DE4407369A1 - Transition time measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitmessung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der Laufzeitmes sung und deren Verwendung.The invention relates to a method for measuring the transit time according to the features of the preamble of claim 1 and a circuit arrangement for performing the runtime measurement solution and its use.
Verfahren zur Laufzeitmessung sind allgemein bekannt und werden in großem Umfang zur berührungslosen Entfernungsbe stimmung und zur Ortung von Gegenständen eingesetzt. Wesent lich bei diesen Puls-Laufzeit-Verfahren ist das Aussenden eines pulsförmig modulierten Signales bestimmter Frequenz und dessen Empfang nach Reflexion an einem Zielobjekt. Als Maß für die zu ermittelnde Distanz wird die Laufzeit ermit telt, die zur Distanzbestimmung lediglich noch mit der entsprechenden Ausbreitungsgeschwindigkeit, die abhängig vom Übertragungsmedium ist, multipliziert werden muß. Je nach Frequenzbereich des modulierten Trägersignales des ausgesen deten Impulses unterscheidet man verschiedene Formen der Impuls-Laufzeit-Messung, wie z. B. Ultraschall-Laufzeitmes sung oder Mikrowellen-Laufzeitmessung bzw. Radar-Laufzeit messung. Methods for measuring the transit time are generally known and are becoming a non-contact distance mood and used to locate objects. Essential With these pulse runtime methods, the transmission is a pulse-modulated signal of a certain frequency and its reception after reflection on a target object. When The duration is determined as a measure of the distance to be determined telt that only for distance determination with the corresponding propagation speed, which depends on Transmission medium is, must be multiplied. Depending on Frequency range of the modulated carrier signal of the outside A differentiation is made between different forms of Pulse transit time measurement, such as B. ultrasonic transit time solution or microwave transit time measurement or radar transit time Measurement.
Angewendet wird eine derartige Laufzeitmessung beispielswei se zur Bestimmung von Füllständen in Behältern, zur Entfer nungsmessung in Kameras, in medizinischen Diagnosegeräten sowie für Positionieraufgaben in der Automatisierungstech nik.Such a transit time measurement is used, for example se for determining fill levels in containers, for removal measurement in cameras, medical diagnostic devices as well as for positioning tasks in automation technology nik.
Zur Extrahierung der Laufzeitinformation aus den vorhandenen Sende- und Empfangssignalen gibt es verschiedene Methoden. Das einfachste Verfahren besteht in der Überwachung eines bestimmten Amplituden-Schwellwertes. Wird dieser Schwellwert in der Sendephase überschritten, so startet beispielsweise ein Zähler, der nach Überschreitung des Schwellwertes durch das Empfangssignal wieder gestoppt wird und damit ein Maß für die gesuchte Entfernung abgibt. Da jedoch die meisten Systeme mit relativ geringen Signalbandbreiten arbeiten und dadurch der Amplitudenanstieg bzw. -abfall im Sende-/Emp fangsimpuls relativ langsam über mehrere Perioden der Trä gerschwingung hinweg erfolgt, gleichzeitig aber die Amplitu de des Empfangssignals sich je nach Zielentfernung und Wellendämpfung stark ändern kann, ergeben sich durch die Verwendung eines fest vorgegebenen Schwellwertes in der Laufzeitbestimmung oft erhebliche Fehler.To extract the runtime information from the existing ones There are different methods for sending and receiving signals. The simplest procedure is to monitor one determined amplitude threshold. Will this threshold exceeded in the transmission phase, for example starts a counter which, after exceeding the threshold value the received signal is stopped again and thus a measure for the searched distance. However, since most Systems with relatively low signal bandwidths work and thereby the increase or decrease in amplitude in the transmit / emp Catch pulse relatively slowly over several periods of Trä vibration occurs, but at the same time the amplitude de of the received signal depends on the target distance and Shaft damping can change greatly due to the Use a fixed threshold in the Runtime determination often significant errors.
Vorzugsweise werden deshalb Verfahren eingesetzt, die aus den elektrischen Sende- und Empfangsimpulsen die Hüllkurve rückgewinnen und an der ansteigenden oder abfallenden Flanke dieser Hüllkurve bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer Detektionsschwelle die Zeitmessung starten bzw. stoppen. Wird hierbei der Amplitudenwert der Detektionsschwelle in einem festen Verhältnis zum flankenzugehörigen Maximum der Hüllkurve gehalten, so kann das oben beschriebene Problem bei schwankender Empfangsamplitude gelöst werden.It is therefore preferred to use methods that consist of the envelope for the electrical transmit and receive pulses recover and on the rising or falling edge this envelope when exceeding or falling below one Detection threshold start or stop the time measurement. If the amplitude value of the detection threshold in a fixed relationship to the flank associated maximum of Envelope held, so the problem described above can can be solved with fluctuating reception amplitude.
Problematisch bei diesem Verfahren ist jedoch ein verhält nismäßig langsamer Flankenanstieg der Hüllkurve aufgrund der erwünschten geringen Systembandbreite. Durch den langsamen Flankenanstieg bzw. Flankenabstieg der Hüllkurve wirken sich nämlich geringe Störsignale, z. B. in Form von Rauschen, auf der Hüllkurvenflanke sofort als Meßfehler aus, indem sie den Zeitpunkt der Überschreitung der Detektionsschwelle ver schieben.However, a problem with this method is a behavior moderately slow slope increase of the envelope due to the desired low system bandwidth. Because of the slow Rising or falling edges of the envelope have an effect namely low interference signals, e.g. B. in the form of noise the envelope flank immediately as a measurement error by the Time of exceeding the detection threshold ver push.
Eine Möglichkeit, um bei gleichbleibend geringer Systemband breite Signalanteile, die höherfrequenter als die Modula tionsfrequenz der ausgesendeten und empfangenen Impulse sind, zur exakteren Laufzeitbestimmung heranzuziehen, ist die zusätzliche Ausnutzung der Trägerschwingung, deren Frequenz regelmäßig um ein Mehrfaches höher als die Amplitu denmodulationsfrequenz ist.One way to keep the system belt constant broad signal components that are higher in frequency than the modula tion frequency of the transmitted and received pulses are to be used for more precise determination of the term, is the additional exploitation of the carrier vibration, the Frequency regularly several times higher than the amplitude is the modulation frequency.
Ein solches Impuls-Laufzeit-Meßverfahren, das auch die Merkmale des Oberbegriffs des vorliegenden Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus EP 0 324 731 B1 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren zur Laufzeitmessung wird zunächst der Anfang der abfallenden Flanke der Hüllkurve des Impulses erfaßt, um einen Bezugszeitpunkt zu definieren. Als Bezugs zeitpunkt dient der nach dem Maximum der Hüllkurve auftre tende erste Scheitelwert des pulsförmig modulierten Impul ses. Durch diesen Bezugszeitpunkt ist die zu ermittelnde Laufzeit zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in etwa grob vorbe stimmt. Um die Laufzeit exakt zu ermitteln, ist darüber hinaus vorgesehen, das Auftreten des ersten Null-Durchganges nach diesem Bezugszeitpunkt zu erfassen. Zu der zunächst nur in etwa vorbestimmten Laufzeit wird deshalb noch die Zeit spanne zwischen Bezugszeitpunkt und dem Auftreten des Null- Durchganges hinzuaddiert. Wird als vorgegebener Zeitpunkt der erste Null-Durchgang eines Sendeimpulses nach dem ersten Scheitelwert in der abfallenden Flanke der Hüllkurve des Sendeimpulses gewählt, so kann eine exakte Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung erfolgen.Such a pulse transit time measurement method, which also Features of the preamble of the present patent claim 1 is known from EP 0 324 731 B1. At that one The procedure for measuring the transit time is described first the beginning of the falling edge of the envelope of the pulse recorded in order to define a reference point in time. As a reference The point in time serves to occur after the maximum of the envelope end first peak value of the pulse-shaped modulated pulse ses. The reference point to be determined is the reference point Roughly roughly run time at a given time Right. To determine the runtime exactly, is about also provided the occurrence of the first zero crossing to be recorded after this reference date. At first only the time therefore becomes approximately predetermined span between the reference time and the occurrence of the zero Passage added. Will be as a given time the first zero crossing of a transmission pulse after the first Peak value in the falling edge of the envelope of the Transmission pulse selected, an exact runtime or Distance measurement done.
Damit stützt sich das in EP 0 324 731 B1 beschriebene Ver fahren auf eine Laufzeitmessung, die einen Null-Durchgang der Trägerschwingung des pulsmodulierten Impulses erfaßt, der zuvor in etwa zeitlich eingegrenzt wurde. Durch dieses Verfahren kann die Meßgenauigkeit bei der Laufzeitmessung erhöht werden.This supports the ver described in EP 0 324 731 B1 drive on a transit time measurement that is a zero crossing the carrier oscillation of the pulse-modulated pulse is detected, which was previously limited in time. Because of this The measuring accuracy can be used to measure the transit time increase.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dieses bekannte Verfahren dann zu fehlerhaften Laufzeitmessungen führt, wenn der auszuwertende Null-Durchgang durch Störsignale, wie z. B. Rauschen oder bei der Entfernungsmessung auftretende Störechosignale verfälscht wird oder überhaupt nicht mehr zu detektieren ist.However, it has been found that this is known Procedure then leads to incorrect runtime measurements if the zero crossing to be evaluated by interference signals, such as. B. Noise or those occurring when measuring distance False echo signals is falsified or not at all is to be detected.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren zur Laufzeitmessung anzugeben, das eben falls die Trägerschwingung des pulsmodulierten Impulses ausnutzt, allerdings auch dann eine hohe Meßgenauigkeit liefert, wenn die Null-Durchgänge der Trägerschwingung nicht mehr oder nicht mehr exakt aufgrund von Störsignalen detek tierbar sind. Darüber hinaus soll eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und eine Verwen dung für eine solche Laufzeitmessung angegeben werden.The present invention is therefore based on the object de to specify a method for measuring the transit time which just if the carrier oscillation of the pulse-modulated pulse exploits, but then also a high measuring accuracy returns when the zero crossings of the carrier wave are not Detect more or no longer exactly due to interference signals are animal. In addition, a circuit arrangement to carry out such a procedure and a use be specified for such a runtime measurement.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is carried out for the process by the characteristics of Claim 1 solved.
Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, sowohl die Amplitudeninformation des pulsmodulierten Impulses als auch dessen Phaseninformation auszunutzen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Laufzeitmessung zwischen einem vorgegebenen Zeitpunkt und einem mit einem Trägerfrequenzsignal pulsmodu lierten Impuls wird, ähnlich wie beim Stand der Technik, zunächst die Laufzeit in etwa vorbestimmt und anschließend ein die exakte Laufzeit berücksichtigender Korrekturwert ermittelt. Im Gegensatz zur bekannten Laufzeitmessung wird jedoch nicht ein einziger Null-Durchgang des Impulses er faßt, sondern der Phasenwinkel des Impulses gemessen und der Korrekturwert erfindungsgemäß aus einem durch den gemessenen Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trägerfrequenz des Trägerfrequenzsignales ermittelt.The invention is essentially based on both Amplitude information of the pulse modulated pulse as well take advantage of its phase information. In the invention Procedure for measuring the transit time between a given one Time and one with a carrier frequency signal pulsmodu gated impulse, similar to the prior art, initially the runtime is roughly predetermined and then a correction value taking into account the exact running time determined. In contrast to the known transit time measurement however not a single zero crossing of the pulse summarizes, but measured the phase angle of the pulse and the Correction value according to the invention from a by the measured Phase angle determined fraction of the carrier frequency of the Carrier frequency signals determined.
Obwohl dieses erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell dazu geeignet ist, die Laufzeit eines pulsmodulierten Impulses zu einem vorgegebenen Null-Zeitpunkt zu ermitteln, ist das erfindungsgemäße Verfahren bestens dazu geeignet, die Lauf zeit zwischen zwei pulsmodulierten Impulsen, wie diese bei der Entfernungsmessung auftreten, zu ermitteln. Hierfür wird zunächst der mit einem Trägersignal, das die Trägerfrequenz aufweist, pulsmodulierte Sendeimpuls über eine Kopplungsein richtung, z. B. eine Antenne, an eine Meßstrecke angelegt. Der an einem Zielobjekt reflektierte Sendeimpuls gelangt als Empfangsimpuls in seiner Amplitude aufgrund des Übertra gungsweges gedämpft und zeitverzögert an eine Empfangsein richtung. Zunächst wird auf beliebige Weise die Laufzeit in etwa vorbestimmt, vorteilhafterweise auf ± ¼ λT der Trägerfrequenz, und anschließend der für die exakte Laufzeit noch zu berücksichtigende Korrekturwert ermittelt. Zur Ermittlung dieses Korrekturwertes werden die Phasenwinkel beider Impulse bestimmt und aus den beiden Phasenwinkeln ein Phasendifferenzwinkel errechnet. Der Korrekturwert wird schließlich aus einem durch den Phasendifferenzwinkel be stimmten Bruchteil der Trägerfrequenz bestimmt.Although this method according to the invention is suitable in principle for determining the transit time of a pulse-modulated pulse at a predetermined zero time, the method according to the invention is ideally suited for determining the transit time between two pulse-modulated pulses, as occurs in the distance measurement. For this purpose, the pulse-modulated transmit pulse with a carrier signal having the carrier frequency via a Kopplungsein direction, for. B. an antenna, applied to a test section. The transmitted pulse reflected on a target object arrives as a received pulse in its amplitude due to the transmission path attenuated and delayed to a receive device. First, the transit time is roughly predetermined in any way, advantageously to ± ¼ λ T of the carrier frequency, and then the correction value to be taken into account for the exact transit time is determined. To determine this correction value, the phase angles of both pulses are determined and a phase difference angle is calculated from the two phase angles. The correction value is finally determined from a fraction of the carrier frequency determined by the phase difference angle.
Die zunächst grobe Vorbestimmung der Laufzeit erfolgt in einer Weiterbildung der Erfindung anhand einer Hüllkurvende tektion des oder der Impulse, wobei zur Hüllkurvendetektion in an sich bekannter Weise der Impuls gleichgerichtet und einer Hüllkurvenauswerteschaltung zugeführt wird.The initially rough predetermination of the term takes place in a development of the invention based on an envelope tection of the pulse or pulses, whereby for envelope detection in a manner known per se the pulse is rectified and an envelope evaluation circuit is supplied.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zur Hüll kurvenauswertung eine Quadraturdemodulation, die auch im Zusammenhang mit der Phasenwinkelerfassung eingesetzt werden kann, durchzuführen. Für die Hüllkurvendetektion erfolgt eine digitale Maximumsuche des Impulses, indem der Impuls einer Quadraturdemodulation unterzogen wird, wobei das Maximum durch die Summe der Quadrate der sich bei der Qua draturdemodulation ergebenden 0°-Ausgangssignale und 90°-Ausgangssignale bestimmt ist. Die Errechnung des Maxi malwertes erfolgt dann zweckmäßigerweise durch einen Mikro computer. Hierfür müssen lediglich in geeigneten Speichern die zuvor digital abgelegten Ausgangssignale der Quadratur demodulation des Impulses für einen Meßzyklus abgelegt werden. Somit läßt sich durch einfache Quadraturdemodulation der benötigte grobe Abstand zwischen Sende- und Empfangsim puls ermitteln.In addition, it is provided according to the invention for covering curve evaluation a quadrature demodulation, which is also in the In connection with the phase angle detection can perform. For the envelope detection a digital maximum search of the pulse by the pulse undergoes quadrature demodulation, the Maximum by the sum of the squares in the Qua draturdemodulation resulting 0 ° output signals and 90 ° output signals is determined. Calculating the maxi The values are then expediently carried out by a micro computer. You only need to do this in suitable memories the quadrature output signals previously stored digitally demodulation of the pulse filed for a measurement cycle become. This allows simple quadrature demodulation the rough distance required between send and receive determine pulse.
Obwohl der zu ermittelnde Phasenwinkel des auszuwertenden pulsmodulierten Impulses auf beliebige Art und Weise be stimmt werden kann, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Phasenwinkel eines Impulses über die gesamte Impulslänge hinweg zu messen und auszumitteln. Hierdurch kann die Meßge nauigkeit weiter erhöht werden.Although the phase angle to be determined is the one to be evaluated pulse modulated pulse in any way be can be voted, it has proven to be appropriate Phase angle of a pulse over the entire pulse length measure and average out. This allows the Meßge accuracy can be further increased.
Zur Bestimmung des Phasenwinkels ist in einer Weiterbildung der Erfindung eine Quadraturdemodulation des auszuwertenden Impulses mit anschließender Tiefpaßfilterung vorgesehen, wobei für die Quadraturdemodulation Referenzträgersignale gewählt werden, die genau die Trägerfrequenz der modulierten Impulse aufweisen. Der gesuchte Phasenwinkel bestimmt sich bei dieser Quadraturdemodulation aus einer Arcustangens-Bil dung des Quotienten der bei der Quadraturdemodulation und Tiefpaßfilterung entstehenden 0°-Ausgangssignale und 90°- Ausgangssignale. Durch die Tiefpaßfilterung werden die bei der Quadraturdemodulation entstehenden hohen Frequenzanteile unterdrückt, so daß für die Dauer der Impulse ausgangsseitig eine Gleichspannung zur Verfügung steht, deren Amplitude nur noch von der Phasenverschiebung zwischen der Trägerschwin gung des Impulses und dem Referenzträgersignal der Quadra turdemodulation abhängt.To determine the phase angle is in a training the invention a quadrature demodulation of the to be evaluated Provided with subsequent low-pass filtering, where reference carrier signals for quadrature demodulation can be selected that exactly the carrier frequency of the modulated Have impulses. The phase angle you are looking for is determined in this quadrature demodulation from an arctangent bil the quotient of the quadrature demodulation and Low pass filtering resulting 0 ° output signals and 90 ° - Output signals. The low-pass filtering means that the high frequency components resulting from quadrature demodulation suppressed so that on the output side for the duration of the pulses a DC voltage is available, the amplitude of which is only still of the phase shift between the carrier vibrations supply of the pulse and the reference carrier signal of the Quadra turdemodulation depends.
Gemäß der Erfindung sind die Frequenzen des Referenzträger signales der Quadraturdemodulation und des Trägersignales des Impulses gleich. Hierfür kann beispielsweise eine ge meinsame Oszillatoreinrichtung vorgesehen werden, aus deren Ausgangssignal sowohl das Trägersignal des oder der Impulse als auch die Referenzträgersignale für die Quadraturdemodu lation abgeleitet werden. Dadurch wird gewährleistet, daß die Frequenz des Trägersignales der Impulse und die Frequenz der beiden zur Mischung bei der Quadraturdemodulation be nutzten Referenzträgersignale genau gleich sind. Durch die Verwendung einer gemeinsamen Oszillatoreinrichtung wird darüber hinaus erreicht, daß die Phasenlage der beiden Referenzträgersignale der Quadraturdemodulation in bezug zu einem Null-Punkt für alle Meßzyklen gleich bleibt.According to the invention, the frequencies are the reference carrier Quadrature demodulation and carrier signals equal to the impulse. For example, a ge common oscillator device are provided, from the Output signal both the carrier signal or pulses as well as the reference carrier signals for the quadrature demodul lation can be derived. This ensures that the frequency of the carrier signal of the pulses and the frequency of the two for mixing in quadrature demodulation used reference carrier signals are exactly the same. Through the Use of a common oscillator device also achieved that the phase relationship of the two Reference carrier signals related to quadrature demodulation remains the same for all measuring cycles.
