DE102008049907A1

DE102008049907A1 - Dämpfer mit Sensor

Info

Publication number: DE102008049907A1
Application number: DE102008049907A
Authority: DE
Inventors: Herbert Müller
Original assignee: Suspa Holding GmbH
Current assignee: Suspa GmbH
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: DE102008049907B4

Abstract

Dämpfer mit Sensor für Waschmaschinen zur Erfassung der Waschtrommelposition. Die Positionsmesseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Spule und einem metallischen, zur Spule verschiebbaren Stößel. Zur Bestimmung der Position wird das Ein- bzw. Ausschaltverhalten der Spule ausgewertet.

Description

Technisches Umfeld
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Position von zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen eines Dämpfers insbesondere zur Bestimmung der Trommellage in einer Waschmaschine. Mit der Messeinrichtung kann z. B. die zugeladene Wäschemenge, oder die beim Hochlaufen der Trommel auf Schleuderdrehzahl resultierende Trommelauslenkung erkannt werden.
Aus der EP 1 220 961 B1 ist ein Reibungsdampfer bekannt, der die Position der Trommel dadurch bestimmt, dass die Position des Stößels zum Gehäuse durch eine Messeinrichtung ermittelt wird. Unter anderem wird vorgeschlagen, dass ein Messelement aus mindest einer Spule besteht und der Geber aus einem metallischen Bauteil besteht. Eine weitere Messeinrichtung ist aus der DE 22 04 325 C2 bekannt; hier wird als Geber ein Magnet verwendet. Aus der WO 2008/012651 ist eine Trommelanordnung beschrieben, in der ebenfalls ein Schwingungsdämpfer mit einer Positionserfassung verwendet wird. Das Messverfahren besteht wie in der EP 1 220 961 B1 aus einer Spule und einem relativ dazu beweglichen metallischen Geber. Die Unterscheidung liegt dabei in der elektronischen Auswertung. Grundsätzlich beruhen beide Verfahren auf die Messung der Impedanz der Spule, die sich durch die jeweilige Stellung des Metallgebers der in der Spule ergibt. Die Impedanz ist somit ein Maß für die Position der rel. zueinander beweglichen Teile des Reibdämpfers. Nach der WO 2008/012651 der der hierzu vorbekannte Stand der Technik, dass die Bestimmung der Impedanz durch eine Spannungsmessung erfolgt; mittels einer AD – Wandlung werden dann Signale digitalisiert. Die WO 2008/012651 schlägt hierzu ein Verfahren zur Messung der Impedanz vor, dass direkt digital ausgewertet. Der eigentliche Sensorikkreislauf ist dabei als Schwingkreis ausgebildet. Wie in WO 2008/012651 dargelegt (S. 10 ff), wird die Spule statt mit einem Sinussignal mit einem Rechtecksignal beaufschlagt. Das Rechtecksignal wird z. B. mit einem astabilen Multivibrator erzeugt; die sich einstellende Frequenz ist variabel und hängt von der Impedanz der Spule ab (es stellt sich die Eigenfrequenz des Schwingkreises ein = Resonanzfrequenz). Da das Signal als Recheckspannung vorliegt, kann die Bestimmung der Frequenz einfach mit digitalen Zählereinrichtungen erfolgen.
Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Aufgabe der vorgeschlagenen Erfindung ist es, eine Messeinrichtung zu schaffen, die insbesondere einfach in Schwingungsdämpfer für Waschmaschinen integriert werden kann; grundsätzlich aber auch für andere Anordnungen zur Positionserfassung geeignet ist. Als Messelement soll eine Spule verwendet werden; der Geber ist ein sich relativ in der Spule verschiebendes Metallteil. Die Auswertung soll mit mindest gleicher Genauigkeit arbeiten wie bei verfügbaren Messeinrichtungen und weiter vereinfacht werden.
Technische Lösung
In der 1 ist ein oft in Waschmaschinen eingebauter Dämpfer dargestellt. Die Funktion des Reibdämpfers wird im genannten Stand der Technik beschrieben und muss deshalb nicht weiter beschrieben werden. Der Dämpfer (1) besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse (2) an dem sich eine Spule (3) befindet und einem Stößel (4). Der sich im Inneren der Spule (3) befindliche Stößel (4) und kann relativ zur Spulenachse verschoben werden. Der Stößel (4) ist im Gehäuse (2) geführt und kann längs seiner Mittelachse relativ verschoben werden. Der Stößel (4) ist im Wesentlichen konzentrisch zur Spule (3) angeordnet. Die Spule (3) ist mit mindest 2 Litzen (5) mit einer Auswerteelektronik (6) verbunden. Die Auswerteelektronik (6) kann sich auf dem Dämpfer (1), aber auch in einer übergeordneten Steuerung befinden (nicht dargestellt).
