EP1763687A2 - Verfahren und vorrichtung zur werkstoffdurchdringenden ortung eines messsignals - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur werkstoffdurchdringenden ortung eines messsignals

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Publication number
EP1763687A2
EP1763687A2 EP05761136A EP05761136A EP1763687A2 EP 1763687 A2 EP1763687 A2 EP 1763687A2 EP 05761136 A EP05761136 A EP 05761136A EP 05761136 A EP05761136 A EP 05761136A EP 1763687 A2 EP1763687 A2 EP 1763687A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
signal
wall
transmitter
receiver
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05761136A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Skultety-Betz
Bjoern Haase
Michael Mahler
Ulli Hoffmann
Reiner Krapf
Christoph Wieland
Felix Wewers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1763687A2 publication Critical patent/EP1763687A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/081—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices the magnetic field is produced by the objects or geological structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for the material-penetrating locating of a measuring signal, in particular a device and a method for a material-penetrating positioning method on walls, ceilings and floors.
  • Material penetrating positioning methods are typically employed if from either side of a wall, floor, ceiling or the like
  • Positioning must be made. This is for example at a
  • Drill hole or core hole necessary. Another application is given when from one side of a material, such as a wall, a
  • Floor or a ceiling can not be drilled so that must be drilled from a äbgewandten side of the material, through the material to a predetermined position.
  • a small transmitter is typically mounted on one side of the material to be drilled and used on the other, äbgewandten surface of the workpiece, such as the back of a wall, a floor or a ceiling, a mobile receiver, the passage point of the emitted by the transmitter measuring signal to determine.
  • Inductive devices are known in which the transmitter generates a magnetic field and the associated receiver can detect the center of this magnetic field with a coil arrangement.
  • US Pat. No. 5,434,500 discloses a magnetic field generator together with a detector with a position indicator, in which the magnetic field generator serves as a transmitting unit which is placed on a first side of a wall at the location to be located and generates a magnetic field at this point.
  • the associated detector serves as a receiving unit and is guided over the side facing away from the transmitting unit surface of the wall.
  • the receiving unit has two pairs of two detectors, which measure the relative strength of the magnetic field. By measuring this relative strength of the magnetic field for each of the individual detectors, it is possible to determine the position of the
  • Magnetic field generator or the projection of this position on the generator to locate the tillwa ⁇ ten side of the wall.
  • the strength of the detected magnetic field is visualized by means of an optical display. If the strength of the detected magnetic field is the same for all four detection elements, the receiving unit is arranged directly opposite the transmitting unit.
  • DE 3446 392 A1 discloses a method for identifying a test site present on one side of a wall on the other side of the wall.
  • this method which is used in particular in metallic walls of a container, is provided to speed up the identification of the inspection body and to increase the reliability of the identification that at the test site on the
  • a magnetic pole is placed and on the other, the magnetic pole side facing away from the wall, the magnetic field passing through the magnetic pole of the magnetic pole is detected.
  • a Hall effect component is preferably used in the method of DE 3446 392 A1.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method and a device which allows a fast, safe and precise localization of a defined point through a material.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • the Aufgäbe is achieved by a device having the features of claim 11th
  • the inventive method for material-penetrating location of a Mess ⁇ signal uses a high-frequency transmitter that emits a measurement signal in the gigahertz frequency range, which is a material such For example, a wall, ceiling or floor penetrates at least once and is detected and localized by a radio-frequency receiver.
  • the high-frequency transmitter couples microwaves in the gigahertz range, for example by means of FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) or
  • Pulse radar method in the wall can thus generate one or more individual frequencies (FMCW) or also radiate broadband (pulsed radar).
  • FMCW individual frequencies
  • pulse radar pulse radar
  • Measuring frequencies in an interval from one gigahertz to five gigahertz to use Preferably, frequencies in an interval of 1.5 GHz to 3.5 GHz are used.
  • a suitable mobile receiver On the side of the material facing away from the radio-frequency transmitter, a suitable mobile receiver then locates the signals generated by the transmitter.
  • the high-frequency transmitter and the high-frequency receiver are operated on a common, first surface of the material. In this method, the measurement signal of the high-frequency transmitter after penetration of the
  • Material by means of a reflector means, which is movable on the second surface remote from the high-frequency transmitter surface of the material, fed back to the high-frequency receiver.
  • Reflector means defined to be positioned at the location of maximum signal strength. By means of a corresponding marking device, a marking can subsequently be set to the localized penetration point of the measuring signal.
  • the device according to the invention for carrying out the claimed method comprises at least one high-frequency transmitter which can be placed on a surface of a material and generates a measurement signal penetrating the material in the gigahertz frequency range and a high-frequency receiver.
  • radio-frequency transmitters and radio-frequency receivers are arranged in a common device.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of the essential electronic components of a transponder for the method according to the invention
  • Fig. 6 shows a further realization of the transponder of the method according to the invention in a schematic representation.
