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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung
der Position eines in einem druckbeaufschlagten Zylinder bewegbaren Kolbens.
Eine derartige Vorrichtung bzw. ein derartiges Verfahren ist aus
der
US 5463 596 A bekannt.
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Neben
mechanischen Systemen gibt es elektrische Systeme zur Laufzeitmessung.
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Außer der
Messung der Laufzeit in einer Messstange, wie bei magnetoresistiven
Systemen kann in Ölen
mit elektromagnetischen Wellen gemessen werden. Bei Wasser versagen
aber elektromagnetische Wellen.
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Neuere
Positionsmesssysteme erfassen die Position des Kolbens mit Ultraschall-Messsystemen. Derartige
Systeme müssen
meist in den Zylinderboden eingeschraubt werden. Durch spezielle
Impedanzanpassungen für
den Einsatz in Hydraulikölen werden
die Ultraschallwandler für
diese Systeme optimiert.
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Die
Zuverlässigkeit
dieser System wird durch die Temperaturabhängigkeit stark eingeschränkt. Die Ultraschallgeschwindigkeit
ist stark temperaturabhängig. Über den
Einsatztemperaturbereich können Fehler
bis zu 30% oder mehr auftreten. So ändert zum Beispiel eine Ölsorte ihre
Schallgeschwindigkeit von 1550 m/s bei -20°C auf 1250 m/s bei +80°C. Weiterhin
ist die Viskosität
des Hydrauliköles
auch stark temperaturabhängig.
Die erhöhte
Viskosität
bewirkt wiederum eine erhöhte
Dämpfung
der Ultraschallwellen. Damit wird bei tiefen Temperaturen die Reichweite
dieser Systeme eingeschränkt.
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Zur
Minimierung des Temperaturfehlers werden mehrere Maßnahmen
vorgeschlagen.
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So
können
Referenzmessstrecken mit in das Hydrauliköl eingebaut werden. Dazu wird
ein fest mit dem Sensor verbundener Referenzreflektor in den Hydraulikkolben
eingebaut. Andere Ultraschallmesssysteme verwenden einen zweiten
Ultraschallsensor zur Kompensation. Auch mit einer zusätzlichen
Temperaturmessung wird versucht, diese Fehlermöglichkeit zu minimieren.
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Der
oben genannte Temperaturfehler der Ultraschallmessung ist aber bei
schnell bewegten Hydrauliksystemen nur einer von mehreren Mängeln. Bedingt
durch die Laufzeit der Ultraschallimpulse ergibt sich ein zusätzlicher
Fehler für
die genaue Positionierung der Hydraulikkolben.
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Nachfolgend
wird an einem Beispiel dieser grundsätzliche Mangel näher beschrieben.
Gegeben sei ein Hydraulikzylinder oder auch ein Hydrospeicher mit
einer Kolbengeschwindigkeit von 3,5 m/s und einer Fahrlänge des
Kolbens vom Ultraschallsensor bis zum Messpunkt von 2,5 Metern.
Das reflektierte Signal würde
bei einer Öltemperatur
von ca. 80°C
und einer Ultraschallgeschwindigkeit von 1250 m/s eine Zeit von
4 Millisekunden vom Aussenden bis zum Empfang benötigen. Wenn
die Wiederholfrequenz der Sendesignale zwischen 10 Hz und 100 Hz beträgt, kann
der Kolben schon eine Weglänge
von 35 mm bis 350 mm zurückgelegt
haben.
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Zu
diesem nur aus der Positionsmessung herrührenden Fehler kommen weitere
Fehler, so die für
die Signalverarbeitungszeit und die Reaktionszeit für das Hydraulikventil.
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Die
Positionierung des Kolbens ist damit auf jeden Fall mit einem erheblichen
Fehler belastet.
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Wird
die Weglänge
für das
Ultraschallsignal wesentlich verkürzt, kann dadurch auch der
absolute Messfehler verringert werden.
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Die
Messung dieser Sensoren erfolgt nur punktweise und ist meist nur
auf eine Position beschränkt.
Der Messtakt (Wiederholfrequenz des Sendesignals) kann beträchtlich
erhöht
werden. Über 1000 Messungen
pro Sekunde sind so möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Bewegung des Hydraulikzylinders
durch ein Verfahren und durch eine Vorrichtung zur Positionsmessung
mit wenigstens zwei oder mehreren Sensoren aus piezoelektrischen
Elementen mit wesentlich verbesserter Ortsauflösung die Kolbenposition zu
erfassen. Die Sensoren werden seitlich auf dem Hydraulikzylinder
angebracht. Dabei sind die Sensoren in wenigstens zwei seitlich
versetzten Reihen angeordnet. Je nach geometrischer Größe der Sensoren
und deren Abstrahl- und Empfangscharakteristik kann zwischen ungestörtem Echo
und mehr oder weniger durch den Kolben bedämpftem Echo unterschieden werden.
