Unter anderem werden herkommliche Abstandsmef3vorrichtungen beispielsweise zur Detektion der Kolbenposition von fluidischen Linearantrieben bzw. pneumati- sche und hydraulische Zylinder eingesetzt. Die Kolbenpositionserfassung an Zylin- dem kann sowohl diskret, d. h. an diskreten Stellen, als auch kontinuierlich, d. h. ständig während des Betriebs, erfolgen.

Die diskrete Kolbenpositionsbestimmung wird in der Regel benötigt, um die Aus- führung bzw. Beendigung einer Kolbenbewegung an eine Ablaufsteuerung (z. B.

SPS) zurückzumelden, um somit beispielsweise den nächsten Ablaufschritt einlei- ten zu können.

Hierzu werden überwiegend magnetfeldempfindliche Sensoren bzw. Sensorein- richtungen verwendet, welche das Magnetfeld eines Pemmanentmagneten, der sich an dem Zylinderkolben befindet, detektieren. Die dabei eingesetzten Sensoren werden extem an das Zylinderrohr des Kolbenzylinders montiert. Bewegt sich der Kolben in den Erfassungsbereich eines solchen Sensors, so erkennt dieser die An- wesenheit des Zylinderkolbens, durch das Zylinderrohr hindurch. Hierfür ist tuber- wiegend die Verwendung von nicht-ferromagnetischer Werkstoffe erforderlich und beschränkt somit die konstruktiven Eigenschaften bzw. Anwendungen des Antrie- bes.

Soll hingegen eine andere Position detektiert werden, so muB der Sensor entspre- chend mechanisch justiert werden. FUr jede zusätzlich zu erfassende Position muB folglich ein weiterer Sensor montiert werden, und zwar mit den damit verbundenen zusätzlichen Material-, Montage-, Justage-und Installationskosten.

Ferrer wird für diese extern angebauten Sensoren zusätzlicher Einbauraum benö- tigt. Damit die Zugänglichkeit und Robustheit des Sensors gewährleistet werden kann, ist häufig zusätzlicher konstruktiver Aufwand erforderlich.

Diese Art von Sensoren sind überwiegend als magnetfeldempfindliche Sensoren ausgeführt und sind als Reed-Schalter, magnetoresistive (MR), giant magnetoresi- stive (GMR), Hall-Schalter oder magnetinduktive Näherungsschalter bekannt.

Durch die Detektion des Magnetfeldes ist eine aufwendige Abstimmung des Ma- gneten auf den Sensor bzw. auf die Sensoreinrichtung erforderlich. Zudem werden durch dieses Meßprinzip die möglichen Anwendungen durch störende statische und dynamische Magnetfelder (EMV, Feld eines nahen Zylinders) sowie das Tem- peraturverhalten des Sensors beschränkt.

Zur kontinuierlichen Kolbenpositionsmessung werden gewohnlich Mef3systeme verwendet, die potentiometrisch, nach dem LVDT-Prinzip (Linear Variable Diffe- rential Transformer) oder nach dem Ultraschall-Prinzip arbeiten. Die Kolbenposi- tion wird bei diesen Systemen kontinuierlich und überwiegend als analoges Span- nungssignal ausgegeben. Als Ergänzung zu diesen Systemen sind auch inkremen- tale Wegmessungen bekannt. Diese Systeme werden beispielsweise durch die Ko- dierung der Kolbenstange realisiert und können somit nur zur relativen Wegmes- sung verwendet werden.

