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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Drucksensor, der für
fluidische, insbesondere für hydraulische Arbeitssysteme
eingesetzt werden soll und gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 mechanisch-elektrische Detektionsmittel, die
vom anstehenden Druck beeinflusst werden, und eine Auswerteelektronik
aufweist, die ein vom Zustand der Detektionsmittel abhängiges
elektrisches Ausgangssignal erzeugt.
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Zur
Steigerung der Leistungsfähigkeit moderner hydraulischer
und pneumatischer Arbeitssysteme hat im wesentlichen die Kombination
der fluidischen Kraftübertragung mit der Präzision
und Flexibilität elektronischer Steuerungen in Verbindung
mit der Ventiltechnik beigetragen.
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Aufgrund
der Verwendung von hydraulischen und elektrischen/elektronischen
Komponenten sind in derartigen Systemen unterschiedliche Arten von
Zuleitungen vorhanden. Zum einen werden hydraulische Leitungen und
Anschlüsse für den Fluss des Druckmediums und
zum anderen elektrische Stromversorgungs- und Steuerleitungen für
die Versorgung der elektrischen Stellantriebe und der Antriebselektronik
der Ventile mit elektrischer Energie benötigt.
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Ist
das fluidische System zusätzlich mit Sensoren ausgerüstet,
so steigt die Anzahl der Zuleitungen weiter an und der Montage-
und Wartungsaufwand wird noch größer. Auch wird
die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit solcher
Systeme bekanntlich durch eine hohe Anzahl von elektrischen Steckverbindungen
vermindert. Aufgrund der zunehmenden Automatisierung von Maschinen
sind diese mit einer Vielzahl elektrischer Sensoren ausgestattet.
Diese erfassen die maßgeblichen Betriebsparameter, werten
diese aus und erzeugen entsprechende Ausgangssignale zur weiteren
Bearbeitung.
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Beispielsweise
besitzen moderne Maschinen Sensoren zur Erfassung von Dreh- oder
geradlinigen Bewegungen. Drucksensoren erfassen den Druck am Druckausgang
von Pumpen, an Ventilen und an hydraulischen Verbrauchern. Dieses
kann in verschiedenen Anlagenbereichen wie Hochdruck-, Saugdruck-,
Niederdruckbereichen und auch in Stelleinrichtungen erfolgen. Durch
die Verarbeitung von Sensor- und Steuersignalen in elektronischen
Steuergeräten können Komponenten der Maschine,
insbesondere Komponenten des fluidischen Systems im Sinne einer
Regelung der erfassten Größen oder im Sinne eines
geringen Aufwands von Primärenergie verstellt werden.
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Aus
der
EP 1 127 221 B1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung von elektrischen
Verbrauchern in oder an pneumatischen Vorrichtungen mit dezentral
erzeugter elektrischer Versorgungsenergie bekannt. Als Wandler wird
zum einen ein Umsetzer geoffenbart, der Schallwellen oder Druckänderungen
in der pneumatischen Leitung zur Erzeugung der elektrischen Energie
ausnutzt. Diese Schallwellen oder Druckänderungen werden
vorher von einem ersten Umsetzer erzeugt. Alternativ wird eine Mikroturbine
als Wandler verwendet. Die Vorrichtung befindet sich an einem pneumatischen
Zylinder. Zur Erfassung des Druckes in dem Zylinder ist auch ein
Drucksensor vorhanden. Die Übertragung von Steuer- oder
Sensorsignalen kann anstelle über die pneumatische Leitung
auch drahtlos beispielsweise durch Funk- oder Infrarotsignale erfolgen.
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Aus
der
DE 10 2004
055 054 A1 ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung für den Bereich der Hydraulik bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Drucksensor
zu schaffen, der mit geringem Aufwand montiert werden kann und sehr zuverlässig
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen autonomen
elektrischen Drucksensor gelöst, der neben den Merkmalen
aus dem Oberbegriff auch die Merkmale aus dem kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 aufweist. Bei einem solchen Drucksensor wird
das dem jeweiligen Druck entsprechende elektrische Signal drahtlos
an eine Empfangsstation übertragen. Die dafür
und für die Gewinnung und die Aufbereitung einer durch
die mechanische Größe Druck beeinflussten elektrischen
Größe benötigte elektrische Energie wird
durch einen Wandler unabhängig von einer fremden Quelle
direkt vor Ort erzeugt. Es sind also keine zu dem Drucksensor führenden
elektrischen Leitungen notwendig, so dass beim Ein- oder Anbau des
Drucksensors nicht auch noch elektrische Leitungen verlegt werden
müssen. Ohne störende elektrische Leitungen ist
die Montage des Drucksensors an einer Systemkomponente oder an einer
Maschine sehr einfach. Des Weiteren werden Probleme mit Steck-,
Klemm- oder Lötverbindungen vermieden. Der Aufwand für
die Montage eines solchen Drucksensors ist bei hoher Zuverlässigkeit sehr
gering. Insgesamt ist ein solcher Drucksensor ein autonomer Drucksensor,
der an keine äußere Quelle elektrischer Energieangeschlossen
werden muss.
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Mit
einem erfindungsgemäßen autonomen Drucksensor
ergeben sich insbesondere bei Verwendung an Hydromaschinen, zum
Beispiel Axialkolbenmaschinen, die mit On-Board-Elektronik ausgestattet sind,
oder bei der Installation an mobilen Arbeitsmaschinen wesentliche
Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen autonomen
elektrischen Drucksensors kann man den Unteransprüchen
entnehmen.
