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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlererkennung bei einem Positionserfassungssystem für einen Hydraulikzylinder nach Anspruch 1, ein Fehlererkennungssystem für ein Positionserfassungssystem an einem Hydraulikzylinder zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach Anspruch 8 und ein Flurförderzeug mit einem solchen Fehlererkennungssystem nach Anspruch 9.
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Verfahren zur Positionserfassung sind beispielsweise aus der
DE102016103721A1 bekannt. Dieses Dokument zeigt einen Zylinder mit einer Kolbenstange, auf der Markierungen zur Verwendung eines Positionserfassungssystems vorgesehen sind. Die Markierungen können insbesondere aus optisch auslesbaren Markierungen auf der Kolbenstange des Zylinders bestehen. Es sind zudem drei Sensoreinheiten vorgesehen, die die Markierungen auf der Kolbenstange erfassen und so eine Positionserfassung der Sensoren relativ zur Kolbenstange ermöglichen. Weiter vorgesehen sind Referenzmarken, wobei die Abstände zwischen den Referenzmarken variieren, sodass sich aus dem Abfahren zweier Referenzmarken und dem Bestimmen des Abstandes dieser Referenzmarken die Absolutposition der Positionserfassungsvorrichtung auf der Kolbenstange ermitteln lässt.
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Nachteilig an bekannten Positionserfassungssystemen ist, dass sich Fehlfunktionen einer Sensoreinheit nur sehr schwer ermitteln lassen und der Einfluss von Sensorfehlfunktionen oder Veränderungen des Markierungssystems nur sehr schwer erfass- und kompensierbar sind. Bei realen Einsatzbedingungen führen Verunreinigungen der Markierungen durch Ölfilme, Dreck oder Ähnliches auf der Kolbenstange oder Materialabtrag dazu, dass die Markierungen teilweise durch funktionierende Sensoren nicht korrekt erfasst werden können oder Markierungen fälschlicherweise erfasst werden. Auch können vorhandene Referenzmarken zur Bestimmung der Absolutposition auf der Kolbenstange bzw. zur Ermittlung der Absolutposition der Kolbenstange die Positionserfassung bzw. die Fehlerdetektion zusätzlich erschweren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zur Fehlererkennung bei einem Positionserfassungssystem für einen Hydraulikzylinder zu schaffen, welches eine Fehlererkennung von Positionserfassungssystemen in zuverlässiger Weise ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist für ein Positionserfassungssystem mit mindestens drei Sensoren vorgesehen, dass die Sensorsignale jeweils zweier Sensoren zusammengefasst werden zu mindestens drei Signalpaaren, wobei eine Fehlfunktion eines Sensors aus dem Vergleich zumindest dreier Signalpaarwerte ermittelt wird.
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Auf diese Weise kann für ein Positionserfassungssystem mit zumindest drei Sensoren eine präzise und zuverlässige Fehlererkennung durchgeführt werden. Durch das paarweise Auswerten zweier Sensoren und die sich hieraus ergebenden zumindest drei verschiedenen Signalpaare können Fehler durch Messartefakte zuverlässig von Sensorfehlern, bspw. defekten Sensoren, unterschieden werden. Messartefakte können beispielsweise durch Verunreinigungen, wie Ölfilme auf den Positionsmarken oder Materialabtrag oder aber auch Referenzmarken innerhalb der Positionsmarken erzeugt werden. Eine Unterscheidung von Messartefakten und Sensordefekten ist in der Praxis schwierig. Beispielsweise kann ein wiederkehrender Wechsel eines Sensorzustandes 0 -> 1 -> 0 -> 1 usw. auftreten und der andere Sensor eines Sensorpaares im selben Zustand verbleiben, wenn der Hydraulikzylinder und das Positionserfassungssystem Erschütterungen ausgesetzt sind und sich einer der Sensoren gerade im Übergangsbereich des Markierungsmusters befindet. Dasselbe Verhalten könnte allerdings auftreten bei einer normalen linearen Bewegung der Kolbenstange in eine Richtung, wenn einer der Sensoren defekt ist. Während im ersten Fall das Positionserfassungssystem im Prinzip normal arbeitet, liegt im zweiten Fall ein Defekt vor, der erkannt werden muss. Durch das paarweise Vergleichen dreier Sensoren kann nun ein Defekt zuverlässig von einer einfachen Fehlmessung aufgrund äußerer Einflüsse erkannt werden. Diese äußeren Einflüsse umfassen insbesondere Verschmutzungen oder Verschleiß der Kolbenstange bzw. der Markierungen und Erschütterungen des Messsystems. Auch Messungenauigkeiten aufgrund von Referenzmarken innerhalb des Markierungssystems können hierdurch kompensiert werden.