  • Fig. 1 shows a typical, the method according to the invention underlying measurement situation.
  • Material penetrating positioning methods are used when positioning has to be performed from both sides of a wall, floor or ceiling. Such walls, floors, ceilings or the like. Be referred to in the following as the wall or generally as a material 10.
  • the vertical projection of the defined location 12 corresponding location 18 are localized. In this way, the user can, for example, make holes through the wall 10, where he knows in advance, where the drill on the opposite side 16 of the wall 10 exits.
  • a high-frequency transmitter is held on the wall 10 on one side 14 and fixed thereto.
  • a wall mount, an adhesive device or a tripod for the high-frequency transmitter can be provided.
  • the high-frequency transmitter has a high-frequency transmitter 20 with a transmitting antenna, which preferably points in the direction of the wall and radiates a high-frequency measuring signal 22 into the wall 10.
  • the measurement signal 22 is in the gigahertz frequency range, with measurement frequencies that are typically in an interval of 1 GHz to 5 GHz.
  • one or more measurement frequencies from a frequency interval of 1.5 GHz to 3.5 GHz are used in the method according to the invention.
  • the directed high-frequency signal 22 of the high-frequency transmitter 20 is subsequently detected on the first side 14 of the wall 10 facing away from the second side 16 of a high-frequency receiver 24.
  • the high-frequency receiver 24 has a
  • Receiving unit with one or more receiving antennas, which receive the measuring signal 22 and forward to an evaluation of the meter 24.
  • the high-frequency receiver 24 is typically moved over the second surface 16 of the wall 10 in both the horizontal and vertical directions.
  • optical or acoustic output means 26 such as a signal strength display 28, the maximum of the measurement signal 22 can be located. Due to the selected frequency range of the method according to the invention, the positioning accuracy of the high-frequency receiver and thus the accuracy of the localization of the projection 30 of the defined point 12 on the second surface 16 of
  • a high-frequency receiver 24 are various types of receivers, in particular radar or microwave receiver, either broadband or narrowband - matched to the transmitter frequency (s) - the sent
  • Receive frequency signals can also be used whose capacitively generated high-frequency field is disturbed by the transmitter signals 22 and which allow the localization of the projection point 18 by measuring the intensity of this interference.
  • the receiver 24 may, for example, also be a high-frequency locating device which can be switched into the pure receive mode by means of suitable software or hardware circuitry.
  • FIG. 2 illustrates some of the significant steps of the high frequency frequency material penetrating positioning method of the present invention.
  • a radio frequency unit 32 of a radio frequency transmitter 20 generates microwaves in the gigahertz range, such as by FMCW or pulsed radar techniques.
  • the transmitter can therefore generate one or more individual frequencies (FMCW method) or a broadband pulse spectrum (pulse radar).
  • the micro-wave signals thus generated, which form the measuring signal 22 of the method according to the invention, are emitted via an antenna arrangement 34, which comprises at least one antenna. If the high-frequency transmitter 20 on one side 14 of a workpiece, for example a
  • the microwaves penetrate as directed radio frequency signal 22 the wall and can be detected by a Hoch ⁇ frequency receiver 24 on the other side 16 of the wall.
  • the radio-frequency receiver 24 has a receiving antenna arrangement 36 and a radio-frequency receiving section 38, which processes the received radio-frequency signal and displays it in an intuitively catchy manner, for example by means of a display device.
  • the penetration site or the projection point 18 of the measurement signal can thus be located on the second side 16 of the wall 10 facing away from the high-frequency transmitter 20 and marked by suitable means on the wall surface. For example, under too
  • bores are made by reinforced concrete, in which the user knows in advance, where the drill exits on the side facing away from the wall to be drilled. Due to the frequency range used, the method according to the invention enables the localization of the projection position with high accuracy.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the method according to the invention.
  • a measuring device 100 is used which is both high-frequency transmitter 120 and high-frequency receiver 124.
  • this device 100 generates a high-frequency signal 122, which penetrates a wall 10 as described above.
  • a transmitting and receiving antenna can be with appropriate wiring use a single antenna element 134.
  • a separate arrangement of transmitter antenna and receiving antenna for the one measuring device 100 may be provided.
  • On the side facing away from the transmitter and receiver 16 of the wall 10 is in the inventive method of FIG.
  • a reflector means 126 for example, a passive or even an active reflector, which reflects the received signals of the transmitter and thus forwards to the high-frequency receiver.
  • a reflector means may be formed as a SAW element (Surface Acoustic Wave).
  • the measurement signal 122 returned by the reflector means 126 can be arranged in the same frequency range or else in a shifted frequency range.
  • transponders can be used as reflector means 126, which detect and process the measurement signal 122 penetrating the wall and, after an internal delay time, send a response signal 123 correlated with the detected original measurement signal 122 back through the wall 10.
  • Both passive and active transponders can be used, i. those without or with independent energy supply.
