DE4407369A1 - Transition time measurement method - Google Patents

Transition time measurement method

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Abstract

The method involves using a signals transmitter and receiver (1) with a envelope slope detector (5) and a quadrature modulator (20). The transition time is first determined approximately and finally a correction value, taking into account the exact transition time, is determined. The phase angle of the pulse is measured and the correction value derived from a fraction of the carrier frequency (fT) defined by the phase angle. The defined time point can be defined by a preceding pulse modulated pulse with the same carrier signal. The phase angles of the two pulses can determined and their phase difference formed. The correction value can then be determined from a fraction of the carrier frequency defined by the phase difference.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitmessung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der Laufzeitmes sung und deren Verwendung. The invention relates to a method for transit time measurement according to the features of the preamble of claim 1 and a circuit arrangement for carrying out the Laufzeitmes solution and use thereof.

Verfahren zur Laufzeitmessung sind allgemein bekannt und werden in großem Umfang zur berührungslosen Entfernungsbe stimmung und zur Ortung von Gegenständen eingesetzt. A process for the transit time measurement are well known and are widely used for non-contact Entfernungsbe humor and for positioning objects. Wesent lich bei diesen Puls-Laufzeit-Verfahren ist das Aussenden eines pulsförmig modulierten Signales bestimmter Frequenz und dessen Empfang nach Reflexion an einem Zielobjekt. Wesent Lich these pulse transit time method is the emission of a pulse wave modulated signal of determined frequency and its reception after reflection on a target object. Als Maß für die zu ermittelnde Distanz wird die Laufzeit ermit telt, die zur Distanzbestimmung lediglich noch mit der entsprechenden Ausbreitungsgeschwindigkeit, die abhängig vom Übertragungsmedium ist, multipliziert werden muß. As a measure of the distance to be determined, the travel time telt ermit which must be multiplied by the corresponding propagation rate which is dependent on the transmission medium for distance determination only still. Je nach Frequenzbereich des modulierten Trägersignales des ausgesen deten Impulses unterscheidet man verschiedene Formen der Impuls-Laufzeit-Messung, wie z. Depending on the frequency range of the modulated carrier signal of ausgesen Deten pulse, there are different shapes of the pulse transit-time measurement, such. B. Ultraschall-Laufzeitmes sung oder Mikrowellen-Laufzeitmessung bzw. Radar-Laufzeit messung. B. Ultrasonic Laufzeitmes solution or microwave propagation time measurement and radar runtime measurement.

Angewendet wird eine derartige Laufzeitmessung beispielswei se zur Bestimmung von Füllständen in Behältern, zur Entfer nungsmessung in Kameras, in medizinischen Diagnosegeräten sowie für Positionieraufgaben in der Automatisierungstech nik. such a transit time measurement is applied beispielswei se for determining levels of tanks, for Entfer voltage measurement in cameras, in medical diagnostic devices, and for positioning in the automation technology.

Zur Extrahierung der Laufzeitinformation aus den vorhandenen Sende- und Empfangssignalen gibt es verschiedene Methoden. To extract the runtime information from the available transmit and receive signals, there are various methods. Das einfachste Verfahren besteht in der Überwachung eines bestimmten Amplituden-Schwellwertes. The simplest method is to monitor a given amplitude threshold. Wird dieser Schwellwert in der Sendephase überschritten, so startet beispielsweise ein Zähler, der nach Überschreitung des Schwellwertes durch das Empfangssignal wieder gestoppt wird und damit ein Maß für die gesuchte Entfernung abgibt. If this threshold value is exceeded in the transmission phase, for example, start a counter that is stopped after the threshold is exceeded by the received signal again and thus gives a measure for the sought distance. Da jedoch die meisten Systeme mit relativ geringen Signalbandbreiten arbeiten und dadurch der Amplitudenanstieg bzw. -abfall im Sende-/Emp fangsimpuls relativ langsam über mehrere Perioden der Trä gerschwingung hinweg erfolgt, gleichzeitig aber die Amplitu de des Empfangssignals sich je nach Zielentfernung und Wellendämpfung stark ändern kann, ergeben sich durch die Verwendung eines fest vorgegebenen Schwellwertes in der Laufzeitbestimmung oft erhebliche Fehler. However, since most systems use relatively low signal bandwidths and thus the amplitude rise or -Slope in the send / rec start pulse relatively slowly over several periods of Trä gerschwingung carried away, while respecting the Amplitu de the received signal change greatly depending on the target distance and wave attenuation may result from the use of a fixed, predetermined threshold in the delay time determination often significant errors.

Vorzugsweise werden deshalb Verfahren eingesetzt, die aus den elektrischen Sende- und Empfangsimpulsen die Hüllkurve rückgewinnen und an der ansteigenden oder abfallenden Flanke dieser Hüllkurve bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer Detektionsschwelle die Zeitmessung starten bzw. stoppen. Therefore, methods are preferably used, which recover the envelope from the electrical transmission and reception pulses and start or stop counting at the rising or falling edge of this envelope is exceeded or fall below a detection threshold. Wird hierbei der Amplitudenwert der Detektionsschwelle in einem festen Verhältnis zum flankenzugehörigen Maximum der Hüllkurve gehalten, so kann das oben beschriebene Problem bei schwankender Empfangsamplitude gelöst werden. Is in this case the amplitude value of the detection threshold maintained in a fixed relationship with the associated edge-maximum of the envelope, so the above described problem can be solved with fluctuating reception amplitude.

Problematisch bei diesem Verfahren ist jedoch ein verhält nismäßig langsamer Flankenanstieg der Hüllkurve aufgrund der erwünschten geringen Systembandbreite. However, a problem with this method is a behaves ately slow slope of the envelope due to the desirable low system bandwidth. Durch den langsamen Flankenanstieg bzw. Flankenabstieg der Hüllkurve wirken sich nämlich geringe Störsignale, z. By the slow rising edge or edge descent of the envelope in fact acting small interfering signals, such. B. in Form von Rauschen, auf der Hüllkurvenflanke sofort als Meßfehler aus, indem sie den Zeitpunkt der Überschreitung der Detektionsschwelle ver schieben. Example in the form of noise on the Hüllkurvenflanke immediately as measurement error from by sliding the time of exceeding the detection threshold ver.

Eine Möglichkeit, um bei gleichbleibend geringer Systemband breite Signalanteile, die höherfrequenter als die Modula tionsfrequenz der ausgesendeten und empfangenen Impulse sind, zur exakteren Laufzeitbestimmung heranzuziehen, ist die zusätzliche Ausnutzung der Trägerschwingung, deren Frequenz regelmäßig um ein Mehrfaches höher als die Amplitu denmodulationsfrequenz ist. To refer to a way to wide while maintaining low system band signal components tion frequency of higher frequency than the Modula are the transmitted and received pulses for more precise delay time determination, the additional use of the carrier oscillation, whose frequency is periodically by a multiple higher than the Amplitu denmodulationsfrequenz.

Ein solches Impuls-Laufzeit-Meßverfahren, das auch die Merkmale des Oberbegriffs des vorliegenden Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus EP 0 324 731 B1 bekannt. Such a pulse run time measuring method, which also has the features of the preamble of present claim 1 is known from EP 0324731 B1. Bei dem dort beschriebenen Verfahren zur Laufzeitmessung wird zunächst der Anfang der abfallenden Flanke der Hüllkurve des Impulses erfaßt, um einen Bezugszeitpunkt zu definieren. In the process described therein for transit time measurement of the beginning of the falling edge of the envelope of the pulse is first detected so as to define a reference point in time. Als Bezugs zeitpunkt dient der nach dem Maximum der Hüllkurve auftre tende erste Scheitelwert des pulsförmig modulierten Impul ses. As the reference time of the occurring defects after the maximum of the envelope tends first peak value of the pulse wave modulated Impul ses used. Durch diesen Bezugszeitpunkt ist die zu ermittelnde Laufzeit zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in etwa grob vorbe stimmt. With this reference point in time to be determined, the running time is right at a predetermined time in roughly about readied. Um die Laufzeit exakt zu ermitteln, ist darüber hinaus vorgesehen, das Auftreten des ersten Null-Durchganges nach diesem Bezugszeitpunkt zu erfassen. To determine the duration exactly, is further provided to detect the occurrence of the first zero-passage after this reference time. Zu der zunächst nur in etwa vorbestimmten Laufzeit wird deshalb noch die Zeit spanne zwischen Bezugszeitpunkt und dem Auftreten des Null- Durchganges hinzuaddiert. therefore, nor the time to the first predetermined time period only about running added between the reference time and the occurrence of the zero passage. Wird als vorgegebener Zeitpunkt der erste Null-Durchgang eines Sendeimpulses nach dem ersten Scheitelwert in der abfallenden Flanke der Hüllkurve des Sendeimpulses gewählt, so kann eine exakte Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung erfolgen. Is selected as the predetermined time, the first zero crossing of a transmission pulse after the first peak in the falling edge of the envelope of the transmission pulse, so an accurate transit time or distance measurement can be performed.

Damit stützt sich das in EP 0 324 731 B1 beschriebene Ver fahren auf eine Laufzeitmessung, die einen Null-Durchgang der Trägerschwingung des pulsmodulierten Impulses erfaßt, der zuvor in etwa zeitlich eingegrenzt wurde. This means that the Ver described in EP 0324731 B1 supports ride on a transit time measurement, which detects a zero crossing of the carrier wave of the pulse-modulated pulse that has been previously bounded in time in approximately. Durch dieses Verfahren kann die Meßgenauigkeit bei der Laufzeitmessung erhöht werden. By this method, the measurement accuracy can be increased at the time of flight measurement.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dieses bekannte Verfahren dann zu fehlerhaften Laufzeitmessungen führt, wenn der auszuwertende Null-Durchgang durch Störsignale, wie z. However, it has been found that this known method leads to faulty runtime measurements if the evaluated zero crossing by noise such. B. Rauschen oder bei der Entfernungsmessung auftretende Störechosignale verfälscht wird oder überhaupt nicht mehr zu detektieren ist. B. noise or occurs in the disturbance echo distance measurement is falsified or is no longer detected.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren zur Laufzeitmessung anzugeben, das eben falls die Trägerschwingung des pulsmodulierten Impulses ausnutzt, allerdings auch dann eine hohe Meßgenauigkeit liefert, wenn die Null-Durchgänge der Trägerschwingung nicht mehr oder nicht mehr exakt aufgrund von Störsignalen detek tierbar sind. The present invention is therefore the object zugrun de provide a method for propagation time measurement, which just in case the carrier wave of the pulse-modulated pulse exploited, but also provides a high measurement accuracy when the zero-crossings of the carrier wave no longer or not more accurately due to noise Detek are tierbar. Darüber hinaus soll eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und eine Verwen dung für eine solche Laufzeitmessung angegeben werden. In addition, should be provided a circuit arrangement for implementing such a method and a USAGE dung for such a transit time measurement.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved for the method by the features of claim 1.

Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, sowohl die Amplitudeninformation des pulsmodulierten Impulses als auch dessen Phaseninformation auszunutzen. Thus, the invention is essentially based on exploiting both the amplitude information of the pulse-modulated pulse as well as its phase information. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Laufzeitmessung zwischen einem vorgegebenen Zeitpunkt und einem mit einem Trägerfrequenzsignal pulsmodu lierten Impuls wird, ähnlich wie beim Stand der Technik, zunächst die Laufzeit in etwa vorbestimmt und anschließend ein die exakte Laufzeit berücksichtigender Korrekturwert ermittelt. In the inventive method of time of flight measurement between a given point in time and a with a carrier frequency signal pulsmodu profiled pulse, the propagation time is similar to the prior art, first of all determined in approximately predetermined and then a precise term consider Direction correction value. Im Gegensatz zur bekannten Laufzeitmessung wird jedoch nicht ein einziger Null-Durchgang des Impulses er faßt, sondern der Phasenwinkel des Impulses gemessen und der Korrekturwert erfindungsgemäß aus einem durch den gemessenen Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trägerfrequenz des Trägerfrequenzsignales ermittelt. In contrast to the known propagation time measurement, however, is measured and the correction value determined according to the invention from a given by the measured phase angle fraction of the carrier frequency of the carrier frequency signal is not a single zero-crossing of the pulse he construed, but the phase angle of the pulse.

