Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstandes in einem Behälter;

2 ein Ausführungsbeispiel des Regelkreis der Vorrichtung zur Erzeugung der Zwischenfrequenz mit der Sende-/Empfangseinheit und Regel-/Auswerteeinheit;

3 ein Ausführungsbeispiel der Regelkennlinie mit den sicheren und kritischen Regelbereichen und dem Störungsbereich; und

4 ein Ausführungsbeispiel eines schematischen Zustandsdiagramms der Signale in des in 2 dargestellten Regelkreises.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Ermittlung der Distanz d bzw. des Füllstands l anhand der Laufzeit t von hochfrequenten Messsignalen S_HF aufgezeigt. Dazu weist die Vorrichtung 1 vornehmlich eine mit dem Messumformer 2 verbundene Messeinheit 3 auf, mittels der das hochfrequente Messsignal S_HF bzw. Sendesignal S_TX in einen das Füllgut 5 umfassenden Prozessraum 6 des Behälters 7 eingekoppelt und ausgesendet wird. Die Messeinheit 3 ist durch eine Öffnung, z.B. einen Stutzen, in den Prozessraum 6 des Behälters 7 eingeführt. Die Messeinheit 3 bzw. das Wandlerelement kann, wie in 1 dargestellt, als eine Antenne 3a und insbesondere als eine Hornantenne, eine Stabantenne, eine Parabolantenne oder auch eine Planarantenne, ausgestaltet sein, die das Sendesignal S_TX in den Prozessraum 6 des Behälters 7 frei abstrahlt. Anstelle von in den Prozessraum 6 frei abstrahlenden Antennen 3a kann als Messeinheit 3, wie in der 2 dargestellt, auch ein Oberflächenwellenleiter 3b in der Vorrichtung 1 zur Füllstandsmessung verwendet werden, der das hochfrequente Messsignal S_HF aufgrund des Skin-Effekts an dessen Oberfläche entlang führt.

In dem Messumformer 2 der Vorrichtung 1 werden die Sendesignale S_TX in einer Sende-/Empfangseinheit 17 erzeugt und an die aussendende Messeinheit 2 übermittelt. Ausgesandte Sendesignale S_TX, die beispielsweise wieder an der Oberfläche 4 des Füllguts 5 reflektiert worden sind, werden von Messeinheit 2 empfangen und zurück an die Sende-/Empfangseinheit 17 geleitet, in der die empfangenen Reflexionssignale S_RX vorverarbeitet werden. Die hochfrequenten Messsignale S_HF, bestehend aus Sendesignalen S_TX und aus Reflexionssignalen S_RX, werden beispielsweise in der Sende-/Empfangseinheit 17 über ein Abtastverfahren bzw. eine sequentielle Abtastung mit zwei in der Frequenz leicht versetzten Hochfrequenzimpulsfolgen in ein zeitgedehntes, niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal S_ZF umgewandelt. Das auf diese Weise herunter gemischte Zwischenfrequenzsignal S_ZF kann anschließend im niederfrequenten Bereich von einer Regel-/Auswerteeinheit 15 ausgewertet werden und die Laufzeit t bzw. der Laufweg x des ausgesandten hochfrequenten Messsignals S_HF ermittelt werden.

Dementsprechend wird bei der Methode der geführten Mikrowelle, der Zeitbereichsreflektometrie bzw. der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) ein Sendesignal S_TX beispielsweise entlang eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Oberflächenwellenleiters 3b oder Koaxialwellenleiters ausgesendet, welches bei einer Diskontinuität des DK-Wertes (Dielektrizitätskonstanten) des den Oberflächenwellenleiter 3b umgebenden Füllguts 5 zurückreflektiert wird. Durch die vom Füllgut 5 verursachten Impedanzsprünge innerhalb des Prozessraums 6 des Behälters 7, insbesondere an der Grenzschicht 4 zwischen Freiraum und Füllgut 5 im Behälter 7, wird das Sendesignal S_TX zumindest teilweise zurück reflektiert. Aufgrund dessen ein entsprechendes, meist schwächeres Reflexionssignal S_RX in entgegengesetzter Richtung an dem Oberflächenwellenleiter 3b zur Sende-/Empfangseinheit 17 zurück läuft.