  • Such a transponder generates after a certain internal runtime, which is known, a new signal, which it emits via its own antenna, for example in the ISM band at a frequency of 2.45 GHz. This newly generated signal in turn penetrates the wall and can be detected by the high-frequency receiver 124 of the measuring device 100.
  • a transit time minimum of the new transmission signal of the transponder can be found and the corresponding position on the wall can be marked.
  • a marking unit can be located both on the measuring device 100 and on the transponder 128.
  • Fig. 4 shows the possible structure of such a transponder 128 on the basis of a
  • the signal received via an antenna device 140 from the transponder 128 is passed via a coupler 142 or a circulator to a receiving amplifier 144. After amplification, the signal passes through an RF switch 146, which is through-connected in the idle state, to a pulse detector 148. This delivers an output voltage which is proportional to the input power.
  • Pulse detector 148 is amplified in a LF amplifier 150. In a subsequent comparator, a digital signal is again generated from the analog voltage signal. In a monoflop 154, the relatively short comparator signal is brought to a defined length. This signal is used by means of the delay elements 156 and 158 to blank the receiving stage and transmit pulse generation. The from the
  • Transmit pulse generator 160 generated signal is brought back to the antenna device 140 via the coupler 142 and a circulator and sent back to the measuring device 100 through the examined wall.
  • Fig. 5 shows an alternative realization possibility of the transponder 128.
  • a scanner is used.
  • the clock in which the sampler is controlled Via a microcontroller 164, the clock in which the sampler is controlled, regulated such that sets a maximum voltage at the output of the scanner.
  • the clock of the microcontroller and the clock of the measuring device 100 run synchronously with one another, but shifted by the transit time of the measuring signal. In this way it is possible to localize the fürdringungsort of the measuring signal and also, if desired, also make a wall thickness measurement. Since the signal that controls the scanner is also sent directly, the response of the transponder takes place with minimal delay.
  • FIG. 6 A further alternative for the basic structure of a transponder for the method according to the invention is shown in a simplified manner in FIG.
  • the received measurement signal in the transponder 128 is amplified by an amplifier 170 and, after a certain time delay, which is realized via a delay element 142, again via the coupler 142 and the
  • Antenna device 140 emitted in the manner of a ring amplifier.
  • the extension of the transponder by, for example, an AC sensor (50 Hz sensor) and / or an inductive sensor is also possible.
  • an additional function of the transponder allows the user to exclude damage to, for example, a power line, even on the side facing away from the measuring device 100, for example a wall.
  • High-frequency locating device 100 which can be switched by means of suitable software or hardware circuit in the receiving mode and so can indicate, for example, the position of the hole and the wall thickness.
  • a receiving device for the method according to the invention can be advantageously use a locating device on a high frequency basis, as described for example in the application DE 10207 424 Al the applicant.
  • the method according to the invention is not limited to the prediction of drilling channels in a wall.
  • the method according to the invention can already be integrated into corresponding devices, such as a drilling tool.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur werkstoffdurchdringenden Ortung eines Mess­signals, insbesondere ein werkstoffdurchdringendes Positionierungsverfahren an Wänden, Decken und Böden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein Hochfrequenzsender (20,120) ein Mess­signal (22,122) im Gigahertz-Frequenzbereich aussendet, welches den Werkstoff (10) zumindest einmal durchdringt und von einem Hochfrequenzempfänger (24,124) zur Lokalisierung der Durchdringungsposition (18) detektiert wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur werkstoffdurchdringenden Ortung eines Messsignals
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur werkstoffdurchdringenden Ortung eines Messsignals, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein werkstoffdurchdringendes Positionierungsverfahren an Wänden, Decken und Böden.
Stand der Technik
Werkstoffdurchdringende Positionierverfahren werden typischer Weise eingesetzt, falls von beiden Seiten einer Wand, eines Bodens, einer Decke oder dergleichen eine
Positionierung vorgenommen werden muss. Dies ist beispielsweise bei einem
Bohrdurchbruch oder einer Kernbohrung notwendig. Ein weiterer Anwendungsfall ist gegeben, wenn von einer Seite eines Werkstoffes, wie beispielsweise einer Wand, einem
Boden oder einer Decke nicht gebohrt werden kann, so dass von einer äbgewandten Seite des Werkstoffes aus, durch den Werkstoff hindurch auf eine vorgegebene Position hin gebohrt werden muss.
Aus dem Stand der Technik sind Hilfsmittel bekannt, die es ermöglichen sollen, eine solche Bohrung zuverlässig durchzuführen. Dabei wird typischer Weise auf der einen Seite des zu durchbohrenden Werkstoffes ein kleines Sendegerät befestigt und auf der anderen, äbgewandten Oberfläche des Werkstückes, beispielsweise der Rückseite einer Wand, eines Bodens oder einer Decke ein mobiler Empfänger eingesetzt, der die Durchtrittsstelle des vom Sendegerät ausgesendeten Messsignals ermitteln soll.
