EP2016374A2 - Mikrowellen-positionsmessvorrichtung und positionsmessverfahren - Google Patents

Mikrowellen-positionsmessvorrichtung und positionsmessverfahren

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Publication number
EP2016374A2
EP2016374A2 EP07724333A EP07724333A EP2016374A2 EP 2016374 A2 EP2016374 A2 EP 2016374A2 EP 07724333 A EP07724333 A EP 07724333A EP 07724333 A EP07724333 A EP 07724333A EP 2016374 A2 EP2016374 A2 EP 2016374A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
microwaves
microwave
actuator
measuring device
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Withdrawn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
EP07724333A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Reininger
Marcus Maier
Matthias Von Zeppelin
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.)
Festo SE and Co KG
Original Assignee
Festo SE and Co KG
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 Festo SE and Co KG filed Critical Festo SE and Co KG
Publication of EP2016374A2 publication Critical patent/EP2016374A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/48—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2869—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using electromagnetic radiation, e.g. radar or microwaves

Definitions

  • the invention relates to a position-measuring method and a microwave position-measuring device for detecting the position of an actuator member of an actuator movably arranged in a movement space of an actuator housing, having a high-frequency microwave antenna arrangement for transmitting microwaves with at least two mutually different frequencies into the movement space and Receiving reflection microwaves formed by at least partial reflection of the transmitted microwaves on the actuator element from the movement space, and with evaluation means for forming a position signal representing the respective position of the actuator element on the basis of a measurement signal formed on the reflection microwaves.
  • the known position measuring device has a coupling probe for coupling a microwave signal into the actuator housing, for example a pneumatic cylinder whose piston, ie the actuator member, reflects the waves.
  • the interior of the piston forms a waveguide in which the microwaves can propagate from the coupling probe to the piston and reflected therefrom as reflected microwaves back in the direction of the coupling probe.
  • an oscillator VCO is provided, which can modulate the microwaves within a predetermined bandwidth, so as to generate at least two mutually different frequencies.
  • the absolute position of the piston is determined in a so-called search mode, wherein the frequencies are varied.
  • search mode wherein the frequencies are varied.
  • Movement of the piston takes place, so that via a phase evaluation, the piston position can be determined.
  • the signal of the standing wave is not optimal in every case, so that the piston position in some positions can not be determined with the desired accuracy.
  • the evaluation means for forming the position signal from the at least two mutually different frequencies dependent shares in the measurement signal depending on a respective position of the Aktorglieds Furthermore, a position measuring method according to another independent claim is provided for achieving the object.
  • a basic idea of the invention is to use microwaves, for example radar waves, with several different frequencies, for example in a range from 10 MHz to 25 GHz, in an expedient manner. coupled into the movement space in a continuously continuous mode, which are then reflected by the actuator member, for example the piston of a pneumatic cylinder.
  • the bulb reflects the microwaves to produce reflected microwaves or reflected microwaves, respectively, which are received back by the microwave antenna assembly.
  • the reflected microwaves are weighted as a function of the piston position or actuator element position, according to the invention those microwaves or those frequencies of the microwaves have a greater weight in the formation of the position signal, which can expect a higher measurement accuracy, than microwaves, the lower measurement accuracy can be expected.
  • the microwave antenna arrangement transmits and receives microwaves with at least two frequencies, so that at least one of these frequencies is more weightable than the other, wherein the weighting depends on the actuator member position and is thus variable.
  • the microwave antenna arrangement transmits first microwaves at a first frequency and at least second microwaves with at least one second frequency different from the first frequency into the movement space.
  • the evaluation means of the position measuring device weight one of the first frequency-dependent first frequency-dependent component of the measurement signal and at least one of the at least second frequency-dependent second frequency-dependent component of the measurement signal as a function of a respective position of the actuator member in order to form the position signal.
  • the position of the actuator element can be determined with high accuracy, eg to 10 microns. However, it is particularly expedient to transmit microwaves with at least one further transmission frequency, ie at least one third transmission frequency, and to receive the reflecting microwaves produced by them and to weight them in accordance with the invention so that at least one redundancy is present.
  • Weighting may even go so far as to weight one or more of the frequencies that would produce particularly high inaccuracy with zero, i. to be hidden, so to speak.
  • the evaluation means form an average of at least two weighted frequency-dependent portions of the measurement signal.
  • a share with a greater weight is more in the middle of a proportion than a share with a lower weight.
  • non-ideal conditions caused by, for example, noise, unwanted reflections or the like can be reduced.
  • the measured values are expediently averaged so that influences of components with unfavorable frequencies at a position due to low weighting or even suppression are low.
  • a measure of the accuracy of a portion of the measurement signal is, for example, the magnitude of a gradient of the measurement signal at a position of the actuator member in the movement space.
  • the evaluation means suitably weight a larger gradient amount or a larger gradient of the respective frequency-dependent component of the measurement signal more strongly than a component with a smaller gradient amount.
  • a fraction of the measurement signal is completely masked out when its gradient is zero or near zero.
  • the evaluation means weight e.g. one of the frequency-dependent components or a plurality of the components of the measurement signal with zero, if the amount of its gradient falls below a predetermined value.
  • portions or portions with larger amounts of the gradient are weighted more heavily.
  • the position measuring device has a mixing device for mixing, for example multiplying, transmitted microwaves with the reflection microwaves.
  • the output signal of the mixing device forms the measurement signal, which has several components with different frequencies.
  • a phase difference measurement is performed.
  • the position measuring device acquires the position of the actuator element on the basis of a phase difference between transmitted and received microwaves.
  • the phase difference is caused by a transit time of the microwaves from the antenna arrangement to the actuator element and from there back to the antenna arrangement.
  • the measurement signal contains, for example, a DC value or DC voltage value multiplied by a cosine value of the phase difference.
  • the measurement signal may also have a DC value or DC value multiplied by a sine value of the phase difference.
  • the cosine value corresponds for example to a real part of a complex reflection factor, the sine value to an imaginary part of a complex reflection factor.
  • phase o-5 of a phase difference which influences the measurement signal is weighted as a function of its respective gradient value. If a large magnitude gradient in the phase signal or phase difference signal is present at one position, it is weighted more heavily than any other phase signal or phase difference signal which has a smaller gradient at this position. Furthermore, it is conceivable to weight the real part or the imaginary part of a complex reflection factor instead of the phase or the phase difference according to the invention.
  • a phase characteristic or phase difference profile can be formed as the 20 arctangent of a sine value of a phase difference signal or phase difference signal in relation to a cosine value of the signal.
  • mismatches of the microwave antenna assemblies to the waveguide which can not be avoided in practice, are not achievable. It is within the scope of the invention to give greater weight to steeper and less steep sections of frequency-dependent components caused by such mismatches, if its gradient at the respective position of the Aktorgliedes is steeper than at any other proportion of the measurement signal, which has a less steep course, for example, also due to the mismatch. Furthermore, deliberate mismatches of the microwave antenna arrangements can also be brought about within the scope of the invention in order to obtain steeper and less steep sections of frequency-dependent components on the measurement signal, for example at predetermined positions where otherwise no sufficiently accurately evaluable measurement signal would be available.
  • the position measuring device may for example comprise a data record, e.g. a table, are stored in the weighting factors for a respective position of the Aktorgliedes.
  • the weighting factors can be determined, for example, in a learning mode and / or programmed using a parameterization tool, for example a personal computer.
  • the weighting factors it is expediently investigated to what extent a small change in the position of the actuator element at a respective transmission frequency, for example at a first transmission frequency, causes the greatest possible change in the measurement signal.
  • this change around the position to be determined at the moment may be lower, for example, so that the first frequency is weighted more heavily at the current position.
  • signal frequencies cause a strong change in the measurement signal in an environment around a respective position of the actuator member. These signal frequencies are weighted more heavily, so that the position of the Aktorglieds can be determined more accurately.
  • the table with weighting factors for the respective positions of the actuator member can determine the evaluation means in the learning mode, for example, so that the actuator member moves sequentially and / or continuously individual positions.
  • a stronger and a smaller change of the measuring signal by a respective frequency-dependent component is possible, for example, by a comparison between current measured values and previous measured values. In this way, for example, a gradient can be determined.
  • the propagation velocity of the microwaves is expediently taken into account mathematically. An evaluation of the calibration of the position measuring device is useful.
  • the microwaves are conveniently sent in a continuous mode. It is understood that the application 5 of the invention is also possible in a discontinuous mode.
  • the actuator equipped with the position detection device according to the invention is expediently a linear actuator.
  • the actuator can be driven electrically, fluidically, for example, pneumatically or hydraulically.
  • a so-called hybrid drive which is electrically and fluidically driven, is advantageous.
  • an expedient variant of the invention provides that in addition to the first and at least second microwaves having first and second frequencies
  • At least one third frequency is transmitted and received as reflection microwaves, wherein the evaluation means for weighting a portion of the third microwaves in relation to the proportions of the first and at least second microwaves to the measurement signal in dependence on the each
  • the evaluation means can then optionally selectively provide the first, the second or the third frequency-dependent components of the measurement signal with weighting factors, optionally filtering them out.
