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Die
Erfindung betrifft ein Radarmessgerät, insbesondere ein handgehaltenes
Nahbereichsradar, zur Ortung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten
sowie das dem Messgerät
zugrunde liegende Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw.
des Anspruchs 10. Ein solches Messgerät nutzt eine Radarsensor-Vorrichtung,
die ein hochfrequentes Detektionssignal in Form eines breitbandigen, elektromagnetischen
Impulses erzeugt und diesen Impuls in das zu untersuchende Medium
sendet. Ein in dem Medium eingeschlossenes Objekt reflektiert den
einlaufenden Impuls. Durch Detektion und eine Auswertung des rücklaufenden
Detektionssignals im Messgerät
können
Informationen über
das in dem Medium eingeschlossene Objekt gewonnen werden.
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Ein
derartiges Radargerät
ist beispielsweise aus der WO 96/19737 A1 bekannt. Mit einem Radargerät können z.
B. in einer Wand oder im Erdreich eingeschlossene Objekte mit hoher
Genauigkeit detektiert werden. Damit z. B. bei Bohrungen in einer Wand
die darin eingeschlossenen Objekte – wie beispielsweise Stahlarmierungen,
Stromleitungen, Wasserleitungen und dergleichen – vor Zerstörung sicher sind, sollte dem
Handwerker eine präzise
Information über
einen Ort, d. h. die Wegposition auf der Wandoberfläche und
die Tiefe in der Wand, des eingeschlossenen Objektes vermittelt
werden.
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Ein
Radargerät
besteht, wie auch in der WO 96/19737 A1 beschrieben, üblicherweise
aus einem „Frontend" – das ist eine Sende- und Empfangseinheit – und einer
Anzeigevorrichtung. Das in der WO 96/19737 A1 offenbarte Frontend
weist, wie eingangs dargelegt, einen abgeschirmten Raum für elektrische Schaltkreise
und zwei sich an diesen Raum anschließende Räume auf, die als Sendeantenne
und Empfangsantenne ausgebildet sind. Die Hohlräume für die Sende- und die Empfangsantenne
haben die Form von Hörnern,
in denen Strahlerelemente (z. B. in Form von Drähten) installiert sind. Die
Abschirmung des die Schaltkreise aufnehmenden Raumes geschieht einerseits
durch ein auf die Leiterplatte für die
Schaltkreise aufgesetztes Gehäuse
und andererseits durch die Wandungen der Antennenhörner, die auf
der den Schaltkreisen gegenüberliegenden
Seite der Leiterplatte fixiert sind.
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Aus
der WO 02/063334 A2 ist ein Radargerät bzw. eine integrierte Schaltung
für ein
Radargerät
in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse mit einer aus einem Blech-Biegeteil geformten
Patch-Antenne bekannt. Das kompakte und mit geringem Aufwand herstellbare
Radargerät
der WO 02/063334 A2 weist einen Hohlraum mit einem darin angeordneten Strahlerelement
und einen abgeschirmten Raum für elektrische
Schaltkreise auf. Das Gehäuse
ist so geformt, dass es sowohl den abgeschirmten Raum für die Schaltkreise,
als auch den Hohlraum für
das Antennen- Element bildet.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Nahbereichsradar bzw.
das zugrunde liegende Verfahren zur Ortung von in einem Medium eingeschlossenen
Objekten verarbeitet neben dem Detektionssignal des mindestens einen
Radarsensors mindestens ein weiteres Detektionssignal Ein solches
Verfahren nutzt zum einen ein breitbandiges Impulsradar, das ein
hochfrequentes Detektionssignal, in Form eines elektromagnetischen
Impulses erzeugt, diesen Impuls in das zu untersuchende Medium schickt
und einen vom Medium bzw. von einem im Medium eingeschlossenen Objekt
reflektierten Impuls detektiert und auswertet. Durch eine Auswertung
des hochfrequenten Detektionssignals können Informationen über die
Lage des in dem Medium eingeschlossene Objektes gewonnen werden
können.
Derartige Radar-Sensoren bzw. Radardetektoren, die Radarimpulse
("Ultrawideband-Radar", UWB) aussenden,
eignen sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, zur Detektion von in
Wänden
verborgenen Objekten.
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Darüber hinaus
wertet das erfindungsgemäße Verfahren
zudem noch mindestens ein weiteres, zusätzliches Detektionssignal aus.
Mittels dieses zusätzlichen
Detektionssignals ist es in vorteilhafter Weise möglich, zusätzliche
Informationen über
das eingeschlossene Objekt zu gewinnen.
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Die
Kombination der aus den mindestens zwei Detektionssignalen gewonnenen
Informationen ermöglicht
es beispielsweise, neben einer reinen Ortung des Objektes, d.h.
der Bestimmung der Objektlage bzw. Objekttiefe, auch eine Identifikation
des Objektmaterials durchzuführen.
So können
beispielsweise unterschiedliche Materialien auf diese Weise unterschieden
werden. Wird ein solches Messgerät beispielsweise
vor Tiefenbohrungen in einer Wand eingesetzt, so lässt sich
neben der reinen Ortung des Objektes im Voraus auch bereits eine
Aussage über die "Gefährlichkeit" der im Medium eingeschlossenen
Objekte treffen. So können
gegebenenfalls stromführende
Leitungen von Holzbalken oder dergleichen unterschieden werden.
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Durch
eine entsprechende Schaltung ist es möglich, die Antenne bzw. die
Antennen des Radarsensors auch als kapazitive Sensoren zu verwenden. Gemäß der gewählten Ansteuerungsart,
können
so die Antennenbleche auch als Elektroden eines Messkondensators
genutzt werden. Zusätzliche
Kondensatorflächen,
die den benötigten
Bauraum für
das Messgerät
vergrößern würden, sind
in dieser vorteilhaften Ausgestaltung nicht notwendig. Auf diese
Weise lässt
sich ein kompaktes, insbesondere handgehaltenes Messgerät realisieren.