Bekannt sind dabei induktiv arbeitende Geräte, bei denen der Sender ein Magnetfeld erzeugt und der zugeordnete Empfänger mit einer Spulenanordnung den Mittelpunkt dieses Magnetfeldes detektieren kann.
So ist beispielsweise aus der US 5,434,500 ein Magnetfeldgenerator nebst Detektor mit Positionsindikator bekannt, bei dem der Magnetfeldgenerator als Sendeeinheit dient, die auf eine erste Seite einer Wand an der zu lokalisierenden Stelle aufgesetzt wird und an dieser Stelle ein Magnetfeld erzeugt. Der zugehörige Detektor dient als Empfangseinheit und wird über die der Sendeeinheit abgewandten Oberfläche der Wand geführt. Die Empfangseinheit besitzt dabei zwei Paare von jeweils zwei Detektoren, welche die relative Stärke des Magnetfeldes messen. Durch Messung dieser relativen Stärke des Magnetfeldes für jeden der einzelnen Detektoren wird es ermöglicht, die Position des
Magnetfeldgenerators bzw. die Projektion dieser Position auf die dem Generator abgewaαdten Seite der Wand zu lokalisieren. Bei der Vorrichtung der US 5,434,500 wird die Stärke des detektierten Magnetfeldes mittels einer optischen Anzeige visualisiert. Ist die Stärke des detektierten Magnetfeldes für alle vier Detektionselemente gleich groß, so ist die Empfangseinheit direkt gegenüber der Sendeeinheit angeordnet.
Aus der DE 3446 392 Al ist ein Verfahren zur Identifizierung einer auf einer Seite einer Wandung vorhandenen Prüfstelle auf der anderen Seite der Wandung bekannt. Bei diesem Verfahren, welches insbesondere bei metallischen Wandungen eines Behälters genutzt wird, ist zur Beschleunigung der Identifizierung der Prüfstelle und zur Erhöhung der Lagesicherheit der Identifizierung vorgesehen, dass an der Prüfstelle auf die
Wandung ein Magnetpol aufgesetzt wird und auf der anderen, dem Magnetpol abgewandten Seite der Wandung das die Wandung durchsetzende Magnetfeld des Magnetpols erfasst wird. Zur Erfassung des Magnetfeldes wird bei dem Verfahren der DE 3446 392 Al vorzugsweise ein Hall-Effekt-Bauelement verwendet.
Bekannte Geräte des Standes der Technik haben u. a. den Nachteil, dass im Werkstoff, wie beispielsweise einer Wand, einer Decke oder eines Bodens befindliche Metallteile, wie beispielsweise Stahlträger oder Armierungseisen die Detektion stark stören und mit¬ unter sogar unmöglich machen können. Darüber hinaus ist die Positionierungsgenauigkeit derartiger Geräte eher schlecht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung anzugeben, welches eine schnelle, sichere und präzise Lokalisierung einer definierten Stelle durch einen Werkstoff hindurch gestattet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgäbe gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur werkstoffdurchdringenden Ortung eines Mess¬ signals, insbesondere das erfindungsgemäße, werkstoffdurchdringende Positionierungs¬ verfahren an Wände, Decken und Böden nutzt einen Hochfrequenzsender, der ein Messsignal im Gigahertz-Frequenzbereich aussendet, welches einen Werkstoff, wie beispielsweise eine Wand, eine Decke oder einen Boden zumindest einmal durchdringt und von einem Hochfrequenzempfänger detektiert und lokalisiert wird.
Aufgrund des benutzten Hochrrequenzverfahrens lässt sich eine genauere Lokalisierung der Durchdringungsstelle des Messsignals erreichen, da das beanspruchte Verfahren weniger empfindlich auf in dem Werkstoff eingeschlossene Objekte reagiert.
Insbesondere werden durch das beanspruchte Verfahren nunmehr auch Durchbruchsbohrungen durch Beton möglich, da entsprechende Projektionen durch Betonwandungen hindurch vorgenommen werden können. Die in Betonwandungen typischer Weise vorhandenen Armierungseisen bilden bezüglich der verwendeten Hochfrequenztechnik ein nur geringes Störpotential. Durch den verwendeten Frequenzbereich kann die Positionierungsgenauigkeit darüber hinaus erhöht werden. Der Anwender kann somit Bohrungen durch Beton und insbesondere durch armierten Beton vornehmen, bei denen er zuverlässig weiß, wo der Bohrer auf der abgewandten Seite einer Wand aus dieser heraustreten wird.
Vorteilhafter Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich aus den in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmalen
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist es vorteilhaft, ein Messsignal im Gigahertz- Hochfrequenzbereich zu nutzen, welches mehr als eine Messfrequenz aufweist. Der Hochfrequenzsender koppelt dabei Mikrowellen im Gigahertz-Bereich, beispielsweise mittels FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continuous Wave) oder
Pulsradarverfahren in die Wandung ein. Dieser Sender kann demnach eine oder mehrere einzelne Frequenzen (FMCW) generieren oder aber auch breitbandig (Pulsradar) abstrahlen.