Sowohl die kontinuierliche als auch die diskrete Kolbenpositionsbestimmung können nicht bzw. nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand und den dadurch verbundenen hohen Kosten in einen Zylinder integriert werden. Der erhebliche konstruktive Aufwand begründet sich dadurch, dal3 alle beschriebenen gängigen Sensorprinzipien auf die entsprechende Zylinderlänge angepaßt werden musse, da sie einen zu kurzen Erfassungsbereich besitzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Abstandsmeßvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Abstands zu schaffen, welche bzw. wel- ches die oben aufgeführten Nachteile überwindet und eine kontinuierliche und somit diskretisierbare Abstandsbestimmung, eine einfache Handhabung und viel- seitige Einsatzmoglichkeiten erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den vorrichtungstechnischen Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den verfahrenstechnischen Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Abstandsmel3vorrichtung und ein Verfahren zur Be- stimmung eines Abstands zur Verfügung gestellt, wobei die Sensoreinrichtung eine Koppelsonde aufweist, die dazu dient, durch Abstrahlen und Empfangen von Wellen, einen bestimmten Abstand beispielsweise in einer Leitungsstruktur aus- zumessen, indem beispielsweise die Koppelsonde in die Leitungsstruktur integriert wird. Aufgrund dieser Integration der Koppelsonde wird erreicht, dal3 die Abstandsmeßvorrichtung klein gebaut und nahezu keine bzw. geringe Umbaumaß- nahmen erforderlich machen. Der gesamte Aufbau der anmeldungsgemäßen Ab- standsvorrichtung kann somit ein sauberes, glattes Design aufgrund des Wegfalls einer Montagemöglichkeit für externe Sensoreinrichtungen aufweisen, bzw. be- einflußt die äußere Erscheinung nicht. Mit der anmeldungsgemäßen Abstandsmeß- vorrichtung wird eine Installationserspamis erreicht, da der vorgefertigte Zylinder lediglich ein Anschlußkabel zur Ansteuerung und Datenerfassung aufweist. Da- durch wird femer eine Trennung der Sensoreinrichtung von der Auswerteelektro- nik erreicht, welche extern und von der Abstandsmeßvorrichtung abgesetzt ange- ordnet sein kann, und welche die Koppelsonde ansteuert. Ein Hochtemperaturein- satz, insbesondere ein Einsatz bis ca. 300°C bzw. 1000°C ist unproblematisch möglich. Gemäß dem anmeldungsgemäßen Verfahren wird die Lange der Lei- tungsstruktur bis zu einem Kurzschluß der ggfs. auch verschiebbar ist, gemessen.

Das entsprechend dem anmeldungsgemäßen Verfahren bereitgestellte Sendesignal wird in eine Leitungsstruktur eingeleitet und von einem bestimmten Teil der Lei- stungsstruktur, vorzugsweise eines Kurzschlusses reflektiert. Dadurch wird die Messung des Abstandes zwischen dem von der Koppelsonde definierten Einspei- sepunkt und dem vorbestimmten Teil der Leitungsstruktur durchgeführt. Der zu messende Abstand erfolgt hierbei durch eine Laufzeitmessung des Sendesignals.

Wird beispielsweise ein frequenzmoduliertes Sendesignal herangezogen, so ergibt sich der zu messende Abstand gemäß folgender Formel : Abstand = n x Lichtgeschwindigkeit/2 x Frequenzhub ; mit n = 1,2,3 etc.

Aufgrund dieser Bestimmung des zu messenden Abstands wird eine Genauigkeit der halben Wellenlänge des Sendesignals erreicht. Das so durchgefiihrte Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zu einem vorbestimmten Teil der Leitungsstruktur kann als sogenanntes Suchverfahren bezeichnet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des anmeldungsgemäßen Gegenstands sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wird gemäß Anspruch 2 eine Koppelsonde bereitgestellt, die eine magnetische oder elektrische Einkopplung bzw. eine Schlitzkopplung ermöglicht, so agiert die Leitungsstruktur als Hohlleiter bzw. als eine Koaxialleitung.

Je nach angestrebtem Mode wird gemäß Anspruch 3 die Koppelsonde eine elek- tromagnetische Welle im Hochfrequenzbereich vorzugsweise zwischen 10 MHz bis 25 GHz einspeisen, um eine bestmögliche Signalauswertung zuzulassen. In Abhängigkeit von den Dimensionen bzw. Ausmaßen der Leitungsstruktur, können untere Grenzfrequenzen verwendet werden, ab denen die nächsthöhere Mode aus- breitungsfähig ist. Die Praxis hat gezeigt, dal3 insbesondere bei der Anwendung hinsichtlich eines Zylinderkolbens gemdi3 Anspruch 4 eine monomodige Aus- breitung von Vorteil ist, vorzugsweise im TEM-Mode. In diesem Mode ist insbe- sondere als nächsthöhere Mode der TE11-Feldtyp ausbreitungsfähig. Die sich dar- aus ergebenden Grenzfrequenzen sind beispielsweise bei einem Kolbenzylin-der mit Zylinderdurchmesser D und dem Kolbenstangendurchmesser d fur D = 10mm und d = 4mm ungefähr 14 GHz fur eine untere Grenzfrequenz des TE11-Modes bzw. fur D = 25mm und d = 10mm ca. 5,5 GHz fur eine untere Grenzfrequenz des TEll-Modes.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß der TE11-Mode jedoch bei dem Zy- linderkolben durch zweifache, insbesondere gerade Achsensymmetrie sowohl der Feldanregung als auch des Feldraumes unterdrückt werden. Aufgrund dieser Ach- sensymmetrie kann die Breite des Frequenzbereiches, in dem keine höheren Feld- typen ausbreitungsfähig sind, ungefähr verdoppelt werden. Der nächsthöhere, aus- breitungsfähige Mode in dem Beispiel ist dann der TE21-Mode. Hierbei ist aller- dings zu beachten, daß bei Zylindern mit durchgehender Kolbenstange neben den Feldtypen des Koaxialleiters auch Feldtypen in Rundhohlleiter auftreten. Die Grenzfrequenz dieses Feldtyps im Rundhohlleiter ist fur alle Zylinder größer als die entsprechenden Grenzwerte des Feldtypen im zylindrischen Koaxialleiter.

