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Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen Messung kleiner Abstände
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die dazugehörige Einrichtung zur berührungslosen
Messung kleiner Abstände zwischen einem Referenzpunkt und einer elektrisch leitenden
Fläche wobei eine abgestrahlte elektromagnetische Welle von der elektrisch leitenden
Fläche reflektiert und wieder empfangen wird.
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Derartige berührungslose Messungen kleiner Abstände sind insbesondere
bei elektromagnetisch getragenen und geführten
Schwebefahrzeugen
erforderlich.
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Es ist bereits bekannt, zur berührungslosen Abstandsmessung eine elektromagnetische
Welle auszusenden, deren Wellenlänge in der Größenordnung des zu bestimmenden Abstandes
liegt und die von der elektrisch leitenden Fläche, deren Abstand von einem Referenzpunkt
ermittelt werden soll, reflektierte Welle wieder zu empfangen.
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Ferner ist eine Abstandsmessung mit Hilfe stehender Wellen bekannt,
wobei die Lageveränderungen der Knoten der stehenden Welle in ebenfalls bekannter
Weise bestimmbar sind. Dies erfolgt in zweckmäßiger Weise mittels eines verschiebbaren
Kurzschlußschiebers an einem Hohlleiterübertrager, in dem sich die stehende Welle
ausbildet. (DT-AS 1 222 688) Auf der Messung der Phasenlage zweier Wellenzüge beruhen
auch alle bekannten Einrichtungen zur Abstandsmessung mit Interferometern (z.B.
US-PS 3 775 582).
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Außerdem sind Abstandsmeßanordnungen mit induktiven Abstandsgebern
bekannt, die ein induktives Verlustverfahren anwenden (Dt-OS 2 158 387).
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Für verschiedene Anwendungsfälle reichen jedoch Meßgenauigkeit und
Auflösungsvermögen einer Abstandsmeßanordnung nach dem Prinzip der stehenden Wellen
nicht aus. Besonders nachteilig bei diesem Verfahren ist die Tatsache, daß keine
berührungslose Abstandsmessung möglich ist. Es muß entweder ein mit dem beweglichen
Teil, dessen Abstand gemessen werden soll, verbundener, verschiebbarer Kurzschlußschieber
vorhanden sein oder es müssen zwei im Abstand eines Bruchteils einer halben Wellenlänge
angeordnete Abtastorgane verschiebbar im Hohlleiter gelagert sein. Dies bedeutet
jedoch einen erheblichen mechanischen Aufwand.
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Nach einem induktiven Verlustverfahren arbeitende Abstandsmeßgeräte
eignen sich nicht für Abstandsmessungen bei Magnet-Schwebebahnen, obwohl eine berührungslose
Abstandsmessung möglich wäre. Das Magnetfeld des induktiven Abstandsgebers wird
nämlich durch die Magnetfelder der Magnetschwebebahn gestört, so daß nur ein verhältnismäßig
stark verrauschtes Abstandssignal erzeugt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und die dazugehörige
Einrichtung zur berührungslosen Messung kleiner Abstände anzugeben, das bei geringem
technischen Aufwand eine hohe Meßgenauigkeit und eine große Störunempfindlichkeit
aufweist sowie eine trägheitslose Abstandsmessung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil der
Energie der empfangenen reflektierten Welle abgezweigt, gleichgerichtet und zur
Anzeige gebracht wird und daß der angezeigte Pegel ein Maß für den Abstand darstellt.
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Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Einrichtung geschaffen, die
aus einem von einem Hochfrequenzsender angeregten Hohlleiter besteht, der ein offenes
Ende oder ein die elektromagnetischen Wellen abstrahlendes Element aufweist, sowie
einen mit dem Hohlleiter verbundenen, einen Teil der rücklaufenden Welle auskoppelnden
Richtkoppler enthält, dem ein Gleichrichter und ein Anzeigeinstrument nachgeschaltet
sind.
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Die Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des
Hohlleiters oder das die elektromagnetischen Wellen abstrahlende Element im Referenzpunkt
angeordnet ist und der Ausschlag des Anzeigeinstrumentes unmittelbar proportional
dem Abstand von diesem Referenzpunkt ist.
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Zur Erweiterung des Meßbereiches sind nach einer weiteren Ausbildung
der Erfindung zwei Stichleitungen im Abstand von 1/4 der Wellenlänge im Hohlleiter
zwischen dem Referenzpunkt und dem Richtkoppler angeordnet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Gleichrichter als kohärenter Gleichrichter ausgebildet ist, daß zusätzlich
ein einen Teil der hinlaufenden Welle auskoppelnder Richtkoppler vorgesehen ist,
dessen Ausgang an einem ersten Eingang des kohärenten Gleichrichters anliegt, daß
auch der einen Teil der rücklaufenden Welle auskoppelnde Richtkoppler auf einen
zweiten Eingang des kohärenten Gleichrichters geführt und am Ausgang des letzteren
das Anzeigeinstrument nachgeschaltet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der den Hohlleiter anregende
Hochfrequenzsender abstimmbar sowie mit einem Frequenzmesser gekoppelt und das Anzeigeinstrument
als Nullgalvanometer ausgeführt Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
allgemein in der hohen Meßgenauigkeit und der Störunempfindlichkeit der trägheitslosen
Abstandsmessung. Die besonderen Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Einrichtung werden anhand der Ausführungsbeispiele aufgezeigt.
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Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur la eine schematische
Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels; Figur 1b ein Diagramm zur Erläuterung
der Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels; Figur 2a eine schematische Darstellung
eines zweiten Ausführungsbeispieles mit zwei den Meßbereich erweiternden Stichleitungen;
Figur 2b ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des zweiten Ausführungsbeispiels;
Figur-
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit kohärenter
Gleichrichtung; Figur 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels.
