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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder mittels eines Ultraschallverfahrens.
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Für die automatisierte Steuerung von Hydrauliksystemen ist die genaue Kenntnis der Position des Kolbens in den Hydraulikzylindern erforderlich.
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Es sind Lösungen zur Positionsbestimmung bekannt, bei denen Ultraschallsignale ausgesendet und empfangen werden und aus den ermittelten Laufzeiten der Ultraschallsignale die Positionsbestimmung des Kolbens errechnet wird.
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Hierfür werden Wandler (Ultraschallsender und Ultraschallempfänger) an der Stirnfläche des Zylinders angeordnet, welche Ultraschallsignale senden. Die gesendeten Ultraschallsignale breiten sich parallel zur Zylinderachse in der Flüssigkeit aus, wonach sie senkrecht auf den Kolben auftreffen. An der Kolbenunterseite werden die Ultraschallsignale zur Stirnfläche zurückreflektiert und dort mit dem gleichen oder einem zweiten Wandler empfangen. Aus den gemessenen Laufzeiten wird dann die Position des Kolbens ermittelt.
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Im praktischen Betrieb haben sich diese Verfahren jedoch nicht bewährt, da die auszuwertenden Signale durch die schnelle Bewegung des Kolbens im Zylinderinneren und damit entstehenden Wirbelbildung in der Flüssigkeit oder durch Verschmutzungen und/oder Schaumbildung im Behälterinneren in ihrer Form und der Laufzeit so stark gestört werden können, dass die häufig geforderte Genauigkeit für die Positionsbestimmung des Kolbens im Zylinder nicht erreicht werden kann.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder mit einer verbesserten Genauigkeit zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten
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- a. Erzeugen von Ultraschallpulsen in der Außenwand oder der Innenseite der Außenwand des Zylinders mit wenigstens einem Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen,
- b. Empfangen von Ultraschallsignalen mit wenigstens einem Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen,
- c. Bestimmen der Position des Kolbens in dem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder unter Berücksichtigung
– der Ausbreitung der in Schritt a. erzeugten Ultraschallpulse entlang des Zylinders,
– Auskopplung der Ultraschallpulse bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders als Leaky-Wellen,
– Reflexion der Leaky-Wellen an der Kolbenunterseite,
– Einkopplung der reflektierten Leaky-Wellen als Ultraschallpulse in die Außenwand oder die Innenseite der Außenwand des Zylinders und
– Empfangen der eingekoppelten Ultraschallsignale gemäß Schritt b.,
– Ermitteln der Laufzeiten der eingekoppelten Ultraschallsignale.
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Die Flüssigkeit in dem Zylinder kann jegliche Art von Fluid, insbesondere Hydraulikflüssigkeiten wie Hydrauliköle auf Mineralölbasis oder auf Basis nachwachsender Rohstoffe, Wasser, Suspensionen oder Dergleichen sein.
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Der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen kann hierbei an der Außenwand des Zylinders oder aber im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sein.
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Der Zylinder ist als Festkörper ausgebildet, welcher aus Metall, einer Metalllegierung oder Kunststoffen gefertigt ist.
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Im Falle dass der Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen an der Außenwand des Zylinders angeordnet ist, ist vorgesehen, dass der Sender im unteren oder oberen Randbereich des Zylindermantels angeordnet ist.
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Ist der Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet, ist vorgesehen, dass der Sender derart Ultraschallpulse erzeugt, so dass sich diese entlang des Innenwandbereichs des Zylindermantels ausbreiten.
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Der Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen ist derart ausgelegt, dass er Plattenwellen (Lamb-Wellen) oder Oberflächenwellen (Rayleigh-Wellen) erzeugt. Die erzeugten Lamb-Wellen oder Rayleigh-Wellen breiten sich, da der Sender gerichtete Ultraschallpulse aussendet, entlang des Zylinders in Richtung des Kolbens aus.
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Wenn die Lamb-Wellen oder die Rayleigh-Wellen mit Flüssigkeit auf der Innenseite des Zylinders in Kontakt treten, werden sogenannte Leaky-Wellen (Leaky-Lamb-Wellen oder Leaky-Rayleigh-Wellen) in die Flüssigkeit ausgekoppelt. Diese Leaky-Wellen werden mit einem Winkel zwischen einem und 90° gegenüber der Zylinderwand in die Flüssigkeit eingekoppelt und breiten sich in dieser aus (in Richtung des Kolbens).
