DE102014200891B4

DE102014200891B4 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens in einem Hydraulikzylinder und Verfahren, mit dem die Position eines Aktors bestimmt wird, sowie zur Durchführung des Verfahrens angepasster Aktor

Info

Publication number: DE102014200891B4
Application number: DE102014200891.3A
Authority: DE
Inventors: Jonathan Schächtele; Auguste Van Poelgeest; Besart Mehmeti
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: DE102014200891A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens in einem einfach wirkenden Hydraulikzylinder,wobei an eine Hydraulikflüssigkeit in einer Hydraulikkammer des Hydraulikzylinders eine Spannung zwischen einer gegenüber dem Kolben festen Kolbenelektrode und einer gegenüber einem Zylindergehäuse des Hydraulikzylinders festen Gehäuseelektrode angelegt wird, wobei außerdem eine Spannung in einer unveränderlichen Referenzkammer mit zwei Elektroden, durch die die gleiche Hydraulikflüssigkeit wie durch den Hydraulikzylinder geführt wird und die sich auf einer gleichen Temperatur befindet, angelegt wird, wobei die beiden Strecken, über welche die beiden Spannungen in den beiden Kammern angelegt werden, zu einem Spannungsteiler verschaltet sind,und wobei aus einer aus diesen Spannungen resultierenden elektrischen Größe auf die Position des Kolbens geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens in einem einfach wirkenden Hydraulikzylinder, wobei an eine Hydraulikflüssigkeit in zumindest einer Hydraulikkammer des Hydraulikzylinders eine Spannung zwischen einer gegenüber dem Kolben festen Kolbenelektrode und einer gegenüber dem Zylindergehäuse des Hydraulikzylinders festen Gehäuseelektrode angelegt wird und aus einer aus dieser Spannung resultierenden elektrischen Größe auf die Position des Kolbens geschlossen wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Aktors, bei welchem aus einem sich ändernden Widerstand in einer Hydraulikflüssigkeit auf die Länge des Aktors geschlossen wird. Die Erfindung betrifft außerdem einen entsprechenden Aktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Chirurgische Instrumente mit integrierten Antrieben haben ein großes Potential für die Erhöhung der Flexibilität, Bedienbarkeit und Ergonomie von laparoskopischen Instrumenten und in der robotischen Chirurgie. Viele Aktorprinzipien, die hierfür in Frage kommen, haben keinen statischen Zusammenhang zwischen Weg und Stellgröße (z.B. Antriebe aus Formgedächtnislegierungen, künstliche Muskeln, pneumatische Antriebe, hydraulische Antriebe mit hochflexiblen Leitungen, ...). Um diese Antriebe auf eine definierte Position bringen zu können, ist eine Ist-Positionsrückführung notwendig.
Instrumente für die laparoskopische Chirurgie werden bisher meistens über Seilzüge angetrieben, wo, ausreichende Steifigkeit und Spielfreiheit vorausgesetzt, ein statischer Zusammenhang zwischen Stellung des Bedienelements oder Weg des außenliegenden Aktors und Position des Instruments besteht. Herkömmliche Methoden zur Messung von Wegen und Winkeln (z.B. Potentiometer, linear variable Differentialtransformatoren, optische oder magnetische Inkremental- oder Absolutwertgeber) sind sehr schwer in dem begrenzten Platzangebot der Instrumentenspitze eines laparoskopischen Instruments unterzubringen und benötigen zwingend zusätzliche Komponenten.
Die US 2013 / 0 233 116 A1 beschreibt eine Komponente eines Roboter-Skeletts und insbesondere eine Sensorzelle mit einem Kolben. Der Kolben dient hierbei als Berührungssensor.
Aus dem Wikipedia-Artikel zur Wheatstoneschen Messbrücke sind Grundlagen zu Spannungsteilern zu entnehmen.