Eine Erhöhung der Signalempfindlichkeit der Laufzeitmessung ergibt sich erfindungsgemäß, indem die 0°-Ausgangssignale ebenso wie die 90°-Ausgangssignale mehrerer aufeinanderfol gender Meßzyklen gemittelt werden. Durch diese Scharmitte lung bzw. Integration der beiden Ausgangssignale jeweils getrennt für sich bleibt sowohl die Phasen- als auch die Amplitudeninformation des auszuwertenden Echosignals erhal ten. Eine anschließende Hüllkurvenbildung nach der BeziehungAn increase in the signal sensitivity of the transit time measurement results according to the invention by the 0 ° output signals as well as the 90 ° output signals of several successive gender measuring cycles are averaged. Through this middle of the bar ment or integration of the two output signals each Both the phase and the remain separate Get amplitude information of the echo signal to be evaluated Subsequent envelope formation after the relationship
über den gesamten Meßzyklus hinweg, wobei Q das 0°-Ausgangssignal und I das 90°-Ausgangssignal der Quadra turdemodulation bezeichnet, führt zu dem bekannten Hüllkur ven-Echosignal, das aber gegenüber einem durch übliche Hüllkurvenbildung, wie z. B. Zweiweggleichrichtung, gewonne nen Echosignal einen höheren Signal-Rausch-Abstand aufweist, so daß Echos mit sehr kleiner Amplitude leichter zu detek tieren sind. Verglichen mit einer Scharmittelung bzw. Inte gration der z. B. durch Zweiweggleichrichtung gewonnenen Hüllkurve, die auch eine Erhöhung des Signal-Rausch-Abstan des bewirkt, ist der Gewinn an Signalempfindlichkeit durch die Scharmittelung von 0°-Ausgangssignal und 90°-Ausgangs signal getrennt sowie abschließender Hüllkurvenbestimmung nach der erwähnten Beziehung bei gleicher Anzahl von gemit telten Meßzyklen deutlich höher, weil durch das erfindungs gemäße Verfahren auch die Phaseninformation des auszuwerten den Echosignals mittels Quadraturdemodulation für die Mit telwertbildung erhalten bleibt.over the entire measuring cycle, with Q being the 0 ° output signal and I the 90 ° output signal of the Quadra turdemodulation leads to the well-known envelope ven echo signal, but compared to one by usual Envelope formation, such as. B. Two-way rectification, won an echo signal has a higher signal-to-noise ratio, making echoes with a very small amplitude easier to detect animals are. Compared to share averaging or integer gration of z. B. obtained by two-way rectification Envelope, which also increases the signal-to-noise ratio that causes the gain in signal sensitivity through the averaging of the 0 ° output signal and 90 ° output signal separated and final envelope determination according to the relationship mentioned with the same number of telten measurement cycles significantly higher because of the fiction according to the procedure also to evaluate the phase information of the the echo signal using quadrature demodulation for the Mit tele value formation is retained.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeitmessung läßt sich in vorteilhafter Weise zur Entfernungsmessung und insbeson dere zur Füllstandmessung in Behältern einsetzen, wobei ein pulsmodulierter Sendeimpuls in einen Innenraum eines Behäl ters gesendet und nach Reflexion an einem Zielobjekt als Empfangsimpuls bzw. Echoimpuls in einer Empfangseinrichtung empfangen wird. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren exakt ermittelte Laufzeit zwischen Sendeimpuls und Empfangs impuls wird zur Entfernungsbestimmung mit einer vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit, die vom Übertragungsmedium abhängig ist, multipliziert. Durch das exakte Erfassen der Laufzeit zwischen beiden Impulsen ist eine exakte Entfer nungsmessung möglich. The method according to the invention for measuring the transit time can be advantageously for distance measurement and in particular use them for level measurement in containers, whereby a pulse-modulated transmission pulse into an interior of a container ters and after reflection on a target object as Receive pulse or echo pulse in a receiving device Will be received. The according to the inventive method exactly determined transit time between transmit pulse and receive impuls is used to determine the distance with a given Propagation speed by the transmission medium is multiplied. By the exact registration of the Runtime between the two pulses is an exact distance measurement possible.
Schließlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise auch zur Entfernungsmessung einsetzen, bei welchem Störechos auftreten. So wird erfindungsgemäß ein Störechosignal mit Amplituden-, Entfernungs- und Phasenwer ten abgespeichert und aus einem empfangenen Echoimpuls dessen Hüllkurve und Phasenwinkel detektiert. Der eigentli che Nutzechoimpuls kann durch Vergleich des vorbekannten Störechosignals und des empfangenen Echoimpulses in einfa cher Weise rekonstruiert werden.Finally, the inventive method can be in also advantageously used for distance measurement, at which false echoes occur. So according to the invention Interference echo signal with amplitude, distance and phase values ten stored and from a received echo pulse whose envelope and phase angle are detected. The real thing che useful echo pulse can by comparing the known False echo signal and the received echo pulse in simp be reconstructed in a safe manner.
Damit läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeit messung in vorteilhafter Weise bei Impuls-Laufzeit-Systemen nutzen, deren Anwendungsgebiete die Existenz von Störechos wahrscheinlich erscheinen lassen. Dies trifft in besonderem Maße für die Füllstandmessung in Behältern zu, wo neben dem von der Füllgutoberfläche stammenden Nutzecho noch zahlrei che weitere Reflexionen auftreten können, die beispielswei se durch im Behälterinneren angeordneten Verstrebungen oder andere Einbauten bedingt sind. Um eine klare Unterscheidung zwischen Nutz- und Störechoimpuls treffen zu können, werden deshalb die bei leerem Behälter vorhandenen Störechos regi striert und diese mit Amplituden- und Entfernungswerten abgespeichert. Ein Vergleich zwischen einem beliebigen empfangenen Echoprofil bei gefülltem Behälter und der ge speicherten Störechoinformation erlaubt dann die Identifi zierung der Störer und leichtere Auffindung des Nutzechoim pulses.The method according to the invention can thus be run at runtime measurement in an advantageous manner in pulse transit time systems use, the fields of application of the existence of false echoes likely to appear. This is particularly true Measurements for level measurement in containers, where next to the There are still numerous echoes from the product surface che further reflections can occur, for example se through struts arranged inside the container or other internals are necessary. To make a clear distinction to be able to meet between useful and false echo impulses therefore the false echoes regi existing when the container is empty striert and this with amplitude and distance values saved. A comparison between any one received echo profile with filled container and the ge stored false echo information then permits identification decoration of the interferers and easier locating of the useful echo pulses.
Da gemäß der Erfindung sowohl die Amplituden- als auch Phaseninformation des empfangenen Echoimpulses bestimmt wird und voraussetzungsgemäß die Amplituden- und Phaseninforma tion des Störechos bekannt ist, kann aus dem empfangenen Echosignal ohne weiteres auf Amplitude und Phasenwinkel des Nutzechoimpulses rückgeschlossen werden, auch wenn sich Stör- und Nutzecho teilweise gegenseitig überlagern.Since according to the invention both the amplitude and Phase information of the received echo pulse is determined and, as required, the amplitude and phase information tion of the false echo is known from the received Echo signal easily on the amplitude and phase angle of the Useful echo pulse can be inferred, even if Interference and useful echo partly superimposed on each other.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Laufzeitmessung ist Gegenstand des An spruchs 12.A circuit arrangement according to the invention for implementation the procedure for measuring the transit time is the subject of the contract Proverbs 12
Weiterbildungen dieser Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen 13 bis 18 angegeben.Further developments of this circuit arrangement are in the Subclaims 13 to 18 specified.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist folglich eine Sende- und Empfangseinrichtung zum Aussenden und Empfangen von mit einer gleichen Trägerfrequenz pulsmodulierten Impul sen sowie eine Hüllkurvenauswerteeinrichtung zum Bestimmen der Hüllkurven der Impulse auf. Darüber hinaus ist ein Quadraturdemodulator vorgesehen, um aus den Impulsen jeweils ein 0°-Ausgangssignal oder 90°-Ausgangssignal zu erzeugen, wobei der Quadraturdemodulator mit der Trägerfrequenz der pulsmodulierten Impulse betreibbar ist. Eine Auswerteschal tung bildet zunächst aus den Maxima der Hüllkurven beider Impulse ein Maß für die in etwa vorbestimmte Laufzeit zwi schen beiden Impulsen und erzeugt aus den 0°-Ausgangssigna len und 90°-Ausgangssignalen den für die Laufzeit zu berück sichtigenden Korrekturwert.The circuit arrangement according to the invention consequently has a Sending and receiving device for sending and receiving of pulse-modulated pulse with the same carrier frequency as well as an envelope evaluation device for determination of the envelopes of the impulses. In addition, is a Quadrature demodulator provided to out of the pulses each generate a 0 ° output signal or 90 ° output signal, the quadrature demodulator with the carrier frequency of the pulse-modulated pulses can be operated. An evaluation scarf tion first forms from the maxima of the envelopes of both Impulse a measure of the roughly predetermined transit time between between the two pulses and generated from the 0 ° output signals len and 90 ° output signals for the runtime visible correction value.
Die Auswerteschaltung verfügt zur Entfernungsbestimmung zwischen beiden Impulsen über eine Einrichtung, um aus der ermittelten Laufzeit unter Berücksichtigung einer vorgegebe nen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Impulse die Entfernung zum Zielobjekt zu errechnen.The evaluation circuit has distance determination between two pulses via a device to get out of the determined duration taking into account a given distance of the impulses the distance to calculate the target object.
Die Erfindung und deren Vorteile wird im folgenden im Zusam menhang mit drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention and its advantages are hereinafter collectively menhang explained with three figures. Show it:
Fig. 1 ein Zeitdiagramm eines pulsmodulierten Impulses einer Laufzeitmeßeinrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 is a timing diagram of a pulse-modulated pulse of a Laufzeitmeßeinrichtung for explaining the method according to the invention,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung nach der Erfindung in einer Füllstandmeßeinrichtung, und Fig. 2 shows a circuit arrangement for carrying out the transit time or distance measurement according to the invention in a level measuring device, and
Fig. 3 Signalverläufe zur Schaltungsanordnung von Fig. 2. Fig. 3 shows signal waveforms for the circuit arrangement of FIG. 2.
