DE102011121247A1

DE102011121247A1 - Messstab

Info

Publication number: DE102011121247A1
Application number: DE201110121247
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-20
Also published as: RU2529930C2; PL401985A1; CN103162607A; RU2012151325A

Abstract

Ein Messstab umfasst mehrere entlang einer Achse des Messstabs angeordnete und elektrisch miteinander verschaltete Detektorelemente, die auf das Magnetfeld eines Magneten ansprechen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messstab zur Positionsbestimmung eines Kolbens eines Hydraulikzylinders im Untertagebau.
Schildausbausysteme im Untertagebau können Bewegungen teilweise oder vollständig automatisiert ausführen. Dazu sowie allgemein zur Kontrolle des Zustands des Systems, insbesondere aus der Ferne, ist es erforderlich, die aktuelle Position eines jeweiligen Kolbens innerhalb der Hydraulikzylinder des Schildausbausystems genau zu kennen.
Für die Bestimmung des Kolbenwegs eines hydraulischen Arbeitszylinders sind Messstäbe bekannt, bei denen mehrere Schaltelemente entlang einer Achse des jeweiligen Messstabs angeordnet und durch das Magnetfeld eines Magneten schaltbar sind. Bei den genannten Schaltelementen handelt es sich typischerweise um Reed-Kontakte, bei denen zwei Kontaktzungen abhängig von der Intensität eines auf die Kontaktzungen einwirkenden Magnetfeldes elektrisch miteinander verbunden oder voneinander getrennt sind. Einzelne Reed-Kontakte liefern also ein digitales Signal (offen bzw. geschlossen). Durch die Auswertung der Signale mehrerer entlang der Achse des Messstabs angeordneter Reed-Kontakte kann, beispielsweise nach Art eines Potentiometers, die Position eines Magneten entlang der Achse des Messstabs mit einer Genauigkeit, die von der Dichte der Anordnung der Reed-Kontakte abhängt, bestimmt werden. Dabei können der Messstab am/im Kolben und der Magnet am/im Zylinder angeordnet sein oder umgekehrt.
1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten hydraulischen Arbeitszylinder 11 mit einem Kolben 13. In einer rohrförmigen Öffnung des Kolbens 13 ist ein entsprechend rohrförmiger Messstab 15 mit Reed Kontakten eingebaut. Zur Bestimmung der Position des Kolbens 13 in dem Zylinder 11 ist ein Magnet 17 über eine am Boden des Zylinders 11 verschweißte Hülse an dem Zylinder 11 angebracht.
Die Auflösung einer Positionsbestimmung mittels eines Messstabs mit Reed-Kontakten ist abhängig von der Dichte der Reed-Kontakte entlang des Messstabs und kann aufgrund der Baugröße der Reed-Kontakte nur begrenzt erhöht werden. Um die Kontaktzungen der Reed-Kontakte zu schützen und eine definierte Umgebung zu schaffen, sind die Kontaktzungen in einem Glasgehäuse eingeschmolzen und darin von Vakuum oder einem Schutzgas umgeben. Eine typische Baugröße eines einzelnen solchen Reed-Kontakts beträgt 5 mm oder mehr. Zum weiteren Schutz der Reed-Kontakte muss zudem der Messstab in einem Rohr vergossen werden. Das hierbei typischerweise verwendete Vergussmaterial wird jedoch bei Lagertemperaturen unter –40°C spröde, wodurch die Reed-Kontakte beschädigt werden können. Werden die Messstäbe bei sehr niedrigen Temperaturen eingesetzt, beispielsweise in geographischen Breiten, in denen Außentemperaturen von bis zu –50°C auftreten, können daher die Messstäbe beschädigt und unbrauchbar werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Messstab zur Positionsbestimmung eines Kolbens eines Hydraulikzylinders im Untertagebau zu schaffen, der auf kostengünstige Weise eine hohe Messauflösung ermöglicht und bei der Lagerung innerhalb eines breiten Temperaturbereichs keinen Schaden nimmt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass die Detektorelemente des Messstabs durch Hall-Sensoren gebildet sind.