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Die Unterscheidung eines Defektes von einer einfachen Fehlmessung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bei einem defekten Sensor die zwei Signalpaarwerte, für welche dieser defekte Sensor ausgewertet wird, bei sich bewegender Kolbenstange annähernd unverändert bleiben, während der dritte Signalpaarwert korrekt misst. Der Grund hierfür ist, dass der defekte Sensor in einem gleichbleibenden Zustand verharrt, beispielsweise 0, während der jeweils mit dem defekten Sensor kombinierte Sensor normal misst und seine Zustände bei sich bewegender Kolbenstange entsprechend ändert. Dies führt allerdings dazu, dass das entsprechende Signalpaarwert immer vor und zurück gezählt wird, da der defekte Sensor seinen Zustand nicht ändert und die Auswertung des Signalpaarwertes in diesem Fall derart erfolgt, als ob die Kolbenstange dauernd die Bewegungsrichtung änderte. Denn während die Zustandsänderung von 0 nach 1 bei einem ersten Sensor in einer ersten Richtung der Kolbenstange erfolgt, wenn der zweite Sensor beispielsweise im Zustand 0 ist, kann eine Zustandsänderung von 1 nach 0 bei dem ersten Sensor mit dem zweiten Sensor im Zustand 0 nur dann auftreten, wenn der Sensor sich in entgegengesetzter Richtung bewegt. Dieser Effekt tritt bei einem defekten Sensor bei zwei der drei Signalpaarwerte auf, da der defekte Sensor für die Bestimmung zweier Signalpaarwerte verwendet wird. Eine statistische oder systematische Häufung von Fehlmessungen, welche nicht aus dem Defekt eines Sensors herrührt würde sich jedoch auf alle Signalpaarwerte auswirken.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung bestehen die Positionsmarken aus einer Folge wiederkehrender Markierungen auf der Kolbenstange. Dies können beispielsweise Felder auf der Kolbenstange sein, die durch Materialbehandlung mittels Laser, chemisch oder auf sonstige Weise erzeugt werden. Diese Felder können durch unbehandelte Bereiche unterbrochen sein, sodass zwei Bereiche mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften entstehen, welche beispielweise unterschiedlich hell sind oder über unterschiedliche Reflexivität verfügen. Auch können die behandelten Bereiche sich von den unbehandelten durch ihre magnetischen Eigenschaften, Leitfähigkeit, Kapazität oder Rauigkeit unterscheiden. Prinzipiell sind alle möglichen Arten von Markierungen denkbar, welche ein automatisch auslesbares Muster entlang der Kolbenstange bilden. Das Muster ist bevorzugt regelmäßig, insbesondere in der Form, dass sich zumindest zwei Bereiche gleicher Breite wiederkehrend entlang der Kolbenstange abwechseln. Es kann vorgesehen sein, dass das Muster aus sich abwechselnden Feldern gleicher Breite gebildet wird, die von Referenzmarken mit hiervon abweichender Breite unterbrochen werden.