Für die Durchdringung des Werkstoffes ist es vorteilhaft, eine oder mehrere
Messfrequenzen in einem Intervall von einem Gigahertz bis zu fünf Gigahertz zu verwenden. Vorzugsweise werden Frequenzen in einem Intervall von 1,5 GHz bis 3,5 GHz verwendet.
Auf der dem Hochfrequenzsender abgewandten Seite des Werkstoffes lokalisiert dann ein geeigneter mobiler Empfänger die vom Sender generierten Signale. In einer alternativen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Hochfrequenzsender und der Hochfrequenzempfänger auf einer gemeinsamen, ersten Oberfläche des Werkstoffes betrieben werden. Bei diesem Verfahren wird das Messsignal des Hochfrequenzsenders nach Durchdringung des
Werkstoffes mittels eines Reflektormittels, welches auf der zweiten, dem Hochfrequenzsender abgewandten Oberfläche des Werkstoffes bewegbar ist, auf den Hochfrequenzempfänger zurückgeleitet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieses alternativen Verfahrens ist vorgesehen, den Hochfrequenzempfänger und den Hochfrequenzsender in einem gemeinsamen Gerät zu betreiben.
Zur Anzeige des den Werkstoff durchdringenden Messsignals wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in vorteilhafter Weise die Lokalisierung mittels einer
Signalstärkenanzeige am Hochfrequenzempfänger und/oder am Reflektormittel vorgenommen. Auf diese Weise kann der Hochfrequenzempfänger oder das
Reflektormittel definiert an den Ort maximaler Signalstärke positioniert werden. Mittels einer entsprechenden Markierungseinrichtung kann nachfolgend eine Markierung auf die lokalisierte Durchdringungsstelle des Messsignals gesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens umfasst zumindest einen auf einer Oberfläche eines Werkstoffes aufsetzbaren Hochfrequenzsender, der ein den Werkstoff durchdringendes Messsignal im Gigahertz- Frequenzbereich erzeugt sowie einen Hochfrequenzempfänger.
In einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Hochfrequenzsender und Hochfrequenzempfänger in einem gemeinsamen Gerät an¬ geordnet.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind der nachfolgenden Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung der Ausfuhrungsformen zu entnehmen.
Zeichnung In der Zeichnung sind Ausfuhrungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur werkstoffdurchdringenden Ortung eines Messsignals dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen
Kombinationen zusammenfassen, die somit als ebenfalls in der Beschreibung offenbart anzusehen sind.
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung der dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Messsituation,
Fig.2 eine schematische Darstellung von wesentlichen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig.3 eine alternative Ausfuhrungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens, dargelegt an einer schematischen Darstellung von wesentlichen Verfahrensschritten,
Fig. 4 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel der wesentlichen elektronischen Komponenten eines Transponders für das erfindungsgemäße Verfahren,
Fig. 5 eine alternative Realisierungsmöglichkeit eines Transponders für das erfindungsgemäße Verfahren,
Fig. 6 eine weitere Realisierung fiir den Transponder des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine typische, dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Messsituation. Werkstoffdurchdringende Positionierverfahren werden dann eingesetzt, wenn von beiden Seiten einer Wand, bzw. eines Bodens oder einer Decke eine Positionierung vorgenommen werden muss. Derartige Wände, Böden, Decken oder dgl. werden im weiteren als Wandung bzw. allgemein als Werkstoff 10 bezeichnet.
Ausgehend von einer ersten definierten Stelle 12 auf einer ersten Seite 14 einer Wandung
10 soll auf der der ersten Seite abgekehrten zweiten Seite 16 der Wandung eine, der senkrechten Projektion der definierten Stelle 12 entsprechende Stelle 18 lokalisiert werden. Auf diese Weise kann der Anwender beispielsweise Bohrungen durch die Wandung 10 hindurch vornehmen, bei denen er im voraus weiß, wo der Bohrer auf der abgekehrten Seite 16 der Wandung 10 austritt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf der einen Seite 14 ein Hochfrequenzsendegerät an die Wand 10 gehalten bzw. an dieser befestigt. Dazu kann beispielsweise eine Wandhalterung, eine Klebevorrichtung oder auch ein Stativ für den Hochfrequenzsender vorgesehen sein. Des weiteren ist es möglich über entsprechende Adaptermittel den Hochfrequenzsensor in einem Loch einer Vorbohrung zu fixieren.