Hall-Sensoren geben ein Spannungssignal aus, das von der Intensität und Ausrichtung eines einwirkenden Magnetfeldes abhängt. Im Gegensatz zu Reed-Kontakten ist das von den Hall-Sensoren als Spannung ausgegebene Abstandssignal nicht digital, sondern kontinuierlich. Daher kann bereits mit einem einzelnen Hall-Sensor dessen Abstand zum Magneten gemessen werden; bei Verwendung von zwei oder mehr Hall-Sensoren ist auch die Richtung eindeutig festgelegt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung mehrerer Hall-Sensoren entlang der Achse des Messstabs reichen daher weniger Detektorelemente aus, um die Position des Magneten entlang des gesamten Messstabs engmaschig zu detektieren, als bei Verwendung von Reed-Kontakten. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Hall-Sensoren besteht darin, dass sie typischerweise in SMD-Technik hergestellt werden und somit vergleichsweise robuste Bauteile darstellen, die keinen speziellen mechanischen Schutz erfordern, und einer Lagerung in einem weiten Temperaturbereich ohne Beeinträchtigung standhalten. Die Verwendung von Hall-Sensoren ist zudem insofern vorteilhaft, als unterschiedlich starke Magnete zur Abstandsmessung verwendet werden können.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen von jeweiligen Positionssignalen der Detektorelemente vorgesehen sein, die durch Interpolation der jeweiligen Positionssignale benachbarter Detektorelemente ein Ausgangssignal ermittelt und ausgibt. Durch die Interpolation der Positionssignale benachbarter Detektorelemente wird die Auflösung des Messstabs noch verbessert. Da stets alle Hall-Sensoren des Messstabs ein von ihrem Abstand zum Magneten abhängiges Positionssignal ausgeben, lässt sich durch die genannte Interpolation prinzipiell eine unendliche Auflösung erreichen. Wenn auch die tatsächliche Auflösung letztlich durch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis limitiert ist, so ist die Auflösung des Messstabs dennoch nicht zwingend durch die Dichte der entlang des Messstabs angeordneten Detektorelemente begrenzt. Insbesondere wird daher bei Verwendung von Hall-Sensoren die maximal mögliche Auflösung nicht durch die Baugröße der einzelnen Detektorelemente limitiert.
Es kann ferner vorteilhaft sein, eine Kalibriereinrichtung vorzusehen, in der Linearisierungen der jeweiligen Detektorelemente gespeichert sind, wobei die Detektorelemente einzeln linearisiert sind. Da die Hall-Sensoren in ihrer Charakteristik bezüglich der Abhängigkeit eines jeweiligen Positionssignals von der Position des Magneten untereinander abweichen können, ist es zweckmäßig, die Hall-Sensoren einzeln zu linearisieren und diese Linearisierungen in einer Kalibriereinrichtung gespeichert vorzuhalten.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die genannte Ausleseeinrichtung dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Linearisierungen der Detektorelemente aus der genannten Kalibriereinrichtung auszulesen und bei der Ermittlung des Ausgangssignals zu berücksichtigen. Auf diese Weise kann nach einer einmaligen Kalibrierung (Linearisierung) der einzelnen Detektorelemente eine zuverlässige Positionsbestimmung durch Interpolation der Positionssignale benachbarter Detektorelemente in der Ausleseeinrichtung gewährleistet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Messstab eine oder mehrere Platinen umfassen, die jeweils mindestens ein Detektorelement aufweisen und die insbesondere mit einer Coatingmasse beschichtet, aber insbesondere nicht in einem Gehäuse vergossen sind. Die Verwendung einer Platine ermöglicht das einfache Anbringen der Detektorelemente des Messstabs beispielsweise durch Löten sowie das einfache elektrische Verschalten der Detektorelemente, insbesondere wenn die Detektorelemente in SMD-Technik hergestellt