DE102005058114B4

DE102005058114B4 - Method and circuit for distance measurement according to the radar principle

Info

Publication number: DE102005058114B4
Application number: DE200510058114
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Hoch Werner
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2025-12-06
Also published as: DE102005058114A1

Abstract

Verfahren zur Abstandsmessung, insbesondere zur Füllstandsmessung, nach dem Radarprinzip, bei dem also mittels Mikrowellen der Abstand zwischen einem Mikrowellensender bzw. einem Mikrowellenempfänger und einem die Mikrowellen reflektierenden Objekt gemessen wird, nämlich die Summe der Laufzeit der Sendeimpulse zwischen dem Mikrowellensender und dem Objekt sowie der Laufzeit der Reflektionsimpulse zwischen dem Objekt und dem Mikrowellenempfänger gemessen und aus der Summe der Laufzeiten der zu messende Abstand errechnet wird, wobei zur Messung der Laufzeiten aufeinanderfolgende zeitverzögerte Abtastimpulse erzeugt werden, ferner festgestellt wird, mit welchen Abtastimpulsen die Reflektionsimpulse koinzidieren, und die Summe der Laufzeiten als das Produkt aus der Zeitverzögerung eines Abtastimpulses und der Ordnungszahl der Abtastimpulse, mit denen die Reflektionsimpulse koinzidieren, bestimmt wird, wobei die Abtastimpulse aus einem Amplitudenvergleich von zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufenden Abtastimpulserzeugungssignalen gewonnen werden und die Abtastimpulserzeugungssignale durch rechteckförmige Signale – vorzugsweise gleicher Amplitude – gewonnen werden, die über jeweils einen Widerstand jeweils einen Kondensator aufladen, so...Method for distance measurement, in particular for level measurement, according to the radar principle, in which the distance between a microwave transmitter or a microwave receiver and an object reflecting the microwaves is measured by means of microwaves, namely the sum of the transit time of the transmission pulses between the microwave transmitter and the object and the Transit time of the reflection pulses between the object and the microwave receiver is measured and the distance to be measured is calculated from the sum of the transit times, successive time-delayed sampling pulses being generated for the measurement of the transit times, furthermore determining with which sampling pulses the reflection pulses coincide, and the sum of the transit times is determined as the product of the time delay of a sampling pulse and the ordinal number of the sampling pulses with which the reflection pulses coincide, the sampling pulses being obtained from an amplitude comparison of two after different Exp onential functions extending sampling pulse generation signals are obtained and the sampling pulse generation signals are obtained by rectangular signals - preferably of the same amplitude - which each charge a capacitor via a resistor, so ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung, insbesondere zur Füllstandsmessung, nach dem Radarprinzip, bei dem also mittels Mikrowellen der Abstand zwischen einem Mikrowellensender bzw. einem Mikrowellenempfänger und einem die Mikrowellen reflektierenden Objekt gemessen wird, nämlich die Summe der Laufzeit der Sendeimpulse zwischen dem Mikrowellensender und dem Objekt sowie der Laufzeit der Reflektionsimpulse zwischen dem Objekt und dem Mikrowellenempfänger gemessen und aus der Summe der Laufzeiten der zu messende Abstand errechnet wird, wobei zur Messung der Laufzeiten aufeinanderfolgende zeitverzögerte Abtastimpulse erzeugt werden, ferner festgestellt wird, mit welchen Abtastimpulsen die Reflektionsimpulse koinzidieren, und die Summe der Laufzeiten als das Produkt aus der Zeitverzögerung eines Abtastimpulses und der Ordnungszahl der Abtastimpulse, mit denen die Reflektionsimpulse koinzidieren, bestimmt wird, wobei die Abtastimpulse aus einem Amplitudenvergleich von zwei nach unterschiedlichen Expotentialfunktionen verlaufenden Abtastimpulserzeugungssignalen gewonnen werden und die Abtastimpulserzeugungssignale durch rechteckige Signale – vorzugsweise gleicher Amplitude – gewonnen werden, die über jeweils einen Widerstand jeweils einen Kondensator aufladen, so dass an den Kondensatoren die Abtastimpulserzeugungssignale entstehen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren der zuvor beschriebenen Art, bei dem die Abtastimpulserzeugungssignale durch rechteckförmige Signale mit der Frequenz f₁ und der Periodendauer T₁ einerseits und mit der Frequenz f₂ und der Periodendauer T₂ andererseits gewonnen werden. Diese Verfahren sind aus der deutschen Offenlegungsschrift 27 29 331 bekannt.The invention relates to a method for distance measurement, in particular for level measurement, according to the radar principle, in which therefore the distance between a microwave transmitter or a microwave receiver and a microwave reflecting object is measured by means of microwaves, namely the sum of the duration of the transmission pulses between the microwave transmitter and the object and the duration of the reflection pulses between the object and the microwave receiver is measured and calculated from the sum of the transit times of the distance to be measured, wherein the measurement of the propagation times consecutive time-delayed sampling pulses are generated, it is also determined with which sampling pulses the reflection pulses coincide, and the sum of the transit times is determined as the product of the time delay of a sampling pulse and the ordinal number of sampling pulses with which the reflection pulses coincide, the sampling pulses being determined from an amplitude comparison of n two sampling pulse generation signals running according to different exponential functions are obtained, and the sampling pulse generation signals are obtained by rectangular signals, preferably of the same amplitude, which charge one capacitor each via a resistor, so that the sampling pulse generation signals are produced at the capacitors. The invention also relates to a method of the type described above, in which the Abtastimpulerzeugungssignale by rectangular signals with the frequency f ₁ and the period T ₁ on the one hand and with the frequency f ₂ and the period T ₂ on the other hand are obtained. These methods are from the German Offenlegungsschrift 27 29 331 known.

Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Schaltung zur Durchführung des in Rede stehenden Verfahrens, mit einem ersten Rechteckgenerator, einem ersten Zeitverzögerungsglied zur Erzeugung einer sich ändernden, linear ansteigenden Zeitverzögerung, einem Sendeimpulsgenerator, einem von dem ersten Zeitverzögerungsglied gesteuerten Abtastimpulsgenerator, einem Koppelglied zum Auskoppeln der Sendeimpulse und Einkoppeln der Reflektionsimpulse und einem Koinzidenz-Schaltkreis, wobei der erste Rechteckgenerator mit dem ersten Zeitverzögerungsglied verbunden ist, wobei das erste Zeitverzögerungsglied aus einem Amplitudenvergleich von zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufenden Abtastimpulserzeugungssignalen mit Hilfe des Abtastimpulsgenerators Abtastimpulse generiert und wobei durch den Koinzidenz-Schaltkreis detektiert wird, mit welchem Abtastimpuls ein Reflektionsimpuls koinzidiert.Finally, the invention also relates to a circuit for carrying out the method in question, comprising a first square-wave generator, a first time delay element for generating a changing, linearly increasing time delay, a transmit pulse generator, a sampling pulse generator controlled by the first time delay element, a coupling element for coupling the transmission pulses and coupling the reflection pulses and a coincidence circuit, wherein the first square wave generator is connected to the first time delay element, the first time delay element generating sampling pulses from an amplitude comparison of two strobe pulse generation signals having different exponential functions using the strobe pulse generator and being detected by the coincidence circuit with which sampling pulse a reflection pulse coincides.

Eingangs ist gesagt, dass das in Rede stehende Verfahren insbesondere zur Füllstandsmessung bestimmt ist, also zur Bestimmung des Füllstandes bzw. der Füllhöhe eines Mediums, insbesondere – aber nicht ausschließlich – eines flüssigen Mediums in einem Behälter. Gleichwohl kann dieses Verfahren ganz allgemein zur Abstandsmessung zwischen einem Mikrowellensender bzw. einem Mikrowellenempfänger und einem die Mikrowellen reflektierenden Objekt angewendet werden. Wenn und soweit im folgenden primär die Füllstandsmessung behandelt wird, so soll also darin keinesfalls eine Beschränkung der erfindungsgemäßen Lehre gesehen werden.It is said at the outset that the method in question is intended in particular for level measurement, that is to say for determining the fill level or fill level of a medium, in particular-but not exclusively-a liquid medium in a container. However, this method can be applied more generally for distance measurement between a microwave transmitter and a microwave receiver and an object reflecting the microwaves. If and as far as in the following primarily the level measurement is treated, so it should not be seen in any way a limitation of the teaching of the invention.

