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Die
Erfindung betrifft einen optischen Wegaufnehmer, mit einer Lichtsendeanordnung,
einer Lichtempfangsanordnung und mindestens einem im Strahlengang
zwischen der Lichtsende- und der Lichtempfangsanordnung beweglich
angeordneten Lichtdämpfungselement,
welches abhängig
von seiner Lage relativ zu dem Strahlengang eine variierende Lichtdämpfung bewirkt
und für
die Variation der Lichtdämpfung
mit einem Graukeil ausgeführt
ist.
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Aus
DE 20 2004 012 505
U1 ist ein Wegaufnehmer bekannt, der Teil eines Druckwandlers
ist, welcher einen Fluiddruck in ein für die Druckhöhe repräsentatives
elektrisches Analogsignal umwandelt. Das Lichtdämpfungselement ist von einem
mit einer Membran bewegungsgekoppelten Körper aus einem transparenten
Material gebildet. Dieser Körper
besitzt eine sich konisch verjüngende
Spitze, die je nach Druck und somit je nach Membranstellung axial mehr
oder weniger weit in den Strahlengang zwischen einem Lichtsender
und einem Lichtdetektor hineinragt. Hierdurch verändert sich
druckabhängig
die Strecke, die das Licht im Material des transparenten Körpers zurücklegen
muss. Entsprechend wird die Intensität des Lichts mehr oder weniger
geschwächt.
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Aus
DD 262 106 A1 ist
ein optoelektronischer Druckschalter mit einem in einer Lichtmessstrecke
angeordneten sogenannten Graduationsträger bekannt. Dieser ist fest
mit einer Messkolbenstange des Druckschalters verbunden und bewegt sich
in der Lichtmessstrecke analog zur Bewegung der Messkolbenstange
druckabhängig
hin und her. Durch die Bewegung des Graduationsträgers wird die
Lichtintensität
variiert. Welcher Art die Graduation ist und wie sie realisiert
ist, bleibt in diesem Dokument völlig
offen.
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Ein
gattungsgemäßer Messaufnehmer
ist aus
DE 74 01 276
U bekannt. Dieser weist einen Lichtgeber, einen Lichtempfänger und
einen im Strahlengang zwischen dem Lichtgeber und dem Lichtempfänger angeordneten,
auf einer drehbaren Scheibe gebildeten Graukeil auf. Der Graukeil
ist über
einen mit dieser Scheibe verbundenen Stab in einer Außenwand
eines Gehäuses,
in welchem die Elemente des Messaufnehmers untergebracht sind, drehbar
gelagert. Die Längsachse
dieses Stabes stimmt mit der Drehachse des Graukeils überein.
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Aus
DE 40 08 948 C2 ist
zudem ein Verfahren zum Einstellen eines Varioobjektivs einer Kamera bekannt.
Das Verfahren basiert auf dem berührungslosen Abtasten eines
positionskennzeichnenden Musters an der Umfangsfläche eines
motorisch angetriebenen Objektivteils. Dieses positionskennzeichnende
Muster kann ein optisches Muster mit veränderlichem Reflexionswert sein.
Die Abtastvorrichtung sitzt an einem ortsfesten Zylinder des Varioobjektivs.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen optischen Wegaufnehmer bereitzustellen,
der sich wirtschaftlich herstellen lässt, hohen Ansprüchen an
die Messpräzision
gerecht werden kann und außerdem Flexibilität bei der
Toleranzkompensation bietet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein optischer
Wegaufnehmer der eingangs bezeichneten Art vorgesehen, bei dem das
Lichtdämpfungselement
derart in einen Wegaufnehmer eingebaut ist, dass in einem funktionsfähigen Montagezustand
des Wegaufnehmers das Lichtdämpfungselement
zur Anbringung des Graukeils zugänglich
ist oder zugänglich
machbar ist. Dies ermöglicht
eine In-situ-Erzeugung des Graukeils. Vorteilhaft genutzt werden
kann eine solche Erzeugbarkeit des Graukeils unmittelbar am montierten
Wegaufnehmer im Rahmen eines Verfahrens, welches unter Patentanspruch
8 genannt ist.
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Das
Lichtdämpfungselement
ist also zur variierenden Lichtdämpfung
mit einem Graukeil ausgeführt.
Als Graukeil wird hier eine Fläche
verstanden, die mit einer sich von hell nach dunkel ändernden Graufär bung (Schwärzung) ausgefüllt ist.