sind. Beispielsweise können die Stromversorgung und/oder das Auslesen der jeweiligen Positionssignale durch Leiterbahnen in der Platine nach Art einer Leiterplatte erfolgen. Das Beschichten mit einer Coatingmasse stellt eine bei Leiterplatten übliche Technik dar. Auf einen weiteren Schutz der Platine und der darauf angeordneten Detektorelemente, wie er bei Messstäben mit Reed-Kontakten erforderlich ist, kann verzichtet werden, wodurch die Fertigung des Messstabs vereinfacht und kostengünstiger wird. Durch den Verzicht auf einen Verguss entfällt zudem der Nachteil, dass das Vergussmaterial bei niedrigeren Lagertemperaturen spröde werden und beschädigt werden kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Messstab mehrere Platinen, die jeweils mindestens ein Detektorelement, einen ersten Verbindungsabschnitt und einen zweiten Verbindungsabschnitt aufweisen, wobei der erste Verbindungsabschnitt einer Platine dazu ausgebildet ist, eine mechanische und/oder elektrische Verbindung mit dem zweiten Verbindungsabschnitt einer andere Platine einzugehen. Durch die Verbindung eines ersten Verbindungsabschnitts einer Platine mit dem zweiten Verbindungsabschnitt einer anderen Platine lassen sich mehrere Platinen in Reihe zu einem längeren System von Platinen verbinden. Auf diese Weise können Messstäbe mit derartigen Platinen modular und bezüglich ihrer Länge sehr flexibel hergestellt werden. Dies stellt eine weitere Möglichkeit dar, Kosten zu reduzieren.
Bei der vorstehend genannten Ausführungsform kann es auch vorteilhaft sein, wenn der erste Verbindungsabschnitt einer Platine des Messstabs dazu ausgebildet ist, eine mechanische Verbindung mit dem zweiten Verbindungsabschnitt einer anderen Platine des Messstabs durch Formschluss einzugehen. Der Formschluss zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Verbindungsabschnitt gewährleistet eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Platinen.
Weiterhin kann es bei den vorstehend genannten Ausführungsformen auch vorteilhaft sein, wenn die Platinen des Messstabs miteinander verbunden sind, wobei jeweils der erste Verbindungsabschnitt einer Platine und der zweite Verbindungsabschnitt einer anderen, mit dieser verbundenen Platine durch Löten, insbesondere durch einen oder mehrere Lötpunkte mechanisch und vorzugsweise auch elektrisch verbunden sind. Alternativ oder ergänzend zu dem oben genannten Formschluss stellt die Verbindung durch Löten und insbesondere durch Lötpunkte eine Verbesserung der mechanischen Stabilität der Verbindung zwischen einzelnen Platinen dar. Zudem kann durch Löten und insbesondere durch Lötpunkte auch die elektrische Verbindung der Platinen auf besonders einfache Weise bewerkstelligt werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Messstab drei oder mehr Detektorelemente umfasst, wobei die Detektorelemente entlang des Messstabs äquidistant zueinander angeordnet sind. Durch diese Verteilung der Detektorelemente entlang des Messstabs vereinfacht sich aufgrund der Regelmäßigkeit die Ermittlung der Position des Magneten, insbesondere mittels Interpolation der Positionssignale benachbarter Detektorelemente. Zudem wird durch die äquidistante Anordnung dafür gesorgt, dass die Position des Magneten relativ zum Messstab entlang der gesamten Länge des Messstabs im Wesentlichen mit derselben Genauigkeit bestimmt werden kann.
Es kann zudem vorteilhaft sein, wenn der Abstand zwischen zwei benachbarten Detektorelementen entlang des Messstabs etwa 10–20 mm, insbesondere etwa 15 mm beträgt. Bei einem so großen Abstand wie etwa 15 mm sind für einen Messstab einer bestimmten Länge bei Verwendung von Hall-Sensoren nur etwa halb so viele Detektoren erforderlich wie bei einer Verwendung von Reed-Kontakten, wodurch wiederum Kosten eingespart werden können.