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Wenn die Leaky-Wellen auf die Kolbenunterseite treffen, werden diese spiegelnd reflektiert.
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Die reflektierten Leaky-Wellen werden daraufhin als Ultraschallpulse in die Außenwand oder die Innenseite der Außenwand des Zylinders eingekoppelt.
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Diese eingekoppelten Ultraschallpulse können dann als Ultraschallsignale von einem Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen empfangen werden.
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Da sowohl der Sender, als auch der Empfänger mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung verbunden ist, können die Laufzeiten (Zeitdifferenz der Wellen zwischen dem Sender und dem Empfänger) ermittelt und ausgewertet werden. Die ermittelten Laufzeiten korrelieren mit der Position des Kolbens in dem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder.
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Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber gängigen Verfahren ist, dass der größte Teil des Ausbreitungsweges im Festkörper und nicht in der Flüssigkeit stattfindet und wesentlich geringere Einflüsse durch Temperatur, Wirbelbildung und Blasenbildung in der Flüssigkeit die Genauigkeit des Messergebnisses beeinflussen.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Signalstärken der eingekoppelten Ultraschallpulse in Abhängigkeit der Laufzeiten ermittelt werden.
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Die Ermittlung der Signalstärken ist insbesondere für die Funktionskontrolle des Messverfahrens, insbesondere der Ultraschallwandler, vorteilhaft.
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Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und wenigstens einen Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen umfasst, wobei der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger an der Außenwand des Zylinders oder im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sind und die Vorrichtung Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung umfasst, durch die der wenigstens eine Sender ansteuerbar und die vom wenigstens einen Empfänger empfangenen Signale auswertbar sind, gelöst.
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Es ist zu der Erfindung gehörig, dass der Zylinder oder Behälter als Festkörper ausgebildet ist, welcher aus Metall, einer Metalllegierung oder Kunstoffen gefertigt ist.
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Der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen ist derart ansteuerbar, dass er sowohl Lamb-Wellen als auch Rayleigh-Wellen erzeugen kann. Der wenigstens eine Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen empfängt die akustischen Wellen und wandelt diese in elektrische Signale um.
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Der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger können in einem Gehäuse angeordnet sein oder aber auch separiert vorliegen.
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Die Vorrichtung mit dem Empfänger und dem Sender kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Es ist hierbei vorgesehen, dass die Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung verbunden werden kann. Dies erfolgt über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit der Ansteuer- und Auswertevorrichtung. Durch diese Anordnung ist die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über die Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit der Ansteuer- und Auswertevorrichtung sowohl mit dem Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen als auch mit dem Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen verbunden, wodurch der wenigstens eine Sender ansteuerbar und die vom wenigstens einen Empfänger empfangenen Signale auswertbar sind.
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Bei einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger der Vorrichtung an der Außenwand des Zylinders angeordnet sind und der wenigstens eine Sender Lamb-Wellen in der Außenwand des Zylinders erzeugt, wobei die Lamb-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders als Leaky-Wellen in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen an der Kolbenunterseite reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen als Ultraschallpulse in die Außenwand des Zylinders eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt.
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Eine weitere Ausführungsform sieht erfindungsgemäß vor, dass der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger der Vorrichtung im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet sind und der wenigstens eine Sender Rayleigh-Wellen entlang der Innenseite der Außenwand des Zylinders erzeugt, wobei die Rayleigh-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders als Leaky-Wellen in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen an der Kolbenunterseite reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen als Ultraschallpulse in die Außenwand oder die Innenseite der Außenwand des Zylinders eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt.
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Es ist zu der Erfindung gehörig, dass der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen ein erster Wandler und der wenigstens Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen ein zum ersten Wandler beabstandeter zweiter Wandler ist.
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Durch diese Anordnung wird erreicht, dass der Sender und der Empfänger nebeneinander oder beabstandet zueinander angeordnet werden können. Beispielsweise kann der Sender auf einer Seite der Außenwand des Zylinders angeordnet sein und der Empfänger auf der gegenüberliegenden Seite der Außenwand. Ebenso ist vorstellbar, dass der Sender auf der Zylinderunterseite angeordnet ist und der Empfänger auf der Mantelfläche des Zylinders.
