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Die Erfindung betrifft eine Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung sowie eine Positionssensorvorrichtung für einen Hydraulikzylinder, einen Hydraulikzylinder sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass Wellenleiter-Kopplungsvorrichtungen zum Einkoppeln von beispielsweise Mikrowellensignalen in einen Hohlwellenleiter geeignet sind, indem sie das Mikrowellensignal in eine Wellenleitermode überführen und diese in einen Innenraum des Hohlleiters einkoppeln. Die erzeugte Wellenleitermode kann beispielsweise zur Füllstandmessung von im Hohlwellenleiter aufgenommenen Flüssigkeiten dienen, indem eine Zeit- und/oder Phasenverschiebung zwischen der in den Innenraum eingekoppelten Wellenleitermode und der an der Flüssigkeit reflektierten Wellenleitermode ausgewertet wird. Dabei dichtet ein Abdichtelement, das von der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung beabstandet im Hohlwellenleiter angeordnet ist, unter anderem die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gegenüber der Flüssigkeit ab. Ein solches Abdichtelement kann die Einkoppelcharakteristik des Wellenleiters verändern.
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Aus der Praxis ist es ebenfalls bekannt, dass Hydraulikzylinder beispielsweise in Mobilhydraulikanwendungen, also in Hydraulikzylindern, die in mobilen Arbeitsmaschinen integriert sind, oder in Großhydraulikanwendungen verwendet werden, wie beispielsweise für Hydraulikzylinder für die Tiefseeforschung. Bei solchen Anwendungen befindet sich im Innenraum des Hydraulikzylinders Hydrauliköl, das innerhalb des Hydraulikzylinders mittels eines im Zylinder geführten Kolbens komprimiert wird. So können beispielsweise hohe Drücke zwischen 0 und 450 bar auftreten, und eine Druckänderung innerhalb des Zylinders kann besonders schnell, also mit hoher Dynamik, erfolgen.
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Eine Regelung der Kolbenbewegung eines Kolbens, der sich axial im Hydraulikzylinder bewegt, kann mittels eines Positionssensors durchgeführt werden. Ein solcher Positionssensor kann beispielsweise auf Basis eines magnetostriktiven Wellenleiters ausgebildet sein und ist beispielsweise unter dem Namen „Temposonics®“ der Firma MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen bereitzustellen, eine besonders einfache und genaue Positionserfassung für Hydraulikzylinder basierend auf einem Hohlwellenleiterprinzip bereitzustellen.
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DE 102 05 904 A1 betrifft eine Abstandsmessvorrichtung und ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung eines Abstandes, zur kontinuierlichen und somit zur diskrettierbaren Abstandsbestimmung, zu einer einfachen Handhabung und zum Ermöglichen von vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Die Abstandsmessvorrichtung weist eine Auswerteelektronik und eine Sensoreinrichtung, die mindestens eine Kopplungssonde zur Einspeisung eines Sendesignals in eine Leitungsstruktur mit Reflektionskörper enthält. Ferner weist die Leitungsstruktur einen Einspeiseblock mit einem Einspeisungsbereich auf, der einen HF-Transceiver über einen Wellenleiter mit dielektrischem Haltesystem mit der Kopplungssonde verbindet.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung zur Impedanzanpassung für einen Hydraulikzylinder bereitgestellt, die ein metallisches Außenleiterelement, dem ein Mikrowellensignal zuführbar ist, ein metallisches Innenleiterelement zum Einkoppeln einer Wellenleitermode in einen flüssigkeitsgefüllten Innenraum des Hydraulikzylinders, und ein zwischen dem Innenleiterelement und dem Außenleiterelement angeordnetes, dielektrisches Isolierelement aufweist, wobei das Innenleiterelement und das dielektrische Isolierelement sowie das dielektrische Isolierelement und das Außenleiterelement jeweils flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind, wobei das Innenleiterelement und das dielektrische Isolierelement zumindest teilweise mittels eines Gewindes miteinander verbunden sind und/oder wobei das dielektrische Isolierelement und das Außenleiterelement zumindest teilweise mittels eines Gewindes miteinander verbunden sind.
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Erfindungsgemäß kann die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung in ihrer Einbausituation in dem mittels einer Flüssigkeit, insbesondere (Hydraulik-)ÖI, gefüllten Hydraulikzylinder, der als Hohlleiter dienen kann, derart angeordnet sein, dass ein Mikrowellensignal dem Außenleiterelement der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung zuführbar ist und eine Wellenleitermode, insbesondere eine transversalmagnetische Mode in Form beispielsweise einer eine TM01-Mode, in einem Innenraum des Hydraulikzylinders erzeugt werden kann. Diese Wellenleitermode kann aus einer sich im Innenleiterelement ausbreitenden transversal elektromagnetischen Wellenleitermode, insbesondere einer TEM-Mode, bei einem Übergang des Innenleiterelements in den Innenraum des Hydraulikzylinders erzeugt werden. Dabei kann die im Innenraum des Hydraulikzylinders aufgenommene Flüssigkeit, beispielweise das Öl, als weiteres dielektrisches Medium im Hydraulikzylinder dienen, so dass durch das Innenleiterelement, die Flüssigkeit und den Hydraulikzylinder eine weitere Wellenleiterstruktur gebildet werden kann. Insgesamt kann die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung zur Impedanzanpassung zwischen einer elektronischen Zuleitung, insbesondere eines Koaxialkabels oder eines planar geführten Platinenleiters, für die Mikrowellensignale und einer Impedanz des durch den Hydraulikzylinder gebildeten Hohlleiters dienen.