Je nach Anregungssignal sind beispielsweise hochfrequente kapazitive Sensoren
oder aber auch gewöhnliche
niederfrequente Sensoren, wie sie beispielsweise in „Studfindern" genutzt werden,
darstellbar. Es lässt
sich beispielsweise die Ansteuerung der Antenneneinrichtung derart
modulieren, dass sie zwischen der Hochfrequenzanregung und der niederfrequenten
Betriebsweise hin- und hergeschaltet wird („Quasi-Parallel-Betrieb"). Auch ist es beispielsweise
möglich, die
Antenne des Radarsensors erfindungsgemäß derart anzusteuern, dass
sie in der Art eines Netzspannungsdetektors, der kapazitiv das Wechselspannungsfeld
beispielsweise einer Netzspannungsleitung erfassen kann, arbeitet.
In diesem Fall wurde die Antenne passiv, d.h. ohne Erzeugung eines
elektrischen Feldes, arbeiten und somit ermöglichen, die Lage und den Verlauf
von Netzspannungsleitungen beispielsweise in Wänden aufzuzeigen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es daher möglich
unter Verwendung lediglich eines Sensors, eine Reihe unterschiedlicher
Detektionssignale zu generieren, die über ihre Auswertung zusätzliche Informationen über ein
eingeschlossenes Objekt dem Nutzer eines entsprechenden Messgerätes ermöglichen.
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Darüber hinaus
gestattet die Verwendung von zusätzlichen
Detektionssignalen eine genauere Ortung der eingeschlossenen Gegenstände, da
der das erste Detektionssignal erzeugende Sensor aufgrund der Messergebnisse
des zweiten Detektionssignals optimiert und auf die spezielle Messsituation angepasst
werden kann. Beispielsweise erkennt ein kapazitiver Sensor durch
die Messung der dielektrischen Impedanz eine Holzständerwand.
Der im Gerät
integrierter Radarsensor kann dann so betrieben werden, dass Lufteinschlüsse zwar
vermessen werden, nicht jedoch in der Anzeige des Gerätes angezeigt
werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die
dem Radarsensor nachgeschaltete Signalverarbeitung, die Signale
der Lufteinschlüsse über gängige Mittelungsverfahren
herausmittelt. Auf diese Weise lässt
sich der Radarsensor optimiert betreiben.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Merkmale
sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß Anspruch
1 möglich.
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In
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messgerätes bzw.
des dem Messgerät
zugrunde liegenden Verfahrens wird das mindestens eine weitere Detektionssignal,
welches zur Auswertung und Informationsgewinnung herangezogen wird,
von mindestens einem weiteren Sensor erzeugt. Durch die Verwendung
von getrennten Sensoren für
die unterschiedlichen Detektionssignale ist es möglich die Messungen parallel
durchzuführen,
was nicht zuletzt eine Reduzierung der Messzeit bedeutet.
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So
ist beispielsweise mit einem induktiven Sensor die Unterscheidung
von metallischen und nichtmetallischen Objekten möglich. Darüber hinaus kann
beispielsweise die Vorab-Kalibierung
von induktiven Sensoren entfallen, da sie beispielsweise automatisch
durchgeführt
werden kann, wenn beispielsweise der Radarsensor erkennt, dass kein
Objekt vorhanden ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt es
in vorteilhafter Weise auch zu, gezielt nach bestimmten Objekten
zu suchen. So kann durch eine entsprechende Schaltung, die eine
vordefinierte Suchroutine ansteuert, beispielsweise speziell nach
elektrischen Kabeln oder Metallen gesucht werden. Ebenfalls in der
Wand vorhandene Hohlräume
oder andere Objekte, die nicht den Suchkriterien entsprechen, können dann
auf der Anzeige des Messgerätes
beispielsweise ausgeblendet werden, so dass ein Nutzer nur die gewünschten
Informationen erhält.
So ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich, in
der Anzeige des Messgerätes
beispielsweise nacheinander oder gleichzeitig Metalle, stromführende elektrische
Leitungen, Kunststoffe oder auch Objekte aus Holz oder Hohlräume darzustellen.
Auf diese Weise ist es beispielsweise auch möglich, Materialdickenmessungen,
wie beispielsweise Betonüberdeckungen
bei Stahlbetonbauten oder Estrichdickenmessungen bei Fußbodenheizungen
mit dem erfindungsgemäßen Messgerät durchzuführen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Detektionssignale einer ganzen Reihe von Sensoren zur Auswertung
herangezogen. Bei diesen Sensoren kann es sich beispielsweise um
Radarsensoren , kapazitive Sensoren, induktive Sensoren, photometrische
Sensoren, wie beispielsweise Infrarotsensoren oder auch um Ultraschallsensoren
handeln. Diese Sensoren werden einzeln oder in Gruppen zusammengeschaltet.
