DE102008045073A1 - Fluidic cylinder arrangement for use in control engineering field, has evaluation device designed for formation of piston velocity and/or piston acceleration-dependent signals from phase velocity and/or phase acceleration signals - Google Patents

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Abstract

The arrangement has a microwave measuring device (13) for detecting a position of a piston (10), and an evaluation device (19) for formation of piston position signals from phase voltage signals i.e. low-frequency signals. A differential stage (21) or a signal analysis stage is provided for formation of phase velocity and/or phase acceleration signals from the voltage signals. The evaluation device is designed as a digital signal processor (20) or a microcontroller for formation of piston velocity and/or piston acceleration-dependent signals from the phase velocity and/or acceleration signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidische Zylinderanordnung mit einer Mikrowellen-Messeinrichtung zur Erfassung der Kolbenposition eines Kolbens der Zylinderanordnung, mit einer HF-Stufe zur Erzeugung von über eine Antennenanordnung ins Innere der Zylinderanordnung eingeleiteten Hohlleiter-Wellen, mit einem Phasendetektor zur Erzeugung von in Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen eingeleiteten und am Kolben zurückreflektierten Hohlleiter-Wellen stehenden Phasen-Spannungssignalen und mit einer Auswerteeinrichtung zur Bildung von Kolben-Positionssignalen aus den Phasen-Spannungssignalen.The The invention relates to a fluidic cylinder arrangement with a microwave measuring device for Detecting the piston position of a piston of the cylinder assembly, with an RF stage for generating via an antenna arrangement waveguide waves introduced into the interior of the cylinder arrangement, with a phase detector for generating in dependence the phase shift between introduced and reflected back on the piston Waveguide Wave Standing Phase Voltage Signals and With One Evaluation device for forming piston position signals the phase voltage signals.

Eine derartige Positions- beziehungsweise Abstandsmessvorrichtung für den Kolben ist beispielsweise aus der DE 10205904 A1 bekannt. Als Phasendetektor wird ein Mischer eingesetzt, wobei das niederfrequente Mischungsprodukt aus gesendetem und empfangenem Signal die Phasenverschiebung widerspiegelt. Die bekannte Messeinrichtung ist ausschließlich dazu geeignet, die Kolbenposition zu erfassen.Such a position or distance measuring device for the piston is for example from the DE 10205904 A1 known. As a phase detector, a mixer is used, wherein the low-frequency mixing product of transmitted and received signal reflects the phase shift. The known measuring device is only suitable for detecting the piston position.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine fluidische Zylinderanordnung mit einer Mikrowellen-Messeinrichtung zu schaffen, die variablere Verwendungsmöglichkeiten, insbesondere für Regelungsaufgaben, aufweist.A Object of the present invention is a fluidic Cylinder arrangement with a microwave measuring device to create the more variable uses, in particular for Regulatory tasks.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine fluidische Zylinderanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a fluidic Cylinder arrangement solved with the features of claim 1.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen insbesondere darin, dass mit derselben Mikrowellen-Messeinrichtung außer der Kolbenposition noch zusätzlich die Kolbengeschwindigkeit und/oder die Kolbenbeschleunigung erfasst werden kann, wobei lediglich einige elektronische Zusatzeinrichtungen erforderlich sind. In der Regelungstechnik ist beispielsweise ein nicht zeitverzögertes Geschwindigkeitssignal zur Stabilisierung des Regelkreises von großer Bedeutung. Ein solches nicht zeitverzögertes Geschwindigkeitssignal kann beispielsweise ohne Probleme zusätzlich erfasst werden.The Advantages of the arrangement according to the invention exist especially in that with the same microwave measuring device in addition to the piston position additionally the piston speed and / or the piston acceleration can be detected, with only a few electronic ancillary equipment is required. In control engineering is For example, a non-delayed speed signal to stabilize the control loop of great importance. Such a non-delayed speed signal For example, it can be recorded without any problems.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Zylinderanordnung möglich.By the measures listed in the dependent claims are advantageous developments and improvements in the claim 1 indicated cylinder arrangement possible.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Differentialstufe zur Bildung der ersten und/oder zweiten zeitlichen Ableitung der Phasen-Spannungssignale ausgebildet. Durch eine solche analoge Differentialstufe wird das beispielsweise durch digitale Ableitung hervorgerufene Quantisierungsrauschen vermieden, und es ergeben sich zuverlässigere Geschwindigkeitswerte. Die ermittelte Geschwindigkeit entspricht dem momentanen Wert, Verzögerungen treten nicht auf.In Advantageous development of the invention is the differential stage for forming the first and / or second time derivative of Phase voltage signals formed. By such an analog differential stage This is caused, for example, by digital derivation Quantization noise avoided, and there are more reliable Speed values. The determined speed corresponds the current value, delays do not occur.