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Jeweils zwei benachbart liegende Bauteile, nämlich das Innenleiterelement und das dielektrische Isolierelement bzw. das dielektrische Isolierelement und das Außenleiterelement, können flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sein. Dadurch kann die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung eine flüssigkeitsdichte Abdichtung besonders einfach integrieren und gleichzeitig platzsparend ausgebildet sein. Die flüssigkeitsdichte Abdichtung kann dabei eine geringe elektrische Veränderung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung insbesondere im Vergleich zu einem separaten, im Hohlwellenleiter angeordneten Abdichtelement bewirken, so dass eine Einkoppelcharakteristik der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung weitgehend unverändert bleiben kann. Ferner kann die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung ohne zusätzliches Abdichtelement direkt in dem Hydraulikzylinder einsetzbar sein. Eine Axialpositionserfassung eines Kolbens in dem Hydraulikzylinder kann dadurch besonders genau sein.
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In einer Ausführungsform kann das Innenleiterelement im Wesentlichen als sich stufenförmig verbreitender Vollzylinder, das dielektrische Isolierelement im Wesentlichen als sich stufenförmig verbreitender Hohlzylinder und das Außenleiterelement im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Dimensionen dieser Bauteile, insbesondere ihre Radien und/oder axiale Längen, können eine Leitungsimpedanz der einzelnen Bauteile beeinflussen und daher eine Impedanzanpassung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung ermöglichen. Aufgrund der Vielfalt der möglichen Dimensionen der beteiligten Bauteile insbesondere bei annähernd gleicher Zielimpedanz der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung können verschiedenen Bauformen der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung realisiert werden, so dass die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung vielseitig einsetzbar sein kann.
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Beispielsweise kann das dielektrische Isolierelement das Innenleiterelement derart umgeben, dass lediglich ein Endbereich des verbreiterten Innenleiterelements aus dem dielektrischen Isolierelement herausragen und mit der Flüssigkeit und dem Hydraulikzylinder eine Wellenleiterstruktur bilden kann. Die stufenförmige Verbreiterung des dielektrischen Isolierelements ist im Bereich des Abschnitts des Innenleiterelements vorgesehen, der den kleineren Radius aufweist. Das Außenleiterelement kann das dielektrische Isolierelement derart umgeben, dass ein Endbereich des dielektrischen Isolierelements, das stufenförmig verbreitert ist, aus dem Außenleiterelement herausragt. Ein Endbereich des Außenleiterelements, das entgegengesetzt zum verbreiterten Endbereich des Innenleiterelements angeordnet ist, kann stirnseitig eine Ausnehmung aufweisen, deren Kanten im Bodenbereich abgerundet sein können. Insgesamt kann die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung eine kompakte, geometrisch sehr einfach realisierbare Bauform aufweisen. Diese Maßnahmen können eine mechanisch besonders stabile Bauform der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung bewerkstelligen, da das dielektrische Isolierelement und das Innenleiterelement bzw. Außenleiterelement stets auf einer ausreichend großen Stufe aufsitzen können, um so dem Druck standhalten zu können, der auf die gesamte Wellenleiter-Koppelungsvorrichtung wirken kann.
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Die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung kann entlang ihrer Längsachse gesehen rotationssymmetrisch und/oder koaxial ausgebildet sein, so dass die Einkoppelcharakteristik der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung bei Verdrehung um ihre Längsachse weitgehend unverändert bleibt. Der Hydraulikzylinder kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
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Das Innenleiterelement kann aus Metall, insbesondere Messing ausgebildet sein, und/oder das Außenleiterelement kann aus Metall, insbesondere X8CrNiS18-9 oder X2CrNiMo17-12-2, gefertigt sein. Ein Material des dielektrischen Isolierelements kann beispielsweise einen Öl-beständigen Feststoff aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann zur flüssigkeitsdichten Verbindung ein Element des Innenleiterelements und des dielektrischen Isolierelements eine zumindest teilweise umfängliche Ausnehmung, insbesondere eine Nut oder eine Rille, aufweisen und ein benachbart angeordnetes weiteres Element des Innenleiterelements und des dielektrischen Isolierelements kann eine zumindest teilweise umfängliche Ausbuchtung aufweisen, die miteinander formschlüssig in Eingriff stehen. Alternativ oder zusätzlich können zur flüssigkeitsdichten Verbindung ein Element des dielektrischen Isolierelements und des Außenleiterelements eine zumindest teilweise umfängliche Ausnehmung, insbesondere eine Nut oder eine Rille, aufweisen und ein benachbart angeordnetes weiteres Element des dielektrischen Isolierelements und des Außenleiterelements kann eine zumindest teilweise umfängliche Ausbuchtung aufweisen, die miteinander formschlüssig in Eingriff stehen. Insbesondere kann das Material des Elements bzw. des weiteren Elements derart ineinandergreifen bzw. miteinander verzahnt sein, dass auf kostengünstige Weise eine besonders einfache Flüssigkeitsabdichtung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gewährleistet sein kann. Die Ausnehmung und die Ausbuchtung können vollumfänglich ausgebildet sein und/oder können sich senkrecht zur Längsachse der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung erstrecken. Die geometrische Ausbuchtung bzw. Verzahnung der Grenzmaterialien kann ebenfalls als leichte Abweichung der Impedanz, aber ohne Änderung der intrinsischen Eigenschaften des dielektrischen Isolierelements betrachtet werden, so dass sich eine Impedanzcharakteristik und eine Einkoppelcharakteristik der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung nicht grundsätzlich bzw. wesentlich ändert.