Die US 2012 / 0 136 592 A1 beschreibt eine Schlauchanordnung zur Druckdetektion sowie ein Verfahren zur Verwendung dieser Struktur. Die Schlauchstruktur hat erste und zweite leitfähige Schichten sowie einen damit verbundenen elektrischen Schaltkreis. Der Schaltkreis erzeugt elektrische Signale über die ersten und zweiten leitfähigen Schichten der Schlauchanordnung. Aufgrund dieser elektrischen Signale kann ein Druck in der Schlauchstruktur bestimmt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, mittels welchem die Position eines Kolbens präzise bestimmbar ist. Aufgabe ist außerdem, ein Verfahren zur präzisen Bestimmung der Position eines Aktors anzugeben. Aufgabe ist außerdem, einen entsprechenden Aktor bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens in einem Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, das Verfahren zur Bestimmung der Position eines Aktors nach Anspruch 7 und den Aktor nach Anspruch 9.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens in einem Hydraulikzylinder angegeben. Dabei wird von einem Hydraulikzylinder ausgegangen, der ein Zylindergehäuse aufweist, in welchem ein Kolben entlang einer Zylinderachse des Zylindergehäuses verschiebbar ist. Das Zylindergehäuse ist an zumindest einer seiner Stirnflächen verschlossen. Über Anschlüsse ist eine Hydraulikflüssigkeit in das Zylindergehäuse einleitbar und/oder ableitbar. Vorzugsweise grenzt der Kolben an eine Innenwand des Zylindergehäuses unmittelbar an und dichtet die eine Seite des Zylindergehäuses gegenüber der andere Seite des Zylindergehäuses für die Hydraulikflüssigkeit dicht ab. Es ist jedoch nicht notwendig, dass der Kolben die beiden Seiten dicht abdichtet. Insbesondere dann, wenn keine vollständige Dichtigkeit erreicht wird, ist das erfindungsgemäße Messverfahren von Vorteil, da dann keine klare Positionsermittlung aus dem Volumenstrom des Hydraulikmediums mehr möglich ist. Es ist wenn auf beiden Seiten des Kolbens Messelektroden angeordnet sind aber vorteilhaft, wenn die elektrischen Leckströme über den Kolben gering sind gegenüber den Strömen über die Kammern, was z.B. durch kleine Fläche der Leckageöffnungen, und/oder große Strecken für den Leckstrom, beispielsweise durch dicke Kolben, Schikanen o.Ä. erreicht wird.
Auf diese Weise wird auf einer oder beiden Seiten des Kolbens im Zylindergehäuse eine Hydraulikkammer gebildet. Der Hydraulikzylinder ist einfach-wirkend. In diesem Fall dient nur eine der vom Kolben abgetrennten Seiten des Inneren des Zylindergehäuses als Hydraulikkammer. Durch zumindest einen Anschluss ist in diese Kammer Fluid einleitbar und/oder ableitbar. Ist der Hydraulikzylinder doppelt-wirkend, was hier nur zur Illustration beschrieben wird, dienen beide durch den Kolben abgetrennten Bereiche des Inneren des Zylindergehäuses als Hydraulikkammer. Es gibt in diesem Falle Anschlüsse an beide Hydraulikkammern, über welche jeweils Hydraulikflüssigkeit in die entsprechende Hydraulikkammer einleitbar und/oder ableitbar ist.
Zur Durchführung des Verfahrens ist in zumindest eine der Hydraulikkammern eine gegenüber dem Kolben feste Elektrode, im Folgenden als Kolbenelektrode bezeichnet, angeordnet, sowie eine gegenüber dem Zylindergehäuse des Hydraulikzylinders feste Elektrode, im Folgenden als Gehäuseelektrode bezeichnet. Mittels dieser Elektroden wird erfindungsgemäß an eine Hydraulikflüssigkeit im Inneren der entsprechenden Hydraulikkammer eine Spannung zwischen den beiden Elektroden angelegt, und es wird dann aus einer aus dieser Spannung resultierenden elektrischen Größe auf die Position des Kolbens geschlossen. Es wird hierbei ausgenutzt, dass der Widerstand und die Impedanz zwischen den beiden Elektroden von der Wegstrecke zwischen den beiden Elektroden abhängig ist. Je größer die Wegstrecke ist, desto größer ist der Widerstand und der Betrag der Impedanz. Es kann daher aus der besagten elektrischen Größe auf den Abstand zwischen den Elektroden und damit auf die Position des Kolbens geschlossen werden.
