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Die Erfindung betrifft eine Fluid-Arbeitsgerätschaft, mit einem Gehäuse, das einen Fluidraum zur Umgebung hin zumindest im Wesentlichen abschließt, wobei mindestens eine Sensoreinrichtung eine Aussage über den Zustand des im Fluidraum befindlichen Fluids, wie Druck, Feuchte, Temperatur oder Viskosität, ermöglicht und/oder eine Aussage über den Bewegungszustand eines innerhalb des Fluidraums bewegbaren Trennkörpers ermöglicht.
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Fluid-Arbeitsgerätschaften dieser Gattung sind Stand der Technik und kommen in unterschiedlicher Ausbildung beispielsweise als Aktuatoren, wie hydraulische Arbeitszylinder, als Hydrospeicher, etwa in Form von Kolbenspeichern, sowie als Feder-Dämpfer-Element für Hydro-Federsysteme od. dgl., zum Einsatz. Für Steuer- und Regelvorgänge betreffender Fluidsysteme sind den Zustand des Fluids bezeichnende Messgrößen die wichtigsten Parameter. Die beim Stand der Technik dezentral durchgeführte Erfassung von Messgrößen ist aus mehreren Gründen nachteilig. So ist beispielsweise eine Druckmessung über Druckleitungen ungenau und fehleranfällig. Insbesondere wenn mehrere Zustandsgrößen zu erfassen sind, ergibt sich ein entsprechender mechanischer Aufwand und Verkabelungsaufwand.
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Im Hinblick auf diese Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fluid-Arbeitsgerätschaft zur Verfügung zu stellen, die eine besonders vorteilhafte Erfassung von Zustandsgrößen des Fluids ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Fluid-Arbeitsgerätschaft gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass zumindest eine Komponente der Sensoreinrichtung als modulares Bauteil in einem Teil des Gehäuses austauschbar derart aufnehmbar ist, dass die Komponente einen Zugang zu dem im Fluidraum befindlichen Fluid hat. Dadurch, dass erfindungsgemäß die Sensorik in das Gehäuse modular integriert ist und die Erfassung der Messgrößen unmittelbar im betreffenden Fluidraum erfolgt, entfällt der Aufwand für externe Einrichtungen, so dass kein zusätzlicher Einbauraum und keine gesonderte Verkabelung erforderlich sind. Darüber hinaus ist die integrierte Sensorik gegen Beschädigungen von außen geschützt eingebaut.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine im Fluidraum unmittelbar erfolgende Druckmessung genauer ist als bei Messung an einer weiter entfernten Stelle im System. Eine sehr genaue Druckmessung ist in vielen Fällen für präzise Regelvorgänge erforderlich, z. B. bei der On-Board-Wägetechnik oder bei Anwendungen im Bereich Lastmomentbegrenzung.
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Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung derart getroffen sein, dass zur Bildung des Zugangs für die jeweilige Komponente der Sensoreinrichtung in einem den Fluidraum begrenzenden Wandteil des Gehäuses eine zumindest zum Fluidraum offene Ausnehmung gebildet ist, an der oder in der die jeweilige Komponente angebracht ist.
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Für die Ermittlung des Fluiddrucks kann als Komponente der Sensoreinrichtung eine der Ausnehmung zugeordnete Druckmesszelle vorgesehen sein, die vom zum Fluidraum offenen Ende der Ausnehmung her mit dem Fluid beaufschlagbar ist.
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Mit besonderem Vorteil kann die betreffende Druckmesszelle an einem Einsatz vorgesehen sein, der vom zur Umgebung offenen Ende her in die Ausnehmung einsetzbar, vorzugsweise einschraubbar, ist, wobei der Einsatz den Träger für eine Signale der Druckmesszelle verarbeitende ASIC-Leiterplatte bildet. Sensorik und Elektronik bilden somit in vorteilhafter Weise eine Baugruppe. Diese kann vor dem Einschrauben des Einsatzes in die Ausnehmung hinsichtlich der Parameter wie Druck und Temperatur abgeglichen werden, um diese Parameter in der ASIC-Leiterplatte zu hinterlegen. Im eingebauten Zustand sind somit keine Abgleichmaßnahmen mehr mittels aufwendiger Prüfadapter erforderlich.
