DE1264796B - Einrichtung zur Distanzmessung - Google Patents
Einrichtung zur DistanzmessungInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES Wjjw PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
GOIc
GOIs
Deutsche Kl.: 42 c-18
Deutsche Kl.: 42 c-18
Nummer: 1 264 796
Aktenzeichen: A 42740IX b/42 c
Anmeldetag: 28. März 1963
Auslegetag: 28. März 1968
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Distanzmessung, bei der im einen Endpunkt der
zu messenden Strecke mit einem Hauptgerät und im anderen Endpunkt mit einem Nebengerät jeweils
elektromagnetische, von Oszillatoren erzeugte ungedämpfte Wellen ausgesendet und jeweils am anderen
Endpunkt empfangen werden und bei der in beiden Empfängern die empfangene mit der ausgesendeten
Welle gemischt und die derart erzeugte Differenzschwingung vom Nebengerät als Modulation der
Welle zum Hauptgerät übertragen wird, wo der ein Maß für die Distanz bildende Phasenwinkel zwischen
den beiden Differenzschwingungen mittels eines Phasenmessers ermittelt wird.
Die beiden Meßwellen besitzen eine unterschiedliche Frequenz und können auch auf eine Trägerwelle
moduliert sein. In beiden Empfängern wird die empfangene Meßwelle mit der gesendeten Meßwelle
gemischt und damit je eine Differenzschwingung erzeugt. Die beiden Differenzschwingungen weisen
gegeneinander einen distanzabhängigen Phasenunterschied auf. Die im einen Endpunkt anfallende Differenzschwingung
wird zum anderen Endpunkt übertragen. In einem Phasenmeßgerät wird der Phasenunterschied
zwischen dieser übertragenen und der durch Mischung aus gesendeter und empfangener
Meßwelle gewonnenen Differenzschwingung gemessen und daraus in bekannter Weise die Distanz zwischen
den beiden Endpunkten der Strecke errechnet.
Der Phasenunterschied soll mit möglichst großer Genauigkeit (z. B. auf 2 · 10~3 bis 2 · ΙΟ-4 genau)
gemessen werden, ist sie doch maßgebend für die Genauigkeit der Distanzmessung. Aus bekannten
Gründen wählt man die Frequenz der Differenzschwingungen sehr viel niedriger als die Frequenzen
der Meßwellen (ζ. B. im Verhältnis 1:101 bis 1:105).
Auch sehr kleine Frequenzabweichungen in den Meßwellen, die trotz der heutigen Technik quarzstabilisierter
Schwingungen nicht vermeidbar sind, verursachen relativ große Frequenzänderungen der Differenzschwingungen.
Der Phasenmesser, in dem die Phasendifferenz der beiden Differenzschwingungen gemessen wird, muß eine große Frequenzbandbreite
besitzen, da sonst infolge des nichtlinearen Phasenganges Meßfehler auftreten können. Phasenmesser
mit der hier geforderten Genauigkeit und Bandbreite sind aber kaum oder nur mit sehr großem Aufwand
realisierbar. Man wird daher danach trachten, die Frequenzschwankungen der Differenzschwingungen
einzuschränken.
Bei einem bekannten Gerät zur Distanzmessung wird die durch Mischung der gesendeten mit der
Einrichtung zur Distanzmessung
Anmelder:
Albiswerk Zürich A. G., Zürich (Schweiz)
Vertreter:
Dr. M. Eule, Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. J. Berg und Dipl.-Ing. O. F. Stapf, Patentanwälte,
8000 München 2, Hilblestr. 20
8000 München 2, Hilblestr. 20
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Elektroing. Othmar Schneider, Urdorf;
Marcel Hossmann,
Dipl.-Techn. Gottfried Tschannen,
Zürich (Schweiz)
Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 15. August 1962 (9770)
empfangenen Meßwelle gewonnene sinusförmige Differenzschwingung in einem Phasenschieber um
π/2 in der Phase verschoben. Die verschobene Schwingung und ihre Grundschwingung werden nach
Verstärkung je auf ein Plattenpaar einer Kathodenstrahlröhre geführt, auf deren Schirm ein Kreis als
Bild erscheint. Mit der anderen, durch Demodulation erhaltenen Differenzschwingung wird das Bild moduliert.