Obwohl dieses erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell dazu geeignet ist, die Laufzeit eines pulsmodulierten Impulses zu einem vorgegebenen Null-Zeitpunkt zu ermitteln, ist das erfindungsgemäße Verfahren bestens dazu geeignet, die Lauf zeit zwischen zwei pulsmodulierten Impulsen, wie diese bei der Entfernungsmessung auftreten, zu ermitteln. Although this process of the invention is in principle suitable to determine the duration of a pulse-modulated pulse at a predetermined zero-time, the inventive method is well suited to determine the propagation time between two pulse-modulated pulses, such as occur in the distance measurement. Hierfür wird zunächst der mit einem Trägersignal, das die Trägerfrequenz aufweist, pulsmodulierte Sendeimpuls über eine Kopplungsein richtung, z. For this purpose, initially with a carrier signal having the carrier frequency, pulse-modulated transmitting pulse via a Kopplungsein direction z. B. eine Antenne, an eine Meßstrecke angelegt. Applied as an antenna to a measuring section. Der an einem Zielobjekt reflektierte Sendeimpuls gelangt als Empfangsimpuls in seiner Amplitude aufgrund des Übertra gungsweges gedämpft und zeitverzögert an eine Empfangsein richtung. The reflected on a target object transmitting pulse reaches supply path attenuated and delayed to a Empfangsein direction as a reception pulse in amplitude due to the Übertra. Zunächst wird auf beliebige Weise die Laufzeit in etwa vorbestimmt, vorteilhafterweise auf ± ¼ λ T der Trägerfrequenz, und anschließend der für die exakte Laufzeit noch zu berücksichtigende Korrekturwert ermittelt. First, the term advantageously λ to ± ¼ T of the carrier frequency, and then the yet to be considered for the accurate time correction value is predetermined in about in any manner determined. Zur Ermittlung dieses Korrekturwertes werden die Phasenwinkel beider Impulse bestimmt und aus den beiden Phasenwinkeln ein Phasendifferenzwinkel errechnet. To determine this correction value, the phase angle of the two pulses be determined and calculates a phase difference angle from the two phase angles. Der Korrekturwert wird schließlich aus einem durch den Phasendifferenzwinkel be stimmten Bruchteil der Trägerfrequenz bestimmt. The correction value is finally determined from a polled by the phase difference angle be a fraction of the carrier frequency.

Die zunächst grobe Vorbestimmung der Laufzeit erfolgt in einer Weiterbildung der Erfindung anhand einer Hüllkurvende tektion des oder der Impulse, wobei zur Hüllkurvendetektion in an sich bekannter Weise der Impuls gleichgerichtet und einer Hüllkurvenauswerteschaltung zugeführt wird. The first coarse predetermining the term is a development of the invention with reference to a Hüllkurvende tektion of or pulses, wherein the same direction as envelope detection in a known manner the pulse and a Hüllkurvenauswerteschaltung is supplied.

Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zur Hüll kurvenauswertung eine Quadraturdemodulation, die auch im Zusammenhang mit der Phasenwinkelerfassung eingesetzt werden kann, durchzuführen. Moreover, it is inventively provided to the envelope curve evaluation quadrature demodulation, which can also be used in connection with the phase angle detection to perform. Für die Hüllkurvendetektion erfolgt eine digitale Maximumsuche des Impulses, indem der Impuls einer Quadraturdemodulation unterzogen wird, wobei das Maximum durch die Summe der Quadrate der sich bei der Qua draturdemodulation ergebenden 0°-Ausgangssignale und 90°-Ausgangssignale bestimmt ist. For a digital envelope detection maximum search of the pulse is effected by the pulse quadrature demodulation is subjected, with the maximum being located determined by the sum of the squares of the in Qua draturdemodulation resulting output signals 0 ° and 90 ° output signals. Die Errechnung des Maxi malwertes erfolgt dann zweckmäßigerweise durch einen Mikro computer. The calculation of the Maxi malwertes is then advantageously computer through a microfilter. Hierfür müssen lediglich in geeigneten Speichern die zuvor digital abgelegten Ausgangssignale der Quadratur demodulation des Impulses für einen Meßzyklus abgelegt werden. For this, the previously stored digital output signals of the quadrature demodulation of the pulse for a measuring cycle must be only stored in suitable memories. Somit läßt sich durch einfache Quadraturdemodulation der benötigte grobe Abstand zwischen Sende- und Empfangsim puls ermitteln. Thus be determined by simple quadrature of the required rough distance between transmitter and Empfangsim pulse.

Obwohl der zu ermittelnde Phasenwinkel des auszuwertenden pulsmodulierten Impulses auf beliebige Art und Weise be stimmt werden kann, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Phasenwinkel eines Impulses über die gesamte Impulslänge hinweg zu messen und auszumitteln. can be though of to be determined phase angle of evaluated pulse-modulated pulse in any way be true, it has proven to be expedient to measure the phase angle of a pulse over the entire pulse length of time and average out. Hierdurch kann die Meßge nauigkeit weiter erhöht werden. Thereby, the messge can be further increased accuracy.

Zur Bestimmung des Phasenwinkels ist in einer Weiterbildung der Erfindung eine Quadraturdemodulation des auszuwertenden Impulses mit anschließender Tiefpaßfilterung vorgesehen, wobei für die Quadraturdemodulation Referenzträgersignale gewählt werden, die genau die Trägerfrequenz der modulierten Impulse aufweisen. To determine the phase angle in a development of the invention, a quadrature demodulation of the pulse to be evaluated is provided with subsequent low-pass filtering, with a reference carrier signals are chosen for the quadrature demodulation, which have exactly the carrier frequency of the modulated pulses. Der gesuchte Phasenwinkel bestimmt sich bei dieser Quadraturdemodulation aus einer Arcustangens-Bil dung des Quotienten der bei der Quadraturdemodulation und Tiefpaßfilterung entstehenden 0°-Ausgangssignale und 90°- Ausgangssignale. The desired phase angle is determined at this quadrature demodulation from an arctangent of the quotient of Bil-making resulting from the quadrature demodulation and low pass filtering output signals 0 ° and 90 ° - output signals. Durch die Tiefpaßfilterung werden die bei der Quadraturdemodulation entstehenden hohen Frequenzanteile unterdrückt, so daß für die Dauer der Impulse ausgangsseitig eine Gleichspannung zur Verfügung steht, deren Amplitude nur noch von der Phasenverschiebung zwischen der Trägerschwin gung des Impulses und dem Referenzträgersignal der Quadra turdemodulation abhängt. By the low-pass filtering the resulting from the quadrature demodulation of the high frequency components are suppressed, so that represents the duration of the pulses on the output side a direct voltage, whose amplitude depends only on the phase shift between the Trägerschwin supply of the pulse and the reference carrier signal of the Quadra turdemodulation.

Gemäß der Erfindung sind die Frequenzen des Referenzträger signales der Quadraturdemodulation und des Trägersignales des Impulses gleich. According to the invention, the frequencies of the reference carrier signal and the quadrature demodulation of the carrier signal of the pulse are equal. Hierfür kann beispielsweise eine ge meinsame Oszillatoreinrichtung vorgesehen werden, aus deren Ausgangssignal sowohl das Trägersignal des oder der Impulse als auch die Referenzträgersignale für die Quadraturdemodu lation abgeleitet werden. For this purpose, an Since they share oscillator means can be provided, for example, be derived from the output signal of both the carrier signal of, or pulses and the reference carrier signals for the Quadraturdemodu lation. Dadurch wird gewährleistet, daß die Frequenz des Trägersignales der Impulse und die Frequenz der beiden zur Mischung bei der Quadraturdemodulation be nutzten Referenzträgersignale genau gleich sind. This ensures that the frequency of the carrier signal of the pulses and the frequency of the two be to the mixture at the quadrature reference carrier signals used are exactly alike. Durch die Verwendung einer gemeinsamen Oszillatoreinrichtung wird darüber hinaus erreicht, daß die Phasenlage der beiden Referenzträgersignale der Quadraturdemodulation in bezug zu einem Null-Punkt für alle Meßzyklen gleich bleibt. By using a common oscillator device is furthermore achieved that the phase position of the two reference carrier signals of the quadrature demodulation in respect remains equal to a zero point for all measuring cycles.

Eine Erhöhung der Signalempfindlichkeit der Laufzeitmessung ergibt sich erfindungsgemäß, indem die 0°-Ausgangssignale ebenso wie die 90°-Ausgangssignale mehrerer aufeinanderfol gender Meßzyklen gemittelt werden. An increase in signal sensitivity of the transit time measurement results in accordance with the invention by the 0 ° output signals as well as the 90 ° output signals of several measurement cycles aufeinanderfol gender averaged. Durch diese Scharmitte lung bzw. Integration der beiden Ausgangssignale jeweils getrennt für sich bleibt sowohl die Phasen- als auch die Amplitudeninformation des auszuwertenden Echosignals erhal ten. Eine anschließende Hüllkurvenbildung nach der Beziehung By this averaging or integration of the two output signals in each case separately for itself remains th preserver both the phase and the amplitude information of the evaluated echo signal. A subsequent envelope formation according to the relationship

über den gesamten Meßzyklus hinweg, wobei Q das 0°-Ausgangssignal und I das 90°-Ausgangssignal der Quadra turdemodulation bezeichnet, führt zu dem bekannten Hüllkur ven-Echosignal, das aber gegenüber einem durch übliche Hüllkurvenbildung, wie z. over the entire measurement cycle of time, where Q denotes the output signal 0 ° and 90 °, the output signal I of the Quadra turdemodulation, leads to the well-known Hüllkur ven-echo signal, but compared with a conventional envelope formation by such. B. Zweiweggleichrichtung, gewonne nen Echosignal einen höheren Signal-Rausch-Abstand aufweist, so daß Echos mit sehr kleiner Amplitude leichter zu detek tieren sind. B. wave rectification, gewonne NEN echo signal has a higher signal-to-noise ratio, so that echoes animals easier to Detek with very small amplitude. Verglichen mit einer Scharmittelung bzw. Inte gration der z. Compared with a linear averaging or inte gration of z. B. durch Zweiweggleichrichtung gewonnenen Hüllkurve, die auch eine Erhöhung des Signal-Rausch-Abstan des bewirkt, ist der Gewinn an Signalempfindlichkeit durch die Scharmittelung von 0°-Ausgangssignal und 90°-Ausgangs signal getrennt sowie abschließender Hüllkurvenbestimmung nach der erwähnten Beziehung bei gleicher Anzahl von gemit telten Meßzyklen deutlich höher, weil durch das erfindungs gemäße Verfahren auch die Phaseninformation des auszuwerten den Echosignals mittels Quadraturdemodulation für die Mit telwertbildung erhalten bleibt. B. obtained by full-wave rectification envelope that of also causes an increase in the signal-to-noise Abstan, the gain in signal sensitivity by averaging from 0 ° output signal and 90 ° Outbox is signal separately, as well as final Hüllkurvenbestimmung after-mentioned relation with the same number of GEMIT telten measurement cycles significantly higher because remains telwertbildung obtained by the process according to Inventive and the phase information of the evaluate the echo signal by means of quadrature demodulation for the MIT.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeitmessung läßt sich in vorteilhafter Weise zur Entfernungsmessung und insbeson dere zur Füllstandmessung in Behältern einsetzen, wobei ein pulsmodulierter Sendeimpuls in einen Innenraum eines Behäl ters gesendet und nach Reflexion an einem Zielobjekt als Empfangsimpuls bzw. Echoimpuls in einer Empfangseinrichtung empfangen wird. The inventive method for transit time measurement can be used particular for level measurement in a container in an advantageous manner for measuring distance and insbeson, wherein a pulse-modulated transmitting pulse sent into an interior of Behäl ters and received after reflection from a target object as a received pulse or echo pulse in a receiving device. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren exakt ermittelte Laufzeit zwischen Sendeimpuls und Empfangs impuls wird zur Entfernungsbestimmung mit einer vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit, die vom Übertragungsmedium abhängig ist, multipliziert. The term precisely determined by the inventive method between the transmit pulse and reception pulse is multiplied for determining the distance with a predetermined velocity of propagation, which is dependent on the transmission medium. Durch das exakte Erfassen der Laufzeit zwischen beiden Impulsen ist eine exakte Entfer nungsmessung möglich. The accurate detection of the propagation time between two pulses is an exact Entfer voltage measurement possible.

Schließlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise auch zur Entfernungsmessung einsetzen, bei welchem Störechos auftreten. Finally, the process of the invention advantageously can also be used for distance measurement, in which false echoes occur. So wird erfindungsgemäß ein Störechosignal mit Amplituden-, Entfernungs- und Phasenwer ten abgespeichert und aus einem empfangenen Echoimpuls dessen Hüllkurve und Phasenwinkel detektiert. Thus, a disturbance echo with amplitude, distance and Phasenwer th invention is stored, and detects its envelope and phase angle of a received echo pulse. Der eigentli che Nutzechoimpuls kann durch Vergleich des vorbekannten Störechosignals und des empfangenen Echoimpulses in einfa cher Weise rekonstruiert werden. The eigentli che echo pulse can be reconstructed by comparing the known disturbance echo signal and the received echo pulse in simp cher way.

Damit läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeit messung in vorteilhafter Weise bei Impuls-Laufzeit-Systemen nutzen, deren Anwendungsgebiete die Existenz von Störechos wahrscheinlich erscheinen lassen. Thus, the inventive method at runtime measurement can be used advantageously for pulse runtime systems that let its users, the existence of false echoes likely to appear. Dies trifft in besonderem Maße für die Füllstandmessung in Behältern zu, wo neben dem von der Füllgutoberfläche stammenden Nutzecho noch zahlrei che weitere Reflexionen auftreten können, die beispielswei se durch im Behälterinneren angeordneten Verstrebungen oder andere Einbauten bedingt sind. This is particularly true for level measurement in tanks to where yet zahlrei che further reflections may occur adjacent to the originating from the product surface useful echo that beispielswei se through inside the container arranged struts or other obstructions are due. Um eine klare Unterscheidung zwischen Nutz- und Störechoimpuls treffen zu können, werden deshalb die bei leerem Behälter vorhandenen Störechos regi striert und diese mit Amplituden- und Entfernungswerten abgespeichert. In order to make a clear distinction between useful and Störechoimpuls, so existing with empty vessel false echoes are regi strated and they are saved with amplitude and distance values. Ein Vergleich zwischen einem beliebigen empfangenen Echoprofil bei gefülltem Behälter und der ge speicherten Störechoinformation erlaubt dann die Identifi zierung der Störer und leichtere Auffindung des Nutzechoim pulses. A comparison between any received echo profile when the container is full and the stored ge Störechoinformation then allows the identifi cation of the interferers and easier finding of the Nutzechoim pulses.

Da gemäß der Erfindung sowohl die Amplituden- als auch Phaseninformation des empfangenen Echoimpulses bestimmt wird und voraussetzungsgemäß die Amplituden- und Phaseninforma tion des Störechos bekannt ist, kann aus dem empfangenen Echosignal ohne weiteres auf Amplitude und Phasenwinkel des Nutzechoimpulses rückgeschlossen werden, auch wenn sich Stör- und Nutzecho teilweise gegenseitig überlagern. Since both the amplitude and phase information of the received echo pulse is determined in accordance with the invention and on the premise of the amplitude and phase informa tion of the clutter is known, can be inferred amplitude and phase angle of the Nutzechoimpulses from the received echo signal easily, even if interference and useful echo partially overlap each other.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Laufzeitmessung ist Gegenstand des An spruchs 12. A circuit arrangement according to the invention for performing the method for transit time measurement is the subject of entitlement to 12th

Weiterbildungen dieser Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen 13 bis 18 angegeben. Further developments of this circuit arrangement are set forth in the dependent Claims 13 to 18th

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist folglich eine Sende- und Empfangseinrichtung zum Aussenden und Empfangen von mit einer gleichen Trägerfrequenz pulsmodulierten Impul sen sowie eine Hüllkurvenauswerteeinrichtung zum Bestimmen der Hüllkurven der Impulse auf. Consequently, the circuit arrangement of the invention has sen a transmitting and receiving means for transmitting and receiving pulse-modulated with a same carrier frequency as well as a Impul Hüllkurvenauswerteeinrichtung for determining the envelope of the pulses on. Darüber hinaus ist ein Quadraturdemodulator vorgesehen, um aus den Impulsen jeweils ein 0°-Ausgangssignal oder 90°-Ausgangssignal zu erzeugen, wobei der Quadraturdemodulator mit der Trägerfrequenz der pulsmodulierten Impulse betreibbar ist. In addition, a quadrature demodulator is provided to produce from the pulses in each case one output signal 0 ° or 90 ° output signal, said quadrature demodulator is operable with the carrier frequency of the pulse-modulated pulses. Eine Auswerteschal tung bildet zunächst aus den Maxima der Hüllkurven beider Impulse ein Maß für die in etwa vorbestimmte Laufzeit zwi schen beiden Impulsen und erzeugt aus den 0°-Ausgangssigna len und 90°-Ausgangssignalen den für die Laufzeit zu berück sichtigenden Korrekturwert. A Auswerteschal tung first forms of the maxima of the envelopes of both pulses is a measure of the predetermined approximately runtime Zvi rule and two pulses generated from the 0 ° and 90 ° -Ausgangssigna len -Ausgangssignalen to be taken into the runtime sichtigenden correction value.

Die Auswerteschaltung verfügt zur Entfernungsbestimmung zwischen beiden Impulsen über eine Einrichtung, um aus der ermittelten Laufzeit unter Berücksichtigung einer vorgegebe nen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Impulse die Entfernung zum Zielobjekt zu errechnen. The evaluation circuit has to determine the distance between the two pulses over a means to calculate from the determined run time in consideration of a pre give NEN propagation velocity of the pulses, the distance to the target object.

Die Erfindung und deren Vorteile wird im folgenden im Zusam menhang mit drei Figuren näher erläutert. The invention and its advantages will be explained in more detail below assistance related to three figures. Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein Zeitdiagramm eines pulsmodulierten Impulses einer Laufzeitmeßeinrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 is a timing diagram of a pulse-modulated pulse of a Laufzeitmeßeinrichtung for explaining the method according to the invention,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung nach der Erfindung in einer Füllstandmeßeinrichtung, und Fig. 2 shows a circuit arrangement for carrying out the transit time or distance measurement according to the invention in a Füllstandmeßeinrichtung, and

Fig. 3 Signalverläufe zur Schaltungsanordnung von Fig. 2. Fig. 3 shows signal waveforms for the circuit arrangement of FIG. 2.

In den nachfolgenden Fig. 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Teile und gleiche Signale. In the following FIGS. 1 to 3 the same reference numerals, unless otherwise indicated, like parts and like signals.

In Fig. 1 ist ein Zeitdiagramm eines Empfangsimpulses E dargestellt, wie dieser beispielsweise bei der Füllstandmes sung in einer Empfangseinrichtung empfangen wird. In Fig. 1 is a time chart of a received pulse E is shown as it is received, for example, solution in Füllstandmes in a receiving device. Dieser Empfangsimpuls E besteht aus einem Trägerfrequenzsignal, das eine Trägerfrequenz f T aufweist, und zusätzlich pulsför mig amplitudenmoduliert ist, wobei die Frequenz der Amplitu denmodulation ein Vielfaches geringer als die Trägerfrequenz f T ist. This received pulse E consists of a carrier frequency signal having a carrier frequency f T, and additionally pulsför mig is amplitude modulated, the frequency of the Amplitu denmodulation many times less than the carrier frequency f T. Die Amplitudenmodulation des Empfangsimpulses E ist derart gewählt, daß der Empfangsimpuls E eine Hüllkurve H mit zunächst ansteigender und anschließender abfallender Flanke aufweist. The amplitude modulation of the received pulse E is selected such that the received pulse E having an envelope with H initially rising and then falling edge. Der Empfangsimpuls E weist im Ausführungs beispiel von Fig. 1 sieben lokale Maxima M1 bis M7 auf, wobei der Empfangsimpuls E zum lokalen Maximum M4 symme trisch ist. The receiving pulse E has in the execution example of Fig. 1, seven local maxima M1 to M7, whereby the received pulse E sym to the local maximum M4 is symmetrical. Das lokale Maximum M4 ist zugleich der Maximal wert ME des Empfangsimpulses E. The local maximum M4 is also the maximum value of the received pulse ME E.

Um die Laufzeit t1 bzw. Distanz x1 eines vorgegebenen Punk tes, beispielsweise des Maximalwertes ME, des Empfangsimpul ses E zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, im Ausführungsbei spiel von Fig. 1 dem Null-Punkt, zu bestimmen, wird zu nächst die Laufzeit bzw. Entfernung in etwa vorbestimmt und anschließend ein für die exakte Laufzeit bzw. die exakte Entfernung berücksichtigender Korrekturwert ermittelt. In order to determine the transit time t1 or distance x1 of a predetermined punk tes, for example, the maximum value ME, the Empfangsimpul ses E at a given time, game in Ausführungsbei of Fig. 1 the zero point is to the next the duration or distance approximately predetermined and then determines a consider Direction for the exact duration or the exact distance correction value. Dieser Korrekturwert wird durch den Phasenwinkel des betref fenden Punktes des Empfangsimpulses E bestimmt und aus einem durch den Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trägerfre quenz für die Laufzeit und aus einem durch den Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trägerwellenlänge λ T für die zu bestimmende Distanz ermittelt. This correction value is determined by the phase angle of the Subject Author fenden point of the received pulse D and of a value determined by the phase angle fraction of the Trägerfre frequency determined for the run time and from a value determined by the phase angle fraction of the carrier wavelength λ T is to be determined distance.