Die von der Antenne 3a frei abgestrahlten und die an dem verlustfreien Oberflächenwellenleiter 3b geführten hochfrequenten Messsignale S_HF breiten sich im freien Prozessraum 6 des Behälters 7 in Luft- oder Schutzgas-Atmosphäre näherungsweise mit Lichtgeschwindigkeit c₀ aus. Diese Sendesignale S_TX werden an im Abstrahlungskegel der Antenne 3a oder in der Nähe des Oberflächenwellenleiters 3b befindlichen Oberflächen 4 von Medien mit einem höheren DK-Wert, beispielsweise dem Füllgut 4, als dem der Luft oder des Schutzgases teilweise oder vollständig zurückreflektiert. Über die gemessene Laufzeit t des ausgesendeten Sendesignals S_TX zum reflektierten Reflexionssignal S_RX wird durch eine Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit die zurückgelegte Laufstrecke x bzw. Distanz d ermittelt. Diese Differenzstrecke bzw. diese Distanz d entspricht der Höhe h des Behälters 7 minus dem Füllstand l des Füllguts 5 im Behälter 7. Da die Höhe h des Behälters 7 bzw. die Position der Einkopplung des Sendesignals S_TX bekannt ist, lässt sich somit der Füllstand l und gegebenenfalls sogar das Volumen, bzw. bei Kenntnis der Dichte des Füllguts 5, die Masse des Füllguts 5 im Behälter 7 ermitteln.

Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 hat die Aufgabe die Kommunikation mit einer beispielsweise entfernten Leitstelle oder einem anderen Messgerät bzw. Feldgerät über einen Feldbus 9 zu regeln und die Messwerte, z.B. den Füllstand l, oder Konfigurationsdaten der Vorrichtung 1 zu empfangen und zu versenden. Der Feldbus 9 arbeitet nach den üblichen Kommunikationsstandards, wie z.B. Foundation Fieldbus oder Profibus-PA, und ist beispielsweise in einer in der Prozessmesstechnik üblichen Zweileitertechnik ausgestaltet. Die Versorgung der Vorrichtung 1 mit Energie kann zusätzlich zur Energieversorgung der Vorrichtung 1 über den Feldbus 9 nach dem Zweileiter-Standard mittels einer separaten Energieversorgungsleitung 8 erfolgen. Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 kann als ein integraler Teil der Regel-/Auswerteeinheit 15 ausgestaltet sein.

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbildes der Vorrichtung 1 gezeigt, das den Messumformer 2 der Vorrichtung zur Erzeugung der Zwischenfrequenz S_ZF mit einer Sende-/Empfangseinheit 17 und Regel-/Auswerteeinheit 15 zeigt. Die Sende-/Empfangseinheit 17 kann grundlegend in einen HF-Schaltungsteil 21 mit Sendeimpulsgenerator 18, Abtastschaltung 19, und Sende-/Empfangsweiche 23, in dem grundsätzlich HF-Signale erzeugt und verarbeitet werden, und einen NF-Schaltungsteil 20 mit Sendetaktoszillator 13, Abtasttaktoszillator 12, Frequenzumsetzer 11, in dem grundsätzlich NF-Signale erzeugt und verarbeitet werden, eingeteilt werden. Die einzelnen Schaltungselemente im HF-Schaltungsteil 21 sind erfahrungsgemäß in analoger Schaltungstechnik aufgebaut, d.h. es werden analoge Messsignale erzeugt und verarbeitet. Dahingegen können die einzelnen Schaltungselemente im NF-Schaltungsteil 20 entweder auf der Basis von digitaler Schaltungstechnik und/oder analoger Schaltungstechnik aufgebaut sein. Unter dem Gesichtspunkt des rasanten Fortschritts der digitalen Signalverarbeitung ist es auch denkbar, den HF-Schaltungsteil 21 mit digitalen Schaltungselementen auszuführen. Es sind auch die verschiedensten Variationen der einzelnen Schaltungselemente in digitaler und analoger Schaltungstechnik denkbar, die hier nicht explizit ausgeführt werden. Deshalb ist die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform aus 2 nur als ein Beispiel aus vielen möglichen Ausführungsmöglichkeiten anzusehen. Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 wurde aus Gründen der Reduktion der Darstellung auf das Wesentliche nicht in 2 nochmals explizit dargestellt.