Der Graukeil liegt dabei zweckmäßigerweise
so, dass sich seine Graufärbung
in Bewegungsrichtung des Lichtdämpfungselements ändert. Im
Fall eines in einer Richtung geradlinig beweglichen Lichtdämpfungselements
wird der Graukeil deshalb linear verlaufen, während er beispielsweise bei
einem drehbeweglichen Lichtdämpfungselement
kreisbogenförmig
verlaufen kann. Es ist auch ein Graukeil vorstellbar, dessen Schwärzung sich
ausgehend von einem Zentrum in radialer Richtung ändert, so
dass Punkte unterschiedlichen Grauwerts in unterschiedlicher radialer Entfernung
von dem Zentrum liegen. Insbesondere kann sich dabei die Schwärzung in
radialer Richtung gleichmäßig ändern, so
dass Punkte gleichen Grauwerts auf konzentrischen Kreisen um das
Zentrum liegen.
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Die
variierende Graufärbung
des Graukeils bewirkt eine variierende Dämpfung des Lichts, je nachdem,
an welcher Stelle entlang des Graukeils das Licht auf diesen trifft.
Abhängig
vom konkreten Anwendungsfall kann der Graukeil zumindest abschnittsweise
eine sich stetig verändernde
Schwärzung
besitzen oder er kann zumindest abschnittsweise einen sich in diskreten
Stufen ändernden
Schwärzungsverlauf
besitzen.
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Es
versteht sich, dass statt eines echten Graukeils ein Farbkeil mit
anderem Farbton als Grau verwendet werden kann. Der Begriff Graukeil
steht somit nur stellvertretend für jegliche Farbtöne, die
mit variierender Helligkeit oder Dichte auf einer Fläche darstellbar
sind, um einen Lichtdämpfer
mit positionsabhängig
unterschiedlicher Dämpfungswirkung zu
schaffen.
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Durch
Variation des Schwärzungsverlaufs des
Graukeils können
auf einfache Weise unterschiedliche Kennlinien des Wegaufnehmers
realisiert werden. Es lassen sich aber auch unvermeidliche Fertigungs-
und Montagetoleranzen durch individuelle Anpassung des Schwärzungsverlaufs
flexibel kompensieren.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass der Graukeil durch Bedrucken oder durch Laserbestrahlung
eines transparenten Materials herstellbar ist. Der Aufwand hierfür ist vergleichsweise
gering. Gleichzeitig lässt sich
ein gewünschter
Schwärzungsverlauf
und damit eine gewünschte
Dämpfungscharakteristik
sehr präzise
realisieren. Durch Laserstrahlung schwärzbare Materialien sind an
sich im Handel erhältlich,
beispielsweise in Folienform. Auch bedruckbare Folien sind ohne
weiteres verfügbar.
Im Fall der Verwendung eines bedruckten, laserbeschrifteten oder
anderweitig mit einem Graukeil versehenen Folienstück ist dieses
zweckmäßigerweise
auf einen transparenten Grundkörper
aufgebracht. Der Grundkörper
kann beispielsweise streifenförmig
sein.
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Vorzugsweise
bewirkt der Grundkörper
keine positionsabhängig
variierende Lichtdämpfung.
Eine über
die gesamte Länge
des Graukeils gleichbleibende Materialdicke des Grundkörpers ist
deshalb zweckmäßig, wenngleich
nicht zwingend erforderlich. Eine Dickenvariation des Grundkörpers könnte nämlich bei
der Berechnung des Schwärzungsverlaufs
des Graukeils ohne weiteres berücksichtigt
werden.
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Statt
auf einem Folienstück
kann der Graukeil selbstverständlich
unmittelbar auf einem transparenten Körper erzeugt werden. Vorstellbar
ist auch, ein mit einem Graukeil versehenes Folienstück in einen
Rahmen einzuspannen. In diesem Fall könnte auf einen transparenten
Grundkörper
verzichtet werden.
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Eine
In-situ-Erzeugung des Graukeils unmittelbar am montierten Wegaufnehmer
kann im Rahmen eines Verfahrens genutzt werden. Bei diesem Verfahren
wird zur Herstellung des Wegaufnehmers zunächst in einem mechanisch funktionsfähigen Montagezustand
des Wegaufnehmers eine für
die Wegabhängigkeit
des Lichtdämpfungselements
von einer Einflussgröße repräsentative
Charakteristik ermittelt. Aus dieser Charakteristik wird ein Soll-Schwärzungsverlauf
des Graukeils ermittelt und sodann in dem funktionsfähigen Montagezustand des
Wegaufnehmers der Graukeil mit dem ermittelten Schwärzungsverlauf
an dem Lichtdämpfungselement
insbesondere druck- oder lasertechnisch angebracht.