Die Bedämpfung
ist ein Maß für den seitlichen
Abstand des Kolbens vom Sensor. Um andere Einflüsse auf die Signalstärke (zum
Beispiel durch eine temperaturbedingte Änderung der Dämpfung des
Hydraulikmediums) zu kompensieren, ist die erfindungsgemäße Auswertung
wenigstens zweier Signalamplituden angeraten.
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Dazu
werden die in wenigstens zwei Reihen angeordneten Sensoren in definierten
und bekannten Abständen
positioniert. Die Überlappung
der Sensoren wird so gewählt,
dass möglichst
von zwei Sensoren Signale ausgewertet werden können. Die Verarbeitung der
Signale kann zum Beispiel als Differenz oder als Quotient erfolgen.
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Vorher
kann eine logarithmische Verstärkung des
Signals erfolgen. Die Verarbeitung wenigstens zweier Sensoren eliminiert
den Einfluss der Temperatur auf die Transmissionseigenschaften der
Hydraulikflüssigkeit.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
der Positionsbestimmung von Kolben durch Amplitudenauswertung des
empfangenen Echos kann in zwei Schritten erfolgen. In einem ersten
Schritt wird durch Ermittlung der bedeckten und unbedeckten Sensoren
die grobe Sensorposition ermittelt. In einem zweiten Schritt werden
die ersten beiden auf einen voll bedeckten Sensor folgenden Sensoren
bezüglich
ihrer Amplitude verglichen.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben
werden. Es zeigen:
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1 eine
Sensoranordnung auf der Wand eines Hydraulikzylinders mit 2 Sensorreihen
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2 eine
schematische Darstellung der Amplituden der Sensorreihen bei verschiedenen
Kolbenpositionen
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3 eine
Vorrichtung zur Ermittlung der Kolbenpositionen
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In 1 ist
die Anordnung der Ultraschallsensoren 10 in zwei Reihen
A und B auf der Zylinderwand des Hydraulikzylinders dargestellt.
Die Ultraschallsensoren 10 sind innerhalb der Sensorreihen
A und B in der Bewegungsrichtung 12 des Kolbens 11 in
gleichmäßigen Abständen angeordnet.
Die Position des Kolbens 11 im Zylinder kann durch die
Unterbrechung oder Schwächung
des Ultraschallsignals, zum Beispiel des Echos der Zylinderwand
beim Signaldurchgang durch den Zylinder, festgestellt werden. Die
im Impuls-Echo-Betrieb arbeitenden Ultraschallsensoren 10 empfangen
das Echo der gegenüberliegenden
Zylinderwand. Der Kolben und die Kolbenstange unterbrechen den Schalldurchgang
durch das Hydraulikmedium. Mögliche
Kolbenpositionen sind mit 1,2 und 3 dargestellt.
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Beide
Sensorreihen A und B können
einzeln oder gemeinsam mit dem Sendetakt angesteuert werden. Je
nach Art der Ansteuerung, ist der Abstand zwischen beiden Reihen
zu wählen.
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Die
Leitungen für
die Signalzuführung
und die Signalabgriffe sind hier nicht mit dargestellt. Diese Leitungen
können
auf dem Trägermaterial
der Sensorstreifen angebracht werden. Sollen mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen
in Längsrichtung aneinander
gereiht werden, kann die Zusammenschaltung dieser Vorrichtungen
mit bekannten und üblichen
Kontaktierungen (z.B. wie in der Montage von SMD-Bauteilen ) erfolgen.
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Für die weitere
Signalverarbeitung sind die notwendigen Multiplexer/Demultiplexer
nicht mit dargestellt.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in einem ersten Schritt die Kolbenposition festgestellt. Befindet
sich zum Beispiel der Hydraulikkolben in der Kolbenposition 1,
ermittelt der erste Verfahrensschritt, dass in Sensorreihe A alle weiteren
Sensoren nach A.10 alle zu 100 % bedeckt sind (Schallweg zur gegenüberliegenden
Zylinderwand ist nicht frei).
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Für die Sensorreihe
B wird festgestellt, dass bis zum Sensor B.10 alle Sensoren zu 0
% bedeckt sind.
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Die
logische Abfrage ist hier nur Beispielhaft dargelegt. Es können natürlich mehrere
Kriterien zur Abfrage herangezogen werden. So zum Beispiel:
Bedeckung
0 % oder größer,
Bedeckung
100 % oder kleiner,
Bedeckung 0 % oder 100 %.