Alternativ zu einer Differentialstufe beziehungsweise einem Differenzierer kann man die Phasengeschwindigkeit und damit die Kolbengeschwindigkeit beziehungsweise -beschleunigung auch durch eine Signalanalysenstufe ermitteln, indem man Phasenwerte aus der Vergangenheit verwendet und einem geeigneten Analyseverfahren zuführt. Hierzu eignet sich vorzugsweise ein Kalman-Filter.alternative to a differential stage or a differentiator you can see the phase velocity and thus the piston speed or acceleration also by a signal analysis stage determine by using phase values from the past and a suitable analysis method. Suitable for this purpose preferably a Kalman filter.

Die Phasen-Spannungssignale und die Phasengeschwindigkeits- und/oder Phasenbeschleunigungssignale werden zweckmäßigerweise über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) der Auswerteeinheit zugeführt. Diese ist zweckmäßigerweise als digitaler Signalprozessor (DSP) oder Mikrocontroller ausgebildet.The Phase voltage signals and the Phasengeschwindigkeits- and / or Phase acceleration signals are expediently over an analog-to-digital converter (ADC) fed to the evaluation. This is expediently as a digital signal processor (DSP) or microcontroller formed.

Die Phasen-Spannungssignale liegen bevorzugt als niederfrequente Signale vor.The Phase voltage signals are preferably as low-frequency signals in front.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die HF-Stufe Mittel zur Erzeugung einer Folge verschiedener HF-Frequenzen auf. Der Messvorgang wird dabei in schneller Folge für diese verschiedenen Frequenzen wiederholt, wobei sich aus deren Kombination die Kolbenposition beziehungsweise Kolbengeschwindigkeit und/oder Kolbenbeschleunigung eindeutig bestimmen lässt. Die Verwendung mehrerer Frequenzen erhöht die Sicherheit, verbessert die Zuverlässigkeit der Parametererfassung und ermöglicht Plausibilitätstests und/oder Diagnoseabfragen.In an advantageous embodiment of the invention, the RF stage Means for generating a sequence of different RF frequencies. The measuring process will be in quick succession for this repeated frequencies, resulting from their combination the piston position or piston speed and / or Uniquely determine piston acceleration. The usage multiple frequencies increases safety, improves the Reliability of parameter acquisition and enabled Plausibility tests and / or diagnostic queries.

Um die Zykluszeiten zu verkürzen, ist in einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgesehen, nach anfänglicher Messung mit mehreren Frequenzen im laufenden Betrieb mittels einer Umschalteinrichtung auf nur noch eine HF-Frequenz umzuschalten, um mit dieser dann weiterzumessen.Around shortening the cycle times is in a further training provided with the invention, after initial measurement with several frequencies during operation by means of a switching device Only one RF frequency to switch, with this then continue to measure.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer fluidischen Zylinderanordnung mit einer Mikrowellen-Messeinrichtung als Ausführungsbeispiel der Erfindung.One Embodiment of the invention is in the drawing shown and in the following description in more detail explained. The single figure shows a schematic block diagram a fluidic cylinder arrangement with a microwave measuring device as an embodiment of the invention.