Bei der Laufzeitmessung von gepulsten hochfrequenten Messsignalen S_HF wird die an die Messeinheit 3 angekoppelte Sende-/Empfangseinheit 17 dazu eingesetzt, zueinander kohärente Wellenpakete von vorgebbarer Pulsform und Pulsweite, so genannte Bursts bzw. kurze Wellenpakete, zu erzeugen und zu verarbeiten. Die Pulsform eines einzelnen Bursts bzw. eines einzelnen kurzen Wellenpakets entspricht üblicherweise nadelförmigen oder sinusoiden, halbwellenförmigen Impulsen von vorgebbarer Pulsweite. Es können aber auch, falls erforderlich, andere geeignete Pulsformen für diese Bursts verwendet werden. Die Sende-/Empfangseinheit 17 umfasst hierzu einen von dem Sendetaktoszillator 13 getriggerten Sendeimpulsgenerator 18 zum Erzeugen einer als ein Sendesignal S_TX dienenden ersten Burstfolge. Die Impulse des Sendesignals S_TX sind mit einer Hochfrequenz f_HF des Sendeimpulsgenerators 18 geträgert, die in etwa im Bereich zwischen 0.5 und 78 GHz liegt, und überdies mit einer Pulsrepetierfrequenz f_PRF bzw. Schussrate getriggert, die auf einen Frequenzbereich von einigen Megahertz, insbesondere einen Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 MHz eingestellt ist. Diese Pulsrepetierfrequenz f_PRF zum Ansteuern des Sendeimpulsgenerators 18 wird von einem Sendetaktoszillator 13 erzeugt. Die Hochfrequenz f_HF und/oder Pulsrepetierfrequenz f_PRF können aber auch, falls erforderlich, außerhalb der jeweils angegebenen Frequenzbereiche liegen.

Das an dem Signalausgang des Sendeimpulsgenerators 14 anliegende Sendesignal S_TX wird mittels einer Sende-/Empfangsweiche 23, insbesondere mittels eines Richtkopplers oder eines Hybrid-Kopplers, der Sende-/Empfangseinheit 17 in das an einem ersten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 angeschlossene Messeinheit 3, z.B. Antenne 3a oder Oberflächenwellenleiter 3b, eingekoppelt. Praktisch gleichzeitig liegt das Sendesignal S_TX außerdem an dem zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 an. Die in der oben beschriebenen Art und Weise im Messvolumen 6 des Behälters 5 erzeugten Reflexionsmesssignale S_RX werden, wie bereits erwähnt, von der Vorrichtung 1 mittels der Messeinheit 3 wieder empfangen und am zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 ausgekoppelt. Dementsprechend kann am zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 eine mittels des Sendesignals S_TX und des Reflexionsmesssignals S_RX gebildete Gesamtmesssignal S_TX+S_RX abgegriffen werden.