Das Hochfrequenzsendegerät weist einen Hochfrequenzsender 20 mit einer Sendeantenne auf, die vorzugsweise in Richtung der Wand zeigt und ein hochfrequentes Messsignal 22 in die Wand 10 abstrahlt. Das Messsignal 22 liegt im Gigahertz-Frequenzbereich, mit Messfrequenzen, die typischer Weise in einem Intervall von 1 GHz bis 5 GHz liegen.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine oder mehrere Messfrequenzen aus einem Frequenzintervall von 1,5 GHz bis 3,5 GHz verwendet. Das gerichtete Hochfrequenzsignal 22 des Hochfrequenzsenders 20 wird anschließend auf der der ersten Seite 14 der Wandung 10 abgewandten zweiten Seite 16 von einem Hochfrequenzempfänger 24 detektiert. Der Hochfrequenzempfänger 24 besitzt dazu eine
Empfangseinheit mit einer oder mehreren Empfangsantennen, die das Messsignal 22 empfangen und an eine Auswerteelektronik des Messgerätes 24 weiterleiten. Der Hochfrequenzempfänger 24 wird dazu typischer Weise sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung über die zweite Oberfläche 16 der Wandung 10 verfahren.
Über optische oder akustische Ausgabemittel 26, wie beispielsweise eine Signalstärkenanzeige 28, kann das Maximum des Messsignals 22 lokalisiert werden. Durch den ausgewählten Frequenzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Positionierungsgenauigkeit des Hochfrequenzempfängers und somit die Genauigkeit der Lokalisierung der Projektion 30 der definierten Stelle 12 auf die zweite Oberfläche 16 der
Wandung deutlich erhöht werden.
Als Hochfrequenzempfänger 24 eignen sich verschiedene Arten von Empfängern, insbesondere Radar- bzw. Mikrowellenempfänger, die entweder breitbandig oder schmalbandig - abgestimmt auf die Senderfrequenz(en) - die gesendeten
Frequenzsignale empfangen. Darüber hinaus können auch kapazitive Empfänger genutzt werden, deren kapazitiv generiertes Hochfrequenzfeld durch die Sendersignale 22 gestört wird und welche durch die Messung der Intensität dieser Störung die Lokalisierang des Projektionspunktes 18 erlauben. Der Empfänger 24 kann beispielsweise auch ein Hochfrequenzortungsgerät sein, welches mittels geeigneter Software bzw. Hardware- beschaltung in den reinen Empfangsbetrieb geschaltet werden kann.
Fig. 2 stellt einige der wesentlichen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen werkstoffdurchdringenden Positionierverfahren auf Hochfrequenzbasis dar. Eine Hochfrequenzeinheit 32 eines Hochfrequenzsenders 20 erzeugt Mikrowellen im Gigahertz-Bereich, beispielsweise mittels FMCW oder Pulsradarverfahren. Der Sender kann demnach eine oder mehrere einzelne Frequenzen (FMCW-Verfahren) oder ein breitbandiges Impulsspektrum (Pulsradar) generieren. Die so erzeugten Mikro¬ wellensignale, die das Messsignal 22 des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden, werden über eine Antennenanordnung 34, die zumindest eine Antenne umfasst, abgestrahlt. Wird der Hochfrequenzsender 20 auf einer Seite 14 eines Werkstück, beispielsweise eine
Wandung 10, an definierter Stelle aufgesetzt, so durchdringen die Mikrowellen als gerichtetes Hochfrequenzsignal 22 die Wand und können durch einen Hoch¬ frequenzempfänger 24 auf der anderen Seite 16 der Wandung detektiert werden. Der Hochfrequenzempfänger 24 weist dazu eine Empfangsantennenanordnung 36 sowie einen Hochfrequenzempfangsteil 38 auf, der das empfangene Hochfrequenzsignal verarbeitet und beispielsweise mittels einer Anzeigevorrichtung in intuitiv eingängiger Weise darstellt. Mit Hilfe des Hochfrequenzempfängers 24 kann somit der Durchdringungsort bzw. die Projektionsstelle 18 des Messsignals auf der dem Hochfrequenzsender 20 äbgewandten zweiten Seite 16 der Wandung 10 lokalisiert und durch geeignete Mittel auf der Wandoberfläche markiert werden. So können beispielsweise auch unter zu
Hilfenahme des erfindungsgemäßen Verfahrens Bohrungen durch armierten Beton vorgenommen werden, bei denen der Anwender im voraus weiß, wo der Bohrer auf der abgekehrten Seite der zu durchbohrenden Wand austritt. Aufgrund des verwendeten Frequenzbereichs ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Lokalisierung der Projektionsstelle mit hoher Genauigkeit.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dem Verfahren gemäß Fig. 3 wird ein Messgerät 100 benutzt, welches sowohl Hochfrequenzsender 120 als auch Hochfrequenzempfänger 124 ist. Dabei generiert dieses Gerät 100 ein Hochfrequenzsignal 122, welches wie oben beschrieben eine Wandung 10 durchdringt. Als Sende- und Empfangsantenne lässt sich bei entsprechender Beschaltung ein einzelnes Antennenelement 134 nutzen. In weiteren Ausfuhrungsformen des erfϊndungsgemäßen Verfahrens kann jedoch auch eine getrennte Anordnung von Senderantenne und Empfangsantenne für das eine Messgerät 100 vorgesehen sein. Auf der dem Sender und Empfänger abgewandten Seite 16 der Wandung 10 befindet sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Fig. 3 ein Reflektormittel 126, beispielsweise ein passiver oder aber auch ein aktiver Reflektor, der die empfangenen Signale des Senders zurückwirft und somit auf den Hochfrequenzempfänger weiterleitet. Ein solches Reflektormittel kann als ein SAW-Element (Surface acoustic wave) ausgebildet sein. Das vom Reflektormittel 126 zurückgeleitete Messsignal 122 kann dabei im gleichen Frequenzbereich oder aber auch in einem verschobenen Frequenzbereich angeordnet sein.
