseinheit zur Ermittlung der Gruppenlaufzeit und/oder der Dispersion dieser Gruppenlaufzeit sowie zur Berechnung der Länge des Rohres (2) aus der Gruppenlaufzeit und/oder deren Dispersion aufweist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (10; 210) einen Sender zur Erzeugung eines durch die Antenne (6; 23) abzustrahlenden Sendesignals, einen Empfänger zum Empfang eines von derselben Antenne (6; 23) empfangenen Reflexionssignals, einen Richtkoppler zur Verbindung des Senders und des Empfängers mit der Antenne (6; 23), eine Zeitbasis zur Synchronisation des Senders mit dem Empfänger und eine Auswertungseinheit zur Ermittlung von Laufzeiten zwischen der Aussendung eines Sendeimpulses und dem Empfang von Reflexionsimpulsen sowie zur Berechnung der Länge des Rohres (2) aus den Laufzeiten aufweist.