  • FIG. 1 shows a sectional and partially schematic view of an actuator equipped with a position-measuring device according to the invention
  • FIG. 2 shows a partial block diagram of evaluation means of the position measuring device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows three frequency-dependent phase difference signals as
  • Actuator according to Figure 1 is ideally adapted to the waveguide
  • FIG. 4 shows a phase difference, dependent on a position of an actuator element of the actuator according to FIG. 1, of one of the phase difference signals according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a schematic view of a first embodiment of the evaluation means of the position measuring device according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a second embodiment of the evaluation means of the position-measuring device according to FIG. 1,
  • FIG. 7 shows real phase differences depending on a position of an actuator element of the actuator according to FIG. 1 of one of phase difference signals, similar to FIG. 3, albeit in a microwave antenna of the actuator according to FIG. 1 which is not ideally adapted to the waveguide;
  • a pneumatic working cylinder 10 forms an actuator 11, in particular a fluidic actuator.
  • an actuator member 14 is linearly reciprocatingly arranged.
  • the actuator member 14 is formed by a piston 15 of the working cylinder 10.
  • it is a pneumatic cylinder with a piston rod, which also rodless variants, electric drives, combined e- lektro-pneumatic actuators, especially linear actuators are readily possible.
  • a valve assembly 16 for example, has a 2/2 valve, feeds compressed air 17 from a compressed air source 18 via compressed air connections 19, 20 in the movement space 12 or allows the outflow of compressed air from the compressed air connections 19, 20 to the piston To drive 15, which divides the movement space 12 into two unspecified sub-chambers.
  • a seal 21 is provided for this purpose.
  • a middle part 22 of the housing 13 is closed at the end by a bearing cap 23 and a closure cover 24, and thus limits the movement space or the piston chamber 12.
  • the bearing cap 23 is provided by a piston rod 25 penetrated, which forms a Kraftabgriffselement the working cylinder 19.
  • a position measuring device 30 serves to detect the position of the actuator member 14 within the movement space 12, s, for example, a distance 31 of the piston 15 from an end stop 32.
  • the end stop 32 is advantageously formed by a protective device 33, for example a plastic element, which is a microwave antenna arrangement 34 of the position measuring device 30 against mechanical influences, for example, pressure surges, impact of the piston 15 or the like, protects.
  • the microwave antenna assembly 34 includes a coupling probe 35 for transmitting and receiving high frequency microwave, for example, in a frequency range of about 10 15 MHz to 25 GHz.
  • the coupling probe 35 may e.g. to be a metallic probe.
  • the coupling probe 35 contains a plastic element 36, which has a radiation area 38 towards the movement space 12, to which a channel section 37 adjoins to the rear.
  • the channel section 37 forms a
  • the radiation area 38 is designed, for example, in a stepped cylinder.
  • the plastic element 36 (it could also consist of ceramic or another dielectric) is internally and externally provided with an electrically conductive coating 39, 40.
  • the channel section 37 connects
  • the emission area 38 with a high-frequency device 41, for example a high-frequency board or the like, and an evaluation device 42.
  • microwave 43 By means of the high-frequency device 41 signals microwave 43 can be generated, which couples the coupling probe 35 in the movement space 12.
  • the movement space 12 forms a waveguide 26, the microwaves 43 to the actuator member 14th which reflects the microwaves 43 and forms reflection microwaves 44.
  • the coatings 39, 40 are electrically connected to the high-frequency device 41, which contains unspecified coupling elements and coupling elements, for example capacitors, millimeter-wave integrated circuits (ICs), directional couplers or the like. These components are arranged on a substantially planar rear end-side support structure 45.
  • the radio-frequency device 41 can transmit the microwaves 43 in different frequencies fl, f2 and f3 as well as other unspecified frequencies.
  • microwaves 43 which includes, for example, a voltage-controlled oscillator (VCO) or the like, generates microwaves 43 having reference phases .phi.O.sub.1, .phi.O.sub.2, and .phi.O.sub.3 having the frequencies f.sub.1 to f.sub.3 transmitted to the waveguide 26 by the coupling probe 35. Furthermore, the microwaves 43 with reference phases ⁇ O1, ⁇ O2 and ⁇ O3 are conducted via a line 62 to the mixing device 48.
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • the high-frequency device 41 as well as the evaluation device 42, which contains or forms evaluation means in the sense of the invention, are electrically connected to one another and expediently arranged on the same support structure 45.
  • the evaluation device 42 determines based on the running time and / or the phase difference between the microwaves 43, 44 a respective position x, for example, corresponds to the distance 31, the actuator member 14 within the movement space 12.
  • the evaluation device 42 includes, for example, a processor 46, a memory 47 and / or other electronic components, such as ASICs (Application Specific Integrated Circuits) or the like.
  • the evaluation device 43 and / or the high-frequency device 41 contain a mixing device 48 for mixing, in particular for multiplying the transmitted into the movement space 12 microwaves 43, ie the piston 15 toward running microwaves, with the reflected from the piston 15, returning microwaves 44th
  • the output signal 49 forms a measurement signal 50 in the present case.
  • the measurement signal 50 contains, for example, components Uglla, Ugl2a and Ugl3a, which depend on frequencies fl, f2, f3 of the transmitted or received reflection microwaves 43, 44 ,
  • the components Uglla to Ugl3a are, for example, cosine values of phase differences ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3 multiplied by a direct voltage value U0, which in turn depend on the frequencies fl, f2 and f3, for example according to the following formulas:
  • the indices 1 to 3 mean the dependence on the frequencies fl to f3.
  • ⁇ l to ⁇ 3 are the wavelengths and kl, k2 and k3 are the wavenumbers of the microwaves 43, 44 as a function of the frequencies fl, f2 and f3.
  • the phase differences ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3 are the differences between phases ⁇ 1 (x), ⁇ 2 (x) and ⁇ 3 (x) of the reflected microwaves 44 and the reference phases ⁇ 01, ⁇ 02 and ⁇ 03, depending on the position x of the actuator member 14.
  • the microwaves 44 are received by the coupling probe 35 and coupled as a signal 64 in a closed with a resistor 60 line 61, which leads to the mixing device 48.
  • the output signal 49 of the mixer 48 corresponds to the portions (e.g., voltages) Uglla, Ugl2a, and Ugl3a that depend on frequencies fl, f2, f3 of the transmitted and received reflection microwaves 43, 44, respectively.
  • the reference phase .phi.O.sub.l, the phase .phi.l (x) and the component U.sub.glla are shown by way of example. These values arise when the generator 58 generates microwaves 43 at the frequency fl.
  • FIG. 3 shows the cosinusoidal courses of the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a.
  • the evaluation means or the evaluation device 42 first determines an absolute position x of the actuator member 14 in the movement space 12.
  • the processor 46 first determines the absolute position x based on at least two of the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a. For example, it evaluates two of the formulas (1), (2) and (3) in the manner of a linear system of equations.
  • the application of a minimum least squares method is also conceivable for determining the absolute position x of the actuator member 14.
  • the inventors have recognized that the shares Uglla, Ugl2a and Ugl3a not at every position x make a sufficient measurement accuracy and position determination possible. This is where the invention begins:
  • the evaluation device 42 weights the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a as a function of a respective position x of the actuator member 14.
  • the memory 47 there is a table 51 with weighting factors gll, gl2, gl3 for a position xl, weighting factors g21, g22, g23 for a position x2, g31, g32, g33 for a position x3 of the actuator member 14 and other weighting factors, not shown for reasons of clarity, stored for further positions x of the actuator member 14.
  • the table 51 can be parameterized, for example, via a parameterization interface 57.
  • the microwave position measuring device 30 can automatically generate the table 51 in a type of learning mode in which the actuator member 14 is positioned within the movement space 12 and the evaluation device 42 the respective components Uglla, Ugl2a and Ugl3a at these positions for their accuracy, in particular their Gradients at the respective positions, analyzed.
  • the evaluation device 42 weights the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a with a set of weighting factors gll, gl2, gl3 at a position xl, g21, g22, g23 at a position x2 and g31, g32, g33 at a position x3 of the actuator member 14.
  • the Weighting Factors gll to gl3 can also be 0 at a respective position x1, x2 or x3.
  • the weighting factors g11 to g33 can advantageously be used to linearize a position signal 52 which the evaluation device 42 generates based on the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a, and / or the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a.
  • the position signal 52 represents a respective position x of the actuator member 14 in the movement space 12.
  • the position signal 52 is for example an analog, suitably linear, voltage signal Up as a function of the position x, a digital output signal or the like.
  • the position signal 52 is advantageously a mean value formed on the basis of the weighted components gll-gl3, g21-g23, g31-g33, portions Uglla, Ugl2a and Ugl3a.
  • the weighting factors gll-gl3, g21-g23, g31-g33 advantageously each form the same total sum, for example 1 in each case.
  • the evaluation device 42 sends the position signal 52, e.g. wired (not shown) or wirelessly with an antenna 58.
  • the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a have a greater accuracy in the region of their zero points than in the range of their minimum values Uo and Maxima + Uo.
  • the proportion Uglla, Ugl2a and Ugl3a change relatively little in a change in position of the actuator member 14 in the x-direction. It is conceivable, for example, for the evaluation device 42 to evaluate the components Uglla, Ugl2a and Ugl3a only if they are located at an arbitrary position x within a corridor 53 which is delimited by an upper and a lower limit value 54, 55.
  • the components Uglla and Ugl2a have a large gradient or a large gradient. Accordingly, for example, the weighting factors gll and gl2 associated with the portions Uglla and Ugl2a are large, whereas the weighting factor gl3 associated with the portion Ugl3a is small.
  • the proportion Ugl3a is outside the corridor 53. The slope of the partly Ugl3a is relatively small outside the corridor 53 and thus also at the position xl.