2 zeigt eine vereinfachte Schaltanordnung, die mit der Spule (2) mit den mindest zwei Litzen verbunden ist. Kern der vorgeschlagenen Erfindung ist, die Spule (3) mit definierten Ein-, bzw. Ausschaltimpulsen zu beaufschlagen und die sich im Spulenkreis ergebenden Strom,- und/oder Spannungsverläufe auszuwerten. Genutzt wird die Erkenntnis, dass das Ein,- und Ausschaltverhalten einer Spule physikalisch mit der Impedanz zusammenhängt. Somit ist der zeitliche Verlauf der Ströme/Spannung in Maß für die Impedanz. Da der Stößel (4) sich relativ in der Spule (3) verschieben kann (Eintauchtiefe X ändert sich), wird die messbare Impedanz der Messspule (3) verändert und damit eine Messung der Eintauchtiefe X möglich.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1: Dämpfer für Waschmaschine mit Spulenanordnung
2: Vereinfachter Schaltplan Ansteuerung einer Spule (3)
3: Signalverlauf Strom und Spannung in der Spule (3)
4: Schaltplan mit digitaler Auswertung Spannung
5: Signalverläufe zu 4
6: Signalverlauf zu 4 in einer ersten Lage X Stößel (4) zu Gehäuse (2)
7: Signalverlauf zu 4 in einer zweiten Lage X Stößel (4) zu Gehäuse (2)
8: Signalverlauf Strom durch Spule (3) und Auswertung in einer ersten Lage X Stößel (4) zu Gehäuse (2)
9: Signalverlauf Strom durch Spule und Auswertung in einer zweiten Lage X Stößel (4) zu Gehäuse (2)
10: Schaltanordnung mit einem Mikrocontroller (12)
Die beste Art und Weise, die Erfindung auszunutzen
Anhand der 2 soll Messprinzip erklärt werden. Wird der Schalter S (7) in die Lage, wie in der 2 dargestellt, bewegt, liegt die Spannung der Spannungsquelle 10 an der Spule L (3) an. Der in Reihe vor der Spule (3) befindliche Widerstand (3') soll zeigen, dass reale Spulen einen Widerstand aufweisen – die Reihenschaltung Widerstand (3') – Spule (2) ist Ersatzschaltbild für eine reale Spule. Die Schaltung kann zum Abstimmen mit zusätzlichen Bauelementen versehen werden, z. B. mit einem Vorwiderstand Rv (3''). Das mit A gekennzeichnete Element (8) ist ein om-Strmessgerät; das mit V gekennzeichnete Element (9) ist ein Spannungsmessgerät. Beide Messgeräte können entfernt werden, bzw. haben keinen Einfluss auf den Schaltkreis. 3 zeigt den idealen zeitlichen Signalverlauf der Spannung an der Spule (2) in % (bezogen auf die anliegenden Spannung U ohne Vorwiderstand Rv), bzw. den max. sich aus den ohmschen Widerständen ergebenden Strom Io durch die Spule (2)), der sich nach dem Einschalten des Schalters S (7) für den Stromverlauf (gemessen mit dem Strommessgerät A (4)), bzw. den Spannungsverlauf (gemessen mit dem Spannungsmessgerät V (5)) ergibt. Allgemein ergibt sich für die Spannung der zeitliche Verlauf u_L = e^–t/T und für den Strom der Zusammenhang i_L = U/R·[1 – e^–t/T]. Die Zeitkonstante T (Signal erreicht 63,2% des max. Pegels nach dem Einschalten) ist im Wesentlichen proportional zur Impedanz (im idealen Stromkreis T = L/R; der Widerstand R der Spule (2) ändert sich praktisch nicht), bzw. Induktivität der Spule (2) und damit der Position X der relativ zueinder beweglichen Teile Gehäuse (2) und Stößel (4) Die zeitliche Bestimmung der ansteigenden/fallenden Signale wird anhand der Schaltung nach 4 erläutert. Anstatt eines Schalters wird ein unktions-Fgenerator (10) verwendet; in der einfachsten Ausführung wird ein kontinuierliches Ein- bzw. Ausschalten durch ein konstantes Rechtecksignal erzeugt. Das Tastverhältnis (tein/taus) des Rechecksignals wird auf die Spule (3) abgestimmt. Die Spule (3) wird elektrisch mit dem Funktionsgenerator (10) verbunden. An der Stelle des Spannungsmessgerätes (5) in 3 befindet sich ein Logisches Bauelement (11) (Schwellwertschalter z. B. Komperator, Trigger, oder andere elektronische Kippschalter). Am Ausgang des logischen Bauelementes (11) liegt nach Überschreiten des unteren Signalpegels logisch 1 an; fällt der Signalpegel wieder unter den Schwellwert ab, liefert logisches Element (11) logisch 0. Mit der nachgeschalteten Elektronik (6) wird die Zeit t = f(L) logisch 0 bzw. 1 digital gemessen und in eine Position umgerechnet. Die Bestimmung der Impedanz erfolgt somit direkt digital, eine D/A-Wandlung ist nicht notwendig. Die digitale Auswertung z. B. mit Frequenznormal, Torschaltung und Zähler sind in der Elektronik gängige Verfahren und müssen deshalb nicht weiter erklärt werden.