Ein direktes Auswerten der am zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 8 anliegenden hochfrequenten Gesamtmesssignale S_TX+S_RX, insbesondere ein direktes Messen der Laufzeit t, ist praktisch nicht mehr oder nur mit einem hohen technischen Aufwand, z.B. durch Einsatz von Hochfrequenzelektronik-Bauteilen, möglich. Aufgrund dessen umfasst die Sende-/Empfangseinheit 2 ferner eine Abtastschaltung 19, die das hochfrequent geträgerte Gesamtmesssignal S_TX+S_RX zeitlich in dergestalt dehnt, dass die Hochfrequenz f_HF und die Pulsrepetierfrequenz f_PRF in einen niedrigeren Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz transformiert werden. Zum zeitlichen Dehnen des Gesamtmesssignals S_TX+S_RX wird dieses einem mit dem zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 verbundenen ersten Signaleingang der Abtastschaltung 19 zugeführt. Gleichzeitig mit dem Gesamtmesssignal S_TX+S_RX ist an einem zweiten Signaleingang der Abtastschaltung 19 ein Abtastsignal S_Sampl des Abtastoszillators 12 angelegt. Eine Abtastfrequenz f_Sampl bzw. Taktrate, mit der das Abtastsignal S_Sampl getaktet ist, ist im Normalfall etwas kleiner eingestellt als die Pulsrepetierfrequenz f_PRF des Sendesignals S_TX. Mittels der Abtastschaltung 19 wird das Gesamtmesssignal S_TX+S_RX auf ein Zwischenfrequenzsignal S_ZF abgebildet, das um einen Transformationsfaktor K_T gegenüber dem Gesamtmesssignal S_TX+S_RX zeitlich gedehnt ist. Diese Abtastschaltung 19 tastet aufgrund des Frequenzversatzes zwischen der Pulsrepetierfrequenz f_PRF und der Abtastfrequenz f_Sampl das Gesamtmesssignal S_TX+S_RX in jeder Periode bei unterschiedlicher Phasenlage ab, wodurch ein zeitgedehntes Zwischenfrequenzsignal S_ZF mit dem zuvor beschriebenen Transformationsfaktor k_T entsteht. Die Abtastschaltung 19 ist beispielsweise als ein HF-Frequenzumsetzer bzw. HF-Mischer mit einem Abtastimpulsgenerator, der die gleiche Phasenlage und Frequenz der Burstfolge wie der Sendeimpulsgenerator 18 aufweist, oder ein schneller Abtastschalter ausgestaltet. Als Abtastschalter können beispielsweise HF-Dioden oder schnelle Transistoren zum Einsatz kommen.

Der Transformationsfaktor k_T, mit dem das Gesamtmesssignal S_TX+S_RX in ein niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal S_ZF umgewandelt wird, entspricht dabei einem Quotienten der Pulsrepetierfrequenz f_PRF des Sendesignals S_TX geteilt durch eine Differenz der Pulsrepetierfrequenz f_PRF des Sendesignal S_TX und der Abtastfrequenz f_Sampl des Abtastsignals S_Sampl.

Eine Zwischenfrequenz f_ZF des so erzeugten Zwischenfrequenzsignals S_ZF liegt bei derartigen Vorrichtungen 1 zur Ermittlung des Füllstands l üblicherweise in einem Frequenzbereich von 50 bis 200 kHz; falls erforderlich kann der Frequenzbereich aber auch höher oder niedriger gewählt werden. Empirisch wird in den Messgeräten der Anmelderin die Zwischenfrequenz f_ZF auf ca. 160 kHz eingestellt. Die Abhängigkeit der Zwischenfrequenz f_ZF von dem Verhältnis von Abtastfrequenz f_Sampl und Pulsrepetierfrequenz f_PRF, wie in der zweiten Gleichung (GI. 2) gezeigt, lässt sich aus der ersten Gleichung (GI. 1) herleiten.

Falls erforderlich, wird das Zwischenfrequenzsignal S_ZF, das gegenüber der Gesamtmesssignale S_TX+S_RX um einen Transformationsfaktor k_T zeitgedehnt ist, in geeigneter Weise durch eine Filter-/Verstärkereinheit 22 als ein gefiltertes Zwischenfrequenzsignal S_gefZF verstärkt und gefiltert, bevor es in der Regel-/Auswerteeinheit 15 oder weiteren Auswertungsschaltungen als Echokurve oder Hüllkurve ausgewertet wird.

Diese Differenzfrequenz f_Sweep wird aus zwei Gründen bestimmt; erstens wird durch diesen Regelkreis 24 die momentane Ansteuerung und Triggerung des Abtasttaktoszillators 17 und möglicherweise auch des Sendetaktoszillators 18 durch die Regel-/Auswerteeinheit 15 überprüft und zweitens wird aus dem Quotienten der bekannten oder gemessenen Pulsrepetierfrequenz f_PRF und der Differenzfrequenz f_Sweep ein Transformationsfaktor k_T in der Regel-/Auswerteeinheit 15 ermittelt. In der Regel-/Auswerteeinheit 15 kann ferner auch schon die Laufzeit t der Messsignale, sowie der Füllstand l durch Echosignalauswertung des gefilterten Zwischenfrequenzsignals S_ZF und durch die Kenntnis des Transformationsfaktors k_T ermittelt werden.