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In einer Ausführungsform kann zur flüssigkeitsdichten Verbindung ein Element des Innenleiterelements und des dielektrischen Isolierelements eine zumindest teilweise umfängliche, insbesondere senkrecht zur Längsrichtung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung verlaufende, Ausnehmung, insbesondere eine Nut oder eine Rille, aufweisen, in dem ein zumindest teilweise umfängliches Dichtungselement aufgenommen ist, und ein benachbart angeordnetes weiteres Element des Innenleiterelements und des dielektrischen Isolierelements kann bündig an dem Element anliegen. Alternativ oder zusätzlich kann zur flüssigkeitsdichten Verbindung ein Element des dielektrischen Isolierelements und des Außenleiterelements eine zumindest teilweise umfängliche, insbesondere senkrecht zur Längsrichtung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung verlaufende, Ausnehmung, insbesondere eine Nut oder eine Rille, aufweisen, in dem ein zumindest teilweise umfängliches Dichtungselement aufgenommen ist, und ein benachbart angeordnetes weiteres Element des dielektrischen Isolierelements und des Außenleiterelements kann bündig an dem Element anliegen. Insbesondere können in beiden Ausführungsoptionen die Ausnehmung und das Dichtungselement vollumfänglich ausgebildet sein. Dadurch kann das Dichtungselement mit dazu verwendet werden, eine Impedanzanpassung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung hervorzurufen, um eine gewünschte Einkopplung der Hohlleiterwelle in den flüssigkeitsgefüllten Innenraum zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform kann das Dichtungselement als zweikomponentiges Spritzgussbauteil ausgebildet sein, das bei einem Herstellungsprozess der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung in der Aufnahme mittels Spritzgusstechnik angespritzt werden kann. Ein Material des Spritzgussbauteils kann beispielsweise Gummi oder Teflon sein. Diese Art der Abdichtung kann eine lokale Impedanzabweichung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung bewirken.
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In einer Ausführungsform kann in der Ausnehmung ferner ein zumindest teilweise umfängliches Stützelement aufgenommen sein, das benachbart zu dem Dichtungselement angeordnet sein kann. Dadurch wird eine definierte Lage des Dichtungselements in der Ausnehmung gewährleistet, so dass die flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den jeweiligen Bauteilen verbessert wird. Das Stützelement kann auch vollumfänglich ausgebildet sein und/oder kann sich senkrecht zur Längsrichtung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung erstrecken.
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In einer Ausführungsform kann das Dichtungselement als O-Ring ausgebildet und das Stützelement als geschlitzter Stützring, insbesondere aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise Gummi oder Teflon, ausgebildet sein. Diese Art der Abdichtung kann eine lokale Impedanzabweichung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung bewirken. Beispielsweise kann das Dichtungselement und das Stützelement, das in dem dielektrischen Isolierelement aufgenommen sein und an einer Innenfläche des Außenleiterelements anliegen können, eine lokal begrenzte Änderung des dielektrischen Materials des dielektrischen Isolierelements verursachen, was als kapazitive Änderung der Impedanzeigenschaften der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung betrachtet werden kann. Das Dichtungselement und das Stützelement können beispielsweise in dem Innenleiterelement aufgenommen sein und gegen eine Innenfläche des dielektrischen Isolierelements abdichten. Eine Ersetzung von Metall durch das Dichtungs- und Stützelement, die in der Ausnehmung des Innenleiterelements aufgenommen sein können, kann die induktiven Eigenschaften erhöhen, da das Innenleiterelement aufgrund der Ausnehmung „dünner“ wird. Insgesamt kann eine gezielte Veränderung der Impedanzeigenschaften und damit der Einkoppelcharakteristik der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung bewirkt werden.