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Bei einem abgewandelten Beispiel kann die Druckmesszelle an einem Einsatz vorgesehen sein, der vom zum Fluidraum offenen Ende her in die Ausnehmung einsetzbar, vorzugsweise einschraubbar ist. Dabei kann die Druckmesszelle auf das der Umgebung zugewandte Ende des Einsatzes aufgeklebt oder aufgelötet sein.
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Alternativ kann die eine Druckmesszelle aufweisende Komponente ein in die zugehörige, durchgehend ausgebildete Ausnehmung eingeschraubtes Kapillarrohr aufweisen, an dessen vom Fluidraum abgekehrten äußeren Ende die Druckmesszelle angebracht, beispielsweise angeschweißt ist.
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In vorteilhafter Weise kann ferner eine Komponente der Sensoreinrichtung als Fluid-Zustandssensorik, beispielsweise zur Erfassung der relativen Feuchte und/oder der Temperatur des Fluids, vorgesehen sein.
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Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann die Fluid-Zustandssensorik einen kapazitiven Feuchtesensor mit von der betreffenden Ausnehmung her in den Fluidraum ragenden Kondensatorstrukturen aufweisen. Auch kann bei derartigen Ausführungsbeispielen ein in die betreffende Ausnehmung einbaubarer Einsatz als Träger der Kondensatorelemente vorgesehen sein, wobei der Einsatz auch wiederum den Träger für eine zugeordnete Elektronik, beispielsweise eine ASIC-Leiterplatte, bilden kann.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann das Gehäuse die Form eines Fluidzylinders besitzen, in dem ein Kolben als bewegbares Trennelement den Fluidraum in Arbeitsräume teilt, wobei ein den Zylinder an einem axialen Ende abschließendes Zylinder-Abschlussteil das Wandteil bildet, das die jeweilige Komponente oder Komponenten der Sensoreinrichtung aufnimmt. Bei Fluidzylindern, die als Aktuatoren, wie Arbeitszylinder, Kolbenspeicher oder Federelement dienen, ist eine in ein Zylinderabschlussteil oder -kopfteil integrierte Sensorik besonders vorteilhaft.
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Mit besonderem Vorteil kann bei derartigen Ausführungsbeispielen der mit einer Kolbenstange verbundene Kolben einen stangenseitigen Arbeitsraum von einem kolbenseitigen Arbeitsraum trennen, wobei sich eine ein Weg-Messsystem bildende Komponente der Sensoreinrichtung von dem den kolbenseitigen Arbeitsraum abschließenden Zylinder-Abschlussteil koaxial ins Innere des Zylinders erstreckt und wobei zumindest eine Ausnehmung für eine weitere Komponente der Sensoreinrichtung in diesem Zylinder-Abschlussteil gebildet ist. Federungszylinder mit integrierter Sensorik, wie Druckmesstechnik, in Kombination mit einem Wegaufnehmer für Kolbenbewegungen lassen sich mit besonderem Vorteil für Anwendungen einsetzen, bei denen trotz eingeschränkt verfügbarem Einbauraum eine hohe Messgenauigkeit erforderlich ist.
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In besonders vorteilhafter Weise kann bei derartigen Ausführungsbeispielen das Weg-Messsystem einen vom Zylinder-Abschlussteil koaxial ins Innere vorspringenden, stangenartigen Körper aufweisen, wobei die Ausnehmung für die jeweilige weitere Komponente der Sensoreinrichtung im Zylinder-Abschlussteil zur Achse versetzt gelegen ist. Dadurch steht am gleichen Zylinderende das Messsignal des Weg-Messsystems als auch das Signal der weiteren Komponente oder weiterer Komponenten der Sensorik zur Verfügung.