Bei den genannten vorteilhaften Ausführungsformen ist es jeweils möglich, den Messstab bezüglich seiner Außenmaße, des Einbaus, des Anschlusses an elektrische Schnittstellen sowie des verwendeten zugehörigen Magneten kompatibel zu bekannten Messstäben mit Reed-Kontakten herzustellen. Somit kann auf einfache Art ein Austausch herkömmlicher Messstäbe gegen neue erfindungsgemäße Messstäbe erfolgen.
2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messstabs 15, der ein langgestrecktes rohrförmiges Gehäuse umfasst (nicht gezeigt), in dem eine ebenfalls langgestreckte Platine 19 eingebaut ist. Über ihre gesamte Länge weist die Platine 19 mehrere Hall-Sensoren 21 auf, die entlang der Längsachse der Platine 19 äquidistant verteilt sind. Die Hall-Sensoren 21 sind in SMD-Bauweise gefertigt und auf bekannte Weise durch Löten an der Platine 19 befestigt. Zur Stromversorgung der Hall-Sensoren 21 sowie zur Weiterleitung der von den Hall-Sensoren 21 ausgegebenen Spannungssignale weist die Platine 19 eine Vielzahl von Leiterbahnen auf (nicht gezeigt), über die die Hall-Sensoren 21 elektrisch miteinander verschaltet sind.
An ihren Enden weist die Platine 19 zudem einen ersten Verbindungsabschnitt 23 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 25 auf, über die die Platine 19 mit weiteren gleichartigen Platinen mechanisch und/oder elektrisch verbunden werden kann. Dazu weisen der erste Verbindungsabschnitt 23 und der zweite Verbindungsabschnitt 25 zueinander komplementäre Formen auf. Der erste Verbindungsabschnitt 23 stellt eine im Wesentlichen dreieckige, von den Längsseiten der Platine 19 aus sich verjüngende Verlängerung der Platine 19 dar, die in einer kreisförmigen Verbreiterung mündet. Der zweite Verbindungsabschnitt 25 weist dementsprechend eine im Wesentlichen dreieckige Ausnehmung mit kreisförmiger Verbreiterung an der Dreieckspitze auf. Durch derartige Formen können die Verbindungsabschnitte 23, 25 mehrerer Platinen 19 wie Puzzleteile ineinandergreifen, so dass die Platinen 19 formschlüssig miteinander verbunden werden.
Der Messstab 15 weist zudem eine Ausleseeinrichtung 27 und eine Kalibriereinrichtung 29 auf. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform befinden sich die Ausleseeinrichtung 27 und die Kalibriereinrichtung 29 außerhalb des (nicht gezeigten) rohrförmigen Gehäuses des Messstabs 15. Bezüglich eines Hydraulikzylinders, wie er in 1 gezeigt ist, kann der Messstab 15 dann in der rohrförmigen Öffnung des Kolbens 13 eingebaut sein, während die Ausleseeinrichtung 27 und die Kalibriereinrichtung 29 in einem anderen Raum innerhalb oder außerhalb des Kolbens 13 angebracht und mit dem Messstab 15 über Kabel verbunden sind. Wie in 2 gezeigt, kann die Verbindung zur Platine 19 des Messstabs 15 beispielsweise an dem ersten Verbindungsabschnitt 23 erfolgen, es sind aber auch andere Verbindungsstellen möglich. Die Ausleseeinrichtung 27 und die Kalibriereinrichtung 29 können wie hier als Einheit vorgesehen sein oder auch zwei getrennte oder auf eine andere Weise miteinander verbundene Einrichtungen darstellen. Insbesondere können die Ausleseeinrichtung 27 und die Kalibriereinrichtung 29 auch auf der Platine 19 und/oder in dem Gehäuse des Messstabs 15 angeordnet sein.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform umfasst der Messstab 15 mehrere Platinen, von denen zwei Platinen 19, 19' in 3 ausschnittsweise dargestellt sind und jeweils mehrere Hall-Sensoren 21 aufweisen. Der erste Verbindungsabschnitt 23 der einen Platine 19 und der zweite Verbindungsabschnitt 25 der anderen Platine 19' weisen die auch in 2 gezeigten Formen auf und sind formschlüssig miteinander verbunden, indem der erste Verbindungsabschnitt 23 der einen Platine 19 in den zweiten Verbindungsabschnitt 25 der anderen Platine 19' eingesetzt ist. Zur weiteren mechanischen und auch elektrischen Verbindung der Platinen 19, 19' sind mehrere Lötpunkte 31 zwischen dem ersten Verbindungsabschnitt 23 der einen Platine 19 und dem zweiten Verbindungsabschnitt 25 der anderen Platine 19' vorgesehen. Die Lötpunkte sind so angebracht, dass sie (nicht gezeigte) Leiterbahnen der Platinen 19, 19' derart miteinander verbinden, dass über diese Leiterbahnen die Hall-Sensoren 21 der Platinen 19, 19' und gegebenenfalls weiterer Platinen mit Strom versorgt werden und die Spannungssignale der Hall-Sensoren 21 entlang des gesamten Messstabs 15 weitergeleitet werden können. Der Messstab 15 kann neben den gezeigten Platinen 19, 19' weitere, in Reihe mit den gezeigten Platinen 19, 19' verbundene Platinen umfassen.