Die in der einzigen Figur dargestellte fluidische Zylinderanordnung entspricht prinzipiell dem eingangs angegebenen Stand der Technik. Ein Kolben 10 ist in einem Zylinderrohr 11 verschiebbar geführt. An einem der beiden Endbereiche des Zylinderrohrs 11 ist als Antennenanordnung einer Mikrowellen-Messeinrichtung 13 eine Koppelsonde 14 am oder im nur schematisch dargestellten Zylinderdeckel 12 angeordnet.The illustrated in the single figure fluidic cylinder assembly corresponds in principle to the above-mentioned prior art. A piston 10 is in a cylinder tube 11 slidably guided. At one of the two end portions of the cylinder tube 11 is as an antenna arrangement of a microwave measuring device 13 a coupling probe 14 on or in the cylinder shown only schematically ckel 12 arranged.

Die Koppelsonde 14 ist mit einer elektronischen Einrichtung 15 verbunden, die beispielsweise auch am Zylinderdeckel 12 angeordnet sein kann oder in diesem integriert sein kann. Die elektronische Einrichtung 15 weist eine HF-Stufe 16 als Mikrowellen-Generator auf, dessen Signale von der Koppelsonde 15 als Hohlleiter-Wellen in den Zylinder-Innenraum abgestrahlt werden und nach Reflexion am Kolben 10 wieder erfasst und zur elektronischen Einrichtung 15 zurückgeleitet werden. Ein Phasendetektor 17 in der elektronischen Einrichtung 15 ist beispielsweise als Mischer ausgebildet und ermittelt die Phasendifferenz zwischen den abgestrahlten und empfangenen Hohlleiter-Wellen. Diese Phasendifferenz ist ein Maß für den Abstand und damit für die Position des Kolbens 10. Dies ist im eingangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben.The coupling probe 14 is with an electronic device 15 connected, for example, on the cylinder cover 12 may be arranged or integrated in this. The electronic device 15 has an RF stage 16 as a microwave generator, whose signals from the coupling probe 15 as waveguide waves are radiated into the cylinder interior and after reflection on the piston 10 captured again and to the electronic device 15 be returned. A phase detector 17 in the electronic device 15 is designed for example as a mixer and determines the phase difference between the radiated and received waveguide waves. This phase difference is a measure of the distance and thus the position of the piston 10 , This is described in detail in the prior art mentioned above.

Vom Phasendetektor 17 aus wird das niederfrequente Mischungsprodukt aus gesendetem und empfangenem HF-Signal einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 18 einer Auswerteeinrichtung 19 zugeführt, in dem eine Umwandlung in ein digitales Signal erfolgt, das zur Berechnung der Kolbenposition aus der Phasenverschiebung einem digitalen Signalprozessor (DSP) 20 zugeführt wird.From the phase detector 17 off, the low-frequency mixing product of transmitted and received RF signal is an analog-to-digital converter (ADC) 18 an evaluation device 19 in which a conversion into a digital signal takes place, which is used to calculate the piston position from the phase shift of a digital signal processor (DSP). 20 is supplied.

Anstelle eines digitalen Signalprozessors 20 können selbstverständlich auch andere bekannte Berechnungseinheiten treten, wie ein Mikrocontroller, ein ASIC oder dergleichen.Instead of a digital signal processor 20 Of course, other known calculation units can occur, such as a microcontroller, an ASIC or the like.