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Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann mit Vorteil ein Weg-Messsystem vorgesehen sein, das berührungslos arbeitet und dem Stand der Technik entspricht und beispielsweise nach einem magnetostriktiven Verfahren arbeitet.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen schematisch vereinfacht und abgebrochen gezeichneten Längsschnitt des an ein endseitiges Kopfteil anschließenden Längenabschnitts eines Fluidzylinders eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Fluid-Arbeitsgerätschaft;
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2 in gegenüber einer praktischen Ausführungsform etwa 3-fach vergrößertem Maßstab eine perspektivische Schrägansicht einer Komponente der Sensoreinrichtung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gerätschaft;
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3 und 4 einen Längsschnitt bzw. eine diametral aufgeschnittene perspektivische Schrägansicht des Zylinder-Abschlussteils des Fluidzylinders von 1, versehen mit der in 2 gezeigten Komponente der Sensoreinrichtung;
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5 und 6 den 3 bzw. 4 ähnliche Darstellungen des Zylinder-Abschlussteils, versehen mit einer Komponente der Sensoreinrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform;
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7 eine Schnittdarstellung des Zylinder-Abschlussteils, versehen mit einer weiteren Ausführungsform einer Komponente der Sensoreinrichtung;
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8 und 9 eine Schnittdarstellung bzw. diametral aufgeschnittene perspektivische Schrägansicht des Zylinder-Abschlussteils, versehen mit einer Komponente der Sensoreinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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10 eine der 9 entsprechende perspektivische Schrägansicht des Zylinder-Abschlussteils, versehen mit einer Komponente der Sensoreinrichtung gemäß einer weiter abgewandelten Ausführungsform und
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11 eine in entsprechender Weise diametral aufgeschnittene, perspektivische Schrägansicht des Zylinder-Abschlussteils, versehen mit zwei Komponenten der Sensoreinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, bei denen die Arbeitsgerätschaft ein Gehäuse in Form eines Fluidzylinders 2 aufweist. Von diesem ist lediglich in 1 ein Längenabschnitt dargestellt, der sich an ein an einem Zylinderende befindliches Kopfteil 4 anschließt. Dieses bildet zusammen mit einem im Kopfteil 4 konzentrisch angeordneten Zylinder-Abschlussteil 6 den fluiddichten Verschluss des im Inneren des Zylinders 2 befindlichen Fluidraums. Das Abschlussteil 6 weist für die Abdichtung gegenüber dem Kopfteil 4 eine umfängliche Ringnut 8 für ein Dichtelement 10 auf. Eine weitere Ringnut 12 ist für den Eingriff einer zur Festlegung vorgesehenen Madenschraube 14 vorgesehen.
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Bei den hier gezeigten Beispielen ist in dem das Gehäuse bildenden Fluidzylinder 2 ein Kolben 16 längsverfahrbar, der den inneren Fluidraum des Zylinders 2 in einen kolbenseitigen Arbeitsraum 18 und einen stangenseitigen Arbeitsraum 20 unterteilt. In diesem erstreckt sich eine mit dem Kolben 16 verbundene Kolbenstange 22 in Richtung auf das in 1 nicht sichtbare Zylinderende und ist aus diesem, wie bei derartigen Zylindern üblich, abgedichtet herausgeführt. Die Kolbenstange 22 ist beim gezeigten Beispiel als Hohlrohr gestaltet, in dem sich ein koaxialer innerer Hohlraum 24 befindet, der den Aufnahmeraum für ein Weg-Messsystem 26 bildet. Bei diesem handelt es sich bei dem vorliegenden Beispiel um einen magnetostriktiv arbeitenden Linear-Wegsensor der Serie HIT 1100, wie er von der Firma Hydac Elektronic GmbH, Hauptstr. 27, D 66 328 Saarbrücken, vertrieben wird. Dieser Wegsensor weist einen stangenartigen Hohlkörper 28 in Form eines am freien Ende geschlossenen Schutzrohres auf, in dem ein magnetostriktiver Wellenleiter gespannt ist. Der Hohlkörper 28 erstreckt sich vom Zylinder-Abschlussteil 6 weg durch den inneren Hohlraum 24 der Kolbenstange 22 hindurch über eine Strecke, die dem Verfahrbereich des Kolbens 16 im Zylinder 2 entspricht. Der Kolben 16 weist als Positionsgeber für das magnetostriktive Verfahren einen Magnetring 30 auf, der ein permanentes Magnetfeld erzeugt.
