DE102008035746A1

DE102008035746A1 - Force effect spatial-resolution detection device for use during e.g. clamping protection of electric window lift, has signal processing device determining position of effect along waveguide based on time difference between time points

Info

Publication number: DE102008035746A1
Application number: DE102008035746A
Authority: DE
Inventors: Michael Hackner; Hans-Peter Dr. Hohe; Gerhard Tischlinger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-04

Abstract

The device (100) has a waveguide (110) whose dielectric includes elastic material. A time-domain reflectometry system (120) is coupled to the waveguide. A signal processing device (130) is coupled to the reflectometry system. The signal processing device is designed to determine a position (104) of a force effect (102) along the waveguide based on a time difference (106) between a time point (182) of coupling of a signal from the reflectometry system into the waveguide and a time point (184) of receiving of reflection of the signal. Independent claims are also included for the following: (1) a method for spatial-resolution detection of a force effect (2) a computer program having a set of instructions to perform a method for spatial-resolution detection of a force effect.

Description

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung.embodiments according to the invention relate to a device for the spatially resolved detection of a force.

Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen ortsauflösenden Drucksensor.Some Embodiments according to the invention refer to a spatially resolved pressure sensor.

Vorrichtungen zur Erfassung einer Krafteinwirkung bzw. Drucksensoren gibt es in verschiedensten Ausführungen mit unterschiedlichen physikalischen Prinzipien, wie beispielsweise unter „ http://de.wikipedia.org/wiki/Drucksensor ” gezeigt. Allen gemeinsam ist jedoch, dass der Druck in einem Medium (Gas, Flüssigkeiten, Festkörper) nur an einem Punkt gemessen wird. Es gibt zwar auch Sensorsysteme zur Messung von Druckverteilungen, diese sind jedoch aus mehreren punktuell messenden Sensoren zusammengesetzt.Devices for detecting a force or pressure sensors are available in various designs with different physical principles, such as " http://de.wikipedia.org/wiki/Drucksensor "Shown. All have in common, however, that the pressure in a medium (gas, liquids, solids) is only measured at one point. Although there are also sensor systems for measuring pressure distributions, these are composed of several point-measuring sensors.

5 zeigt beispielsweise ein Messprinzip für die Druckverteilung basierend auf einer Matrix von resistiven Drucksensoren, wie z. B. in „ Ebel, Andreas: „Druckverteilung auf Kontaktflächen unter Forstreifen”, Dissertation an der Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie der Georg-August-Universität Göttingen, 2006 ” und unter „ http://www.cmv.de/Folienmesstechnik.htm ”. Das System 500 umfasst eine erste Auswahleinheit 510 zur Auswahl einer Spalte des Gittersensors 520, einer Verstärkereinheit 530 für jede Zeile des Gittersensors 520, eine zweite Auswahleinheit 540 für die Zeilen des Gittersensors 520, einen Kontrollschaltkreis 550 und einen Analog-Digital-Wandler 560 mit Digitalausgang. Die Auswahleinheit 510 weist für jede Spalte einen Schalter S1, S2, S3, S4 auf und ist ausgelegt, um eine Testspannung an einer Spalte des Gitter sensors 520 anzulegen. Die zweite Auswahleinheit 540 weist für jede Zeile des Gittersensors 520 einen Schalter S5, S6, S7, S8 auf und ist ausgelegt, um ein Signal einer Zeile des Gittersensors 520 an einen Eingang des Analog-Digital-Wandlers 560 anzulegen. Die Spalten und Zeilen des Gittersensors 520 sind an ihren Kreuzungspunkten mit variablen druckabhängigen Widerständen (R1 bis R16) miteinander verbunden. Der Kontrollschaltkreis 550 steuert dabei die erste Auswahleinheit 510, die zweite Auswahleinheit 540 und den Analog-Digital-Wandler 560. 5 For example, shows a measuring principle for the pressure distribution based on a matrix of resistive pressure sensors, such. In " Ebel, Andreas: "Pressure distribution on contact surfaces under Forstreifen", Dissertation at the Faculty of Forest Sciences and Forest Ecology Georg-August-Universität Göttingen, 2006 " and under " http://www.cmv.de/Folienmesstechnik.htm ". The system 500 includes a first selection unit 510 to select a column of the grid sensor 520 , an amplifier unit 530 for each line of the grating sensor 520 , a second selection unit 540 for the lines of the grid sensor 520 , a control circuit 550 and an analog-to-digital converter 560 with digital output. The selection unit 510 For each column has a switch S1, S2, S3, S4 and is designed to a test voltage at a column of the grid sensor 520 to apply. The second selection unit 540 indicates for each row of the grid sensor 520 a switch S5, S6, S7, S8 and is adapted to a signal of one line of the grid sensor 520 to an input of the analog-to-digital converter 560 to apply. The columns and rows of the grid sensor 520 are connected to each other at their crossing points with variable pressure-dependent resistors (R1 to R16). The control circuit 550 controls the first selection unit 510 , the second selection unit 540 and the analog-to-digital converter 560 ,

6 skizziert ein optisches Verfahren 600, dass in „ Hegewald, Günther: „Ganganalytische Bestimmung und Bewertung der Druckverteilung unterm Fuß und von Gelenkwinkelverläufen”, Dissertation am Institut für Rehabilitationswissenschaften der Humboldt Universität zu Berlin, 1999 ” gezeigt ist, bei dem viele einzelne Photodetektoren in einer Kamera ausgewertet werden. Dabei nimmt beispielsweise eine Schwarzweißkamera über einen Spiegel die Unterseite einer Glasplatte auf. Auf der Glasplatte liegt eine Trittmatte und am Rand der Glasplatte sind z. B. Lichtquellen angeordnet. Die Trittmatte wird beispielsweise durch den Fuß einer Person belastet und an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich stark verformt. Das System 600 nimmt über die Schwarzweißkamera das Verformungsmuster der Trittmatte über den Spiegel von der Rückseite auf und wertet die Daten der Schwarzweißkamera aus, um eine Druckverteilung zu erhalten. 6 outlines an optical process 600 that in " Hegewald, Günther: "Ganganalytical determination and evaluation of the pressure distribution under the foot and of joint angle progressions", Dissertation at the Institute for Rehabilitation Sciences of the Humboldt University in Berlin, 1999 "Is shown, in which many individual photodetectors are evaluated in a camera. For example, a black-and-white camera uses a mirror to pick up the underside of a glass plate. On the glass plate is a step mat and at the edge of the glass plate are z. B. light sources arranged. The tread mat is loaded, for example, by the foot of a person and deformed to different degrees at different locations. The system 600 uses the black-and-white camera to record the deformation pattern of the running mat over the mirror from the back and evaluates the data from the black and white camera to obtain a pressure distribution.

Ein anderer Ansatz ist die Messung eines Drucks bzw. einer Krafteinwirkung entlang einer Linie, wie es z. B. beim Einklemmschutz für Fensterheber in der Automobiltechnik notwendig ist. Hier werden Gummiprofile mit eingearbeiteten Drähten verwendet um einen Einklemmschutz bei elektrischen Fensterhebern oder automatischen Heckklappen zu realisieren. Prinzipiell kann man zwischen resistiven Systemen und kapazitiven Systemen unterscheiden.One Another approach is the measurement of a pressure or a force along a line, as z. B. in the anti-trap for Windows in automotive technology is necessary. Be here Rubber profiles with incorporated wires used around one Anti-jamming device for power windows or automatic To realize tailgates. In principle one can choose between resistive systems and capacitive systems.