In den nachfolgenden Fig. 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Teile und gleiche Signale.In the following FIGS. 1 to 3, the same reference symbols denote the same parts and the same signals, unless stated otherwise.
In Fig. 1 ist ein Zeitdiagramm eines Empfangsimpulses E dargestellt, wie dieser beispielsweise bei der Füllstandmes sung in einer Empfangseinrichtung empfangen wird. Dieser Empfangsimpuls E besteht aus einem Trägerfrequenzsignal, das eine Trägerfrequenz fT aufweist, und zusätzlich pulsför mig amplitudenmoduliert ist, wobei die Frequenz der Amplitu denmodulation ein Vielfaches geringer als die Trägerfrequenz fT ist. Die Amplitudenmodulation des Empfangsimpulses E ist derart gewählt, daß der Empfangsimpuls E eine Hüllkurve H mit zunächst ansteigender und anschließender abfallender Flanke aufweist. Der Empfangsimpuls E weist im Ausführungs beispiel von Fig. 1 sieben lokale Maxima M1 bis M7 auf, wobei der Empfangsimpuls E zum lokalen Maximum M4 symme trisch ist. Das lokale Maximum M4 ist zugleich der Maximal wert ME des Empfangsimpulses E.In Fig. 1, a timing diagram of a receive pulse E is shown how this is received, for example, in the level measurement solution in a receiving device. This received pulse E consists of a carrier frequency signal which has a carrier frequency f T , and is additionally pulse-shaped amplitude modulated, the frequency of the amplitude modulation being many times lower than the carrier frequency f T. The amplitude modulation of the received pulse E is selected such that the received pulse E has an envelope H with an initially rising and then a falling edge. The receive pulse E in the exemplary embodiment of FIG. 1 has seven local maxima M1 to M7, the receive pulse E being symmetrical to the local maximum M4. The local maximum M4 is also the maximum value ME of the receive pulse E.
Um die Laufzeit t1 bzw. Distanz x1 eines vorgegebenen Punk tes, beispielsweise des Maximalwertes ME, des Empfangsimpul ses E zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, im Ausführungsbei spiel von Fig. 1 dem Null-Punkt, zu bestimmen, wird zu nächst die Laufzeit bzw. Entfernung in etwa vorbestimmt und anschließend ein für die exakte Laufzeit bzw. die exakte Entfernung berücksichtigender Korrekturwert ermittelt. Dieser Korrekturwert wird durch den Phasenwinkel des betref fenden Punktes des Empfangsimpulses E bestimmt und aus einem durch den Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trägerfre quenz für die Laufzeit und aus einem durch den Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trägerwellenlänge λT für die zu bestimmende Distanz ermittelt.In order to determine the transit time t1 or distance x1 of a predetermined point t, for example the maximum value ME, of the receive pulse E at a predetermined point in time, in the exemplary embodiment of FIG. 1 the zero point, the transit time or distance is first determined roughly predetermined and then a correction value is taken into account for the exact running time or the exact distance. This correction value is determined by the phase angle of the relevant point of the received pulse E and determined from a fraction of the carrier frequency determined by the phase angle for the transit time and from a fraction determined by the phase angle of the carrier wavelength λ T for the distance to be determined.
Unter dem Begriff Phase ist hierbei die Drehung des Phasen zeigers eines bestimmten Punktes der Trägerschwingung des Empfangsimpulses E bezogen auf einen festen Zeit- bzw. Phasenpunkt zu Beginn jeder Messung, hier dem Null-Punkt, zu verstehen. Eine Phasenwinkeländerung von 360° entspricht dabei einer Gesamtwegänderung um eine Trägerwellenlänge λT oder einer Gesamtlaufzeitänderung um 1/fT. Da sich der Phasenwinkel nach einer Umdrehung, also nach 360°, wiederholt, ist eine Eindeutigkeit zwischen Phasenwinkel und Laufzeit bzw. zu ermittelnde Entfernung nur über diese 360° bzw. innerhalb einer Strecke von λT gegeben. Die Lauf zeit t eines bestimmten Punktes innerhalb des Empfangsimpul ses E bezogen auf den Null-Punkt bestimmt sich demnach aus der Summe aus einer ganzzahligen Anzahl k des Kehrwertes der Trägerfrequenz fT und einem durch den Phasenwinkel Φ bestimmten Bruchteil dieses Kehrwertes der Trägerfrequenz fT. Die Laufzeit errechnet sich nachfolgender Formel:The term phase here means the rotation of the phase pointer of a specific point of the carrier oscillation of the received pulse E based on a fixed time or phase point at the beginning of each measurement, here the zero point. A phase angle change of 360 ° corresponds to a total change in path by a carrier wavelength λ T or a change in total transit time by 1 / f T. Since the phase angle repeats after one revolution, that is to say after 360 °, there is uniqueness between the phase angle and the running time or the distance to be determined only over this 360 ° or within a distance of λ T. The running time t of a specific point within the receive pulse E based on the zero point is accordingly determined from the sum of an integer number k of the reciprocal of the carrier frequency f T and a fraction of this reciprocal of the carrier frequency f T determined by the phase angle Φ. The term is calculated using the following formula:
t = k/fT + Φ/(360° · fT).t = k / f T + Φ / (360 ° f T ).
Die Entfernung x eines bestimmten Punktes innerhalb des Empfangsimpulses E bezogen auf den Null-Punkt errechnet sich dagegen aus der Summe einer ganzzahligen Anzahl k von Wel lenlängen λT und einem durch den Phasenwinkel Φ bestimmten Bruchteil dieser Wellenlänge, wobei bei Füllstandmeß einrichtungen noch zu berücksichtigen ist, daß ein ausgesen deter Impuls zunächst zum Zielobjekt gesendet wird, dort reflektiert und zur Empfangseinrichtung zurückgesendet wird, so daß die doppelte Distanz als Hin- und Rückweg zu berück sichtigen und daher ein Multiplikationsfaktor von 0,5 bei der Entfernungsbestimmung einzusetzen ist. Die Reflektordi stanz bei einem solchen Füllstandmeßsystem errechnet sich demnach ausThe distance x of a certain point within the receive pulse E based on the zero point, on the other hand, is calculated from the sum of an integer number k of wave lengths λ T and a fraction of this wavelength determined by the phase angle Φ, with level measurement devices still to be taken into account that a sent pulse is first sent to the target object, reflected there and sent back to the receiving device, so that the double distance must be taken into account as the outward and return path and a multiplication factor of 0.5 must therefore be used in determining the distance. The reflector di punch in such a level measuring system is calculated accordingly
x = 0,5 (k · λT + Φ · λT/360°).x = 0.5 (k · λ T + Φ · λ T / 360 °).
Wie in Fig. 1 verdeutlicht, kann die Laufzeit t1 bzw. Entfernung x1 jedes Punktes im Empfangsimpuls E nach obigen Formeln über die Anzahl k und den Phasenwinkel Φ festgelegt werden.As illustrated in FIG. 1, the transit time t1 or distance x1 of each point in the received pulse E can be determined according to the above formulas via the number k and the phase angle Φ.
Da sämtliche Punkte im Empfangsimpuls E im Abstand von einer Wellenlänge λT denselben Phasenwinkel Φ besitzen, kann für jede Gruppe von Punkten im Abstand einer Wellenlänge λT aus einem einzelnen Punkt der Phasenwinkel dieser Gruppe bestimmt werden. Als Gruppe von Punkten können bei spielsweise alle Null-Durchgänge des Empfangsimpulses E mit positiver Steigung oder alle lokalen Maxima M1 bis M7 ge wählt werden. Die Auswahl der Gruppe von Punkten, die ihren Phasenwinkel Φ stellvertretend als Phasenwinkel Φ des Ge samtpulses darstellen soll, ist beliebig. Im Ausführungsbei spiel von Fig. 1 ist die Gruppe der lokalen Maxima M1 bis M7 ausgewählt. Alle Punkte dieser Gruppe besitzen im darge stellten Beispiel den Phasenwinkel Φ = 90°, so daß gemäß dieser Definition dieser Phasenwinkel stellvertretend für den gesamten Empfangsimpuls E stehen kann.Since all the points in the received pulse E λ at a distance of a wavelength T same phase angle Φ own, this group can be determined for each group of points at a distance of a wavelength λ T from a single point of the phase angle. As a group of points, for example, all zero crossings of the receive pulse E with a positive slope or all local maxima M1 to M7 can be selected. The choice of the group of points, which is to represent their phase angle Φ as the phase angle amt of the total pulse, is arbitrary. In the exemplary embodiment of FIG. 1, the group of local maxima M1 to M7 is selected. In the example shown, all points of this group have the phase angle Φ = 90 °, so that, according to this definition, this phase angle can represent the entire received pulse E.
Um die Laufzeit oder Entfernung des Maximalwertes ME des Empfangsimpulses zum Null-Punkt zu bestimmen, ist außer dem Phasenwinkel dieses Punktes lediglich noch die Bestimmung des ganzzahligen Anteils k von Wellenlängen λT bzw. von Kehrwerten der Trägerfrequenz fT zwischen dem Null-Punkt und diesem Punkt notwendig.In order to determine the transit time or distance of the maximum value ME of the received pulse from the zero point, apart from the phase angle of this point, all that is required is to determine the integral part k of wavelengths λ T or reciprocal values of the carrier frequency f T between the zero point and this Point necessary.
Gemäß der Erfindung wird zunächst die Laufzeit bzw. Entfer
nung des betreffenden Punktes zum Null-Punkt in etwa vorbe
stimmt. Zur Bestimmung des Multiplikators k genügt eine
Genauigkeit der Distanzmessung innerhalb der Fehlergrenzen
-λT/4 bis +λT/4 bzw. eine Genauigkeit für die Lauf
zeitmessung innerhalb der Fehlergrenzen -0,25/fT bis
+0,25/fT. Eine solche ungefähre Bestimmung der Laufzeit
bzw. der Entfernung ist beispielsweise mittels eines Auswer
teverfahrens mit einer Detektionsschwelle für die Flanken
der Hüllkurve H des Empfangsimpulses E möglich. Im vorlie
genden Fall kann diese grobe Ermittlung der Laufzeit bzw.