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Bevorzugt wird eine Änderung eines Signalpaarwertes erzeugt in Reaktion auf eine Erfassung einer Markierungsänderung als Zustandsänderung des Sensorsignals eines ersten Sensors des Signalpaares und wird die Richtung der Änderung des Signalpaarwertes durch den Zustand des Sensorwert des zweiten Sensors des Signalpaares zu diesem Zeitpunkt bestimmt. Auf diese Weise werden durch eine kombinierte Auswertung der beiden Sensorwerte auf einfache Weise eine Strecken- und Richtungsbestimmung der Bewegung der Kolbenstange für die Fehlererkennung erfassbar. Insbesondere können den Sensorwerten zwei Zustände 0 und 1 zugeordnet werden, sodass einer ersten Markierung, beispielsweise den unbehandelten Bereichen der Kolbenstange, der Zustand 0 und einer zweiten Markierung, beispielsweise den behandelten Bereichen der Kolbenstange, der Zustand 1 zugewiesen wird. Es kann vorgesehen sein, dass der Signalpaarwert bei einem Wechsel des Zustandes des ersten Sensors dieses Signalpaares um +1 oder -1 verändert wird, je nachdem welcher Zustand in diesem Moment vom zweiten Sensor dieses Signalpaares eingenommen wird. Da die beiden Sensoren bevorzugt längs der Markierung versetzt angeordnet sind, kann durch die Wahl des Abstandes ausgeschlossen werden, dass eine gleichzeitige Zustandsänderung beider Sensoren auftritt. Je nachdem, welche Zustandsänderung bei dem ersten Sensor auftritt, also von 0 nach 1 oder von 1 nach 0, und welcher Zustand der zweite Sensor in diesem Moment einnimmt, also 1 oder 0, kann eindeutig ermittelt werden, in welche Richtung sich die Kolbenstange relativ zu den Sensoren bewegt. Der ermittelte Wert ist somit von der Bewegungsrichtung der Kolbenstange abhängig. Allgemein werden die beiden Sensoren, die einem Signalpaarwert zugeordnet sind als Signalpaar bezeichnet.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass für die Fehlererkennung des Positionserfassungssystems eine Mittelwertbildung der Signalpaarwerte durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Einfluss von einfachen Messfehlern auf die Fehlererkennung reduziert werden. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass anders als bei Fehlfunktionen eines Sensors Messfehler, hervorgerufen durch äußere Einflüsse, kompensiert werden können. Diese Messfehler können Fehlmessungen aufgrund von Ölfilmen, Verschmutzungen oder Materialabtrag sein oder durch Referenzmarken, welche das eigentliche Markierungsmuster unterbrechen, hervorgerufen sein. Insofern ist es sinnvoll die Abweichung vom Mittelwert der Signalpaarwerte zu ermitteln, da hierdurch für die Fehlererkennung der Einfluss von zufälligen Messabweichungen bzw. Messfehlern gemindert wird. Bei drei Sensoren können durch paarweises Auswerten jeweils zweier Sensoren drei Signalpaarwerte erzeugt werden. Zur Verbesserung der Genauigkeit kann das Positionserfassungssystem und damit das Fehlererkennungssystem über mehr als drei Sensoren verfügen und es können entsprechend mehr Signalpaare bzw. Signalpaarwerte gebildet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine durch Veränderungen der Markierungen, insbesondere verursacht durch Referenzmarken, Verunreinigungen und/oder Beschädigungen der Markierungen und/oder der Kolbenstange, oder durch sonstige äußere Einflüsse wie Erschütterungen des Messsystems bedingte Abweichung eines Signalpaarwertes von dem Mittelwert gemindert wird durch eine automatische Annäherung des Signalpaarwertes an den Mittelwert. Hierbei sind Veränderungen der Markierungen alle Abweichungen von dem regulären Muster zur reinen Streckenbestimmung. Dies können einerseits Referenzmarken sein, welche dieses Muster unterbrechen