Vorteilhafterweise ist die genannte elektrische Größe gerade der Widerstand oder die Impedanz zwischen der Kolbenelektrode und der Gehäuseelektrode. Wie gesagt hängt dieser Widerstand bzw. die Impedanz vom Abstand der Kolbenelektrode von der Gehäuseelektrode und damit von der Position des Kolbens im Gehäuse ab.
Vorteilhafterweise sind jene mit dem Hydraulikmedium in Kontakt stehenden Wände des Zylindergehäuses elektrisch nicht leitfähig. Sofern das Hydraulikmedium elektrisch leitfähig ist (was bevorzugt ist), so erfolgt dann ein Stromfluss nur über das Hydraulikmedium, nicht jedoch über das Zylindergehäuse.
Für den Fall, dass die angelegte Spannung eine Gleichspannung ist, wird hier vorzugsweise der ohmsche Widerstand bestimmt. Für den Fall, dass die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist und das Hydraulikmedium elektrisch leitend ist, ist es ebenfalls bevorzugt, wenn der ohmsche Widerstand bestimmt wird.
Ist jedoch das Hydraulikmedium elektrisch nicht leitend, so wird vorzugsweise eine Wechselspannung angelegt und die Impedanz und/oder eine Phase eines fließenden Wechselstromes bestimmt. In diesem Fall wird vorzugsweise die Kapazität zwischen den Elektroden ausgenutzt. Diese wird umso kleiner, je größer der Abstand ist. Es gilt für die komplexe Impedanz: Z = 1/(j 2πƒC), wobei j die imaginäre Einheit (j^2=-1), f die Frequenz der angelegten Spannung und C die Kapazität des Systems aus Elektroden und Hydraulikmedium bezeichnet.
Die Spannung kann vorteilhaft zeitlich konstant sein oder eine zeitlich konstante Amplitude haben. Es ist jedoch auch möglich, die Spannung so anzulegen, dass ein zwischen den entsprechenden Elektroden fließender Strom zeitlich konstant ist bzw. eine zeitlich konstante Amplitude hat.
Vorteilhafterweise wird die Kolbenelektrode durch den Kolben selbst oder einen leitfähigen Bereich des Kolbens gebildet. Die Gehäuseelektrode ist vorzugsweise unmittelbar an einer Stirnseite des Hydraulikzylinders angeordnet oder in die entsprechende Stirnseite integriert. Die Stirnseite ist dabei jene Fläche des Zylindergehäuses, welche das Zylindergehäuse in Richtung der Zylinderachse begrenzt.
Die Hydraulikflüssigkeit kann vorzugsweise Kochsalzlösung sein, da diese zum einen elektrisch leitfähig ist und zum anderen bei einer Leckage das Risiko für einen Patienten gering hält, wenn der Hydraulikzylinder in medizinischen Bereichen, wie beispielsweise der minimalinvasiven Chirurgie zum Einsatz kommt. Es können jedoch auch elektrisch isolierende Hydraulikflüssigkeiten zum Einsatz kommen.
Der Fall eines doppelt-wirkenden Hydraulikzylinders wird hier nur zu Illustrationszwecken geschildert. In diesem Fall kann die Spannung in einer der Hydraulikkammern des Hydraulikzylinders angelegt werden und es kann darüber hinaus eine Spannung in der anderen Hydraulikkammer des Hydraulikzylinders zwischen dem Kolben und einer weiteren gegenüber dem Zylindergehäuse des Hydraulikzylinders festen Gehäuseelektrode angelegt werden, wobei vorzugsweise diese Gehäuseelektrode wiederum unmittelbar an jener die entsprechende Hydraulikkammer begrenzenden Stirnseite angeordnet ist. Insbesondere kann vorteilhaft eine Spannung zwischen den beiden Gehäuselektroden angelegt werden, so dass eine Teilspannung zwischen der einen Gehäuseelektrode und dem Kolben abfällt und die andere Teilspannung zwischen dem Kolben und der anderen Gehäuseelektrode abfällt. Durch die Messung in beiden Hydraulikkammern eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders kann die Präzision der Messung erhöht werden.