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Der Hohlkörper 28 des Weg-Messsystems 26, das eine Komponente der Sensoreinrichtung bildet, ist an seinem in 1 unten liegenden Ende in einer eine Aufnahme bildenden, zentralen Bohrung 32 an dem an den kolbenseitigen Arbeitsraum 18 angrenzenden Ende des Zylinder-Abschlussteils 6 gelagert. Die der Elektronik des Messsystems 26 zugehörige Anschlussleitung 34 erstreckt sich aus dem offenen Ende 36 des hülsenartigen Kopfteils 4 nach außen.
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Als weitere Komponente der Sensoreinrichtung zeigen die 1 bis 9 und 11 Druckmesseinrichtungen 40 in unterschiedlichen Ausbildungen. Die 10 und 11 zeigen als weitere Komponente für eine Öl-Zustandssensorik eine Feuchtesensoreinrichtung 60. In 11 ist eine solche zusätzlich zur Druckmesseinrichtung 40 vorgesehen. Für sämtliche Ausführungsformen der Druckmesseinrichtung 40 sowie für die Feuchtesensoreinrichtung 60 sind im Zylinder-Abschlussteil 6 jeweils eine einen Zugang zum angrenzenden Fluidraum, bei den vorliegenden Beispielen dem kolbenseitigen Arbeitsraum 16, bildende Ausnehmung 42 gebildet, die zum Zentralbereich des Abschlussteils 6, in dem sich die Aufnahme 32 für das Weg-Messsystem 26 befindet, radial versetzt angeordnet ist. Bei den gezeigten Beispielen ist die Ausnehmung 42 zwischen der dem Arbeitsraum 18 zugekehrten Seite und der Umgebungsseite durchgehend ausgebildet.
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Bei dem Beispiel von 3 und 4 ist die Ausnehmung 42 durch eine gestufte Bohrung mit einem verjüngten Gewindeabschnitt 44 auf der dem Arbeitsraum 18 zugewandten Seite und einem gewindefreien Bohrungsteil 46 größeren Durchmessers auf der der Umgebung zugewandten Seite gebildet. Die Druckmesseinrichtung 40 des Beispiels von 2 bis 4 weist einen Einsatz 48 auf, der in 2 gesondert dargestellt ist und der ein Außengewinde 50 aufweist, das in den Gewindeabschnitt 44 der Ausnehmung 42 einschraubbar ist. Ein sich an das Außengewinde 50 anschließendes, erweitertes Flanschteil 52 ist bei eingeschraubtem Zustand in dem erweiterten Bohrungsteil 46 der Ausnehmung 42 aufgenommen, wobei ein Dichtring 54 am Übergang zwischen Flanschteil 52 und Gewindeabschnitt 44 die Abdichtung bildet. Mit dem Umfangsrand des Flanschteils 52 ist ein Rohr 51 verschweißt, das am offenen Rand Wandlücken 56 für den Eingriff eines Schraubwerkzeuges für die Montage des Einsatzes 48 aufweist. An dem dem Flanschteil 52 entgegengesetzten Ende, an dem der Einsatz 48 mit dem Arbeitsraum 18 in Kontakt ist, befindet sich eine Druckmesszelle 58, die vom Fluiddruck im Arbeitsraum 18 unmittelbar beaufschlagt ist. Die Druckmesszelle 58 sitzt in einem Abschnitt einer koaxialen Bohrung 62, die am Flanschteil 52 endet. Die freie Fläche des Flanschteils 52 bildet den Träger für eine der Druckmesszelle 58 zugeordnete Elektronik, gebildet durch eine ASIC-Leiterplatte 64, die sich in gefaltetem Zustand innerhalb des Rohres 51 befindet und von der sich ein Anschlusskabel 66 mit Leiterlitzen nach außen zur Umgebung erstreckt.