Zum Verständnis dessen, was nachfolgend ausgeführt wird, wird – wie üblich – das allgemeine Fachwissen des relevanten Fachmannes vorausgesetzt, eines an einer wissenschaftlichen Hochschule ausgebildeten Diplom-Ingenieurs der Elektrotechnik (oder auch eines Diplom-Physikers). Dieses hier relevante allgemeine Fachwissen ist anschaulich dokumentiert in der Arbeit ”Grundlagen der Radartechnik zur Füllstandsmessung” von Dr.-Ing. Detlef Brumbi, 4. überarbeitete und erweiterte Auflage, Mai 2003.In order to understand what is stated below, as usual, the general knowledge of the relevant specialist is presupposed, of a graduate engineer of electrical engineering (or of a graduated physicist) who has been trained at a scientific university. This relevant general knowledge is clearly documented in the paper "Fundamentals of radar technology for level measurement" by Dr.-Ing. Detlef Brumbi, 4th revised and expanded edition, May 2003.

Zur Messung des Füllstandes von Flüssigkeiten oder festen Stoffen in Behältern haben sich viele Verfahren herausgebildet (vgl. Brumbi, aaO, Kapitel 3.1 Seiten 11 und 12), nämlich unter anderem die Radar-Füllstandsmessung, wobei man verschiedene Radar-Verfahren unterscheidet (vgl. Brumbi, aaO, Kapitel 3.3, Seiten 13 und 14), nämlich unter anderem das Puls-Radar, das CW-Radar und das FMCW-Radar, und bei der Radar-Füllstandsmessung werden häufig das Puls-Radar oder das FMCW-Radar angewendet.Many methods have been developed for measuring the level of liquids or solid substances in containers (see Brumbi, loc. Cit., Pages 3.1 and 12), namely radar level measurement, which differentiates between different radar methods (see Brumbi aaO, chapter 3.3, pages 13 and 14), including but not limited to pulse radar, CW radar and FMCW radar, and radar level measurement often uses pulse radar or FMCW radar.

Hier geht es um das Puls-Radar (vgl, Brumbi aaO, Kapitel 3.5, Seite 15). Bei dem Puls-Radar liegt die technische Schwierigkeit darin, die Laufzeit der gesendeten Mikrowellen = Sendeimpulse zwischen dem Mikrowellensender und dem die Sendeimpulse reflektierenden Objekt sowie die Laufzeit der reflektierten Mikrowellen = Reflektionsimpulse zwischen dem Objekt und dem Mikrowellenempfänger sehr genau zu messen; für eine Genauigkeit der Abstandsmessung von 1 mm ist eine Genauigkeit der Zeitmessung von etwa 6 ps notwendig.This is about the pulse radar (cf., Brumbi loc. Cit., Chapter 3.5, page 15). In the pulse radar, the technical difficulty is to measure the transit time of the transmitted microwave = transmission pulses between the microwave transmitter and the object reflecting the transmitted pulses and the duration of the reflected microwave = reflection pulses between the object and the microwave receiver very accurately; for accuracy of the distance measurement of 1 mm, an accuracy of the time measurement of about 6 ps is necessary.

Im Stand der Technik hat man das Problem der Genauigkeit der Zeitmessung durch eine sogenannte Zeitdehnung gelöst (vgl. Brumbi, aaO, Kapitel 8.6, Seiten 57 und 58). Dabei besteht die entsprechende Schaltung im Prinzip aus zwei Oszillatoren, die mit einem kleinen Frequenzversatz schwingen, stabilisiert durch eine PLL. Die Abtastung der Reflektionsimpulse erfolgt bei jedem Reflektionsimpuls mit einer Zeitverzögerung, aus der sich ein Zeitdehnfaktor bestimmen läßt.In the prior art, the problem of the accuracy of the time measurement has been solved by a so-called time expansion (see Brumbi, loc. Cit., Chapter 8.6, pages 57 and 58). The corresponding circuit consists in principle of two oscillators, which oscillate with a small frequency offset, stabilized by a PLL. The sampling of the reflection pulses takes place with each reflection pulse with a time delay, from which a time expansion factor can be determined.

Aus der USA-Patentschrift 3,832,900 sind ein Verfahren und eine Schaltung zur Abstandsmessung nach dem Radarprinzip bekannt, bei dem die emittierten Sendeimpulse in zweierlei Hinsicht genutzt werden. Zum einen werden die Sendeimpulse in üblicher Weise in Richtung auf das reflektierende Objekt ausgesendet, wobei die Sendeimpulse zumindest teilweise reflektiert und als Reflektionsimpulse zurückgestrahlt und von einer Empfangseinheit empfangen werden. Zum anderen wird in der Empfangseinheit synchron zur Emittierung der Sendeimpulse über eine Vielzahl von Verzögerungsgliedern mit bekannter und voneinander abweichender Totzeit gleichzeitig eine Vielzahl von zeitverzögerten Abtastimpulsen erzeugt, deren zeitlicher Versatz folglich bekannt ist. Die von dem Objekt reflektierten und aufgrund der Laufzeit ebenfalls verzögerten Reflektionsimpulse werden in der Empfangseinheit über eine Vielzahl von Koinzidenz-Schaltkreisen gleichzeitig mit der Vielzahl von zeitverzögerten Abtastimpulsen verglichen, wobei nur jener Koinzidenz-Schaltkreis ein Ausgangssignal liefert, der das im gleichen Zeitfenster liegende Auftreffen von Reflektionsimpulsen und zeitverzögerten Abtastimpulsen detektiert. Das Verfahren ist insbesondere gerätetechnisch sehr aufwendig, da proportional zur Erhöhung der Meßgenauigkeit auch die Anzahl der Zeitverzögerungs- und Koinzidenz-Schaltkreise erhöht werden muß. From the U.S. Patent 3,832,900 For example, a method and a circuit for distance measurement according to the radar principle are known, in which the emitted transmission pulses are used in two ways. On the one hand, the transmission pulses are emitted in the usual way in the direction of the reflecting object, wherein the transmission pulses are at least partially reflected and reflected back as reflection pulses and received by a receiving unit. On the other hand, a plurality of time-delayed sampling pulses are simultaneously generated in the receiving unit in synchronism with the emission of the transmission pulses via a plurality of delay elements with known and divergent dead time, the temporal offset is therefore known. The reflection pulses reflected by the object and also delayed by the propagation delay are simultaneously compared in the receiving unit via a plurality of coincidence circuits with the plurality of time-delayed sampling pulses, whereby only that coincidence circuit supplies an output signal which coincides with the impingement of Reflection pulses and time-delayed sampling pulses detected. The method is particularly technically very expensive, since in proportion to increase the measurement accuracy and the number of time delay and coincidence circuits must be increased.

Zur Vermeidung des zuvor beschriebenen Nachteils ist aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. die USA-Patentschrift 5,563,605 ), die Vielzahl von Zeitverzögerungs- und Koinzidenz-Schaltkreise zu ersetzen durch einen einzigen Zeitverzögerungs-Sehaltkreis mit variabler Zeitverzögerung und durch einen einzigen Koinzidenz-Schaltkreis. Die grundlegende Idee besteht darin, Sendeimpulse in gewohnter Weise zu emittieren und die Reflektionsimpulse zunächst mit Abtastimpulsen mit bekannter Zeitverzögerung zu vergleichen, womit bei Feststellung einer Koinzidenz von Reflektions- und Abtastimpulsen auch die Laufzeit der Reflektionsimpulse bekannt ist. Es ist unmittelbar einleuchtend, dass bei diesem gerätetechnisch einfacheren Verfahren zur Ermittlung der Laufzeit der Reflektionsimpulse die variable Zeitverzögerung der Abtastimpulse so lange verändert werden muß, bis eine Koinzidenz von Abtast- und Reflektionsimpulsen festgestellt wird.To avoid the disadvantage described above, it is known from the prior art (see, for example, FIGS U.S. Patent 5,563,605 ) to replace the plurality of time-delay and coincidence circuits with a single time-delay variable-delay circuit and a single coincidence circuit. The basic idea is to emit transmit pulses in the usual way and to first compare the reflection pulses with sampling pulses with a known time delay, whereby the transit time of the reflection pulses is known when a coincidence of reflection and sampling pulses is detected. It is immediately obvious that in this device technically simpler method for determining the transit time of the reflection pulses, the variable time delay of the sampling pulses must be changed so long until a coincidence of sampling and reflection pulses is detected.