Ist der Hydraulikzylinder ein doppelt-wirkender Zylinder und wird die Spannung wie oben beschrieben zwischen den beiden Gehäuseelektroden angelegt, so können die beiden Strecken einen Spannungsteiler bilden, wobei der Kolben eine gemeinsame Elektrode für beide Strecken darstellt oder die Kolbenelektroden elektrisch unmittelbar zu einer gemeinsamen Kolbenelektrode verbunden sind, und wobei eine Spannung zwischen dem Kolben oder der gemeinsamen Kolbenelektrode einerseits und einem Pol der Gesamtspannung andererseits gemessen wird und aus dieser Spannung auf die Position des Kolbens geschlossen wird. Vorteilhaft an einer solchen Messung ist, dass der Einfluss des spezifischen Widerstands p des Elektrolyts, welcher wiederum erheblich von der Temperatur abhängt, eliminiert wird.
Es gilt bei geeigneter Frequenzwahl (so dass Doppelschichtkapazitäten vernachlässigbar sind) näherungsweise: R₂ = xρ/A und R₁=(l-x)ρ/A, wobei A die Elektrodenfläche (auf beiden Seiten des Kolbens als identisch angenommen), x der Abstand der Elektroden in jener Hydraulikkammer, über welche die Spannung gemessen wird, I der Abstand der Elektroden auf der unteren Seite plus dem Abstand der Elektroden auf der oberen Seite und p der spezifische Widerstand des Hydraulikmediums ist.
Daraus folgt wiederum für die Ausgangsspannung U_A: $U_{A} = R_{2} / (R_{1} + R_{2}) \cdot U_{B} = x / l U_{B}$
Man sieht, dass in dieser Formel der spezifische Widerstand p nicht mehr auftaucht.
Hat man, wie im Falle des einfach wirkenden Zylinders, nur ein Elektrodenpaar zur Verfügung, so kann man vorteilhafterweise als zweiten Widerstand eine unveränderliche Referenzkammer mit zwei Elektroden nutzen, durch die das gleiche Hydraulikmedium wie durch den Zylinder geführt wird und die sich auf der gleichen Temperatur befindet. Dadurch würde man ebenfalls eine Kompensation des spezifischen Widerstandes des Hydraulikmediums erreichen.
Ist der Hydraulikzylinder ein doppelt-wirkender Zylinder und werden die Spannungen wie oben beschrieben angelegt, so können die beiden Strecken, über welche die beiden Spannungen in den beiden Hydraulikkammern angelegt werden, vorteilhaft zu einer Brückenschaltung verschaltet sein. Es wird hierbei vorteilhaft eine Gesamtspannung zwischen den beiden Gehäuseelektroden angelegt, wobei dann der Kolben eine gemeinsame Elektrode für beide Strecken darstellt. Es können auch am Kolben beiderseitig getrennte Elektroden angeordnet sein, die elektrisch miteinander kontaktiert sind. Es wird dann vorteilhaft eine Reihenschaltung mit einem ersten und einem zweiten Widerstand parallel zu der Strecke zwischen den Gehäuseelektroden geschaltet. Es kann nun eine Spannung zwischen dem Kolben einerseits und einem Punkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand andererseits gemessen werden. Aus dieser Spannung kann dann auf die Position des Kolbens geschlossen werden.
In allen Ausführungsformen ist es bevorzugt, wenn die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, da diese die Hydraulikflüssigkeit chemisch nicht beeinträchtigt. Darüberhinaus ermöglicht es die Wechselspannung bei geeigneter Wahl der Frequenz vorteilhaft, dass die Doppelschichtkapazitäten an den Elektroden-Hydraulikmedium-Übergängen keinen Einfluss mehr haben und sich eine direkte Proportionalität zwischen Elektrodenabstand und Impedanzbetrag ergibt.