Das niederfrequente Mischungssignal, in dem sich die Phasenverschiebung widerspiegelt, wird vom Ausgang des Phasendetektors 17 noch zusätzlich einer Differentialstufe 21 zugeführt, in der die erste und/oder zweite zeitliche Ableitung der Phasen-Spannungssignale des Phasendetektors 17 gebildet wird, die proportional zur Phasengeschwindigkeit und Phasenbeschleunigung sind. Die Ausgangssignale der Differentialstufe 21 werden entsprechend den Phasen-Spannungssignalen dem Analog-Digital-Wandler 18 zugeführt, dort in digitale Signale umgewandelt und dem digitalen Signalprozessor 20 zur Bildung von Signalen zugeführt, die der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Kolbens 10 entsprechen.The low-frequency mixing signal, which reflects the phase shift, is taken from the output of the phase detector 17 additionally a differential stage 21 in which the first and / or second time derivative of the phase voltage signals of the phase detector 17 which are proportional to the phase velocity and phase acceleration. The output signals of the differential stage 21 become the analog-to-digital converter according to the phase voltage signals 18 supplied there, converted into digital signals and the digital signal processor 20 fed to the formation of signals indicative of the speed and / or acceleration of the piston 10 correspond.

Die beschriebenen Vorgänge können in schneller Folge mit verschiedenen HF-Frequenzen durchgeführt werden, die die HF-Stufe 16 produziert. Eine Umschalteinrichtung 22 sorgt dabei für die Umschaltung der erzeugten Frequenzen beziehungsweise für die schnelle Folge unterschiedlicher Frequenzen. Es ist auch möglich, nach anfänglicher Messung mit mehreren Frequenzen für den laufenden Betrieb dann nur noch eine Frequenz zu verwenden, durch die dann die Position, die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Kolbens 10 eindeutig bestimmt werden kann. Hierdurch können die Zykluszeiten verkürzt werden.The described operations can be performed in rapid succession at different RF frequencies, including the RF stage 16 produced. A switching device 22 ensures the switching of the generated frequencies or for the fast sequence of different frequencies. It is also possible to use only one frequency after initial measurement with several frequencies for the current operation, by which then the position, the speed and / or acceleration of the piston 10 can be clearly determined. This can shorten the cycle times.

In der Figur und im eingangs angegebenen Stand der Technik ist jeweils eine einfache tellerförmige Antenne der Koppelsonde 14 dargestellt. Selbstverständlich können auch andere bekannte Koppelsonden eingesetzt werden, die auch mehrere Monopole aufweisen können und anders strukturiert sein können.In the figure and the above-mentioned prior art is in each case a simple dish-shaped antenna of the coupling probe 14 shown. Of course, other known coupling probes can be used, which can also have multiple monopoles and can be structured differently.

Zur Bildung der Phasengeschwindigkeits- und/oder Phasenbeschleunigungssignale kann anstelle der beschriebenen Differentialstufe 21 auch eine Signalanalysenstufe verwendet wer den. Hierbei werden Phasensignale aus der Vergangenheit verwendet und einem geeigneten digitalen Signalanalyseverfahren zum Beispiel in Form eines Kalman-Filters zugeführt. Dieses kann in einem DSP implementiert werden, um Phasengeschwindigkeit und -beschleunigung oder auch Kolbengeschwindigkeit und -beschleunigung zu schätzen. Hierzu werden digitalisierte Signale benötigt.To form the phase velocity and / or phase acceleration signals, instead of the described differential stage 21 Also a signal analysis used who the. In this case, phase signals from the past are used and supplied to a suitable digital signal analysis method, for example in the form of a Kalman filter. This can be implemented in a DSP to estimate phase velocity and acceleration or also piston velocity and acceleration. For this digitized signals are needed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10205904 A1 [0002] - DE 10205904 A1 [0002]

Claims (8)