Unter dem Begriff Phase ist hierbei die Drehung des Phasen zeigers eines bestimmten Punktes der Trägerschwingung des Empfangsimpulses E bezogen auf einen festen Zeit- bzw. Phasenpunkt zu Beginn jeder Messung, hier dem Null-Punkt, zu verstehen. The term phase rotation of the phase pointer of a particular point of the carrier wave of the received pulse E is in this case based on a fixed time or phase point at the beginning of each measurement, here to understand the zero point. Eine Phasenwinkeländerung von 360° entspricht dabei einer Gesamtwegänderung um eine Trägerwellenlänge λ T oder einer Gesamtlaufzeitänderung um 1/f T . A change in phase angle of 360 ° corresponds to a Gesamtwegänderung a carrier wavelength λ T or a total change in travel time by 1 / f T. Da sich der Phasenwinkel nach einer Umdrehung, also nach 360°, wiederholt, ist eine Eindeutigkeit zwischen Phasenwinkel und Laufzeit bzw. zu ermittelnde Entfernung nur über diese 360° bzw. innerhalb einer Strecke von λ T gegeben. Since the phase angle is repeated after one rotation, that is after 360 °, a uniqueness between phase angle and delay time or distance to be determined only this 360 °, or within a distance of λ T is given. Die Lauf zeit t eines bestimmten Punktes innerhalb des Empfangsimpul ses E bezogen auf den Null-Punkt bestimmt sich demnach aus der Summe aus einer ganzzahligen Anzahl k des Kehrwertes der Trägerfrequenz f T und einem durch den Phasenwinkel Φ bestimmten Bruchteil dieses Kehrwertes der Trägerfrequenz f T . The transit time t of a certain point within the Empfangsimpul ses E relative to the zero-point is determined accordingly as the sum of an integer number k of the reciprocal of the carrier frequency f T and a value determined by the phase angle Φ fraction of this reciprocal of the carrier frequency f T. Die Laufzeit errechnet sich nachfolgender Formel: The running time is calculated with the following formula:

t = k/f T + Φ/(360° · f T ). t = k / f T + Φ / (360 ° · f T).

Die Entfernung x eines bestimmten Punktes innerhalb des Empfangsimpulses E bezogen auf den Null-Punkt errechnet sich dagegen aus der Summe einer ganzzahligen Anzahl k von Wel lenlängen λ T und einem durch den Phasenwinkel Φ bestimmten Bruchteil dieser Wellenlänge, wobei bei Füllstandmeß einrichtungen noch zu berücksichtigen ist, daß ein ausgesen deter Impuls zunächst zum Zielobjekt gesendet wird, dort reflektiert und zur Empfangseinrichtung zurückgesendet wird, so daß die doppelte Distanz als Hin- und Rückweg zu berück sichtigen und daher ein Multiplikationsfaktor von 0,5 bei der Entfernungsbestimmung einzusetzen ist. The distance x of a certain point within the received pulse E relative to the zero-point is calculated, however, from the sum of an integer number k of Wel lenlängen λ T and a value determined by the phase angle Φ fraction of that wavelength, means for Füllstandmeß is still to be considered that a ausgesen deterministic pulse is initially transmitted to the target object, is reflected there and returned to the receiving device, so that into account to be taken into twice the distance as the round trip and is therefore to use a multiplication factor of 0.5 in removal determination. Die Reflektordi stanz bei einem solchen Füllstandmeßsystem errechnet sich demnach aus The Reflektordi punched in such a level measurement system is calculated from thus

x = 0,5 (k · λ T + Φ · λ T /360°). x = 0.5 (k * λ + Φ T · λ T / 360 °).

Wie in Fig. 1 verdeutlicht, kann die Laufzeit t1 bzw. Entfernung x1 jedes Punktes im Empfangsimpuls E nach obigen Formeln über die Anzahl k und den Phasenwinkel Φ festgelegt werden. As illustrated in Fig. 1, the running time t1 or distance x1, each point in the receiving pulse E according to the above formulas, the number k and the phase angle Φ be determined.

Da sämtliche Punkte im Empfangsimpuls E im Abstand von einer Wellenlänge λ T denselben Phasenwinkel Φ besitzen, kann für jede Gruppe von Punkten im Abstand einer Wellenlänge λ T aus einem einzelnen Punkt der Phasenwinkel dieser Gruppe bestimmt werden. Since all the points in the received pulse E have the same phase angle Φ at a distance of a wavelength λ T, λ T may be determined from a single point of the phase angle of this group for each group of points at a distance of one wavelength. Als Gruppe von Punkten können bei spielsweise alle Null-Durchgänge des Empfangsimpulses E mit positiver Steigung oder alle lokalen Maxima M1 bis M7 ge wählt werden. As a group of points all zero crossings of the received pulse E can be selected with a positive slope or all local maxima M1 to M7 ge at play. Die Auswahl der Gruppe von Punkten, die ihren Phasenwinkel Φ stellvertretend als Phasenwinkel Φ des Ge samtpulses darstellen soll, ist beliebig. The selection of the set of points which purports to be their phase angle Φ representative as phase angle Φ of Ge samtpulses is arbitrary. Im Ausführungsbei spiel von Fig. 1 ist die Gruppe der lokalen Maxima M1 bis M7 ausgewählt. In Ausführungsbei game of FIG. 1 is the group of the local maxima M1 to M7 selected. Alle Punkte dieser Gruppe besitzen im darge stellten Beispiel den Phasenwinkel Φ = 90°, so daß gemäß dieser Definition dieser Phasenwinkel stellvertretend für den gesamten Empfangsimpuls E stehen kann. All points of this group have the phase angle Φ = 90 ° Darge presented example, so that may be representative of the entire reception pulse E in accordance with this definition, this phase angle.

Um die Laufzeit oder Entfernung des Maximalwertes ME des Empfangsimpulses zum Null-Punkt zu bestimmen, ist außer dem Phasenwinkel dieses Punktes lediglich noch die Bestimmung des ganzzahligen Anteils k von Wellenlängen λ T bzw. von Kehrwerten der Trägerfrequenz f T zwischen dem Null-Punkt und diesem Punkt notwendig. In order to determine the running time or distance of the maximum value ME of the received pulse to the zero point, except for the phase angle of this point only nor the determination of the integer part k of wavelength λ T and of reciprocal values of the carrier frequency f T between the zero point and this point necessary.

Gemäß der Erfindung wird zunächst die Laufzeit bzw. Entfer nung des betreffenden Punktes zum Null-Punkt in etwa vorbe stimmt. According to the invention, the transit time or Entfer voltage of the point to the zero point is initially agreed approximately readied. Zur Bestimmung des Multiplikators k genügt eine Genauigkeit der Distanzmessung innerhalb der Fehlergrenzen -λ T /4 bis +λ T /4 bzw. eine Genauigkeit für die Lauf zeitmessung innerhalb der Fehlergrenzen -0,25/f T bis +0,25/f T . To determine the multiplier k satisfies an accuracy of the distance measurement within the error limits -λ T / 4 to λ + T / 4 and an accuracy of the transit time measurement within the error limits -0.25 / f T to + 0.25 / T f , Eine solche ungefähre Bestimmung der Laufzeit bzw. der Entfernung ist beispielsweise mittels eines Auswer teverfahrens mit einer Detektionsschwelle für die Flanken der Hüllkurve H des Empfangsimpulses E möglich. Such an approximate determination of the transit time or the distance is, for example teverfahrens possible with a detection threshold for the edges of the envelope curve H of the received pulse E by means of a Auswer. Im vorlie genden Fall kann diese grobe Ermittlung der Laufzeit bzw. Entfernung des Maximalwertes ME des Empfangsimpulses E in einfacher Weise durch Mittelwertbildung von zwei Entfer nungswerten, die sich bei Über- und Unterschreitung einer Detektionsschwelle ergeben, erfolgen, da der Empfangsimpuls E voraussetzungsgemäß symmetrisch ist. In the present case this rough determination of the transit time or distance of the maximum value ME of the received pulse E can voltage values ​​simply by averaging two Entfer resulting in over- and falling below a detection threshold, done, because the received pulse E is the premise of symmetry. Durch Hinzunahme des Phasenwinkels Φ des Empfangsimpulses E kann die so vorläufig grob ermittelte Laufzeit bzw. Wegstrecke auf den exakten Wert korrigiert werden. By adding the phase angle of the received pulse Φ E the running time or distance to the exact value thus preliminarily coarsely determined can be corrected. Bedingt durch den erwähnten zugelas senen Fehler muß jedoch nach Ermittlung des ganzzahligen Anteils k zwischen folgenden Fällen unterschieden werden: However, due to the mentioned zugelas Senen error must be distinguished by determination of the integer portion k between the following cases:
für For

T /4 < 1/2 (g · λ T + Φ · λ T /360°) - x V λ T /4T / 4 <1/2 (g · λ + Φ T · λ T / 360 °) - V x λ T / 4

gilt k = g, k = g,
für For

λ T /4 < 1/2 (g · λ T + Φ · λ T /360°) - x V λ T /2 λ T / 4 <1/2 (g · λ + Φ T · λ T / 360 °) - V x λ T / 2

gilt k = g - 1, k = g - 1,
für For

T /2 < 1/2 (g · λ T + Φ · λ T /360°) - x V - λ T /4T / 2 <1/2 (g · λ + Φ T · λ T / 360 °) - V x - λ T / 4

gilt k = g + 1, wobei x V die grob ermittelte Entfernung und g der ganzzahlige Anteil von Wellenlängen λ T inner halb der grob ermittelten Entfernung x V ist. k = g + 1, where x is the distance V and coarsely detected g of the integer portion of wavelengths λ T intra-half of the distance roughly determined x V.

Die exakte Entfernung x G errechnet sich demnach aus The exact distance x G is calculated from thus

x G = 1/2 · (k · λ T + Φ · λ T /360°). x G = 1/2 · (k · λ · T + Φ λ T / 360 °).

Für die exakte Laufzeitbestimmung ist λ T durch 1/f T zu ersetzen. For the exact delay time determination is λ t by 1 / f T to replace.

Auf diese Weise kann für jeden Punkt des Empfangsimpulses E die Laufzeit bzw. Entfernung zum Null-Punkt durch Ausnutzung der im Trägerfrequenzsignal befindlichen Phaseninformation exakt bestimmt werden. In this manner, the transit time or distance to the zero point by utilizing the phase information present in the carrier frequency signal can be accurately determined for each point of the received pulse E. Hierbei ist die Messung nicht auf die lokalen Maxima M1 bis M7 beschränkt. Here, the measurement is not limited to the local maxima M1 to M7. Bei anderer Definition des Phasenwinkels können dies auch beispielsweise alle Null-Durchgänge mit positiver Steigung oder eine andere Gruppe von markanten Punkten innerhalb des Empfangsimpulses sein. On another definition of the phase angle this too for example, all zero crossings with a positive slope or another group of important points within the received pulse can be. Wesentlich ist lediglich, daß der entsprechende Punkt in etwa, insbesondere bis auf ± λ T /4 bzw. ± 0,25/f T genau bestimmt werden kann. It is only essential that the corresponding point in approximately, in particular up to ± λ T / 4 and ± 0.25 / f T can be accurately determined. Ist dies der Fall, so hängt die Genauigkeit des Meßverfahrens lediglich noch von der Phasenmessung ab. If this is the case, then the accuracy of the measuring method depends only still on the phase measurement.

Obwohl der Phasenwinkel des betreffenden Punktes auf unter schiedlichste Weise bestimmt werden kann, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Phasenwinkel über die gesamte Impulslänge hinweg zu messen und auszumitteln, so daß die Meßgenauigkeit der Phasenmessung erhöht wird. Although the phase angle of the point can be determined under schiedlichste way, it has proven to be advantageous to measure the phase angle over the entire pulse length of time and so that the measurement accuracy of the phase measurement is raised average out. Wird bei spielsweise ein Phasenmeßfehler von ± 10° angenommen, so ergibt sich hieraus ein Meßfehler für die Entfernung bei einer Füllstandmessung von ± 1/72 · λ T . If a phase measurement of ± 10 ° adopted in play, so a measurement error for the removal at a level measurement of ± 1/72 λ · T resulting therefrom.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeit- bzw. Entfer nungsbestimmung zwischen einem festen Null-Punkt und einem Empfangsimpuls ist dort sinnvoll, wo zwischen dem Null-Punkt und der Phasenlage eines Sendeimpulses ein bekannter Zusam menhang herrscht. The inventive method for determining transit time or Entfer voltage between a fixed zero point and a received pulse, there is useful to distinguish between the zero point and the phase angle of a transmission pulse where a known together menhang prevails. Ist dieser Zusammenhang nicht bekannt, so kann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl auf Sende- als auch auf Empfangsimpuls und Ermittlung der Differenz zwischen der Laufzeit bzw. dem Entfernungswert des Sendeimpulses und der Laufzeit bzw. dem Entfernungswert des Empfangsimpulses deren Laufzeitunterschied bzw. deren Ab stand ermittelt werden. This relationship is not known, then by applying the method according to the invention on both transmit and to receive pulse and determining the difference between the transit time or the distance value of the transmitted pulse and the transit time or the distance value of the received pulse whose skew or their From stand be determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit einer in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung und den dazugehörenden Signalverläufen in Fig. 3 erläutert. The inventive method is explained below with reference to a specific embodiment in connection with an embodiment shown in Fig. 2 the circuit arrangement and the associated waveforms in Fig. 3.