Beispielhaft sei ein Hydraulikzylinder angegeben, mit dem vorteilhafterweise das oben beschriebene Verfahren durchführbar ist. Der Hydraulikzylinder weist ein Zylindergehäuse und einen Kolben auf, in den ein Hydraulikmedium einbringbar ist. Darüber hinaus weist der Hydraulikzylinder eine Kolbenelektrode auf, die gegenüber dem Kolben fest ist sowie zumindest eine Gehäuseelektrode, die an einem gegenüber dem Zylindergehäuse festen Punkt angeordnet ist. Die oben gemachten Ausführungen zur Ausgestaltung des Hydraulikzylinders können hier analog gelten.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Aktors angegeben. Es wird dabei von einem Aktor ausgegangen, der einen Schlauch, ein den Schlauch umgebendes Geflecht und einen Anschluss, über den Hydraulikflüssigkeit in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist, aufweist. Derartige Aktoren können beispielsweise künstliche Muskeln sein. Wird Hydraulikflüssigkeit in den Schlauch eingebracht, so dehnt dieser sich flexibel in radialer Richtung aus. Das umgebende Geflecht bewirkt, dass sich der Schlauch in axialer Richtung verkürzt.
Erfindungsgemäß sind im Inneren des Schlauches eine erste Elektrode an einer ersten Position entlang einer Längsachse des Schlauches angeordnet, und eine zweite Elektrode an einer zweiten, von der ersten verschiedenen Position entlang der Längsachse des Schlauches.
Es wird dann zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt und mittels der Spannung ein Widerstand oder eine Impedanz über die Strecke zwischen den beiden Elektroden bestimmt. Aus dem Widerstand bzw. der Impedanz kann dann auf eine Position des Aktors bzw. auf eine Länge des Aktors geschlossen werden, da zwischen dem Widerstand und der Impedanz zwischen den Elektroden einerseits und dem Abstand zwischen den beiden Elektroden andererseits ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Vorzugsweise sind die Elektroden an gegenüberliegenden Enden des Schlauches angeordnet. Auf diese Weise ist die Wegstrecke in der Hydraulikflüssigkeit, über welche die Spannung angelegt wird, stets maximal und das Messergebnis hat die höchste Genauigkeit. Auch hier kann die Hydraulikflüssigkeit vorteilhaft Kochsalzlösung sein, da diese im Falle einer Leckage medizinisch unbedenklich ist.
Es wird erfindungsgemäß außerdem ein Aktor angegeben, der die besagte Messung erlaubt. Dieser Aktor weist einen Schlauch auf, ein den Schlauch umgebendes Geflecht sowie einen Anschluss, über den Hydraulikflüssigkeit in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist. Der Aktor weist darüber hinaus eine erste Elektrode auf, die an einer ersten Position entlang der Längsachse des Schlauches angeordnet ist und eine zweite Elektrode, die an einer zweiten, von der ersten verschiedenen Position entlang der Längsachse des Schlauches angeordnet ist. Vorteilhafterweise erlaubt der Aktor die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.
Im folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können unter den Beispielen kombiniert werden und unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein.
Es zeigt

1 beispielhaft einen schematischen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem einfach wirkenden Hydraulikzylinder,
2 einen beispielhaften Aufbau zur Durchführung des Verfahrens an einem doppelt wirkenden Hydraulikzylinder mittels eines Spannungsteilers
3 einen beispielhaften Aufbau zur Durchführung des Verfahrens an einem doppelt wirkenden Hydraulikzylinder mittels einer Brückenschaltung,
4 a + 4 b ein Ersatzschaltbild der elektrischen Situation der Messung an einem einfach wirkenden Zylinder sowie die Frequenzabhängigkeit der Impedanz, und
5 einen Versuchsaufbau zur Evaluierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
6 a + 6 b beispielhaft gemessene Impedanzen in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand.

1 zeigt schematisch einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem einfach wirkenden Zylinder 1. Der Zylinder 1 weist ein Zylindergehäuse 2 auf, das eine zylinderförmige Seitenwand sowie Stirnflächen 3a und 3b an gegenüber liegenden Enden des Zylindergehäuses aufweist. Der Zylinder weist außerdem einen Kolben 4 auf, der innerhalb des Zylindergehäuses 2 in Richtung der Zylinderachse verschiebbar ist. Der Kolben 4 ist mit einer Kolbenstange 5 verbunden, über welche bei Verschiebung des Kolbens 4 eine Kraft nach außen übertragbar ist. Der einfach wirkende Zylinder 2 der 1 weist genau eine Hydraulikkammer 6 auf, die mittels des Kolbens 4 gegenüber dem restlichen Innenraum des Zylindergehäuses 2 für die Hydraulikflüssigkeit vorzugsweise dicht abgedichtet wird. Der Hydraulikkammer 6 ist über einen Anschluss 7 Hydraulikflüssigkeit zuführbar oder aus der Hydraulikkammer 6 abführbar.