und die Streckenbestimmung erschweren oder aber durch äußere Einflüsse wie Verschmutzungen oder Verschleiß verursachte Veränderungen des Markierungsmusters. Wird nun eine Abweichung eines Signalpaarwertes von einem Mittelwert der Signalpaarwerte festgestellt, so ist vorgesehen, dass dieser Signalpaarwert automatisch an den Mittelwert angenähert wird. Bei dem Mittelwert der Signalpaarwerte kann es sich insbesondere um den Mittelwert aller Signalpaarwerte oder den Mittelwert der übrigen, nicht abgewichenen Signalpaarwerte handeln. Die Ermittlung der Abweichung wird insbesondere wiederkehrend nach Zurücklegen einer festgelegten Strecke durchgeführt. Diese festgelegte Strecke kann beispielsweise der Periodizität des Musters entsprechen. Beispielsweise kann dies immer der Fall sein, wenn der erste Sensor im Zustand 0 ist und der zweite Sensor vom Zustand 1 auf den Zustand 0 wechselt oder umgekehrt.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass ein erster Schwellwert für die Differenz oder den Betrag der Differenz eines Signalpaarwertes vom Mittelwert aller Signalpaarwerte oder der übrigen Signalpaarwerte definiert ist, wobei bei Überschreiten dieses Schwellwertes der Sensorwert um einen festgelegten Betrag an den Mittelwert aller Signalpaarwerte oder der übrigen Signalpaarwerte angenähert wird. Auf diese Weise kann effektiv das Auftreten von Fehlmessungen kompensiert werden. Beispielsweise kann wiederkehrend mit einer Periode von 2 π, also der Periodizität des Markierungsmusters, der Signalpaarwert um 1 an den Mittelwert aller Signalpaarwerte oder der übrigen Signalpaarwerte angenähert werden, wenn die Abweichung des Signalpaarwertes vom Mittelwert im Betrag größer als 1 ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Positionserfassung basierend auf zumindest drei Signalpaarwerten durchgeführt. Auf diese Weise können die gebildeten Sensorpaarwerte sowohl für die Positionsbestimmung, als auch für die Fehlerdetektion verwendet werden. Die zurückgelegte Strecke und Richtung ergibt sich hierbei direkt aus den Signalpaarwerten. Eine Mittelwertbildung ermöglicht es ebenfalls für die Positionsbestimmung auftretende Messabweichungen aufgrund von Verunreinigungen der Kolbenstange und anderen Einflüssen zu mindern. Die erfindungsgemäße Fehlererkennung ist jedoch gleichsam auch auf andere Formen der Positionsermittlung der Kolbenstange mittels dieser Sensoren anwendbar.
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Besonders bevorzugt wird ein zweiter Schwellwert als Abweichung eines Signalpaarwertes von einem anderen Signalpaarwert oder von dem Mittelwert der übrigen Signalpaarwerte oder dem Mittelwert aller Signalpaarwerte definiert und bei Überschreiten dieses zweiten Schwellwertes eine Fehlfunktion eines Sensors erfasst. Der Schwellwert kann hierbei als Abweichung oder als Betrag der Abweichung definiert sein. Hierdurch kann besonders vorteilhaft die Fehlfunktion eines Sensors erkannt und eine Fehlermeldung ausgelöst werden, falls die Fehlfunktion eines Sensors erkannt wurde. Wird der Signalpaarwert bei Änderung eines Zustandes eines Sensors dieses Signalpaarwertes jeweils um den Betrag 1 angepasst, so kann der zweite Schwellwert insbesondere 25 oder größer sein.
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Die Anwendung des Verfahrens auf mehr als drei Sensoren ist ohne weiteres möglich, so ergeben sich bei vier Sensoren sechs Signalpaarwerte für alle möglichen Kombinationen der Sensoren und der Ausfall von zwei beliebigen Sensoren kann zuverlässig detektiert werden. Allgemein ergeben sich bei n Sensoren ((n-1)*n)/2 Signalpaarwerte und der Ausfall von (n-2) Sensoren kann zuverlässig detektiert werden.
