DE2312145A1 - Verfahren und geraet zur entfernungsmessung mit hilfe von mikrowellen - Google Patents

Verfahren und geraet zur entfernungsmessung mit hilfe von mikrowellen

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Description

Patentanwalt
Kar! A. Bros©
DiH--Sri}.
D-B023 Ι'^ΐ' · ~n - '^*1
vI/No' - 7385 München-Pullach, 12. März 1973
BRITISH STEEL CORPORATION, eine Gesellschaft nach den Bestimmungen des "Iron & Steel Act 1967", 33 Grosvenor Place, LONDON, England
Verfahren und Gerät zur Entfernungsmessung mit Hilfe von Mikrowellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Messen von Entfernungen unter Verwendung von frequenzmodulierten Mikrowellen.
Man hat bereits seit Jahren Standardfrequenz-Modulationssysteme für die Abstands- bzw. Entfernungsmessung verwendet. Bei dieser Technik gelangt eine einzige Modulation zur Anwendung, die einer Trägerwelle aufgedrückt wird. Diese Welle wird dann von einer Antenne aus direkt zum Gegenstand bzw. Ortungsobjekt gesendet, zu welchem die Entfernung gemessen werden soll, und es wird die von dem Ortungsobjekt reflektierte Welle einen kurzen"Zeitintervall nach der Sendung wieder aufgefangen. Wenn die gesendeten und empfangenen Signale miteinander gemischt werden, ent-
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ORIGINAL INSPECTiD
steht eine Differenzfrequenz (oder Schwebefrequenz), deren Frequenz proportional zum Abstand·zum Ortungsobjekt hin ist.
Die wiederholte Modulation, die in der Praxis erforderlich ist, führt zu einem Problem, welches bei der Umkehr der Modulation auftritt, was dazu führt, was man "fester Fehler" nennt. Dieser "feste Fehler" ist eine Eigenschaft eines mit einer einzigen Frequenz modulierenden Systems und ist von der gemessenen Entfernung unabhängig. Der Fehler ist umgekehrt proportional dem verwendeten Frequenzdurchlauf (frequency sweep); wenn beispielsweise der Frequenzdurchlauf 100 MHz beträgt, so würde der Fehler in der Entfernungsmessung - 75 cm betragen.
Dort, wo große Entfernungen gemessen werden, kann der "feste Fehler" bedeutungslos sein. Dort, wo jedoch relativ kurze Entfernungen oder Abstände genau gemessen werden sollen, stellt der "feste Fehler" einen relativ großen Prozentsatz der Entfernung dar, und er kann einen untragbaren Ungenauxgkextsgrad in das System einführen.
Bei einer verbesserten Form der Entfernungsmessung werden zwei Modulationen unterschiedlicher Frequenz der Trägerwelle aufgedrückt. Hierdurch läßt sich der "feste Fehler" entfernen, und es läßt sich eine größere Genauigkeit der Messung erzielen.
Es wurde jedoch festgestellt, daß auch bei dem Doppelmodulationssystem Fehler auftreten, wenn das System dazu verwendet wird, den Abstand zu festen Ortungsobjekten oder Gegenständen zu messen, die sich nur sehr langsam relativ zu einer feststehenden Antenne bewegen. Dieser hier angesprochene Fehler ist im allgemeinen nicht so groß wie der "feste Fehler", der zuvor erwähnt wurde, und es wird angenommen, daß er sich auf einen Phasenverzerrungseffekt zurückführen läßt. Wenn Einzel-?· modulationssysteme verwendet werden, überdeckt der"feste Fehler" diesen weiteren Fehler, und bei einer Doppelmodulation erscheint der Fehler nur bei relativ geringen Trennungsgeschwindig·
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keiten von Antenne und Ortungsobjekt.
Beim Messen der Auffüllhöhe der Charge in einem Blasofen oder Hochofen wird die Antenne gegen die Charge von einer Entfernung aus gerichtet, die zwischen ca. 1 und 5 m liegt. Die Höhe der Charge bewegt sich langsam abwärts und steigt dann in Inter-
vallen, wenn eine weitere Charge von oberhalb dem Ofen eingegeben wird, plötzlich auf einen früheren Wert. Man hat festgestellt, daß die Fehler, die bei der Verwendung eines Doppelmodulationssystems auftreten, um die Höhe bzw. Standhöhe der Charge in ihrem sich langsam bewegenden Zustand zu messen, bis - 180 mm betragen können.
Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, den Fehler bei der Abstandsmessung, der auf Phasenverzerrungseffekte zurückftihrbar ist, minimal zu gestalten.