Im in 1 gezeigten Aufbau ist zwischen der die Hydraulikkammer 6 begrenzenden Stirnfläche 3a und dem Kolben 4 bzw. zwischen an der Stirnseite 3a und/oder dem Kolben 4 angeordneten Elektroden eine Wechselspannung 8 anlegbar. Darüber hinaus ist eine Strommessvorrichtung 9 vorgesehen, mittels welcher ein Stromfluss zwischen den Elektroden, über die eine Spannung in der Hydraulikkammer 6 angelegt wird, messbar ist. Aus der Spannung und dem Strom kann der Widerstand als R = U/I oder die Impedanz berechnet werden. Der derart bestimmte Widerstand oder die derart bestimmte Impedanz ist ein Maß für den Abstand der Elektroden voneinander und damit ein Maß für den Abstand zwischen Stirnseite 3a und Kolben 4, also für die Position des Kolbens im Hydraulikzylindergehäuse 2.
2 zeigt einen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens an einem doppelt-wirkenden Hydraulikzylinder. Wiederum weist der Zylinder ein Zylindergehäuse 2 mit einer zylinderförmigen Mantelfläche und zwei gegenüberliegenden Stirnflächen 3a und 3b auf sowie einen Kolben 4 und eine mit diesem nach außen verbundene Kolbenstange 5. Der doppelt wirkende Hydraulikzylinder weist zwei Hydraulikkammern 6a und 6b auf, die durch den Kolben 4 getrennt sind und durch den Kolben 4 gegeneinander abgedichtet sind. Über eine Öffnung 7a ist Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammer 6a leitbar und aus dieser abführbar und über eine Öffnung 7b ist Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammer 6b leitbar und aus dieser ableitbar.
Im doppelt wirkenden Hydraulikzylinder der 2 ist über zwei Strecken im Inneren des Zylinders eine Spannung anlegbar, nämlich im Inneren der Hydraulikkammer 6a zwischen der diese begrenzenden Stirnwand 3a und dem Kolben 4 sowie andererseits im Inneren der Hydraulikkammer 6b zwischen der diese begrenzenden Stirnwand 3b und dem Kolben 4. Hierzu sind Elektroden am Kolben und den Stirnwänden angeordnet.
In 2 ist eine Spannung zwischen dem Kolben 4 und einer der Elektroden, hier der Elektrode der Stirnwand 3a, messbar. Die Verschaltung des Kolbens bildet hier eine Halbbrücke bzw. einen Spannungsteiler.
3 zeigt einen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens an einem doppelt-wirkenden Hydraulikzylinder. Wiederum weist der Zylinder ein Zylindergehäuse 2 mit einer zylinderförmigen Mantelfläche und zwei gegenüberliegenden Stirnflächen 3a und 3b auf sowie einen Kolben 4 und eine mit diesem nach außen verbundene Kolbenstange 5. Der doppelt wirkende Hydraulikzylinder weist zwei Hydraulikkammern 6a und 6b auf, die durch den Kolben 4 getrennt sind und durch den Kolben 4 gegeneinander abgedichtet sind. Über eine Öffnung 7a ist Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammer 6a leitbar und aus dieser abführbar und über eine Öffnung 7b ist Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammer 6b leitbar und aus dieser ableitbar.
Im doppelt wirkenden Hydraulikzylinder der 3 ist über zwei Strecken im Inneren des Zylinders eine Spannung anlegbar, nämlich im Inneren der Hydraulikkammer 6a zwischen der diese begrenzenden Stirnwand 3a und dem Kolben 4 sowie andererseits im Inneren der Hydraulikkammer 6b zwischen der diese begrenzenden Stirnwand 3b und dem Kolben 4. Hierzu sind Elektroden am Kolben und den Stirnwänden angeordnet.