Wird beispielsweise eine Betriebsfrequenz eingesetzt, bei der nur der TEM-Feld- typ im Koaxialleiter ausbreitungsfähig ist, so sind im gesamten Zylinder keine Feldtypen des Hohlleiters ausbreitungsfähig.

Handelt es sich gemäß Anspruch 5 bei der Einkopplung um eine singuläre also unsymmetrische Einkopplung, so ist in diesem Beispiel bei einem koaxialen Zy- linder die TE11-Mode ausbreitungsfähig. Werden dagegen mehrere Einspeise- punkte mit axialsymmetrischer Einkopplung verwendet, so wird beispielsweise beim koaxialen Zylinder die TE11 Mode unterdruckt, wobei bei Verwendung von zwei 180° versetzte Kop-pelsonden beide Koppelsonden von einem Einspeise- punkt durch Aufspaltung des HF-Signals tuber einen 3dB-Leistungskoppler bzw.- Leistungsteiler, z. B. Wilkinson versorgt werden, bei vier um 90° versetzte Koppel- sonden zwei 3dB-Koppler verwendet und bei acht um 45° versetzte Koppelsonden vier 3dB-Koppler versorgt werden. Der Vorteil der axialsymmetrischen Ein- speisung besteht in der Unterdrückung des nächsthöheren Modes und somit in der Möglichkeit eine höhere Sendefrequenz verwenden zu können. Durch die höhere Sendefrequenz und damit hohere Bandbreite låßt sich ferrer eine hohere Meige- nauigkeit erzielen.

Wird gemäß Anspruch 6 eine Abstandsmeßvorrichtung geschaffen, die ein An- pal3netzwerk aufweist, so wird der Vorteil erzielt, dal3 mit diesem Anpaßnetzwerk, vorzugsweise Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk die Frequenzbandbreite der Sonde er- höht wird und so das Abstrahlen bzw. Empfangen eines frequenzmodulierten Sen- designals möglich ist. Mit einem derartigen Anpaßnetzwerk wird die Vorausset- zung geschaffen, tuber den Suchvorgang bzw. den dazugehörigen Suchalgorithmus die Entfernungsbestimmung mit einer hohen Genauigkeit bestimmen zu können.

Vorzugsweise sind sowohl Koppelsonde als auch Anpaßnetzwerk als passive Lei- stungsstrukturen vorgesehen, die in Form einer diinnen Goldschicht, beispiels- weise 15 mm, vorzugsweise galvanisch hergestellt werden. Aus rein prak-tischen Griinden kann es auch von Vorteil sein, die zur Axialachse unsymmetrische, sin- guläre Einkopplung vorzusehen und den Vorteil der symmetrischen Einkopplung der höheren Sendefrequenz und damit Meßgenauigkeit aufzugeben. Dies hat den Vorteil, dal3 fur nahezu alle gängigen Leitungsstrukturen, insbesondere Kolbenzy- lindergrößen, eine identische Koppelsonde einsetzbar ist.

Die symmetrische Einkopplung gemäß Anspruch 8 mit mehreren Koppelsonden besitzt den weiteren Vorteil, daß Empfänger und Sender bereits antennenseitig getrennt werden können. Hierzu werden beispielswseise bei vier Koppelsonden jeweils zwei gegenüber liegende Koppelsonden zum Senden und Empfangen ver- wendet. Führt man keine Trennung von Sende-und Empfangszweig durch, dann wird neben der Koppelsonde auch die Leitungsstruktur des Senders fur den Emp- franger bis zur Trennung durch den Koppler benutzt. Da die Koppelsonde eine Ein- fügungsdämpfung besitzt, hat dies zur Folge, dal3 ein Teil des Sendesignals an der Koppelsonde reflektiert wird und damit in den Empfänger gelant. Dort überlagert sich der reflektierte Anteil des Sendesignals mit dem eigentlichen Empfangs- signals und verschlechtert die Meßgenauigkeit. Dies wird bei der Trennung von Sende-und Empfangszweig bereits auf Antennenseite vermieden.