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Bei
vorstehendem Verfahren wird individuell die Wegcharakteristik des
Wegaufnehmers abhängig von
einer Einflussgröße wie beispielsweise
einem Fluiddruck (etwa wenn der Wegaufnehmer Teil eines Drucksensors
ist) ermittelt. Weil die Wegcharakteristik am montierten Wegaufnehmer
ermittelt wird (jedenfalls ist der Wegaufnehmer soweit montiert,
dass er mechanisch funktionsfähig
ist), wird die tatsächliche
Wegcharakteristik des Wegaufnehmers erfasst, die er auch im späteren Betrieb
hat. Verfälschungen der
Dämpfungscharakteristik
des auf Basis der so ermittelten Wegcharakteristik erzeugten Graukeils durch
etwaige Bauteil- oder Montagetoleranzen können dann vermieden werden.
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Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht auf die Verwendung des Wegaufnehmers zur Messung des Drucks
eines Fluids beschränkt.
Die Wegcharakteristik des Aufneh mers kann prinzipiell in Abhängigkeit
beliebiger Einflussgrößen ermittelt
werden. Beispielsweise könnte
der Wegaufnehmer die Auslenkung einer Waschmaschinentrommel aus
einer neutralen Ruhelage erfassen. Die gemessene Auslenkung könnte für eine Abschätzung der
Beladung der Waschmaschine genutzt werden, also für eine Abschätzung des
Gewichts der eingefüllten
Schmutzwäsche.
Bei einer solchen Anwendung des Wegaufnehmers kann insbesondere
eine Ausgestaltung des Graukeils zweckmäßig sein, bei der der Graukeil
ein helles (oder dunkles) Zentrum hat und ausgehend von diesem Zentrum
die Schwärzung
in allen radialen Richtungen zunehmend dunkler (bzw. heller) wird.
Mit einem solchen Graukeil kann ganz allgemein die radiale Auslenkung
eines beliebigen Körpers
aus einer definierten Neutralstellung (entsprechend dem Graukeilzentrum)
detektiert werden.
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Bevorzugt
ist das Lichtdämpfungselement Teil
einer gegen eine elastische Vorspannkraft verlagerbaren Messbewegungseinheit,
welche mit einer druckbeaufschlagten Membran gekoppelt ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es
stellen dar:
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1 eine
Schnittansicht eines Druckwandlers mit einem optischen Wegaufnehmer
nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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2 eine
weitere Schnittansicht des Druckwandlers, genommen senkrecht zur
Schnittrichtung der Ansicht nach 1.
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Der
in den Figuren dargestellte, allgemein mit 10 bezeichnete
Druckwandler besitzt ein Wandlergehäuse 12 mit einer Gehäuseachse 14.
Das Gehäuse 12 ist
durch Verschlusskappen 16, 18 verschlossen, welche
an je einem der axialen Enden des Gehäuses 12 durch Aufstecken
oder anderweitig angebracht sind. Eine zwischen dem Gehäuse 12 und der
Verschlusskappe 16 randseitig eingeklemmte Membran 20 begrenzt
zwischen sich und der Verschlusskappe 16 einen Druckraum 22,
welcher über einen
integral an der Verschlusskappe 16 ausgebildeten Anschlussstutzen 24 mit
einem Fluid (Gas, Flüssigkeit)
beschickbar ist, dessen Druck gemessen werden soll. In an sich bekannter
Weise besitzt die Membran 20 eine ringsum umlaufende Rollfalte 26,
in deren Innenraum ein im wesentlichen flacher Membranmittelabschnitt 28 gebildet
ist. Bei Variation des Drucks in der Druckkammer 22 bewegt
sich der Mittelabschnitt 28 der Membran 20 im
wesentlichen in axialer Richtung in dem Gehäuse 12 hin und her.