Soll bei dem zuvor beschriebenen Verfahren ein Objektbereich von einer Mindestentfernung bis zu einer Maximalentfernung mit einer bestimmten Auflösung erfaßt werden, ist also eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Laufzeitmessungen erforderlich, wobei die kürzeste variable Verzögerungszeit so eingestellt wird, dass sie der detektierbaren Mindestentfernung entspricht, und wobei die späteren Abtastimpulse nachfolgend um eine Zeit verzögert werden, die der gewünschten räumlichen Auflösung entspricht. Soll beispielsweise eine Auflösung im Millimeter-Bereich erzielt werden, so muss die Zeitverzögerung von einem Abtastimpuls zum nächsten Abtastimpuls um etwa 6 ps inkrementiert werden. Demzufolge sind zur vollständigen Abtastung einer Messstrecke von beispielsweise einem Meter mit einer Auflösung von einem Millimeter insgesamt 1000 Einzelmessungen im zuvor genannten Sinne notwendig, wobei die Zeitverzögerung während der 1000 Messungen schrittweise um insgesamt 6 ns zu erhöhen ist.Thus, in the above-described method, if an object area is to be detected from a minimum distance to a maximum distance of a certain resolution, a plurality of consecutive time-of-flight measurements are required, the shortest variable delay time being set to correspond to the minimum detectable distance, and the subsequent sampling pulses are subsequently delayed by a time corresponding to the desired spatial resolution. For example, if resolution in the millimeter range is to be achieved, then the time delay from one sample pulse to the next sample pulse must be incremented by about 6 ps. Accordingly, for the complete scanning of a measuring section of, for example, one meter with a resolution of one millimeter, a total of 1000 individual measurements in the aforementioned sense is necessary, wherein the time delay during the 1000 measurements is to be incrementally increased by a total of 6 ns.

Allgemein gilt, daß zur vollständigen messtechnischen Erfassung einer räumlichen Messstrecke mit einer bestimmten Auflösung bei dem zuvor beschriebenen Verfahren eine Vielzahl von Messungen erforderlich ist, beginnend mit einer Messung der Ordnungszahl l, mit der die Detektion des kürzesten Abstandes möglich ist, und endend mit einer Messung der Ordnungszahl n, mit der die längste Objektentfernung detektiert werden kann. Damit korrespondierend kann auch von einer Ordnungszahl der Abtastimpulse gesprochen werden, wobei dem Abtastimpuls mit der geringsten Zeitverzögerung die Ordnungszahl 1 zukommt und dem Abtastimpuls mit der größten Zeitverzögerung die Ordnungszahl n.In general, for complete metrological detection of a spatial measurement path with a certain resolution in the method described above, a large number of measurements is required, starting with a measurement of atomic number l, with which the detection of the shortest distance is possible, and ending with a measurement the ordinal number n, with which the longest object distance can be detected. Correspondingly, it is also possible to speak of an ordinal number of the sampling pulses, with the sampling pulse having the lowest time delay having the ordinal number 1 and the sampling pulse having the greatest time delay the ordinal number n.

Die Genauigkeit des erläuterten Verfahrens hängt in ganz entscheidender Weise von der Präzision ab, mit der Signale zeitverzögert werden können.The accuracy of the method explained depends crucially on the precision with which signals can be time-delayed.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um variable Zeitverzögerungen schaltungstechnisch zu erzeugen, insbesondere sich linear erhöhende Zeitverzögerungen, bei denen also jeweils zwei aufeinanderfolgende zeitverzögerte Abtastimpulse um ein festes Zeitinkrement erhöhte Verzögerungszeiten aufweisen.Various methods are known for generating variable time delays by circuitry, in particular linearly increasing time delays, in which two consecutive time-delayed sampling pulses each have a fixed time increment increased delay times.

Zur technischen Realisierung einer präzisen, sich linear erhöhenden Zeitverzögerung ist beispielsweise bekannt, die Amplitude zweier sägezahnförmiger Signale miteinander zu vergleichen, wobei das erste sägezahnförmige Signal eine relativ niedrige Frequenz f₁ bzw. eine relativ große Periodendauer T₁ aufweist und das zweite sägezahnförmige Signal eine relativ hohe Frequenz f₂ bzw. eine relativ kurze Periodendauer T₂ aufweist.For the technical realization of a precise, linearly increasing time delay, it is known, for example, to compare the amplitude of two sawtooth-shaped signals, the first sawtooth-shaped signal having a relatively low frequency f ₁ or a relatively large period T ₁ and the second sawtooth-shaped signal having a relative high frequency f ₂ or a relatively short period T ₂ has.

Im folgenden sei zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Einfachheit halber angenommen, dass beide sägezahnförmigen Signale die gleiche Amplitude aufweisen. Die Periodendauer T₂ des zweiten sägezahnförmigen Signals entspricht der mit dieser Methode maximal erzielbaren Zeitverzögerung. Unter der Voraussetzung, dass die Periodendauer T₁ des ersten sägezahnförmigen Signals ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer T₂ des zweiten sägezahnförmigen Signals ist, ergibt sich die maximale Ordnungszahl n aus dem Quotienten der Periodendauer T₁ des ersten sägezahnförmigen Signals zu der Periodendauer T₂ des zweiten sägezahnförmigen Signals, also zu n = T₁/T₂.In the following, to simplify the operation, it is assumed for the sake of simplicity that both sawtooth-shaped signals have the same amplitude. The period T _{2 of} the second sawtooth signal corresponds to the maximum achievable with this method time delay. Assuming that the period T _{1 of} the first sawtooth-shaped signal is an integer multiple of the period T _{2 of} the second sawtooth signal, the maximum ordinal number n results from the quotient of the period T _{1 of} the first sawtooth-shaped Signal to the period T _{2 of} the second sawtooth signal, ie to n = T ₁ / T ₂ .

Die Erzeugung der beiden sägezahnförmigen Signale beginnt gleichzeitig zu Beginn eines Meßintervalls. Die ansteigende Flanke des ersten sägezahnförmigen Signals wird innerhalb der großen Periodendauer T₁ von der ansteigenden Flanke des zweiten sägezahnförmigen Signals insgesamt n-mal von unten nach oben geschnitten. Es leuchtet aus der Anschauung unmittelbar ein, dass die Zeitdauer vom Start eines zweiten sägezahnförmigen Signals bis zu dem Zeitpunkt, in dem dieses zweite sägezahnförmige Signal das erste sägezahnförmige Signal schneidet, fortschreitend – von Messung zu Messung – linear größer wird, ganz einfach deshalb, weil die Amplitude des ersten sägezahnförmigen Signals über den Zeitraum seiner Periodendauer T₁ ständig zunimmt. Diese linear zunehmende Zeitdauer vom Start der Generierung eines der insgesamt n zweiten sägezahnförmigen Signale bis zum Schnittpunkt mit dem ersten sägezahnförmigen Signal wird als die variable – linear zunehmende – Zeitverzögerung zur Generierung der Abtastimpulse verwendet. Da die Zeitverzögerung in n Intervallen insgesamt den Wertebereich von 0 s bis zur Periodendauer T₂ des zweiten sägezahnförmigen Signals durchläuft, berechnet sich die kleinste Verzögerungszeit und damit das konstante Zeitinkrement T_v zweier aufeinanderfolgender Zeitverzögerungen zu T_v = T₂/(T₁/T₂) = T₂ ²/T₁. The generation of the two sawtooth signals begins simultaneously at the beginning of a measurement interval. The rising edge of the first sawtooth-shaped signal is cut from the rising edge of the second sawtooth-shaped signal a total of n times from bottom to top within the large period T ₁ . It is immediately apparent from the view that the time from the start of a second sawtooth signal to the time at which this second sawtooth signal intersects the first sawtooth signal progressively increases linearly from measurement to measurement, simply because the amplitude of the first sawtooth-shaped signal continuously increases over the period of its period T ₁ . This linearly increasing time duration from the start of generation of one of the total of n second sawtooth-shaped signals to the point of intersection with the first sawtooth-shaped signal is used as the variable - linearly increasing - time delay for generating the sampling pulses. Since the time delay in n intervals overall passes through the value range from 0 s to the period T _{2 of} the second sawtooth-shaped signal, the smallest delay time and thus the constant time increment T _{v of} two successive time delays are calculated T _v = T ₂ / (T ₁ / T ₂ ) = T ₂ ² / T ₁ .