  • the evaluation device 42 has already roughly determined the absolute position x1 of the actuator element 14 on the basis of the evaluation of equations (1) to (3), it would even be possible for the evaluation device 42 to determine the position xl using only one of the two components Uglla or Ugl2a determined on the measurement signal 50, for example by an arcs cosinus evaluation of equations (1) or (2).
  • the weighting factor g21 assigned to the component Uglla is expediently 1, the weighting factors g22 and g23 are advantageously 0, because only the component Uglla has an optimum gradient at this position x2.
  • the portion Uglla has at x2 e.g. a gradient grl.
  • the gradients gr2 and gr3 of the components Ugl2a and Ugl3a are at x2, e.g. much smaller than the gradient grl.
  • the weighting factor g31 assigned to the component Uglla is advantageously 0, because the signal Uglla has a small slope at this point.
  • the cosine value at x3 is close to the lower maximum -UO or the lower vertex.
  • the proportions Ugl2a and Ugl3a are expediently weighted with higher weighting factors g32 and g33.
  • the evaluation device 42 forms an average based on the weighted components Ugl2a and Ugl3a multiplied by the weighting factors g32 and g33.
  • the signal Uglla forms a redundant signal at position x3, for example.
  • FIG. 4 shows an example curve of the phase difference ⁇ 1, wherein the signal ⁇ 1 is adjusted by a 360 ° or 2 ⁇ periodicity.
  • a dashed line 56 indicates a not-adjusted phase difference ⁇ l 1 .
  • the gradient of a component Uglla, Ugl2a and Ugl3a represents a suitable criterion for a cosinusoidal profile according to formulas (1), (2) and (3), which component Uglla, Ugl2a and Ugl3a are higher should be weighted and which lower.
  • the same procedure is possible in principle.
  • the phase signal ⁇ 1 is respectively applied between positions x1 and x4, x6 and x7 and x8 and x9 with a non-zero weighting factor, e.g. greater than zero, rated and outside these positions with a weighting factor 0.
  • a non-zero weighting factor e.g. greater than zero
  • the evaluation device 42 - as well as any other evaluation means according to the invention - can determine the weighting factors at a position x as it were online, for example by evaluating the respective gradients the frequency-dependent components Uglla, Ugl2a and Ugl3a. Saved weighting factors, for example table 51, are then unnecessary.
  • the evaluation device 42 may relate the gradients gr1, gr2 and gr3 to one another in order to determine the weighting factors g21, g22 and g23.
  • the evaluation device 42 can select, for example, at least one of the components Uglla, Ugl2a or Ugl3a, which has the largest gradient grl, gr2 and gr3 at a position x, and weight one or more components Uglla, Ugl2a or Ugl3a with zero, eg at x2 the shares Ugl2a and Ugl3a.
  • the proportions Uglla to Ugl3a were each ideal because the microwave antenna assembly 34 was ideally matched to the waveguide 26. This is not the case in the following embodiment.
  • the second exemplary embodiment of an evaluation device 42 'described below with reference to FIGS. 6 to 9 serves to explain that instead of a sinusoidal or cosinusoidal component of the measurement signal 50, other components, for example real parts of a complex reflection function, are also used.
  • the same or similar 5 components are provided with the same reference numerals.
  • the evaluation device 42 in addition to the mixing device 48, the evaluation device 42 'includes a second mixing device 71 for generating sinusoidal components Ugllb, Ugl2b and Ugl3b on the measurement signal 50.
  • the signal 62 with the reference phases ⁇ Ol, ⁇ 02 o and / or ⁇ O3 is first a delay element 70, eg a ⁇ / 4-line or a so-called 90-degree hybrid supplied.
  • the delay element 70 causes a change in the phase position of the signal 63 by 90 °.
  • the output signal 73 of the delay element 70 and the signal 64 are supplied to the mixing device 71, which generates the output signal Ugllb (fl) in accordance with the following formula, for example, when it is acted on by the frequency fl.
  • portions Ugl2b and Ugl3b dependent on the frequencies f2 and f3 are available as output signals 72 at the output of the mixer 71 when the generator operates at frequencies f2 and f3.
  • the parts Uglla and Ugllb can also be represented as the real parts and imaginary parts of a complex reflection factor according to formulas 8 and 9 below:
  • the ideal profiles Ugllai (fl) and Ugllbi (fl) according to FIGS. 8 and 9 are formed.
  • the index i means ideal course, which results in an antenna arrangement 35 which is ideally adapted to the waveguide 26.
  • mismatches of the antenna arrangement 34 it has also been found advantageous to present mismatches of the antenna arrangement 34 to take advantage of the waveguide 26 in the weighting of the proportions of the measurement signal. It is even within the scope of the concept according to the invention to intentionally cause mismatches of the respective antenna arrangement to the respective waveguide, in order to generate profiles of components on the measurement signal which are currently not ideal and have stronger and larger and smaller gradients.
  • the real curves (index r) Ugllar (fl) and Ugllbr (fl) have gradients that deviate from the gradients of the ideal curves Ugllai (fl) and Ugllbi (l).
  • the signal Ugllar (fl) has a zero crossing and a maximum gradient. At this point, the signal Ugllar (fl) is evaluated. Even at a position x3, the signal Ugllr (fl) is heavily weighted by the evaluation device 42 '.
  • the portion Ugllar (fl) has a small gradient and is weighted less or even weighted with a factor zero and thus hidden.
  • FIG. 7 shows phase difference profiles ⁇ 1 (x) and ⁇ 2r (x), which are due to an already existing and / or deliberately induced mismatch of the antenna arrangement 34 to the antenna array 34 Waveguides 26 are effected.
  • ideal courses are shown for comparison.
  • the signal ⁇ r (x) has a steep gradient at the position xl.
  • the signal ⁇ lr (x) is flatter.
  • the signal ⁇ 2r (x) which depends on the frequency f2, is expediently evaluated.
  • the evaluation device 42 'forms the signal ⁇ 2r (x), for example, as an arctangent according to the following formula (10):

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Positionsmessverfahren und eine Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung (30) zur Positionserfassung eines in einem Bewegungsraum (12) eines Aktor-Gehäuses (13) beweglich angeordneten Aktorglieds (14) eines Aktors (11), mit einer Hochfrequenz-Mikrowellen-Antennenanordnung (34) zum Senden von Mikrowellen (43) mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen (f1, f2, f3) in den Bewegungsraum und zum Empfangen von durch zumindest teilweise Reflexion der gesendeten Mikrowellen (43) an dem Aktorglied gebildeten Reflexions-Mikrowellen (44) aus dem Bewegungsraum, und mit Auswertemitteln (42) zur Bildung eines die jeweilige Position (x) des Aktorglieds repräsentierenden Positionssignals (52) anhand eines anhand der Reflexions-Mikrowellen (44) gebildeten Messsignals (50). Bei der Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung (30) ist vorgesehen, dass die Auswertemittel (42) zur Bildung des Positionssignals (52) von den mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen (f1, f2, f3) abhängige Anteile (Ugl1a, Ugl2a, Ugl3a) an dem Messsignal (50) abhängig von einer jeweiligen Position (x) des Aktorglieds (14) gewichten.

Description

FESTO AG & Co, Ruiter Straße 82, 73734 Esslinqen
Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung und Positionsmessverfahren
Die Erfindung betrifft ein Positionsmessverfahren und eine Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung zur Positionserfassung eines in einem Bewegungsraum eines Aktor-Gehäuses beweglich angeordneten Aktorglieds eines Aktors, mit einer Hochfre- quenz-Mikrowellen-Antennenanordnung zum Senden von Mikrowellen mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen in den Bewegungsraum und zum Empfangen von durch zumindest teilweise Reflexion der gesendeten Mikrowellen an dem Aktorglied gebildeten Reflexions-Mikrowellen aus dem Bewegungs- räum, und mit Auswertemitteln zur Bildung eines die jeweilige Position des Aktorglieds repräsentierenden Positionssignals anhand eines anhand der Reflexions-Mikrowellen gebildeten Messsignals.
Beispielsweise sind aus der DE 198 33 220 Al ein solches Po- sitionsmessverfahren sowie eine Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung bekannt. Die bekannte Positionsmessvorrichtung verfügt über eine Koppelsonde zur Einkopplung eines Mikrowellensignals in das Aktorgehäuse zum Beispiel eines pneumatischen Zylinders, dessen Kolben, d.h. das Aktorglied, die WeI- len reflektiert. Der Kolbeninnenraum bildet einen Hohlleiter, in dem sich die Mikrowellen von der Koppelsonde zum Kolben hin und von diesem reflektiert als reflektierte Mikrowellen zurück in Richtung der Koppelsonde ausbreiten können. Bei der bekannten Positionsmessvorrichtung ist ein Oszillator (VCO) vorhanden, der die Mikrowellen innerhalb einer vorbestimmten Bandbreite modulieren kann, um so mindestens zwei voneinander verschiedene Frequenzen zu erzeugen.
Bei einer ersten Inbetriebnahme des Aktors bzw. der Positionsmessvorrichtung gemäß der DE 198 33 220 Al wird in einem sogenannten Suchmodus die absolute Position des Kolbens bestimmt, wobei die Frequenzen variiert werden. Wenn die Kolbenposition ermittelt ist, wird eine stehende Welle in das Zylindergehäuse eingekoppelt, deren Verschiebung durch die
Bewegung des Kolbens erfolgt, so dass über eine Phasenauswertung die Kolbenposition ermittelbar ist.