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Auch
die logische Verknüpfung
mehrerer Kriterien (zum Beispiel: UND, ODER) ist geeignet die (grobe)
Sensorposition auf ein oder zwischen zwei Sensoren festzulegen.
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In
einem zweiten Verfahrensschritt werden die Signalamplituden der
Sensoren an der Kolbenposition ausgewertet.
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Die
Auswertung kann zum Beispiel nur als Wertepaar, Tripel oder auch
als Quadrupel erfolgen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Amplituden der Sensorreihen A
und B bei verschiedenen Kolbenpositionen P. In der Position 1 ist in
der Reihe A der Sensor A.10 zu 50 % bedeckt. Alle anderen Sensoren
dieser Reihe sind entweder 100 % frei, zeigen also 100 % Signal,
oder sind zu 100 % bedeckt und zeigen 0 % Signal.
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In
der Reihe B ist dagegen der Sensor B.10 zu 100 % frei und der Sensor
B.11 zu 100 % bedeckt. Dargestellt ist in der Reihe B der Signalverlauf
für Sensor
B.10 mit 0 % Bedeckung " (hier
im Beispiel auch 100 % frei).
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Verändert sich
die Kolbenposition 1 zur Kolbenposition 2, ist
die Bedeckung des Sensors A.10 nur noch 20 %. Bei der hier beispielhaft
dargestellten Überdeckung
(oder auch Überlappung
der Sensoren der Reihen A und B in Kolbenbewegungsrichtung) ist Sensor
B.11 jetzt ebenfalls zu 20 % bedeckt.
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Bewegt
sich der Kolben von Kolbenposition 2 zur Kolbenposition 3,
so verändert
sich das Signal von Sensor A.10, da dieser nun zu 0 % bedeckt bzw. zu
100 % frei ist.
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Sensor
B.11 ist nun zu 50 % bedeckt.
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Alle
Positionen zwischen den hier aufgeführten Beispielen sind natürlich ebenso
erfassbar.
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Werden
die Bedeckungsgrade der Sensoren als Signalamplituden gemessen,
ist damit eine Zuordnung zur Sensorposition möglich. In Abhängigkeit der
gewählten
Auflösung
der Amplitudenmessung und der Schallkeule ist die Messung der Kolbenposition
zwischen den Sensoren möglich.
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Die
geometrischen Abmessungen der Sensoren können je nach Wellenlänge des
abgestrahlten Ultraschallsignals und der Schallkeule variieren.
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Eine
Erhöhung
der Anzahl der Sensorreihen zur Vergrößerung der Auflösung ist
ebenfalls möglich.
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Eine
kostengünstige
Fertigung des Designs der Sensoranordnung kann zum Beispiel mit
Foliensensoren aus PVDF erfolgen.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
mit 2 Sensorreihen A und B von piezoelektrischen Elementen. Diese
werden über
die Analog-Schalter 13 und 14 abgefragt. Die piezoelektrischen
Elemente werden zum Beispiel von einem Mikroprozessor μP angesteuert.
Der hier nicht dargestellte Ultraschallsender (Impulsgenerator)
kann zur Ansteuerung mehrerer piezoelektrischer Elemente benutzt
werden. Die von den piezoelektrischen Elementen empfangenen Ultraschallechos
werden über
die Analogschalter 13 und 14 in einem ersten Verfahrensschritt über die Trigger 15 und 16 dem
Mikroprozessor μP
zugeführt. Eventuell
notwendige Signalverstärker
sind hier nicht mit dargestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt werden
die Amplituden der ausgewählten
Sensoren ermittelt. Über
Sample & Hold-Stufen 17 und 18 erfolgt
die Ermittlung der Signalunterschiede. Das kann beispielsweise in
einem Differenzverstärker 19 durchgeführt werden.
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In
dem μP erfolgt
die Linearisierung des Positionsmesssignals.
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Das
im ersten Verfahrensschritt grob ermittelte Positionssignal Ps1
und das Positionssignal Ps2 für
die Kolbenposition zwischen den Sensoren 10 in den Sensorreihen
A und B kann je nach Notwendigkeit zur Steuerung des Hydraulikkreislaufes
verwendet werden.
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Die
hier dargestellten Signalverarbeitungseinheiten sind nur als schematische
Darstellung zu verstehen. Weiter eventuell notwendige Einheiten wie
Multiplexer/Demultiplexer, Impulserzeuger usw. sind hier nicht mit
dargestellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Positionsüberwachung
von Hydraulikkolben und die Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens ist mit allen Sensoren, die Körperschall erzeugen und empfangen
können,
unabhängig
von deren Aufbau, anwendbar.