Dies kann beispielsweise manuell oder auch automatisch, d.h. von
einer entsprechenden Routine, welche in einem Speicherelement des Messgerätes abgelegt
ist, gesteuert erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Auswerteroutine des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann vorgesehen sein, die Detektionssignale aller aktiven Sensoren
auszuwerten und lediglich diejenigen mit einem eindeutigen Signal
exklusiv für
die nachgeschaltete Datenverarbeitung zu verwenden. Die Messergebnisse
der anderen Sensoren würden
dabei ignoriert. Erkennt ein induktiver Sensor bei der Vermessung
einer Fußbodenheizung
Metallobjekte unterschiedlicher Größe im Boden, so könnten die
schwächeren
Signale ausgeblendet werden, da diese aus einer im Boden resultierenden
Baustahlmatte resultieren. Erkennt der induktive Sensor jedoch nur
eine Art von Metallobjekten, und auch ein Radarsensor erkennt keine
zusätzlichen
Objekte, so sind die vom induktiven Sensor detektierten Signale
Metallrohre der Fußbodenheizung. Erkennt
der Radarsensor jedoch weitere Objekte so handelt es sich bei diesen
zusätzlichen
Objekten um Kunststoffrohre der Fußbodenheizung. Die Metallobjekte
können
dann wieder entsprechend in der Anzeige der Messergebnisse ausgeblendet
werden. Auf diese Weise ist es möglich,
lediglich die relevanten Informationen sichtbar zu machen.
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Insbesondere
ist es in vorteilhafter Weise auch möglich, einen Sensor, oder das
zur Messung genutzte Detektionssignal eines Sensors durch die Auswertung
und Erkenntnisse des mindestens einen weiteren Detektionssignales
zu optimieren. So ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, der Ansteuerung der einzelnen Sensoren jeweils verschiedene "Programme" einzuschreiben,
beispielsweise ein "Metallprogramm", ein "Hohlziegelprogramm", ein "Kunststoffprogramm", etc. Solche speziellen
Suchprogramme lassen sich einzelnen Sensoren zuschreiben, die spezielle
Vorteile bei der Detektion eines solchen Objektes aufweisen. Wird
bei einer Messung von einem oder mehreren Sensoren ein spezielles,
einprogrammiertes Szenario erkannt, d.h. liefert ein oder mehrere Sensoren
Hinweise auf beispielsweise einen speziellen Werkstoff, so werden
alle Sensoren auf dieses Programm eingestellt bzw. wird die Sensoransteuerung
und Auswertung auf den nunmehr bekannten Werkstoff optimiert. Auf
diese Weise ist es möglich genauere
Ergebnisse zu liefern, da beispielsweise mit optimal auf das identifizierte
Objekt abgestimmten Empfindlichkeiten der einzelnen Sensoren gearbeitet
werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Messgerätes sind
mehrere Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse des Messgerätes integriert.
Die Sensoren können
dabei beispielsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet
sein. Vorteilhaft ist es beispielsweise die Sensoren alle auf eine
gemeinsame Achse hin auszurichten, so dass die entsprechenden Detektionssignale
auf ein und denselben Punkt gerichtet sind.
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Besitzt
das Gerät
eine Wegsensorik, so können
nicht nur die aktuellen Signalpegel der verschiedenen Sensoren gemessen
werden, sondern es können
darüber
hinaus auch Signalverläufe
erfasst und dargestellt werde. Dadurch wird auch eine 2-dim Darstellung
im Display des Messgerätes
möglich,
bei der neben einer Weginformation auch eine Tiefeninformation dargestellt
wird. Dies unterscheidet sich in vorteilhafter Weise von Metallortungsgeräten des Standes
der Technik, bei denen zumeist über
eine oder mehrere optische Signallampen das aktuelle Messergebnis
am Ort der Messung angezeigt wird.
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In
alternativen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßem Messgerätes ist
es aber auch möglich,
die Sensoren teilweise auf einer gemeinsamen Platine und teilweise
an anderen Stellen im Gehäuse des
Messgerätes
beispielsweise in einem Gehäuseboden
des Gerätes
zu integrieren.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Messgerätes ergibt sich bei Verwendung
von externen Sensoren, die mittels eines Ansteckmoduls und einer
entsprechenden Schnittstelle mit dem Messgerät und den darin vorhandenen
Sensoren verkoppelt werden können.
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Beispielsweise
kann auch vorgesehen sein, eine ganze Reihe unterschiedlicher Sensoren
im Messgerät
bei der Fertigung dieses Gerätes
zu integrieren und diese Sensoren einzeln oder Gruppenweise über eine
entsprechende Software zu ihrer Ansteuerung frei zu geben. Auf diese
Weise ist es möglich,
mit einem Serienprodukt unterschiedlichen Anforderungen verschiedener
Nutzer Rechnung zu tragen.
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Das
erfindungsgemäße Messgerät ist somit als
ein kostensparendes, kompaktes Multifunktionsgerät ausgebildet, das in vorteilhafter
Weise einen einfachen, handgehaltenen Betrieb gestattet, indem der
Nutzer das Messgerät
beispielsweise auf einer zu untersuchenden Wand verfährt. Die
Messergebnisse werden ihm in einer intuitiv leicht zugänglichen
graphischen Darstellung direkt auf einer Anzeige des Messgerätes mitgeteilt,
so dass er einen unmittelbaren Blick in die zu untersuchende Wand
werfen kann und somit beispielsweise entscheiden kann, an welcher
Stelle der Wand eine Bohrung ungefährlich ist.
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Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ortung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten bzw. eines
entsprechenden Messgerätes
sind in der nachfolgenden Zeichnung sowie in der zugehörigen Beschreibung
offenbart.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen Ortungsgerätes bzw.
des zu Grunde liegenden Verfahrens zur Ortung von in einem Medium
eingeschlossenen Objekten dargestellt, die in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert
werden sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie
die Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese
Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen
zusammenfassen, die hiermit als ebenfalls in diesem Text offenbart
anzusehen sind.