In dieser Ausgestaltung wird in dem NF-Schaltungsteil 20 der Sende-/Empfangseinheit 17 durch das sequentielle Abtasten der Pulsrepetiertrequenz f_PRF mit der Abtastfrequenz f_Sampl mittels eines Frequenzumsetzers 11 eine Differenzfrequenz f_Sweep zwischen dem Abtasttaktoszillator 13 und dem Sendetaktoszillator 12 ermittelt. Diese Differenzfrequenz f_Sweep bzw. deren Differenzzeit t_Sweep wird in der Regel-/Auswerteeinheit 15 verarbeitet und gemessen. Die Differenzzeit t_Sweep entspricht dem Kehrwert der Differenzfrequenz f_Sweep. Über einen Rückkoppelzweig steuert die Regel-/Auswerteeinheit 15 den ansteuerbaren Abtasttaktoszillator 13 entsprechend der ermittelten Differenzfrequenz f_Sweep oder der Differenzzeit t_Sweep wieder an. Durch diesen Aufbau ist ein Regelkreis 24 geschaffen worden, der die Differenzfrequenz f_Sweep weitgehend auf dem gewünschten Sollwert der Differenzfrequenz f_{Sweep_setpoint}, z.B. 21,73913 Hz, einstellt. Das Ansteuern des steuerbaren Abtasttaktoszillators 13 und gegebenenfalls des Sendetaktoszillators 12 erfolgt durch eine Frequenzregeleinheit 10, die bei spannungsgesteuerten Oszillatoren, z.B. VCO oder Oszillator mit einer parallelen frequenzveränderlicher Kapazitätsdiode, eine Regelspannung V_C als entsprechende Regelgröße c_var ausgibt oder die bei digital ansteuerbaren Oszillatoren, z.B. NCO, einen digitalen Regelwert V_dig als Regelgröße c_var ausgibt. Die Frequenzregeleinheit 10 wird mittels einer so genannten Dreipunktregelung durch ein Aufwärts-Regelsignal R_Up und ein Abwärts-Regelsignal R_Down von der Regel-/Auswerteeinheit 15 so eingestellt, dass eine am Ausgang der Frequenzregeleinheit 10anliegende Regelgröße c_var den steuerbaren Abtastoszillator 12 entsprechend ansteuert. Die entsprechende Ansteuerung des Abtastoszillators 12 erfolgt in der Art und Weise, dass die Erzeugung des definierten Sollwerts der Differenzfrequenz f_{sweep_setpoint} zwischen der Pulsrepetierfrequenz f_PRF und der Abtastfrequenz f_Sample bewirkt wird. Als Regelgröße c_var kann beispielsweise entweder ein Regelspannung V_C oder ein digitaler Regelwert V_dig verwendet werden. Die Frequenzregeleinheit 10 ist beispielsweise als ein RC-Glied bzw. eine Ladungspumpe ausgestaltet, welche die Regelspannung V_C, die die Abtastfrequenz f_Sampl des Abtastoszillators 12 regelt, stabilisiert. Mit Aufwärts-Regelsignalen R_Up wird beispielsweise die Ladungsspannung der Ladungspumpe erhöht und mit Abwärts-Regelsignalen R_Down erniedrigt. Die eingestellte Regelgröße c_var bzw. Regelspannung V_C wird über eine Messleitung von der Regel-/Auswerteeinheit 15 ermittelt. Diese Ermittlung ist notwendig, da im Normalfall nur die Differenzfrequenz f_sweep ermittelt wird und zur Bestimmung des Gradienten die tatsächlich erzeugte Regelgröße c_var bzw. Regelspannung V_C benötigt wird. In der Regel-/Auswerteeinheit 15 ist beispielsweise ein Mikrocontroller 16 integriert, der die Regelung steuert und den Regelalgorithmus ausführt.