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In einer Ausführungsform können das Innenleiterelement und das dielektrische Isolierelement zumindest teilweise mittels eines, insbesondere entlang einer Längsachse der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung angeordneten, Gewindes miteinander verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich können das dielektrische Isolierelement und das Außenleiterelement zumindest teilweise mittels eines, insbesondere entlang einer Längsachse der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung angeordneten, Gewindes miteinander verbunden sein. Das eine oder die beiden Gewinde können eine lagestabile Positionierung der Bauteile der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung und eine bündige Anlage benachbarter Bauteile zur Flüssigkeitsabdichtung bewirken. Ferner kann die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung je nach Hydraulikzylinderabmessung verkürzt oder verlängert werden, so dass dieselbe Bauart der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung in verschiedenen Hydraulikzylindern eingesetzt werden kann. Dynamische Druckänderungen, die aufgrund der Kompression der Flüssigkeit in dem Hydraulikzylinder durch den Kolben hervorgerufen werden, können ebenfalls durch eine geringe axiale Verstellung der Bauteile, vermittelt durch die Gewinde, ausgeglichen werden.
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Das radial innen liegenden Gewinde, das am Innenleiterelement und am dielektrischen Isolierelement vorgesehen ist, und das radial außen liegende Gewinde, das am dielektrischen Isolierelement und am Außenleierelement vorgesehen ist, können unterschiedliche Gewindetiefen aufweisen. Beispielsweise kann das radial innen liegende Gewinde eine geringere Gewindetiefe als das radial außen liegende Gewinde aufweisen. Aufgrund eines kleinen Verhältnisses der Gewindetiefe des radial innen liegenden Gewindes über eine axiale Länge der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung betrachtet und einer Wellenlänge der Wellenleitermode kann das innere Gewinde als Oberfläche mit einer erhöhten Oberflächenrauigkeit betrachtet werden und eine vernachlässigbare Impedanzänderung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung bewirken. Das gröbere radial außen liegende Gewinde liegt mit seiner Gewindetiefe über die axiale Länge der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung betrachtet näher an der Wellenlänge der Mikrowellensignale und kann daher zu einer geringen elektrischen Verschiebung der Impedanzeigenschaften der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung führen. Diese Art der Gewindewahl kann eine axiale Längenveränderung der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung unterstützen.
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Insgesamt kann die oben beschriebene flüssigkeitsdichte Abdichtung sowie die Gewinde vollständig als elektrische Komponenten in die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung integriert werden. Ihre dielektrischen Eigenschaften können Bestandteile der Transformationscharakteristik der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung für die, insbesondere komplexe, Transformation zwischen den Mikrowellensignalen und den Wellenleitermoden sein. Ferner kann die oben beschriebene flüssigkeitsdichte Abdichtung sowie die Gewinde temperaturbeständig sein und/oder hohen, insbesondere dynamisch auftretenden, Druckschwankungen, beispielsweise in einem Bereich von etwa 0 bar bis 450 bar, im Hydraulikzylinder standhalten. Insbesondere kann die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung beständig gegenüber druckbedingter Dehnung und/oder Stauchung und druckbedingtem Bersten sein.
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Es versteht sich, dass gewünschte Impedanzcharakteristiken der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung beispielsweise mittels Simulationen ermittelt und durch eine geeignete Modifikation der geometrischen Designparameter der Bauteile der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gezielt erreicht werden können. Insbesondere können Abweichungen, die aufgrund der flüssigkeitsdichten Verbindung der einzelnen Bauteile sowie der Gewinde basieren, durch eine geeignete Modifikation der geometrischen Designparameter der anderen Bauteile kompensiert werden.
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Die Wellenleiterkopplungsvorrichtung kann ferner mit einer oder mehrerer Schaltungsplatine verbunden sein bzw. diese aufweisen, die mit dem Innenleiterelement elektrisch verbunden sein kann. Die Schaltungsplatine kann bzw. die Schaltungsplatinen können dabei in der Ausnehmung des Außenleiterelements angeordnet sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Hydraulikzylinder, insbesondere ein Mobilhydraulikzylinder oder ein Großhydraulikzylinder, mit einer Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt.
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Gemäß einem dritten Aspekt ist eine Positionssensorvorrichtung für einen Hydraulikzylinder bereitgestellt, der eine Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt und eine elektronische Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Position eines Kolbens des Hydraulikzylinders unter Verwendung einer Zeit- und/oder Phasendifferenz einer vom Innenleiterelement in einen flüssigkeitsgefüllten Innenraum des Hydraulikzylinders eingekoppelten Wellenleitermode und einer am Kolben reflektierten und vom Innenleiterelement erfassten Wellenleitermode aufweist. Die im Innenleiterelement geführte Wellenleitermode kann dabei eine TEM-Mode und somit verschieden von der im Innenraum des Hydraulikzylinders gebildeten Wellenleitermode, insbesondere der TM01 -Mode, sein.