In einer Hinsicht schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Abstandes von einem Ortungsobjekt, gemäß welchem eine Mikrowellenfrequenz-Trägerwelle erzeugt wird und gleichzeitig diese Trägerwelle mit zwei unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird, um ein moduliertes Signal vorzusehen, worauf dann ein erster Abschnitt des modulierten Sioi.ü. gegen das Ortungsobjekt gerichtet wird und ein von diesem Ortungsobjekt reflektiertes Signal empfangen wird, dann ein zweiter Abschnitt des modulierten Signals dorthin gerichtet wird, um ein Bezugssignal zu formen, die Phase von einem Abschnitt des modulierten Signals zyklisch verändert wird, das reflektierte Signal mit dem Bezugssignal gemischt wird und die Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Bezugssignal festgestellt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät geschaffen, um den Abstand zu einem Ortungsobjekt hin zu bestimmen, wobei ein Generator zum Erzeugen einer Mikrowellenfrequenz-Trägerwelle vorgesehen ist, Einrichtungen, um gleich-
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zeitig die Trägerwelle mit zwei unterschiedlichen Frequenzen zu modulieren, um dadurch ein moduliertes Signal vorzusehen, ebenso Einrichtungen, um einen ersten Abschnitt des modulierten Signals gegen das Ortungsobjekt zu richten, Mittel, um einen zweiten Abschnitt des modulierten Signals dorthin zu richten, um ein Bezugssignal zu bilden, und eine Einrichtung zum Verändern der Phase von einem Abschnitt des modulierten Signals, eine Mischstufe, um das reflektierte Signal mit dem Bezugssignal zu mischen, und einen Detektor, um die Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Bezugssignal festzu stellen.
In bevorzugter Weise wird die Phasenveränderung auf den zweiten Abschnitt des modulierten Signals angewendet. Die Phase kann gleichmäßig sinusförmig verändert werden, oder sie kann durch Schalten der Phase über 180° in regelmäßigen Intervallen verändert werden. In bevorzugter Weise ist die Frequenz, mit welcher die Phase verändert wird, kleiner als die Modulationsfrequenzen.
Die Trägerwelle kann mit Wellen unterschiedlicher Form oder Gestalt moduliert werden. Eine der Wellen kann eine dreieckige Form haben.
Der erste Abschnitt des modulierten Signals kann gedämpft werden, bevor er in Richtung auf das Ortungsobjekt gelenkt wird. Der zweite Abschnitt des modulierten Signals kann durch einen Isolator geschickt werden.
Das Ortungsobjekt kann einen Teil der oberen Fläche eines Teilchengefüges von Material sein, wie beispielsweise die Charge in einem Hochofen. Das Teilchengefilge kann sich bewegen.
Gemäß dem Verfahren kann der Abstand zu einem Bezugspunkt bestimmt werden, der Unterschied zwischen dem Abstand zum Ortungsobjekt und dem Abstand zum Bezugspunkt, wobei ein Maß
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oder Messung der Dicke des Ortungsobjektes vorgesehen
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt:
Figur 1 in schematischer Form ein Ausführungsbeispiel eines Gerätes nach der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Gerätes zum Verarbeiten eines Signals, welches von dem Gerät gemäß Figur 1 erzeugt wird;
Figur 3 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Anwendung des Gerätes nach den Figuren 1 und 2 in einem Hochofen oder Blasofen;
Figuren UA und HB schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Technik zum Messen der Dicke eines Gegenstandes unter Verwendung des Gerätes nach Figuren 1 und 2; und
Figur 5 in schematischer Form ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gerätes mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung. ·
Das Gerät gemäß Figur 1 enthält einen ersten Mikrowellengenerator 10, der eine Mikrowellenfrequenz-Trägerwelle erzeugt. Die Trägerwelle wird gleichzeitig durch eine 500 Hz-Dreieckwelle modulierte, die durch einen ersten Signalgenerator 11 erzeugt wird, und mit einer 300 Hz parabelförmigen Welle moduliert, die durch einen zweiten Signalgenerator 12 erzeugt wird. Das resultierende modulierte Signal gelangt durch einen Wellenleiter bzw. Hohlleiter 13 zu einem Richtungskoppler 14.
Der Richtungskoppler IH teilt das modulierte Signal in zwei Abschnitte auf, von denen der erste durch den Hohlleiter 15 und durch ein veränderliches Dämpfungsglied 16 zu einer Sendeantenne 17 gelangt. Die Sendeantenne richtet den ersten
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Abschnitt des modulierten Signals auf ein Ortungsobjekt (siehe Figur 3).