Bei den resistiven Systemen wird der Widerstand zwischen zwei in die Dichtungslippe eingearbeiteten Drähten gemessen. Sobald Druck auf die Lippe ausgeübt wird verformt sich die Lippe und der gemessene Widerstand wird geringer. Dies kann durch einen Hohlraum zwischen den Drähten noch unterstützt werden.at resistive systems, the resistance between two in the Sealing lip incorporated wires. As soon as Pressure exerted on the lip deforms the lip and the measured resistance decreases. This can be done by a Cavity between the wires still supported become.

7 zeigt dazu ein in der DE 103 33 136 A1 beschriebenes Beispiel. Wie man sehen kann sind zwei Drähte 32, 34 in leitfähigen Gummi 33, 35 eingebettet und durch einen Luftspalt 36 getrennt. Diese Anordnung wird wiederum durch ein nichtleitfähiges Gummiprofil 40, 31 gehalten und am eigentlichen Dichtprofil 20 befestigt. Gerät nun beim Schließen der Fensterscheibe 13 ein Gegenstand zwischen die Scheibe und das Gummiprofil 31, dann wird das Profil zusammengedrückt und schließlich berührt der leitfähige Bereich 35 den leitfähigen Bereich 33, so dass der Widerstand, der zwischen den beiden Drähten 32, 34 gemessen wird, deutlich abnimmt. 7 shows in the DE 103 33 136 A1 described example. As you can see are two wires 32 . 34 in conductive rubber 33 . 35 embedded and through an air gap 36 separated. This arrangement is in turn by a non-conductive rubber profile 40 . 31 held and the actual sealing profile 20 attached. Device now when closing the window 13 an object between the disc and the rubber profile 31 , then the profile is compressed and finally touches the conductive area 35 the conductive area 33 so that the resistance between the two wires 32 . 34 is measured, decreases significantly.

Bei anderen Systemen wird nicht der Widerstand der Anordnung gemessen, sondern die Kapazität. Diese wird bereits merklich verändert, wenn sich Gegenstände nur in der Nähe der Drähte befinden, die in diesem Fall als Elektroden der Kapazität dienen. Es muss also nicht erst merklicher Druck aufgebaut werden, der bereits zu Verletzungen führen kann. Bereits vor Berührung des Gummiprofils kann der Gegenstand bzw. das Körperteil erkannt werden, bereits bevor es eingeklemmt wird.at other systems will not measure the resistance of the device, but the capacity. This is already noticeably changed, if objects are just near the wires which in this case serve as electrodes of the capacitance. So it does not have to build up noticeable pressure that already can lead to injuries. Already before touch the rubber profile can be the object or the body part be detected, even before it is pinched.

Ein Beispiel für ein kapazitives System ist in 8a und 8b gezeigt. In 8a ist ein Dichtungsprofil 800 bzw. ein Gummiprofil mit eingearbeiteten Drähten dargestellt, bei dem an einem Ende zwei Sensordrähte 810 in das Dichtungsprofil führen. 8b zeigt dazu einen schematischen Querschnitt eines Teils des Dichtungsprofils 800, der den Sensor umfasst. Dabei sind die zwei Sensordrähte 810 gegenüberliegend mit einem Abstand angeordnet und jeweils in einen niederohmigen Gummi 820 eingebettet. Zwischen dem Gummi, in dem der erste Draht eingebettet ist, und dem Gummi, in dem der zweite Draht eingebettet ist, ist ein Spalt 830 angeordnet. Dieser Aufbau, bestehend aus den beiden Drähten 810 mit jeweils dem niederohmigen Gummi 820 und dem dazwischen liegenden Spalt 830, ist von einem hochohmigen Gummi 840 umgeben.An example of a capacitive system is in 8a and 8b shown. In 8a is a sealing profile 800 or a rubber profile with wires incorporated, in which at one end two sensor wires 810 lead into the sealing profile. 8b shows a schematic cross section a part of the sealing profile 800 that includes the sensor. Here are the two sensor wires 810 arranged opposite each other with a distance and each in a low-resistance rubber 820 embedded. Between the rubber in which the first wire is embedded and the rubber in which the second wire is embedded is a gap 830 arranged. This construction, consisting of the two wires 810 each with the low-resistance rubber 820 and the gap between them 830 , is of a high-resistance rubber 840 surround.

Ein weiteres kapazitives Verfahren ist in „ „Profiler 1/04”, Kundenmagazin der Metzeler Automotive Profile Systems, S. 16–17 ” gezeigt.Another capacitive process is in " "Profiler 1/04", customer magazine of the Metzeler Automotive Profile Systems, p. 16-17 "Shown.

Die beiden zuletzt beschriebenen Verfahren haben gemeinsam, dass nur ein einziger – verteilter – Sensor verwendet wird. Die Detektion kann auch an beliebiger Stelle entlang des Gummiprofils erfolgen. Die Auswertung der Messung lässt aber keinen Schluss darauf zu, wo die Störung erfolgt. Es kann nur detektiert werden, dass eine Störung durch einen fremden Gegenstand oder ein gefährdetes Körperteil stattfindet.The Both last described procedures have in common that only a single distributed sensor is used. The detection can also be anywhere along the rubber profile respectively. The evaluation of the measurement leaves no conclusion on where the fault occurs. It can only be detected be that interference by a foreign object or an endangered body part takes place.

In vielen Fällen ist es notwendig, die Position festzustellen, an der eine Störung eintritt. Für solche Anwendungen können die bekannten Systeme mit verteiltem Sensor nicht verwendet werden, da die Position einer Krafteinwirkung bzw. eines Drucks nicht festgestellt werden kann. Nachdem es jedoch oft zu aufwändig ist, mehrere Sensoren einzubringen, wie beispielsweise bei zuvor beschriebenen Vorrichtungen, sollte möglichst mit einem verteilten Sensor gearbeitet werden.In In many cases it is necessary to determine the position at which a fault occurs. For such applications the known systems with distributed sensor can not be used because the position of a force or a Pressure can not be determined. However, it is often too time-consuming is to introduce several sensors, as for example before described devices should, if possible with a be worked distributed sensor.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor bzw. eine Vorrichtung zur Erfassung einer Krafteinwirkung zu schaffen, bei der die Position der Krafteinwirkung auf eine örtlich kontinuierliche Weise, also nicht nur in diskreten Abständen durch eine Vielzahl von Einzelsensoren, bestimmt werden kann.The Object of the present invention is to provide a sensor or a To provide a device for detecting a force, in the position of the force acting in a locally continuous manner, so not only at discrete intervals by a variety of individual sensors, can be determined.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.These Task is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 9 solved.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung, die einen Wellenleiter, dessen Dielektrikum ein elastisches Material aufweist, ein Zeitbereichs-Reflektometrie-System, das mit den Wellenleiter gekoppelt ist, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, die mit dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System gekoppelt ist, umfasst. Dabei ist die Signalverarbeitungseinrichtung ausgelegt, um basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt einer Einkopplung eines Signals von dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System in den Wellenleiter und einem Zeitpunkt eines Empfangs einer Reflexion des Signals eine Position der Krafteinwirkung entlang des Wellenleiters zu bestimmen.One Embodiment according to the invention provides a device for spatially resolved detection a force acting on a waveguide whose dielectric an elastic material, a time domain reflectometry system, which is coupled to the waveguide, and a signal processing device, which is coupled to the time domain reflectometry system. there the signal processing device is designed to be based on a time difference between a time of a coupling of a Signals from the time domain reflectometry system into the waveguide and a time of receipt of a reflection of the signal Determine the position of the force along the waveguide.