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Gemäß einem vierten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung für einen Hydraulikzylinder gemäß dem ersten Aspekt oder einer Positionssensorvorrichtung für einen Hydraulikzylinder gemäß dem dritten Aspekt bereitgestellt, wobei ein Mikrowellensignal zum Außenleiterelement zugeführt wird, die mittels des Wellenleiterelements in eine Wellenleitermode umgewandelt und über das Innenleiterelement in einen flüssigkeitsgefüllten Innenraum des Hydraulikzylinders eingekoppelt wird, in dem die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung aufgenommen ist. In dem Verfahren kann optional, wie oben beschrieben, eine Auswertung der Position des Kolbens des Hydraulikzylinders unter Verwendung der Zeit- und/oder Phasendifferenz der vom Innenleiterelement eingekoppelten Wellenleitermode und der am Kolben reflektierten Wellenleitermode erfolgen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittansicht einer Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem in einem Hydraulikzylinder eingebauten Zustand;
- 2 eine vergrößerte schematische Querschnittansicht der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung in 1;
- 3 eine schematische Querschnittansicht einer flüssigkeitsdichten Abdichtung zweier Bauteile einer Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Querschnittansicht einer flüssigkeitsdichten Abdichtung zweier Bauteile einer Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und
- 5 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ein Hydraulikzylinder 10 weist einen metallischen Hohlzylinder 12 auf, in dem eine Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 vollständig aufgenommen ist. Die kompakt ausgebildete Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 rangt in einen ölgefüllten Innenraum 16 des Hydraulikzylinders 10 hinein, der mittels eines entlang einer Längsachse L des Hydraulikzylinders 10 geführten Kolbens 18 des Hydraulikzylinders 10 vergrößerbar bzw. verkleinerbar ist. Eine Längsachse L der koaxial ausgebildeten Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 entspricht der Längsachse L des ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten Hydraulikzylinders 10.
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Die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 weist ein metallisches Außenleiterelement 20, ein dielektrisches Isolierelement 22 aus einem Öl-beständigem Feststoffmaterial sowie ein Innenleiterelement 24 aus Messing auf. Das Innenleiterelement 24 ist als Messingvollzylinder ausgebildet, dessen Radius sich stufenförmig vergrößert. Eine Längsachse des Innenleiterelements 24 entspricht dabei der Längsachse L des Hydraulikzylinders 10. Ein erster Abschnitt 26 des Innenleiterelements 24, der an einer vom Innenraum 16 abgewandten Seite des Innenleiterelements 26 angeordnet ist, weist einen kleineren Radius als ein zweiter Abschnitt 28 des Innenleiterelements 24 auf, der benachbart zum Innenraum 16 angeordnet ist. Eine Längserstreckung des Abschnitts 26 ist geringfügig kürzer als eine Längserstreckung des Abschnitts 28. Eine vorspringende Lötspitze 29 ist in einer Stirnseite des ersten Abschnitts 26 des Innenleiterelements 24 gebildet, die vom Innenraum 16 weg weist. Das dielektrische Isolierelement 22 bildet eine hohlzylinderförmige Ummantelung des Innenleiterelements 24. Eine Längsachse des dielektrischen Isolierelements 22 entspricht dabei der Längsachse L des Hydraulikzylinders 10. Ein Außenradius des dielektrischen Isolierelements 22 vergrößert sich entlang der Längsachse L gesehen ebenfalls in Richtung zum Innenraum 16 hin stufenförmig. Ein erster Abschnitt 30 des dielektrischen Isolierelements 22 weist einen kleineren Außenradius als ein zweiter Abschnitt 32 des dielektrischen Isolierelements 22 auf. Der erste Abschnitt 30 des dielektrischen Isolierelements 22 umgibt bis auf die Lötspitze 29 vollständig den ersten Abschnitt 26 des Innenleiterelements 24 und der zweite Abschnitt 32 des dielektrischen Isolierelements 22 umgibt teilweise den verbleibenden ersten Abschnitt 26 des Innenleiterelements 24 sowie teilweise den zweiten Abschnitt 28 des Innenleiterelements 24. Das Innenleiterelement 24 springt aus dem dielektrischen Isolierelement 22 in den Innenraum 16 des Hydraulikzylinders 10 vor. Das Außenleiterelement 20 ist hohlzylinderförmig ausgebildet. Eine Längsachse des Außenleiterelements 20 entspricht dabei der Längsachse L des Hydraulikzylinders 10. Ein dem Innenraum 16 abgewandtes Ende des Außenleiterelements 20 ist mit einer stirnseitigen ringförmigen Ausnehmung 34 versehen, deren Endabschnitt in einem Bodenbereich der Ausnehmung 34 eine abgerundete Kontur 36 aufweist. Eine Bodenfläche der Ausnehmung 34 ist mit einer runden Durchgangsöffnung 37 versehen, durch die Endbereiche der ersten Abschnitts 26 des Innenleiterelements 24 und des ersten Abschnitts 30 des dielektrischen Isolierelements 22 hindurch reichen.
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Die abgerundete Kontur 36 der Ausnehmung 34 kann optional auch eine sich insgesamt in Richtung zum Innenraum 16 des Hydraulikzylinders 10 hin verjüngende Form aufweisen (nicht gezeigt), bei der sich ein Krümmungsradius der Kontur 36 sprunghaft ändert und sich eine Krümmung vor bzw. nach dem Sprung im Krümmungsradius wiederholt.
