DE3938409A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben eines universell anwendbaren sensors - Google Patents

Schaltungsanordnung zum betreiben eines universell anwendbaren sensors

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DE3938409A1
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DE3938409A
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Inventor
Wilfried Kretschmer
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NAGEMA AG DRESDEN, O-8045 DRESDEN, DE
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Nagema VEB
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines universell anwendbaren Sensors, bestehend aus einem Gene­ rator, einem Wellenleiter, einer Auskopplung und einer Antenne.
Auf nahezu allen technischen Sachgebieten sind Messungen von physikalischen Größen erforderlich.
Die dafür benötigten Einrich­ tungen werden allgemein als Sensoren bezeichnet. Eine Gruppe dieser Sensoren nutzt die Eigenschaft fester oder flüssiger Stof­ fe, elektromagnetische Wellen ganz oder teilweise reflektieren zu können.
Der Einsatz dieser Sensoren erfolgt z. B. bei der Messung des Feuchtegehaltes eines Körpers bzw. eines Stoffes, bei der Er­ mittlung der Füllhöhe flüssiger oder fester Güter oder der quali­ tativen Erfassung der dielektrischen Eigenschaften von Stoffen. Die Anwesenheit flüssiger oder fester Körper, die Länge von me­ tallischen Körpern, der Abstand zwischen zwei Körpern oder die Lage bzw. die Richtung linear ausgedehnter Körper können eben­ falls mit Hilfe von Sensoren ermittelt werden.
Die genannten Beispiele können nur eine Auswahl aus der Vielzahl der Anwendungsfälle darstellen. Allen gemeinsam ist, daß die Sensoren über ein Glied mit der Umwelt in Wechselwirkung stehen und auf eine physikalische Größe mit einer meist elektrisch meß­ baren Änderung reagieren. Es gibt akustische, optische, elek­ trische, radiometrische und andere Schaltungen für die obenge­ nannten Sensoren.
Der Nachteil aller dieser Lösungen besteht darin, daß für jede zu messende physikalische Größe eine spezielle, für diese Belange angepaßte Sensorgrundschaltung angewendet werden muß.
Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Sensorgrundschal­ tung, die es gestattet, mehrere physikalische Größen ohne Änderungen der Grundschaltung zu erfassen.
Der Erfindung liegt als Aufgabe die Entwicklung einer Schaltungs­ anordnung zugrunde, durch die alle physikalische Größen, die den Reflexionsfaktor elektromagnetischer Wellen beeinflussen können, gemessen bzw. qualitativ nachgewiesen werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruch angeführten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß diese Grund­ schaltung die Fertigung billiger und robuster, für die Maschinen­ steuerung geeigneter Sensoren erlaubt.
Das Verfahren soll nun an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt die er­ findungsgemäße Grundschaltung.
Die Figur zeigt die prinzipielle Schaltung.
Am Ort 1 ist ein hier nicht näher dargestellter Generator an­ geordnet, der elektromagnetische Wellen in einen Wellenleiter mit den Wellenwiderstand Z 0 einkoppelt. Am Ende des Wellenleiters ist eine HF-Auskopplung mit der Impedanz Z 2 angeordnet. An einer bestimmten Stelle zwischen Eingang und Ausgang des Wellenleiters ist eine Seriendiskontinuität in Form einer Antenne mit der Antennenimpedanz Z A angeordnet.
Zur Wirkungsweise:
Der Lösung liegt folgender Effekt zugrunde: Bestrahlt man ein beliebiges Objekt mit elektromagnetischen Wellen, wird je nach Betrag und Phase des Reflexionsfaktors r des betreffenden Ob­ jektes ein Teil der Wellen reflektiert und gelangt in die Antenne zurück. Das führt zu einer Veränderung der Antennenimpedanz Z A , da der transformierte Reflexionsfaktor r einer zur Antenne paral­ lelen, in der Zeichnung dargestellten Impedanz Z M entspricht. Diese Veränderung der Antennenimpedanz Z A ist abhängig von Betrag und Phase des Reflexionsfaktors r des reflektierenden Objektes und vom Objektabstand.
Stellt die Antennenimpedanz Z A eine Seriendiskontinuität im Wel­ lenleiter zwischen Generator und Auskopplung dar (siehe Figur), kann die Anpassung zwischen Generator und Auskopplung durch die Veränderung der Antennenimpedanz Z A beeinflußt werden. Bei an den Wellenwiderstand Z 0 angepaßtem Generator herrscht dann Anpassung für die vom Generator kommende Welle, wenn Z A + Z 1 = Z 0 ist, d. h., die Imaginärteile von Z A und Z 1 sich gegenseitig aufheben. Anders ausgedrückt, der Imaginärteil von Z 1 ist so groß, daß er sich mit dem Imaginärteil der resultierenden Antennenimpedanz bei Anwesenheit eines Meßobjektes aufhebt. Die Summe der Realteile entspricht gerade dem Wellenwiderstand Z 0 des Wellenleiters. Z 1 ist die über den Wellenleiter transformierte Impedanz Z 2 des Wellenleiters am Ort 3. Dabei teilt sich die am Ort 3 auftretende Spannung entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis R A : R 1 auf die Antenne und den zur Auskopplung führenden Wellenleiter auf. Die gezeichneten Ebenen kann man rechnerisch zusammenfallen­ lassen, wenn die Länge der Seriendiskontinuität sehr klein gegen die Wellenlänge ist. R A und R 1 sind die Realteile der komplexen Impedanzen Z A und Z 1.
Ist z. B. R A (ohne reflektierendes Objekt) groß gegen R 1 und den Wellenwiderstand Z 0, dann wird erstens ein Teil der Generator­ leistung zum Generator reflektiert und zweitens entsprechend dem Verhältnis R A /R 1 nur ein Bruchteil zur Auskopplung gelangen. Dieses Verhältnis wird durch die parallel zur Antenne liegende Impedanz Z M , (entspricht dem Reflexionsfaktor des Objekts) zu­ gunsten der Auskopplung geändert und kann so gewählt werden, daß zwischen den Orten 1 und 3 Anpassung herrscht, bzw. der Re­ flexionsfaktor verringert wird. Besteht die Auskopplung z. B. aus einer Transistoraudionstufe, können in Abhängigkeit vom reflek­ tierenden Objekt Gleichspannungen zwischen 0 und mehreren Volt als Signalspannung gewonnen werden.

Claims (2)

  1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines universell anwendbaren Sensors, bestehend aus
    • * einem Generator
    • * einem Wellenleiter
    • * einer Auskopplung und
    • * einer Antenne
  2. dadurch gekennzeichnet, daß
    • * die Antenne als Seriendiskontinuität
      • ** zwischen Generator und Auskopplung angeordnet ist,
    • * wobei der Realteil (R A ) der Antennenimpedanz (Z A ) groß gegen den Realteil (R 1) vom transformierten Widerstand (Z 1) ist,
    • * der Realteil (R A ) ebenfalls groß gegen den Wellenwiderstand (Z 0) ist und
    • * der Imaginärteil von (Z 1) so groß ist, daß er sich mit den Imaginärteil der resultierenden Antennenimpedanz bei Anwesen­ heit eines Meßobjektes aufhebt.
DE3938409A 1988-12-28 1989-11-18 Schaltungsanordnung zum betreiben eines universell anwendbaren sensors Ceased DE3938409A1 (de)

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IT8948678A0 (it) 1989-12-20
IT1237258B (it) 1993-05-27

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