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung basieren auf dem Kerngedanken, dass man einen Wellenleiter mit elastischem Dielektrikum als verteilten Sensor verwendet und durch ein Zeitbereichs-Reflektometrie-System Signale durch den Wellenleiter schickt und Reflexionen der Signale auswertet. Dabei führt eine Krafteinwirkung auf den Wellenleiter zu einer Deformation, da das elastische Dielektrikum auf die Krafteinwirkung reagiert und sich verformt, wodurch sich eine lokale Änderung des Wellenwiderstands des Wellenleiters ergibt. Dadurch wird eine Reflexion des in den Wellenleiter eingekoppelten Signals an der Stelle der Krafteinwirkung beeinflusst. Diese Beeinflussung kann durch die Signalverarbeitungseinrichtung festgestellt werden und die Position der Krafteinwirkung kann aus der gemessenen Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt der Einkopplung des Signals von dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System in den Wellenleiter und dem Zeitpunkt des Empfangs der Reflexion des Signals bestimmt werden.embodiments according to the invention are based on the core idea, that a waveguide with elastic dielectric as distributed Sensor used and by a time domain reflectometry system Signals through the waveguide sends and reflections of the signals evaluates. This results in a force on the waveguide to a deformation, since the elastic dielectric on the force reacts and gets deformed, causing a local change the characteristic impedance of the waveguide results. This will be a Reflection of the coupled into the waveguide signal at the Position of the force influence. This influence can be detected by the signal processing device and the position of the force effect can be calculated from the measured time difference between the time of injection of the signal from the time domain reflectometry system in the waveguide and the time of receiving the reflection of the signal.

Es wird somit eine Vorrichtung geschaffen durch die eine ortsaufgelöste Erfassung einer Krafteinwirkung ermöglicht wird, wobei die Position der Krafteinwirkung nicht nur in diskreten Abständen, wie bei Systemen mit einer Vielzahl von verteilten Einzelsensoren, sondern kontinuierlich entlang des Wellenleiters bestimmt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint somit die Vorteile eines verteilten Sensors mit der Möglichkeit einer Ortsauflösung der Position der Krafteinwirkung. Neben der Möglichkeit zur kontinuierlichen Ortsauflösung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber Systemen mit einer Vielzahl von Einzelsensoren den Vorteil eines einfachen Aufbaus und einer kostengünstigen Herstellung.It Thus, a device is created by a spatially resolved Detecting a force is enabled, wherein the position of the force action not only at discrete intervals, as in systems with a large number of distributed individual sensors, but be determined continuously along the waveguide can. The device of the invention combines thus the advantages of a distributed sensor with the possibility a spatial resolution of the position of the force. Next the possibility of continuous spatial resolution has the device according to the invention compared Systems with a variety of individual sensors have the advantage of a simple Construction and a cost-effective production.

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung ausgelegt, um durch einen Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Reflexionen zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgesandte Signale eine Veränderung der Krafteinwirkung zu bestimmen.at some embodiments according to the Invention, the signal processing device is designed to a comparison of the time course of the reflections of two to At different times emitted signals a change in the Force action to determine.

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.embodiments according to the invention, reference will be made below explained in more detail in the accompanying figures.

Es zeigen:It demonstrate:

1a, 1b, 1c eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung einer Krafteinwirkung und zwei Beispiele für einen zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines Signals; 1a . 1b . 1c a schematic representation of a device for spatially resolved measurement of a force and two examples of a time course of a reflection of a sig Nalles;

2 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters; 2 a schematic representation of a waveguide;

3a, 3b, 3c eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung und zwei Beispiele für einen zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines Signals; 3a . 3b . 3c a schematic representation of a device for spatially resolved detection of a force and two examples of a time course of a reflection of a signal;

4 eine schematische Darstellung mehrerer Wellenleiter; 4 a schematic representation of several waveguides;

5 ein Blockschaltbild eines Prinzips eines verteilten Drucksensors nach dem Stand der Technik; 5 a block diagram of a principle of a distributed pressure sensor according to the prior art;

6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur optischen Messung einer Druckverteilung; 6 a schematic representation of a method for optical measurement of a pressure distribution;

7 ein schematischer Querschnitt durch ein Dichtungsprofil; 7 a schematic cross section through a sealing profile;

8a, 8b ein Gummiprofil mit eingearbeiteten Drähten und ein schematischer Querschnitt durch das Gummiprofil; und 8a . 8b a rubber profile with incorporated wires and a schematic cross-section through the rubber profile; and

9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung. 9 a flowchart of a method for the spatially resolved detection of a force.

Die 1a, 1b, 1c zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung und zwei Beispiele für einen zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines Signals. Die Vorrichtung 100 zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung ist in 1a gezeigt und umfasst einen Wellenleiter 110, ein Zeitbereichs-Reflektometrie-System 120 und eine Signalverarbeitungsrichtung 130. Der Wellenleiter 110 weist dabei ein Dielektrikum mit elastischem Material auf. Wie in 1a angedeutet verformt sich der Wellenleiter aufgrund des elastischen Dielektrikums unter einer Krafteinwirkung 102. Durch die Elastizität des Materials des Dielektrikums geht die Verformung bei Nachlassen der Krafteinwirkung 102 wieder in Richtung der ursprünglichen Form (ohne Krafteinwirkung) des Wellenleiters 110 zurück.The 1a . 1b . 1c show a schematic representation of a device 100 for spatially resolved detection of a force according to an embodiment according to the invention and two examples of a time course of a reflection of a signal. The device 100 for the spatially resolved detection of a force is in 1a and includes a waveguide 110 , a time domain reflectometry system 120 and a signal processing direction 130 , The waveguide 110 has a dielectric with elastic material. As in 1a indicated waveguide deforms due to the elastic dielectric under a force 102 , Due to the elasticity of the material of the dielectric, the deformation occurs upon release of the force 102 again in the direction of the original shape (without force) of the waveguide 110 back.

Das Zeitbereichs-Reflektometrie-System 120 ist mit dem Wellenleiter 110 gekoppelt und dazu ausgelegt, ein Signal in den Wellenleiter 110 einzukoppeln und Reflexionen des Signals zu empfangen.The time domain reflectometry system 120 is with the waveguide 110 coupled and designed to send a signal into the waveguide 110 and receive reflections of the signal.

Des Weiteren ist die Signalverarbeitungseinrichtung 130 mit dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System 120 gekoppelt und ausgelegt, um basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt einer Einkopplung eines Signals von dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System 120 in den Wellenleiter 110 und einem Zeitpunkt eines Empfangs einer Reflexion des Signals eine Position 104 der Krafteinwirkung 102 entlang des Wellenleiters 110 zu bestimmen.Furthermore, the signal processing device 130 with the time domain reflectometry system 120 coupled and configured to be based on a time difference between a time of injection of a signal from the time domain reflectometry system 120 in the waveguide 110 and a time of reception of a reflection of the signal of a position 104 the force effect 102 along the waveguide 110 to determine.