Wenn das erste sägezahnförmige Signal mit einer Frequenz f₁ von 10 Hz generiert wird und das zweite sägezahnförmige Signal mit einer Frequenz f₂ von 1 MHz generiert wird, folgt daraus eine minimale Zeitverzögerung und damit ein korrespondierendes Zeitinkrement T_v von 10 ps und damit eine örtliche Auflösung im Millimeter-Bereich.If the first sawtooth-shaped signal is generated with a frequency f ₁ of 10 Hz and the second sawtooth-shaped signal with a frequency f ₂ of 1 MHz is generated, this results in a minimum time delay and thus a corresponding time increment T _v of 10 ps and thus a local Resolution in the millimeter range.

Im folgenden wird in Verbindung mit einer Skizze – 1 – das zuvor erläuterte Verfahren nochmals verdeutlicht, für eine Frequenz f₁ von 10 Hz und eine Frequenz f₂ von 1 MHz, bei dem also die maximale Ordnungszahl n = T₁/T₂ = 100.000 beträgt, innerhalb des gesamten Messintervalls von 0,1 s also 100.000 Messschritte durchgeführt werden. (In der Skizze sind jedoch nur die Messschritte mit den Ordnungszahlen 1 bis 4 und 999.997 bis 100.000 dargestellt.)The following is in conjunction with a sketch - 1 - illustrates the previously explained method again, for a frequency f ₁ of 10 Hz and a frequency f ₂ of 1 MHz, in which therefore the maximum atomic number n = T ₁ / T ₂ = 100,000, within the entire measurement interval of 0.1 s so 100,000 measurement steps are performed. (In the sketch, however, only the measuring steps with the ordinal numbers 1 to 4 and 999.997 to 100.000 are shown.)

Nach dem ersten Messschritt beträgt die Zeitverzögerung t_V = 10 ps, d. h. 10 ps nach dem Start des zweiten Messschritts wird die ansteigende Flanke des ersten sägezahnförmigen Signals von der ansteigenden Flanke des zweiten sägezahnförmigen Signals von unten nach oben geschnitten und der erste Abtastimpuls erzeugt. Nach dem zweiten Messschritt beträgt die Zeitverzögerung t_V = 2T_v = 20 ps, d. h. 20 ps nach dem Start des dritten Messschritts wird die ansteigende Flanke des ersten sägezahnförmigen Signals von der ansteigenden Flanke des zweiten sägezahnförmigen Signals von unten nach oben geschnitten und der zweite Abtastimpuls erzeugt, usw., bis nach dem Messschritt 99.999 die Zeitverzögerung t_V = 99.999 T_v = 0,99999 μs und nach dem Messschritt 100.000 die Zeitverzögerung t_V = 100.000 T_v = 1 μs beträgt und der 100.000. Abtastimpuls erzeugt wird. Abhängig davon, nach welchem Abtastimpuls – bzw. dem dadurch generierten Abtastintervall – der Koinzidenz-Schaltkreis das Eintreffen eines Reflektionsimpulses feststellt, ergibt sich die Laufzeit für den entsprechenden Sendeimpuls und den zugehörigen Reflektionsimpuls, und aus der so festgestellten Laufzeit wird dann der Abstand zwischen dem Mikrowellensender und dem Mikrowellenempfänger, zu dem der Koinzidenz-Schaltkreis gehört, berechnet.After the first measuring step, the time delay t _V = 10 ps, ie 10 ps after the start of the second measuring step, the rising edge of the first sawtooth signal is cut from the rising edge of the second sawtooth signal from bottom to top and generates the first sampling pulse. After the second measuring step, the time delay t _V = 2T _v = 20 ps, ie 20 ps after the start of the third measuring step, the rising edge of the first sawtooth signal is cut from the rising edge of the second sawtooth signal from bottom to top and the second sampling pulse generated, etc., until after the measuring step 99.999 the time delay t _V = 99.999 T _v = 0.99999 μs and after the measuring step 100.000 the time delay t _V = 100.000 T _v = 1 μs and the 100.000. Scanning pulse is generated. Depending on which sampling pulse - or the sampling interval generated thereby - the coincidence circuit determines the arrival of a reflection pulse, the runtime for the corresponding transmit pulse and the associated reflection pulse results, and from the travel time thus determined, the distance between the microwave transmitter and the microwave receiver to which the coincidence circuit belongs.

An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass üblicherweise der Abstand zwischen dem Mikrowellensender und dem reflektierenden Objekt einerseits sowie der Abstand zwischen dem reflektierenden Objekt und dem Mikrowellenempfänger andererseits gleich ist, üblicherweise also eine zu dem Mikrowellensender gehörende Sendeantenne auch als Empfangsantenne für den Mikrowellenempfänger arbeitet.It should be noted that usually the distance between the microwave transmitter and the reflective object on the one hand and the distance between the reflective object and the microwave receiver on the other hand is the same, so usually a belonging to the microwave transmitter transmitting antenna also works as a receiving antenna for the microwave receiver.

Welcher Vorteil wird nun mit den Verfahren der eingangs beschriebenen Art gegenüber dem weiter oben im Einzelnen erläuterten Verfahren erreicht?What advantage is achieved with the method of the type described above with respect to the method explained in detail above?

Die Erzeugung sägezahnförmiger Signale ist im Stand der Technik umfangreich bekannt. Beispielsweise führt die Aufladung eines Kondensators mit einem konstanten Strom zu einer sägezahnförmig ansteigenden Spannung am Kondensator, also zu einem sägezahnförmigen Signal. Benötigt wird also eine Konstantstromquelle. Einerseits ist eine solche Konstantstromquelle schaltungstechnisch etwas aufwendig. Andererseits beeinflusst jede Abweichung des tatsächlich gelieferten Stromes von einem wirklichen konstanten Strom die Linearität der am Kondensator gewonnenen Spannung und damit die Genauigkeit der Messung.The generation of sawtooth shaped signals is well known in the art. For example, the charging of a capacitor with a constant current leads to a sawtooth-rising voltage across the capacitor, ie to a sawtooth-shaped signal. What is needed is a constant current source. On the one hand, such a constant current source is somewhat expensive in terms of circuitry. On the other hand, any deviation of the actually supplied current from a true constant current affects the linearity of the voltage obtained at the capacitor and thus the accuracy of the measurement.

Gegenüber der Erzeugung sägezahnförmiger Impulse ist die Erzeugung von nach Exponentialfunktionen verlaufenden Signalen schaltungstechnisch einfacher. Die nach Exponentialfunktionen verlaufenden Signale können nämlich durch rechteckförmige Signale – vorzugsweise gleicher Amplitude – dadurch gewonnen werden, dass die rechteckförmigen Signale über jeweils einen Widerstand jeweils einen Kondensator aufladen, so dass an den Kondensatoren zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufende Signale – die Abtastimpulserzeugungssignale – entstehen, – nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufend dann, wenn die Zeitkonstanten, also die Produkte aus den zahlenmäßigen Werten der Widerstände und den zahlenmäßigen Werten der Kondensatoren unterschiedlich sind.Compared with the generation of sawtooth-shaped pulses, the generation of signals proceeding according to exponential functions is simpler in terms of circuitry. Namely, the signals which proceed according to exponential functions can be obtained by rectangular signals, preferably of the same amplitude, in that the rectangular signals charge one capacitor each via a resistor, so that two capacitive signals - the sample pulse generation signals - are produced at the capacitors. to different exponential functions then running when the time constants, ie the products of the numerical values of the resistors and the numerical values of the capacitors are different.