Die Trennung in eine Sende-und Empfangsantenne hat den weiteren Vorteil, dal3 gemäß Anspruch 9 jeweils unterschiedliche Ausführungsformen, d. h. elektrische oder magnetische Sonden oder eine Schlitzkopplung, als Sende bzw. Empfangs- antennen verwendet bzw. kombiniert werden können. Damit läßt sich eine direkte Uberkopplung des Sendesignals in den Empfänger und somit eine Verbesserung der Signalqualität erreichen.

Ist vorzugsweise gemäß Anspruch 11 die in einen Sende-und Empfangszweig aufgeteilte Hochfrequenzelektronik der Sensoreinrichtung, deren Empfangszweig aus einem Mischer und/oder mindestens vier Hochfrequenz-Dioden besteht, vor- gesehen, so kann aufgrund der Anzahl der Hochfrequenz-Dioden sowohl die Richtungserkennung einer Bewegung eines vorbestimmten Teils der Leitungs- struktur als auch eine eindeutige Entfernungsänderung dieses Teils ermittelt wer- den.

Wird gemäß Anspruch 12 eine geschlossene Regelschleife vorgesehen, so kann beispielsweise eine aus dem Sendezweig heruntergeteilte Frequenz beispielsweise des Voltage-Controlled-Oszillators (VCO) nicht direkt als Ergebnisgröße herange- zogen werden, sondem in einer Frequenz-und Phasenregelung eingesetzt werden.

Auf diese Weise ist eine direkte und vereinfachte insbesondere schnelle Verar- beitung der Signale und Auswertung zur Bestimmung des Abstandes gewähr-lei- stet.

Gemdl3 Anspruch 13 kann beispielsweise diese dynamische Frequenzregelung tuber ein Phase-Lock-Loop (PLL) gereglt werden, welcher aus mindestens einem Fre- quenzteiler, einem Phasendiskriminator und einem Tiefpal3filter realisiert ist, wo- bei die Sollfrequenz tuber ein Direct-Digital-Synthesizer vorgegeben wird.

Enthält der Empfangszweig gemäß Anspruch 15 einen IQ-Detektor (Inphase Qua- tratur Detektor), so ist ebenfalls eine besondere Anordnung gegeben, mit der eine Richtungserkennung einer Bewegung eines vorbestimmten Teils der Leitungs- struktur ermöglicht wird.

Eine vorteilhafte, vereinfachte Ausfiihrungsform ergibt sich fur den Suchmode dann, wenn sowohl der Frequenzhub des Oszillators als auch die Lange der Ver- zögerungsleitung so ausgelegt werden, dal3 sie einer bestimmten, fest vorgegebe- nen Entfernung der Koppelsonde zu einem Punkt in der Leitungstruktur, bei- spielsweise in einem Kolben, entsprechen, d. h. wenn gemäß Anspruch 19 ein Syn- chronisationspunkt in der Leitungsstruktur voreingestellt ist. Wird der Synchro- nisationspunkt beispielsweise von einem Zylinderkolben überfahren, dann syn- chronisiert sich der Sensor sofort auf, schaltet in den Trackmode um und tuber- nimmt die hochdynamische Positionsbestimmung des Kolbens.

Wird darüberhinaus der Synchronisationspunkt relativ weit entfernt von der Kop- pelsonde gewählt, dann hat dieses Verfahren den Vorteil, dal3 sowohl die Verzö- gerungsleitung als kurzes Stick Leitung, z. B. in gedruckter Form auf der Rock- seite der Koppelsonde ausgeführt und der Frequenzhub klein gehalten werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der übrigen Unteran- sprüche.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausfüh- rungsbeispiel insbesondere fur die Verwendung in einem Zylinderkolben darge- stellt.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittzeichnung einer Integration der Abstandsmeß- vorrichtung in einen Zylinderkolben ; Fig. 2 zeigt eine Frontansicht der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung ; Fig. 3 zeigt eine Frequenzverteilungskurve mit und ohne Anpaßnetzwerk gemäß einer Ausführungsforrn der vorliegenden Erfindung ; Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der Hochfrequenz-Elektronik mit einem ersten Empfangszweig zur Bestimmung des Abstandes ; Fig. Sa zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfrequenz-Elektronik zur Richtungserkennung eines sich bewegenden vorbestimmten Teils in der Leitungsstruktur ; Fig. 5bzeigt eine weitere Ausführungsforrn einer Hochfrequenz-Elektronik zur Richtungserkennung eines sich bewegenden vorbestimmten Teils in der Leitungsstruktur ; Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hochfrequenz-Elektronik zur Bestimmung des Abstandes ; Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvor- richtung wie sie beispielsweise in einem Kolbenstangenzylinder, der beispiels- weise bei einem linearen Antrieb sowohl hydraulisch als auch pneumatisch betrie- ben werden kann, einsetzbar ist. Die Sensoreinrichtung ist axialsymmetrisch um die Kolbenstange 2 in einem Lagerdeckel 4 fur die Kolbenstange 2 angeordnet.