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Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. la ist ein Hohlleiter HL,
der an einem Ende offen ist, von einem Hochfrequenzsender S angeregt und über einen
Richtkoppler Rk sowie einem Gleichrichter G mit einem Anzeigeinstrument P verbunden.
Der zu messende Abstand zwischen dem offenen Ende des Hohlleiters HL (Referenzpunkt)
und einer elektrisch leitenden Fläche MP ist mit d bezeichnet.
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Das Diagramm nach Fig. 1b dient zur Erläuterung der Wirkungsweise
des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 1a. Auf der Abszissenachse -ist der zu
messende Abstand d in Millimetern aufgetragen und als Verglenchsmaßstab die Wellenlänge
ß für eine Betriebsfrequenz f = 5 GHz eingetragen. Im Raum vor der elektrisch leitenden
Fläche MP bilden sich, angeregt durch die Strahlung aus dem offenen Hohlleiter,
stehende elektromagnetische Wellen aus, wobei die Lage der Knoten im Raum durch
die gewählte Frequenz f und den Abstand d von der elektrisch leitenden Fläche MP
bestimmt wird. Ein Teil der rücklaufenden Welle wird mit Hilfe des Richtkopplers
Rkl abgezweigt. Die rücklauf ende Energie wird nach der Gleichrichtung durch den
Gleichrichter G1 von dem Anzeigeinstrument P angezeigt und ist in Fig. 1b als Relativwert,
bezogen auf den Ausgangspegel des Hochfrequenzsenders S auf der Ordinatenachse aufgetragen.
Infolge der Steilheit der in Fig. 1b dargestellten Kurve sind sehr genaue Abstandsmessungen
möglich.
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Das in Fig. 2a dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in Fig. la dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
lediglich
durch zwei abstimmbare, zwischen dem Richtkoppler Rk und dem offenen Ende des Hohlleiters
HL angeordnete Stichleitungen St1 und St2. Der Abstand a zwischen den beiden Stichleitungen
St und St2 beträgt ein Viertel der Betriebswellenlänge.
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Das in Fig. 2b dargestellte Diagramm dient zur Erläuterung der Wirkungsweise
des zweiten Ausführungsbeispiels und zeigt wieder die rücklaufende Energie als Funktion
des Abstandes d.
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Unter der Voraussetzung einer konstanten Betriebsfrequenz ist die
Lage der Nullstelle vom Abgleich der beiden Stichleitungen Stl und St2 abhängig.
Die beiden Kurvenzüge k-k und c-c stellen die Abhängigkeit der rücklaufenden Energie
vom Abstand d für zwei verschiedene Abgleichstellungen der Stichleitungen Stl und
St2 dar. Durch die Anordnung der beiden Stichleitungen kann der Meßbereich innerhalb
gewisser Grenzen erweitert werden.
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Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels,
bei dem ein kohärenter Gleichrichter kD dem Anzeigeinstrument P vorgeschaltet ist.
Ein Teil der hinlaufenden Welle wird mit Hilfe eines zusätzlichen Richtkopplers
Rk2 aus dem vom Hochfrequenzsender S angeregten Hohlleiter HL ausgekoppelt und liegt
als Referenzspannung am Referenzeingang E1 des kohärenten Gleichrichters kD an.
Der zweite Eingang E2 des kohärenten Gleichrichters kD ist über einen Phasenschieber
Ps mit dem Richtkoppler Rk1 verbunden, der, wie bei den beiden vorher beschriebenen
Ausführungsbeispielen, einen Teil der rücklaufenden Welle auskoppelt. Der Abstand
von der elektrisch leitenden Fläche MP ist mit d bezeichnet.
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Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß mittels des kohärenten
Gleichrichters ein bipolares Gleichstromsignal
erzeugt und eine
Ablage des gemessenen Abstands von einem, durch einen Abgleich der Schaltungsanordnung
einjustierbaren Sollwert vorzeichenrichtig angezeigt wird. Zum Abgleich der Schaltungsanordnung
können, wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a angegeben, zwei Stichleitungen
verwendet werden.
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Fig. 4 zeigt die schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels,
bei dem der Hohlleiter HL von einem abstimmbaren Hochfrequenzsender S angeregt wird,
der mit einem Frequenzmesser FM verbunden ist. Der die rücklaufende Welle auskoppelnde
Richtkoppler Rk ist über den Gleichrichter Gl im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1a mit einem Nullgalvanometer NP verbunden. Bei der in Fig. 4 dargestellten
Schaltungsanordnung wird die Frequenzabhängigkeit des Resonanzeffektes zur Abstandsmessung
herangezogen. Die Frequenz des Hochfrequenzsenders S wird so lange variiert, bis
das Anzeigeinstrument NP eine Nullstelle der rücklaufenden Welle anzeigt. Die dazugehörige
Betriebsfrequenz f ist am Frequenzmesser FM ablesbar und stellt ein Maß für den
Abstand d dar.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich wegen der Steilheit
des zur Anzeige gebrachten Signals in der Umgebung einer Nullstelle für sehr genaue
Abstandsmessungen.
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Da durch einen Abgleichvorgang die Nullstelle einem Nominalstand bzw.
Sollabstand zugeordnet werden kann, ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
besonders als Sensor in einem Regelkreis geeignet, dessen Aufgabe es ist, den tatsächlichen
Abstand (Istwert) mit möglichst großer Genauigkeit auf einen Sollwert zu regeln.
Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind die berührungslose Abstandsmessung bei
der Einhaltung der Höhe bei Magnetschwebebahnen und als Sensor in Walzenstraßen.
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Patentansprüche