Eine Änderung der Frequenz der Differenzschwingungen bewirkt auf Grund der Schmalbandigkeit
des π/2-Phasenschiebers eine Verformung des Bildes, d. h., es weicht vom Kreis ab. Wird eine
solche Abweichung von der Kreisform festgestellt, so kann sie durch Nachstellen der einen Sendefrequenz
korrigiert werden. Das Nachstellen erfolgt durch den Bedienungsmann, der damit die Frequenz der Differenzschwingungen
innerhalb zulässiger Grenzen hält. Dieses Vorgehen weist Nachteile auf, da ein technisch
ausgebildeter Bedienungsmann erforderlich ist, der die Korrektur auszuführen hat. Die Genauigkeit
des Phasenmessers ist daher von der Zuverlässigkeit und Fähigkeit des Bedienungsmannes abhängig. Ein
weiterer Nachteil ist auch, daß die Nachstellung der
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Sendefrequenz nur langsam erfolgen kann, da die signals wirken sich dann auf das nach diesem geregel-Abweichung
zuerst festgestellt werden muß. Insbe- ten hochfrequenten Meßsignal praktisch überhaupt
sondere ist diese Art der Korrektur der Sendefre- nicht mehr aus. Die Frequenz des Meßsignals der
quenz für Phasenmeßgeräte mit selbsttätiger digitaler Nebenstation wird deshalb mit einer annähernd abso-Anzeige
der Phasendifferenz zumindest sehr un- 5 luten Genauigkeit der Frequenz des Meßsignals der
geeignet. Hauptstation nachgeführt. Es wird dadurch vermie-
Bei einer anderen bekannten Einrichtung zur Di- den, daß durch den Meßsignalgenerator der Nebenstanzmessung
wird die von einer Antwortstation ab- station ein Fehler entsteht.
gestrahlte Meßfrequenz auf die jeweilige Meßfrequenz An Hand der Zeichnung wird im folgenden der
der Hauptstation synchronisiert. Der Meßfrequenz- io Aufbau und die Wirkungsweise eines Ausführungsoszillator der Hauptstation ist seinerseits mit einem beispiels beschrieben. Dabei zeigt
hochpräzisen Referenzgenerator synchronisiert. Die F i g. 1 ein Blockschema einer Einrichtung zur Di-
Synchronisation der beiden Meßfrequenzgeneratoren Stanzmessung,
geschieht folgendermaßen: Die beiden Meßfrequen- F i g. 2 ein Blockschema der Phaseneinrichtung,
zen werden in der Antwortstation miteinander ver- 15 F i g. 3 ein Blockschema eines zweiten Ausfühglichen.
Durch die daraus gewonnene Differenz- rungsbeispiels für den Einbau in die Einrichtung
schwingung wird der Meßgenerator der Nebenstation gemäß Fig. 1,
so beeinflußt, daß dieser auf eine Meßfrequenz gezo- F i g. 4 das Blockschema eines Frequenzdiskrimigen
wird, die von der Meßfrequenz der Hauptstation nators und um einen konstanten Betrag abweicht. 20 F i g. 5 das Schaltschema des Oszillators mit der
Bei dieser Einrichtung wird in bekannter Weise die Frequenzreguliereinrichtung.
