DE102014214414B3 - Ultrasonic sensor for detecting a piston in a cylinder - Google Patents
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Abstract
Ultraschallsensor zur Erkennung eines Kolbens 1 in einem Zylinder 2 mit einem außen am Zylinder befestigten Ultraschallwandler 3 und einer Auswerteeinheit 4 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei der Ultraschallwandler 3 ein Sendesignal 5 aussendet und ein Echosignal 6 empfängt, die Auswerteeinheit 4 das Echosignal 6 auswertet und ein binäres Schaltsignal erzeugt, wobei die Auswertung durch Vergleich des aktuellen Echosignals 6 mit einem bekannten Signalverlauf erfolgt, wobei das Echosignal 6 in mindestens zwei bekannten Kolbenstellungen N-mal gemessen wird, wobei eine aus den N Messungen ausgewählte Anzahl von n Messwerten jeweils einen Prototypenvektor bilden, wobei aus einem aktuellen Echosignal 6 ein Signalvektor mit n Messwerten gebildet wird, wobei die Ähnlichkeit des aktuellen Signalvektors zu allen Prototypen bewertet wird und ein binäres Schaltsignal in Abhängigkeit von dieser Bewertung erzeugt wird.Ultrasonic sensor for detecting a piston 1 in a cylinder 2 with an externally mounted on the cylinder ultrasonic transducer 3 and an evaluation unit 4 for generating a binary switching signal, the ultrasonic transducer 3 emits a transmission signal 5 and receives an echo signal 6, the evaluation unit 4, the echo signal 6 evaluates and a binary switching signal is generated, wherein the evaluation is carried out by comparing the current echo signal 6 with a known waveform, wherein the echo signal 6 is measured N times in at least two known piston positions, wherein a selected from the N measurements number of n measured values each form a prototype vector in which a signal vector having n measured values is formed from a current echo signal 6, wherein the similarity of the current signal vector to all prototypes is evaluated and a binary switching signal is generated as a function of this evaluation.
Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Erkennung eines Kolbens in einem Zylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an ultrasonic sensor for detecting a piston in a cylinder according to the preamble of
Die am weitesten verbreitete Messmethode zur Erkennung der Kolbenposition ist sicherlich die magnetische. Sie arbeitet sicher und zuverlässig, erfordert aber die Magnetisierung des Kolbens oder die Befestigung eines Magneten im oder am Kolben und versagt bei ferromagnetischen Zylinderwandungen.The most common measurement method for detecting the piston position is certainly the magnetic. It works safely and reliably, but requires the magnetization of the piston or the attachment of a magnet in or on the piston and fails in ferromagnetic cylinder walls.
In diesen Fällen bietet sich die ebenfalls seit langem bekannte Ultraschallmessung an, die lediglich einen leicht auch nachträglich an der äußeren Zylinderwand zu befestigenden Ultraschallwandler (Transducer) und eine allerdings etwas aufwändigere elektronische Auswerteschaltung erfordert.In these cases, the also known for a long time ultrasound measurement, which requires only a slightly later to be attached to the outer cylinder wall ultrasonic transducer (transducer) and a somewhat more complicated electronic evaluation circuit.
Die
Die Auswerteeinheit enthält einen einstellbaren Verstärker und einen Komparator zum Vergleich der reflektierten Signale mit einem Schwellenwert.The evaluation unit includes an adjustable amplifier and a comparator for comparing the reflected signals with a threshold value.
Ausgewertet wird der Flächeninhalt zweier zeitlicher Erwartungsbereiche, deren zeitlicher Abstand zu den Ultraschallimpulsen in Abhängigkeit vom Zylinderdurchmesser eingestellt werden muss, wobei der in Frage kommende Zeitbereich etwa 5000 µs beträgt.The surface area of two temporal expectation ranges, whose time interval to the ultrasound pulses must be set as a function of the cylinder diameter, is evaluated, the time range in question being approximately 5000 .mu.s.
Als nachteilig wird einerseits die erforderliche manuelle Einstellung des Zeitbereichs und der damit verbundene Einsatz von qualifiziertem Fachpersonal und andererseits die in komplexen Anwendungsfällen unzureichende Unterscheidungskraft der Hüllkurven bei den zu detektierenden Kolbenstellungen angesehen.On the one hand, the required manual adjustment of the time range and the associated use of qualified specialist personnel and, on the other hand, the insufficient distinguishing power of the envelopes in the piston positions to be detected are regarded as disadvantageous.