Die Spannungen könnten einzeln ausgelesen und miteinander verrechnet werden. Im in 3 gezeigten Beispiel sind die beiden Strecken in der Hydraulikkammer 6a und 6b jedoch zu einer Brückenschaltung verschaltet, wobei mittels einer Wechselspannungsquelle 8 eine Gesamtspannung zwischen den beiden Stirnwänden 3a und 3b angelegt wird. Parallel zur Strecke zwischen den beiden Stirnwänden 3a und 3b ist eine Reihenschaltung zweier Widerstände R₁ und R₂ geschaltet. Die Gesamtspannung der Wechselspannungsquelle 8 fällt also über der Reihenschaltung aus den Widerständen R₁ und R₂ ab. Es kann in dieser Schaltung nun mittels einer Spannungsmessvorrichtung 10 eine Spannung als Maß für die Position des Kolbens 4 gemessen werden. Dabei ist die Spannungsmessvorrichtung 10 zwischen dem Kolben 4 einerseits und zwischen den Widerständen R₁ und R₂ andererseits elektrisch angeschlossen.
Das System mit zwei Elektroden und einem dazwischenliegenden Elektrolyt lässt sich wie in 4, linkes Teilbild, gezeigt modellieren. Dabei können die Elektroden jeweils als eine Parallelschaltung eines Innenwiderstandes 11a, 11b, als R_P bezeichnet, und einer Kapazität 12a, 12b, als C_DS bezeichnet, modelliert werden. Die Kapazität C_DS ist hier die Doppelschichtkapazität am Übergang zwischen Elektrode und Hydraulikmedium. Das Hydraulikmedium wirkt hierbei als Elektrolyt für die Kapazität. Über diesen Parallelschaltungen fällt jeweils eine Spannung U_P1 und eine Spannung U_P2 ab. Der Elektrolyt wird im gezeigten Modell über seinen Widerstand 13, als R_elek bezeichnet, modelliert. Ein Messgerät 14 ist der Gesamtstrecke aus Elektrode, Elektrolyt und Elektrode parallel geschaltet. Darüber hinaus ist eine Gesamtkapazität C_geom, 15, parallel geschaltet, die jene Kapazität repräsentiert, die aufgrund der geometrischen Anordnung der Elektroden entsteht. Das Messgerät 14 kann hier ein Impedanzmessgerät sein, beispielsweise mit integrierter Spannungsquelle und Strommessung.
4a ist der Veröffentlichung E. Spiller, „Entwicklung einer neuartigen elektronischen 1536-er Mikrotiterplatte zur Bestimmung der Biomasse im Hochdurchsatz,“ Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2006, entnommen.
4b zeigt die Abhängigkeit der Impedanz von der Frequenz der angelegten Spannung, wobei von einem elektrisch leitfähigen Hydraulikmedium ausgegangen wird. Es ist allgemein möglich, erfindungsgemäß die Impedanz Z der Strecke Elektrode, Elektrolyt, Elektrode zu messen. Aus dem rechten Teilbild der 3 ist jedoch zu erkennen, dass vorteilhaft die Frequenz zwischen den beiden eingezeichneten vertikalen Linien gewählt wird. In diesem Falle spielen die Kapazitäten C_DS und C_geom keine Rolle. Bei konstantem Querschnitt des Zylinders gilt für den elektrischen Widerstand des Elektrolyts R_elek näherungsweise R_elek = $\frac{P e l e k \cdot d}{A}$
wobei A die Querschnittsfläche des Zylinders, d der Abstand zwischen A den Elektroden (also der Weg) und ρ_elek der spezifische Widerstand des Elektrolyts ist. Die Größe ρ_elek hängt von der lonenkonzentration und Beweglichkeit der Ionen im Elektrolyt ab.
Wird also die Frequenz im genannten Bereich gewählt, so ist eine Messung des ohmschen Widerstands über die Strecke zwischen den Elektroden zur Bestimmung der Position des Kolbens hinreichend.
5 zeigt einen Versuchsaufbau zur Evaluierung des resistiven Wegmesssystems. Als Hydraulikzylinder diente hier eine handelsübliche Spritze 16, wobei eine Elektrode am Kolben 4 der Spritze 16 angeordnet war und eine Elektrode an einer Unterseite 3a der Spritze. Die Spritze 16 war an ihrem unteren Ende 3a mittels einer Schlauchleitung 18 mit einer zweiten Spritze 17 verbunden, die als Aufnahmegefäß für die Hydraulikflüssigkeit diente. Die verwendete Hydraulikflüssigkeit war Kochsalzlösung.