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5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausnehmung 42 für die durch die Druckmesseinrichtung 40 gebildete Komponente als gewindefreie Bohrung ausgebildet ist, die in der Nähe des an den Arbeitsraum 18 angrenzenden Endes eine geringfügige Erweiterung 68 aufweist, die den Sitz für eine stirnseitig eingeschweißte Druckmesszelle 58 bildet, von der ein Anschlusskörper 66 mit Leiterlitzen durch den freien Teil der Ausnehmung 42 zur Umgebung geführt ist.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die durch die Druckmesseinrichtung 40 gebildete Komponente einen Schraubadapter 72 mit einem koaxialen inneren Durchgang 74 aufweist. Der Schraubadapter 72 ist von der Seite des Arbeitsraumes 18 her in einen Gewindeabschnitt 76 der Ausnehmung 42 eingeschraubt, wobei, wie bei 3 und 4, ein Dichtring 54 am Ende der Ausnehmung 42 vorgesehen ist. Auf das der Umgebung zugewandte Ende des Schraubadapters 72 ist die Druckmesszelle 58 aufgeschweißt, die über den Durchgang 74 des Schraubadapters 72 mit dem Fluiddruck beaufschlagt ist.
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Die 8 und 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausnehmung 42 für die durch eine Druckmesseinrichtung 40 gebildete Komponente durch eine Bohrung gebildet ist, die mit gleichem Durchmesser im Zylinder-Abschlussteil 6 durchgehend ist. In diese Bohrung ist ein Kapillarrohr 78 eingeschweißt oder eingeschraubt, das auf der der Umgebung zugewandten Seite ein Kopfteil 88 aufweist, auf dem die Druckmesszelle 58 angeschweißt ist. Diese ist durch das innere Röhrchen des Kapillarrohres 78 mit dem Fluiddruck beaufschlagt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 10 ist eine Sensoreinrichtung 60 mit einem Feuchtesensor 80 und einem Kondensatorstrukturen 82 aufweisenden Glas- oder Keramikchip vorgesehen. Die Sensoreinrichtung 60 weist, ähnlich wie das Ausführungsbeispiel von 7, einen Schraubadapter 72 auf, der von der Seite des Arbeitsraums 18 her in einen Gewindeabschnitt 76 der Ausnehmung 42 eingeschraubt ist, wiederum abgedichtet durch einen Dichtring 54. An dem dem Arbeitsraum 18 zugekehrten Ende befindet sich eine Glasdurchführung, von der sich der Feuchtesensor 80 und der Glas- oder Keramikchip mit Kondensatorstrukturen 82 ins Innere des Arbeitsraums 18 erstreckt. Wie die Signale der Druckmesszelle 58 gelangen die Signale der Chips 80 und 82 über das Anschlusskabel 66 nach außen. Die Sensoreinrichtung 60 ermöglicht eine Zustandskontrolle für das Fluid, wie Hydrauliköl. Dadurch ist erkennbar, ob sich zu viel gelöstes oder gar freies Wasser im Hydrauliköl befindet, was Schäden, beispielsweise durch Kavitation, nach sich ziehen könnte.
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Die 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Sensoreinrichtung zusätzlich zu einem Weg-Messsystem 26 sowohl eine Druckmesseinrichtung 40 als auch eine Feuchtesensoreinrichtung 60 aufweist. Dabei entsprechen Druckmesseinrichtung 40 und Feuchtesensoreinrichtung 60 jeweils in ihrem Aufbau den Ausführungsbeispielen von 3 und 4 bzw. 10. Während bei diesen Beispielen für die Druckmesseinrichtung 40 jeweils eine Druckmesszelle 58 vorgesehen ist, sind beim Beispiel von 11 zwei separate Druckmesszellen vorhanden. Bei Vorhandensein von zwei Drucksensoren mit gegenseitiger Überprüfung in der Auswerteelektronik (ASIC-Leiterplatte 64) lässt sich ein redundantes System bilden. Ferner können als zusätzliche Komponenten Temperatursensoren vorgesehen sein, beispielsweise in Form von den Druckmesszellen 58 und/oder den Kondensatorstrukturen 82 zugeordneten, temperaturveränderlichen Widerständen.