Die Bereitstellung von rechteckförmigen Signalen – durch Rechteckgeneratoren – ist nicht nur schaltungstechnisch einfacher als die Bereitstellung konstanter Ströme durch Konstantstromquellen, rechteckförmige Signale lassen sich auch genauer generieren als konstante Ströme. Im übrigen können mit nur einem Rechteckgenerator ohne weiteres rechteckförmige Signale unterschiedlicher Frequenzen erzeugt werden, nämlich einfach dadurch, dass das von einem Rechteckgenerator gewonnene rechteckförmige Signal mit einer bestimmten Frequenz frequenzvervielfacht oder frequenzgeteilt wird.The provision of rectangular signals - by rectangular generators - is not only simpler circuit technology than the provision of constant currents through constant current sources, rectangular signals can also generate more accurate than constant currents. Incidentally, rectangular signals of different frequencies can be generated with only one rectangular generator without further ado, namely simply by frequency-multiplying or frequency-dividing the rectangular signal obtained by a square-wave generator with a specific frequency.

Dass aus sägezahnförmigen Signalen, also aus linear ansteigenden Signalen, linear zunehmende Zeitverzögerungen gewonnen werden können, liegt in der Natur der Sache, überrascht also nicht. Überraschend ist jedoch, dass aus Signalen, die nicht linear ansteigen, die vielmehr nach Exponentialfunktionen verlaufen, linear ansteigende Zeitverzögerungen gewonnen werden können. Dies gilt jedenfalls theoretisch. In der Praxis kann es zu Linearitätsabweichungen im Promillebereich kommen. Diese Linearitätsabweichungen können dadurch eliminiert werden, dass die Amplitude der rechteckförmigen Signale mit der Frequenz f₁ und der Periodendauer T₁ geringfügig verändert wird, so dass diese Amplitude geringfügig kleiner oder geringfügig größer als die Amplitude des rechteckförmigen Signals mit der Frequenz f₂ und der Periodendauer T₂ ist.The fact that linearly increasing time delays can be obtained from sawtooth-shaped signals, ie from linearly increasing signals, is inherent in the nature of things, so it is not surprising. It is surprising, however, that linearly increasing time delays can be obtained from signals which do not increase in a linear manner but which rather follow exponential functions. This is true in theory. In practice, there may be linearity deviations in the per thousand range. These linearity deviations can be eliminated by slightly changing the amplitude of the rectangular signals having the frequency f ₁ and the period T ₁ , so that this amplitude is slightly smaller or slightly larger than the amplitude of the rectangular signal with the frequency f ₂ and the period T is ₂ .

Wie zuvor ausgeführt, können die nach Exponentialfunktionen verlaufenden Signale durch rechteckförmige Signale dadurch gewonnen werden, dass die rechteckförmigen Signale über jeweils einen Widerstand jeweils einen Kondensator aufladen, so dass an den Kondensatoren zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufende Signale – die Abtastimpulserzeugungssignale – entstehen, – nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufend dann, wenn die Zeitkonstanten, also die Produkte aus den zahlenmäßigen Werten der Widerstände und den zahlenmäßigen Werten der Kondensatoren unterschiedlich sind. Die sich ergebenden Zeitverzögerungen sind abhängig vom Verhältnis des Produktes aus dem Zahlenwert des ersten Widerstandes und dem Zahlenwert des ersten Kondensators zu dem Produkt aus dem Zahlenwert des zweiten Widerstandes und des zweiten Kondensators. Folglich beeinflussen Toleranzen und Temperaturdriften der verwendeten Widerstände und Kondensatoren die Zeitverzögerungen, was natürlich nicht gewollt ist. Diese Beeinflussung kann dadurch eliminiert werden, dass das Verhältnis des Produktes aus dem Zahlenwert des ersten Widerstandes und dem Zahlenwert des ersten Kondensators zu dem Produkt aus dem Zahlenwert des zweiten Widerstandes und dem Zahlenwert des zweiten Kondensators gemessen wird und bei einer sich einstellenden Abweichung von dem rechnerisch vorgegebenen Wert dieses Verhältnisses eine entsprechende Korrektur vorgenommen wird. Die Messung des Verhältnisses des Produktes aus dem Zahlenwert des ersten Widerstandes und dem Zahlenwert des ersten Kondensators zu dem Produkt aus dem Zahlenwert des zweiten Widerstandes und dem Zahlenwert des zweiten Kondensators, nachfolgend mit a bezeichnet, kann durch zwei Spannungsmessungen zu zwei verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt werden, und zwar nach der Gleichung

As stated above, the signals which proceed according to exponential functions can be obtained by rectangular signals in that the rectangular signals charge one capacitor each via a resistor, so that two capacitive signals - the sample pulse generation signals - are produced at the capacitors - according to different Exponential functions proceed when the time constants, ie the products of the numerical values of the resistors and the numerical values of the capacitors, are different. The resulting time delays depend on the ratio of the product of the numerical value of the first resistor and the numerical value of the first capacitor to the product of the numerical value of the second resistor and the second capacitor. Consequently, tolerances and temperature drifts of the resistors and capacitors used affect the time delays, which of course is not wanted. This influence can be eliminated by measuring the ratio of the product of the numerical value of the first resistor and the numerical value of the first capacitor to the product of the numerical value of the second resistor and the numerical value of the second capacitor and, if the deviation is different from that of the second capacitor predetermined value of this ratio is made a corresponding correction. The measurement of the ratio of the product of the numerical value of the first resistor and the numerical value of the first capacitor to the product of the numerical value of the second resistor and the numerical value of the second capacitor, hereinafter referred to as a, can be carried out by two voltage measurements at two different points in time. according to the equation

Dabei können die Werte U_x(Δt_x) von einem TAC (TAC = time to analog converter) erzeugt werden. Ein dem Ergebnis überlagerter Offset wird durch die Differenzbildung eliminiert. Da beide Werte von demselben TAC erzeugt werden, werden Toleranzen des TAC ausgeglichen.The values U _x (Δt _x ) can be generated by a TAC (TAC = time to analog converter). An offset offset to the result is eliminated by the difference formation. Since both values are generated by the same TAC, tolerances of the TAC are compensated.

Im übrigen ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 61 159 ein Entfernungsmesser bekannt, mit einem Abtastimpulsgenerator für die Erzeugung einer Reihe von elektrischen Impulsen, wobei der Abtastimpulsgenerator eine Zeitsteuereinrichtung aufweist für die fortschreitende Änderung der Zeitlage des erzeugten Impulses innerhalb des Zeitintervalls, so dass die Auftrittszeitpunkte der erzeugten Impulse innerhalb der Zeitintervalle sich fortschreitend ändernden Entfernungsbereichen von reflektierten Lichtimpulsen entsprechen. Als Mittel für die fortschreitende Änderung der Zeitlage der erzeugten Impulse werden ein erster Sägezahngenerator und ein zweiter, langsamerer Sagezahngenerator verwendet, der eine sich über eine Reihe von Wellenformen des ersten Sägezahngenerators erstreckende Sägezahnwellenform erzeugt. Ein Vergleicherkreis erzeugt immer dann einen Impuls, wenn die Augenblickswerte der beiden Sägezähne übereinstimmen. Zur Entfernungsmessung wird die Koinzidenz des Reflektionsimpulses mit einem zeitverschobenen Abtastimpuls überprüft.Moreover, from the German Offenlegungsschrift 21 61 159 a range finder comprising a sampling pulse generator for generating a series of electrical pulses, the sampling pulse generator having a timing means for progressively changing the timing of the generated pulse within the time interval such that the times of occurrence of the pulses generated are within the time intervals of progressively varying distance ranges of reflect reflected light pulses. As means for the progressive change of the timing of the pulses generated, a first sawtooth generator and a second, slower sawtooth generator are used, which generates a sawtooth waveform extending over a series of waveforms of the first sawtooth generator. A comparator circuit generates an impulse whenever the instantaneous values of the two saw teeth coincide. For distance measurement, the coincidence of the reflection pulse is checked with a time-shifted sampling pulse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Überlegungen anzustellen, ob, und wenn ja, wie, die umfangreich erläuterten Verfahren, von denen die Erfindung ausgeht, noch verbessert werden können.The invention has for its object to make considerations as to whether, and if so, how, the extensively explained methods, from which the invention proceeds, can still be improved.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Produktes aus dem Zahlenwert des ersten Widerstandes und dem Zahlenwert des ersten Kondensators zu dem Produkt aus dem Zahlenwert des zweiten Widerstandes und dem Zahlenwert des zweiten Kondensators gemessen wird und bei einer sich einstellenden Abweichung von dem rechnerisch vorgegebenen Wert dieses Verhältnisses eine entsprechende Korrektur vorgenommen wird.The inventive method is characterized in that the ratio of the product of the numerical value of the first resistor and the numerical value of the first capacitor to the product is measured from the numerical value of the second resistor and the numerical value of the second capacitor and a corresponding correction is made in the event of a deviation from the calculated value of this ratio.