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Zur Vereinfachung können auch nur benachbarte Sensoren paarweise ausgewertet und zu Signalpaarwerten zusammengefasst werden, so dass die Anzahl der Sensoren und Signalpaarwerte identisch ist und mindestens der Ausfall eines Sensors zuverlässig erkannt wird. Die Auswertung der Sensoren erfolgt bevorzugt quadraturcodiert mit einer festen Phasenbeziehung der beiden Sensoren, so dass der Signalpaarwert dieser Sensoren die zurückgelegte Strecke und Richtung der Bewegung der Kolbenstange relativ zu den beiden Sensoren angibt.
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Die Erfindung umfasst zudem ein Fehlererkennungssystem mit einer Auswerteeinheit für ein Positionserfassungssystem zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren für einen Hydraulikzylinder, wobei auf der Kolbenstange des Hydraulikzylinders Positionsmarken angeordnet sind, wobei das Positionserfassungssystem über zumindest drei Sensoren zur Erfassung der Positionsmarken verfügt, wobei die Auswerteinheit ausgebildet ist zur Erkennung von Sensorfehlfunktionen basierend auf den Sensorsignalen der Sensoren. Bei den Sensoren kann es sich insbesondere um optische Sensoren, beispielsweise Photodioden, handeln. Die Auswerteeinheit kann hierbei eine zentrale Komponente des Positionserfassungssystems sein, welche die Sensorsignale einerseits hinsichtlich der Position der Kolbenstange und andererseits hinsichtlich der Erkennung von Sensorfehlfunktionen auswertet. Alternativ kann die Positionserfassung mit einer ersten und die Fehlererkennung mit einer zweiten Auswerteeinheit durchgeführt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Sensorsignale teilweise in einer den Sensoren zugeordneten Elektronikeinheit und teilweise in einer zentralen Auswerteeinheit hinsichtlich Positionserfassung und/oder Fehlererkennung ausgewertet werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Sensorsignale gänzlich oder teilweise in einer oder mehreren den Sensoren zugeordneten Elektronikeinheiten hinsichtlich Positionserfassung und/oder Fehlererkennung ausgewertet werden, beispielsweise in einer Elektronikeinheit eines Sensors des Positionserfassungssystems, der als Mastersensor definiert ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Sensoren einer einzigen Recheneinheit zugeordnet sind, die die Messergebnisse der Sensoren in elektrische Signale umsetzt, welche den jeweiligen Zuständen der Sensoren entsprechen und diese elektrischen Signale dann an eine zentrale Auswerteinheit übermittelt und von dieser ausgewertet und verarbeitet werden.
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Zudem umfasst die Erfindung ein Flurförderzeug mit einem solchen Fehlererkennungssystem für ein Positionserfassungssystem für einen Hydraulikzylinder. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einem Flurförderzeug anwendbar, da diese für verschiedene Anwendungen Hydraulikzylinder mit Kolbenstangen besitzen, deren Position besonders genau ermittelt werden muss. Dies betrifft insbesondere den Hubzylinder von Flurförderzeugen. Dieser dient dazu Objekte in sehr großer Höhe sehr präzise in Regale ein- oder auszulagern, was bedeutet, dass die Position der Kolbenstange bei sehr großer Länge von mehreren Metern sehr genau, möglichst auf wenige mm und wiederholbar bestimmt werden muss. Andererseits sind Flurförderzeuge oftmals unter widrigen Bedingungen im Einsatz, sodass in erhöhtem Ausmaß Verschmutzungen, Verschleiß und Erschütterungen im Betrieb des Fahrzeugs den Einsatz einer präzisen Positionserfassung erschweren und auch den Betrieb der Sensoren beeinträchtigen können. Um unter diesen Bedingungen eine präzise Positionserfassung sicherzustellen und zuverlässig Sensorfehlfunktionen zu erfassen ist das erfindungsgemäße Verfahren und Fehlererkennungssystem für das Positionserfassungssystem bei einem Flurförderzeug besonders vorteilhaft anwendbar.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Fehlererkennungssystem ein Bestandteil des Positionserfassungssystems ist und/oder mit diesem eine Einheit bildet. Zudem kann vorgesehen sein, dass das Positionserfassungssystem ein Bestandteil des Hydraulikzylinders ist und/oder mit diesem eine Einheit bildet.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, hierbei zeigen
- 1 ein erfindungsgemäßes Positionserfassungssystem an einem Hydraulikzylinder,
- 2 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren bei drei ordnungsgemäß arbeitenden Sensoren und
- 3 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem defekten Sensor.