Dazu ist in 1b ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines Signals unter Einwirkung einer Kraft auf dem Wellenleiter 110 in Form eines Spannungs-Zeit-Diagramms 180 dargestellt. Zum Zeitpunkt 182 des Einkoppelns des Signals in den Wellenleiter 110 steigt die Spannung an. Am Ort 104 der Krafteinwirkung 102 bzw. der daraus resultierenden Verformung des Wellenleiters 110 wird je nach Art der Verformung und damit der Änderung des Wellenwiderstands des Wellenleiters 110 mehr oder weniger Anteile des Signals reflektiert. Dieser reflektierte Anteil des Signals erreicht nach einer Zeit die der Laufzeit des Signals bis zum Ort 104 der Krafteinwirkung 102 und wieder zurück entspricht das Ende des Wellenleiters 110 an dem das Signal auch eingekoppelt wurde. Dadurch kann die Signalverarbeitungseinrichtung 130 aus der Zeitdifferenz 106 zwischen der Einkopplung des Signals und dem Empfang der Reflexion des Signals die Position 104 der Krafteinwirkung 102 bestimmen. Des Weiteren zeigt Diagramm 180 für einen späteren Zeitpunkt 186 einen weiteren Anstieg der Spannung, der der Reflexion des Signals, an dem Ende des Wellenleiters 110 an dem das Signal nicht eingekoppelt wurde, entspricht.This is in 1b an example of the time course of a reflection of a signal under the action of a force on the waveguide 110 in the form of a voltage-time diagram 180 shown. At the time 182 the coupling of the signal into the waveguide 110 the voltage increases. Locally 104 the force effect 102 or the resulting deformation of the waveguide 110 Depending on the type of deformation and thus the change in the wave resistance of the waveguide 110 reflected more or less portions of the signal. This reflected portion of the signal reaches the time of the signal to the location after a time 104 the force effect 102 and back again corresponds to the end of the waveguide 110 where the signal was also injected. As a result, the signal processing device 130 from the time difference 106 between the coupling of the signal and the receipt of the reflection of the signal the position 104 the force effect 102 determine. Furthermore, diagram shows 180 for a later date 186 a further increase in the voltage, the reflection of the signal, at the end of the waveguide 110 where the signal was not injected, corresponds.

Zum Vergleich zeigt dazu 1c ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines Signals ohne Einwirkung einer Kraft auf dem Wellenleiter 110 in Form eines Spannungs-Zeit-Diagramms 190.For comparison shows 1c an example of a time course of a reflection of a signal without the action of a force on the waveguide 110 in the form of a voltage-time diagram 190 ,

Die in 1b und 1c gezeigten Diagramme 180, 190 sind schematische Darstellungen eines möglichen zeitlichen Verlaufs. Der tatsächliche zeitliche Verlauf ist abhängig vom Wellenwiderstand des Wellenleiters 110 und wird daher beispielsweise durch die Form des Wellenleiters 110 und durch die verwendeten Materialien beeinflusst.In the 1b and 1c shown diagrams 180 . 190 are schematic representations of a possible time course. The actual time course depends on the characteristic impedance of the waveguide 110 and therefore becomes, for example, by the shape of the waveguide 110 and influenced by the materials used.

Durch die Vorrichtung 100 kann die Position 104 der Krafteinwirkung 102 auf örtlich kontinuierliche Weise in einfacher Art bestimmt werden.Through the device 100 can the position 104 the force effect 102 be determined in a locally continuous manner in a simple manner.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wellenleiters 110 bzw. einen schematischen Querschnitt durch die Leitung entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Der Wellenleiter 110 umfasst einen ersten Draht 210, einen zweiten Draht 220 und ein elastisches Dielektrikum 230. Das Dielektrikum 230 ist beispielsweise rechteckig ausgeführt und die beiden Drähte sind mit einem Abstand zueinander an zwei gegenüberliegenden Seiten des Dielektrikums 230 in das Dielektrikum 230 eingebettet. Eine Verformung des elastischen Dielektrikums 230 unter einer Krafteinwirkung führt daher zu einer Änderung des Abstands zwischen den beiden Drähten und somit zu einer lokalen Änderung des Wellenwiderstands des Wellenleiters 110. 2 shows a schematic representation of a waveguide 110 or a schematic cross section through the line according to an embodiment of the invention. The waveguide 110 includes a first wire 210 , a second wire 220 and an elastic dielectric 230 , The dielectric 230 is for example rectangular and the two wires are with a Spaced apart on two opposite sides of the dielectric 230 in the dielectric 230 embedded. A deformation of the elastic dielectric 230 Therefore, under a force action leads to a change in the distance between the two wires and thus to a local change in the characteristic impedance of the waveguide 110 ,

Des Weiteren sind in 2 beispielhafte Werte für die Dimensionen des Wellenleiters 110 und der beiden Drähte 210, 220 in Millimetern angegeben.Furthermore, in 2 exemplary values for the dimensions of the waveguide 110 and the two wires 210 . 220 in millimeters.

Die 3a, 3b und 3c zeigen eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 300 zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung 102 und zwei Beispiele für einen zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines Signals entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. In 3a ist der Wellenleiter 110 durch zwei Leitungen 312, 314 mit elastischem Dielektrikum und einer Verformung des Leiters 312 der mit dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System (Leitung als verteilter Drucksensor) verbunden ist unter der Krafteinwirkung 102 bzw. unter einem lokalen Druck dargestellt.The 3a . 3b and 3c show a schematic representation of a device 300 for the spatially resolved detection of a force 102 and two examples of a time course of a reflection of a signal according to an embodiment of the invention. In 3a is the waveguide 110 through two lines 312 . 314 with elastic dielectric and a deformation of the conductor 312 which is connected to the time domain reflectometry system (line as distributed pressure sensor) under the action of force 102 or under a local pressure.

Des Weiteren ist eine Pulsspannungsquelle 122 und ein Innenwiderstand 126 des Zeitbereichs-Reflektometrie-Systems gezeigt, wobei die Pulsspannungsquelle 122 über den Innenwiderstand 126 mit einer Leitung 312 des Wellenleiters 110 verbunden ist.Furthermore, a pulse voltage source 122 and an internal resistance 126 of the time domain reflectometry system, wherein the pulse voltage source 122 over the internal resistance 126 with a line 312 of the waveguide 110 connected is.

Die Position der Krafteinwirkung 102 kann nach demselben Prinzip wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ermittelt werden. Entsprechend den beiden Beispielen für einen zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines Signals, die in 1b und 1c dargestellt sind, sind ähnliche Beispiele in den 3b und 3c gezeigt. 3b zeigt diesmal einen möglichen Signalverlauf ohne Krafteinwirkung 102 bzw. ohne lokalen Druck. In dem Spannungs-Zeit-Diagramm 380 ist gezeigt wie eine Spannung U(t) zu einem Zeitpunkt 182 des Aussendens des Signals auf eine Spannung U/2 ansteigt und nach einem konstanten Verlauf zum Zeitpunkt 186 des Empfangs der Reflexion des Signals von dem nicht mit dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System verbundenen Ende des Wellenleiters auf eine Spannung U ansteigt.The position of the force 102 can follow the same principle as the one in 1 shown embodiment can be determined. Corresponding to the two examples of a time course of a reflection of a signal, which in 1b and 1c are similar examples in the 3b and 3c shown. 3b This time shows a possible waveform without force 102 or without local pressure. In the voltage-time diagram 380 is shown as a voltage U (t) at a time 182 the transmission of the signal rises to a voltage U / 2 and after a constant course at the time 186 the reception of the reflection of the signal from the end of the waveguide not connected to the time domain reflectometry system rises to a voltage U.