Bei dem Verfahren, bei dem die Abtastimpulserzeugungssignale durch rechteckförmige Signale mit der Frequenz f₁ und der Periodendauer T₁ einerseits und mit der Frequenz f₂ und der Periodendauer T₂ andererseits gewonnen werden, besteht die Erfindung darin, dass Linearitätsabweichungen in den ansteigenden Zeitverzögerungen der Abtastimpulserzeugungssignale dadurch eliminiert werden, dass die Amplitude der rechteckförmigen Signale mit der Frequenz f₁ und der Periodendauer T₁ geringfügig verändert wird, so dass diese Amplitude geringfügig kleiner oder geringfügig größer als die Amplitude des rechteckförmigen Signals mit der Frequenz f₂ und der Periodendauer T₂ ist.In the method in which the sampling pulse generation signals are obtained by rectangular signals having the frequency f ₁ and the period T ₁ on the one hand and the frequency f ₂ and the period T ₂ on the other hand, the invention consists in that linearity deviations in the increasing time delays of the Abtastimpulerzeugungssignale be eliminated in that the amplitude of the rectangular signals with the frequency f ₁ and the period T _{1 is} slightly changed, so that this amplitude is slightly smaller or slightly larger than the amplitude of the rectangular signal with the frequency f ₂ and the period T ₂ ,

Wie eingangs ausgeführt, ist Gegenstand der Erfindung auch eine besondere Schaltung zur Durchführung des in Rede stehenden Verfahrens. Diese Schaltung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sendeimpulsgenerator und dem Abtastimpulsgenerator einerseits und dem Steuer- und Auswerte-Schaltkreis andererseits ein Zeitverzögerungs-Messkreis vorgesehen ist. As stated above, the subject of the invention is also a special circuit for carrying out the method in question. This circuit is inventively characterized in that between the transmit pulse generator and the Abtastimpulsgenerator on the one hand and the control and evaluation circuit on the other hand, a time delay measuring circuit is provided.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltung auszugestalten und weiterzubilden, insbesondere bezüglich der konkreten Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltung. Dazu wird ergänzend verwiesen auf die den Patentansprüchen 1, 2 und 5 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende Erläuterung in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigenIn particular, there are various possibilities for designing and further developing the method according to the invention and the circuit according to the invention, in particular with regard to the concrete realization of the circuit according to the invention. For this purpose, reference is additionally made to the patent claims 1, 2 and 5 subordinate claims and to the following explanation in conjunction with the drawings. In the drawing show

2 eine sehr schematische Skizze einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, 2 a very schematic sketch of a preferred embodiment of the circuit according to the invention,

3 eine detailliertere Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des zu der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gehörenden Zeitverzögerungsgliedes, 3 a more detailed representation of a preferred embodiment of belonging to the circuit arrangement according to the invention time delay element,

4 eine der Skizze in 1 entsprechende Skizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und 4 one of the sketch in 1 corresponding sketch for explaining the method according to the invention and

5 eine Darstellung eines Zeitverzögerungs-Meßkreises, der zu einer erfindungsgemäßen Schaltung gehören könnte, in 2 jedoch nicht dargestellt ist. 5 a representation of a time delay measuring circuit, which could belong to a circuit according to the invention, in 2 but not shown.

Erfindungsgemäß geht es, wie weiter oben im einzelnen ausgeführt ist, um ein Verfahren zur Abstandsmessung, insbesondere zur Füllstandsmessung, nach dem Radarprinzip, bei dem also mittels Mikrowellen der Abstand zwischen einem Mikrowellensender 1 bzw. einem Mikrowellenempfänger 2 und einem die Mikrowellen reflektierenden, nicht dargestellten Objekt gemessen wird, nämlich die Summe der Laufzeit der Sendeimpulse zwischen dem Mikrowellensender 1 und dem Objekt sowie der Laufzeit der Reflektionsimpulse zwischen dem Objekt und dem Mikrowellenempfänger 2 gemessen und aus der Summe der Laufzeiten der zu messende Abstand errechnet wird. Wie die 2 zeigt, sind der Mikrowellensender 1 und der Mikrowellenempfänger 2 ortsgleich realisiert; eine zu dem Mikrowellensender 1 gehörende, nicht dargestellte Sendeantenne arbeitet auch als nicht dargestellte Empfangsantenne für den Mikrowellenempfänger 2. Der Abstand zwischen dem Mikrowellensender 1 und dem reflektierenden Objekt einerseits sowie der Abstand zwischen dem reflektierenden Objekt und dem Mikrowellenempfänger 2 andererseits ist also gleich.According to the invention, as described above in detail, a method for distance measurement, in particular for level measurement, according to the radar principle, in which therefore by means of microwaves, the distance between a microwave transmitter 1 or a microwave receiver 2 and a microwave reflecting, not shown object is measured, namely the sum of the transit time of the transmission pulses between the microwave transmitter 1 and the object and the transit time of the reflection pulses between the object and the microwave receiver 2 measured and calculated from the sum of the maturities of the distance to be measured. As the 2 shows are the microwave transmitter 1 and the microwave receiver 2 realized in the same place; one to the microwave transmitter 1 belonging, not shown transmitting antenna also operates as a receiving antenna, not shown for the microwave receiver 2 , The distance between the microwave transmitter 1 and the reflective object on the one hand and the distance between the reflective object and the microwave receiver 2 on the other hand is the same.

Bei dem in Rede stehenden Verfahren werden zur Messung der Laufzeiten aufeinanderfolgende zeitverzögerte Abtastimpulse erzeugt, wird festgestellt, mit welchen Abtastimpulsen die Reflektionsimpulse koinzidieren, und wird die Summe der Laufzeiten als das Produkt aus der Zeitverzögerung eines Abstandsimpulses und der Ordnungszahl der Abtastimpulse, mit denen die Reflektionsimpulse koinzidieren, bestimmt.In the method in question, successive time-delayed sampling pulses are generated to measure the propagation times, it is determined with which sampling pulses the reflection pulses coincide, and the sum of the transit times is the product of the time delay of a distance pulse and the ordinal number of sampling pulses with which the reflection pulses coincide, certainly.

Zum grundsätzlichen Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens insoweit, als es dem im Stand der Technik bekannten Verfahren entspricht, von dem die Erfindung ausgeht, wird auf die weiter oben gemachten, sehr ausführlichen Ausführungen verwiesen.For the basic understanding of the method according to the invention in so far as it corresponds to the known in the prior art method, from which the invention proceeds, reference is made to the above made, very detailed embodiments.

Zu der in 2 dargestellten Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehören – neben dem Mikrowellensender 1 und dem Mikrowellenempfänger 2 – zunächst ein erster Rechteckgenerator 3, ein erstes Zeitverzögerungsglied 4 zur Erzeugung einer sich ändernden, linear ansteigenden Zeitverzögerung, ein Sendeimpulsgenerator 5, ein vom ersten Zeitverzögerungsglied 4 gesteuerter Abtastimpulsgenerator 6, ein Koppelglied 7 zum Auskoppeln der Sendeimpulse und Einkoppeln der Reflektionsimpulse und ein Koinzidenz-Schaltkreis 8, mit dessen Hilfe festgestellt wird, mit welchen Abtastimpulsen die Reflektionsimpulse koinzidieren.To the in 2 shown circuit for carrying out the method according to the invention include - in addition to the microwave transmitter 1 and the microwave receiver 2 - First, a first square wave generator 3 , a first time delay element 4 to generate a changing, linearly increasing time delay, a transmit pulse generator 5 , one from the first time delay 4 controlled sampling pulse generator 6 , a coupling link 7 for decoupling the transmission pulses and coupling the reflection pulses and a coincidence circuit 8th , with the aid of which it is determined with which sampling pulses the reflection pulses coincide.