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Bewegungsmäßig mit
der Membran 20 gekoppelt ist eine Messbewegungseinheit 30,
welche an ihrem membranseitigen Ende eine mit dem Mittelbereich 28 der
Membran gekoppelte Bodenplatte 32 aufweist. Die Kopplung
der Platte 32 mit der Membran 20 ist über einen
zentralen Noppen 34 an der Membran 20 hergestellt,
welcher in eine entsprechende zentrale Ausnehmung 36 der
Platte 32 eingreift. Eine hier als Schraubendruckfeder
ausgebildete Vorspannfeder 38 stützt sich zwischen der Bodenplatte 32 und
dem Gehäuse 12 ab
und spannt die Messbewegungseinheit 30 in den Figuren in
Richtung nach rechts in eine Ruhestellung vor.
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Die
Messbewegungseinheit 30, die man auch als Messschieber
bezeichnen kann, weist eine sich von der Bodenplatte 32 erstreckende
Säule 40 auf,
an deren membranfernem Ende ein Lichtdämpfungselement 42 angeordnet
ist. Die Säule 40 kann einstückig mit
der Bodenplatte 32 ausgebildet sein, beispielsweise kann
es sich hierbei um ein Kunststoff-Spritzgussteil handeln. Selbstverständlich können die
Säule 40 und
die Bodenplatte 32 getrennt hergestellte Bauteile sein,
die durch Kleben, Laserschweißen
oder andere Techniken aneinander befestigt sind.
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Das
Lichtdämpfungselement 42 trägt einen in 1 erkennbaren,
druck- oder lasertechnisch erzeugten Graukeil 44, dessen
Schwärzungsverlauf gestuft
oder stufenlos sein kann und eine gewünschte Abhängigkeit der axialen Auslenkung
der Membran 20 bzw. der Messbewegungseinheit 30 vom
herrschenden Druck in der Druckkammer 22 repräsentiert.
Der Graukeil 44 kann beispielsweise von einem Muster schwarzer
Punkte gebildet sein, deren Größe oder/und
Dichte den Grauwert am jeweiligen Ort des Graukeils 44 bestimmen.
Je nach axialer Lage des Graukeils 44 bewirkt dieser eine
unterschiedliche Dämpfung
von Licht, das von einem Lichtsender 46 ausgesendet wird
und auf den Graukeil 44 trifft. Auf der dem Lichtsender 46 gegenüberliegenden
Seite des Lichtdämpfungselements 42 ist
ein Lichtdetektor 48 (2) angeordnet,
welcher die von ihm gemessene Lichtintensität in ein elektrisches Signal
umsetzt, das in nicht näher
dargestellter Weise an eine mit dem Druckwandler 10 verbundene
elektronische Auswerteeinheit weitergeleitet wird. Es ist vorstellbar, dass
nicht nur ein einzelner Lichtdetektor 48 vorgesehen ist,
sondern zwei oder mehr solcher Lichtdetektoren. Insbesondere ist
dabei vorstellbar, dass das Lichtdämpfungselement 42 nebeneinander
mehrere Graukeile mit unterschiedlichem Schwärzungsverlauf aufweist, wobei
jedem der mehreren Lichtdetektoren je einer der Graukeile zugeordnet
ist.
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Lichtführungsmittel 50 sorgen
für eine
axiale Begrenzung des auf den Graukeil 44 einfallenden und
aus diesem austretenden Lichts. Die Lichtführungsmittel 50 können hierzu
beispielsweise eine oder mehrere Lichtblenden (nicht näher dargestellt) umfassen.
Alternativ oder zusätzlich
können
sie ein oder mehrere Linselemente (ebenfalls nicht dargestellt)
umfassen.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Graukeil 44 auf einem Folienstück 52 (1)
gebildet, welches auf einen transparenten Grundkörper 54 beispielsweise
durch Kaschieren oder mittels eines transparenten Haftklebers aufgebracht
ist. Der Grundkörper 54 ist
seinerseits an der Säule 40 der Messbewegungseinheit 30 gehalten.
Beispielsweise kann hierzu die Säule 40 an
ihrem freien Ende gabelförmig
ausgebildet sein und der Grundkörper 54 in die
Gabel eingesetzt sein. Der Grundkörper 54 ist im gezeigten
Beispielfall ein rechteckiges Plättchen
konstanter Dicke, auf dessen einer Flachseite das Folienstück 52 aufgebracht
ist. Beispielsweise kann er aus Glas oder einem Kunststoffmaterial
bestehen. Der im Zusammenhang mit dem Grundkörper 54 verwendete
Begriff „transparent" ist hier nicht streng
wissenschaftlich in Abgrenzung zu „transluzent" zu verstehen. Ganz
im Gegenteil, er soll auch Transluzenz umfassen. Wichtig ist allein,
dass er durchlässig
für wenigstens
einen Teil des vom Lichtsender 46 ausgesandten Lichts ist.