Entfernung des Maximalwertes ME des Empfangsimpulses E in
einfacher Weise durch Mittelwertbildung von zwei Entfer
nungswerten, die sich bei Über- und Unterschreitung einer
Detektionsschwelle ergeben, erfolgen, da der Empfangsimpuls
E voraussetzungsgemäß symmetrisch ist. Durch Hinzunahme des
Phasenwinkels Φ des Empfangsimpulses E kann die so vorläufig
grob ermittelte Laufzeit bzw. Wegstrecke auf den exakten
Wert korrigiert werden. Bedingt durch den erwähnten zugelas
senen Fehler muß jedoch nach Ermittlung des ganzzahligen
Anteils k zwischen folgenden Fällen unterschieden werden:
fürAccording to the invention, the transit time or distance from the point in question to the zero point is approximately pre-determined. To determine the multiplier k, an accuracy of the distance measurement within the error limits -λ T / 4 to + λ T / 4 or an accuracy for the transit time measurement within the error limits -0.25 / f T to + 0.25 / f T is sufficient . Such an approximate determination of the transit time or the distance is possible, for example, by means of an evaluation method with a detection threshold for the flanks of the envelope H of the received pulse E. In the present case, this rough determination of the transit time or distance of the maximum value ME of the received pulse E can be carried out in a simple manner by averaging two distance values which result when a detection threshold is exceeded and undershot, since the received pulse E is symmetrical as required. By adding the phase angle Φ of the received pulse E, the roughly determined transit time or distance can be corrected to the exact value. Due to the permitted error mentioned, a distinction must be made between the following cases after determining the integer part k:
For
-λT/4 < 1/2 (g · λT + Φ · λT/360°) - xV λT/4-λ T / 4 <1/2 (g · λ T + Φ · λ T / 360 °) - x V λ T / 4
gilt k = g,
fürapplies k = g,
For
λT/4 < 1/2 (g · λT + Φ · λT/360°) - xV λT/2λ T / 4 <1/2 (g · λ T + Φ · λ T / 360 °) - x V λ T / 2
gilt k = g - 1,
fürapplies k = g - 1,
For
-λT/2 < 1/2 (g · λT + Φ · λT/360°) - xV - λT/4-λ T / 2 <1/2 (g · λ T + Φ · λ T / 360 °) - x V - λ T / 4
gilt k = g + 1, wobei xV die grob ermittelte Entfernung und g der ganzzahlige Anteil von Wellenlängen λT inner halb der grob ermittelten Entfernung xV ist.applies k = g + 1, where x V is the roughly determined distance and g is the integer component of wavelengths λ T within the roughly determined distance x V.
Die exakte Entfernung xG errechnet sich demnach ausThe exact distance x G is calculated accordingly
xG = 1/2 · (k · λT + Φ · λT/360°).x G = 1/2 · (k · λ T + Φ · λ T / 360 °).
Für die exakte Laufzeitbestimmung ist λT durch 1/fT zu ersetzen.For the exact determination of the transit time, λ T must be replaced by 1 / f T.
Auf diese Weise kann für jeden Punkt des Empfangsimpulses E die Laufzeit bzw. Entfernung zum Null-Punkt durch Ausnutzung der im Trägerfrequenzsignal befindlichen Phaseninformation exakt bestimmt werden. Hierbei ist die Messung nicht auf die lokalen Maxima M1 bis M7 beschränkt. Bei anderer Definition des Phasenwinkels können dies auch beispielsweise alle Null-Durchgänge mit positiver Steigung oder eine andere Gruppe von markanten Punkten innerhalb des Empfangsimpulses sein. Wesentlich ist lediglich, daß der entsprechende Punkt in etwa, insbesondere bis auf ± λT/4 bzw. ± 0,25/fT genau bestimmt werden kann. Ist dies der Fall, so hängt die Genauigkeit des Meßverfahrens lediglich noch von der Phasenmessung ab.In this way, the transit time or distance to the zero point can be exactly determined for each point of the received pulse E by utilizing the phase information contained in the carrier frequency signal. The measurement is not limited to the local maxima M1 to M7. With a different definition of the phase angle, this can also be, for example, all zero crossings with a positive slope or another group of distinctive points within the receive pulse. It is only essential that the corresponding point can be determined approximately, in particular to within ± λ T / 4 or ± 0.25 / f T. If this is the case, the accuracy of the measuring method only depends on the phase measurement.
Obwohl der Phasenwinkel des betreffenden Punktes auf unter schiedlichste Weise bestimmt werden kann, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Phasenwinkel über die gesamte Impulslänge hinweg zu messen und auszumitteln, so daß die Meßgenauigkeit der Phasenmessung erhöht wird. Wird bei spielsweise ein Phasenmeßfehler von ± 10° angenommen, so ergibt sich hieraus ein Meßfehler für die Entfernung bei einer Füllstandmessung von ± 1/72 · λT.Although the phase angle of the point in question can be determined in a variety of ways, it has proven to be advantageous to measure and average the phase angle over the entire pulse length, so that the measurement accuracy of the phase measurement is increased. If, for example, a phase measurement error of ± 10 ° is assumed, this results in a measurement error for the distance with a level measurement of ± 1/72 · λ T.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Laufzeit- bzw. Entfer nungsbestimmung zwischen einem festen Null-Punkt und einem Empfangsimpuls ist dort sinnvoll, wo zwischen dem Null-Punkt und der Phasenlage eines Sendeimpulses ein bekannter Zusam menhang herrscht. Ist dieser Zusammenhang nicht bekannt, so kann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowohl auf Sende- als auch auf Empfangsimpuls und Ermittlung der Differenz zwischen der Laufzeit bzw. dem Entfernungswert des Sendeimpulses und der Laufzeit bzw. dem Entfernungswert des Empfangsimpulses deren Laufzeitunterschied bzw. deren Ab stand ermittelt werden.The inventive method for runtime or distance determination between a fixed zero point and a Receive pulse makes sense where between the zero point and the phase relationship of a transmission pulse is a known combination menhang prevails. If this connection is not known, then can both by using the inventive method on transmit as well as on receive pulse and determination of the Difference between the running time or the distance value of the Transmit pulse and the transit time or the distance value of the Receive pulse their runtime difference or their Ab status can be determined.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit einer in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung und den dazugehörenden Signalverläufen in Fig. 3 erläutert.The method according to the invention is explained below using a specific exemplary embodiment in connection with a circuit arrangement shown in FIG. 2 and the associated signal profiles in FIG. 3.
Die Schaltungsanordnung von Fig. 2 ist beispielsweise Bestandteil einer Füllstandmeßeinrichtung. Die Schaltungsan ordnung weist eine Sende- und Empfangseinrichtung 1 zum Aussenden und Empfangen von mit einer gleichen Trägerfre quenz fT pulsmodulierten Impulsen auf. Die Sende- und Empfangseinrichtung 1 ist mit einem Kopplungselement 2 in Verbindung, das einerseits zur Ankopplung des elektrischen Sendeimpulses an die Meßstrecke und Umwandlung in eine elektromagnetische Welle dient und andererseits nach Reflexion der abgesandten Welle an einem Reflektor 3, beispiels weise eine Füllgutoberfläche in einem Behälter, zur Rück wandlung der empfangenen elektromagnetischen Welle in ein elektrisches Signal und damit einen Empfangsimpuls vorgese hen ist. An einem Signalausgang 4 der Sende- und Empfangs einrichtung 1 ist somit zunächst ein Sendeimpuls und an schließend ein Empfangsimpuls abgreifbar, die sich hinsicht lich ihrer Trägerfrequenz fT gleichen. Allerdings ist aufgrund der Dämpfung der Übertragungsstrecke der Empfangs impuls E in seiner Amplitude gedämpft. In der Sende- und Empfangseinrichtung 1 können zusätzlich Einrichtungen vorge sehen sein, um den Sende- und/oder Empfangsimpuls zu ver stärken und gegebenenfalls zu filtern.The circuit arrangement of FIG. 2 is, for example, part of a level measuring device. The circuit arrangement has a transmitting and receiving device 1 for transmitting and receiving pulses with the same carrier frequency f T pulse-modulated. The transmitting and receiving device 1 is connected to a coupling element 2 , which serves on the one hand for coupling the electrical transmission pulse to the measuring section and converting it into an electromagnetic wave, and on the other hand after reflection of the emitted wave on a reflector 3 , for example a product surface in a container , to convert back the received electromagnetic wave into an electrical signal and thus a receive pulse is hen. At a signal output 4 of the transmission and reception device 1 , a transmission pulse and then a reception pulse can be tapped, which are the same as regards their carrier frequency f T. However, due to the damping of the transmission path, the received pulse E is damped in its amplitude. In the transmitting and receiving device 1 , additional devices can be seen to strengthen the transmit and / or receive pulse and, if necessary, to filter it.
Ein Beispiel für einen von der Sende- und Empfangseinrich tung 1 ausgesendeten Sendeimpuls und empfangenen Empfangsim puls ist in Fig. 3 im Zeitdiagramm a dargestellt. Der Sendeimpuls ist mit dem Bezugszeichen S und der Empfangsim puls mit dem Bezugszeichen E bezeichnet. Wie deutlich zu erkennen ist, besitzen der Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E die gleiche pulsmodulierte Trägerfrequenz fT, wobei der Empfangsimpuls E aufgrund der Übertragungsstrecke eine geringere Amplitude aufweist. Die Laufzeit von Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E ist durch den zeitlichen Abstand ihrer beiden Maximalwerte MS und ME bestimmt. Mit der im weiteren noch zu beschreibenden Schaltungsanordnung kann durch Anwen dung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Laufzeit t und damit die Entfernung x zwischen Sendeimpuls S und Empfangs impuls E exakt bestimmt werden.An example of a transmitted by the transmit and receive device 1 transmit pulse and received receive pulse is shown in Fig. 3 in the timing diagram a. The transmit pulse is designated by the reference symbol S and the receive pulse by the reference symbol E. As can be clearly seen, the transmit pulse S and receive pulse E have the same pulse-modulated carrier frequency f T , the receive pulse E having a lower amplitude due to the transmission path. The transit time of transmit pulse S and receive pulse E is determined by the time interval between their two maximum values MS and ME. With the circuit arrangement to be described below, the transit time t and thus the distance x between transmit pulse S and receive pulse E can be exactly determined by applying the method according to the invention.