Das erste Zeitverzögerungsglied 4 generiert aus einem Amplitudenvergleich von zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufenden Abtastimpulserzeugungssignalen mit Hilfe des Abtastimpulsgenerators 6 zeitversetzte Abtastimpulse. Durch den Koinzidenz-Schaltkreis 8, der einerseits an den Ausgang des Abtastimpulsgenerators 6 und andererseits an den schaltungsmäßigen Ausgang des Koppeigliedes 7 angeschlossen ist, wird detektiert, mit welchem Abtastimpuls ein Reflektionsimpuls koinzidiert.The first time delay element 4 generated from an amplitude comparison of two sampling pulse generation signals running according to different exponential functions with the aid of the sampling pulse generator 6 time shifted sampling pulses. Through the coincidence circuit 8th on the one hand to the output of the sampling pulse generator 6 and, on the other hand, to the circuit output of the Koppeigliedes 7 is connected, it is detected with which sampling pulse a reflection pulse coincides.

Bei der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung ist zwischen dem ersten Rechteckgenerator 3 und dem Sendeimpulsgenerator 5 ein zweites Zeitverzögerungsglied 9 mit einer festen Zeitverzögerung vorgesehen.At the in 2 illustrated preferred embodiment of the circuit according to the invention is between the first rectangular generator 3 and the transmit pulse generator 5 a second time delay 9 provided with a fixed time delay.

Wie die 3 zeigt, besteht das erste Zeitverzögerungsglied 4 aus einem zweiten Rechteckgenerator 10 und einem dritten Rechteckgenerator 11, einem ersten Widerstand 12 und einem ersten Kondensator 13, einem zweiten Widerstand 14 und einem zweiten Kondensator 15 sowie einem Komparator 16. An den zweiten Rechteckgenerator 10 ist die Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand 12 und dem ersten Kondensator 13 und an den dritten Rechteckgenerator 11 ist die Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand 14 und dem zweiten Kondensator 15 angeschlossen. Die Verbindung zwischen dem ersten Widerstand 12 und dem ersten Kondensator 13 ist an den ersten Eingang 17 des Komparators 16 angeschlossen, und die Verbindung zwischen dem zweiten Widerstand 14 und dem zweiten Kondensator 15 ist an den zweiten Eingang 18 des Komparators 16 angeschlossen. Mit Hilfe des zweiten Rechteckgenerators 10 und der daran angeschlossenen Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand 12 und dem ersten Kondensator 13 und mit Hilfe des dritten Rechteckgenerators 11 und der daran angeschlossenen Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand 14 und dem zweiten Kondensator 15 werden zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufende Abtastimpulserzeugungssignale gewonnen. Der Ausgang 19 des Komparators 16 stellt über den Abtastimpulsgenerator 6 die Abtastimpulse zur Verfügung.As the 3 shows, there is the first time delay element 4 from a second rectangular generator 10 and a third rectangle generator 11 , a first resistance 12 and a first capacitor 13 , a second resistor 14 and a second capacitor 15 and a comparator 16 , To the second square generator 10 is the series connection of the first resistor 12 and the first capacitor 13 and to the third rectangle generator 11 is the series connection of the second resistor 14 and the second capacitor 15 connected. The connection between the first resistor 12 and the first capacitor 13 is at the first entrance 17 of the comparator 16 connected, and the connection between the second resistor 14 and the second capacitor 15 is at the second entrance 18 of the comparator 16 connected. With the help of the second square-wave generator 10 and the series connection of the first resistor connected thereto 12 and the first capacitor 13 and with the help of the third square-wave generator 11 and the series connection of the second resistor connected thereto 14 and the second capacitor 15 Two sampling pulse generation signals, which proceed according to different exponential functions, are obtained. The exit 19 of the comparator 16 represents via the sampling pulse generator 6 the sampling pulses available.

Bei der in 2 schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung ist dem ersten Zeitverzögerungsglied 4, das sich ändernde, linear ansteigende Zeitverzögerungen erzeugt, der Abtastimpulsgenerator 6 nachgeschaltet, der also von dem ersten Zeitverzögerungsglied 4 gesteuert wird. Ein solcher Aufbau ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr ist es durchaus möglich, das erste Zeitverzögerungsglied 4 so auszuführen, dass in dem Zeitverzögerungsglied 4 zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufende Signale generiert werden, ein Amplitudenvergleich dieser Signale vorgenommen wird und aus dem Amplitudenvergleich direkt Abtastimpulse erzeugt werden.At the in 2 schematically illustrated preferred embodiment of a circuit according to the invention is the first time delay element 4 generating varying, linearly increasing time delays, the sampling pulse generator 6 downstream of the first time delay element 4 is controlled. However, such a structure is not mandatory. Rather, it is quite possible, the first time delay element 4 be executed so that in the time delay element 4 two signals running according to different exponential functions are generated, an amplitude comparison of these signals is carried out and sampling pulses are generated directly from the amplitude comparison.

Vergleicht man die Darstellung in 4 mit der Darstellung in 1, so wird unmittelbar deutlich, dass bei dem Verfahren, um das es vorliegend geht, die Abtastimpulse aus einem Amplitudenvergleich von zwei nach unterschiedlichen Exponentialfunktionen verlaufenden Abtastimpulserzeugungssignalen gewonnen werden.If you compare the representation in 4 with the representation in 1 , it is immediately apparent that in the present method, the sampling pulses are obtained from an amplitude comparison of two sample pulse generation signals that follow different exponential functions.

Bei der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung ist dem Koinzidenz-Schaltkreis 8 noch ein Verstärker 20, ein Filter 21, ein A/D-Wandler 22 und ein Steuer- und Auswerte-Schaltkreis 23 nachgeschaltet, Außerdem ist zwischen dem Sendeimpulsgenerator 5 und dem Abtastimpulsgenerator 6 einerseits und dem Steuer- und Auswerte-Schaltkreis 23 andererseits ein Zeitverzögerungs-Meskreis 24 vorgesehen, der in seinem grundsätzlichen Aufbau in 5 dargestellt ist.At the in 2 illustrated preferred embodiment of a circuit according to the invention is the coincidence circuit 8th another amplifier 20 , a filter 21 , an A / D converter 22 and a control and evaluation circuit 23 In addition, between the transmit pulse generator 5 and the sampling pulse generator 6 on the one hand and the control and evaluation circuit 23 on the other hand, a time delay measuring circuit 24 provided in its basic structure in 5 is shown.

Wie die 5 zeigt, weist der Zeitverzögerungszeit-Meßkreis 24 ein NOR-Gatter 25 und eine an den Ausgang des NOR-Gatters 25 angeschlossene, aus einem dritten Widerstand 26 und einem dritten Kondensator 27 bestehende Reihenschaltung auf. Der Ausgang des Sendeimpulsgenerators 5 ist direkt an den ersten Eingang des NOR-Gatters 25 angeschlossen, und der Ausgang des Abtastimpulsgenerators 6 ist über ein nicht dargestelltes Invertierelement an den zweiten Eingang des NOR-Gatters 25 angeschlossen. An der Verbindung zwischen dem – an den Ausgang des NOR-Gatters 25 angeschlossenen – dritten Widerstand 26 und dem dritten Kondensator 27 entsteht ein analoges Signal, das proportional der jeweiligen Zeitverzögerung ist. Mit dem Zeitverzögerungszeit-Messkreis 24 kann also direkt die jeweilige Zeitverzögerung gemessen werden. Der gemessene Wert wird dann mit dem rechnerischen Wert verglichen, und bei einer Abweichung des gemessenen Werts von dem errechneten Wert, resultierend aus Toleranzen und Temperaturdriften der Bauelemente, wird die Abweichung – ganz oder teilweise – eliminiert. Dazu ist ein Korrekturausgang 28 des Steuer- und Auswerte-Schaltkreises 23 mit einem Korrektureingang 29 des ersten Zeitverzögerungsgliedes 4 verbunden.As the 5 shows, the time delay time measuring circuit 24 a NOR gate 25 and one to the output of the NOR gate 25 connected, from a third resistor 26 and a third capacitor 27 existing series connection. The output of the transmit pulse generator 5 is directly to the first input of the NOR gate 25 connected, and the output of the sampling pulse generator 6 is an unillustrated inverter to the second input of the NOR gate 25 connected. At the connection between the - to the output of the NOR gate 25 connected - third resistor 26 and the third capacitor 27 An analogue signal is generated which is proportional to the respective time delay. With the time delay time measuring circuit 24 Thus, the respective time delay can be measured directly. The measured value is then compared with the calculated value, and if the measured value deviates from the calculated value resulting from tolerances and temperature drifts of the components, the deviation is eliminated, in whole or in part. This is a correction output 28 of the control and evaluation circuit 23 with a correction input 29 of the first time delay element 4 connected.