in der Antwortstation gebildete Differenzschwingung In F i g. 1 ist die Station A die Haupt- oder eigentauf
die Hauptstation übertragen, wo der Phasenunter- liehe Meßstation und die Station B die entfernt lieschied
zwischen dieser und der in der Hauptstation gende Nebenstation. 1 und 2 bedeuten die Sendegebildeten
Differenzschwingung festgestellt wird. Die 25 Empfangs-Einrichtung, 3 und 4 die Oszillatoren für
Messung des distanzabhängigen Phasenunterschieds die ungedämpften elektromagnetischen Wellen, die
erfolgt nun in bekannter Weise mit einem geeichten Meßwellen, mit deren Differenzschwingungen die Di-Phasenschieber
und einem Nullindikator. Bei dieser stanz gemessen wird. 7 und 8 sind die Oszillatoren
Phasenmeßmethode ist die absolute Einhaltung der für die Trägerschwingungen, deren Frequenzen um
Sollfrequenz der Differenzschwingung nicht unbe- 30 den Betrag der Zwischenfrequenz voneinander abdingt
erforderlich. weichen. 5 und 6 sind Modulatoren zur Modulation Demgegenüber stellt die Messung mit einem digi- der Trägerschwingungen, und 9 und 10 sind Mischtalen
Phasenmesser höhere Anforderungen an die stufen. Die Zwischenfrequenzverstärker 11 und 12
Frequenzgenauigkeit der Differenzschwingung. Bei sind mit schmalbandigen Filterkreisen ausgerüstet,
dieser Meßmethode wird durch die eine Differenz- 35 13, 14 und 15 sind Demodulatoren. Die Stufen 16
schwingung ein Meßtor geöffnet und durch die zweite und 17 dienen der Impulsformung. Das Phasenmeß-Differenzschwingung
wieder geschlossen. Während gerät 18 zeigt mit Hilfe des Zähloszillators 19 die der Öffnungszeit des Tores wird eine hochstabile Phasenlage in digitaler Form an. 20 ist ein Frequenz-Zählfrequenz
auf einen digitalen Zähler geleitet. Es ist diskriminator, der vom Referenzoszillator 21 seine
nun ohne weiteres ersichtlich, daß die Frequenz der 40 Vergleichsfrequenz erhält.
Differenzschwingung gegenüber der Zählfrequenz Die Oszillatoren 7 und 8 erzeugen die Trägerwel-
absolut genau sein muß. len, die in den Modulatoren 5 und 6 mit den Meß-
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Verbesse- wellen, herrührend von den Oszillatoren 3 und 4,
rung der Genauigkeit einer eingangs erwähnten Ein- moduliert werden, wobei die Frequenzgenauigkeit
richtung durch Regelung der Meßfrequenz der 45 des Oszillators 3 in der Hauptstation direkt in die
Nebenstation. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß im Genauigkeit der Distanzmessung eingeht. Die modu-Nebengerät
ein Frequenzdiskriminator vorhanden lierten Trägerwellen werden durch die Sende-Empist,
der einerseits mit einem auf die Sollfrequenz der fangs-Einrichtungen 1 und 2 zum größten Teil über
Differenzschwingung abgestimmten Referenzoszilla- eine Richtantenne zur Gegenstation abgestrahlt, wähtor
und anderseits mit dem Demodulator des Emp- 50 rend ein kleiner Anteil als Lokaloszillatorsignal auf
fängers verbunden ist und dessen Ausgang mit einem die Mischstufen 9 und 10 gelangt. Die Sende-Empspannungsabhängigen
Frequenzziehkreis in dem zur fangs-Einrichtungen empfangen das modulierte Trä-Erzeugung
der ungedämpften Wellen vorgesehenen gersignal der Gegenstation und leiten es ebenfalls an
Oszillator in Verbindung steht. die Mischstufen 9 und 10 weiter. In den schmal-
Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, 55 bandigen Zwischenfrequenzverstärkern 11 und 12
daß die Frequenz der Differenzschwingung mit der werden nur die Differenzschwingungen der Träger-Genauigkeit