Hierfür weist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung eine Oszillatoreinrichtung 26 auf, die ein Oszillatorausgangssi gnal mit einer Oszillatorfrequenz f₀ zur Verfügung stellt. Das Oszillatorausgangssignal wird einem ersten Teiler 27 zugeführt, der das Oszillatorausgangssignal durch einen Faktor N dividiert, so daß am Ausgang des Teilers 27 ein Signal mit einer Frequenz fS zur Verfügung steht, das einen Meßzyklus bestimmt. Darüber hinaus gelangt das Oszillatorausgangssignal an eine weitere Teilerstufe 28, die das Oszillatorausgangssignal durch einen Faktor P dividiert. Am Ausgang der Teilerstufe 28 ist das Trägerfrequenzsignal für die Impulsaussendung in der Sende- und Empfangseinrich tung abgreifbar. Das Trägerfrequenzsignal weist die Träger frequenz fT auf, die um ein Vielfaches größer als die Frequenz fS ist. Die Ausgänge beider Teilerstufen 27 und 28 sind mit der Sende- und Empfangseinrichtung 1 in Verbin dung.For this purpose, the arrangement shown in FIG. 2 has an oscillator device 26 which provides an oscillator output signal with an oscillator frequency f₀. The oscillator output signal is fed to a first divider 27 which divides the oscillator output signal by a factor N, so that at the output of the divider 27 a signal having a frequency f S is available, which determines a measuring cycle. In addition, the oscillator output signal reaches a further divider stage 28 , which divides the oscillator output signal by a factor P. At the output of the divider stage 28 , the carrier frequency signal for the pulse transmission in the transmitting and receiving device can be tapped. The carrier frequency signal has the carrier frequency f T , which is many times greater than the frequency f S. The outputs of both divider stages 27 and 28 are connected to the transmitting and receiving device 1 .
Zur ungefähren Vorbestimmung der Laufzeit t bzw. Entfernung x zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E und an schließender Korrekturwertermittlung verfügt die Schaltungs anordnung in Fig. 2 über eine Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 und einen Quadraturdemodulator 20, die jeweils eingangs seitig mit dem Signalausgang 4 der Sende- und Empfangsein richtung 1 verbunden sind.For the approximate predetermination of the transit time t or distance x between the transmission pulse S and the reception pulse E and subsequent correction value determination, the circuit arrangement in FIG. 2 has an envelope evaluation device 5 and a quadrature demodulator 20 , each of which has the input and signal outputs 4 of the transmission and reception direction 1 are connected.
Die Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 dient zum Bestimmen der Hüllkurven H des Sende- und Empfangsimpulses S, E. Hierfür weist die Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 eingangsseitig eine Gleichrichteranordnung 6, beispielsweise einen Zweiweg gleichrichter, mit nachgeschaltetem Tiefpaß 7 auf. Der Ausgang des Tiefpasses 7 ist mit einem Komparator 8 in Verbindung, der einen einstellbaren Schwellwert aufweist. An den Ausgang dieses Komparators 8 ist der Taktanschluß eines JK-Flip-Flops 9 geschaltet, dessen Q-Ausgangsanschluß q mit dem Eingang eines Binärzählers 12 in Verbindung steht. Der Ausgang des Komparators 8 ist darüber hinaus über einen Inverter 11 mit einem Taktanschluß eines weiteren JK-Flip- Flops 10 in Verbindung, dessen Q-Anschluß q mit einem weite ren Binärzähler 13 in Verbindung steht. Die beiden Binärzäh ler 12, 13 weisen jeweils einen Reset-Anschluß R und einen Taktanschluß T auf. Die Reset-Anschlüsse R sind mit dem Ausgang der Teilerstufe 27 in Verbindung, während die Takt anschlüsse T an den Ausgang der Oszillatoreinrichtung .26 angeschlossen sind.The envelope curve evaluation device 5 serves to determine the envelope curves H of the transmit and receive pulse S, E. For this purpose, the envelope curve evaluation device 5 has on the input side a rectifier arrangement 6 , for example a two-way rectifier, with a downstream low-pass filter 7 . The output of the low pass 7 is connected to a comparator 8 , which has an adjustable threshold value. The clock connection of a JK flip-flop 9 , whose Q output connection q is connected to the input of a binary counter 12, is connected to the output of this comparator 8 . The output of the comparator 8 is also connected via an inverter 11 to a clock connection of a further JK flip-flop 10 , the Q connection q of which is connected to a further binary counter 13 . The two binary counters 12 , 13 each have a reset connection R and a clock connection T. The reset connections R are connected to the output of the divider stage 27 , while the clock connections T are connected to the output of the oscillator device .26.
Die Ausgangsanschlüsse 32, 33 der beiden Binärzähler 12, 13 sind mit einer Auswerteschaltung 14 in Verbindung. Diese Auswerteschaltung 14 erzeugt aus den in der Hüllkurvenaus werteeinrichtung 5 ermittelten Maxima MS, ME des Sendeim pulses S und Empfangsimpulses E ein Maß für die in etwa vorbestimmte Laufzeit bzw. Entfernung zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E. Hierfür weist die Auswerteschaltung 14 einen Mikrocomputer 15 auf. Der Mikrocomputer 15 ermittelt auch den für die exakte Laufzeit bzw. exakte Entfernung berücksichtigenden Korrekturwert der vorläufigen ungefähren Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung. Die Auswerteschaltung 14 verfügt noch über zwei Analog-Digital-Wandlerstufen 18, 19, deren Ausgangsanschlüsse mit jeweils einem Speicher 16, 17 in Verbindung sind. Die Speicher 16, 17 sind mit dem Mikro computer 15 in Verbindung. Die Analog-Digital-Wandlerstufen 18, 19 sind jeweils mit einem Ausgangsanschluß 30, 31 des Quadraturdemodulators 20 in Verbindung.The output connections 32 , 33 of the two binary counters 12 , 13 are connected to an evaluation circuit 14 . This evaluation circuit 14 generates from the maxima MS, ME of the transmission pulse S and reception pulse E determined in the envelope evaluation device 5 a measure of the approximately predetermined transit time or distance between the transmission pulse S and reception pulse E. For this purpose, the evaluation circuit 14 has a microcomputer 15 . The microcomputer 15 also determines the correction value of the preliminary approximate transit time or distance measurement that takes into account the exact transit time or exact distance. The evaluation circuit 14 also has two analog-digital converter stages 18 , 19 , the output connections of which are each connected to a memory 16 , 17 . The memories 16 , 17 are connected to the microcomputer 15 . The analog-to-digital converter stages 18 , 19 are each connected to an output connection 30 , 31 of the quadrature demodulator 20 .
Der Quadraturdemodulator 20 ist in an sich bekannter Weise aufgebaut. Der Quadraturdemodulator 20 weist einen ersten Multiplizierer 21 und einen zweiten Multiplizierer 22 auf, deren erster Eingangsanschluß jeweils mit dem Signalausgang 4 der Sende- und Empfangseinrichtung 1 verbunden ist. Die zweiten Signaleingänge der beiden Multiplizierer 21 und 22 sind mit dem Ausgangsanschluß der Teilerstufe 28 in Verbin dung, wobei vor den zweiten Eingang des zweiten Multiplizie rers 22 noch eine Phasenschiebeeinrichtung 25 angeordnet ist, die das Ausgangssignal der Teilerstufe 28 um -90° phasenverschiebt. Die Ausgänge der beiden Multiplizierer 21 und 22 sind jeweils über einen Tiefpaß 23, 24 mit einem Ausgangsanschluß 31, 30 des Quadraturdemodulators 20 in Verbindung.The quadrature demodulator 20 is constructed in a manner known per se. The quadrature demodulator 20 has a first multiplier 21 and a second multiplier 22 , the first input connection of which is each connected to the signal output 4 of the transmitting and receiving device 1 . The second signal inputs of the two multipliers 21 and 22 are connected to the output terminal of the divider stage 28 , a phase shifter 25 being arranged in front of the second input of the second multiplier 22 , which phase-shifts the output signal of the divider stage 28 by -90 °. The outputs of the two multipliers 21 and 22 are each connected to an output terminal 31 , 30 of the quadrature demodulator 20 via a low-pass filter 23 , 24 .
Das Eingangssignal am zweiten Eingang des ersten Multipli zierers 21 ist mit dem Bezugszeichen u und das hierzu um - 90° phasenverschobene Eingangssignal am zweiten Eingang des zweiten Multiplizierers 22 anstehende Signal mit v bezeich net. Das 0°-Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 31 des Qua draturdemodulators 20 ist mit Q und das 90°-Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 30 mit I bezeichnet.The input signal at the second input of the first multiplier 21 is denoted by the reference symbol u and the input signal phase-shifted by 90 ° to the second input of the second multiplier 22 is denoted by v. The 0 ° output signal at the output terminal 31 of the quadrature demodulator 20 is designated by Q and the 90 ° output signal at the output terminal 30 by I.
Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltungs anordnung wird anhand der Signalverläufe a bis k in Fig. 3 deutlich. Die in Fig. 3 dargestellten Signalverläufe a bis k sind in Fig. 2 an den auftretenden Stellen markiert.The operation of the circuit arrangement shown in Fig. 2 is clear from the waveforms a to k in Fig. 3. The signal curves a to k shown in FIG. 3 are marked in FIG. 2 at the points that occur.