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Um die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 flüssigkeitsdicht gegenüber dem Innenraum 16 des Hydraulikzylinders 10 abzudichten und gleichzeitig besonders druckbeständig gegenüber Druckschwankungen im Bereich von 0 bar bis 450 bar auszubilden, liegen benachbarte Oberflächen der aneinander angrenzenden Bauteile 20, 22, 24 der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 bündig aneinander an. Ferner sind der zweite Abschnitt 28 des Innenleiterelements 24 und der zweite Abschnitt 32 des dielektrischen Isolierelements 22 sowie der zweite Abschnitt 32 des dielektrische Isolierelements 22 und das Außenleiterelement 20 jeweils lokal an einer Stelle vollumfänglich flüssigkeitsdicht miteinander verbunden. Dazu weist eine Außenfläche des zweiten Abschnitts 28 des Innenleiterelements 24 eine vollumfängliche Ausnehmung 42 in Form einer Nut auf, in der ein Stützelement 44 in Form eines geschlitzten Stützrings sowie ein Dichtungselement 46 in Form eines O-Rings aufgenommen sind. Die Nut 42, das Stützelement 44 sowie das Dichtungselement 46 erstrecken sich senkrecht zur Längsrichtung L. Das Stützelement 44 ist innerhalb der Nut 42 auf einer dem Innenraum 16 abgewandten Seite angeordnet und das Dichtungselement 46 ist innerhalb der Nut 42 auf einer zum Innenraum 16 weisenden Seite angeordnet. Eine Abdichtung zwischen dem zweiten Abschnitt 32 des dielektrischen Isolierelements 22 und dem Außenleiterelement 20 ist mittels einer in einer Außenfläche des zweiten Abschnitts 32 des dielektrischen Isolierelements 24 ausgebildeten Ausnehmung 48 in Form einer Nut realisiert, in dem ein Stützelement 50 in Form eines geschlitzten Stützrings sowie ein weiteres Dichtungselement 52 in Form eines O-Rings angeordnet sind. Die Ausnehmung 48, der Stützring 50 sowie das Dichtungselement 52 erstrecken sich senkrecht zur Längsrichtung L des Hydraulikzylinders 10, und der Stützring 50 ist auf einer dem Innenraum 16 abgewandten Seite und das Dichtungselement 42 ist auf einer zum Innenraum 16 weisenden Seite in der Ausnehmung 48 angeordnet. Eine Abdichtung zwischen dem Außenleiterelement 20 und dem Hohlzylinderzylinder 12 ist dadurch gebildet, dass eine als Nut geformte Ausnehmung 54 in einer äußeren Oberfläche des Außenleiterelements 20 vorgesehen ist, in dem ein Stützelement 56 in Form eines geschlitzten Stützrings und ein Dichtungselement 58 in Form eines O-Rings aufgenommen sind. Die Ausnehmung 54, das Stützelement 56 und das Dichtungselement 58 erstrecken sich senkrecht zur Längsrichtung L. Das Stützelement 56 ist auf einer dem Innenraum 16 des Hydraulikzylinders 10 abgewandten Seite und das Dichtungselement 58 ist auf einer dem Innenraum 16 zugewandten Seite in der Ausnehmung 54 angeordnet.
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Ein Gewinde 60 ist vollumfänglich und in Richtung der Längsachse L gesehen teilweise entlang einer äußeren Oberfläche des ersten Abschnitts 26 des Innenleiterelements 24 und einer benachbart anliegenden inneren Oberfläche des ersten Abschnitts 30 des dielektrischen Isolierelements 22 und teilweise entlang des zweiten Abschnitts 32 des dielektrischen Isolierelements 22 vorgesehen. Ein vollumfängliches Gewinde 62 ist in Richtung der Längsachse L gesehen teilweise entlang einer äußeren Oberfläche des ersten Abschnitts 30 des dielektrischen Isolierelements 22 und teilweise entlang einer benachbart liegenden inneren Oberfläche des Außenleiterelements 20 angeordnet. Beide Gewinde 60, 62 ermöglichen eine geringfügige definierte axiale Verschiebung der Bauteile 20, 22, 24, 44, 46, 50, 52, 56, 58 bei dynamischen Drücken, die durch die Kompression des Öls mittels des Kolbens 18 verursacht werden und auf die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 in Richtung zum Außenleiterelement 20 hin wirken können. Das Gewinde 60 weist eine kleinere Gewindetiefe als das Gewinde 62 auf.
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Ein plattenförmiger Flansch 64 ist in einer vollumfänglichen Ausnehmung 66 in Form einer angeschnitten gerundeten Nut in einem vom Innenraum 16 weg weisenden Endbereich der Ausnehmung 34 des Außenleiterelements 20 ausgehend von der Stirnseite des Außenleiterelements 20 eingebracht. Ein Stützelement 68 in Form eines geschlitzten Stützrings und ein Dichtungselement 70 in Form eines O-Rings sind benachbart zum Flansch 64 bzw. zur Ausnehmung 34 in die Ausnehmung 66 eingelegt und dichten das Wellenleiter-Kopplungselement 14 gegenüber einer sacklochförmigen Bohrung 72 in dem Hohlzylinder 12 ab, die radial zur Längsachse L verläuft.