Die Schaltungsanordnung von Fig. 2 ist beispielsweise Bestandteil einer Füllstandmeßeinrichtung. The circuit arrangement of Fig. 2 is for example part of a Füllstandmeßeinrichtung. Die Schaltungsan ordnung weist eine Sende- und Empfangseinrichtung 1 zum Aussenden und Empfangen von mit einer gleichen Trägerfre quenz f T pulsmodulierten Impulsen auf. The Schaltungsan proper has a transmitting and receiving device 1 for emitting and receiving on a same frequency f T Trägerfre pulse-modulated pulses. Die Sende- und Empfangseinrichtung 1 ist mit einem Kopplungselement 2 in Verbindung, das einerseits zur Ankopplung des elektrischen Sendeimpulses an die Meßstrecke und Umwandlung in eine elektromagnetische Welle dient und andererseits nach Reflexion der abgesandten Welle an einem Reflektor 3 , beispiels weise eine Füllgutoberfläche in einem Behälter, zur Rück wandlung der empfangenen elektromagnetischen Welle in ein elektrisches Signal und damit einen Empfangsimpuls vorgese hen ist. The transmitting and receiving device 1 is provided with a coupling member 2 in combination, on the one hand is used for coupling of the electrical transmit pulse at the measuring section and converting into an electromagnetic wave and on the other hand, after reflection of transmit wave at a reflector 3, the example, a product surface in a container , for reconverting the received electromagnetic wave into an electric signal and a reception pulse is vorgese hen. An einem Signalausgang 4 der Sende- und Empfangs einrichtung 1 ist somit zunächst ein Sendeimpuls und an schließend ein Empfangsimpuls abgreifbar, die sich hinsicht lich ihrer Trägerfrequenz f T gleichen. Means at a signal output 4 of the transmission and reception 1 is thus a first transmitting pulse and closing a reception pulse can be tapped off, the sense of their Lich same carrier frequency f T. Allerdings ist aufgrund der Dämpfung der Übertragungsstrecke der Empfangs impuls E in seiner Amplitude gedämpft. However, due to the attenuation of the transmission path of the receiving pulse E is attenuated in its amplitude. In der Sende- und Empfangseinrichtung 1 können zusätzlich Einrichtungen vorge sehen sein, um den Sende- und/oder Empfangsimpuls zu ver stärken und gegebenenfalls zu filtern. In the transmitting and receiving device 1 devices can be seen laid to strengthen the transmission and / or reception pulse to ver and filter optionally additionally.

Ein Beispiel für einen von der Sende- und Empfangseinrich tung 1 ausgesendeten Sendeimpuls und empfangenen Empfangsim puls ist in Fig. 3 im Zeitdiagramm a dargestellt. An example of one of the transmitting and Empfangseinrich device 1 emitted transmission pulse and the received pulse Empfangsim is shown in Fig. 3 in a timing diagram. Der Sendeimpuls ist mit dem Bezugszeichen S und der Empfangsim puls mit dem Bezugszeichen E bezeichnet. The transmit pulse is denoted with the reference S and the Empfangsim pulse with the reference number E. Wie deutlich zu erkennen ist, besitzen der Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E die gleiche pulsmodulierte Trägerfrequenz f T , wobei der Empfangsimpuls E aufgrund der Übertragungsstrecke eine geringere Amplitude aufweist. As can be clearly seen, the transmitted pulse S and reception E pulse having the same pulse-modulated carrier frequency f T, wherein the receiving pulse E has a lower amplitude due to the transmission path. Die Laufzeit von Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E ist durch den zeitlichen Abstand ihrer beiden Maximalwerte MS und ME bestimmt. The duration of the transmission pulse S and reception E pulse is determined by the temporal distance of its two maximum values ​​MS and ME. Mit der im weiteren noch zu beschreibenden Schaltungsanordnung kann durch Anwen dung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Laufzeit t und damit die Entfernung x zwischen Sendeimpuls S und Empfangs impuls E exakt bestimmt werden. With the hereinafter to be described the circuitry of the method of the invention can t is the transit time and thus the distance x are determined exactly between the transmit pulse and reception pulse S E by applying a schedule.

Hierfür weist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung eine Oszillatoreinrichtung 26 auf, die ein Oszillatorausgangssi gnal mit einer Oszillatorfrequenz f₀ zur Verfügung stellt. For this purpose the arrangement shown in Fig. 2 comprises an oscillator means 26, which provides a Oszillatorausgangssi gnal f₀ with an oscillator frequency. Das Oszillatorausgangssignal wird einem ersten Teiler 27 zugeführt, der das Oszillatorausgangssignal durch einen Faktor N dividiert, so daß am Ausgang des Teilers 27 ein Signal mit einer Frequenz f S zur Verfügung steht, das einen Meßzyklus bestimmt. The oscillator output signal is fed to a first divider 27 which divides the oscillator output signal by a factor N, so that is available at the output of the divider 27 a signal having a frequency f S that determines a measurement cycle. Darüber hinaus gelangt das Oszillatorausgangssignal an eine weitere Teilerstufe 28 , die das Oszillatorausgangssignal durch einen Faktor P dividiert. In addition, the oscillator output signal is applied to a further divider stage 28 which divides the oscillator output signal by a factor P. Am Ausgang der Teilerstufe 28 ist das Trägerfrequenzsignal für die Impulsaussendung in der Sende- und Empfangseinrich tung abgreifbar. At the output of the divider stage 28 the carrier frequency signal for the pulse transmission in the transmission and processing Empfangseinrich is tapped. Das Trägerfrequenzsignal weist die Träger frequenz f T auf, die um ein Vielfaches größer als die Frequenz f S ist. The carrier frequency signal has the carrier frequency f T, which is many times greater than the frequency f S. Die Ausgänge beider Teilerstufen 27 und 28 sind mit der Sende- und Empfangseinrichtung 1 in Verbin dung. The outputs of both divider stages 27 and 28 are dung with the transmitting and receiving device 1 in Verbin.

Zur ungefähren Vorbestimmung der Laufzeit t bzw. Entfernung x zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E und an schließender Korrekturwertermittlung verfügt die Schaltungs anordnung in Fig. 2 über eine Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 und einen Quadraturdemodulator 20 , die jeweils eingangs seitig mit dem Signalausgang 4 der Sende- und Empfangsein richtung 1 verbunden sind. To approximate predetermination of the propagation time t and distance x between the transmit pulse S and receiving pulse E and closing correction value determination has the circuit arrangement in Fig. 2 via a Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 and a quadrature demodulator 20, each beginning side to the signal output 4 of the transmission and Empfangsein device 1 are connected.

Die Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 dient zum Bestimmen der Hüllkurven H des Sende- und Empfangsimpulses S, E. Hierfür weist die Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 eingangsseitig eine Gleichrichteranordnung 6 , beispielsweise einen Zweiweg gleichrichter, mit nachgeschaltetem Tiefpaß 7 auf. The Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 is used for determining the envelope of the H transmitter and receiver pulse S, E. For this purpose, the Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 on the input side a rectifier arrangement 6, for example a two way rectifier, having a downstream low-pass filter 7 on. Der Ausgang des Tiefpasses 7 ist mit einem Komparator 8 in Verbindung, der einen einstellbaren Schwellwert aufweist. The output of the low-pass filter 7 is provided with a comparator 8 in connection having an adjustable threshold value. An den Ausgang dieses Komparators 8 ist der Taktanschluß eines JK-Flip-Flops 9 geschaltet, dessen Q-Ausgangsanschluß q mit dem Eingang eines Binärzählers 12 in Verbindung steht. At the output of this comparator 8 the clock terminal of a JK flip-flop 9 is connected, whose Q-output terminal Q to the input of a binary counter is connected 12th Der Ausgang des Komparators 8 ist darüber hinaus über einen Inverter 11 mit einem Taktanschluß eines weiteren JK-Flip- Flops 10 in Verbindung, dessen Q-Anschluß q mit einem weite ren Binärzähler 13 in Verbindung steht. The output of the comparator 8 is also stands via an inverter 11 to a clock terminal of a further JK flip-flop 10 in conjunction whose Q terminal q with a wide ren binary counter 13 in connection. Die beiden Binärzäh ler 12 , 13 weisen jeweils einen Reset-Anschluß R und einen Taktanschluß T auf. The two Binärzäh ler 12, 13 each have a reset terminal R and a clock terminal T on. Die Reset-Anschlüsse R sind mit dem Ausgang der Teilerstufe 27 in Verbindung, während die Takt anschlüsse T an den Ausgang der Oszillatoreinrichtung .26 angeschlossen sind. The reset terminals R are connected to the output of the divider stage 27 in conjunction, while the clock terminals T are connected to the output of the oscillator means connected .26.

Die Ausgangsanschlüsse 32 , 33 der beiden Binärzähler 12 , 13 sind mit einer Auswerteschaltung 14 in Verbindung. The output terminals 32, 33 of the two binary counters 12, 13 are connected to an evaluation circuit 14 in combination. Diese Auswerteschaltung 14 erzeugt aus den in der Hüllkurvenaus werteeinrichtung 5 ermittelten Maxima MS, ME des Sendeim pulses S und Empfangsimpulses E ein Maß für die in etwa vorbestimmte Laufzeit bzw. Entfernung zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E. Hierfür weist die Auswerteschaltung 14 einen Mikrocomputer 15 auf. This evaluation circuit 14 produces from the values means in the Hüllkurvenaus 5 ascertained maxima MS, ME of Sendeim pulses S and the received pulse E is a measure of the approximately predetermined transit time or distance between the transmit pulse S and receiving pulse E. For this purpose, 14, the evaluation circuit a microcomputer 15 , Der Mikrocomputer 15 ermittelt auch den für die exakte Laufzeit bzw. exakte Entfernung berücksichtigenden Korrekturwert der vorläufigen ungefähren Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung. The microcomputer 15 also determines the considered for the exact duration or exact distance correction value of the preliminary approximate transit time or distance measurement. Die Auswerteschaltung 14 verfügt noch über zwei Analog-Digital-Wandlerstufen 18 , 19 , deren Ausgangsanschlüsse mit jeweils einem Speicher 16 , 17 in Verbindung sind. The evaluation circuit 14 also has two analog-to-digital converter stages 18, 19, whose output terminals are each provided with a memory 16, 17 in connection. Die Speicher 16 , 17 sind mit dem Mikro computer 15 in Verbindung. The memory 16, 17 are connected to the microcomputer 15 in connection. Die Analog-Digital-Wandlerstufen 18 , 19 sind jeweils mit einem Ausgangsanschluß 30 , 31 des Quadraturdemodulators 20 in Verbindung. The analog-to-digital converter stages 18, 19 are respectively connected to an output terminal 30, 31 of the quadrature demodulator 20 in conjunction.