Wie bereits ausgeführt, stellt der Signalverlauf a den Sendeimpuls S und den hierzu im zeitlichen Abstand auftre tenden Empfangsimpuls E dar. Die Sende- und Empfangseinrich tung 1 wird durch eine Flanke des am Ausgang des Teilers 27 anstehenden Signales mit der Frequenz fS am Kopplungs element 2 getriggert (vgl. b in Fig. 3). Zur vorläufigen groben Ermittlung der Laufzeit bzw. Wegstrecke dient die Hüllkurvenauswerteschaltung 5.As already explained, the signal curve a represents the transmission pulse S and the reception pulse E which occurs at intervals therefrom. The transmission and reception device 1 is element by a flank of the signal present at the output of the divider 27 with the frequency f S at the coupling 2 triggered (cf. b in Fig. 3). Envelope evaluation circuit 5 is used for preliminary rough determination of the transit time or distance.
Durch Gleichrichtung und Tiefpaßfilterung des am Signalaus gang 4 anstehenden Signales ist am Ausgang des Tiefpasses 7 der Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5 das im Signalverlauf c von Fig. 3 dargestellte Signal abgreifbar, das von den hochfrequenten Anteilen des Trägersignales befreit ist. Im Komparator 8 ist der im Signalverlauf c strichliert angege bene Schwellwert SW eingestellt. Diese Detektionsschwelle SW kann fest vorgegeben oder über die Steuer- und Auswerte schaltung 14 einstellbar sein. Am Ausgang des Komparators 8 ist ein Rechtecksignal abgreifbar, dessen ansteigende Flan ken vom Überschreiten und dessen abfallende Flanken vom Unterschreiten der Detektionsschwelle SW des am Ausgang des Tiefpasses 7 anstehenden Signales bestimmt sind.By rectification and low-pass filtering of the gear on Signalaus 4 pending signal at the output of low-pass filter 7 of the Hüllkurvenauswerteeinrichtung 5, the signal shown in waveform c of Figure 3. Picked off, is freed of the high-frequency components of the carrier signal. In the comparator 8 , the threshold value SW indicated by dashed lines c is set. This detection threshold SW can be fixed or can be set via the control and evaluation circuit 14 . At the output of the comparator 8 , a square-wave signal can be tapped, the rising flanks of which are determined to be exceeded and the falling edges of which are below the detection threshold SW of the signal present at the output of the low pass 7 .
Die steigenden Flanken dieses Rechtecksignales im Signalver lauf d triggern das JK-Flip-Flop 9, das zuvor ebenso wie das JK-Flip-Flop 10 und die Binärzähler 12 und 13 durch die ansteigende Flanke des Signales fS zu Beginn der Impuls aussendung rückgesetzt wurde. Das JK-Flip-Flop 9 gibt bei der ersten ansteigenden Flanke des Rechtecksignales im Signalverlauf d an seinem Eingang den Binärzähler 12 frei und stoppt ihn bei der nächsten ansteigenden Flanke, wie im Signalverlaufe zu erkennen ist. Das JK-Flip-Flop 10 und der Binärzähler 13 arbeiten in analoger Weise, wobei durch das Vorsehen des Inverters 11 am Takteingang des JK-Flip-Flops 10 jetzt nicht die ansteigenden Flanken des Rechtecksigna les, sondern dessen abfallenden Flanken maßgebend sind.The rising edges of this square wave signal in the signal run d trigger the JK flip-flop 9 , which was previously reset like the JK flip-flop 10 and the binary counters 12 and 13 by the rising edge of the signal f S at the beginning of the pulse transmission . The JK flip-flop 9 releases the binary counter 12 at its input on the first rising edge of the square-wave signal in the signal curve d and stops it on the next rising edge, as can be seen in the signal curve. The JK flip-flop 10 and the binary counter 13 work in an analogous manner, whereby by the provision of the inverter 11 at the clock input of the JK flip-flop 10 now not the rising edges of the rectangle signal, but its falling edges are decisive.
Wie in Fig. 3 darüber hinaus an den Signalverläufen e und f zu erkennen ist, ist der Zähltakt ein Vielfaches größer als die Trägerfrequenz fT. Der Zähltakt entspricht nämlich der Frequenz des Oszillatorausgangssignales und damit der Oszillatorfrequenz f₀.As can also be seen in FIG. 3 from the signal profiles e and f, the counting cycle is many times greater than the carrier frequency f T. The counting clock corresponds to the frequency of the oscillator output signal and thus the oscillator frequency f₀.
Am Ende eines Meßzyklusses, der durch die abfallende Flanke des Signalverlaufes b bestimmt ist, enthält der Binärzähler 12 somit eine Zahl Z1, die ein Maß für den Abstand zwischen der Vorderflanke des Sendeimpulses S und der Vorderflanke des Empfangsimpulses E ist. In ähnlicher Weise enthält der Binärzähler 13 eine Zahl Z2, die ein Maß für den Abstand der hinteren Flanke des Sendeimpulses S und der hinteren Flanke des Empfangsimpulses E ist. Da die Amplituden von Sende- und Empfangsimpuls S, E meist unterschiedlich sind, sind die Zählerstände in den Binärzählern 12, 13 und damit die dort gespeicherten Zahlen Z1 und Z2 nicht gleich. Der Mikrocompu ter 15 in der Steuer- und Auswerteschaltung 14 bildet aus diesen beiden Zählerständen einen Mittelwert, der als Maß für den Abstand des Maximalwertes MS des Sendeimpulses S und des Maximalwertes ME des Empfangsimpulses E anzusehen ist. Damit ist die vorläufig grobe Ermittlung der Wegstrecke bzw. Laufzeit zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E durch geführt. Die vorläufige grobe Ermittlung der Wegstrecke xV zwischen Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E ergibt sich aus folgender Formel:At the end of a measuring cycle, which is determined by the falling edge of the signal curve b, the binary counter 12 thus contains a number Z1, which is a measure of the distance between the leading edge of the transmission pulse S and the leading edge of the received pulse E. Similarly, the binary counter 13 contains a number Z2, which is a measure of the distance between the trailing edge of the transmit pulse S and the trailing edge of the receive pulse E. Since the amplitudes of the transmit and receive pulses S, E are usually different, the counter readings in the binary counters 12 , 13 and thus the numbers Z1 and Z2 stored there are not the same. The microcomputer 15 in the control and evaluation circuit 14 forms an average value from these two counter readings, which is to be regarded as a measure of the distance between the maximum value MS of the transmission pulse S and the maximum value ME of the reception pulse E. The preliminary rough determination of the distance or transit time between transmit pulse S and receive pulse E is thus carried out. The preliminary rough determination of the distance x V between transmit pulse S and receive pulse E results from the following formula:
xV = 1/2 (Z1 + Z2) · 1/f₀ · v · 1/2,x V = 1/2 (Z1 + Z2) 1 / f₀v v 1/2,
wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle bezeich net.where v denotes the speed of propagation of the wave net.
Zur exakten Laufzeit- bzw. Entfernungsbestimmung wird mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung noch der Phasenwinkel des Sendeimpulses S und Empfangsimpulses E ermittelt. Hierzu dient der Quadraturdemodulator 20. Im Quadraturdemodulator 20 wird der Sendeimpuls S und Empfangs impuls E mit den Signalen u bzw. v multipliziert und an schließend tiefpaßgefiltert. Die Signale u und v weisen die gleiche Frequenz wie das Trägersignal des Sendeimpulses S und Empfangsimpulses E auf. Diese Frequenz ist die Träger frequenz fT. Wie anhand der Signalverläufe g und h in Fig. 3 zu ersehen ist, sind die Signale u und v Rechtecksi gnale mit der Trägerfrequenz fT, wobei das Signal v wegen der Phasenschiebeanordnung 25 zum Signal u um -90° phasenverschoben ist. In den beiden Kanälen des Quadraturde modulators 20 werden der Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E durch Mischung bzw. Multiplizieren mit den Signalen u bzw. v in die Zwischenfrequenzlage Null umgesetzt. Die Tiefpässe 23 und 24 hinter den beiden Multiplizierern 21, 22 unterdrücken die beim Multiplizieren entstehenden hohen Frequenzanteile, so daß für die Dauer der Impulse an den Ausgängen der beiden Tiefpässe 23, 24 eine Gleichspannung ansteht, deren Amplitu de nur noch von der Phasenverschiebung zwischen dem entspre chenden Sendeimpuls S bzw. Empfangsimpuls E und dem Signal u bzw. v abhängt.In order to determine the exact transit time or distance, the phase angle of the transmit pulse S and receive pulse E is also determined using the circuit arrangement shown in FIG. 2. The quadrature demodulator 20 serves this purpose. In the quadrature demodulator 20 , the transmit pulse S and receive pulse E are multiplied by the signals u and v and then low-pass filtered. The signals u and v have the same frequency as the carrier signal of the transmit pulse S and receive pulse E. This frequency is the carrier frequency f T. As can be seen from the signal profiles g and h in FIG. 3, the signals u and v are rectangular signals with the carrier frequency f T , the signal v being out of phase with the signal u by -90 ° because of the phase shift arrangement 25 . In the two channels of the quadrature modulator 20 , the transmit pulse S and receive pulse E are converted into the intermediate frequency position zero by mixing or multiplying by the signals u or v. The low-pass filters 23 and 24 behind the two multipliers 21 , 22 suppress the high frequency components which arise during multiplication, so that a DC voltage is present at the outputs of the two low-pass filters 23 , 24 for the duration of the pulses, the amplitude of which only depends on the phase shift between the Corresponding transmit pulse S or receive pulse E and the signal u or v depends.
Die zu dem in Fig. 3 gezeigten Sende- und Empfangsimpuls S, E gehörenden Ausgangssignale an den Anschlüssen 30 und 31 des Quadraturdemodulators 20 sind anhand der Signalverläufe i und k in Fig. 3 gezeigt. Die Ausgangssignale Q und I des Quadraturdemodulators 20 lassen sich wie folgt berechnen:The output signals belonging to the transmit and receive pulse S, E shown in FIG. 3 at the connections 30 and 31 of the quadrature demodulator 20 are shown in FIG. 3 on the basis of the signal profiles i and k. The output signals Q and I of the quadrature demodulator 20 can be calculated as follows:
I = a · cos α
Q = a · sin α.I = a · cos α
Q = a · sin α.