Die
Problematisch ist auch hier die in manchen Fällen, insbesondere zur Unterscheidung mehrerer Kolbenstellungen und bei komplexen Zylinder-Geometrien, nicht immer ausreichende Unterscheidungskraft.The problem here is sometimes in some cases, especially for distinguishing multiple piston positions and complex cylinder geometries, not always sufficient distinctiveness.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Insbesondere sollen mehrere Kolbenstellungen mit größerer Sicherheit unterschieden werden.The object of the present invention is to further improve the state of the art. In particular, several piston positions are to be distinguished with greater certainty.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Unteranspruch betrifft die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.This object is achieved with the characterizing features of
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, das Echosignal in mindestens zwei bekannten Kolbenstellungen mit N Abtastpunkten zu erfassen und mit einer aus den N Werten ausgewählten Anzahl von n Messwerten jeweils einen Prototypenvektor zu bilden, wobei jede Kolbenstellung einem Prototypen entspricht. Diese Prototypenvektoren können eingegeben oder eingelernt und im Ultraschallsensor abgelegt werden.The essential idea of the invention consists in detecting the echo signal in at least two known piston positions with N sampling points and in each case forming a prototype vector with a number of n measured values selected from the N values, each piston position corresponding to a prototype. These prototype vectors can be entered or taught in and stored in the ultrasonic sensor.
Zur Messung wird aus dem aktuellen Echosignal ein Signalvektor mit n Messwerten gebildet und der ähnlichste Prototypenvektor ausgewählt. Abhängig vom ausgewählten Prototyp wird dann ein binäres Schaltsignal erzeugt. Natürlich kann auch die Position des ähnlichsten Prototyps ausgegeben werden.For the measurement, a signal vector with n measured values is formed from the current echo signal and the most similar prototype vector is selected. Depending on the selected prototype, a binary switching signal is generated. Of course, the position of the most similar prototype can also be output.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Auswahl des Prototypen der Signalvektor von mindestens zwei vorliegenden Prototypenvektoren subtrahiert, die Beträge der entstehenden Differenzvektoren als Koordinaten in einen Merkmalsraum abgebildet, wobei die Dimension des Merkmalsraumes der Anzahl der zu detektierenden Kolbenstellungen entspricht, und der Prototyp durch Klassifizierung im mindestens zweidimensionalen Merkmalsraum gewählt.In an advantageous embodiment, to select the prototype, the signal vector of at least two prototype vectors present is subtracted, the amounts of the resulting difference vectors are mapped as coordinates into a feature space, the dimension of the feature space corresponding to the number of piston positions to be detected, and the prototype by classification in at least two-dimensional feature space selected.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mehre Kolbenstellungen besser unterschieden werden können.The advantage of the invention is that several piston positions can be better distinguished.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.
Die
An der Frontseite des Ultraschallsensors ist ein Ultraschallwandler
Die
Oben links ist die Differenz zwischen einem ersten Prototypenvektor für den Prototyp „Kolben anwesend“ und einem für diese Situation gemessenen Signalvektor dargestellt. Die Unterschiede sind erwartungsgemäß am geringsten. Die Summe über alle Differenzwerte ist demzufolge entsprechend klein. In einer möglichen Umsetzung beträgt diese ca. 2,5 mV.At the top left is the difference between a first prototype vector for the prototype "piston present" and a signal vector measured for this situation. The differences are expected to be the lowest. The sum over all difference values is therefore correspondingly small. In a possible implementation, this is about 2.5 mV.
Oben rechts ist die Differenz zwischen dem genannten ersten Prototypenvektor und einem bei abwesendem Kolben gemessenen zweiten Signalvektor dargestellt. In diesem Fall ist der Unterschied erwartungsgemäß deutlich höher. Hier beträgt die Summe über alle Differenzwerte ca. 15 mV.At the top right is the difference between said first prototype vector and a second signal vector measured when the piston is absent. In this case, the difference is expected to be much higher. Here the sum over all difference values is approx. 15 mV.