Als Reflektormittel 126 sind darüber hinaus auch sogenannte Transponder einsetzbar, die das die Wand durchdringende Messsignal 122 detektieren, verarbeiten und nach einer internen Verzögerungszeit, ein mit dem detektierten, ursprünglichen Messsignal 122 korreliertes Antwortsignal 123 wiederum durch die Wand 10 zurück senden. Dabei können sowohl passive, als auch aktive Transponder verwendet werden, d.h. solche ohne oder mit eigenständiger Energieversorgung.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines solchen Transponders für das erfindungsgemäße Verfahren. Das vom Messgerät 100 erzeugte hochfrequente
Wechselfeld durchdringt einen Werkstoff, beispielsweise eine zu untersuchende Wand. Auf der dem Messgerät 100 entgegengesetzten Seite dieser Wand befindet sich ein Transponder 128, der die vom Messgerät erzeugten Signale lokalisiert, detektiert und in noch zu beschreibender Weise an das Messgerät zurücksendet.
Ein solcher Transponder erzeugt nach einer gewissen internen Laufzeit, welche bekannt ist, ein neues Signal, welches er über eine eigene Antenne, beispielsweise im ISM-Band bei einer Frequenz von 2,45 GHz abstrahlt. Dieses neu generierte Signal durchdringt wiederum die Wand und kann vom Hochfrequenzempfanger 124 des Messgeräts 100 detektiert werden.
Auf diese Weise kann mit Hilfe des Messgeräts 100, welches ein Pulsreflektometer bildet, ein Laufzeitminimum des neuen Sendesignals des Transponders gefunden werden und die entsprechende Stelle auf der Wand markiert werden. Eine Markiereinheit kann sich sowohl am Messgerät 100 als auch am Transponder 128 befinden. Unter Auswertung der Laufzeit zwischen dem Reflektometer, d. h. dem Messgerät 100, und dem Transponder 128 kann zudem auch in vorteilhafter Weise eine Wanddickenbestimmung durchgeführt werden.
Im folgenden soll der prinzipielle Aufbau eines solchen Transponders dargelegt werden. Als Empfänger im Transponder eignen sich verschiedene Arten von Hoch¬ frequenzempfängern, wie beispielsweise Leistungsdetektoren, die den Leistungspegel des charakteristischen Messsignals des Messgeräts 100 auswerten oder aber auch Pulsdetektoren, die typische Feldänderungen des Messgeräts 100 detektieren können.
Fig. 4 zeigt den möglichen Aufbau eines solchen Transponders 128 an Hand eines
Blockschaltbilds. Das über eine Antenneneinrichtung 140 vom Transponder 128 empfangene Signal wird über einen Koppler 142 oder einen Zirkulator zu einem Empfangsverstärker 144 geleitet. Nach seiner Verstärkung gelangt das Signal über einen im Ruhezustand durchgeschalteten HF-Schalter 146 zu einem Pulsdetektor 148. Dieser liefert eine zur Eingangsleistung proportionale Ausgangsspannung. Die Spannung des
Pulsdetektors 148 wird in einem NF-Verstärker 150 verstärkt. In einem nachfolgenden Komparator wird aus dem analogen Spannungssignal wieder ein Digitalsignal generiert. In einem Monoflop 154 wird das relativ kurze Komparatorsignal auf eine definierte Länge gebracht. Dieses Signal wird mit Hilfe der Verzögerungsglieder 156 und 158 zur Austastung der Empfangsstufe und zur Sendeimpulserzeugung genutzt. Das vom
Sendeimpulserzeuger 160 generierte Signal wird über den Koppler 142 bzw. einen Zirkulator wieder auf die Antenneneinrichtung 140 gebracht und durch die untersuchte Wand hindurch auf das Messgerät 100 zurückgesandt.