Allerdings ist das Signal der stehenden Welle nicht in jedem Fall optimal, so dass die Kolbenposition bei manchen Stellungen nicht mit der gewünschten Genauigkeit ermittelbar ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Positionsmessvorrichtung sowie ein Positionsmessverfahren bereit zu stellen, die eine hohe Messgenauigkeit ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabe ist bei der Mikrowellen- Positionsmessvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Auswertemittel zur Bildung des Positionssignals von den mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen abhängige Anteile an dem Messsignal abhängig von einer jeweiligen Position des Aktorglieds gewichten. Ferner ist zur Lö- sung der Aufgabe ein Positionsmessverfahren gemäß einem weiteren unabhängigen Anspruch vorgesehen.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, Mikrowellen, zum Beispiel Radarwellen, mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen, z.B. in einem Bereich von 10 MHz bis 25 GHz, in einem zweckmäßi- gerweise kontinuierlichen Modus in den Bewegungsraum einzu- koppeln, die dann vom Aktorglied, beispielsweise dem Kolben eines Pneumatik-Zylinders, reflektiert werden. Der Kolben reflektiert die Mikrowellen, so dass reflektierte Mikrowellen bzw. Reflexions-Mikrowellen entstehen, die von der Mikrowellen-Antennenanordnung wieder empfangen werden. Die reflektierten Mikrowellen werden in Abhängigkeit von der Kolbenposition bzw. Aktorglied-Position gewichtet, wobei erfindungsgemäß diejenigen Mikrowellen bzw. diejenigen Frequenzen der Mikrowellen ein stärkeres Gewicht bei der Bildung des Positionssignals aufweisen, die eine höhere Messgenauigkeit erwarten lassen, als Mikrowellen, die eine geringere Messgenauigkeit erwarten lassen. Im einfachsten Fall sendet und empfängt die Mikrowellen-Antennenanordnung Mikrowellen mit mindestens zwei Frequenzen, so dass wenigstens eine dieser Frequenzen stärker gewichtbar ist als die andere, wobei die Gewichtung von der Aktorgliedposition abhängt und somit variabel ist.
Die Mikrowellen-Antennenanordnung sendet beispielsweise erste Mikrowellen mit einer ersten Frequenz und mindestens zweite Mikrowellen mit mindestens einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz in den Bewegungsraum. Die Auswertemittel der Positionsmessvorrichtung gewichten erfindungsgemäß zur Bildung des Positionssignals einen von der ersten frequenzabhängigen ersten frequenzabhängigen Anteil an dem Messsignal und mindestens einen von der mindestens zweiten frequenzabhängigen zweiten frequenzabhängigen Anteil an dem Messsignal in Abhängigkeit von einer jeweiligen Position des Aktorglieds.
Die Position des Aktorglieds ist mit hoher Genauigkeit be- stimmbar, z.B. auf 10 Mikrometer genau. Besonders zweckmäßig ist es allerdings, Mikrowellen mit mindestens einer weiteren Sendefrequenz, d.h. mindestens einer dritten Sendefrequenz, zu senden, und die durch diese hervorgerufenen Reflexions-Mikrowellen zu empfangen und erfindungs- gemäß zu gewichten, so dass mindestens eine Redundanz vorhanden ist .
Eine Gewichtung kann sogar soweit gehen, dass eine oder mehrere der Frequenzen, die eine besonders hohe Ungenauigkeit erzeugen würden, mit Null gewichtet werden, d.h. sozusagen ausgeblendet werden.
Zweckmäßigerweise bilden die Auswertemittel einen Mittelwert aus mindestens zwei gewichteten frequenzabhängigen Anteilen an dem Messsignal. Ein Anteil mit einem größeren Gewicht geht dabei stärker in den Mittelwert ein als ein Anteil mit einem geringeren Gewicht .
Durch die Verwendung von zwei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen können nicht ideale Verhältnisse, die beispielsweise durch Rauschen, unerwünschte Reflexionen oder dergleichen verursacht sind, verringert werden. Die Messwerte werden zweckmäßigerweise so gemittelt, dass Einflüsse von Anteilen mit ungünstigen Frequenzen an einer Position durch geringe Gewichtung oder gar Ausblendung gering sind.
Ein Maß für die Genauigkeit eines Anteils an dem Messsignal ist beispielsweise der Betrag eines Gradienten des Messsig- nals an einer Position des Aktorglieds in dem Bewegungsraum. Die Auswertemittel gewichten einen größeren Gradientenbetrag bzw. eine größere Steigung des jeweiligen frequenzabhängigen Anteiles an dem Messsignal zweckmäßigerweise stärker als einen Anteil mit einem kleineren Gradientenbetrag. Vorteilhaft wird ein Anteil an dem Messsignal ganz ausgeblendet, wenn sein Gradient null ist oder in der Nähe von Null ist.
Dies ist beispielsweise an den oberen und unteren Scheitelpunkten eines sinus- oder kosinusförmigen Anteils an dem 5 Messsignal der Fall. Die Auswertemittel gewichten z.B. einen der frequenzabhängigen Anteile oder mehrere der Anteile an dem Messsignal mit Null, wenn der Betrag seines Gradienten einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Aber auch bei einem Phasensignal oder einer Phasendifferenzsignal werden erfin- lo dungsgemäß Anteile oder Abschnitte mit größeren Beträgen des Gradienten stärker gewichtet.
Zweckmäßigerweise hat die Positionsmessvorrichtung eine Mischeinrichtung zum Mischen, beispielsweise Multiplizieren, gesendeter Mikrowellen mit den Reflektionsmikrowellen. Das i5 Ausgangssignal der Mischeinrichtung bildet das Messsignal, das mehrere Anteile mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist .
Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung eine Phasendifferenz-Messung durchgeführt. Die Positionsmessvorrichtung er- 2o mittelt anhand einer Phasendifferenz zwischen gesendeten und empfangenen Mikrowellen die Position des Aktorglieds. Die Phasendifferenz entsteht durch eine Laufzeit der Mikrowellen von der Antennenanordnung zum Aktorglied und von dort wieder zurück zur Antennenanordnung.
25 Das Messsignal enthält beispielsweise einen mit einem Kosinuswert der Phasendifferenz multiplizierten Gleichstromwert oder Gleichspannungswert. Das Messsignal kann auch einen mit einem Sinuswert der Phasendifferenz multiplizierten Gleichstromwert oder Gleichspannungswert aufweisen. Der Kosinuswert entspricht beispielsweise einem Realteil eines komplexen Reflexionsfaktors, der Sinuswert einem Imaginärteil eines komplexen Reflexionsfaktors.
Besonders zweckmäßig ist es aber, dass bereits eine Phase o- 5 der eine Phasendifferenz, die das Messsignal beeinflusst, in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Gradientenbetrag gewichtet wird. Wenn an einer Position ein betragsmäßig großer Gradient bei dem Phasensignal oder Phasendifferenzsignal vorhanden ist, wird dieses stärker gewichtet wie ein anderes Phasensig- lo nal oder Phasendifferenzsignal, das bei dieser Position einen kleineren Gradienten aufweist. Ferner ist es denkbar, statt der Phase oder der Phasendifferenz den Realteil oder dem Imaginärteil eines komplexen Reflexionsfaktors erfindungsgemäß zu gewichten.
i5 Dabei ist es z.B. möglich, dass an einer Position, wo der Kosinus oder der Realteil einen kleinen Gradientenbetrag aufweist, den Sinuswert bzw. dem Imaginärteil des komplexen Reflexionsfaktors auszuwerten und umgekehrt .
Ein Phasenverlauf oder Phasendifferenzverlauf kann als der 20 Arcustangens eines Sinuswertes eines Phasenverlaufs bzw. Phasendifferenzsignals im Verhältnis zu einem Kosinuswert des Signals gebildet werden.
In der Praxis zeigt sich, dass ideale kosinusförmige oder sinusförmige Verläufe von Anteilen an dem Messsignal beispiels-
25 weise durch Fehlanpassungen der Mikrowellen- Antennenanordnungen an den Hohlleiter, die sich in der Praxis nicht vermeiden lassen, nicht erzielbar sind. Es liegt im Rahmen der Erfindung, durch solche Fehlanpassungen hervorgerufene steilere und weniger steile Abschnitte von frequenzab- o hängigen Anteilen an dem Messsignal stärker zu gewichten, wenn ihr Gradient an der jeweiligen Position des Aktorgliedes steiler ist als bei einem anderen Anteil an dem Messsignal, das beispielsweise ebenfalls durch die Fehlanpassung bedingt einen weniger steilen Verlauf aufweist. Ferner können im Rah- men der Erfindung auch gezielt Fehlanpassungen der Mikrowellen-Antennenanordnungen herbeigeführt werden, um erfindungs- gemäß steilere und weniger steile Abschnitte von frequenzabhängigen Anteilen an dem Messsignal zu erhalten, z.B. an vorbestimmten Positionen, wo ansonsten kein ausreichend genau auswertbares Messsignal vorläge.
Die Positionsmessvorrichtung kann beispielsweise einen Datensatz, z.B. eine Tabelle, enthalten, in dem Gewichtungsfaktoren für eine jeweilige Position des Aktorgliedes gespeichert sind. Die Gewichtungsfaktoren können beispielsweise in einem Lernmodus ermittelt werden und/oder mit Hilfe eines Paramet- rierwerkzeuges, beispielsweise eine Personalcomputers, programmiert werden.