In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Regelkennlinie con_char der Differenzzeit t_sweep mit den sicheren Regelbereich E und kritischen Regelbereichen A, B, C, F, sowie dem Störungsbereich D dargestellt. Auf der Ordinate des Koordinatensystems ist die Differenzzeit t_Sweep und auf der Abszisse des Koordinatensystems ist die Regelspannung V_C als Regelgröße c_var angezeigt. Als Regelgröße c_var ist in diesem Beispiel eine analoge Regelspannung V_C angezeigt worden; dessen ungeachtet ist auch jede andere Regelgröße c_var wie beispielsweise ein digitaler Regelwert V_dig oder eine mechanische Regelgröße anwendbar. Die Regelkennlinie con_char der Differenzzeit t_sweep ist in 3 komplett dargestellt, jedoch ist es auch möglich, dass nur abschnittsweise einzelne Eigenschaften, wie z.B. Grenzwertüberschreitung und/oder der Gradient grad der Regelkennlinie con_char bei einer aktuellen Regelspannung V_act, ermittelt werden. Die Regelkennlinie con_char der Differenzzeit t_sweep bzw. die abschnittsweise bestimmte Eigenschaften können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass an dem Abtastoszillator 12 aus 2 die Regelspannung V_C bzw. Regelgröße c_var stetig verändert wird und entsprechende Werte der Differenzzeit t_sweep bzw. Differenzfrequenz f_Sweep von der Regel-/Auswerteeinheit 15 bestimmt und abgespeichert werden. Aus der Ermittlung dieser Werte kann auf die Lage des aktuellen Arbeitspunktes OP in den entsprechenden Regelbereichen A, B, C, D, E, F zurück geschlossen werden. Liegt der Arbeitspunkt OP in einem kritischen Regelbereich A, B, C, F oder einem Störungsbereich D, so wird der Regelalgorithmus unterbrochen und eine erneute Einregelung in einem sicheren Regelbereich E gestartet. Die Initiierung der Regelung in einem sicheren Regelbereich E erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Regelspannung V_C auf einen Minimalwert der Regelspannung V_min gebracht wird und folglich stetig erhöht wird, bis ein Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint bzw. ein Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} durch die Regel-/Auswerteeinheit 15 ermittelt wird. Ein Arbeitspunkt OP kann nicht in den kritischen Regelbereichen A, B liegen, da die Regelspannung V_C sich erfindungsgemäß nur zwischen einem Minimalwert der Regelspannung V_min und einem Maximalwert der Regelspannung V_max einstellen lässt. Diese Begrenzungswerte der Regelspannung V_C wurden deshalb erzeugt, da diese Differenzzeit t_Sweep unterhalb eines minimalen Grenzwerts der Differenzzeit t_{Sweep_min}, z.B. unter 1 ms (Millisekunde), liegen und hier Arbeitspunkte OP und Gradienten grad nicht exakt ermittelt werden können.

Die Lage des Sollwerts des Arbeitspunktes OP_setpoint ist so gewählt, dass ein Einregeln der Differenzzeit t_Sweep bzw. Differenzfrequenz f_Sweep durch eine entsprechende Regelspannung V_C leicht möglich ist. Ist hingegen die Lage des Sollwerts der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} bzw. des Sollwerts der Differenzfrequenz t_{Sweep_setpoint} so gewählt, dass eine geringfügige Änderung der Regelspannung V_C eine große Änderung der Differenzzeit t_Sweep bzw. Differenzfrequenz f_Sweep verursacht, indem der Arbeitspunkt OP an einer Stelle der Regelkennlinie con_char liegt, an der der Gradient grad sehr groß ist, so ist eine exakte Einregelung auf den Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint nur erschwert möglich ist. Aufgrund des Gradienten grad wird bestimmt mit welcher Genauigkeit die Regelspannung V_C verändert werden muss, damit eine bestimmte Änderung der Differenzzeit t_Sweep bzw. Differenzfrequenz f_Sweep erreicht werden kann. Demzufolge wird bei Ermittlung eines großen Gradienten grad die Regelspannung V_C mit einer höheren Genauigkeit durch einen exakteren, langsameren Regelalgorithmus, der nur kleine Änderungen der Spannung vornimmt verändert. Ist hingegen der Gradient grad klein, wird die Regelspannung V_C in größeren Änderungsschritten verändert, da sich hier eine Änderung der Differenzzeit t_Sweep nicht so stark auswirkt.