Anhand der 5 wird der Signalverlauf, bzw. die Auswertung erläutert. Liefert z. B. der Funktionsgenerator (10) ein Rechtecksignal mit fester Frequenz und festen Tastverhältnis zwischen 0 und 5 V und ist das logische Bauelement (11) z. B. auf einen Schwellwert von 1 V eingestellt, dann liegen unmittelbar nach dem Anstieg des Rechtecksignals von 0 auf 5 V auch unmittelbar ca. 5 V (je nach gewählten Vorwiderstand Rv) am logischen Element und an der Spule an; der Ausgang am logischen Element (11) wechselt unmittelbar von logisch 1 auf logisch 0. Die Spannung u_L in der Spule (3) fällt aufgrund der Selbstinduktion nach dem vorher beschriebenen Zusammenhang zeitlich verzögert ab. Fällt die Spannung am logischen Element (11) unter 1 V, dann schaltet logisches Element von logisch 0 auf 1 um. Der Funktionsgenerator (10) wird so eingestellt, dass sich das Ausgangssignals am Funktionsgenerator erst dann ändert, wenn die Schwellwerte sicher erreicht werden, dadurch wird sichergestellt, dass immer das Zeitfenster t = f(L) logisch 1 erkannt wird (logisch 0 und 1 kann auch umgekehrt werden). Die feste Frequenz des Signalgenerators wird in dieser Anordnung so gewählt, dass Periodendauer T_fg des Rechtecksignals ca. 4 × der Dauer t = f(L) beträgt. Durch Festlegung des mindest einen Schwellwertes, bzw. Wahl des logischen Elementes kann die zu messende Zeit des Spannungsanstieg-, bzw. Spannungsabfalls ermittelt werden. Gleiches gilt für den Stromverlauf durch die Spule. Weiterhin können durch andere logische Bauelemente 11 auch die negativen Signalverläufe ausgewertet werden. 6 und 7 zeigen den Signalverlauf bei unterschiedlicher Impedanz (= Stößel 4 rel. zur Spule (3) verschoben). Dabei ändert sich das Signal Ufg aus dem Funktionsgenerator (10) nicht. Das durch das logische Element 11 erzeugte Rechtecksignal Slog behält unabhängig von der Impedanz der Spule (2) ebenfalls die gleiche Frequenz bei. Es ändert sich nur das Tastverhältnis des Rechecksignals S11; durch digitale Messung der Zeit tab(0) kann damit auf die Impedanz, bzw. die Eintauchtiefe X geschlossen werden. Natürlich kann alternativ auch die Zeit, in der Slog logisch 1 aufweist, für die Auswertung verwendet werden. Der negative Signalverlauf von u = f(L) wird auch hier nicht verwendet; kann aber durch geänderte logische Auswertung ebenfalls für die Messung herangezogen werden.
8 zeigt einen Signalverlauf, wenn statt der Spannung über die Spule (3), der Stromverlauf durch die Spule (3) verwendet wird entsprechend der Grundschaltung in 2 mit Strommessgerät (8). 8 und 9 zeigen den Signalverlauf bei zwei unterschiedlichen Eintauchtiefen X des Dämpfers (1). Aus dem Signalverlauf i = f(L) wird durch zwei logische Elemente (11) Tr1, Tr2 das Signal Slog generiert. Durch digitale Auswertung der Zeiten tan1, tab1, tan0 und tab0 wird die Eintauchtiefe X berechnet.
Besonders vorteilhaft kann dieses Verfahren in Verbindung mit einem ikro-Mcontroller (MC) eingesetzt werden. 10 zeigt einen vereinfachten Schaltplan. Der MC (12) kann so programmiert werden, dass ein sich wiederholendens Ein- bzw. Ausschaltsignal (13) ausgegeben wird. Die Einschaltdauer wird so gewählt, dass die sich in der Spule (3) ergebenden Signale die gesetzten Schwellwerte Tr1 und Tr2 an dem mindest einen logischen Eingang (14) überschreiten. Mit den logischen Eingängen (14) am MC wird der logische Zustand 0 und 1 im MC (12) generiert. Mit der internen Taktfrequenz des MC kann die Zeit zwischen den Schaltzuständen 0 und 1 ausgewertet werden und daraus die Position ermittelt werden. Die Schaltung kann zur Signalanpassung mit elektronischen Bauteilen (16) ergänzt werden. Die Auswerteelektronik (6) ist mit den Litzen (15) mit einem übergeordneten Steuergerät verbunden. Die Anbindung kann aber auch drahtlos erfolgen.