Claims

Messstab (15) zur Positionsbestimmung eines Kolbens (13) eines Hydraulikzylinders (11) im Untertagebau, der mehrere entlang einer Achse des Messstabs (15) angeordnete und elektrisch miteinander verschaltete Detektorelemente (21) umfasst, die auf das Magnetfeld eines Magneten (17) ansprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (21) durch Hall-Sensoren gebildet sind.
Messstab (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (21) Positionssignale ausgeben, und dass eine Ausleseeinrichtung (27) zum Auslesen der jeweiligen Positionssignale vorgesehen ist, die durch Interpolation der jeweiligen Positionssignale benachbarter Detektorelemente (21) ein Ausgangssignal ermittelt und ausgibt.
Messstab (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibriereinrichtung (29) vorgesehen ist, in der Linearisierungen der jeweiligen Detektorelemente (21) gespeichert sind, wobei die Detektorelemente (21) einzeln linearisiert sind.
Messstab (15) nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinrichtung (27) dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Linearisierungen der Detektorelemente (21) aus der Kalibriereinrichtung (29) auszulesen und bei der Ermittlung des Ausgangssignals zu berücksichtigen.
Messstab (15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine oder mehrere Platinen (19, 19') umfasst, die jeweils mindestens ein Detektorelement (21) aufweisen und die insbesondere mit einer Coatingmasse beschichtet, aber insbesondere nicht in einem Gehäuse vergossen sind.
Messstab (15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrere Platinen (19, 19') umfasst, die jeweils mindestens ein Detektorelement (21), einen ersten Verbindungsabschnitt (23) und einen zweiten Verbindungsabschnitt (25) aufweisen, wobei der erste Verbindungsabschnitt (23) einer Platine (19) dazu ausgebildet ist, eine mechanische und/oder elektrische Verbindung mit dem zweiten Verbindungsabschnitt (25) einer anderen Platine (19') einzugehen.
Messstab (15) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungsabschnitt (23) einer Platine (19) des Messstabs (15) dazu ausgebildet ist, eine mechanische Verbindung mit dem zweiten Verbindungsabschnitt (25) einer anderen Platine (19') des Messstabs (15) durch Formschluss einzugehen.
Messstab (15) nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinen (19, 19') des Messstabs (15) miteinander verbunden sind, wobei jeweils der erste Verbindungsabschnitt (23) einer Platine (19) und der zweite Verbindungsabschnitt (25) einer anderen, mit dieser verbundenen Platine (19') durch Löten, insbesondere durch einen oder mehrere Lötpunkte (31) mechanisch und vorzugsweise auch elektrisch verbunden sind.
Messstab (15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstab (15) drei oder mehr Detektorelemente (21) umfasst, wobei die Detektorelemente (21) entlang des Messstabs (15) äquidistant zueinander angeordnet sind.
Messstab (15) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Detektorelementen (21) entlang des Messstabs (15) etwa 10–20 mm, insbesondere etwa 15 mm beträgt.