Der Quadraturdemodulator 20 ist in an sich bekannter Weise aufgebaut. The quadrature demodulator 20 is constructed in a conventional manner. Der Quadraturdemodulator 20 weist einen ersten Multiplizierer 21 und einen zweiten Multiplizierer 22 auf, deren erster Eingangsanschluß jeweils mit dem Signalausgang 4 der Sende- und Empfangseinrichtung 1 verbunden ist. The quadrature demodulator 20 comprises a first multiplier 21 and a second multiplier 22, whose first input terminal is connected to the signal output 4 of the transmitting and receiving device. 1 Die zweiten Signaleingänge der beiden Multiplizierer 21 und 22 sind mit dem Ausgangsanschluß der Teilerstufe 28 in Verbin dung, wobei vor den zweiten Eingang des zweiten Multiplizie rers 22 noch eine Phasenschiebeeinrichtung 25 angeordnet ist, die das Ausgangssignal der Teilerstufe 28 um -90° phasenverschiebt. The second signal inputs of the two multipliers 21 and 22 are dung to the output terminal of the divider stage 28 in Verbin, wherein a phase shifting means is in front of the second input of the second multiplied as RERS 22 or 25 which phase shifts the output of the divider stage 28 to -90 °. Die Ausgänge der beiden Multiplizierer 21 und 22 sind jeweils über einen Tiefpaß 23 , 24 mit einem Ausgangsanschluß 31 , 30 des Quadraturdemodulators 20 in Verbindung. The outputs of the two multipliers 21 and 22 are each connected via a low-pass filter 23, 24 to an output terminal 31, 30 of the quadrature demodulator 20 in conjunction.

Das Eingangssignal am zweiten Eingang des ersten Multipli zierers 21 ist mit dem Bezugszeichen u und das hierzu um - 90° phasenverschobene Eingangssignal am zweiten Eingang des zweiten Multiplizierers 22 anstehende Signal mit v bezeich net. The input signal at the second input of the first Multipli action element 21 is u by the reference number and the purpose to - 90 ° phase-shifted input signal at the second input of the second multiplier 22 pending signal v designated net. Das 0°-Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 31 des Qua draturdemodulators 20 ist mit Q und das 90°-Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 30 mit I bezeichnet. The 0 ° output signal at the output terminal 31 of the Qua draturdemodulators 20 is denoted with Q and the 90 ° output signal at the output terminal 30 with I.

Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltungs anordnung wird anhand der Signalverläufe a bis k in Fig. 3 deutlich. The operation of the circuit shown in Fig. 2 will be apparent from the signal waveforms A to K in Fig. 3 arrangement. Die in Fig. 3 dargestellten Signalverläufe a bis k sind in Fig. 2 an den auftretenden Stellen markiert. The waveforms shown in Fig. 3 a to k are marked in Fig. 2 to the occurring spots.

Wie bereits ausgeführt, stellt der Signalverlauf a den Sendeimpuls S und den hierzu im zeitlichen Abstand auftre tenden Empfangsimpuls E dar. Die Sende- und Empfangseinrich tung 1 wird durch eine Flanke des am Ausgang des Teilers 27 anstehenden Signales mit der Frequenz f S am Kopplungs element 2 getriggert (vgl. b in Fig. 3). As already stated, represents the waveform of a the transmitted pulse S and the thereto occurring defects in the time interval Tenden receiving pulse E. The transmitting and Empfangseinrich device 1 is element by a flank of the present at the output of the divider 27 the signal of frequency f S on the coupling 2 is triggered (see FIG. b in Fig. 3). Zur vorläufigen groben Ermittlung der Laufzeit bzw. Wegstrecke dient die Hüllkurvenauswerteschaltung 5 . The Hüllkurvenauswerteschaltung 5 serves for rough preliminary determination of the transit time or distance traveled.

Durch Gleichrichtung und Tiefpaßfilterung des am Signalaus gang 4 anstehenden Signales ist am Ausgang des Tiefpasses 7 der Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 das im Signalverlauf c von Fig. 3 dargestellte Signal abgreifbar, das von den hochfrequenten Anteilen des Trägersignales befreit ist. By rectification and low pass filtering the signal present at the Signalaus gear 4 of Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 is the signal shown in waveform c of Fig. 3 can be tapped at the output of low-pass filter 7, which is free from the high-frequency components of the carrier signal. Im Komparator 8 ist der im Signalverlauf c strichliert angege bene Schwellwert SW eingestellt. In the comparator 8 of the waveform c in phantom angege bene threshold value SW is set. Diese Detektionsschwelle SW kann fest vorgegeben oder über die Steuer- und Auswerte schaltung 14 einstellbar sein. This detection threshold SW can be fixed or via the control and evaluation circuit 14 be adjustable. Am Ausgang des Komparators 8 ist ein Rechtecksignal abgreifbar, dessen ansteigende Flan ken vom Überschreiten und dessen abfallende Flanken vom Unterschreiten der Detektionsschwelle SW des am Ausgang des Tiefpasses 7 anstehenden Signales bestimmt sind. At the output of the comparator 8, a rectangular signal can be tapped, whose rising Flan ken from the crossing and its falling edges are determined from falling below the detection threshold of SW present at the output of the low pass filter 7 signal.

Die steigenden Flanken dieses Rechtecksignales im Signalver lauf d triggern das JK-Flip-Flop 9 , das zuvor ebenso wie das JK-Flip-Flop 10 und die Binärzähler 12 und 13 durch die ansteigende Flanke des Signales f S zu Beginn der Impuls aussendung rückgesetzt wurde. The rising edges of this rectangular signal in Signalver run d trigger the JK flip-flop 9, which has previously been reset as well as the JK flip-flop 10 and the binary counters 12 and 13 by the rising edge of the signal f S emission at the beginning of the pulse , Das JK-Flip-Flop 9 gibt bei der ersten ansteigenden Flanke des Rechtecksignales im Signalverlauf d an seinem Eingang den Binärzähler 12 frei und stoppt ihn bei der nächsten ansteigenden Flanke, wie im Signalverlaufe zu erkennen ist. The JK flip-flop 9 is at the first rising edge of the rectangular signal in waveform d at its input the binary counter 12 is free and stops it at the next rising edge, as can be seen in the signal waveforms. Das JK-Flip-Flop 10 und der Binärzähler 13 arbeiten in analoger Weise, wobei durch das Vorsehen des Inverters 11 am Takteingang des JK-Flip-Flops 10 jetzt nicht die ansteigenden Flanken des Rechtecksigna les, sondern dessen abfallenden Flanken maßgebend sind. The JK flip-flop 10 and the binary counter 13 operate in an analogous manner, 11 at the clock input of the JK flip-flop 10 now is not the rising edges of the Rechtecksigna les, but its falling edges are governed by the provision of the inverter.

Wie in Fig. 3 darüber hinaus an den Signalverläufen e und f zu erkennen ist, ist der Zähltakt ein Vielfaches größer als die Trägerfrequenz f T . As shown in FIG. In addition, to recognize the waveforms e and f 3, the counting pulse is many times greater than the carrier frequency f T. Der Zähltakt entspricht nämlich der Frequenz des Oszillatorausgangssignales und damit der Oszillatorfrequenz f₀. The counting pulse corresponds namely fo the frequency of the oscillator output signal and the oscillator frequency.

Am Ende eines Meßzyklusses, der durch die abfallende Flanke des Signalverlaufes b bestimmt ist, enthält der Binärzähler 12 somit eine Zahl Z1, die ein Maß für den Abstand zwischen der Vorderflanke des Sendeimpulses S und der Vorderflanke des Empfangsimpulses E ist. At the end of a measuring cycle, which is determined by the falling edge of the signal curve b, the binary counter 12 thus contains a number Z1 which is a measure of the distance between the leading edge of the transmitted pulse S and the leading edge of the received pulse E. In ähnlicher Weise enthält der Binärzähler 13 eine Zahl Z2, die ein Maß für den Abstand der hinteren Flanke des Sendeimpulses S und der hinteren Flanke des Empfangsimpulses E ist. Similarly, the binary counter 13 includes a number Z2, which is a measure of the distance of the trailing edge of the transmitted pulse S and the trailing edge of the received pulse E. Da die Amplituden von Sende- und Empfangsimpuls S, E meist unterschiedlich sind, sind die Zählerstände in den Binärzählern 12 , 13 und damit die dort gespeicherten Zahlen Z1 und Z2 nicht gleich. Since the amplitudes of transmit and receive pulse S, E are usually different, the counter values in the binary counters 12, 13 and thus the numbers stored therein Z1 and Z2 are not the same. Der Mikrocompu ter 15 in der Steuer- und Auswerteschaltung 14 bildet aus diesen beiden Zählerständen einen Mittelwert, der als Maß für den Abstand des Maximalwertes MS des Sendeimpulses S und des Maximalwertes ME des Empfangsimpulses E anzusehen ist. The Mikrocompu ter 15 in the control and evaluation circuit 14 forms from these two counts an average value which is to be regarded as a measure of the distance of the maximum value MS of the transmitted pulse S and the maximum value ME of the received pulse E. Damit ist die vorläufig grobe Ermittlung der Wegstrecke bzw. Laufzeit zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E durch geführt. Thereby completing the rough determination of the distance or travel time between transmission pulse S and receiving pulse E is guided by. Die vorläufige grobe Ermittlung der Wegstrecke x V zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E ergibt sich aus folgender Formel: The preliminary gross determine the distance x V between excitation pulse S and receiving pulse E results from the following formula:

x V = 1/2 (Z1 + Z2) · 1/f₀ · v · 1/2, x V = 1/2 (Z1 + Z2) · 1 / f₀ · v · 1/2,

wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle bezeich net. where v is the propagation velocity of the wave designated net.

Zur exakten Laufzeit- bzw. Entfernungsbestimmung wird mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung noch der Phasenwinkel des Sendeimpulses S und Empfangsimpulses E ermittelt. For exact determination of transit time or distance is determined using the in Fig. 2 nor circuitry shown, the phase angle of the transmitted pulse S and the received pulse E. Hierzu dient der Quadraturdemodulator 20 . 20 For this serves the quadrature demodulator. Im Quadraturdemodulator 20 wird der Sendeimpuls S und Empfangs impuls E mit den Signalen u bzw. v multipliziert und an schließend tiefpaßgefiltert. In the quadrature demodulator 20 of the transmitted pulse S and receiving pulse-E with the signals u and v is multiplied and low-pass filtered at closing. Die Signale u und v weisen die gleiche Frequenz wie das Trägersignal des Sendeimpulses S und Empfangsimpulses E auf. The signals u and v have the same frequency as the carrier signal of the transmitted pulse S and the received pulse E. Diese Frequenz ist die Träger frequenz f T . This frequency is the carrier frequency f T. Wie anhand der Signalverläufe g und h in Fig. 3 zu ersehen ist, sind die Signale u und v Rechtecksi gnale mit der Trägerfrequenz f T , wobei das Signal v wegen der Phasenschiebeanordnung 25 zum Signal u um -90° phasenverschoben ist. As shown by the waveforms g and h in Fig. 3 it can be seen, the signals u and v Rechtecksi gnale with the carrier frequency f T, which signal u is phase shifted v because of the phase shifter assembly 25 to the signal by -90 °. In den beiden Kanälen des Quadraturde modulators 20 werden der Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E durch Mischung bzw. Multiplizieren mit den Signalen u bzw. v in die Zwischenfrequenzlage Null umgesetzt. In the two channels of Quadraturde modulator 20 of the transmitter pulse and received pulse S E by mixing or multiplying the signals u and v are converted into the intermediate frequency position zero. Die Tiefpässe 23 und 24 hinter den beiden Multiplizierern 21 , 22 unterdrücken die beim Multiplizieren entstehenden hohen Frequenzanteile, so daß für die Dauer der Impulse an den Ausgängen der beiden Tiefpässe 23 , 24 eine Gleichspannung ansteht, deren Amplitu de nur noch von der Phasenverschiebung zwischen dem entspre chenden Sendeimpuls S bzw. Empfangsimpuls E und dem Signal u bzw. v abhängt. The low-pass filters 23 and 24 after the two multipliers 21, 22 suppress the produced during multiplying high frequency components so that that for the duration of the pulses at the outputs of the two low-pass filters 23, 24 is present, a DC voltage whose Amplitu de only on the phase shift between entspre sponding transmitted pulse S and receiving pulse e and the signal dependent on u and v, respectively.