Bei der Bestimmung der Gewichtungsfaktoren wird zweckmäßigerweise untersucht, inwiefern eine kleine Änderung der Position des Aktorglieds bei einer jeweiligen Sendefrequenz, beispielsweise bei einer ersten Sendefrequenz, eine möglichst große Veränderung des Messsignals bewirkt . Bei einer anderen Frequenz, beispielsweise bei einer zweiten Frequenz, kann diese Veränderung um die aktuell zu bestimmende Position bei- spielsweise geringer ausfallen, so dass die erste Frequenz bei der aktuellen Position stärker gewichtet wird. Für spätere Messungen der Position des Aktorglieds ist es dann bekannt, welche Signalfrequenzen in einer Umgebung um eine jeweilige Position des Aktorglieds eine starke Veränderung des Messsignals bewirken. Diese Signalfrequenzen werden stärker gewichtet, so dass die Position des Aktorglieds exakter bestimmbar ist. Die Tabelle mit Gewichtungsfaktoren für die jeweiligen Positionen des Aktorgliedes können die Auswertemittel in dem Lernmodus z.B. so ermitteln, dass das Aktorglied sequentiell und/oder kontinuierlich individuelle Positionen anfährt.
5 Eine stärkere und eine geringere Veränderung des Messsignals durch einen jeweils frequenzabhängigen Anteil ist beispielsweise durch einen Vergleich zwischen aktuellen Messwerten und vorherigen Messwerten möglich. Auf diesem Wege kann beispielsweise ein Gradient ermittelt werden.
lo Es ist aber auch möglich, zunächst anhand der Auswertung aller Messsignale eine grobe Positionsbestimmung des Aktorgliedes durchzuführen, wobei bei der groben Positionsbestimmung zweckmäßigerweise sämtliche frequenzabhängigen Anteile an dem Messsignal im wesentlichen gleichwertig ausgewertet werden i5 (es wäre aber auch möglich, einen Anteil oder mehrere Anteile bereits bei der Grobbestimmung geringer zu gewichten oder gar auszublenden) und dann, bei einer anschließenden Feinbestimmung der Position, die erfindungsgemäße Gewichtung der frequenzabhängigen Anteile durchzuführen, so dass Anteile, die
2o die Exaktheit des Positionssignales negativ beeinflussen würden, geringer gewichtet oder ausgeblendet bzw. ausgefiltert werden.
Bei der Untersuchung, welche Frequenzen eine besonders starke Auswirkung an einer jeweiligen Position des Aktorglieds auf 25 das Messsignal haben, wird zweckmäßigerweise rechnerisch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen berücksichtigt. Auch eine Auswertung der Kalibrierung der Positionsmessvorrichtung ist dabei zweckmäßig.
Zur Positionsermittlung des Aktorglieds und/oder bei der Ge- 0 wichtung der frequenzabhängigen Anteile an dem Messsignal wird zweckmäßigerweise die Minimale-Fehlerquadrat-Methode und/oder ein lineares Gleichungssystem verwendet.
Die Mikrowellen werden zweckmäßigerweise in einem kontinuierlichen Modus gesendet. Es versteht sich, dass die Anwendung 5 der Erfindung auch bei einem diskontinuierlichen Modus möglich ist.
Der mit der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung ausgestattete Aktor ist zweckmäßigerweise ein Linearaktor. Der Aktor kann elektrisch, fluidtechnisch, beispielsweise lo pneumatisch oder hydraulisch, angetrieben werden. Auch ein sogenannter Hybrid-Antrieb, der elektrisch und fluidtechnisch antreibbar ist, ist vorteilhaft.
Wie bereits oben erläutert, ist es zweckmäßig, redundante Frequenzanteile zu generieren bzw. zu empfangen, um eine grö- i5 ßere Auswahl von frequenzabhängigen Anteilen an dem Messsignal zu erzeugen, die gegebenenfalls geringer gewichtbar oder gar ausblendbar sind. So sieht beispielsweise eine zweckmäßige Variante der Erfindung vor, dass neben den ersten und mindestens zweiten Mikrowellen mit ersten und zweiten Frequenzen
2o zusätzlich mindestens eine dritte Frequenz gesendet und als Reflexions-Mikrowellen empfangen werden, wobei die Auswertemittel zur Gewichtung eines Anteils der dritten Mikrowellen im Verhältnis zu den Anteilen der ersten und mindestens zweiten Mikrowellen an dem Messsignal in Abhängigkeit von der je-
25 weiligen Position des Aktorglieds ausgestaltet sind. Die Auswertemittel können dann wahlweise die ersten, die zweiten o- der die dritten frequenzabhängigen Anteile an dem Messsignal individuell mit Gewichtungsfaktoren versehen, gegebenenfalls ausfiltern. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine geschnittene und teilweise schematische Ansicht eines mit einer erfindungsgemäßen Positions- Inessvorrichtung ausgestatteten Aktors,
Figur 2 ein teilweises Blockschaltbild von Auswertemitteln der Positionsmessvorrichtung gemäß Figur 1,
Figur 3 drei frequenzabhängige Phasendifferenzsignale als
Ausgangssignal eines Mischers der Auswertemittel gemäß Figur 2, wenn eine Mikrowellen-Antenne des
Aktors gemäß Figur 1 ideal an dessen Hohlleiter an- gepasst ist,
Figur 4 eine von einer Position eines Aktorglieds des Aktors gemäß Figur 1 abhängige Phasendifferenz eines der Phasendifferenzsignale gemäß Figur 3,
Figur 5 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Auswertemittel der Positionsmessvorrichtung gemäß Figur 1,
Figur 6 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausfüh- rungsform der Auswertemittel der Positionsmessvorrichtung gemäß Figur 1,
Figur 7 von einer Position eines Aktorglieds des Aktors gemäß Figur 1 abhängige reale Phasendifferenzen eines von Phasendifferenzsignalen, ähnlich Figur 3, al- lerdings bei einer nicht ideal an den Hohlleiter angepassten Mikrowellen-Antenne des Aktors gemäß Figur 1, Figur 8 Realteile von komplexen Reflexionsfaktoren bei ideal und nicht ideal an einen Hohlleiter angepasster Mikrowellen-Antenne, etwa entsprechend einem der frequenzabhängigen Phasendifferenzsignale gemäß Fi- gur 3 , und
Figur 9 Imaginärteile von komplexen Reflexionsfaktoren gemäß Figur 8 bei ideal und nicht ideal angepasster Mikrowellen-Antenne .
Ein pneumatischer Arbeitszylinder 10 bildet einen Aktor 11, insbesondere einen fluidtechnischen Aktor. In einem Bewegungsraum 12 eines Aktorgehäuses 13 ist ein Aktorglied 14 linear hin- und herbeweglich angeordnet. Das Aktorglied 14 ist durch einen Kolben 15 des Arbeitszylinders 10 gebildet. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen pneumatischen Arbeitszylinder mit einer Kolbenstange, wobei auch kolbenstangenlose Varianten, elektrische Antriebe, kombinierte e- lektro-pneumatische Antriebe, insbesondere Linearantriebe, ohne weiteres möglich sind.
Eine Ventilanordnung 16, die beispielsweise ein 2/2 -Ventil aufweist, speist Druckluft 17 aus einer Druckluftquelle 18 über Druckluftanschlüsse 19, 20 in den Bewegungsraum 12 ein bzw. ermöglicht das Ausströmen von Druckluft aus den Druck- luftanschlüssen 19, 20, um den Kolben 15 anzutreiben, der den Bewegungsraum 12 in zwei nicht näher bezeichnete Teilkammern trennt. Am Außenumfang des Kolbens 15 ist beispielsweise hierfür eine Dichtung 21 vorgesehen.
Ein Mittelteil 22 des Gehäuses 13 wird stirnseitig durch einen Lagerdeckel 23 sowie einen Abschlussdeckel 24 verschlossen, und begrenzt somit den Bewegungsraum bzw. die Kolbenkam- mer 12. Der Lagerdeckel 23 wird von einer Kolbenstange 25 durchdrungen, die ein Kraftabgriffselement des Arbeitszylinders 19 bildet.
Eine Positionsmessvorrichtung 30 dient zu einer Positionserfassung des Aktorglieds 14 innerhalb des Bewegungsraums 12, s beispielsweise eines Abstandes 31 des Kolbens 15 von einem Endanschlag 32. Der Endanschlag 32 ist vorteilhaft durch eine Schutzeinrichtung 33 gebildet, beispielsweise ein Kunststoff- element, das eine Mikrowellen-Antennenanordnung 34 der Positionsmessvorrichtung 30 vor mechanischen Einflüssen, bei- lo spielsweise Druckstößen, Aufprall des Kolbens 15 oder dergleichen, schützt.
Die Mikrowellen-Antennenanordnung 34 enthält eine Koppelsonde 35 zum Senden und Empfangen von Mikrowellen mit hoher Frequenz, beispielsweise in einem Frequenzbereich von etwa 10 i5 MHz bis 25 GHz. Die Koppelsonde 35 kann z.B. eine metallische Sonde sein. Vorliegend enthält die Koppelsonde 35 jedoch ein Kunststoffelement 36, das zum Bewegungsraum 12 hin einen Abstrahlbereich 38 aufweist, an dem sich nach hinten ein Kanalabschnitt 37 anschließt. Der Kanalabschnitt 37 bildet einen
20 Koaxialleiter. Der Abstrahlbereich 38 ist beispielsweise stufenzylindrisch ausgestaltet. Das Kunststoffelement 36 (es könnte auch aus Keramik oder einem sonstigen Dielektrikum bestehen) ist innen und außen mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 39, 40 versehen. Der Kanalabschnitt 37 verbindet
25 den Abstrahlbereich 38 mit einer Hochfrequenzeinrichtung 41, beispielsweise einer Hochfrequenzplatine oder dergleichen, sowie einer Auswerteeinrichtung 42.