Fluidische Zylinderanordnung mit einer Mikrowellen-Messeinrichtung (13) zur Erfassung der Kolbenposition eines Kolbens (10) der Zylinderanordnung, mit einer HF-Stufe (16) zur Erzeugung von über eine Antennenanordnung (14) ins Innere der Zylinderanordnung eingeleiteten Hohlleiter-Wellen, mit einem Phasendetektor (17) zur Erzeugung von in Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen eingeleiteten und am Kolben (10) zurückreflektierten Hohlleiter-Wellen stehenden Phasen-Spannungssignalen und mit einer Auswerteeinrichtung (19) zur Bildung von Kolben-Positionssignalen aus den Phasen-Spannungssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von Phasengeschwindigkeits- und/oder Phasenbeschleunigungssignalen aus den Phasen-Spannungssignalen eine Differentialstufe (21) oder eine Signalanalysenstufe vorgesehen ist, und dass die Auswerteeinrichtung (19) auch zur Bildung von kolbengeschwindigkeits- und/oder kolbenbeschleunigungsabhängigen Signalen aus den Phasengeschwindigkeits- und/oder Phasenbeschleunigungssignalen ausgebildet ist.Fluidic cylinder arrangement with a microwave measuring device ( 13 ) for detecting the piston position of a piston ( 10 ) of the cylinder assembly, with an RF stage ( 16 ) for generating via an antenna arrangement ( 14 ) introduced into the interior of the cylinder assembly waveguide waves, with a phase detector ( 17 ) for generating depending on the phase shift between the introduced and the piston ( 10 ) reflected waveguide waves standing phase voltage signals and with an evaluation device ( 19 ) for the formation of piston position signals from the phase voltage signals, characterized in that for the formation of phase velocity and / or phase acceleration signals from the phase voltage signals, a differential stage ( 21 ) or a signal analysis stage is provided, and that the evaluation device ( 19 ) is also formed to form piston velocity and / or piston acceleration dependent signals from the phase velocity and / or phase acceleration signals. Zylinderanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differentialstufe (21) zur Bildung der ersten und/oder zweiten zeitlichen Ableitung der Phasen-Spannungssignale ausgebildet ist.Cylinder arrangement according to claim 1, characterized in that the differential stage ( 21 ) is formed to form the first and / or second time derivative of the phase voltage signals. Zylinderanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalanalysenstufe zur Durchführung eines di gitalen Signalanalyseverfahren, insbesondere nach Art eines Kalman-Filters ausgebildet ist.Cylinder arrangement according to claim 1, characterized in that that the signal analysis stage for performing a digital Signal analysis method, in particular in the manner of a Kalman filter is trained. Zylinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen-Spannungssignale und die Phasengeschwindigkeits- und/oder Phasenbeschleunigungssignale zur Umwandlung in digitale Signale für die Auswerteeinrichtung (19) einem Analog-Digital-Wandler (19) zugeführt sind.Cylinder arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the phase voltage signals and the phase velocity and / or phase acceleration signals for conversion into digital signals for the evaluation device ( 19 ) an analog-to-digital converter ( 19 ) are supplied. Zylinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (19) als digitaler Signalprozessor (20) oder Mikrocontroller ausgebildet ist oder einen solchen enthält.Cylinder arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation device ( 19 ) as a digital signal processor ( 20 ) or microcontroller is formed or contains such. Zylinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen-Spannungssignale als niederfrequente Signale vorliegen.Cylinder arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the phase voltage signals as low-frequency signals available. Zylinderanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Stufe (16) Mittel zur Erzeugung einer Folge verschiedener HF-Frequenzen aufweist.Cylinder arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the HF stage ( 16 ) Comprises means for generating a sequence of different RF frequencies. Zylinderanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Stufe (16) eine Umschalteinrichtung (12) zur Umschaltung zwischen verschiedenen HF-Frequenzen und/oder zur Erzeugung nur noch einer HF-Frequenz nach einer oder mehreren Folgen verschiedener HF-Frequenzen aufweist.Cylinder arrangement according to claim 7, characterized in that the HF stage ( 16 ) a switching device ( 12 ) for switching between different RF frequencies and / or for generating only one RF frequency after one or more sequences of different RF frequencies.
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