Die zu dem in Fig. 3 gezeigten Sende- und Empfangsimpuls S, E gehörenden Ausgangssignale an den Anschlüssen 30 und 31 des Quadraturdemodulators 20 sind anhand der Signalverläufe i und k in Fig. 3 gezeigt. The transmission shown to that in Figs. 3 and receiving pulse S, E belonging to the output signals at terminals 30 and 31 of the quadrature demodulator 20 are i on the basis of the waveforms and k shown in Fig. 3. Die Ausgangssignale Q und I des Quadraturdemodulators 20 lassen sich wie folgt berechnen: The output signals Q and I of the quadrature demodulator 20 can be calculated as follows:

I = a · cos α I = a · cos α
Q = a · sin α. Q = a · sin α.

Durch entsprechende Auswahl der Signale u und v in bezug zum Null-Punkt wird erreicht, daß der angezeigte Phasenwinkel a gleich dem oben beschriebenen Phasenwinkel des Sendeimpulses S bzw. Empfangsimpulses E ist. By appropriate selection of the signals U and V with respect to the zero point is reached that the phase angle shown is E a is equal to the above-described phase angle of the transmitted pulse S and the received pulse. Die Proportionalitätskonstan te a hängt dabei von den Parametern der praktischen Reali sierung ab und ist meist unbekannt. The Proportionalitätskonstan te a depends on the parameters of practical Reali capitalization and is mostly unknown. Durch Division läßt sie sich jedoch eliminieren, da gilt However, by dividing them can be eliminated, as is true

Diese Beziehung kann durch die Steuer- und Auswerteschaltung 14 genutzt werden. This relationship can be used by the control and evaluation 14th In den Analog-Digital-Wandlerstufen 18 , 19 werden die analogen Ausgangssignale I und Q des Quadra turdemodulators 20 digitalgewandelt und in den nachfolgenden Speichern 16 , 17 abgelegt. In the analog-to-digital converter stages 18, 19, the analog output signals I and Q of the Quadra turdemodulators 20 are digitally converted and stored in the following memories 16, 17th In den Signalverläufen i und k von Fig. 3 bezeichnen QS bzw. QE die 0°-Ausgangssignale des Quadraturdemodulators 20 bei eingangsseitig angelegtem Sende- bzw. Empfangsimpuls und IS bzw. IE die entsprechenden 90°-Ausgangssignale. In the waveforms i and k of Fig. 3 QS or QE denote the 0 ° output signals of the quadrature demodulator 20 at the input side, an applied transmission or reception pulse and IS IE or the respective output signals 90 °. Der Mikrocomputer 15 kann durch Divi sion und Arcustangens-Bildung die jeweils gesuchten Phasen winkel Φ für den Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E ermit teln. The microcomputer 15 can stuffs ermit by Divi sion and arctangent formation of the phase angle Φ are respectively for the transmitted pulse and received pulse S E. Dabei kann die Zweideutigkeit des Arcustangens zwi schen 0° und 360° durch Einbeziehung der Vorzeichen der Signale I und Q umgangen werden. The ambiguity of the arctangent can Zvi rule 0 ° and be circumvented by including the sign of the I and Q signals 360 °. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ergibt sich für den Phasenwinkel Φ S des Sende impulses S Φ S = 180° und für den Phasenwinkel Φ E des Empfangsimpulses E Φ E = 90°. In the embodiment of FIG. 3, the transmit pulse Φ S = S results in 180 ° for the phase angle Φ S and Φ the phase angle of the received pulse E E E Φ = 90 °.

Die so ermittelten Phasenwinkel Φ S und Φ E ergeben durch Differenzbildung deren gegenseitige Phasenverschiebung Φ G . The determined phase angle Φ S and Φ E result by difference whose mutual phase shift Φ G.

Φ G = Φ E - Φ S = 270°. Φ G = Φ E - Φ S = 270 °.

Für die exakte Weglänge zwischen Sende- und Empfangsimpuls S, E gilt folglich: therefore applies to the exact path between transmitting and receiving pulse S, E:

x G = 1/2 (k · λ T + Φ G · λ T /360°), x G = 1/2 (k * λ + Φ T G T · λ / 360 °),

wobei k nach der oben stehenden Fallunterscheidung ermittelt ist. wherein k is determined according to the above case distinction.

Somit ist gezeigt, daß mit der vorgestellten Schaltungsan ordnung eine hochgenaue Laufzeit- und Entfernungsmessung möglich ist, bei welcher zunächst die Laufzeit bzw. Entfer nung in etwa vorbestimmt und anschließend ein die exakte Laufzeit bzw. Wegstrecke berücksichtigender Korrekturwert ermittelt wird. Thus, it is shown that a highly accurate delay and distance measurement is possible with the presented Schaltungsan order, wherein first the transit time or Entfer voltage approximately predetermined and then a precise running time or distance consider Direction correction value is determined. Für den Korrekturwert werden der Phasenwin kel des oder der Impulse gemessen und der Korrekturwert aus einem durch den Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trä gerfrequenz bzw. Trägerwellenlänge ermittelt. For the correction value of the angle of the Phasenwin or the pulses are measured and the correction value determined from a phase angle determined by the fraction of the Trä gerfrequenz or carrier wavelength. Durch die Anwendung der Quadraturdemodulation zur Phasenwinkelbestim mung wird darüber hinaus gewährleistet, daß der Phasenwinkel des Impulses über die gesamte Impulslänge hinweg gemessen und somit ausgemittelt wird. By applying the quadrature demodulation to Phasenwinkelbestim mung addition, it is ensured that the phase angle of the pulse over the entire pulse length is measured across and thus averaged out. Hierdurch wird eine hochgenaue Messung möglich. In this way, a highly accurate measurement is possible.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Sende- und Empfangseinrichtung 1 transmitting and receiving means
2 Kopplungselement 2 coupler
3 Reflektor 3 reflector
4 Signalausgang 4 signal output
5 Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 Hüllkurvenauswerteeinrichtung
6 Gleichrichteranordnung 6 rectifier arrangement
7 Tiefpaß 7 lowpass
8 Komparator 8 comparator
9 JK-Flip-Flop 9 JK flip-flop
10 JK-Flip-Flop 10 JK flip-flop
11 Inverter 11 inverter
12 Zähler 12 counter
13 Zähler 13 counter
14 Steuer- und Auswerteschaltung 14 control and evaluation
15 Mikrocomputer 15 microcomputer
16 Speicher 16 memory
17 Speicher 17 memory
18 A/D-Wandlerstufe 18 A / D converter stage
19 A/D-Wandlerstufe 19 A / D converter stage
20 Quadraturdemodulator 20 quadrature
21 erster Multiplizierer First multiplier 21
22 zweiter Multiplizierer Second multiplier 22
23 Tiefpaßeinrichtung 23 Tiefpaßeinrichtung
24 Tiefpaßeinrichtung 24 Tiefpaßeinrichtung
25 Phasenschiebeanordnung 25 phase shifting arrangement
26 Oszillatoreinrichtung 26 oscillator means
27 Teilerstufe 27 divider stage
28 Teilerstufe 28 divider stage
30 Ausgang 30 output
31 Ausgang 31 output
32 Ausgangsanschluß 32 output terminal
33 Ausgangsanschluß Output terminal 33
t1 Zeitspanne t1 period
t Zeit t time
Z1 erster Zählerstand Z1 first count
Z2 zweiter Zählerstand A second counter state Z2
K Korrekturwert K correction value
E Empfangsimpuls E received pulse
QE 0°-Ausgangssignal des Empfangsimpulses QE 0 ° output signal of the received pulse
QS 0°-Ausgangssignal des Sendeimpulses QS 0 ° output signal of the transmitted pulse
IE 90°-Ausgangssignal des Empfangsimpulses IE 90 ° output signal of the received pulse
IS 90°-Ausgangssignal des Sendeimpulses IS 90 ° output signal of the transmitted pulse
H Hüllkurve H envelope
I 90°-Ausgangssignal I 90 ° output signal
M Maximum M maximum
N Faktor N factor
Q 0°-Ausgangssignal Q 0 ° output signal
P Faktor P factor
S Sendeimpuls S transmission pulse
R Resetanschluß R reset terminal
T Taktanschluß T clock terminal
SW Schwellenwert SW threshold
f T Trägerfrequenz T carrier frequency f
fs Frequenz fs frequency
fo Oszillatorfrequenz fo oscillator frequency
q Q-Anschluß q Q terminal
u Signal and signal
v Signal v signal
x, x1 Wegstrecke x, x1 distance
λ T Wellenlänge λ wavelength T
Φ E Phasenwinkel Φ E phase angle
Φ S Phasenwinkel Φ S phase angle
Φ Phasenwinkel Φ phase angle

Claims (19)