Wie in Fiv. 1 zu erkennen ist, wird in dieser Ausführungsform eine Leitungs- struktur durch die Kolbenstange 2, den Kolben 11 sowie dem Zylindermantel 3 und dem Lagerdeckel 4 definiert. Die in der Sensoreinrichtung vorgesehene Koppelsonde 7 ist in den Lagerdeckel 4 integriert und in Richtung der Leitungs- struktur 5 gerichtet. Ferrer sind in dem Lagerdeckel 4 Anale 13 vorgesehen, die fur die elektrischen Zuleitungen der Sensoreinrichtung integriert sind und an einer in der Peripherie des Lagerdeckels 4 vorgesehenen Steckverbindung 9 en-det.

, Das Zylinderrohr und somit der Kolbenstangenzylinder selbst kann vielfältig aus- gestaltet sein. Wesentlich ist jedoch, dal3 eine Art Leitungsstruktur 5 bereitgestellt wird, die eine Reflektion des Sendesignals ermöglicht. Die Reflektion im Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird beispielsweise durch den Kolben 11, der ebenso als Kurzschluß fungiert, ermöglicht. Zum Schutz der Sensoreinrichtung bzw.

Koppelsonde 7 kann beispielsweise auch ein Einlagenpuffer 14 zur Dämpfung des Aufpralls des Kolbens auf den Lagerdeckel vor-gesehen sein. In dem Deckel 5 können beispielsweise sowohl ein Bedienfeld als auch ein Anzeigefeld 8 vorhan- den sein, mit dem einzelne Schaltpunkte angezeigt bzw. eingestellt werden können.

In Fig. 2 ist eine Frontansicht des Lagerdeckels 4 dargestellt, die die in der an- meldungsgemdi3en Abstandsvorrichtung enthaltene Sensoreinrichtung zeigt. In dieser in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Verwendung für einen kreis- formigen Zylinderkolben konzipiert worden. Die Sensoreinrichtung weist z. B. eine mehrlagige Keramikscheibe 21 auf, auf deren Vorderseite die Koppelsonde 7 aus- gebildet ist und deren Rückseite als Trägersubstrat für die Elektronik-Bauteile dient. Die Durchkontaktierung 23 der Sende-Empfangsleitung zur Koppelsonde 7 erfolgt vorzugsweise galvanisch oder tuber eine Apperturkopplung. Um einen grö- ßeren Frequenzbereich durchstimmen zu können, ist ein Anpaßnetzwerk 25 vor- gesehen, welches zwischen dem Einspeisepunkt, der durch die Durchkontaktierung 23 vorgegeben ist, und der Koppelsonde 7 angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt deutlich, welchen Einfluß das Anpaßnetzwerk auf eine Frequenzver- teilung haben kann. Deutlich ist zu erkennen, daß sich der Bereich der durch- stimmbaren Frequenzen, d. h. die Halbwertsbreite, mit Anpaßnetzwerk verdop- pelt. An dieser Stelle sei bereits darauf hingewiesen, dal3 die Keramikscheibe nicht generell um die Kolbenstange verlaufen muß, sondern auch aus einem kleinen, kreisrunden Substrat besteht, welches unsymmetrisch an einer Stelle der Kolben- stange eingebracht ist. Generell können aber auch die Koppelsonde aus mehreren beispielsweise aus zwei Kontaktierungen bestehen und einem Stick gedruckter Leitung auf der Vorderseite des Substrats, welches die beiden Durchkontak-tierun- gen miteinander verbindet.

Hierbei besteht die einfachste Ausführungsform einer magnetischen Koppelsonde aus einem Stick Koaxialleitung, bei höheren Frequenzen vorzugsweise einer so- genannten Semirigid-Leitung. Die Koaxialleitung wird mechanisch durch den La- gerdeckel geführt. Der offene Innenleiter wird anschließend über eine kurze Schleife in der Luft geführt und am Lagerdeckel aufgelöst und somit kurzge- schlossen.