Mit Hilfe der Hochfrequenzeinrichtung 41 können Signale Mikrowellen 43 erzeugt werden, die die Koppelsonde 35 in den Be- 30 wegungsraum 12 einkoppelt . Der Bewegungsraum 12 bildet einen Hohlleiter 26, der die Mikrowellen 43 bis zum Aktorglied 14 leitet, das die Mikrowellen 43 reflektiert und Reflexionsmikrowellen 44 bildet. Die Beschichtungen 39, 40 sind mit der Hochfrequenzeinrichtung 41 elektrisch verbunden, die nicht näher bezeichnete Einkopplungselemente und Auskopplungsele- mente, zum Beispiel Kondensatoren, Millimeterwellen Integra- ted Circuits (ICs), Richtkoppler oder dergleichen enthält. Diese Bauteile sind an einer im Wesentlichen planaren hinteren stirnseitigen Trägerstruktur 45 angeordnet. Die Hochfrequenzeinrichtung 41 kann die Mikrowellen 43 in unterschiedli- chen Frequenzen fl, f2 und f3 sowie weiteren, nicht näher bezeichneten Frequenzen senden. Ein in Figur 5 dargestellter Generator 59, der beispielsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) oder dergleichen enthält, erzeugt Mikrowellen 43 mit Referenzphasen φOl, φO2 und φO3 mit den Frequenzen fl bis f3 die die Koppelsonde 35 in den Hohlleiter 26 sendet. Ferner werden die Mikrowellen 43 mit Referenzphasen φOl, φO2 und φO3 über eine Leitung 62 zu der Mischeinrichtung 48 geführt .
Die Hochfrequenzeinrichtung 41 sowie die Auswerteeinrichtung 42, die Auswertemittel im Sinne der Erfindung enthält oder bildet, sind elektrisch miteinander verbunden und zweckmäßigerweise auf derselben Trägerstruktur 45 angeordnet.
Die Auswerteeinrichtung 42 ermittelt anhand der Laufzeit und/oder der Phasendifferenz zwischen den Mikrowellen 43, 44 eine jeweilige Position x, die z.B. dem Abstand 31 entspricht, des Aktorglieds 14 innerhalb des Bewegungsraumes 12. Die Auswerteeinrichtung 42 enthält hierzu beispielsweise einen Prozessor 46, einen Speicher 47 und/oder weitere elektronische Bauelemente, beispielsweise ASICs (Application Speci- fic Integrated Circuits) oder dergleichen. Ferner enthalten die Auswerteeinrichtung 43 und/oder die Hochfrequenzeinrichtung 41 eine Mischeinrichtung 48 zum Mischen, insbesondere zum Multiplizieren der in den Bewegungsraum 12 gesendeten Mikrowellen 43, d.h. der zum Kolben 15 hin laufenden Mikrowellen, mit den von dem Kolben 15 reflektierten, rücklaufenden Mikrowellen 44. Die Mischeinrichtung 48 bildet ein Ausgangssignal 49. Das Ausgangssignal 49 bildet vorliegend ein Messsignal 50. Das Messsignal 50 enthält beispielsweise Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a, die von Frequen- zen fl, f2, f3 der gesendeten bzw. empfangenen Reflexionsmikrowellen 43, 44 abhängig sind. Die Anteile Uglla bis Ugl3a sind beispielsweise mit einem Gleichspannungswert UO multiplizierte Kosinuswerte von Phasendifferenzen Δφl, Δφ2 und Δφ3, die ihrerseits wiederum von den Frequenzen fl, f2 und f3 abhängen, beispielsweise gemäß nachfolgender Formeln:
Uglla = U0 * UO * cos(2 * kl * x) = UQ * cos(2 * — * x) (D
2π
Ugl2a = U0 * cos(Δ?>2) = UO * cos(2 * kl * x) = UO * cos(2 * * x) (2 )
2π
UgBa = U0 * cos(Δ^3) = UO * cos(2 * k3 * x) = UO * cos(2 * — * x) ( 3 )
A3
mit
Δ^l = ^l(» -pθl (4 )
b,φ2 = φl{x) - φO2 ( 5 )
^φl ^ φ3{x) - φθl ( 6 ) Bei den obigen Formeln (l) - (6) bedeuten die Indizes 1 bis 3 die Abhängigkeit von den Frequenzen fl bis f3. λl bis λ3 sind die Wellenlängen und kl, k2 und k3 die Wellenzahlen der Mikrowellen 43, 44 in Abhängigkeit von den Frequenzen fl, f2 und f3. Die Phasendifferenzen Δφl, Δφ2 und Δφ3 sind die Differenzen zwischen von der Position x des Aktorglieds 14 abhängigen Phasen φl (x) , φ2 (x) und φ3 (x) der reflektierten Mikrowellen 44 und den Referenzphasen φOl, φO2 und φO3. Die Mikrowellen 44 werden von der Koppelsonde 35 empfangen und als Signal 64 in eine mit einem Widerstand 60 abgeschlossene Leitung 61 eingekoppelt, die zu der Mischeinrichtung 48 führt.
Das Ausgangssignal 49 der Mischeinrichtung 48 entspricht den Anteilen (z.B. Spannungen) Uglla, Ugl2a und Ugl3a, die von Frequenzen fl, f2, f3 der gesendeten bzw. empfangenen Refle- xionsmikrowellen 43, 44 abhängig sind. In Figur 5 sind beispielhaft die Referenzphase φOl, die Phase φl (x) und der Anteil Uglla eingezeichnet. Diese Werte entstehen, wenn der Generator 58 Mikrowellen 43 mit der Frequenz fl erzeugt.
In Figur 3 sind die kosinusförmigen Verläufe der Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a dargestellt.
In einem ersten Schritt ermitteln die Auswertemittel bzw. die Auswerteeinrichtung 42 zunächst eine absolute Position x des Aktorglieds 14 in dem Bewegungsraum 12. Der Prozessor 46 ermittelt anhand von mindestens zweien der Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a zunächst die absolute Position x. Beispielsweise wertet er zwei der Formeln (1) , (2) und (3) in der Art eines linearen Gleichungssystemes aus. Auch die Anwendung einer Minimalen Fehlerquadrat -Methode ist zur Bestimmung der Absolut- Position x des Aktorglieds 14 denkbar. Allerdings haben die Erfinder erkannt, dass die Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a nicht bei jeder Position x eine hinreichende Messgenauigkeit und Positionsbestimmung möglich machen. Hier setzt die Erfindung an:
Die Auswerteeinrichtung 42 gewichtet die Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a in Abhängigkeit von einer jeweiligen Position x des Aktorglieds 14. Beispielsweise ist in dem Speicher 47 eine Tabelle 51 mit Gewichtungsfaktoren gll, gl2, gl3 für eine Position xl, Gewichtungsfaktoren g21, g22, g23 für eine Position x2, g31, g32, g33 für eine Position x3 des Aktorglieds 14 sowie weiteren aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Gewichtungsfaktoren für weitere Positionen x des Aktorglieds 14 gespeichert. Die Tabelle 51 ist beispielsweise über eine Parametrierschnittstelle 57 parametrierbar .
Ferner kann die Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung 30 die Tabelle 51 in einer Art Lernmodus selbsttätig erstellen, bei dem das Aktorglied 14 innerhalb des Bewegungsraums 12 positioniert wird und die Auswerteeinrichtung 42 die jeweiligen Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a bei diesen Positionen auf ihre Genauigkeit hin, insbesondere ihren Gradienten an den jewei- ligen Positionen, analysiert.
Die Auswerteeinrichtung 42 gewichtet die Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a mit einem Satz Gewichtungsfaktoren gll, gl2, gl3 bei einer Position xl, g21, g22, g23 bei einer Position x2 sowie g31, g32, g33 bei einer Position x3 des Aktorglieds 14. Die Gewichtungsfaktoren gll bis gl3 können bei einer jeweiligen Position xl, x2 oder x3 auch 0 sein.
Ferner können die Gewichtungsfaktoren gll bis g33 vorteilhaft dazu dienen, ein Positionssignal 52, das die Auswerteeinrichtung 42 anhand der Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a generiert, und/oder die Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a zu linearisieren. Das Positionssignal 52 repräsentiert eine jeweilige Position x des Aktorglieds 14 in dem Bewegungsraum 12. Das Positionssignal 52 ist beispielsweise ein analoges, zweckmäßigerweise lineares, Spannungssignal Up in Abhängigkeit von der Position x, ein digitales Ausgangssignal oder dergleichen. Das Positionssignal 52 ist vorteilhaft ein anhand der gewichteten, mit den Gewichtungsfaktoren gll - gl3, g21 - g23, g31 - g33 multiplizierten Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a gebildeter Mittelwert. Die Gewichtungsfaktoren gll - gl3, g21 - g23, g31 - g33 bilden vorteilhaft jeweils dieselbe Gesamtsumme, z.B. jeweils 1.
Die Auswerteeinrichtung 42 versendet das Positionssignal 52 z.B. drahtgebunden (nicht dargestellt) oder drahtlos mit einer Antenne 58.
Beispielsweise weisen die Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a eine größere Genauigkeit im Bereich ihrer Nullpunkte auf als im Bereich ihrer Minima -Uo bzw. Maxima +Uo. Im Bereich der Minima -Uo bzw. Maxima +Uo ändern sich die Anteil Uglla, Ugl2a und Ugl3a bei einer Positionsänderung des Aktorglieds 14 in x-Richtung verhältnismäßig wenig. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Auswerteeinrichtung 42 die Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a nur dann auswertet, wenn sie an einer beliebigen Position x innerhalb eines Korridors 53 sind, der durch einen oberen und einen unteren Grenzwert 54, 55 begrenzt ist.