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Wandler
können die elektrische Energie in Form eines elektrischen
Stroms aus in der Umgebung in Form von Wärme, elektromagnetischen
Wellen oder Vibrationen erzeugen. Besonders vorteilhaft erscheint
es jedoch, wenn der Wandler die elektrische Energie aus dem Arbeitsfluid
generiert. Bevorzugt wird die elektrische Energie aus im Fluid auftretenden
Druckpulsationen gewonnen. Die Amplituden dieser Druckpulsationen
sind, strömungsmäßig gesehen, nahe an
hydraulischen Pumpen oder hydraulischen Motoren, die üblicherweise
nach dem Verdrängerprinzip mit Hochdruck-/Niederdruck-Umsteuerungen
arbeiten, besonders ausgeprägt, so dass es insbesondere
bei einem an einer solchen Maschine montier ten Drucksensor günstig
ist, wenn der Wandler die elektrische Energie aus den durch die
Hydromaschine verursachten Druckpulsationen gewinnt. Nebenbei werden
dadurch diese Druckpulstionen, die an sich im System unerwünscht
sind, auch noch verringert.
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Als
Wandler wird bevorzugt ein Piezoelement verwendet.
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Vorteilhafterweise
bildet der autonome elektrische Drucksensor eine kompakte Einheit
mit einem Gehäuse, in dem oder an dem die Detektionsmittel, die
Auswerteelektronik und der Sender angeordnet sind.
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Ein
stark schematisiertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
autonomen elektrischen Drucksensors ist in der einzigen Figur der Zeichnung
dargestellt. Anhand dieser Zeichnung wird die Erfindung nun näher
erläutert.
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Der
gezeigte Drucksensor 10 ist zur Erfassung eines Pumpendrucks
vorgesehen und möge zum Beispiel unmittelbar in das Gehäuse
einer nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden hydraulischen Kolbenpumpe 11 eingeschraubt
sein, die in eine Druckleitung 9 fördert. Unmittelbar
an der Pumpe sind die Druckpulsationen in der geförderten
Druckflüssigkeit besonders stark. Die Frequenz der Druckpulse
hängt von der Anzahl der vorhandenen Kolben und von der
Drehzahl der Pumpe, die Amplitude der Druckpulse im Wesentlichen
von der Anzahl der Kolben ab.
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Der
Drucksensor 10 besitzt ein Gehäuse 12, in
dem zunächst Detektionsmittel 13 vorhanden sind, die üblicherweise
eine durch den Druck mechanisch mehr oder weniger verformten Membran
und ein in einem Stromkreis liegendes elektrisches Bauteil aufweisen.
Durch die Verformung der Membran kann zum Beispiel die Kapazität
eines Kondensators, der Widerstand eines auf der Membran angebrachten Dehnmessstreifens
oder eine Induktivität verändert werden.
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Die
Veränderung eines Parameters des elektrischen Bauteils
beeinflusst einen Stromfluss oder eine Spannung in der ebenfalls
in dem Gehäuse 12 unterge brachten Auswerteelektronik 14,
die diese Änderung auswertet und verstärkt und
zum Beispiel ein digitales Ausgangssignal erzeugt.
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Dieses
Ausgangssignal wird an einen ebenfalls im oder am Gehäuse 12 sitzenden
Sender 15 gegeben, von dem ein dem erfassten Druck entsprechendes
Signal drahtlos ausgesandt wird, das von einem nicht näher
dargestellten Empfänger empfangen werden kann.
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Die
Auswerteelektronik 14 und der Sender 15 benötigen
zur Erledigung ihrer Aufgaben elektrische Energie. Diese wird von
einem Piezoelement 16, das ebenfalls im Gehäuse 12 untergebracht
ist aus den Pulsationen der Druckflüssigkeit erzeugt. Piezoelemente
sind allgemein bekannte Bauteile. Damit die Pulsationen weitgehend
ungedämpft auf das Piezoelement wirken können,
ist eine Beaufschlagungsfläche an diesem über
einen großen Durchflussquerschnitt mit dem Ausgang der
Pumpe 11 verbunden. Zu den Detektionsmitteln 13 dagegen
führt ein Kanal mit einem relativ engen Querschnitt, so
dass die Pulsationen nur gedämpft zu den Detektionsmitteln
gelangen. Von diesen wird deshalb ein gemittelter Druck erfasst.
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Das
Piezoelement 16 erzeugt zunächst einen Wechselstrom,
der nach Gleichrichtung einem Speicher 17 von elektrischer
Energie, zum Beispiel einem Kondensator zugeführt wird.
Die zur Gleichrichtung notwendigen Bauteile können unter
Umständen auch in den Speicher integriert sein. Vom Speicher 17 werden
die Auswerteelektronik 14 und der Sender 15 mit
der benötigten elektrischen Energie versorgt. Auch der
Speicher 17 ist in dem Gehäuse 12 untergebracht.
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Alle
einzelnen Komponenten befinden sich also in dem Gehäuse 12.
Der Drucksensor kann somit als kompakte bauliche Einheit gehandhabt
werden. Lagerung, Transport und Montage sind einfach.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1127221
B1 [0006]
- - DE 102004055054 A1 [0007]