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Alternativ ist ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen, dass der wenigstens eine Sender zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und der wenigstens eine Empfänger zum Empfangen von Ultraschallsignalen ein Wandler ist, der derart ansteuerbar ist, dass er sowohl senden als auch empfangen kann.
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Hierbei wird der Wandler im Multiplexbetrieb abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet.
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Es ist zu der Erfindung gehörig, dass die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung mit der Vorrichtung verbunden ist und die Ansteuer- und Auswertevorrichtung ebenfalls mit einem an oder in dem Zylinder positionierten Temperaturmessfühler verbunden ist.
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Dies ist vorteilhaft, da die Laufzeiten von Ultraschallwellen temperaturabhängig sind. Durch die Anordnung eines Temperaturmessfühlers können auf Temperaturschwankungen zurückzuführende Änderungen der Laufzeiten mit der Ansteuer- und Auswertevorrichtung entsprechend einem durch den Temperaturmessfühler genommenen Messwert ausgeglichen werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ansteuer- und Auswertevorrichtung über Verbindungsmittel zum Verbinden der Vorrichtung mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung mit der Vorrichtung verbunden ist und die Ansteuer- und Auswertevorrichtung und der wenigstens eine Sender zusammen zur Erzeugung von Ultraschallsignalen mit einer Frequenz von 50 kHz bis 2 MHz, vorzugsweise von 100 bis 400 kHz ausgebildet sind. Die genaue gewählte Frequenzwahl richtet sich nach Wandstärke und Werkstoff des Zylinders.
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Es ist weiterhin zu der Erfindung gehörig, dass der Zylinder ein Hydraulikzylinder ist.
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In Hydraulikzylinder wird die Energie aus der Hydraulikflüssigkeit, die von einem hydraulischen Druckspeicher oder einer Hydraulikpumpe geliefert wird, in eine einfach steuerbare, geradlinig wirkende Kraft umgesetzt. Hydraulikzylinder werden bei Baggern, Baukränen, Robotern usw. eingesetzt, wobei die genaue Kenntnis der Position des Hydraulikzylinders für die automatisierte Steuerung eine wichtige Voraussetzung ist.
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Nachfolgend werden Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand von Zeichnungen beispielhaft näher, aber nicht darauf beschränkt, beschrieben. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf der Außenwand eines Hydraulikzylinders angeordnet ist, in schematischer Schnittdarstellung,
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf im Bereich der Außenwand an der Stirnfläche eines Hydraulikzylinders angeordnet ist, in schematischer Schnittdarstellung,
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3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf der Außenwand eines Hydraulikzylinders angeordnet ist und wobei der Kolben in dem Hydraulikzylinder auf einer eingetauchten Position dargestellt ist, in schematischer Schnittdarstellung,
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4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf der Außenwand eines Hydraulikzylinders angeordnet ist und wobei der Kolben in dem Hydraulikzylinder auf einer herausgezogenen Position dargestellt ist, in schematischer Schnittdarstellung,
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5 ein Diagramm, aus dem die direkte Abhängigkeit der Laufzeit der Ultraschallpulse [μs] in einem Hydraulikzylinder von der Position des Stempels (Unterseite des Kolbens) ersichtlich ist.
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In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Positionsbestimmung eines Kolbens 1b in einem mit Flüssigkeit 1c befüllten Zylinder 1 schematisch in Schnittdarstellung dargestellt.
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Die Vorrichtung 2 umfasst wenigstens einen Sender 3 zum Erzeugen von Ultraschallpulsen und wenigstens einen Empfänger 4 zum Empfangen von Ultraschallsignalen. Wie dargestellt, sind der wenigstens eine Sender 3 und der wenigstens eine Empfänger 4 an der Außenwand 1a des Zylinders 1 angeordnet. Die Vorrichtung 1 ist hierbei zweiteilig ausgebildet und durch Verbindungsmittel (nicht dargestellt) mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung (beispielsweise ein Computer, nicht dargestellt) derart verbunden, so dass der wenigstens eine Sender 3 ansteuerbar und die vom wenigstens einen Empfänger 4 empfangenen Signale auswertbar sind.