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Als
Alternative zu dem Folienstück 52 ist
es im Übrigen
vorstellbar, den Graukeil 44 unmittelbar auf den transparenten
Grundkörper 54 aufzudrucken oder
ihn durch Laserbestrahlung des Grundkörpers 54 in oder an
diesem zu erzeugen.
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Geeignete
Materialien, die durch Laserstrahlung schwärzbar sind oder mit einem Tintenstrahldrucker
bedruckbar sind, sind im Fachhandel erhältlich. Beispielsweise können Folien
auf Polycarbonat-Basis verwendet werden, wie sie etwa von der Firma Bayer
AG unter den Markennamen Makrofol und Bayfol angeboten werden.
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Das
Lichtdämpfungselement 42 ist
so in den Druckwandler 10 eingebaut, dass es in einem mechanisch
funktionsfähigen
Montagezustand des Druckwandlers mit dem Graukeil 44 bedruckbar
oder laserbeschriftbar ist. Es kann so die Weg-Druck-Charakteristik des
Druckwandlers 10 aufgenommen werden, hieraus der für eine gewünschte Abhängigkeit des
Wandlerausgangssignals vom Druck erforderliche Schwärzungsverlauf
des Graukeils ermittelt werden und anschließend – ohne zwischenzeitlichen Auseinanderbau
des Druckwandlers – der
Graukeil 44 mit dem zuvor ermittelten Schwärzungsverlauf
an dem Lichtdämpfungselement 42 druck-
oder lasertechnisch angebracht werden. Bauteil- und Montagetoleranzen,
wie sie in der Praxis üblicherweise
kaum vermeidbar sind, können
auf diese Weise erfolgreich kompensiert werden. Die skizzierte Verfahrensweise gewährleistet,
dass im Einsatz des fertigen Druckwandlers dessen tatsächliche
Lichtdämpfungscharakteristik
genau mit der gewünschten
Vorgabe übereinstimmt.
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Der
axiale Bewegungshub der Messbewegungseinheit 30 ist so
groß,
dass durch Beaufschlagung des Druckraums 22 mit einem hinreichend
großen
Druck die Messbewegungseinheit 30 soweit in den Figuren
nach links verlagerbar ist, dass das Lichtdämpfungselement 42 mit
seinem für
die Anbringung des Graukeils 44 vorgesehenen Bereich bei abgenommener
bzw. noch nicht angebrachter Verschlusskappe 18 frei zugänglich nach
außen
vorsteht. In diesem Zustand kann mittels eines Druckers oder eines
Lasergeräts
der Graukeil 44 auf dem Lichtdämpfungselement 42 erzeugt
werden. Die Weg-Druck-Charakteristik des Druckwandlers 10 kann
zuvor ebenfalls bei abgenommener Verschlusskappe 18 beispielsweise
mit Hilfe eines geeigneten optischen oder mechanischen Tasters ermittelt
werden, der abhängig
von dem in der Druckkammer 22 erzeugten Druck die axiale
Auslenkung der Messbewegungseinheit 40 erfasst. Bis auf
die Verschlusskappe 18 kann der Druckwandler 10 zu
diesem Zweck bereits vollständig
zusammengebaut sein. Nach Anbringung des Graukeils 44 wird
dann auch noch die Verschlusskappe 18 aufgesetzt.
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Gemäß einer
Variante ist es vorstellbar, in der Verschlusskappe 18 oder
im Gehäuse 12 an
geeigneter Stelle eine später
verschließbare
Zugangsöffnung
vorzusehen, durch welche hindurch der Laserstrahl oder der Tintenstrahl
(im Fall der Verwendung eines Tintenstrahldruckers) auf den für die Anbringung
des Graukeils 44 vorgesehenen Bereich des Lichtdämpfungselements 42 gerichtet
werden kann. Sofern der Laser- oder Tintenstrahl nicht axial bewegbar
ist, kann die Messbewegungseinheit 30 durch entsprechende
Steuerung des Drucks im Druckraum 22 axial verfahren werden,
um auf diese Weise den Graukeil 44 mit dem gewünschten
axialen Schwärzungsverlauf
zu erzeugen. Die Verschlusskappe 18 kann bei einer derartigen
Vorgehensweise sogar montiert sein.