Die Regelkennlinie con_char bzw. die Regelcharakteristik der Differenzzeit t_Sweep weist bei einer bestimmten Polstellen-Regelspannung V_Pol eine Polstelle auf. An dieser Polstelle der Regelkennlinie con_char sind die Abtastfrequenz f_Sample des angesteuerten Abtastoszillators 12 und die Pulsrepetiertrequenz f_PRF des Pulsrepetieroszillators 13 exakt gleich. Aufgrund der Polstelle der Regelkennlinie con_char der Differenzzeit t_Sweep ist es möglich, die selbe Differenzzeit t_Sweep mittels einer ersten Regelspannung V_C1 im sicheren Regelbereich E und mittels einer zweiten Regelspannung V_C2 im kritischen Regelbereich F zu erzeugen. Die erste Regelspannung V_C1 im sicheren Regelbereich E ist hierbei entsprechend kleiner als die Polstellen-Regelspannung V_Pol und die zweite Regelspannung V_C2 im kritischen Regelbereich F ist entsprechend größer als die Polstellen-Regelspannung V_Pol ausgelegt. Oberhalb eines maximalen Grenzwerts der Differenzzeit t_{Sweep_max}, der über dem Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} liegt, wird der Regelalgorithmus unterbrochen und die Regelung der Differenzzeit t_Sweep bzw. der entsprechenden Differenzfrequenz f_Sweep im sicheren Regelbereich E wieder erneut gestartet. Durch die Bildung dieses maximalen Grenzwerts der Differenzzeit t_{Sweep_max} ist eine schnelle Regelung der Differenzzeit t_Sweep auf einen Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} erst möglich. Die Regelung in dem kritischen Regelbereich C um die Polstelle, in der die Differenzzeit t_Sweep hohe, unzweckmäßige Werte annimmt und dadurch lange Mess- und Regelzeiten verursacht, wird folglich verhindert. Der konträre Fall, dass die Regelkennlinie con_char bzw. die Regelcharakteristik der Differenzfrequenz f_Sweep – gewissermaßen der Kehrwert der Differenzzeit t_Sweep – eine Nullstelle mit einem Umkehrpunkt aufweist, ist aufgrund der Analogie zu obigen Ausführungen in 2 nicht explizit ausgeführt worden.

In 4 ist ein Zustandsdiagramm der Signale des Regelkreises 24 aus 2 aufgezeigt. Das Zustandsdiagramm besteht aus fünf Signalkennlinien, die alle derselben Zeiteinheit bzw. Zeitskala t_s folgen. Die oberste, erste Signalkennlinie der Versorgungsspannung P zeigt den Zeitpunkt der Initialisierung des Mikrocontrollers Int_&mgr;C bzw. den Startzeitpunkt der Spannungsversorgung des Mikrocontrollers 16 bzw. der gesamten Regel-/Auswerteeinheit 15 an. Die dritte und vierte Signalkennlinie gibt die Regelsignale R_C zur Aufwärts-Regelung R_UP und zur Abwärts-Regelung R_Down an, die Signale zur Ansteuerung einer Frequenzregeleinheit 10 aufzeigen. Die fünfte Signalkennlinie stellt die Regelspannung V_C dar, die beispielsweise von der Frequenzregeleinheit 10 ausgegeben wird und einen spannungsgesteuerten Abtasttaktoszillator 12 steuert. Die Rückkopplung des Regelkreises 24 bzw. die Ansteuerung des Abtasttaktoszillators 12 über eine Frequenzregeleinheit 10 wird durch die Signalkennlinien drei, vier und fünf erreicht. Die zweite Signalkennlinie des Differenzsignals S_Sweep mit der variierenden Differenzzeit t_Sweep stellt das erzeugte Regelergebnis des Regelkreises 24 dar.