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Der Sender 3 erzeugt Lamb-Wellen 5 in der Außenwand 1a des Zylinders 1, wobei die Lamb-Wellen 5 bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders 1 als Leaky-Wellen 6 in die Flüssigkeit abstrahlen. Wie dargestellt, werden die in die Flüssigkeit abstrahlenden Leaky-Wellen 6 an der Kolbenunterseite 7 spiegelnd reflektiert. Optimaler Reflexionspunkt ist hierbei die Mitte 7a der Unterseite des Kolbens 1b. Werden die Leaky-Wellen 6 in der Mitte 7a der Kolbenunterseite spiegelnd reflektiert, werden die Leaky-Wellen 6 gegenüber der Kolbenunterseite 7 reflektiert und können daraufhin direkt (ohne weitere Reflexion an einer der Innenseiten des Zylinders) als Ultraschallpulse in die Außenwand 1a des Zylinders 1 eingekoppelt werden. Die eingekoppelten Ultraschallpulse 5 breiten sich daraufhin in Richtung des unteren Bereichs des Zylinders 1 aus und werden von dem wenigstens einen Empfänger 4 empfangen. Natürlich können auch Ultraschallsignale 5 von dem Empfänger 4 empfangen werden, wenn die Leaky-Wellen mehr als einmal in dem Zylinder reflektiert wurden. Die zugehörigen Mehrfachsignale werden durch Mustererkennung ausgewertet.
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In 2 ist eine weitere Anordnung der Vorrichtung 2 an einem Hydraulikzylinder 1 dargestellt. Hierbei ist der wenigstens eine Sender 3 und der wenigstens eine Empfänger 4 der Vorrichtung 2 im Wandbereich des Zylinderbodens angeordnet. Vorteilhafterweise ist der Sender 3 so positioniert, dass er Rayleigh-Wellen entlang der Innenseite der Außenwand 1a des Zylinders 1 erzeugt, wobei die Rayleigh-Wellen bei Flüssigkeitskontakt auf der Innenseite des Zylinders 1 als Leaky-Wellen 6 in die Flüssigkeit abstrahlen, wobei die Leaky-Wellen 6 an der Kolbenunterseite 7 reflektiert werden und die reflektierten Leaky-Wellen 6 als Ultraschallpulse in die Außenwand 1a des Zylinders 1 eingekoppelt werden und der wenigstens eine Empfänger 4 die eingekoppelten Ultraschallsignale empfängt. Der dargestellte Empfänger 4 kann hierbei Signale empfangen, die als Rayleigh-Wellen oder als Lamb-Wellen eingekoppelt wurden.
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In den 3 bis 5 ist dargestellt, wie sich die Laufzeiten (5 + 6 + 5) der vom Sender 3 erzeugten Ultraschallpulse 5 und vom Empfänger 4 empfangenen Ultraschallsignale der Vorrichtung 2 mit Positionsänderung im Zylinder 1 ändert.
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In 3 ist der Kolben bzw. Stempel 1b in dem Zylinder 1 eingetaucht. Dementsprechend ist die gemessene Laufzeit der Ultraschallpulse kleiner als im Vergleich zu dem in 4 dargestellten Beispiel, bei dem der Kolben bzw. Stempel herausgezogen ist.
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Die übrigen genannten Merkmale entsprechen von ihrer Bezeichnung den Merkmalen, die in 1 beschrieben wurden.
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In 5 ist die Laufzeit [μs] über der Stempelposition [mm] für einen Testversuch dargestellt. Durch Auswertung (lineare Regression) der gemessenen Laufzeiten ergibt sich für den Testversuch für die Bestimmung der Stempelposition die folgende Formel: Laufzeit [μs] = 0,63432·Stempelposition [mm] + 70,653, wobei R2 = 0,9999 ist. R2 ist das Gütemaß der linearen Regression, welches wiedergibt, ob die unabhängigen Variablen gut geeignet sind, die abhängige Variable vorherzusagen. Da R2 fast 1 ist, besitzt das vorgeschlagene Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr gute Anpassungsgüte (”good model fit”). Damit ist eine sehr hohe Genauigkeit zur Positionsbestimmung eines Kolbens in einem mit Flüssigkeit befüllten Zylinder gegeben.