Im Vergleich dazu zeigt 3c einen zeitlichen Verlauf während einer Krafteinwirkung 102 auf den Wellenleiter 110. In dem Spannungs-Zeit-Diagramm 390 ist zu einem Zeitpunkt 184 der einer Laufzeit des Signals vom Anfang des Wellenleiters 110 bis zu der Position 104 der Krafteinwirkung 102 und wieder zurück entspricht, ein Abfall der Spannung gezeigt. Durch diese Information kann wiederum durch die Signalverarbeitungseinrichtung 130 die Position der Krafteinwirkung 102 entlang des Wellenleiters 110 bestimmt werden.In comparison shows 3c a time course during a force 102 on the waveguide 110 , In the voltage-time diagram 390 is at a time 184 that of a transit time of the signal from the beginning of the waveguide 110 up to the position 104 the force effect 102 and back again, a drop of tension is shown. By this information, in turn, by the signal processing means 130 the position of the force 102 along the waveguide 110 be determined.

Die in 3b und 3c gezeigten Diagramme 380, 390 sind schematische Darstellungen eines möglichen zeitlichen Verlaufs. Der tatsächliche zeitliche Verlauf ist abhängig vom Wellenwiderstand des Wellenleiters 110 und wird daher beispielsweise durch die Form des Wellenleiters 110 und durch die verwendeten Materialien beeinflusst.In the 3b and 3c shown diagrams 380 . 390 are schematic representations of a possible time course. The actual time course depends on the characteristic impedance of the waveguide 110 and therefore becomes, for example, by the shape of the waveguide 110 and influenced by the materials used.

In 3a sind nur der Wellenleiter und ein Teil des Zeitbereichs-Reflektometrie-Systems dargestellt. Die Anordnung und Funktion der Signalverarbeitungseinrichtung und des Zeitbereichs-Reflektometrie-Systems als Ganzes können der Beschreibung der in 1 gezeigten Vorrichtung entnommen werden.In 3a only the waveguide and part of the time domain reflectometry system are shown. The arrangement and function of the signal processing device and the time domain reflectometry system as a whole can be understood from the description of in 1 taken from the device shown.

4 zeigt eine schematische Darstellung 400 mehrerer Wellenleiter 110 entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Die Wellenleiter 110 sind dabei als latexvergossene 2-Draht-Leitungen ausgeführt. An einem Ende der Wellenleiter 110 sind jeweils die zwei Drahtleitungen 410 nach außen geführt um eine Verbindung mit einem Zeitbereichs-Reflektometrie-System zu ermöglichen. 4 shows a schematic representation 400 several waveguides 110 according to an embodiment according to the invention. The waveguides 110 are designed as latex molded 2-wire cables. At one end of the waveguide 110 are each the two wire lines 410 led to the outside to allow connection to a time domain reflectometry system.

Die zwei Drähte 410 des Wellenleiters weisen beispielsweise einen Durchmesser von 0,2 mm und einen Abstand von 0,2 mm auf.The two wires 410 of the waveguide, for example, have a diameter of 0.2 mm and a spacing of 0.2 mm.

Das Beispiel kann eine mögliche Realisierung eines Drucksensors bzw. Sensors als Wellenleiter zur Erfassung einer Krafteinwirkung sein.The Example may be a possible realization of a pressure sensor or sensor as a waveguide for detecting a force be.

9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung entsprechend einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Das Verfahren 900 umfasst ein Bereitstellen 910 eines Wellenleiters, dessen Dielektrikum ein elastisches Material aufweist, ein Bereitstellen 920 eines Zeitbereichs-Reflektometrie-Systems, das mit dem Wellenleiter gekoppelt ist, und ein Bereitstellen 930 einer Signalverarbeitungseinrichtung, die mit dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System gekoppelt ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren 900 ein Einkoppeln 940 eines Signals von dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System in den Wellenleiter und ein Empfangen 950 einer Reflexion des Signals. Danach erfolgt ein Bestimmen 960 einer Position der Krafteinwirkung entlang des Wellenleiters basierend auf einer Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt der Einkopplung des Signals und einem Zeitpunkt des Empfangs einer Reflexion des Signals. 9 shows a flowchart of a method 900 for spatially resolved detection of a force according to an embodiment of the invention. The procedure 900 includes a provision 910 a waveguide whose dielectric comprises an elastic material, providing 920 a time domain reflectometry system coupled to the waveguide and providing 930 a signal processor coupled to the time domain reflectometry system. Furthermore, the method includes 900 a coupling 940 a signal from the time domain reflectometry system into the waveguide and receive 950 a reflection of the signal. Thereafter, a determination is made 960 a position of the force along the waveguide based on a time difference between a time of coupling of the signal and a time of receiving a reflection of the signal.

Mit Hilfe der Zeitbereichs-Reflektometrie oder Puls-Reflektometrie (englisch: „time domain reflectometry”, TDR) kann nicht nur festgestellt werden, wenn eine lokale Änderung des Wellenwiderstands eintritt, sondern auch der Ort entlang der Leitung wo dies der Fall ist.With the help of time domain reflectometry or time domain reflectometry (TDR) it can not only be stated that when a local change of the characteristic impedance occurs, but also the location along the line where this is the case.

Dieses Verfahren ist beispielsweise in der Energie- und Telekommunikationsindustrie weit verbreitet um die Güte von Kabel zur Energie- oder Datenübertragung zu bestimmen oder Fehler in den Leitungen zu lokalisieren. Auch in der Geologie wird dieses Verfahren angewandt, um z. B. Bodeneigenschaften zu bestimmen, ohne Grabungen durchführen zu müssen. Damit kann beispielsweise der Wassergehalt des Bodens entlang der verwendeten Elektrode bestimmt werden (wie beispielsweise in „ Scheuermann A., J. Brauns, S. Schlaeger, R. Becker, C Hübner: „Monitoring von Dämmen und Deichen mittels TDR”; http://www.smg.uni-karlsruhe.de/~stefan/Pubs/FT_2002_Weimar.pdf ”).This method is widely used, for example, in the energy and telecommunications industries to determine the quality of cables for power or data transmission or to locate faults in the lines. Also in geology, this method is used to z. B. to determine soil properties without having to perform excavations. Thus, for example, the water content of the soil along the electrode used can be determined (as in " Scheuermann A., J. Brauns, S. Schlaeger, R. Becker, C Hübner: "Monitoring of dams and dykes by means of TDR"; http://www.smg.uni-karlsruhe.de/~stefan/Pubs/FT_2002_Weimar.pdf ").

Ein solches TDR-System bzw. Zeitbereichs-Reflektometrie-System ist auch beispielsweise geeignet Materialeigenschaften wie die Dielektrizitätskonstante oder die magnetische Permeabilität zu bestimmen. Bei einem ungeschirmten Wellenleiter (z. B. Zweidraht-Leitung) kann außerdem erkannt werden, wenn die Umgebung der Leitung verändert wird. Dies kann z. B. sein, dass Wasser die Leitung umgibt oder Gegenstände mit dielektrischen Eigenschaften in die Nähe der Leitung kommen, die die effektive Dielektrizitätskonstante ε_r,eff der Leitung lokal verändert.Such a TDR system or time domain reflectometry system is also suitable, for example, to determine material properties such as the dielectric constant or the magnetic permeability. An unshielded waveguide (eg, a two-wire line) can also be detected when the environment of the line is changed. This can be z. For example, water may surround the conduit or objects with dielectric properties near the conduit may locally change the effective dielectric constant ε _{r, eff of} the _conduit .