Durch Einschalten der Versorgungsspannung P wird der Mikrocontroller 16 bzw. die Regel-/Auswerteeinheit 15 initialisiert. Dabei kommt es vor, dass aufgrund zurückliegender Regelprozessphasen und dem Betriebszustand oder Einschwingverhalten der elektrischen Bauteile in diesem Zustand eine nicht zuvor definierbare aktuelle Regelspannung V_act am Abtastoszillator 12 anliegt. Aus diesem Grund wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zuerst eine Arbeitspunkterkennung OP_ID durchgeführt, die in einem ersten Regelschritt eine erste Differenzzeit t_Sweep1 mit der entsprechenden aktuellen Regelspannung V_act bzw. vierten Regelspannung V_C4 ermittelt. Darauf folgend wird in einem weiteren Regelschritt eine zweite Regelspannung V_C2 eingestellt und eine entsprechende zweite Differenzzeit t_Sweep2 ermittelt wird. Aus dem Quotienten der Differenz der ersten Differenzzeit t_Sweep1 und zweiten Differenzzeit t_Sweep2 zu der Differenz der entsprechenden Regelspannungen V_C4, V_C2 wird ein Gradient grad bzw. eine Steigung bestimmt. Entsprechendes ist auch mit Erzeugen einer ersten Regelspannungen V_C1 und einer dritten Regelspannung V_C3 und Ermitteln der entsprechenden Differenzzeiten t_Sweep1, t_Sweep2 durchführbar. Durch die Ermittlung des Gradienten grad und durch die Ermtittlung des Überschreitens oder Einhaltens des Grenzwerts der Differenzfrequenz t_{Sweep_setpoint} kann sehr schnell bestimmt werden, ob der Arbeitspunkt OP der Regelung in einem kritischen Regelbereich A, B, C, F oder in einem sicheren Regelbereich E liegt. In 4 ist das Beispiel aus 3 aufgegriffen worden, dass die aktuelle Regelspannung V_act bei der Initialisierung des Mikrocontrollers Init_&mgr;C bzw. der Initialisierung der Regel-/Auswerteeinheit 15 im kritischen Regelbereich F lokalisiert wurde und ein diesem kritischen Regelbereich F entsprechender Gradient grad existiert. In diesem Fall regelt der Regelalgorithmus die aktuelle Regelspannung V_act auf einen Minimalwert der Regelspannung V_min herunter, wodurch eine erneute Einregelungsphase im sicheren Regelbereich E gestartet wird. Beim Start dieser Einregelungsphase liegt eine große Abweichung der aktuellen Differenzzeit t_Sweep zum Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} vor. Weshalb die aktuelle Differenzfrequenz t_Sweep durch eine plusweitenmodulierte Regelung C_PWM mit pulsweitenmodulierten Regelsignalen R_PWM, die sowohl als Aufwärts-Regelsignale R_Up als auch Abwärts-Regelsignale R_Down ausgestaltet sind, verändert wird. Die Aufwärts-Regelsignale R_Up und Abwärts-Regelsignale R_Down steuern hierbei die Frequenzregeleinheit 10 an, welche eine entsprechende Regelspannung V_C erzeugt. Ein an der Frequenzregeleinheit 10 anliegendes Aufwärts-Regelsignal R_Up bewirkt einen Anstieg der Regelspannung V_C am Ausgang der Frequenzregeleinheit 10. Hingegen bewirkt ein an der Frequenzregeleinheit 10 anliegendes Abwärts-Regelsignal R_Down ein Absinken der Regelspannung V_C. Ist die Abweichung der aktuellen Differenzzeit t_Sweep zum Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} nur noch gering, so wird in eine impulsfolgenmodulierte Regelung C_Toggle mit impulsfolgenmodulierten Regelsignalen R_Toggle gewechselt, in der die Frequenzregeleinheit 10 nur noch mit kurzen Impulsfolgen von sehr kurzen Impulsen angesteuert wird. Durch die kurzen Impulse der impulsfolgenmodulierten Regelsignale R_Toggle ist es möglich, dass nur noch eine geringfügige Änderung der Differenzfrequenz t_Sweep vorgenommen werden kann. Durch dieses Verfahren, dass bei geringen Abweichungen der Differenzzeit t_Sweep von dem Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal R_Toggle zur Feineinregelung eingesetzt wird, tritt nur ein geringes Einschwingverhalten der Regelung auf. Ist die Differenzzeit t_Sweep auf den Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} eingeregelt, so ist der Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint im sicheren Regelbereich E eingestellt. Durch einzelne kurze Impulse des Abwärts-Regelsignals R_Down und des Aufwärts-Regelsignals R_Up kann bei einer eingeregelten Differenzzeit t_Sweep auf den Sollwert der Differenzzeit t_{Sweep_setpoint} einer tendenziellen Regelabweichung entgegengewirkt werden. Hierzu wird beispielsweise die Periode je nach Tendenz der Regelabweichung unterbrochen, bzw. ein oder mehrer kurze Impulse werden ausgelassen.