6 zeigt gemessene Impedanzen in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand bei einer Frequenz von 20 kHz. Die NaCI-Konzentration der Hydraulikflüssigkeit betrug in 6a 0,1 g/100 ml und in 6b 0,7 g/100 ml. Es ist zu erkennen, dass in beiden Fällen jeder gemessenen Impedanz Z eindeutig ein Abstand d zwischen Elektroden zuordenbar ist. Die gemessene Impedanz kann also als Maß für den Elektrodenabstand bzw. die Position des Kolbens 4 verwendet werden.
Wie beschrieben kann bei geeigneter Wahl der Frequenz als Messgröße auch der ohmsche Widerstand R verwendet werden, wenn die Frequenz so gewählt wird, dass die auftretenden Kapazitäten, wie 3 zeigt, keine Rolle spielen. Die konkrete Wahl der Frequenz hängt dabei von den Beschaffenheiten des verwendeten Hydraulikzylinders ab. Ihre Bestimmung liegt aber im Bereich fachüblichen Handelns.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Kolbens in einem einfach wirkenden Hydraulikzylinder, wobei an eine Hydraulikflüssigkeit in einer Hydraulikkammer des Hydraulikzylinders eine Spannung zwischen einer gegenüber dem Kolben festen Kolbenelektrode und einer gegenüber einem Zylindergehäuse des Hydraulikzylinders festen Gehäuseelektrode angelegt wird, wobei außerdem eine Spannung in einer unveränderlichen Referenzkammer mit zwei Elektroden, durch die die gleiche Hydraulikflüssigkeit wie durch den Hydraulikzylinder geführt wird und die sich auf einer gleichen Temperatur befindet, angelegt wird, wobei die beiden Strecken, über welche die beiden Spannungen in den beiden Kammern angelegt werden, zu einem Spannungsteiler verschaltet sind, und wobei aus einer aus diesen Spannungen resultierenden elektrischen Größe auf die Position des Kolbens geschlossen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrische Größe ein Widerstand und/oder eine Impedanz zwischen der Kolbenelektrode und der Gehäuseelektrode ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kolbenelektrode durch den Kolben gebildet wird und/oder die Gehäuseelektrode unmittelbar an einer Stirnseite des Hydraulikzylinders, welche die Hydraulikkammer begrenzt, angeordnet ist oder die Stirnseite ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hydraulikflüssigkeit Kochsalzlösung enthält oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Frequenz der Wechselspannung so gewählt wird, dass zur Änderung der Impedanz zwischen den Elektroden mit Änderung des Abstandes nur der ohmsche Widerstand zwischen den Elektroden beiträgt.
Verfahren, mit dem die Position eines Aktors bestimmt wird, der einen Schlauch, ein den Schlauch umgebendes Geflecht und einen Anschluss, über den Hydraulikflüssigkeit in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist, aufweist, und der weiter eine erste Elektrode, die an einer ersten Position entlang einer Längsachse des Schlauches angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die an einer zweiten, von der ersten verschiedenen, Position entlang der Längsachse des Schlauches angeordnet ist, aufweist, wobei zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt wird und mittels der Spannung ein Widerstand über die Strecke zwischen den beiden Elektroden bestimmt wird und aus dem Widerstand auf eine Position des Aktors geschlossen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste und die zweite Elektrode an gegenüberliegenden Enden des Schlauches angeordnet sind.
Aktor der einen Schlauch, ein den Schlauch umgebendes Geflecht und einen Anschluss, über den Hydraulikflüssigkeit in den Schlauch einbringbar ist und/oder aus dem Schlauch ableitbar ist, aufweist, und der weiter eine erste Elektrode, die an einer ersten Position entlang einer Längsachse des Schlauches angeordnet ist, und eine zweite Elektrode, die an einer zweiten, von der ersten verschiedenen, Position entlang der Längsachse des Schlauches angeordnet ist, aufweist, wobei mit dem Aktor ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8 durchführbar ist.