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Es
zeigt:
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1 den
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Radarmessgeräts,
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2 einen
Schnitt durch die Sensorvorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Radarmessgerätes,
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3 das
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Radarmessgerätes gemäß 2 in einer
schematisierten Unteransicht,
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4 die
Sensoreinheit eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Radarmessgerätes in einer
zu 3 analogen Unteransicht,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Sensoreinheit eines erfindungsgemäßen Radarmessgerätes in einer
zu 3 und 4 analogen Darstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung das der Erfindung zu Grunde liegende
Verfahren bzw. den prinzipiellen Aufbau eines Radarmessgerätes für das erfindungsgemäße Verfahren.
Neben einem Radarsensor 60 weist das erfindungsgemäße Messgerät 62 nach
dem Ausführungsbeispiel
der 1 einen induktiven Sensor 64, einen kapazitiven Sensor 66,
einen kapazitiven Hochfrequenzsensor 68 sowie einen photometrischen
Sensor 92 in Form eines Infrarotdetektors 70 auf.
Weitere Sensoren können
in entsprechenden Ausführungsbeispielen vorhanden
sein.
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Durch
eine zentrale Steuereinheit 72 werden die einzelnen Sensoren
angesteuert und ausgewertet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
können die
Sensoren sowohl einzeln, als auch in Gruppen bzw. alle zusammen
geschaltet werden. Die Wahl der Betriebsart, d.h. die Auswahl, welche
Sensoren für eine
bestimmte Messung genutzt werden sollen, kann zum einen über einen
manuellen Betriebswahlschalter 74 erfolgen, der in einem
Bedienfeld, beispielsweise einem Tastenfeld oder einem Programmenue
des Messgerätes
integriert ist und von einem Nutzer nach seiner Wahl betätigt werden
kann. Neben dieser manuellen Auswahl der Betriebsart durch den Benutzer
ist auch eine automatische Betriebsartauswahl („automatischer Betrieb") über ein
entsprechendes Steuerprogramm möglich,
welches in einem Speichermedium des Messgerätes abgelegt sein kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, die verschiedenen Sensoren sowohl parallel, quasi-parallel,
als auch seriell zu nutzen. Dabei wird bei der quasi-parallelen
Betriebsart sehr schnell zwischen einzelnen Sensoren umgeschaltet
und die entsprechenden Detektionssignale generiert, gemessen und
ausgewertet, bzw. zur Auswertung gegebenenfalls zwischengespeichert.
Hier kann ebenfalls zwischen einer automatischen und einer vom Benutzer vorgegebenen
Auswahl der Sensoren gewählt
werden.
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Durch
eine entsprechende Auswerteeinheit 76 werden die einzelnen
Mess-Signale der Sensoren ausgewertet, miteinander verglichen und
daraufhin beispielsweise einzelne Sensoren in Abhängigkeit der
Messergebnisse anderer Sensoren optimiert. So ist in einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, der Ansteuerung der einzelnen Sensoren jeweils verschiedene "Programme" einzuschreiben,
beispielsweise ein "Metallprogramm", ein "Hohlziegelprogramm", ein "Kunststoffprogramm", etc. Solche speziellen
Suchprogramme lassen sich den einzelnen Sensoren zuordnen. Wird bei
einer Messung von einem oder mehreren Sensoren ein spezielles, einprogrammiertes
Szenario erkannt, d.h. liefern einige Sensoren Hinweise auf beispielsweise
einen speziellen Werkstoff, so werden alle Sensoren auf dieses Programm
umgestellt und liefern somit genauere, optimierte Messergebnisse, da
beispielsweise mit optimal abgestimmten Empfindlichkeiten der einzelnen
Sensoren gearbeitet werden kann.
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In
einer vorteilhaften Auswerteroutine des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann vorgesehen sein, die Detektionssignale aller aktiven Sensoren
auszuwerten und lediglich diejenigen mit einem eindeutigen Signal
exklusiv für
die nachgeschaltete Datenverarbeitung zu verwenden. Die Messergebnisse
der anderen Sensoren werden dabei für die weitere Auswertung ignoriert.
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Der
Auswerteeinheit 76 ist eine Einheit zur Datenverarbeitung
und eine Anzeige 78 nachgeschaltet. Die Daten der Auswerteeinheit 76 werden aufgearbeitet
und in eine für den
Nutzer intuitiv zugängliche
Darstellungsweise überführt. So
kann das Messergebnis beispielsweise in Form einer graphischen Darstellung
der aktuellen Messsituation ausgearbeitet werden. Über eine
im Messgerät
integrierte Anzeige wird das Mess-Signal, insbesondere in Echtzeit,
dem Nutzer beispielsweise in der Art eine Schnittdarstellung durch
die untersuchte Wand übermittelt.
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So
kann bei der Datenverarbeitung beispielsweise vorgesehen sein, alle
Sensorsignale mittels Hauptkomponentenanalyse neuronaler Netze auszuwerten
und über
eine Mustererkennung das wahrscheinlichste Ergebnis über die
Anzeige auszugeben. Auch kann eine entsprechende Routine vorgesehen
sein, die jeden Sensor entsprechend seiner Detektionsgrenzen gewichtet
in das Ergebnis eingehen lässt.
Dies ermöglicht,
obwohl jeder einzelne Sensor für
sich festgelegte Grenzen der Detektion aufweist, ein Gesamtergebnis
mit "weichen" Grenzen. Hier ist
beispielsweise der Einsatz einer Fuzzy Logik vorteilhaft.
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Die
für das
Verfahren vorgesehenen, einzelnen Sensoren können allesamt in einem Gehäuse des
Messgerätes
integriert sein bzw. ist es auch möglich, spezielle adaptive Varianten
des erfindungsgemäßen Messgerätes zu realisieren.