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Im dem Flansch 64 ist eine Schaltungsplatine (nicht gezeigt) aufgenommen, die mit der Lötspitze 29, beispielweise mittels eines entsprechenden Hochfrequenzsteckers (nicht gezeigt) über einen planar koaxialen Kontakts an der Platine, elektrisch verbunden ist. In 1, 2 ist die Lötspitze verkürzt dargestellt. Die Lötspitze 29 dient dabei als elektrischer Pin für die Platine. Alternativ kann die Platine auf der Bodenfläche der Ausnehmung 36 angeordnet sein, so dass die Lötspitze 29 kann dann mit der Platine über den planar koaxialen Kontakts verlötet sein.
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Anstelle des Flansches 64 kann die Platine direkt in der Ausnehmung 66 angeordnet sein und an das Stützelement 86 anstoßen. Es ist auch möglich, dass anstelle einer Schaltungsplatine mehrere Schaltungsplatinen vorgesehen sind.
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Ein oder mehrere elektronischer Anschlüsse zwischen der Schaltungsplatine und einer elektronischen Auswerteeinheit 73 sind über die Bohrung 72 zuführbar. Die Schaltungsplatine weist einen elektronischen Anschluss für eine Zuführung eines Mikrowellensignals zum Außenleiterelement 20 sowie ein elektronischer Anschluss zum Empfangen eines Hochfrequenzsignals über die Lötspitze vom Innenleiterelement 24, also den oben beschriebenen planar koaxialen Kontakt, auf. Die Auswerteeinheit 73, der bzw. die elektronischen Anschlüsse, die Platine und die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 bilden eine Positionssensorvorrichtung 74 zum Erfassen einer axialen Position des Kolbens 18 innerhalb des Hohlzylinders 12 des Hydraulikzylinders 10, um eine Regelung der Funktionsweise des Hydraulikzylinders 10 zu ermöglichen. Die Platine stellt dabei eine Elektronik der Positionssensorvorrichtung 74 dar.
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In einem Betrieb der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 bzw. der Positionssensorvorrichtung 74 werden Mikrowellensignale über den elektronischen Anschluss zu dem Außenleiterelement 20 zugeführt, in eine TEM-Wellenleitermode umgewandelt, die sich im Innenleiterelement 24 ausbreitet, und diese Mode über das Innenleiterelement 24, das in den Innenraum 16 vorspringt, in den Innenraum 16 eingekoppelt. Diese Wellenleitermode wird dann beim Übergang vom Innenleiterelement 24 in den Öl-gefüllten Innenraum 16 in eine TM01-Mode umgewandelt. Die Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 dient dabei als Umwandler bzw. „Transformator“ für die Mikrowellensignale in die TM01-Wellenleitermode. Die axiale Position des Kolbens 18 des Hydraulikzylinders 10 wird dadurch erfasst, dass die am Kolben 18 reflektierte Wellenleitermode mittels des Innenleiterelements 24 wieder aufgenommen und über die Platine über den entsprechenden elektronischen Anschluss der Auswerteeinheit 73 zugeführt wird. In herkömmlicher Weise kann ein Zeit- und/oder Phasendifferenz zwischen der vom Innenleiterelement 24 eingekoppelten Welle und der vom Innenleiterelement 24 empfangenen Welle in der Auswerteeinheit 73 zur Axialpositionsermittlung des Kolbens 18 verwendet werden. Druckkräfte, die bei Axialbewegung des Kolbens 18 in Richtung zur Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 dynamisch auftreten können, können über das Gewinde 60 bzw. 62 derart aufgefangen werden, indem sich das Innenleiterelement 24 und das dielektrische Isolierelement 22 bzw. das dielektrische Isolierelement 22 und das Außenleiterelement 20 gegeneinander geringfügig verdrehen können. Dabei ist die Lötverbindung zwischen der Lötspitze 29 und der Platine derart stabil, dass sie einer solchen axialen Verschiebung des Innenleiterelements 24 standhält.
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Die in 3 gezeigte Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 ist ähnlich zu der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 in 1, 2 ausgebildet. Allerdings ist anstelle des Stützelements 44, 50, 56, 68 und des Dichtungselements 46, 52, 58, 70 ein zweikomponentiges, beispielsweise wulstartig geformtes, Spritzgussmaterial 74a-74c in der Ausnehmung 42, 48, 54, 66 aufgenommen und füllt diese vollständig aus, um die benachbart liegenden Bauteile 12, 20 bzw. 20, 22 bzw. 22, 24 bzw. 20, 64 flüssigkeitsdicht abzudichten. Der Übersicht halber ist die beschriebene flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Flansch 64 und dem Außenleiterelement 20 nicht dargestellt. Der Betrieb der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 ist ähnlich zum Betrieb der Wellenleiter- Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 in 1, 2.
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Die in 4 gezeigte Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 ist auch ähnlich zu der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 in 1, 2 ausgebildet. Allerdings ist die flüssigkeitsdichte Abdichtung zweier benachbarter Bauteile 12, 20 bzw. 20, 22 bzw. 22, 24 bzw. 20, 64 dadurch gebildet, dass das Material eines der Bauteile 12, 20, 22, 24, 64 eine Ausbuchtung 76a-76c beispielweise in Form eines zackigen Vorsprungs bildet und formschlüssig in einer zur Ausbuchtung 76a-76c gegenläufig geformten Aufnahme 78a-78c des benachbart angrenzende Bauteils 12, 20, 22, 24, 64 aufgenommen ist. Der Übersicht halber ist die beschriebene flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Flansch 64 und dem Außenleiterelement 20 nicht dargestellt.