des Referenzoszillators konstant gehal- wellen als Zwischenfrequenzträger und die ihm am
ten wird. Für die Messung des distanzabhängigen nächsten liegenden Seitenbänder verstärkt. Wird
Phasenwinkels durch einen digitalen Phasenmesser Frequenzmodulation empfangen, so bewirkt diese
ist ein hochstabiler Zähloszillator vorhanden. Da die 60 Beschneidung der Seitenbänder eine Amplituden-Geräte
sowohl als Haupt- als auch als Nebenstation modulation. In den Demodulatoren 14 und 15 wird
verwendbar sind, steht ein solcher Zähloszillator diese Amplitudenmodulation demoduliert, und es
ebenfalls in der Nebenstation zur Verfügung. Die werden so aus der Differenz der Meßwellen die Dif-Frequenz
dieses Zähloszillators wird mit einem Fre- ferenzschwingungen gewonnen. In der Station A erquenzteiler
untersetzt, wodurch ein Referenzsignal 65 zeugt der Impulsformer 17 aus dieser sinusförmigen
erzeugt wird, dessen Genauigkeit durch den hoch- Differenzschwingung Impulse, die im Phasenmesser
stabilen Zähloszillator gegeben ist. Die geringen Fre- 18 den Start des Zählvorganges bestimmen. Die
quenzschwankungen des niederfrequenten Referenz- Schwingung des Zähloszillators 19 wird im Phasen-
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messer 18 in eine Reihe von Impulsen, die Zähl- schließen. Die Stellungen der Schalter 32, 33, 34 und
impulse, verwandelt. 35 sind in der Lage für eine Hauptstation gezeichnet;
Die im Demodulator 15 der Station B gewonnene die Funktionsweise entspricht demnach derjenigen
sinusförmige Differenzschwingung wird einerseits der Station A in Fig. 1. Vom Zwischenfrequenz-
dem Modulator 6 und andererseits dem Frequenz- 5 verstärker 11 werden die Differenzschwingungen
diskriminator 20 zugeführt. Zwischen Demodulator einerseits im Demodulator 13 und andererseits im
15 und Modulator 6 kann eine Impulsformerstufe Demodulator 14 demoduliert. Die Impulsformerstueingeschoben
werden, so daß die Phasenlage der fen 16 und 17 führen die Impulsfolgen zum Phasen-Differenzschwingung
durch Impulse gekennzeichnet meßgerät 18, das die Zählimpulse vom Zähloszillator
ist und als zweite Modulation der Trägerwelle aufge- io 19 erhält. Der Schalter 35 legt über den Eingang D
drückt werden kann, während die Differenzschwin- eine feste Vorspannung U 2 an den spannungsabhän-
gung ohne Impulsstufe als sinusförmige Frequenz- gigen Ziehkreis von Oszillator4, Fig. 1, wodurch
modulation erscheint. Diese zweite Modulation dieser die für die Hauptstation festgelegte Frequenz
durchläuft auf der Empfangsseite (Station A) den annimmt. Der Eingang C zu demselben Ziehkreis ist
Zwischenfrequenzverstärker unbeeinflußt und wird 15 dabei durch den Schalter 34 an Masse gelegt. Der
an seinem Ausgang durch einen Demodulator 13 zu- Schalter 33 trennt den Diskriminator 20 vom Modu-
rückgewonnen. Bei sinusförmiger zweiter Modulation lator 6, Fig. 1.
wird ein Impulsformer 16 benötigt. Die Impulse des Bei umgelegten Schaltern 32, 33, 34 und 35 wird
Impulsformers 16 dienen im Phasenmeßgerät 18 als das Phasenmeßgerät 18 von der Impulsformerstufe
Stoppimpulse für den Zählvorgang. 20 17 getrennt und erhält daher keine Startimpulse
Im Frequenzdiskriminator 20 wird die demodu- mehr. Die Umlegung des Schalters 35 legt die Vor-
lierte Differenzschwingung vom Demodulator 15 mit spannung E/l an den spannungsabhängigen Ziehkreis
der frequenzkonstanten Schwingung aus dem Refe- im Oszillator4, Fig. 1, wodurch dessen Frequenz