An der Position xl haben beispielsweise die Anteile Uglla und Ugl2a eine große Steigung bzw. einen großen Gradienten. Dementsprechend sind beispielsweise die Gewichtungsfaktoren gll und gl2, die den Anteilen Uglla und Ugl2a zugeordnet sind, groß, wohingegen der Gewichtungsfaktor gl3, der dem Anteil Ugl3a zugeordnet ist, klein ist. An der Position xl ist der Anteil Ugl3a außerhalb des Korridors 53. Die Steigung des An- teils Ugl3a ist außerhalb des Korridors 53 und somit auch bei der Position xl verhältnismäßig klein.
Es besteht nun die Möglichkeit, dass die Auswerteeinrichtung 42 den Anteil Ugl3a beispielsweise mit dem Gewichtungsfaktor gl3 = NULL bewertet und somit sozusagen ausfiltert oder ausblendet und das Positionssignal 52 bei der Position xl ausschließlich anhand der Anteile Uglla, Ugl2a ermittelt.
Weil die Auswerteeinrichtung 42 anhand der Auswertung der Gleichungen (1) bis (3) bereits die absolute Position xl des Aktorglieds 14 grob bestimmt hat, wäre es sogar möglich, dass die Auswerteeinrichtung 42 eine Feinbestimmung der Position xl nur anhand eines der beiden Anteile Uglla oder Ugl2a an dem Messsignal 50 bestimmt, beispielsweise durch eine Arcus- kosinus-Auswertung der Gleichungen (1) oder (2) .
Bei der Position x2 ist der dem Anteil Uglla zugeordnete Gewichtungsfaktor g21 zweckmäßigerweise 1, die Gewichtungsfaktoren g22 und g23 sind vorteilhafterweise 0, weil nur der Anteil Uglla eine optimale Steigung bei dieser Position x2 aufweist. Der Anteil Uglla hat bei x2 z.B. einen Gradienten grl. Die Gradienten gr2 und gr3 der Anteile Ugl2a und Ugl3a sind bei x2 z.B. wesentlich kleiner als der Gradient grl.
Bei der Position x3 hingegen ist der dem Anteil Uglla zugeordnete Gewichtungsfaktor g31 vorteilhafterweise 0, weil das Signal Uglla an dieser Stelle eine geringe Steigung hat. Der Kosinuswert ist bei x3 nämlich nahe dem unteren Maximum -UO bzw. dem unteren Scheitelpunkt. Die Anteile Ugl2a und Ugl3a werden zweckmäßigerweise mit höheren Gewichtungsfaktoren g32 und g33 gewichtet . Zweckmäßigerweise bildet die Auswerteinrichtung 42 einen Mittelwert anhand der gewichteten, mit den Gewichtungsfaktoren g32 und g33 multiplizierten Anteile Ugl2a und Ugl3a. Das Signal Uglla bildet an der Position x3 z.B. ein redundantes Sig- nal .
In Figur 4 ist ein beispielhafter Verlauf der Phasendifferenz Δφl dargestellt, wobei das Signal Δφl um eine 360° bzw. 2π- Periodizität bereinigt ist. Mit einer gestrichelten Linie 56 ist eine nicht solcherart bereinigte Phasendifferenz Δφl1 an- gedeutet .
Im Zusammenhang mit Figur 3 wurde erläutert, dass der Gradient eines Anteils Uglla, Ugl2a und Ugl3a bei einem kosinus- förmigen Verlauf gemäß Formeln (1), (2) und (3) ein zweckmäßiges Kriterium darstellt, welcher Anteil Uglla, Ugl2a und Ugl3a höher gewichtet werden soll und welcher geringer. Bei der Darstellung gemäß Figur 4 ist prinzipiell dieselbe Vorgehensweise möglich. Beispielsweise wird das Phasensignal Δφl jeweils zwischen Positionen xl und x4 , x6 und x7 sowie x8 und x9 mit einem Gewichtungsfaktor ungleich Null, z.B. größer Null, bewertet und außerhalb dieser Positionen mit einem Gewichtungsfaktor 0. Bei dem oberen Maximum π bzw. dem unteren Maximum -π ist nämlich cos (Δφ) = 0.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht nur bei Linearaktoren, sondern auch bei sonstigen Abstandsmessungen bzw. Po- sitionsmessungen sinnvoll zweckmäßig anwendbar ist.
Es versteht sich, dass die Auswerteeinrichtung 42 - wie auch ein sonstiges erfindungsgemäßes Auswertemittel - auch sozusagen online die Gewichtungsfaktoren an einer Position x ermitteln kann, z.B. durch Auswertung der jeweiligen Gradienten der frequenzabhängigen Anteile Uglla, Ugl2a und Ugl3a. Gespeicherte Gewichtungsfaktoren, z.B. die Tabelle 51, sind dann nicht nötig. Z.B. kann die Auswerteeinrichtung 42 die Gradienten grl, gr2 und gr3 zueinander in Relation setzen, um s die Gewichtungsfaktoren g21, g22 und g23 zu ermitteln. Ferner kann die Auswerteeinrichtung 42 z.B. mindestens einen der Anteile Uglla, Ugl2a oder Ugl3a auswählen, der an einer Position x den größten Gradienten grl, gr2 und gr3 hat, und einen oder mehrere Anteile Uglla, Ugl2a oder Ugl3a mit Null gewich- lo ten, z.B. bei x2 die Anteile Ugl2a und Ugl3a.
Beim obigen Ausführungsbeispiel waren die Anteile Uglla bis Ugl3a jeweils ideal, weil die Mikrowellen-Antennenanordnung 34 ideal auf den Hohlleiter 26 angepasst war. Beim nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist dies nicht der Fall. Ferner i5 dient das nachfolgend anhand der Figuren 6 bis 9 beschriebene zweite Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung 42' dazu, zu erläutern, dass an Stelle eines sinusförmigen oder ko- sinusförmigen Anteils an dem Messsignal 50 auch andere Anteile, beispielsweise Realteile eines komplexen Reflexionsfak-
20 tors und/oder Phasendifferenzsignale erfindungsgemäß unterschiedlich stark gewichtet werden können.
Die Auswerteeinrichtung 42' gemäß Figur 6, die einen sogenannten I/Q-Mischer umfasst, entspricht teilweise der Auswerteeinrichtung 42 gemäß Figur 5. Gleiche oder gleichartige 5 Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Zusätzlich zu der Mischeinrichtung 48 enthält die Auswerteeinrichtung 42 ' eine zweite Mischeinrichtung 71 zum Erzeugen sinusförmiger Anteile Ugllb, Ugl2b und Ugl3b an dem Messsignal 50. Das Signal 62 mit den Referenzphasen φOl, φ02 o und/oder φO3 wird zunächst einem Laufzeitglied 70, z.B. einer λ/4-Leitung oder einem sogenannten 90-Grad-Hybrid zugeführt. Das Laufzeitglied 70 bewirkt eine Veränderung der Phasenlage des Signals 63 um 90°. Das Ausgangssignal 73 des Laufzeit- glieds 70 und das Signal 64 werden der Mischeinrichtung 71 zugeführt, die beispielsweise bei Beaufschlagung mit der Frequenz fl das Ausgangssignal Ugllb(fl) gemäß der nachfolgenden Formel erzeugt .
Uglλb = U0* cos(Δ^l-—) = UO * sin(pl(x)-pθl) (7)
4
Durch die Veränderung der Phasenlage um 90° entsteht ein si- nusförmiger Verlauf . Sinngemäß stehen analog zu den Formeln (2) und (3) von den Frequenzen f2 und f3 abhängige Anteile Ugl2b und Ugl3b als Ausgangssignal 72 am Ausgang des Mischers 71 bereit, wenn der Generator mit den Frequenzen f2 und f3 arbeitet .
Die Anteile Uglla und Ugllb kann man auch als die Realteile und Imaginärteile eines komplexen Reflexionsfaktors gemäß den nachfolgenden Formeln 8 und 9 darstellen:
UgIIa = Re(UO * e-ikx*2) ( 8 )
Ugllb = Im(CZO * e~ikx'2) ( 9 )
Bei ideal an den Hohlleiter 26 angepasster Mikrowellen- Antennenanordnung 34 werden die ideale Verläufe Ugllai(fl) und Ugllbi(fl) gemäß Figuren 8 und 9 gebildet. Der Index i bedeutet idealer Verlauf, der bei einer ideal an den Hohlleiter 26 angepassten Antennenanordnung 35 entsteht.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch als vorteilhaft erkannt worden, vorhandene Fehlanpassungen der Antennenanordnung 34 an den Hohlleiter 26 bei der Gewichtung der Anteile an dem Messsignal auszunutzen. Es liegt sogar im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzeptes, gezielt Fehlanpassungen der jeweiligen Antennenanordnung an den jeweiligen Hohlleiter herbeizu- fügen, um Verläufe von Anteilen an dem Messsignal zu erzeugen, die gerade nicht ideal sind und stärkere und größere und kleinere Gradienten aufweisen.
Beispielsweise haben die realen Verläufe (Index r) Ugllar(fl) und Ugllbr(fl) Gradienten, die von den Gradienten der Ideal- verlaufe Ugllai(fl) und Ugllbi(l) abweichen.