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Die in 5 gezeigte Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 ist ähnlich zu der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 in 1, 2 ausgebildet. Allerdings ist ein zweiter Abschnitt 28 des Innenleiterelements 24 axial länger ausgebildet, und ein zweiter Abschnitt 30 des dielektrischen Isolierelements 22 axial kürzer ausgebildet ist. Im Vergleich zu 1, 2 ist das Innenleiterelement 24 in dem gezeigten Einbauzustand axial weiter in Richtung zu einem Innenraum 16 verschoben angeordnet. Ein Gewinde 60 weist eine kleinere Gewindetiefe als ein Gewinde 62 auf. Anstelle des plattenförmigen Flansches 64 mit der integrierten Platine ist zweiteiliger Flansch 64 vorgesehen, der mittels eines Bodenelements 76 und eines topfförmigen Abdeckelements 78 gebildet ist. Das Bodenelement 76 ist in der Ausnehmung 34 benachbart zu einer außenseitig vorgesehenen, abgerundeten Kontur 36 angeordnet und mittig mit einer Sacklochbohrung 79 versehen, in der eine Lötspitze 29 des Innenleiterelements 24 aufgenommen ist. Das Abdeckelement 78 dient zur flüssigkeitsdichten Abdichtung. Eine Seitenfläche 80 des Abdeckelements 78 ist passgenau in der Ausnehmung 34 eingebracht und mittels eines radial außen liegenden nasenförmigen Vorsprungs 82 in einer stufenförmigen, halb offenen Ausnehmung 66 des Außenleiterelements 20 eingehängt. Ein zum Innenraum 16 weisender Endbereich der Seitenfläche 80 ist mit einer vollumfänglichen, nutförmigen Ausnehmung 84 versehen, in dem eine flüssigkeitsdichte Abdichtung gegenüber dem Außenleiterelement 20, beispielsweise wie in 1 bis 4 dargestellt, realisiert ist.
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In dem Bodenelement 76 ist eine Schaltungsplatine (nicht gezeigt) integrieret, die mittels der Lötspitze 29 durch die Sacklochbohrung 79 mit dem Innenleiterelement 24 verbunden ist. Die Schaltungsplatine kann auch benachbart zum Bodenelement 76 auf der zum Innenleiterelement 24 weisenden Seite des Bodenelements 76 oder auf der dem Innenleiterelement 24 abgewandten Seite des Bodenelements 76 angeordnet sein. In diesen Fällen kann das Bodenelement 76 entsprechend dünner ausgebildet und ohne Sacklochbohrung bzw. mit einer Durchgangsbohrung versehen sein. Es ist auch möglich, dass die Schaltungsplatine weiter vom Bodenelement 76 beabstandet angeordnet sein kann. In den Fällen, bei denen die Platine weiter von dem Innenleiterelement 24 beabstandet angeordnet ist, kann die Lötspitze 29 als Pin ausgebildet sein, der mittels eines Hochfrequenzsteckers mit der Platine verbunden ist. Anstelle einer Platine können mehrere Schaltungsplatinen vorgesehen sein.
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Elektronische Anschlüsse 86, 88 verbinden die Platine mit einer elektronischen Auswerteeinheit und sind über entsprechende Bohrungen in einer Bodenfläche des Abdeckelements 78 geführt. Die Anschlüsse 86, 88 sind keine Hochfrequenzleitung, sondern übliche Kabelverbindungen. Die Schaltungsplatine weist einen Anschuss für das Zuführen des Mikrowellensignals zum Außenleiterelement 24 und einen Anschluss zum Empfangen eines elektrischen Signals vom Innenleiterelement 24 über die Lötspitze 29 auf.
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Ein Betrieb der in 5 gezeigten Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung 14 ist ähnlich zu einem Betrieb der Wellenleiter-Kopplungsvorrichtung in 1, 2.
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Die in den 1, 2 bzw. 5 gezeigten Positionssensorvorrichtungen 74 realisieren zwei unterschiedliche Bauformen, die für jeweils einen unterschiedlichen Zylinderdurchmesser des Hydraulikzylinders 10 geeignet sind. Diese Bauformen können für weitere Ausführungsbeispiele der Positionssensorvorrichtung 74 ähnlich sein. Die Bauformen können geringfügig geometrisch verändert bzw. deren Dimensionen entsprechend skaliert sein, um den individuellen Anpassungen an den Hydraulikzylinder 10 gerecht zu werden. Es ist möglich, dass die Elektronik für die Positionssensorvorrichtung 10 nicht in der Wellenleiterkopplungsvorrichtung 14 integriert ist, sondern außerhalb dieser beispielsweise in der Auswerteeinheit 73 integriert ist. In diesen Fall kann das Innenleiterelement 24 über die als Pin wirkende Lötspitze 29 mit einer koaxialen Signalbuchse verbunden werden.