Durch entsprechende Auswahl der Signale u und v in bezug zum Null-Punkt wird erreicht, daß der angezeigte Phasenwinkel a gleich dem oben beschriebenen Phasenwinkel des Sendeimpulses S bzw. Empfangsimpulses E ist. Die Proportionalitätskonstan te a hängt dabei von den Parametern der praktischen Reali sierung ab und ist meist unbekannt. Durch Division läßt sie sich jedoch eliminieren, da giltBy appropriate selection of the signals u and v in relation to Zero point is reached that the displayed phase angle a equal to the phase angle of the transmission pulse described above S or receive pulse E is. The constant of proportionality te a depends on the parameters of practical realities and is mostly unknown. By division leaves however, they eliminate themselves because
Diese Beziehung kann durch die Steuer- und Auswerteschaltung 14 genutzt werden. In den Analog-Digital-Wandlerstufen 18, 19 werden die analogen Ausgangssignale I und Q des Quadra turdemodulators 20 digitalgewandelt und in den nachfolgenden Speichern 16, 17 abgelegt. In den Signalverläufen i und k von Fig. 3 bezeichnen QS bzw. QE die 0°-Ausgangssignale des Quadraturdemodulators 20 bei eingangsseitig angelegtem Sende- bzw. Empfangsimpuls und IS bzw. IE die entsprechenden 90°-Ausgangssignale. Der Mikrocomputer 15 kann durch Divi sion und Arcustangens-Bildung die jeweils gesuchten Phasen winkel Φ für den Sendeimpuls S und Empfangsimpuls E ermit teln. Dabei kann die Zweideutigkeit des Arcustangens zwi schen 0° und 360° durch Einbeziehung der Vorzeichen der Signale I und Q umgangen werden. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ergibt sich für den Phasenwinkel ΦS des Sende impulses S ΦS = 180° und für den Phasenwinkel ΦE des Empfangsimpulses E ΦE = 90°.This relationship can be used by the control and evaluation circuit 14 . In the analog-digital converter stages 18 , 19 , the analog output signals I and Q of the Quadra turdemodulators 20 are digitally converted and stored in the subsequent memories 16 , 17 . In the waveforms i and k of FIG. 3, QS and QE denote the 0 ° output signals of the quadrature demodulator 20 with the transmit or receive pulse applied on the input side and IS or IE the corresponding 90 ° output signals. The microcomputer 15 can by means of division and arctangent formation, the phase angle gesuchten in each case for the transmit pulse S and receive pulse E determined. The ambiguity of the arc tangent between 0 ° and 360 ° can be avoided by including the signs of the signals I and Q. In the embodiment of Fig. 3 is obtained for the phase angle Φ S Φ of the transmitted pulse S S = 180 ° and Φ the phase angle of the received pulse E E E Φ = 90 °.
Die so ermittelten Phasenwinkel ΦS und ΦE ergeben durch Differenzbildung deren gegenseitige Phasenverschiebung ΦG.The phase angles Φ S and Φ E determined in this way result in their mutual phase shift Φ G by forming the difference.
ΦG = ΦE - ΦS = 270°.Φ G = Φ E - Φ S = 270 °.
Für die exakte Weglänge zwischen Sende- und Empfangsimpuls S, E gilt folglich:For the exact path length between send and receive pulse S, E therefore applies:
xG = 1/2 (k · λT + ΦG · λT/360°),x G = 1/2 (k · λ T + Φ G · λ T / 360 °),
wobei k nach der oben stehenden Fallunterscheidung ermittelt ist.where k is determined according to the above case distinction is.
Somit ist gezeigt, daß mit der vorgestellten Schaltungsan ordnung eine hochgenaue Laufzeit- und Entfernungsmessung möglich ist, bei welcher zunächst die Laufzeit bzw. Entfer nung in etwa vorbestimmt und anschließend ein die exakte Laufzeit bzw. Wegstrecke berücksichtigender Korrekturwert ermittelt wird. Für den Korrekturwert werden der Phasenwin kel des oder der Impulse gemessen und der Korrekturwert aus einem durch den Phasenwinkel bestimmten Bruchteil der Trä gerfrequenz bzw. Trägerwellenlänge ermittelt. Durch die Anwendung der Quadraturdemodulation zur Phasenwinkelbestim mung wird darüber hinaus gewährleistet, daß der Phasenwinkel des Impulses über die gesamte Impulslänge hinweg gemessen und somit ausgemittelt wird. Hierdurch wird eine hochgenaue Messung möglich.It is thus shown that with the circuit arrangement presented order a highly accurate transit time and distance measurement is possible at which the runtime or distance roughly predetermined and then the exact one Correction value taking into account the running time or distance is determined. The phase win kel of the pulse or pulses measured and the correction value a fraction of the Trä determined by the phase angle gerfrequency or carrier wavelength determined. Through the Application of quadrature demodulation to determine the phase angle tion is also ensured that the phase angle of the pulse measured over the entire pulse length and is thus averaged out. This makes a highly accurate Measurement possible.
BezugszeichenlisteReference list
1 Sende- und Empfangseinrichtung
2 Kopplungselement
3 Reflektor
4 Signalausgang
5 Hüllkurvenauswerteeinrichtung
6 Gleichrichteranordnung
7 Tiefpaß
8 Komparator
9 JK-Flip-Flop
10 JK-Flip-Flop
11 Inverter
12 Zähler
13 Zähler
14 Steuer- und Auswerteschaltung
15 Mikrocomputer
16 Speicher
17 Speicher
18 A/D-Wandlerstufe
19 A/D-Wandlerstufe
20 Quadraturdemodulator
21 erster Multiplizierer
22 zweiter Multiplizierer
23 Tiefpaßeinrichtung
24 Tiefpaßeinrichtung
25 Phasenschiebeanordnung
26 Oszillatoreinrichtung
27 Teilerstufe
28 Teilerstufe
30 Ausgang
31 Ausgang
32 Ausgangsanschluß
33 Ausgangsanschluß
t1 Zeitspanne
t Zeit
Z1 erster Zählerstand
Z2 zweiter Zählerstand
K Korrekturwert
E Empfangsimpuls
QE 0°-Ausgangssignal des Empfangsimpulses
QS 0°-Ausgangssignal des Sendeimpulses
IE 90°-Ausgangssignal des Empfangsimpulses
IS 90°-Ausgangssignal des Sendeimpulses
H Hüllkurve
I 90°-Ausgangssignal
M Maximum
N Faktor
Q 0°-Ausgangssignal
P Faktor
S Sendeimpuls
R Resetanschluß
T Taktanschluß
SW Schwellenwert
fT Trägerfrequenz
fs Frequenz
fo Oszillatorfrequenz
q Q-Anschluß
u Signal
v Signal
x, x1 Wegstrecke
λT Wellenlänge
ΦE Phasenwinkel
ΦS Phasenwinkel
Φ Phasenwinkel 1 transmitting and receiving device
2 coupling element
3 reflector
4 signal output
5 envelope evaluation device
6 rectifier arrangement
7 low pass
8 comparator
9 JK flip-flop
10 JK flip-flop
11 inverters
12 counters
13 counters
14 control and evaluation circuit
15 microcomputers
16 memories
17 memory
18 A / D converter stage
19 A / D converter stage
20 quadrature demodulator
21 first multiplier
22 second multiplier
23 low-pass device
24 low-pass device
25 phase shift arrangement
26 oscillator device
27 part level
28 part level
30 exit
31 exit
32 output connector
33 Output connection
t1 period of time
t time
Z1 first counter reading
Z2 second counter reading
K correction value
E receive pulse
QE 0 ° output signal of the receive pulse
QS 0 ° output signal of the transmission pulse
IE 90 ° output signal of the receive pulse
IS 90 ° output signal of the transmission pulse
H envelope
I 90 ° output signal
M maximum
N factor
Q 0 ° output signal
P factor
S transmit pulse
R reset connection
T clock connection
SW threshold
f T carrier frequency
fs frequency
fo oscillator frequency
q Q connection
u signal
v signal
x, x1 distance
λ T wavelength
Φ E phase angle
Φ S phase angle
Φ phase angle
Claims (19)
- - eine Sende- und Empfangseinrichtung (1) zum Aussenden und Empfangen von mit einer gleichen Trägerfrequenz (fT) pulsmodulierten Impulsen;
- - einer Hüllkurvenauswerteeinrichtung (5) zum Bestimmen der Hüllkurven (H) der Impulse (S, E);
- - einen Quadraturdemodulator (20), um aus den Impulsen (S, E) jeweils ein 0°-Ausgangssignal (Q) oder 90°-Aus gangssignal (I) zu erzeugen, wobei der Quadraturdemo dulator (20) mit die Trägerfrequenz (fT) aufwei senden Referenzträgersignalen betreibbar ist;
- - eine Auswerteschaltung (14), um aus den Maxima (MS, ME) der Hüllkurven (H) beider Impulse (S, E) ein Maß für die in etwa vorbestimmte Laufzeit zwischen den beiden Impulsen (S, E) zu erzeugen und um aus den 0°-Ausgangssignalen (Q) und 90°-Ausgangssignalen (I) den Korrekturwert (K) für die Laufzeit zu bilden.
- - A transmitting and receiving device ( 1 ) for transmitting and receiving pulses modulated with the same carrier frequency (f T );
- - an envelope evaluation device ( 5 ) for determining the envelopes (H) of the pulses (S, E);
- - a quadrature demodulator (20) to produce from the pulses (S, E) each having a 0 ° output signal (Q) or 90 ° -Aus input signal (I), wherein the quadrature Demo dulator (20) with the carrier frequency (f T ) Send reference carrier signals is operable;
- - An evaluation circuit ( 14 ) to generate a measure of the approximately predetermined transit time between the two pulses (S, E) from the maxima (MS, ME) of the envelopes (H) of the two pulses (S, E) and to the 0 ° output signals (Q) and 90 ° output signals (I) to form the correction value (K) for the running time.
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|---|---|---|---|
| DE4407369A DE4407369C2 (en) | 1994-03-05 | 1994-03-05 | Method and circuit arrangement for measuring the transit time and their use |
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