Ähnlich der elektrischen Sonde kann die magnetische auch als gedruckte Streifen- leitung ausgeführt werden. Hierbei werden die Leitungsfiihrungsen bezogen auf die Kolbenstangen sternförmig von innen nach außen angeordnet. Die Durchkon- taktierung verbindet wiederum die Elektronik auf der Rückseite des Substrats mit der gedruckten Streifenleitung auf der Vorderseite. Am inneren Ende der ge- druckten Streifenleitung befindet sich die Durchkontaktierung, am äußeren Ende ist die Leitung mit dem Zylindergehäuse kurzgeschlossen. Weitere Ausführungs- formen, z. B. die tuber Schlitzkopplung sind denkbar. Ansonsten sind alle Variai- onsmoglichkeiten bezuglich der koaxialen Symmetrie anwendbar wie bei der elektrischen Koppelsonde.

In Fig. 4 ist die Auswerteelektronik zusammen mit der Hochfrequenz-Elektronik dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dal3 die Koppelsonde 7 von einem Oszillator 31 vorzugsweise einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) angesteuert wird, wobei die Abstimmspannung durch eine Rampensteuerung aus der Steuerungs- und Auswerteelektronik 33 hervorgerufen wird. Das Sendesignal wird tuber eine magnetische oder elektrische Koppelsonde in die Leitungsstruktur eingespeist (Sendezweig). In einem ersten Schritt wird der absolut Abstand zwischen abso- lutem Einspeisepunkt und Kolben gemessen. Hierbei wird eine Laufzeitmessung des frequenzmodulierten Sendesignals ausgewertet. Es ergibt sich gemäß Glei- chung 1 dargestellter Zusammenhang.

Die Auswertung des empfangenen und am Mischer 35 in der Frequenz herabge- setzten Signals liefert den absoluten Abstand zwischen Einspeisepunkt und Posi- tion des Kolbens, bzw. eines vorbestimmten Teils in einer Leitungsstruktur, mit einer Genauigkeit mindestens der halben Wellenlänge des Sendesignals. Dieses Verfahren wird als Suchverfahren bezeichnet. Nachdem die Kolbenposition mit hinreichender Genauigkeit eindeutig ermittelt wurde, wird in den sogenannten Track-Mode umgeschaltet. Hierbei wird ein Dauerstrichsignal, z. B. bei 5 GHz, in den Zylinder eingekoppelt. Aufgrund der Einkopplung bildet sich eine stehende Welle aus, deren Verschiebung durch die Bewegung des Kolbens erfolgt und tuber eine Phasenauswertung, des in der Frequenz herabgesetzten Signals ermittelt wird.

Dieses Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Entfernung zum Kolben mit der Genauigkeit im Submillimeter-Bereich. Die generell in einen Sende-und Emp- fangszweig aufgegliederte Hochfrequenz-Elektronik besteht entsprechend Bild 4 aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und einem oder mehreren Fre- quenzteilem. Der Oszillator wird tuber die Abstimmspannung einer Varaktordiode in der Frequenz z. B. zwischen 4 und 6 GHz durchgestimmt. Ein Teil der Energie wird resistiv aus dem Sendezweig ausgekoppelt und tuber Frequenzteiler herunter- geteilt, z. B. auf 30 MHz, so dal3 die Sendefrequenz zu jedem Zeitpunkt bekannt ist. Der Empfänger besteht aus einem Mischer 35, der das Empfangssignal durch Mischung mit einem Sendesignal in einem Frequenzbereich bis zu einigen weni- gen KHz-Signalen transformiert. Da während der Track-Phase nur ein Dauerstrich- signal gesendet wird, muß es sich bei dem Mischer um einen gleichstromgekop- pelte Mischer handeln.

In Fiv. sua ist anstelle des Mischers gemäß Figur 4 eine Anordnung aus Detektor- dioden 45 vorgesehen. Um sowohl die Richtungserkennung als auch eine eindeu- tige Entfemungsanderung der Kolbenposition durch Verschiebung der stehenden Welle feststellen zu konnen, mussen mindestens vier Detektordioden verwendet werden, die entsprechend Gleichung 2 beabstandet sein musse : Abstand der Dioden = n (Wellenlange/2) + Wellenlange/16 mit n = 1,2,... ('l, Zur Erläuterung der Entfernungsbestimmung wird darauf hingewiesen, daß es zwei Phasen der Signalauswertung gibt. Nach dem Einschalten des Sensors oder nach einer einer Betriebsstorung, beispielsweise durch einen Spannungsausfall, wird im sogenannten Suchmodus eine absolut Entfernungsbestimmung zum Zylinderkol- ben bzw. zum vorbestimmten Teil in der Leitungsstruktur durchgefuhrt.