Fig. 5 zeigt eine alternative Realisierungsmöglichkeit des Transponders 128. Hierbei wird ein Abtaster verwendet. Über einen MikroController 164 wird der Takt, in dem der Abtaster angesteuert wird, derart geregelt, dass sich am Ausgang des Abtasters eine maximale Spannung einstellt. Ist dieses Maximum des Ausgangssignals erreicht, so laufen der Takt des Mikrocontrollers und der Takt des Messgeräts 100 synchron zueinander, jedoch um die Laufzeit des Messsignals verschoben. Auf diese Weise ist es möglich den Durchdringungsort des Messsignals zu lokalisieren und zudem, falls gewünscht, auch eine Wanddickenmessung vorzunehmen. Da das Signal, welches den Abtaster steuert, auch direkt gesendet wird, erfolgt die Antwort des Transponders mit minimaler Verzögerung. Eine weitere Alternative für den prinzipiellen Aufbau eines Transponders für das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 6 in vereinfachter Weise dargestellt. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Konzept wird das empfangene Messsignal im Transponder 128 von einem Verstärker 170 verstärkt und nach einer gewissen Zeitverzögerung, welche über ein Laufzeitglied 142 realisiert ist, wieder über den Koppler 142 und die
Antenneneinrichtung 140 in der Art eines Ringverstärkers ausgesandt.
Neben dem bisher beschriebenen Aufbau und der Funktionsweise eines Transponders für das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem die Erweiterung des Transponders durch beispielsweise einen AC-Sensor (50 Hz-Sensor) und / oder einen induktiven Sensor möglich. Eine solche zusätzliche Funktion des Transponders ermöglicht dem Anwender, ein Beschädigen beispielsweise einer Stromleitung auch auf der dem Messgerät 100 abgewandten Seite, beispielsweise einer Wand, auszuschließen.
Die Auswertung der Informationen erfolgt in vorteilhafter Weise durch das
Hochfrequenzortungsgerät 100, welches mittels geeigneter Software- oder Hardware- beschaltung in den Empfangsbetrieb geschaltet werden kann und so beispielsweise die Position der Bohrung sowie die Wandstärke anzeigen kann.
Als Empfangsgerät für das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in vorteilhafter Weise ein Ortungsgerät auf Hochfrequenzbasis nutzen, wie es beispielsweise in der Anmeldung DE 10207 424 Al der Anmelderin beschrieben ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind nicht auf die in den Ausführungsbeispielen aufgezeigten Ausführungsformen beschränkt.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht beschränkt auf die Vorhersage von Bohrkanälen in einer Wandung.
In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechende Geräte, wie beispielsweise einem Bohrwerkzeug bereits integriert sein.
Darüber hinaus ist es möglich, das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durch entsprechende zusätzliche Software bzw. Hardware mittels bereits vorhandener Hoch- frequenzempfänger und/oder Hochfrequenzsendern durchzuführen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur werkstoffdurchdringenden Ortung eines Messsignals, insbesondere ein werkstoffdurchdringendes Positionierungsverfahren an Wänden, Decken und Böden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochfrequenzsender (20,120) ein Messsignal
(22,122) im Gigahertz-Frequenzbereich aussendet, welches den Werkstoff (10) zumindest einmal durchdringt und von einem Hochfrequenzempfänger (24,124) zur Lokalisierung der Durchdringungsposition (18) detektiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (22,122) mehr als eine Messfrequenz aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (22,122) gerichtet ist.
4. Verfahren nach Anspruchl, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Messfrequenz(en) in einem Intervall von 1000 MHz bis 5000 MHz, und vorzugsweise in einem Intervall von 1500 MHz bis 3500 MHz verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Messsignal (22,122) mittels FMCW-Verfahren im Gigahertz-Frequenzbereich erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal im Gigahertz-Frequenzbereich mittels Pulsradar-Verfahren erzeugt wird und in den Werkstoff einkoppelt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzsender (20) und der Hochfrequenzempfänger (24) auf zwei verschiedenen, einander zugeordneten Oberflächen (14,16) des Werkstoffes (10) betrieben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzsender (120) und der Hochfrequenzempfönger (124) auf einer gemeinsamen, ersten Oberfläche (14) des Werkstoffes (10) betrieben werden, wobei das Messsignal (122,123) des Hoch-frequenzsenders (120) mittels eines Reflektormittels (126), welches auf einer zweiten Oberfläche (16) des Werkstückes (10) bewegbar ist, auf den Hochfrequenzempfänger (124) gelenkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektormittel (126) ein SAW (Surface Acoustic Wave) Element aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektormittel (126) einen Transponder (128) umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzsender
(120) und der Hochfrequenzempfänger (124) in einem gemeinsamen Gerät (100), insbesondere einem handgehaltenen Gerät betrieben werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalisierung, des das Werkstück (10) durchdrungenen Messsignals (22,122,123) mittels einer Signalstärkenanzeige des Hochfrequenzempfängers (24,124) und / oder eines Reflektormittel (126) vorgenommen werden kann.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest einen auf eine Oberfläche
(14) eines Werkstoffes (10) aufsetzbaren Hochfrequenzsender (20,120) und einen Hochfrequenzempfänger (24,124) umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzsender (120) und der Hochfrequenzempfänger (124) in einem gemeinsamen Gerät (100) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Hochfrequenzempfänger (124) eine Markierungseinrichtung zur Erzeugung einer Markierung auf einer Oberfläche (14,16) besitzt.
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