Dabei könnten Zusatzdetektoren,
wie beispielsweise der Infrarotdetektor 70, auf das Messgerät 62 mit
Radarsensor 60, kapazitivem Hochfrequenzdetektor 68 und
beispielsweise einem induktiven Detektor 64 modular aufgesetzt
werden. Über
eine gemeinsame Schnittstelle kann dann die Ansteuerung und Auswertung
auch des Infrarotsensors 70 über das eigentliche Messgerät 62 erfolgen.
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2 zeigt
einen Schnitt durch das Frontend, d.h. durch den Sensorkopf 10 eines
erfindungsgemäßen Messgerätes. Das
Messgerät 62,
welches in dem Ausführungsbeispiel
der 2 nur ausschnittsweise dargestellt ist, weist
einen Radarsensor 60 sowie einen induktiven Sensor 64 in
Form einer Spule auf.
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Die
Sensorvorrichtung 10 besitzt dabei ein Gehäuse 14 mit
einer leitfähigen
Oberfläche.
Das Gehäuse 14 lässt sich
beispielsweise aus einem Metall als einstückiges Druckgussteil oder aber
auch durch einen Formgebungsprozess aus metallisiertem Kunststoff
realisieren. Ebenfalls sind metallisch leitende Beschichtungen für das Gehäuse 14 der
Sensorvorrichtung möglich.
Das Gehäuse
des Sensors ist einseitig in Richtung eines Messobjektes offen, umschließt wesentliche
Komponenten der Sensorvorrichtung und ist selbst integraler Bestandteil
dieser Sensorvorrichtung.
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Die
Sensorvorrichtung 10 weist im Wesentlichen drei Bauteilgruppen
auf. Die erste Gruppe dieser Bauteile sind elektrische Schaltkreise 48 zur
Erzeugung und Verarbeitung der Mess- bzw. Detektionssignale. Die
zweite Baugruppe der Sensorvorrichtung umfasst eigentlichen Radarsensor,
der im erfindungsgemäßen Ortungsgerät durch
eine speziell gestaltete Antenne 16 realisiert ist. Um
das Gehäuse 14 der
Sensorvorrichtung herum ist als dritte Baugruppe eine Spulenanordnung 12 vorgesehen, die
zusammen mit entsprechenden elektronischen Schaltkreisen und Bauelementen 48 einen
induktiven Sensor zur Detektion insbesondere metallischer Gegenstände bildet.
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Die
genannten drei unterschiedlichen Baugruppen sind in unterschiedlichen,
voneinander getrennten Teilräumen
des Sensorkopfes 10 angeordnet. Während die Spulenanordnung 12 des
induktiven Sensors außerhalb
des Gehäuses 14 verläuft, sind
die elektrischen Schaltkreise 48 sowie die Antenne des
Radarsensors 60 innerhalb des Gehäuses angeordnet, jedoch durch
eine Leiterplatte 18 voneinander getrennt. Die Leiterplatte 18 ist
im Gehäuse 14 an
ihren Rändern
mit dem Gehäuse 14 fixiert.
Das Gehäuse
besitzt dazu in dem Ausführungsbeispiel nach 2 eine
charakteristische Schulter 42, auf die die Leiterplatte 18 aufgelegt
ist. Das derart geformte Gehäuse 14 wird
so in einem nicht weiter dargestellten Gehäuse des Ortungsgerätes eingebaut, dass
die beiden Teilräume
für Elektronik
bzw. Radarsensor übereinander
angeordnet sind. Die Teilräume 20 und 22 sind
durch die Leiterplatte 18 derart voneinander getrennt,
dass ein erster offener Teilraum 20 für den Radar-Sensor und ein
zweiter geschlossener Teilraum 22 für die Elektronikkomponenten
gebildet wird. Der zweite Teilraum 22 wird gebildet durch eine
Ausbuchtung 28 des Gehäuses 14 sowie
durch die Leiterplatte 18, die fest mit dem Gehäuse verbunden
ist. In vorteilhafter Weise ist eine metallisierte Schicht 30 auf
bzw. in der Leiterplatte 18 integriert, so dass der Teilraum 22 des
Gehäuses 14 von
einer elektrisch leitenden Oberfläche eingeschlossen ist. Auf
diese Weise bildet der Teilraum 22 einen „Faraday'schen Käfig" 23, der
es ermöglicht,
die im Teilraum 22 angeordneten elektronischen Bauelemente gegen
elektromagnetische Störungen
zu isolieren.
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Die
Leiterplatte 18 trägt,
wie in 2 zu erkennen ist, auf ihrer einen Seite die elektrischen Schaltkreise
und Bauelemente 48 zur Erzeugung und Auswertung des Mess- Signals. Auf der
anderen Seite der Leiterplatte 18 ist ein Antennenblech 24 des Antenne 16 befestigt.
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Der
erste Teilraum 20 des Gehäuses 14 der Sensorvorrichtung 10,
in welchem der Radarsensor untergebracht ist, wird im Wesentlichen
gebildet durch die Oberfläche 32 der
Leiterplatte 18 sowie durch Seitenwände 34 des Gehäuses 14.
In die Seitenwände 34 sind
Aussparungen 36 integriert, die es ermöglichen, das Gehäuse 14 der
Sensorvorrichtung in das Gehäuse
des Messgerätes
zu verankern.
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Der
erste Teilraum 20 des Gehäuses 14 ist einseitig
durch eine Öffnung 54 geöffnet und
trägt im Wesentlichen
die Antenne 16 des Radarsensors 60. Die Antenne
wird gebildet durch das auf der Leiterplatte 18 befestigte
Antennenblech 24 sowie die Innenfläche 38 des Teilraumes 20 des
Gehäuses 14, welche
die Masseelektrode 21 der Antennenanordnung bildet. Auf
diese Weise ist es möglich,
die Antenne 16 sehr kompakt zu gestalten.