Der zweite Abschnitt des modulierten Signals gelangt durch einen weiteren Hohlleiter 18, durch einen Isolator 19, der verhindert, daß irgendein Signal zum Mikrowellengenerator 10 zurückgelangen kann, und gelangt zu einem elektrisch betätigten Phasenschieber 20. Der Phasenschieber 20 wird auf einer ersten Frequenz von 10 Hz betätigt, die durch einen Sinuswellen-Generator 21 erzeugt wird. Dabei ergibt sich eine gleichmäßige sinusförmige Veränderung der Phase des zweiten Abschnitts des modulierten Signals, um ein Bezugssignal zu bilden.
Die Empfangsantenne 22, die sich nahe bei der Sendeantenne 17 befindet, empfängt ein Mikrowellensignal, welches gegen ein Ortungsobjekt durch die Antenne 17 gerichtet wurde, und durch dieses Ortungsobjekt reflektiert wurde. Dieses reflektierte Signal gelangt durch den Hohlleiter 23 durch eine abgeglichene Mischstufe 24, die zwei Detektordioden enthält.
Das Bezugssignal, welches durch den Betrieb des Phasenschiebers 20 am ersten Abschnitt des modulierten Signals erzeugt wurde, gelangt ebenso zu der abgeglichenen Mischstufe Das Bezugssignal wird mit dem reflektierten Signal in der abgeglichenen Mischstufe 24 gemischt und die Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Bezugssignal wird durch die Dioden erfaßt.
Diese Differenzfrequenz, die proportional zur Entfernung des Objekts liegt, gelangt zu einem Differenz-Vorverstärker 25 (siehe Figur 2), der ein verstärktes Signal erzeugt. Das verstärkte Signal gelangt über ein Coaxialkabel durch ein einstellbares Dämpfungsglied 26 zu einem Verstärker 27. Das einstellbare Dämpfungsglied 26 wird dazu verwendet, um zu Beginn den Signalpegel in Abhängigkeit von der Stärke des reflektierten Signals einzustellen. Der Verstärker 27 ist hinsichtlich
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seinem Frequenzansprechverhalten begrenzt, und zwar abhängig von dem erforderlichen Meßbereich des Gerätes. Wenn beispielsweise der Bereich, über welchen Entfernungsmessungen zum Ortungsobjekt durchgeführt werden sollen, sich von 1 m bis 10 m bewegt, so befindet sich der Frequenzbereich bzw. Durchlaßbereich des Verstärkers sehr wenig außerhalb dem Bereich von 4 bis 7 kHz. Diese Vorrichtung reduziert Rauschgrößen und mögliche Fehler, die durch Vielfachreflektionen der Mikrowellen von dem Ortungsobjekt auftreten können.
Das verstärkte Signal aus dem Verstärker 27 wird dann in der Quadrierstufe 28 (square) quadriert und gelangt durch eine Diodenpumpe 29 von hier zu einem Gleichstromverstärker 30, der eine Ausgangsgröße erzeugt, die proportional zur Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Bezugssignal ist, welches wiederum proportional zum Abstand zum Ortungsobjekt ist. Die Ausgangsgröße des Gleichstromverstärkers 30 gelangt zu einem Anzeigegerät 31 oder einem Kurvenschreiber 32, je nach Anforderung. Das Anzeigegerät 31 und der Kurvenschreiber 32 sind so geeicht, daß eine Ablesung des Abstandes zum Ortungsobjekt möglich ist.
Figur 3 zeigt schematisch den oberen Abschnitt eines Blasofens oder Hochofens 40 zur Herstellung von Eisen, wobei jeweils Sendeantenne 17 und Empfangsnatenne 22 so installiert sind, daß sie auf die Füllung des Ofens oder Charge Ul gerichtet sind, In dieser Zone des Blasofens besteht die Ofencharge 41 aus einer Teilchenschicht aus Koks, Sinter und Zuschlägen. Das Ortungsobjekt stellt einen Teil der oberen Fläche des Schichtaufbaus dar und die von der Sendeantenne 17 auf die obere Fläche gerichteten Mikrowellen werden zum Teil zur Empfangsantenne 22 reflektiert, die sich nahe bei der Sendeantenne 17 befindet. Im allgemeinen bewegt sich die Ofencharge 41 langsam abwärts und der Ofen wird in Intervallen durch einen Nachfüllmechanismus 42 wieder nachgefüllt.
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Eine signalerzeugende und verarbeitende Einrichtung gemäß Figur 1 ist in «inem Gehäuse 43 installiert, und zwar nahe bei der Mikrowellenantenne 17 und 22. Der Differenz-Vorverstärker 2 von Figur 2 befindet sich ebenfalls in dem Gehäuse 43 und der , Rest der signalverarbeitenden Ausrüstung des in Figur 2 gezeigten Typs ist in eine Nachsteuerschalttafel 1H* im Bereiche der Basis des Ofens 40 enthalten und ist an den Differenzvorverstärker 25 über ein Coaxialkabel 45 angeschlossen. Der Abstand der oberen Fläche der Ofencharge 41 kann dann an der Steuerschalttafel oder Schaltpult 44 angezeigt oder aufgezeichnet werden, und zwar typisch in der Größenordnung von 8 m im Abstand zu den Mikrowellenantennen 17 und 22.