Hierbei wird der Oszillator (VCO) in seiner Frequenz, z. B. innerhalb einer Band- breite von 1.5 GHz, moduliert. Die Entfernung Koppelsonde zum Zylinderkolben läßt sich dann durch Berechnung einer FFT (Fast-Fourier-Transformation) mit an- schließender Berechnung der DFT (Discret-Fourier-transformation) des Videosi- gnals mit einer Genauigkeit der Entfemungsbestimmung der halben Wellenlänge oder tuber eine einfache Nullstellen-oder Minimum-oder Maximumzählung be- stimmen.

Hierbei gilt : Zylinderlänge = n x Lichtgeschwindigkeit/2 x Frequenzhub Dieser Gleichung ist leicht zu entnehmen, dal3 eine interne Zylinderlänge 0 (Kol- ben befindet sich im Anschlag am Einspeisepunkt) einen unendlich großen Fre- quenzhub erfordern wurde. Deshalb wird zwischen Empfänger und Einspeisepunkt eine 5OW Verzogerungsleitung benotigt. Die Lance der Verzögerungsleitung begrenzt auch bei Kolbenanschlag den erforderlichen Frequenzhub auf eine realisierbare Grolle von z. B. 20% der Sendefrequenz.

Die Frequenz des VCOs wird hierbei in der einfachsten Ausführungsform ent- sprechend Figur 4 statisch tuber einen Mikrokontroller oder diskrete Elektronik geregelt. Dazu wird ein Teil des Sendesignals z. B. resistiv aus dem Sendezweig ausgekoppelt und wahlweise tuber mindestens einen Frequenzteiler 37 in der Fre- quenz soweit heruntergesetzt, dal3 die sich dann ergebende Frequenz mittels eines einfachen digitalen Zählers bestimmt werden kann. Die Abweichung zwischen Soll-und IST-Frequenz des Oszillators wird anschließend durch Anderung der Abstimmspannung am Oszillator nachgeregelt, indem z. B. tuber Digi- tal/Analogwandlung der entsprechende Spannungswert ausgegeben wird. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Frequenzregelung wird"statische Frequenzrege- lung"genannt.

In Fig. Sb ist eine weitere Möglichkeit gezeigt, während der Abstandsbestimmung auch eine Richtungserkennung durchführen zu können. Anstelle eines Mischers 35 gemäß Figur 4 und einer Anordnung aus Detektordioden 45 gemäß Figur Sa wird hier als Empfangszweig ein IQ-Detektor eingesetzt. Der IQ-Detektor besteht aus 2 Mischem 55 und 65, deren z. B. Lokaloszillatoren einen Phasenversatz von 90° besitzen. Somit erhält man zwei Empfangssignale, Inphase (sinus-Anteil) und Quatratur (cosinus-Anteil). Aufgrund des Verhältnisses beider zueinander, ist es dann möglich, die Vorwärtsbewegung von der Rückwärtsbewegung des Kolbens zu unterscheiden (Richtungserkennung). Das Verfahren wird vorzugsweise im Track-Mode ausgenutzt, wenn ein CW-Signal (bei einer Frequenz) abgestrahlt wird. Die 90° Leitungslangenunterschiede zwischen den beiden Lokaloszillatoren gelten nur bei einer festen Sendefrequenz. Diese muß dann auch im Track-Mode eingehaltenwerden.

In Fig. 6 ist die dynamische Frequenzregelung gezeigt, deren wesentlicher Unter- schied darin besteht, dal3 die tuber den Frequenzteiler 37 heruntergeteilte VCO- Frequenz nicht direkt als Ergebnisgröße dient, sondera in einer Frequenz-und Phasenregelung verwendet wird und somit einen geschlossenen Regelkreis bildet.

Durch z. B. einen Mikrocontroller wird ein direkter digitaler Synthesizer (DDS) 71 auf eine Frequenz eingestellt, die als Führungsgröße über ein Phasendiskriminator 73, welcher das aus dem digitalen Synthesizer 71 ausgehende Signal und das her- untergeteilte Frequenzsignal diskriminiert, in die geschlossene Regelschleife ein- geht. Nach Bestimmung der absoluten Entfernung mit einer der voran genannten Regelungen schaltet der Sensor in den Track-Mode, um die Genauigkeit der Ent- fernungsmessung zu verbessern und die hochdynamische Verfolgung des Kolbens im Betrieb zu ermöglichen.

Im Track-Mode wird nun ein CW-Signal gesendet. Es bildet sich dann im Zylinder eine stehende Welle, deren Änderung im Empfänger durch den zuvor beschriebe- nen IQ-Detektor bzw. eine Anordnung von Detektodioden 45 bzw. des Mischers 35 ins Basisband, beispielsweise von 0 bis 100 kHz, herabgesetzt und anschlie- ßend durch die nachgeschaltete Elektronik ausgewertet wird.