Eingangs ist ausgeführt, dass es vorliegend bei dem zur Abstandsmessung angewendeten Radarprinzip um das Puls-Radar geht. Bei diesem Puls-Radar kann es sich um freistrahlendes Radar oder um ein geführtes Radar handeln. Beim freistrahlenden Radar werden die Mikrowellen von einer Antenne in Richtung auf das reflektierende Objekt abgestrahlt. Beim geführten Radar werden die Mikrowellen entlang eines Wellenleiters geführt; der Wellenleiter kann ein Hohlleiter, ein Zweileitersystem (Coax-Leitung, Stegleitung) oder ein Oberflächenwellenleiter (Sommerfeld-Leitung, Goubau-Leitung, Lochstreifen, ...) sein. Im übrigen kann mit modulierten oder mit unmodulierten Radarimpulsen gearbeitet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schaltung werden vorzugsweise die Mikrowellen entlang eines Wellenleiters geführt, und es wird vorzugsweise mit unmodulierten Radarimpulsen gearbeitet. Darauf ist die Lehre der Erfindung jedoch nicht beschränkt. Sie kann vielmehr auch bei einem freistrahlenden Radar und/oder mit modulierten Radarimpulsen realisiert werden.At the beginning, it is stated that the radar principle used for distance measurement is the pulse radar in the present case. This pulse radar can be free-radar or a guided radar. In free-radar radar, the microwaves are radiated from an antenna toward the reflective object. In the guided radar, the microwaves are guided along a waveguide; the waveguide may be a waveguide, a two-conductor system (coax line, ridge line) or a surface waveguide (Sommerfeld line, Goubau line, punched tape, ...). Incidentally, it is possible to work with modulated or unmodulated radar pulses. In the method according to the invention and in conjunction with the circuit according to the invention, preferably the microwaves are guided along a waveguide, and unmodulated radar pulses are preferably used. However, the teaching of the invention is not limited thereto. Rather, it can also be realized in the case of a free-radiating radar and / or with modulated radar pulses.

Claims

Method for distance measurement, in particular for level measurement, according to the radar principle, in which therefore the distance between a microwave transmitter or a microwave receiver and a microwave reflecting object is measured by means of microwaves, namely the sum of the duration of the transmission pulses between the microwave transmitter and the object and the Running time of the reflection pulses between the object and the microwave receiver is measured and calculated from the sum of the transit times of the distance to be measured, wherein the measurement of the transit times successive time-delayed sampling pulses are generated, it is also determined with which sampling pulses the reflection pulses coincide, and the sum of the transit times is determined as the product of the time delay of a sampling pulse and the ordinal number of the sampling pulses with which the reflection pulses coincide, the sampling pulses being different from an amplitude comparison of two the sampling pulse generation signals are obtained by rectangular signals - preferably the same amplitude - each charging a capacitor via one resistor so that the sampling pulse generation signals occur at the capacitors, characterized in that the ratio of the product from the numerical value the first resistor and the numerical value of the first capacitor is measured to the product of the numerical value of the second resistor and the numerical value of the second capacitor and a corresponding correction is made at a deviation from the mathematically predetermined value of this ratio.

Method for distance measurement, in particular for level measurement, according to the radar principle, in which therefore the distance between a microwave transmitter or a microwave receiver and a microwave reflecting object is measured by means of microwaves, namely the sum of the duration of the transmission pulses between the microwave transmitter and the object and the Running time of the reflection pulses between the object and the microwave receiver is measured and calculated from the sum of the transit times of the distance to be measured, wherein the measurement of the transit times successive time-delayed sampling pulses are generated, it is also determined with which sampling pulses the reflection pulses coincide, and the sum of the transit times is determined as the product of the time delay of a sampling pulse and the ordinal number of the sampling pulses with which the reflection pulses coincide, the sampling pulses being different from an amplitude comparison of two en exponential functions extending Abtastimpulserzeugungssignalen be obtained and the Abtastimpulserzeugungssignale by square wave signals of frequency f ₁ and the period T ₁ the one hand and with the frequency f _2, and the period T ₂ on the other hand - are obtained which in each case via a resistor - and preferably having the same amplitude each charging a capacitor to form the sampling pulse generation signals at the capacitors, characterized in that linearity deviations in the increasing time delays of the sampling pulse generation signals are eliminated by slightly changing the amplitude of the rectangular signals having the frequency f ₁ and the period T ₁ , so that this amplitude is slightly smaller or slightly larger than the amplitude of the rectangular signal with the frequency f ₂ and the period T ₂ .

A method according to claim 1, characterized in that the measurement of the ratio of the product of the numerical value of the first resistor and the numerical value of the first capacitor to the product of the numerical value of the second resistor and the numerical value of the second capacitor by two voltage measurements carried out at two different times becomes.

A method according to claim 3, characterized in that the voltage measurement by means of a TAC (TAC = time to analog converter) take place.

Circuit for carrying out the method according to one of Claims 1 to 4, having a first rectangular generator ( 3 ), a first time delay element ( 4 ) for generating a changing, linearly increasing time delay, a transmit pulse generator ( 5 ), one of the first time delay element ( 4 ) controlled sampling pulse generator ( 6 ), a coupling member ( 7 ) for decoupling the transmission pulses and coupling the reflection pulses and a coincidence circuit ( 8th ), the first rectangular generator ( 3 ) with the first time delay element ( 4 ), the first time delay element ( 4 ) from an amplitude comparison of two different exponential functions Sampling pulse generation signals by means of the sampling pulse generator ( 6 ) Generates sampling pulses and wherein the coincidence circuit ( 8th ) is detected with which sampling pulse a reflection pulse coincides, characterized in that between the transmit pulse generator ( 5 ) and the sampling pulse generator ( 6 ) on the one hand and the control and evaluation circuit ( 23 ) On the other hand, a time delay measuring circuit ( 24 ) is provided.

Circuit according to Claim 5, characterized in that between the first square-wave generator ( 3 ) and the transmit pulse generator ( 5 ) a second time delay element ( 9 ) is provided with a fixed time delay.

Circuit according to one of Claims 5 or 6, characterized in that the first time delay element ( 4 ) from a second rectangular generator ( 10 ) and a third rectangular generator ( 11 ), a first resistor ( 12 ) and a first capacitor ( 13 ), a second resistor ( 14 ) and a second capacitor ( 15 ) and a comparator ( 16 ), that to the second square wave generator ( 10 ) the series connection of the first resistor ( 12 ) and the first capacitor ( 13 ) and to the third rectangular generator ( 11 ) the series connection of the second resistor ( 14 ) and the second capacitor ( 15 ) is connected that the connection between the first resistor ( 12 ) and the first capacitor ( 13 ) to the first entrance ( 17 ) of the comparator ( 16 ) and the connection between the second resistor ( 14 ) and the second capacitor ( 15 ) to the second input ( 18 ) of the comparator ( 16 ) and that the output ( 19 ) of the comparator ( 16 ) provides the sample pulse generation signals.

Circuit according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the coincidence circuit ( 8th ) an amplifier ( 20 ), a filter ( 21 ), an A / D converter ( 22 ) and a control and evaluation circuit ( 23 ) are connected downstream.

Circuit according to one of Claims 5 to 8, characterized in that the time delay time measuring circuit ( 24 ) a NOR gate ( 25 ) and one to the output of the NOR gate ( 25 ) connected series circuit of a third resistor ( 26 ) and a third capacitor ( 27 ) having.