Wie dies schematisch in den Figuren 4A und 4B gezeigt ist, kann das Gerät nach Figur 1 und 2 dazu verwendet werden, die Dicke eines Gegenstandes zu bestimmen. Die Mikrowellenantennen 17 und' 22 werden auf einen Reflexionspunkt 50 gerichtet, und es wird der Abstand D des Bezugspunktes 50 zu den Antennen 17 und 22 durch die zuvor beschriebene Einrichtung bestimmt. Ein Gegenstand 51, dessen Dicke gemessen werden soll, wird zwischen die Antennen 17 und 22 und den Bezugspunkt 50 angeordnet, so daß dessen abliegende Seite sich beim Bezugspunkt 50 befindet. Der Abstand d zwischen der nahe gelegenen Fläche des Gegenstandes 51 und den Antennen 17 und 22 wird dann bestimmt. Der Unterschied zwischen dem Abstand D und dem Abstand d ist dann ein Maß für die Dicke des Gegenstandes 51. Es sei hervorgehoben, daß diese Technik nur für Gegenstände verwendet werden kann, die für Mikrowellen nicht durchlässig sind.
Die Elemente von Figur 5 sind identisch mit denjenigen von Figur 1, jedoch ist der Phasenschieber 20 vor dein veränderlichen Dämpfungsglied 16 in den Hohlleiter 15 eingesetzt. Der Phasenschieber 20 wird auf einer Frequenz von 10 Hz betrieben, die durch den Sxnuswellengenerator 21 erzeugt wird. Die Phase des ersten Abschnitts des modulierten Signals, welches gesendet werden soll, wird verändert, und zwar anstelle des zweiten
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Abschnittes, wie dies bei der Ausführungsform von Figur 1 der Fall ist. Das von dem Gerät gemäß Figur 5 erzeugte Signal kann durch das signalverarbeitende Gerät von Figur 1 verarbeitet werden.
Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen erkennbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.
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Claims (10)

Patentansprüche
1.J Verfahren zum Bestimmen des Abstandes zu einem Ortungs-"ÖDJekt, wonach eine Mikrowellenfrequenz-Trägerwelle erzeugt wird, gleichzeitig die Trägerwelle mit zwei unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird, um ein moduliertes Signal vorzusehen, ein erster Abschnitt des modulierten Signals auf das Ortungsobjekt gerichtet wird und das von dem Ortungsobjekt reflektierte Signal aufgefangen wird, und weiter ein zweiter Abschnitt des modulierten Signals gelenkt wird, um & ein Bezugssignal zu bilden, das reflektierte Signal dann mit dem Bezugssignal gemischt wird und die Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Bezugssignal festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase des ersten Abschnitts des modulierten Signals zyklisch verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenveränderung auf den zweiten Abschnitt des modulierten Signals angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase dadurch verändert wird, daß man die Phase über 180 in regelmäßigen Intervallen schaltet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase kontinuierlich sinusförmig verändert wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, in welcher die Phase verändert wird, kleiner ist als die Modulationsfrequenz .
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Modulationswellen, welche die Trägerwelle modulieren, eine dreieckige Form aufweist.
-K geändert gemäB Eingabe 309838/0993 «•gegangen am 432J
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7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des modulierten Signals gedämpft wird, bevar er in Richtung auf das Ortungsobjekt gelenkt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ortungsobjekt einen Teil der oberen Fläche eines Teilchenbettes oder -schichtung von Material formt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchenbett oder Materialteilchenschichtung durch die Charge in einem Blasofen oder Hochofen gebildet wird.
10. Gerät zum Bestimmen des Abstandes zu einem Ortungsobjekt, mit einem Generator zum Erzeugen einer Mikrowellenfrequenz-Trägerwelle, einer Einrichtung für die gleichzeitige Modulation der Trägerwelle mit zwei unterschiedlichen Frequenzen, um ein moduliertes Signal vorzusehen, einer Einrichtung zum Lenken eines ersten Abschnittes des modulierten Signals in Richtung auf das Ortungsobjekt, weiter eine Einrichtung zum Lenken eines zweiten Abschnittes des modulierten Signals, um ein Bezugssignal zu formen, mit einer Mischeinrichtung, um das reflektierte Si~r?l mit dem Bezugssignal zu mischen, und mit einem Detektor, zum Erfassen der Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Bezugssignal, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (20, 21) vorgesehen sind, um die Phase eines Abschnittes des modulierten Signals zyklisch zu verändern.
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