renzoszillator 21 verglichen. Die daraus resultierende ungefähr um die Frequenz der Differenzschwingun-
Fehlerspannung wird über den Eingang C einem 25 gen verschoben wird. Der Ausgang der Impulsfor-
spannungsabhängigen Ziehkreis des Oszillators 4 zu- merstufe 17 wird einerseits über die Trennstelle B
geführt, wodurch seine Frequenz so geregelt wird, auf den Modulator 6, F i g. 1, und andererseits auf
daß sie eine konstante vorgeschriebene Differenz der- den Frequenzdiskriminator 20 geführt. In einem
jenigen des Oszillators 3 aufweist. Frequenzteiler 31 wird die Frequenz der Schwingung
Das Phasenmeßgerät 18 nach Fig. 1 ist in ver- 30 des Zähloszillators 19 auf die Frequenz der Vereinfachter
Form in F i g. 2 dargestellt. Es setzt sich gleichsschwingung des Referenzoszillators 21, F i g. 1,
aus den beiden Eingängen 16 und 17, welche aus den gebracht und auf den Frequenzdiskriminator 20 geentsprechenden
Stufen in F i g. 1 gespeist werden, geben, dessen Regelspannung über die Trennstelle C
dem Meßeinleitungsschalter23, dem elektronischen die Frequenz des Oszillators 4, Fig. 1, so regelt,
Wiederholungszähler 24, den logischen Schaltungen 35 daß sie genau um den Betrag der Frequenz der Ver-25,
26 und 27, dem Impulsformer 28, dem elektroni- gleichsschwingung aus dem Frequenzteiler 31 von
sehen Zähler 29 und dem Zähloszillator 19 zusam- der Frequenz des Oszillators der Hauptstation abmen,
wobei letzterer dem gleichbezeichneten Block weicht,
in F i g. 1 entspricht. Die Vorteile dieser Anordnung sind ohne weiteres
in F i g. 1 entspricht. Die Vorteile dieser Anordnung sind ohne weiteres
Das Phasenmeßgerät 18 mißt die Phase zwischen 40 ersichtlich. Für die Serienfabrikation von Distanzden
Impulsfolgen an den Eingängen 17 und 16. meßgeräten bedeutet es eine starke Vereinfachung,
Durch Schließen des Schalters 23 wird der Meßvor- wenn alle Geräte identisch aufgebaut sind. Jedes Gegang
eingeleitet und der Wiederholungszähler 24 in rät kann sowohl als Haupt- als auch als Nebenstation
Betrieb gesetzt, der seinerseits die Anzahl der zu verwendet werden, wodurch auf einfachste Weise
messenden Perioden festgelegt und in bekannter 45 Messungen in beiden Richtungen ermöglicht und
Weise aus Binärzählstufen aufgebaut sein kann. Der auch Dreipunktvermessungen durchführbar werden.
Wiederholungszähler 24 gibt ein Potential auf das Die Organisation zur Durchführung von Distanz-Und-Tor
25, das für die Startimpulse des Einganges messungen vereinfacht sich damit ganz wesentlich.
17 leitend wird. Diese Startimpulse werden im Wie- Da die Phasenmessung einer der wichtigsten Bederholungszähler
24 gezählt. Das Und-Nicht-Tor 26 50 standteile der Einrichtung ist, kann ein größerer
gibt bis zum Eintreffen des nächsten Stoppimpulses Aufwand, insbesondere in bezug auf die Frequenzvom
Eingang 16 ein Potential auf das Phasenmeßtor konstanz des Zähloszillators, in Kauf genommen wer-27,
das damit für die Zählimpulse, die im Impuls- den. Da die Meßungenauigkeit aber ebenfalls von der
former 28 aus der frequenzgenauen Schwingung des Konstanthaltung der Frequenz der Difterenzschwin-Zähloszillators
19 hergestellt werden, leitend wird. 55 gung abhängt, muß auch hier ein absolut zuverlässi-Die
Zählimpulse werden im elektronischen Zähler 29 ger Oszillator für die Vergleichsschwingung vorgegezählt.
Der Vorgang wird für die durch den Wieder- sehen werden. Durch die Erfindung ist es möglich,
holungszähler 24 festgelegte Anzahl Perioden wieder- den Oszillator für die Zählimpulse auch als Referenzholt.