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Der
erste Teilraum 20 kann, wie im Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt,
durch eine Wand 50 des zugehörigen Messgerätes in der
Art eines Radon verschlossen sein, so lange diese Abschottung kein
Hindernis für
das elektrische Feld der Antennenanordnung 16 darstellt.
Aus diesem Grunde kann die Wand 50 beispielsweise durch
eine Seite eines Kunststoffgehäuses
des erfindungsgemäßen Messgerätes realisiert
werden. Das erfindungsgemäße Messgerät würde in diesem
Fall mit der Gehäusewand 50 über die
zu vermessende Struktur, beispielsweise eine Decke oder einen Boden,
geführt werden.
Die Wand 50 dient zudem dem mechanischen Schutz des Antennenblechs 24 des
Radarsensors 16 vor Beschädigungen.
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Das
erfindungsgemäße Messgerät besitzt eine
Wegsensorik, so dass nicht nur die aktuellen Signalpegel der verschiedenen
Sensoren gemessen werden, sondern es können darüber hinaus auch Signalverläufe erfasst
und dargestellt werden. Dadurch wird auch eine 2-dim Darstellung
im Display des Messgerätes
möglich,
bei der neben einer Weginformation auch eine Tiefeninformation dargestellt
wird. Dies unterscheidet sich in vorteilhafter Weise von Ortungsgeräten des
Standes der Technik, bei denen zumeist über eine oder mehrere optische
Signallampen lediglich das aktuelle Messergebnis am aktuellen Ort der
Messung angezeigt wird.
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Um
das Gehäuse 14 der
Sensorvorrichtung herum gewickelt sind die Spulenelemente 80 der Spulenanordnung 12 eines
im erfindungsgemäßen Messgerätes induktiven
Sensors 64. Die Spulenelemente 80 können dabei
beispielsweise auf einen Spulenträger 84 aufgebracht
bzw. in diesem vergossen sein. Über
entsprechende Verbindungsmittel sind die Spulenelemente 80 mit
einer nicht weiter dargestellten Energieversorgung sowie den elektronischen
Bauelementen 48 zur Ansteuerung und Auswertung verbunden.
Auch ist es in anderen Ausführungsformen
möglich,
beispielsweise die induktive Sensorvorrichtung auch in den Kunststoffboden 50 des
Messgerätes 62 zu
integrieren.
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3 zeigt
in einer vereinfachten, schematischen Darstellung eine Unteransicht
des Sensorkopfes 10 eines erfindungsgemäßen Messgerätes gemäß 2, bei abgenommener
Schutzwand 50. Das Antennenblech 24 des Antenne 16 ist
in etwa mittig auf die Sensorplatine 18 aufgebracht. Um
das Gehäuse 14 herum
angeordnet sind die Spulenelemente 80 des induktiven Sensors 64 des
erfindungsgemäßen Messgerätes.
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Durch
eine entsprechende Schaltung ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich,
die Antenne 16 des Radarsensors 60 auch als gewöhnlichen,
d.h. niederfrequenten kapazitiven Sensor 66 in der Art
eines Studfinders zu betreiben. Dazu lässt sich beispielsweise die
Ansteuerung der Antenne 16 derart modulieren, dass sie
zwischen der Hochfrequenzanregung und der niederfrequenten Betriebsweise
hin- und hergeschaltet wird. Auch ist es beispielsweise möglich, die
Antennenanordnung 16 des erfindungsgemäßen Ortungsgerätes gemäß 2 bzw. 3 derart
anzusteuern, dass er in Art eines Netzspannungsdetektors 65,
der kapazitiv das Wechselspannungsfeld beispielsweise einer Netzspannungsleitung
erfassen kann, betrieben wird. In diesem Fall würde der Sensor passiv, d.h.
ohne Erzeugung eines elektrischen Feldes, arbeiten und somit ermöglichen,
die Lage und den Verlauf von Netzspannungsleitungen beispielsweise
in Wänden
aufzuzeigen.
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Durch
die Ansteuerelektronik, die im erfindungsgemäßen Messgerät vorgesehen ist, wird it lediglich
einem Sensor, im Aermöglicht,
dass musführungsbeispiel
der 2 oder 3 mit der Antennenanordnung 16 des
Radarsensors 60, verschiedene Detektionssignale erzeugt
werden. Diese Detektionssignale können dann quasi-parallel oder
auch seriell ausgewertet werden, so dass über die Auswertung zusätzliche
Informationen über
das in einem Medium eingeschlossene, zu vermessene Objekt gewonnen
werden können.
Der Radarsensor 60 kann dabei als kapazitiver Sensors,
insbesondere als konventioneller, d.h. niederfrequenter kapazitiver
Sensor 66, als Netzspannungsdetektor 65, oder
aber auch als Hochfrequenzdetektor 68, angesteuert werden.
In vorteilhafter Weise sind dabei die Detektionssignale automatisch
auf ein und denselben Punkt auf der zu untersuchende Fläche ausgerichtet.