Bei einer Position xl hat das Signal Ugllar(fl) einen Nulldurchgang und einen maximalen Gradienten. An dieser Stelle wird das Signal Ugllar(fl) ausgewertet. Auch bei einer Position x3 wird das Signal Ugllr(fl) von der Auswerteeinrichtung 42 ' stark gewichtet .
Bei einer Position x2 hingegen hat der Anteil Ugllar(fl) einen kleinen Gradienten und wird geringer gewichtet oder gar mit einem Faktor Null gewichtet und somit ausgeblendet .
An dieser Stelle erkennt man einen Zusammenhang mit dem Pha- sendifferenzverlauf gemäß Figur 7. In Figur 7 sind Phasendif- ferenzverläufe Δφl (x) und Δφ2r(x) dargestellt, die durch eine ohnehin vorhandene und/oder gezielt herbeigeführte Fehlanpassung der Antennenanordnung 34 an den Hohlleiter 26 bewirkt sind. In Figur 4 sind zum Vergleich ideale Verläufe darge- stellt. Beispielsweise hat das Signal Δφr(x) an der Position xl einen steilen Gradienten. An der Position x2 verläuft das Signal Δφlr(x) flacher. An dieser Stelle wird zweckmäßigerweise das Signal Δφ2r(x), das von der Frequenz f2 abhängt, ausgewertet . Die Auswerteeinrichtung 42' bildet das Signal Δφ2r(x) beispielsweise als Arcustangens gemäß der nachfolgenden Formel (10) :
Uglλb φ\ = arctan ( 10
Ψ UgIIa

Claims

Ansprüche
1. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung zur Positionserfassung eines in einem Bewegungsraum (12) eines Aktor-Gehäuses (13) beweglich angeordneten Aktorglieds (14) eines Aktors (11) , mit einer Hochfrequenz-Mikrowellen-Antennenanordnung 5 (34) zum Senden von Mikrowellen (43) mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen (fl, f2, f3) in den Bewegungsraum (12) und zum Empfangen von durch zumindest teilweise Reflexion der gesendeten Mikrowellen (43) an dem Aktorglied (14) gebildeten Reflexions-Mikrowellen (44) aus dem lo Bewegungsraum (12), und mit Auswertemitteln (42; 42') zur
Bildung eines die jeweilige Position (x) des Aktorglieds (14) repräsentierenden Positionssignals (52) anhand eines mittels der Reflexions-Mikrowellen (44) gebildeten Messsignals (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (42; 42') zur i5 Bildung des Positionssignals (52) von den mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen (fl, f2, f3) abhängige Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a; Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal (50) abhängig von einer jeweiligen Position (x) des Aktorglieds (14) gewichten.
20 2. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzabhängigen Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a; Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal (50) abhängig ihrem jeweiligen Gradienten gewichten, wobei die Auswertemittel (42; 42') einen Anteil (Uglla,
25 Ugl2a, Ugl3a; Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal
(50) mit einem betragsmäßig größeren Gradient stärker gewichten als einen Anteil (Uglla, Ugl2a, Ugl3a,- Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) mit einem betragsmäßig kleineren Gradienten.
3. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (42; 42') mindestens einen der frequenzabhängigen Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a,- Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal s (50) mit Null gewichten, wenn der Betrag seines Gradienten (grl, gr2, gr3) einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
4. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (42; 42') zur Bildung des Positionssignals (52) lo einen Mittelwert aus mindestens zwei gewichteten frequenzabhängigen Anteilen (Uglla, Ugl2a, Ugl3a; Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal (50) bilden.
5. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine i5 Mischeinrichtung (48; 71) zum Mischen, insbesondere Multiplizieren, gesendeter Mikrowellen (43) mit den Reflexions- Mikrowellen (44) aufweist, wobei ein Ausgangssignal (49; 72) der Mischeinrichtung (48; 71) das Messsignal (50) oder einen Bestandteil davon bildet .
2o 6. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Laufzeitglied (70) zum Verändern der Phasenlage eines Signals (63) zum Senden der Mikrowellen (43) und/oder anhand der empfangenen Reflexions-Mikrowellen (44) erzeugten
25 Signals (64) aufweist.
7. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 5 oder
6. dadurch gekennzeichnet, dass das Laufzeitglied (70) eine Phasenlage des Signals (63) zum Senden der Mikrowellen (43) um 90 Grad verändert und so ein Signal (73) bildet, das der 0 Mischeinrichtung (71) zum Mischen mit dem anhand der empfan- genen Reflexions-Mikrowellen (44) erzeugten Signal (64) zugeführt wird.
8. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mess-
5 signal (50) einen Phasenverlauf, insbesondere eine Phasendifferenz, zwischen gesendeten Mikrowellen und empfangenen Reflexions-Mikrowellen (44) enthält.
9. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (50) den Phasenver- lo lauf oder die Phasendifferenz abhängig von einer jeweiligen Position (x) des Aktorglieds (14) gewichten.
10. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 8 o- der 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (50) einen mit einem Kosinuswert oder Sinuswert der Phasendifferenz mul- i5 tiplizierten Gleichstromwert oder Gleichspannungswert enthält.
11. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (42; 42') zur Bildung des Positionssignals (52) dasjenige, einen Kosinus-
20 wert oder Sinuswert enthaltende Messsignal (50) stärker gewichten, dessen Gradient betragsmäßig größer ist.
12. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (42; 42') zur Bildung des Positionssignals (52)
25 einen Realteil und/oder einen Imaginärteil eines komplexen, in dem Messsignal (50) enthaltenen Reflexionsfaktors gewichten.
13. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (42; 42') die frequenzabhängigen Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a,- Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal s (50) zur Positionsbestimmung des Aktorglieds (14) und/oder zur deren jeweiligen Gewichtung anhand der Minimale- Fehlerquadrat -Methode auswerten.
14. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- lo wertemittel (42; 42') die frequenzabhängigen Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a,- Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal (50) zur Positionsbestimmung des Aktorglieds (14) und/oder zur deren jeweiligen Gewichtung anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der gesendeten und/oder reflektierten elektro- i5 magnetischen Wellen und/oder anhand einer Kalibrierung der Mikrowellen-Antennenanordnung (34) und/oder anhand eines Vergleichs von zeitlich früher ermittelten Messwerten auswerten.
15. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine
20 insbesondere parametrierbare Tabelle (51) mit Gewichtungsfaktoren (gll, gl2- g33) aufweist, wobei die Auswertemittel (42; 42') die Gewichtungsfaktoren (gll, gl2- g33) in Abhängigkeit von einer jeweiligen Position (x) des Aktorglieds (14) in der Tabelle ermitteln.
25 16. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Mikrowellen (43) in einem kontinuierlichen Modus sendet.
17. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- 0 wertemittel (42; 42') vor der Gewichtung der frequenzabhängi- gen Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a; Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal (50) mindestens zwei Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a; Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) zu einer Bestimmung der absoluten Position (x) des Aktorglieds (14) in dem Bewegungs- 5 räum (12) auswertet.
18. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen-Antennenanordnung (34) zum Senden von Mikrowellen (43) mindestens einer zu den mindestens zwei voneinander ver- lo schiedenen Frequenzen redundanten Frequenz und zum Empfangen von durch zumindest teilweise Reflexion der redundanten Mikrowellen (43) an dem Aktorglied (14) gebildete redundante Reflexions-Mikrowellen (44) ausgestaltet ist, und dass die Auswertemittel (42; 42') zur Gewichtung eines Anteils (Uglla, i5 Ugl2a, Ugl3a) der redundanten Mikrowellen im Verhältnis zu den anderen Anteilen (Uglla, Ugl2a, Ugl3a) in Abhängigkeit von der jeweiligen Position (x) des Aktorglieds (14) ausgestaltet sind.
19. Mikrowellen-Positionsmessvorrichtung nach einem der vor- 20 hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Mikrowellen-Antennenanordnung (34) auf den Bewegungsraum (12) zur Erzeugung unterschiedlich gewichtbarer frequenzabhängiger Anteile (Uglla, Ugl2a, Ugl3a; Δφl, Δφ2 ; Ugllar; Ugllbr) an dem Messsignal (50) fehlangepasst ist.
25 20. Aktor mit einer Positionserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
21. Aktor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Linearaktor ist.
22. Aktor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass er ein elektrischer und/oder fluidtechnischer, insbesondere pneumatischer Aktor (11) ist.
23. Positionsmessverfahren zur Positionserfassung eines Ak-
5 torglieds (14) eines Aktors (11) , wobei das Aktorglied in einem Bewegungsraum (12) eines Aktor-Gehäuses (13) beweglich angeordnet ist, mit den Schritten:
- Senden von Mikrowellen (43) mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen (fl, f2, f3) in den Bewegungsraum lo (12) mit einer Hochfrequenz-Mikrowellen-Antennenanordnung (34)
- Empfangen von durch zumindest teilweise Reflexion der gesendeten Mikrowellen (43) an dem Aktorglied (14) gebildeten Reflexions-Mikrowellen (44) aus dem Bewegungsraum (12) , i5 - Bildung eines die jeweilige Position (x) des Aktorglieds (14) repräsentierenden Positionssignals (52) anhand eines mittels der Reflexions-Mikrowellen (44) gebildeten Messsignals (50) , gekennzeichnet durch
20 - Gewichtung von von den mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen (fl, f2, f3) abhängigen Anteilen (UgIIa, Ugl2a, UgI3a; Δφl, Δφ2 ; UgIlar; UgIlbr) an dem Messsignal (50) abhängig von einer jeweiligen Position (x) des Aktorglieds (14) zur Bildung des Positionssignals (52) .
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