Bei der Verwendung des Systems in einer Vorrichtung zur Erfassung einer Krafteinwirkung bzw. zur Druckerfassung wird beispielsweise eine geometrische Veränderung des Wellenleiters bzw. des Leitersystems verwendet um eine Krafteinwirkung bzw. eine mechanische Belastung zu detektieren. Dafür kann als Dielektrikum der Leitung ein elastisches, bzw. flexibles Material verwendet werden, das sich unter Krafteinwirkung bzw. bei mechanischer Belastung verformt und wieder in die Ausgangslage bzw. in Richtung der Ausgangslage zurückkehrt, wenn es entlastet wird. Eine Krafteinwirkung bzw. eine mechanische Belastung (Druck) kann dadurch detektiert werden, dass der Abstand von zum Beispiel zwei Drähten variiert wird und sich folglich beispielsweise der Kapazitätsbelag und damit auch der Wellenwiderstand der Leitung an dieser Stelle ändert.

Z_W:: Wellenwiderstand;
L':: Induktivitäts-Belag;
C':: Kapazitäts-Belag;
c₀:: Vakuum-Lichtgeschwindigkeit;
v:: Signal-Ausbreitungs-Geschwindigkeit = Lichtgeschwindigkeit im Medium
μ:: magnetische Permeabilität
ε:: Dielektrizitäts-Konstante
μ_r:: Permeabilitätszahl
ε_r:: Permittivitätszahl

When using the system in a device for detecting a force or for pressure detection, for example, a geometric change of the waveguide or the conductor system is used to detect a force or a mechanical load. For this purpose, as the dielectric of the line, an elastic or flexible material can be used, which deforms under the action of force or under mechanical load and returns to the initial position or in the direction of the initial position when it is relieved. A force or a mechanical load (pressure) can be detected that the distance is varied, for example, two wires and thus, for example, the capacitance and thus the characteristic impedance of the line changes at this point.

Z _W:: Impedance;
L ':: Inductance covering;
C ':: Capacity surface;
c ₀ :: Vacuum velocity of light;
v:: Signal propagation speed = speed of light in the medium
μ:: magnetic permeability
ε:: Dielectric constant
μ _r:: permeability
ε _r:: permittivity

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung ausgelegt, um einen zeitlichen Verlauf der Reflexion eines Signals zu speichern und mit einem zeitlichen Verlauf einer Reflexion eines weiteren Signals zu vergleichen, um basierend auf einem unterschiedlichen zeitlichen Verlauf zwischen der Reflexion des Signals und der Reflexion des weiteren Signals eine Veränderung der Krafteinwirkung zu detektieren.at some embodiments according to the Invention, the signal processing device is designed to a temporal Course of reflection of a signal store and with a time course to compare based on a reflection of another signal on a different time course between the reflection the signal and the reflection of the further signal a change to detect the force.

Durch die Detektion der zeitlichen Veränderung der Krafteinwirkung ist es beispielsweise möglich das Langzeitverhalten von Materialien, wie beispielsweise Dichtungen zu überwachen. So kann beispielsweise eine Abnutzung oder Verhärtung von Dichtungen im Laufe der Zeit festgestellt werden.By the detection of the temporal change of the force Is it possible, for example, the long-term behavior of To monitor materials such as gaskets. For example, a wear or hardening of seals be determined over time.

Eine Möglichkeit den zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung zu untersuchen, ist es beispielsweise in kontinuierlichen Abständen ein Signal in dem Wellenleiter einzukoppeln und die Reflexion des Signals zu speichern. Durch die Auswertung der gespeicherten Daten von den unterschiedlichen Signalen kann der zeitliche Verlauf bestimmt werden.A Possibility the temporal course of the force effect it is, for example, in continual intervals to couple a signal in the waveguide and the reflection of the Save signal. By evaluating the stored data from the different signals, the time course can be determined become.

Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung von Dichtungsprofilen von Klappenarmaturen. Dabei geht es beispielsweise nicht nur um die Detektion von störenden Gegenständen, sondern auch um die Abnutzung bzw. den Verschleiß des Dichtungsprofils selbst. Bei zunehmender Abnutzung kann davon ausgegangen werden, dass der Druck auf die Dichtung abnimmt, so dass eine bevorstehende Undichtheit bereits vorzeitig erkannt werden kann.Some Embodiments according to the invention refer to a device for monitoring Sealing profiles of flap valves. This is for example not only about the detection of disturbing objects, but also the wear or the wear of the sealing profile itself. With increasing wear, it can be assumed that the pressure on the seal decreases, leaving an imminent Leakage can be detected early.

Einige weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung, die als Überwachungssystem zur Detektion von Materialveränderungen ausgelegt ist. Beispielsweise bei Dichtungen kann neben mechanischem Abrieb auch die Eindiffusion von Fremdstoffen (Gase, Flüssigkeiten) aber auch die Ausdiffusion von Bestandteilen der Dichtung (z. B. chemische Weichmacher) wesentlich die Dichtigkeit einer Armatur beeinflussen. Diese Materialveränderungen können dazu führen, dass der Druck auf die Dichtung abnimmt. Diese Änderung der Krafteinwirkung kann durch die Vorrichtung detektiert werden.Some further embodiments according to the The invention relates to a device used as a monitoring system designed for the detection of material changes. For example, in seals in addition to mechanical abrasion and the Indiffusion of foreign matter (gases, liquids) but also the outdiffusion of components of the seal (eg chemical Plasticizer) significantly affect the tightness of a valve. These material changes can cause that the pressure on the seal decreases. This change the force can be detected by the device.

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung ausgelegt, um als Drucksensor eingeklemmte Fremdkörper (höherer Druck auf die Dichtung bzw. Änderung der Krafteinwirkung) und auch Abnutzung der Dichtung (Abnahme des Drucks durch die Klappe bzw. Abnahme der Krafteinwirkung) zu detektieren und zu lokalisieren. Die Verwendung einer Vorrichtung mit einem verteilten Sensor ist dabei wesentlich weniger aufwändig als beispielsweise ein System mit mehreren Sensoren.In some embodiments according to the invention, the device is designed to be a foreign body clamped as a pressure sensor (higher Pressure on the seal or change in the force) and also wear of the seal (decrease in pressure through the flap or decrease in the force) to detect and locate. The use of a device with a distributed sensor is much less expensive than, for example, a system with multiple sensors.

Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen einen Wellenleiter, dessen Dielektrikum neben den definierten elektrischen Eigenschaften auch definierte mechanische Kerngrößen (beispielsweise den Elastizitätsmodul) aufweist. Dadurch wird eine Krafteinwirkung bzw. ein Druck auf die Leitung in eine Änderung der Geometrie der Leitung überführt. Mit der Geometrie ändert sich beispielsweise der Kapazitätsbelag und damit auch der Wellenwiderstand der Leitung am Ort der mechanischen Verformung.Some Embodiments according to the invention comprise a waveguide whose dielectric adjacent to the defined electrical properties also defined mechanical core sizes (for example the modulus of elasticity). This is a force or a pressure on the line in a change of geometry transferred to the line. With the geometry changes For example, the capacity floor and thus also the characteristic impedance of the line at the location of the mechanical deformation.

Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen Elastomere (Gummi), die als Dichtungsmaterial beispielsweise in Klappenarmaturen verwendet werden und an sich schon Materialien mit geeigneten Eigenschaften (als Dielektrikum für den Wellenleiter) aufweisen. Werden zwei Drähte in die Dichtung eingearbeitet, dann kann eine Krafteinwirkung bzw. eine mechanische Belastung (Druck) dadurch detektiert werden, dass der Abstand der Drähte variiert wird und sich folglich der Kapazitätsbelag und damit auch der Wellenwiderstand der Leitung an dieser Stelle ändert. In anderen Worten, bei Dichtungen die aus einem elastischen Material bestehen kann durch die Integration von zwei Drähten ein Wellenleiter geschaffen werden der dann Bestandteil der Vorrichtung zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung sein kann.Some Embodiments according to the invention include elastomers (rubbers) used as sealing material, for example used in valve fittings and in itself materials with suitable properties (as a dielectric for the waveguide) exhibit. If two wires are worked into the seal, then a force or a mechanical load (pressure) be detected by the distance of the wires varies and, consequently, the capacity level and so that the characteristic impedance of the line changes at this point. In other words, in seals made of an elastic material can exist through the integration of two wires Waveguides are created then the component of the device be for spatially resolved detection of a force can.

Es ist jedoch nicht immer möglich, Drähte in das Volumen des Dichtungsrings bzw. einer Dichtung einzubringen. Dann kann auch ein externer Sensor bzw. ein externen Wellenleiter realisiert werden, bei dem das Dielektrikum mechanisch deutlich weicher ist, als das Material des zu vermessenden Körpers, so dass der Druck bzw. die Krafteinwirkung im Wesentlichen vom Probenkörper bzw. dem Dichtungsring an den Sensor bzw. den Wellenleiter weitergeleitet wird und damit eine Verformung der Messleitung bzw. des Wellenleiters und nicht des Probenkörpers bzw. des Dichtungsrings verursacht wird. Damit kann beispielsweise der Signalhub maximal werden.It However, it is not always possible to have wires in it Volume of the sealing ring or a seal to bring. Then can also be realized an external sensor or an external waveguide in which the dielectric is significantly softer mechanically, as the material of the body to be measured, so that the Pressure or the force mainly from the specimen or the sealing ring forwarded to the sensor or the waveguide and thus a deformation of the measuring line or the waveguide and not caused by the specimen or the seal ring becomes. Thus, for example, the signal swing can be maximum.

Bei der Variante mit hinterlegtem Messleiter bzw. externem Wellenleiter muss der Probenkörper (Dichtung) nicht mit Drähten versehen werden, was einen einfachen Aufbau zur Folge hat. Mit so einem System kann auch eine bereits vorhandene Einrichtung nachgerüstet werden.at the variant with deposited measuring conductor or external waveguide the specimen (gasket) does not need wires be provided, resulting in a simple structure. With so A system can also be retrofitted to an existing facility become.

Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein System zur positionsabhängigen Druckmessung bzw. zur ortsaufgelösten Erfassung einer Krafteinwirkung, das einen Pulsgenerator mit Signalaufzeichnung im Zeitbereich (TDR-System) und einen elektrischen Wellenleiter als verteilten Drucksensor umfasst, wobei das Dielektrikum des Wellenleiters aus einem elastischen Material (z. B. Silikon, Latex, Elastomer) besteht. Durch das elastische Material lässt sich der Wellenleiter durch Druck bzw. Krafteinwirkung geometrisch verformen, was sich als lokale Änderung des Wellenwiderstands äußert.Some Embodiments according to the invention refer to a system for position-dependent pressure measurement or for the spatially resolved detection of a force, the one pulse generator with signal recording in the time domain (TDR system) and comprises an electrical waveguide as a distributed pressure sensor, wherein the dielectric of the waveguide made of an elastic material (eg silicone, latex, elastomer). By the elastic Material can be the waveguide by pressure or force deforming geometrically, which turns out to be a local change of the Characteristic impedance expresses.

Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung, bei der der Wellenleiter zwei Drähte und ein Dielektrikum oder einen Draht gegen eine definierte Umgebung und ein Dielektrikum aufweist. In anderen Worten, ein Wellenleiter kann beispielsweise einen Draht, der in ein elastisches Dielektrikum eingebettet ist, aufweist, wobei der zweite Draht durch eine definierte Oberfläche ersetzt werden kann auf die der Wellenleiter in der Anwendung aufgebracht wird.Some Embodiments according to the invention refer to a device in which the waveguide two Wires and a dielectric or a wire against a having defined environment and a dielectric. In other words, a waveguide can, for example, a wire that is in an elastic Dielectric is embedded, wherein the second wire through a defined surface can be replaced on the the waveguide is applied in the application.

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung ist es durch die beschriebene Vorgehensweise bzw. durch die beschriebene Vorrichtung möglich, mechanische Verformungen des Sensors bzw. des Wellenleiters durch eine Druckbelastung bzw. eine Krafteinwirkung zu detektieren, was zunächst prinzipiell auch bei Anwendungen des Stands der Technik möglich ist. Zusätzlich ist es aber auch möglich den Ort der Verformung zu lokalisieren. Außerdem kann gleichzeitig beispielsweise der Zustand des Materials überwacht werden. Dies ist theoretisch auch bei einer kapazitiven Auswertung möglich, aber in der Praxis kann (bei einer kapazitiven Auswertung) nicht zwischen einer Signaländerung aufgrund einer Verformung und einer Signaländerung aufgrund von Materialveränderungen unterschieden werden.at some embodiments according to the Invention, it is by the procedure described or by the device described possible mechanical deformations of the sensor or the waveguide by a pressure load or to detect a force, which initially, in principle is also possible in applications of the prior art. In addition, it is also possible the place of Locate deformation. Besides, at the same time For example, the condition of the material can be monitored. This is theoretically possible even with a capacitive evaluation, but in practice can not (in a capacitive evaluation) between a signal change due to deformation and a signal change due to material changes be differentiated.

Bei der Auswertung mit TDR-Verfahren wirkt sich eine lokale Verformung nur auf die Amplitude des Signals an der entsprechenden Stelle aus, wogegen sich eine Materialänderung sowohl auf die Amplitude als auch auf die Laufzeit auswirkt. Die Ursache kann also unterschieden werden.at the evaluation with TDR method affects a local deformation only on the amplitude of the signal at the appropriate location, whereas there is a change in material both in amplitude as well as on the term. The cause can therefore be distinguished become.

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann aufgrund des weichen Dielektrikums die Leitung leicht mechanisch verformt werden, so dass bereits ein Druck mit dem Finger auf die Leitung bzw. dem Wellenleiter einen deutlichen Signalhub verursacht. Es kann deutlich detektiert werden, an welcher Stelle der Leitung der Druck aufgebracht wird.at some embodiments according to the Invention can easily lead due to the soft dielectric be mechanically deformed, so that already a pressure with the finger on the line or the waveguide a significant signal swing caused. It can be clearly detected at which point the line of pressure is applied.