Es wird somit immer, d.h. auch bei einem umschalten des Detektionssignals,
das selbe Messgebiet untersucht. Ein Messfehler durch Vermessung
unterschiedlicher räumlicher
Gebiete wird in diesem Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Messgerätes nahezu ausgeschlossen.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
den unterschiedlichen Detektionssignalen auch jeweils einen eigenständigen Sensor,
beispielsweise jeweils eine Antenne und einen Messkondensator zuzuordnen,
so dass der rein parallele Betrieb zur Gewinnung mehrer Detektionssignale
auf Kosten eines dann etwas größeren Bauraumes
ermöglicht
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt es
in vorteilhafter Weise auch zu, gezielt nach bestimmten Objekten
zu suchen. So kann durch eine entsprechende Schaltung, die eine
vordefinierte Suchroutine ansteuert, beispielsweise speziell nach
stromführenden
Kabeln oder Metallen gesucht werden. Ebenfalls in der Wand vorhandene
Hohlräume
können
dabei dann auf der Anzeige des Messgerätes automatisch oder vom Nutzer
vorgegeben ausgeblendet, d.h. nicht dargestellt werden, so dass
ein Nutzer nur die gewünschten
Informationen selektiv erhält.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Sensorkopfes 10 eines erfindungsgemäßen Messgerätes in einer zu 3 analogen
Darstellung. Gleiche Bauelemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen
beziffert. Der Sensorkopf 10 des erfindungsgemäßen Messgerätes gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 4 weist im Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel
eine Sendeantenne 86 sowie eine Empfangsantenne 88 eines
Radarsensors 60 auf.
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Durch
eine entsprechende Ansteuerung bzw. die geometrische Ausformung
der Empfangs- bzw. Sendeantenne 86 bzw. 88 des
Radarsensors 60 ist es möglich, eine oder beide dieser
Antennen auch als Elektrode(n) für
einen kapazitiven Sensor 65, 66, 68 insbesondere
für den
kapazitiven Hochfrequenzsensor 68 zu benutzen. Auf diese
Weise wird vermieden, für
den kapazitiven Hochfrequenzsensor 68 eine zusätzliche
Elektrode bzw. zwei zusätzliche Elektroden
in das Gehäuse
des Sensorkopfes 10 integrieren zu müssen. Die Sende- und Empfangsantennen
des Radarsensors 60 können
auch lediglich durch ein Antennenblech realisiert sein, wie dies
zuvor beschrieben worden ist. Der Sensorkopf sieht dann so aus,
wie der in 3 dargestellte Fall. Die Ansteuerung
der Antenne 16 würde
in diesem Fall zuerst einen Radarimpuls aussenden (Sendeantenne)
und anschließend
die Antenne auf Empfang umschalten, so dass der reflektierte, zurücklaufende
Radarimpuls von der selben Antenne (jetzt Empfangsantenne) detektiert
würde.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Sensorkopfes eines erfindungsgemäßen Messgerätes. Neben
den Spulenelementen 80 des induktiven Sensors 64,
der Sendeantenne 86 bzw. der Empfangsantenne 88 des
Radarsensors 60, die auch als kapazitiver Hochfrequenzsensor 68 angesteuert
werden, ist zusätzlich
ein photometrischer Sensor 92 in Form eines Infrarotsensors 70 in
den Sensorkopf 10 des erfindungsgemäßen Messgerätes integriert.
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Infrarotsensoren
können
dort vorteilhaft eingesetzt werden, wo Temperaturen oder Temperaturunterschiede
gemessen werden müssen.
So ist es möglich, über moderne
IR-Sensoren eine
schnelle und zuverlässige
Temperaturmessung zu realisieren. Insbesondere ist es möglich, selbst
sehr hohe Temperaturen von über
1000 Grad zuverlässig
zu messen, da diese Messung berührungslos,
lediglich auf Grund der Strahlungswärme erfolgt.
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Der
Infrarotsensor 70 des erfindungsgemäßen Messgerätes besteht beispielsweise
aus einer Halbleiterphotodiode, deren Leitfähigkeit sich mit der auftreffenden
Strahlungsintensität ändert, wobei
diese Photodiode spezifisch für
Wellenlängen
im Bereich über
1 Mikrometer (Infrarotstrahlung) empfindlich ist.
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Interessant
ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Messgerätes gemäß dem Ausführungsbeispiel in 5,
beispielsweise bei Szenarien wie Fußbodenheizungen, Heizungsrohren
etc., d.h. bei der Vermessung von Wasserrohren, die in Böden, Wänden oder
Decken eingeschlossen sind. Hier möchte man beispielsweise wissen,
wo sich die Rohre befinden, um ein Anbohren der Rohre zu vermeiden
bzw. bei einem bereits erfolgten Wasserrohrbruch die genaue Lage
der Rohre orten. Dabei wird bei herkömmlichen Verfahren beispielsweise
auf IR-Sensorgeräte, Wärmebildkameras
oder Thermofolien zurückgegriffen.
Mit solchen IR-Sensorgeräten
des Standes der Technik wird der zu untersuchende Bereich langsam abgescannt
und die lokalen Temperaturmaxima angezeichnet. Wärmebildkameras erzeugen im
Prinzip Fotos im Infraroten Bereich, die leichte Temperaturunterschiede
sichtbar machen können.
Thermofolien bestehen aus einem temperaturempfindlichen Material,
das sich bei höheren
Temperaturen verfärbt.
Die Folien sind dabei auf den zu untersuchenden Bereich aufzukleben.
Bei all diesen Verfahren kann jedoch keine Tiefeninformation der
detektierten Gegenstände
gewonnen werden.
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Das
erfindungsgemäße Ortungsgerät ermöglicht im
Gegensatz zu Geräten
des Standes der Technik durch die Kombination mehrerer Sensorprinzipien
eine schnelle und leistungsfähige
Ortung und Vermessung von beheizten oder gekühlten Rohren in Wänden, Decken
oder Böden.
Während
der IR-Sensor 70 die Grobklassifikation, d.h. eine Unterscheidung
beheizte oder gekühlte
Rohre, sowie eine Ortung der ungefähren Lage der Rohre vornehmen kann,
können
durch die weiteren, im erfindungsgemäßen Messgerät integrierten Sensorprinzipien
auch die exakte Lage, Tiefe und Größe der Rohre bestimmt werden.