Unten links ist die Differenz zwischen einem zweiten Prototypenvektor, diesmal für den Prototyp „Kolben abwesend“, und einem typischen Signalvektor für den anwesenden Kolben dargestellt. Hier beträgt die Summe über alle Differenzwerte ca. 13 mV.At the bottom left is the difference between a second prototype vector, this time for the prototype "piston absent", and a typical signal vector for the present piston. Here the sum over all difference values is approx. 13 mV.
Unten rechts ist die Differenz zwischen dem zweiten Prototypenvektor, d.h. wieder für den Prototyp „Kolben abwesend“, und einem gemessenen Signalvektor bei abwesendem Kolben dargestellt. Hier beträgt die Summe über alle Differenzwerte ca. 6 mV.Bottom right is the difference between the second prototype vector, i. again shown for the prototype "piston absent", and a measured signal vector at absent piston. Here the sum over all difference values is approx. 6 mV.
Selbstverständlich ist hier die Summe der Beträge der Differenzwerte, die Wurzel aus ihrer Quadratsumme oder eine ähnliche vom Vorzeichen unabhängige Größe zu betrachten. Of course, here is the sum of the amounts of the difference values, the root of their sum of squares or a similar magnitude independent of the sign to consider.
Die
Hier ist die Summe der Differenzen (erster Prototypenvektor – erster Signalvektor) die Abszisse und die Summe der Differenzen (zweiter Prototypenvektor – zweiter Signalvektor) die Ordinate.Here, the sum of the differences (first prototype vector - first signal vector) the abscissa and the sum of the differences (second prototype vector - second signal vector) is the ordinate.
Jeder neue Prototyp würde den Klassifizierungsraum um eine Dimension erweitern. Die absoluten Beträge der Differenzen zwischen dem Prototypenvektor und dem Signalvektor ergeben die Koordinaten. Mit den oben genannten Zahlenwerten erhält man die in der
Die Abstände zu den Prototypenvektoren liegen in der Größenordnung zwischen 10 und 20 mV und ermöglichen so eine vergleichsweise sichere Entscheidung über die Anwesenheit des Kolbens
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kolben piston
- 22
- Zylinder cylinder
- 33
- Ultraschallwandler ultrasound transducer
- 44
- Steuer- und Auswerteeinheit Control and evaluation unit
- 55
- Sendesignal send signal
- 66
- Echosignal echo signal
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014214414.0A DE102014214414B3 (en) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Ultrasonic sensor for detecting a piston in a cylinder |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102014214414.0A DE102014214414B3 (en) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Ultrasonic sensor for detecting a piston in a cylinder |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102014214414B3 true DE102014214414B3 (en) | 2015-05-28 |
Family
ID=53045751
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102014214414.0A Active DE102014214414B3 (en) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Ultrasonic sensor for detecting a piston in a cylinder |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE102014214414B3 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005005965A1 (en) * | 2005-02-09 | 2006-08-17 | SONOTEC Dr. zur Horst-Meyer & Münch oHG | Ultrasonic compact sensor device for detecting pistons in hydraulic systems has ultrasonic sensor, fastened at cylinder from outside whereby several ultrasonic impulses are produced by ultrasonic sensor after electronic excitation |
DE102007062782A1 (en) * | 2006-12-27 | 2009-04-02 | SONOTEC Dr. zur Horst-Meyer & Münch oHG | Proximity detector for use in piston or scrapper detection device utilized in liquid pipeline, has output device outputting communication signal during generation of predetermined signal form |
-
2014
- 2014-07-23 DE DE102014214414.0A patent/DE102014214414B3/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102005005965A1 (en) * | 2005-02-09 | 2006-08-17 | SONOTEC Dr. zur Horst-Meyer & Münch oHG | Ultrasonic compact sensor device for detecting pistons in hydraulic systems has ultrasonic sensor, fastened at cylinder from outside whereby several ultrasonic impulses are produced by ultrasonic sensor after electronic excitation |
DE102007062782A1 (en) * | 2006-12-27 | 2009-04-02 | SONOTEC Dr. zur Horst-Meyer & Münch oHG | Proximity detector for use in piston or scrapper detection device utilized in liquid pipeline, has output device outputting communication signal during generation of predetermined signal form |
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