Die Zahl der im elektronischen Zähler 29 ge- oszillator für die Differenzschwingung zu verwenden,
zählten Zählimpulse ist ein Maß für den zu messen- 60 Das Blockschema des Frequenzdiskriminators in
den Phasenunterschied zwischen den Differenz- F i g. 4 besteht aus einem phasengesteuerten Demoschwingungen. dulator40, einem Phasenschieber 41, einer Misch-
Die Ausführung gemäß F i g. 3 bezweckt eine stufe 42, einem Differenzierglied 43 und einer zweiten
Kombination und Ergänzung der Stationen A und B, Mischstufe 44.
so daß die daraus resultierende Station sowohl als 65 Die Schwingung A sin ωχί sei die zu regelnde und
Haupt- als auch als Nebenstation verwendet werden die Schwingung B sin ω · t die Bezugsschwingung,
kann. Die Anschlüsse A, B, C und D sind an den Beide Schwingungen gelangen auf die Mischstufe 42,
gleichbezeichneten Trennstellen der F i g. 1 anzu- die eine beliebige bekannte Schaltung aufweisen kann
und ζ. B. ein Ringmodulator ist. Ein Tiefpaß in der Mischstufe 42 sorgt dafür, daß nur die Differenzschwingung
C sin (ωχ — Cu0) t
am Ausgang erscheint. Diese wird einem ebenfalls nach bekannter Art geschalteten Differenzierglied 43
zugeführt. Durch die Differenzierung entsteht eine Schwingung
- CJ0
- W0) t,
deren Amplitude frequenzabhängig ist und welche auf den phasengesteuerten Demodulator 40 gegeben
wird. Die Bezugsschwingung B sin ωοί wird außerdem
im Phasenschieber 41 um π/2 in der Phase ge- 15 schoben und in der zweiten Mischstufe 44, welche
gleich wie die Mischstufe 42 aufgebaut sein kann, mit der zu regelnden Schwingung A sin coxt gemischt.
Der Tiefpaß in der Mischstufe läßt nur die Differenzschwingung am Ausgang erscheinen. Diese Schwin- 20 Nebenstation oder umgekehrt verwendet wird.
gung hat die Form _ .. .
Claims (2)
1. Einrichtung zur Distanzmessung, bei der im einen Endpunkt der zu messenden Strecke mit
einem Hauptgerät und im anderen Endpunkt mit einem Nebengerät jeweils elektromagnetische,
von Oszillatoren erzeugte, ungedämpfte Wellen ausgesendet und jeweils am anderen Endpunkt
empfangen werden und bei der in beiden Empfängern die empfangene mit der ausgesendeten
Welle gemischt und die derart erzeugte Differenzschwingung vom Nebengerät als Modulation der
Welle zum Hauptgerät übertragen wird, wo der ein Maß für die Distanz bildende Phasenwinkel
zwischen den beiden Differenzschwingungen mittels eines Phasenmessers ermittelt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß im Nebengerät ein Frequenzdiskriminator (20) vorhanden ist, der einerseits mit einem auf die Sollfrequenz
der Differenzschwingung abgestimmten Referenzoszillator (21) und andererseits mit dem Demodulator
(15) des Empfängers verbunden ist und dessen Ausgang mit einem spannungsabhängigen
Frequenzziehkreis in dem zur Erzeugung der ungedämpften Wellen vorgesehenen Oszillator (4)
in Verbindung steht.
2. Einrichtung zur Distanzmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzmeßgeräte
von Haupt- auf Nebengeräte umschaltbar sind und daß der Phasenwinkel durch einen an sich bekannten digitalen Phasenmesser
(18) mit Hilfe eines Zähloszillators (19) bestimmbar ist, der gleichzeitig zusammen mit einem
naehgeschalteten Frequenzteiler (31) einen Referenzoszillator darstellt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 271 980,
295317,353 540;
295317,353 540;
französische Patentschriften Nr. 1 210 627,
549;
549;
britische Patentschrift Nr. 811 762;
USA.-Patentschrift Nr. 2 697 826;
Prospekt »Cubic Electrotape Model DM 20«, ein-Ziehreaktanz im Quarzkreis und hat eine Verände- 65 gegangen am 20. Februar 1962.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 520/128 3.68 © Bundesdruckerei Berlin
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