1. Verfahren zur Laufzeitmessung zwischen einem vorgegebe nen Zeitpunkt und einem mit einem Trägersignal, das eine Trägerfrequenz (f T ) aufweist, pulsmodulierten Impuls (E), bei welchem zunächst die Laufzeit in etwa vorbe stimmt und anschließend ein die exakte Laufzeit berück sichtigender Korrekturwert (K) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkel (Φ) des Impulses (E) gemessen und der Korrekturwert (K) aus einem durch den Phasenwinkel (Φ) bestimmten Bruchteil der Trägerfre quenz (f T ) ermittelt wird. 1. A method of time of flight measurement between a pre give NEN time and with a carrier signal having a carrier frequency (f T), pulse-modulated pulse (E), in which firstly adjusts the running time in about readied, and then a precise term taken into sichtigender correction value ( K) is determined, characterized in that the phase angle (Φ) of the pulse (e) is measured and the correction value (K) from a (by the phase angle Φ) certain fraction of the Trägerfre frequency (f T) is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Zeitpunkt durch einen vorangegangenen und mit dem gleichen Trägersignal pulsmodulierten Impuls (S) bestimmt ist, daß die Phasenwinkel (Φ S , Φ E ) beider Impulse (S, E) bestimmt werden, daß aus den beiden Phasenwinkeln (Φ S , Φ E ) ein Phasendiffe renzwinkel (Φ SE ) gebildet wird, und daß der Korrekturwert (K) aus einem durch den Phasendifferenz winkel (Φ SE ) bestimmten Bruchteil der Trä gerfrequenz (f T ) ermittelt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the predetermined time by a previous and with the same carrier signal pulse-modulated pulse (S) is determined so that the phase angle (Φ S, Φ E) of the two pulses (S, E) are determined, that of the two phase angles (Φ S, Φ e) Renz angle a difference in phase (Φ Se) is formed, and that the correction value (K) determined from a by the phase difference angle (Φ Se) fraction of the Trä gerfrequenz (f T) is determined.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Phasenwinkel (Φ S , Φ E ) eines Impul ses (S, E) über die gesamte Impulslänge hinweg gemessen und ausgemittelt wird. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the phase angle (Φ S, Φ E) of a Impul ses (S, E) over the entire pulse length is measured and averaged across.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit zunächst auf ±4/f T genau vorbestimmt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the running time is initially predetermined to within ± 4 / f T.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit zunächst anhand einer Hüllkurvendetektion des oder der Impulse (S, E) in etwa vorbestimmt wird. 5. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the running time is predetermined based on a first envelope detection of or the pulses (S, E) approximately.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hüllkurvendetektion eine digitale Maximasuche des Impulses (S, E) durchgeführt wird, indem der Impuls (S, E) einer Quadraturdemodulation unterzogen und das Maximum (MS, ME) durch die Summe der Quadrate des 0°- Ausgangssignales (Q) und 90°-Ausgangssignales (I) der Quadraturdemodulation bestimmt wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that for the envelope detection, a digital search for maxima of the pulse (S, E) is performed by the pulse (S, E) is subjected to quadrature demodulation and the maximum (MS, ME) by the sum of squares of 0 ° - the output signal (Q) and 90 ° -Ausgangssignales (I) of the quadrature demodulation is determined.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impuls (S, E) zur Bestimmung seines Phasenwinkels (Φ S , Φ E ) einer Quadraturde modulation mit anschließender Tiefpaßfilterung unterzo gen wird, wobei für die Quadraturdemodulation Referenz trägersignale gewählt werden, die die Trägerfrequenz (f T ) aufweisen, und daß der Phasenwinkel (Φ S , Φ E ) aus einer Arcustangens-Bildung des Quotienten des bei der Quadraturdemodulation und Tiefpaßfilterung entstehenden 0°-Ausgangssignales (Q) und 90°-Ausgangssi gnales (I) bestimmt wird. 7. A method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a pulse (S, E) to determine its phase angle (Φ S, Φ E) of a Quadraturde modulation and subsequent low-pass filtering unterzo is gen, wherein carrier signals for the quadrature reference elected are having the carrier frequency (f T), and that the phase angle (Φ S, Φ e) gnales from an arctangent forming the quotient of the resultant in the quadrature demodulation and low-pass filtering 0 ° -Ausgangssignales (Q) and 90 ° -Ausgangssi ( I) is determined.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer gemeinsamen Oszillatorein richtung ( 26 ) durch Teilung sowohl das Trägersignal mit der Trägerfrequenz (f T ) des Impulses (E) oder der Impulse (S, E) als auch die Referenzträgersignale für die Quadraturdemodulation abgeleitet werden. 8. A method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that from a common Oszillatorein direction (26) by dividing both the carrier signal with the carrier frequency (f T) of the pulse (E) or the pulses (S, E) and the reference carrier signals are derived for the quadrature demodulation.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren aufeinanderfolgenden Meßzyklen die durch die Quadraturdemodulation gebildeten 0°-Ausgangssignale (Q) untereinander sowie die 90°-Aus gangssignale (I) untereinander schargemittelt werden und nachfolgend die Hüllkurvenbildung nach der Beziehung durchgeführt wird, wobei für die Hüllkurven bildung die gemittelten Werte des 0°-Ausgangssignals (Q) und des 90° Ausgangssignals (I) herangezogen werden. 9. A method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that in several successive measuring cycles, the formed by the quadrature 0 ° output signals (Q) between themselves and the 90 ° -Aus output signals (I) to each other are sharp-averaged and subsequently the envelope formation by the relationship is performed, wherein for the formation of envelopes of the averaged values ​​of 0 ° -Ausgangssignals (Q) and the 90 ° output signal (I) can be used.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Entfernungsmessung, insbesondere zur Füllstandmes sung in Behältern, wobei der vorangegangene Impuls (S) ein in den Behälter gesendeter Sendeimpuls und der weitere Impuls (E) ein Echoimpuls ist und die ermittelte Laufzeit zwischen den beiden Impulsen (S, E) zur Entfer nungsbestimmung mit einer vorgegebenen Ausbreitungsge schwindigkeit multipliziert wird. 10. Use of the method according to one of claims 1 to 9 for distance measurement, in particular for Füllstandmes solution in a container, wherein the previous pulse (S), a transmitted into the container transmit pulse and the further pulse (E) is an echo pulse, and the duration determined between the two pulses (S, e) for determining at a predetermined voltage Entfer Ausbreitungsge is multiplied speed.
11. Verwendung nach Anspruch 10, bei welchem mindestens ein Störechosignal mit Amplituden-, Entfernungs- und Phasen werten abgespeichert wird und aus dem empfangenen Echo impuls mit detektierten Hüllkurvenwerten und Phasenwin kel (Φ E ) ein Nutzechoimpuls rekonstruiert wird. 11. Use according to claim 10, wherein at least one disturbance echo signal with amplitude, distance and phase values is saved and the pulse from the received echo with the detected envelope values and Phasenwin angle (Φ E) an echo pulse is reconstructed.
12. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 12. The circuit arrangement for implementing the method according to any one of claims 1 to 10, characterized by the following features:
  • - eine Sende- und Empfangseinrichtung ( 1 ) zum Aussenden und Empfangen von mit einer gleichen Trägerfrequenz (f T ) pulsmodulierten Impulsen; - a transmitting and receiving device (1) for transmitting and receiving a same carrier frequency (f T) the pulse-modulated pulses;
  • - einer Hüllkurvenauswerteeinrichtung ( 5 ) zum Bestimmen der Hüllkurven (H) der Impulse (S, E); - a Hüllkurvenauswerteeinrichtung (5) for determining the envelope curves (H) of the pulses (S, E);
  • - einen Quadraturdemodulator ( 20 ), um aus den Impulsen (S, E) jeweils ein 0°-Ausgangssignal (Q) oder 90°-Aus gangssignal (I) zu erzeugen, wobei der Quadraturdemo dulator ( 20 ) mit die Trägerfrequenz (f T ) aufwei senden Referenzträgersignalen betreibbar ist; - a quadrature demodulator (20) to produce from the pulses (S, E) each having a 0 ° output signal (Q) or 90 ° -Aus input signal (I), wherein the quadrature Demo dulator (20) (with the carrier frequency f T ) aufwei send a reference carrier signals is operable;
  • - eine Auswerteschaltung ( 14 ), um aus den Maxima (MS, ME) der Hüllkurven (H) beider Impulse (S, E) ein Maß für die in etwa vorbestimmte Laufzeit zwischen den beiden Impulsen (S, E) zu erzeugen und um aus den 0°-Ausgangssignalen (Q) und 90°-Ausgangssignalen (I) den Korrekturwert (K) für die Laufzeit zu bilden. (H) to generate an evaluation circuit (14) from the maxima (MS, ME) of the envelopes of both pulses (S, E) a measure of the approximately predetermined delay time between the two pulses (S, E) and at from - the 0 ° -Ausgangssignalen (Q) and 90 ° -Ausgangssignalen (I) the correction value (K) for the term to be formed.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswerteschaltung ( 14 ) eine Einrich tung aufweist, um aus der ermittelbaren Laufzeit unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Ausbreitungsge schwindigkeit der Impulse (S, E) eine Entfernung zwi schen den beiden Impulsen (S, E) zu errechnen. 13. Circuit arrangement according to claim 12, characterized in that the evaluation circuit (14) has a Einrich tung to the pulses (S, E) speed from the detectable term taking into account a predetermined Ausbreitungsge a distance Zvi rule the two pulses (S, to calculate e).
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillatoreinrichtung ( 26 ) vorgesehen ist, die gegebenenfalls über Teilerstufen ( 27 , 28 ) mit der Sende- und Empfangseinrichtung ( 1 ) und dem Quadraturdemodulator ( 20 ) verbunden ist. 14. Circuit arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that an oscillator device (26) is provided, which is connected optionally via the divider stages (27, 28) with the transmitting and receiving device (1) and the quadrature demodulator (20).
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Quadraturdemodulator ( 20 ) ausgangsseitig mit jeweils einer Tiefpaßeinrichtung ( 23 , 24 ) versehen ist. 15. Circuit arrangement according to one of claims 12 to 14, characterized in that the quadrature demodulator (20) on the output side with a respective Tiefpaßeinrichtung (23, 24) is provided.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung ( 14 ) einen Mikrocomputer ( 15 ) aufweist, daß der Mikrocomputer ( 15 ) mit der Hüllkurvenauswerteeinrichtung ( 5 ) und mit einer Speichereinrichtung ( 16 , 17 ) verbunden ist, und daß zwischen die Speichereinrichtung ( 16 , 17 ) und den Quadraturdemodulator ( 20 ) eine Analog-Digital-Wandler einrichtung ( 18 , 19 ) geschaltet ist. 16. Circuit arrangement according to one of claims 12 to 15, characterized in that the evaluation circuit (14) comprises a microcomputer (15) that is connected to the microcomputer (15) to the Hüllkurvenauswerteeinrichtung (5) and with a memory device (16, 17) and that between the memory device (16, 17) and the quadrature demodulator (20) analog-to-digital converter means (18, 19) is connected.
17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkurvenauswerteein richtung ( 5 ) eingangsseitig eine Gleichrichteranordnung ( 6 ) mit nachgeschaltetem Tiefpaß ( 7 ) und Komparator ( 8 ) aufweist, daß an den Ausgang des Komparators ( 8 ) zwei Flip-Flops ( 9 , 10 ) mit jeweils nachfolgendem Zähler ( 12 , 13 ) geschaltet sind, wobei vor einem dieser beiden Flip- Flops ( 9 , 10 ) ein Inverter ( 11 ) angeordnet ist und die Ausgangsanschlüsse ( 32 , 33 ) der Zähler ( 12 , 13 ) mit der Auswerteschaltung ( 14 ) verbunden sind. 17. Circuit arrangement according to one of claims 12 to 16, characterized in that the Hüllkurvenauswerteein direction (5) (7) and comparator (8) has on the input side a rectifier arrangement (6) with a downstream low-pass filter, that the output of the comparator (8) has two flip-flop (9, 10) with each subsequent counter (12, 13) are connected, wherein prior to one of these two flip-flops (9, 10), an inverter (11) is arranged and the output terminals (32, 33) of the counter (12, 13) are connected to the evaluation circuit (14).
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Flip-Flops ( 9 , 10 ) JK-Flip-Flops sind, wobei ein Taktanschluß eines ersten Flip-Flops ( 9 ) mit dem Komparator ( 8 ) direkt und ein Taktanschluß des zweiten Flip-Flops ( 10 ) über den Inverter ( 11 ) mit dem Komparator ( 8 ) verbunden ist und Q-Ausgangsanschlüsse (q) der JK-Flip-Flops ( 9 , 10 ) jeweils an einen der Zähler ( 12 , 13 ) angeschlossen sind. 18. Circuit arrangement according to claim 17, characterized in that the flip-flop (9, 10) JK flip-flop, wherein a clock terminal of a first flip-flop (9) to the comparator (8) directly, and a clock terminal of the second flip-flop (10) via the inverter (11) is connected to the comparator (8) and Q-output terminals (Q) of the JK flip-flop (9, 10) respectively on one of the counters (12, 13) connected are.
19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkurvenauswerteein richtung ( 5 ) Bestandteil der Auswerteschaltung ( 14 ) ist und die Hüllkurvenwerte innerhalb aus den in der Spei chereinrichtung ( 16 , 17 ) der Auswerteschaltung ( 14 ) gespeicherten 0°- und 90°-Ausgangssignalwerten (I, Q) mit Hilfe des Mikrocomputers ( 15 ) nach der Beziehung errechnet werden. 19. Circuit arrangement according to one of claims 12 to 16, characterized in that the Hüllkurvenauswerteein device (5) is part of the evaluation circuit (14) and the data stored envelope values within from chereinrichtung in the SpeI (16, 17) of the evaluation circuit (14) 0 ° - and 90 ° -Ausgangssignalwerten (I, Q) are calculated with the aid of the microcomputer (15) according to the relationship.
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