Solche Leiter bzw. Wellenleiter werden beispielsweise in Klappenarmaturen hinter die Dichtung gelegt, so dass ein Druck auf die Dichtung, die deutlich härter ist, im Wesent lichen 1:1 auf dem Wellenleiter bzw. z. B. den Latexsensor (Wellenleiter mit Dielektrikum aus Latex) übertragen wird. Fremdkörper, die zwischen Klappe und Dichtung eingeklemmt sind, können damit deutlich registriert werden.Such conductors or waveguides are, for example, in flap valves behind the seal placed so that a pressure on the seal, which is significantly harder, in wesent union 1: 1 on the waveguide or z. B. the latex sensor (waveguide dielectric with latex) is transmitted. Foreign objects that are trapped between the flap and the seal can thus be clearly registered.

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung weist der Wellenleiter zwischen zwei Drähten ein elastisches Dielektrikum mit homogenen Materialeigenschaften auf. In anderen Worten, zwischen den beiden Drähten befindet sich nur genau ein Material und es ist kein Spalt oder Leerraum zwischen den beiden Drähten angeordnet.at some embodiments according to the Invention, the waveguide between two wires an elastic dielectric with homogeneous material properties on. In other words, located between the two wires just one material and there is no gap or space arranged between the two wires.

Einige weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung weisen mehr als einen Wellenleiter auf, die über eine Auswahleinheit mit dem Zeitbereichs-Reflektometrie-System bzw. TDR-System gekoppelt sind. Dadurch kann beispielsweise durch eine Anordnung von mehreren Wellenleitern neben und/oder übereinander eine zweidimensional ortsaufgelöste Erfassung eine Krafteinwirkung realisiert werden.Some further embodiments according to the Invention have more than one waveguide over a selection unit with the time domain reflectometry system or TDR system are coupled. As a result, for example, by a Arrangement of several waveguides next to and / or one above the other a two-dimensional spatially resolved detection of a force will be realized.

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung kann durch Auswertung der Reflexion eines Signals, das in einen Wellenleiter ohne Krafteinwirkung eingekoppelt wurde, und der Reflexion eines Signals, das in einen Wellenleiter mit einer Krafteinwirkung von bekannter Größe eingekoppelt wurde, die Vorrichtung kalibriert werden, um später eine Aussage über die Größe einer unbekannten Krafteinwirkung machen zu können.at some embodiments according to the Invention can by evaluating the reflection of a signal, the was coupled into a waveguide without a force, and the reflection of a signal in a waveguide with a Force input of known size coupled The device was later calibrated to a statement make the size of an unknown force to be able to.

Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung umfasst das Zeitbereichs-Reflektometrie-System unter anderem einen Pulsgenerator, einen Empfänger und eine Signalaufzeichnungseinheit. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann optional direkt in das Zeitbereichs-Reflektometrie-System integriert sein.at some embodiments according to the Invention includes the time domain reflectometry system among others a pulse generator, a receiver and a signal recording unit. The signal processing device can optionally be integrated directly into the time domain reflectometry system be.

Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung von Alterung, Leckagen und eingeklemmten Fremdkörpern in Klappenarmaturen oder anderen Einrichtungen bei denen Dichtungen verwendet werden und/oder Gegenstände oder Körperteile eingeklemmt werden können.Some Embodiments according to the invention refer to a device for monitoring Aging, leaks and trapped debris in butterfly valves or other devices where seals are used and / or objects or body parts pinched can be.

Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten, das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.Especially It should be noted that, depending on the circumstances, the scheme according to the invention can also be implemented in software can. The implementation can be done on a digital storage medium, in particular a floppy disk or a CD with electronically readable Control signals are made that way with a programmable computer system can cooperate that the appropriate procedure is performed. Generally, the invention thus consists also in a computer program product with on a machine-readable Carrier stored program code to carry out the inventive method, when the computer program product runs on a computer. In other words, can the invention thus as a computer program with a program code to implement the method, if the computer program product runs on a computer.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10333136 A1 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Scheuermann A., J. Brauns, S. Schlaeger, R. Becker, C Hübner: "Monitoring of dams and dykes by means of TDR"; http://www.smg.uni-karlsruhe.de/~stefan/Pubs/FT_2002_Weimar.pdf [0051]

Claims

Contraption ( 100 . 300 ) for the spatially resolved detection of a force ( 102 ) having the following features: a waveguide ( 110 ) whose dielectric has an elastic material; a time-domain reflectometry system ( 120 ) connected to the waveguide ( 110 ) is coupled; and a signal processing device ( 130 ) using the time domain reflectometry system ( 120 ) and is designed to be based on a time difference ( 106 ) between a time ( 182 ) a coupling of a signal from the time domain reflectometry system ( 120 ) in the waveguide ( 110 ) and a time ( 184 ) receiving a reflection of the signal a position ( 104 ) of the force ( 102 ) along the waveguide ( 110 ).

A device for the spatially resolved detection of a force according to claim 1, wherein the waveguide ( 110 ) comprises two wires, wherein the two wires have a distance from each other and are integrated in or on the elastic dielectric.

Device for spatially resolved detection A force according to claim 2, wherein the dielectric between the two wires homogeneous material properties having.

A device for the spatially resolved detection of a force according to claim 1, wherein the waveguide ( 110 ) has a wire as a first conductor, which is integrated in or on the elastic dielectric, and in which the waveguide ( 110 ) is designed to use a surface on which the waveguide is attached as a second conductor.

A device for the spatially resolved detection of a force according to any one of claims 1 to 4, comprising a further waveguide, which with the time domain reflectometry system ( 120 ), the waveguide ( 110 ) or the further waveguide can be selected via a selection unit.

A device for the spatially resolved detection of a force according to one of claims 1 to 5, wherein the signal processing device ( 130 ) is adapted to store a time course of the reflection of the signal and to compare it with a time course of a reflection of a further signal, based on a different time profile between the reflection of the signal and the reflection of the further signal, a change in the force ( 102 ) to detect.

A device for the spatially resolved detection of a force according to one of claims 1 to 6, wherein the signal processing device ( 130 ) by an evaluation of the change in the force ( 102 ) a change of material properties of the dielectric of the waveguide ( 110 ) or materials of components connected to the waveguide ( 110 ) are directly or indirectly connected to detect.

A device for the spatially resolved detection of a force according to any one of claims 1 to 7, wherein the time domain reflectometry system ( 120 ) comprises a pulse generator, a receiver and a signal recording unit.

Procedure ( 900 ) for the spatially resolved detection of a force ( 102 ) with the following steps: providing ( 910 ) of a waveguide ( 110 ) whose dielectric has an elastic material; Provide ( 920 ) of a time domain reflectometry system ( 120 ) connected to the waveguide ( 110 ) is coupled; Provide ( 930 ) a signal processing device ( 130 ) using the time domain reflectometry system ( 120 ) is coupled; Coupling ( 940 ) of a signal from the time domain reflectometry system ( 120 ) in the waveguide ( 110 ); Receive ( 950 ) a reflection of the signal; and determining ( 960 ) of a position ( 104 ) of the force ( 102 ) along the waveguide ( 110 ) based on a time difference ( 106 ) between a time ( 182 ) the coupling of the signal from the time domain reflectometry system ( 120 ) in the waveguide ( 110 ) and a time ( 184 ) receiving the reflection of the signal.

Method for the spatially resolved detection of a force according to claim 9, comprising the following further steps: storing a time profile of the reflection of the signal; and comparing the stored course of the reflection of the signal with a time course of a reflection of another signal, in order to determine a change in the action of force based on a different time profile between the re flexion of the signal and the reflection of the further signal ( 102 ).

Computer program with a program code for execution The method of claim 9 when the computer program is on a computer or microcontroller expires.