1: Dämpfer
2: Gehäuse
3: Spule
3', 3'': Widerstand
4: Stößel
5: Anschlusskabel
6: Auswerteelektronik
7: Schalter
8: Strommessgerät
9: Spannungsmessgerät
10: Funktionsgenerator
11: Logisches Bauelement
12: Mikrocontroller
13: Ausgang Funktionsgenerator Ufg
14: Eingang Trigger 1, Trigger 2
15: Kabel Elektronik
16: Verstärkerstufen/Signalanpassung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1220961 B1 [0002, 0002]
- DE 2204325 C2 [0002]
- WO 2008/012651 [0002, 0002, 0002, 0002]

Claims

Dämpfer, insbesondere für Waschmaschinen, mit einem rohrförmigen Gehäuse (2) und einem relativ längs zur Mittelachse des Gehäuses verschiebbaren, zumindest teilweise, ferromagnetischen Stößel (4), einer fest mit dem Gehäuse (2) verbundenen Spule (3) und einer zugehörigen Auswertelektronik zur Erfassung der Eintauchtiefe X des Stößels (4) im Gehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe X durch Messung der Impedanzänderung der Spule (2) erfolgt und die Auswertung mittels einer Elektronik (6) digital durch Ansteuerung der Spule mit einem sich wiederholenden definierten Ein-, bzw. Ausschaltsignal bei einer festen Frequenz erfolgt.
Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in der Spule ergebende Signalverlauf beim Ein- bzw. Ausschalten durch mindest ein logisches Element (11), (14), (15) in ein digitales Signal gewandelt wird.
Dämpfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein-, und Ausschaltverhältnis des durch den Funktionsgenerator (10) erzeugten Signals vorteilhaft ein Rechecksignal mit frei wählbarem Tastverhältnis ist.
Dämpfer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungs- und Stromsignale nach 3 digital ausgewertet und zumindest Teilinformationen aus den Signalverläufen miteinander verknüpft werden.
Dämpfer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das in der Elektronik (6) ein elektronisches Bauelement (12) verwendet wird, das nach 10 über einen Funktionsgenerator (13) verfügt, mindest einen logischen Eingang (14) besitzt, einen digitalen Speicher hat und digitale Rechenoperationen ausführen kann.
Dämpfer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (6) über die Kabel (15) oder über Funk analog oder digital mit einer übergeordneten Steuerung kommunizieren kann.