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5 zeigt
die Sensorvorrichtung 10, die als abgeschirmtes Gehäuse 14 die
Sensorplatine 18 für die
Zusatzsensorik beinhaltet. Auf die Sensorplatine 18 aufgelötet sind
die Antennen 86 und 88 des Radarsensors 68.
Die Antennen werden zusätzlich
zur Radarerfassung mittels einer entsprechenden elektronischen Verschaltung
auch als kapazitiver Hochfrequenzsensor 68 bzw. Kapazitätssensor 65, 66 verwendet.
Eine intelligente Software oder entsprechende Elektronik schaltet
dazu zwischen den einzelnen Betriebsarten dieser Sensoren sehr schnell
um. Um das Gehäuse 14 ist
zudem eine Spulenanordnung 80 zur induktiven Detektion
gewickelt. Wahlweise kann ein Ferrit für die Spule vorgesehen sein.
Art, Größe und Lage
der Spulenwicklungen können
speziell ausgeformt sein.
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Der
Infrarotsensor 70 kann sich auch innerhalb des Gehäuses 14,
beispielsweise auf der Sensorplatine 18, befinden. Wegen
der gegenseitigen Beeinflussung der Sensoren ist es jedoch typischerweise
besser, ihn außerhalb
des Gehäuses
zu platzieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes ist
vorgesehen, den Infrarotsensor 70 in Form eines abnehmbaren
IR-Sensorkopfes 73 auszugestalten und ihn als Zusatzkomponente 73 für ein entsprechendes
kapazitives Hochfrequenzortungsgerät vorzusehen. Über eine
entsprechende Schnittstelle am Ortungsgerät kann der Infrarotsensor dann
an die Steuer- und Auswerteeinheit des Messgerätes angekoppelt und auch durch dieses
angesteuert und ausgewertet werden.
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In
verschiedenen Ausführungsbeispielen des
erfindungsgemäßen Messgerätes kann
die Art der Integration der verwendeten Sensorprinzipien beliebig
realisiert werden. Die Lage, Größe, sowie
die Anzahl der Sensoren ist nicht beschränkt. Die aus den zusätzlichen
Detektionssignalen gewonnenen Daten können gewinnbringend weiterverarbeitet
werden und so zu zusätzlichen
Informationen über
das eingeschlossene Objekt führen.
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Durch
eine entsprechende Datenverarbeitung (Software) können sich
die Messergebnisse der einzelnen Sensoren gegenseitig ergänzen und
somit zu einem möglichst
vollständigen
Bild über
den eingeschlossenen Gegenstand führen.
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Die
Auswertung mehrerer Detektionssignale, die aus einer Kombination
mehrerer Sensoren oder aus einer unterschiedlichen Ansteuerung ein
und desselben Sensors gewonnen werden können, ermöglicht es in vorteilhafter
Weise, zusätzlich
zur Ortung des eingeschlossenen Gegenstandes, beispielsweise auch
eine Materialidentifikation sowie bei Elektroleitungen beispielsweise
auch Informationen über
den Spannungszustand der Leitungen zu gewinnen. Durch die Kombination
eines Radarsensors mit einem Infrarotsensor ist beispielsweise nicht
nur die Ortung von Wasserleitungen möglich, sondern es kann nunmehr
auf Grund der unterschiedlichen Temperaturniveaus in einer solchen
Leitung auch eine Aussage beispielsweise über die Flussrichtung innerhalb
der Rohre gemacht werden. Durch die Nutzung weiterer parallel bzw.
seriell gewonnener Detektionssignale wird zudem die Radarortung
und deren Tiefenschätzung
deutlich genauer, weil sich der entsprechende Sensor auf die identifizierte
Materialart des aufgefundenen Objektes einstellen und optimieren lässt.
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Es
ist somit möglich,
einen einzelnen Sensor auf Grund der durch die anderen Sensoren
gewonnenen Informationen über
den eingeschlossenen Gegenstand zu optimieren. Auf diese Weise ist
es möglich,
dass jede Sensoreinheit für
sich genommen aufgrund der Zusatzinformationen der anderen Sensoren
besser arbeitet. Diese optimierten, voneinander unabhängigen Ergebnisse
können
software- oder auch hardwaremäßig so zusammengefügt werden, dass
das erfindungsgemäße Ortungsgerät dem Nutzer
sowohl Lage, Tiefe, Breite, als auch beispielsweise Materialart
und Temperatur, selbst in großen
Objekttiefen mitteilen kann.
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Das
erfindungsgemäße Messgerät ist somit als
ein kostensparendes, kompaktes Multifunktionsgerät ausgebildet, das in vorteilhafter
Weise einen einfachen, handgehaltenen Betrieb gestattet. Der Nutzer
verfährt
das Messgerät
dazu beispielsweise auf einer zu untersuchenden Wand. Die Messergebnisse
werden ihm in einer intuitiv leicht zugänglichen, graphischen Darstellung
direkt auf einer Anzeige des Messgerätes mitgeteilt, so dass er
auf diese Weise einen „unmittelbaren
Blick in die zu untersuchende Wand" werfen kann. Er kann somit beispielsweise entscheiden,
an welcher Stelle der Wand eine Bohrung nicht durchgeführt werden
sollte bzw. an welcher Stelle eine solche Bohrung ungefährlich ist.
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Das
erfindungsgemäße Ortungsgerät bzw. das
zu Grunde liegende erfindungsgemäße Verfahren
zur Ortung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten ist nicht
auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Insbesondere
ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht beschränkt
auf die Detektion von in Wänden,
Böden oder
Decken eingeschlossenen Objekten.