Wählt man die Sendefrequenz im Track-Mode so niedrig, dal3 die halbe Wellen- lange gerade der maximalen Zylinderlänge entspricht, dann kann tuber die einfache CW Messung eine eindeutige Entfemungsbestimmung durchgefuhrt und auf den Searchmode bzw. Suchmode ganz verzichtet werden.

Dieses Verfahren kann besonders vorteilhaft bei langhubigen Zylindern eingesetzt werden. Es ist nur dann problematisch, wenn eine grole Anzahl von unterschiedli- chen Zylindergrößen betrachtet wird und die Sendefrequenz fur alle Zylinderty- pen beibehalten werden soll (universell einsetzbare Sensoren), insbesondere da die Sendefrequenz, um eine eindeutige Entfernungsbestimmung durchführen zu kön- nen, entsprechend dem längsten Zylinder ausgewählt werden muß. Für sehr kleine Zylinder wird die Entfernungsbestimmung dann sehr ungenau.

Durch den verwendeten Mikrokontroller und der Zylinderkonstruktion ergibt sich eine grole Vielzahl der möglichen elektrischen und mechanischen Ausführungen sowie die Implementierung von Zusatzfunktionen.

So kann fur die Anordnung der elektrischen Anschlußverbindungen jede beliebige Stelle der feststehenden Zylinderteile verwendet werden. Die inteme Zufiihrung erfolgt dann tuber entsprechende Anale des Gehäuseprofils. Dies gilt auch fur eine Bedienerschnittstelle, die zur Anzeige und Einstellung der Schaltpunkte des Zylin- ders teilweise benötigt. Diese Schnittstelle kann aus LED, LCD Anzeigen beste- hen und eine Einstellmöglichkeit der Schaltpunkte tuber Teach-In-Tasten bzw. Po- tentiometer bieten.

Femer kann dieses Bedienfeld auch vom Zylinder abgesetzt sein, wodurch eine Verbesserung der Zugänglichkeit erreicht wird.

Zusatzfunktionen, welche dieses in der Abstandsvorrichtung eingesetzte Sensorsy- stem gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich erlaubt, sind zum Beispiel die Fehler-und Selbstdiagnose, freie Konfiguration der Ausgänge, zusätzliche direkte Steuerung weiterer Komponenten wie z. B. zuschaltbare Drosseln bzw. Regler, sowie eines Busanschlul3knoten. Unter freier Ausgangskonfiguration ist zu verste- hen, daß beispielsweise jeder Schaltausgang als Fehlersignal, zur extemen Ka- belbruchdetektion, als Serviceintervallanzeige oder als Analogausgang mit frei definierbarer Kennlinie eingerichtet werden kann.

Die elektrische Verbindung ist vorzugsweise steckbar, wobei den Spannungsver- sorgungsleitungen ein zusätzliches, aufmoduliertes, bidirektionales Kommunika- tionssignal überlagert werden kann. Hierdurch ist ohne zusätzlichen Aufwand eine Parametrierung bzw. Einrichtung mit einem extemen Gerat moglich. Neben dieser Anschlul3technik ist auch eine reine Busanschlußtechnik denkbar, die idealerweise bereits tuber die pneumatischen Anschlusse gefiihrt bzw. integriert ist. Zudem ist eine drahtlose Signalübertragung möglich.

Um den Einsatzbereich, insbesondere im Hoch-und Tieftemperaturbereich des Zylinders deutlich zu erweitem, ist eine abgesetzte, d. h. nicht integrierte Auswer- teelektronik möglich. Die Verbindung zwischen Koppelsonde und Auswerteelek- tronik erfolgt tuber Streifenleiter oder Hochfrequenz-Koaxialleitungen. Da sich dann am bzw. im Zylinder keine aktiven elektronischen Komponenten mehr befin- den, sind die Anwendungen im Hochtemperaturbereich auf einfache Weise mög- lich.

Das anwendungsgemäße Verfahren besitzt noch einen weiteren Vorteil im Bereich Füllstandsmessung, insbesondere von Trennschichten. Befinden sich mehrere Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten in der Leitungs- struktur, beispielsweise eines Tauchrohres eines Tanks, dann ist die Bestimmung der Grenzschicht zwischen den Flussigkeiten moglich.

Eine häufige Anwendung hierfür findet sich beispielsweise in Öltanks. Im Laufe der Zeit bildet sich Kondenswasser am Boden der Tanks welches abgesaugt wer- den soll, ohne den Tank leeren zu musse. Hierbei schwimmt das 01 mit einer Dielektrizitätskonstante von ca. 2 bis 10 auf der Wasseroberfläche mit einer Die- lektrizitätskonstante von ca. 88.