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Ein Hydraulikzylinder mit einem erfindungsgemäßen Positionserfassungssystem ist in der nicht maßstabsgetreuen 1 dargestellt. Der Hydraulikzylinder weist ein Zylinderrohr 1 und eine Kolbenstange 2 auf. Im Bereich der Öffnung des Zylinderrohrs ist ein Aufsatz 3 vorgesehen, welcher die Sensoren 4 zur Erfassung der Position der Kolbenstange enthält. Die Sensoren 4 sind bevorzugt als optische Sensoren ausgebildet. Die Kolbenstange 2 weist eine Vielzahl von Positionsmarken oder Markierungen 7 und 8 auf, welche sich insbesondere durch ihre optischen Eigenschaften unterscheiden können. Die Positionsmarken 7 und 8 bilden ein regelmäßiges Muster 6 entlang der Kolbenstange, welches beim Hinein- oder Herausfahren der Kolbenstange 2 in oder aus dem Zylinderrohr 1 an den Sensoren 4 vorbeibewegt wird, so dass die Markierungen erfasst werden können. Der Abstand 5 der Sensoren entspricht dabei bevorzugt nicht der Länge der Markierungen 7, 8 in Kolbenstangenlängsrichtung 11. Auch ein Vielfaches des Abstandes 5 entspricht nicht der Länge der Markierungen 7, 8 in Kolbenstangenlängsrichtung oder einem Vielfachen hiervon. Die Markierungen 7 können insbesondere durch Oberflächenbehandlung des Zylinderrohrs erzeugt werden, beispielsweise mittels eines Lasers während es sich bei den Markierungen 8 um unbehandelte Bereiche der Oberfläche der Kolbenstange handeln kann. Andere Formen von Markierungen, beispielsweise zur Veränderung der magnetischen oder elektrischen Eigenschaften oder der Rauigkeit der Oberfläche des Zylinderrohrs sind denkbar und mit entsprechenden Sensoren kombinierbar. Die Markierungen 7,8 bilden bevorzugt ein regelmäßiges Muster, bei dem die Länge der Markierungen 7,8 in Kolbenstangenlängsrichtung 11 identisch ist. Dem Muster kann hierbei eine wiederkehrende Periode 9 von 2 π zugeordnet werden. Beispielsweise können die durch die Sensoren 4 ermittelten Sensordaten beim Erfassen einer Markierung 7 den Zustand 1 darstellen und beim Erfassen der Markierung 8 den Zustand 0. Denkbar ist, dass das regelmäßige Muster durch Referenzmarken (nicht dargestellt) ergänzt wird, wobei die Referenzmarken untereinander regelmäßige oder unterschiedliche Abstände besitzen können. Die Referenzmarken dienen hierbei zur Ermittlung der Absolutposition der Sensoren relativ zur Kolbenstange 6 insbesondere bei Inbetriebnahme des Positionserfassungssystems. Die Sensoren 4 sind zur Auswertung der Sensorsignale mit einer Auswerteeinheit 10 verbunden, welche die Positionsbestimmung der Kolbenstange 2 vornimmt und die Funktionsfähigkeit des Positionserfassungssystems überwacht. Die Auswerteeinheit 10 kann die Auswertung der Sensorsignale vollständig durchführen oder bereits bearbeitete Signale von den Sensoren 4 erhalten, welche beispielsweise bereits gemittelt oder gefiltert wurden. Auch kann die Auswertung komplett oder teilweise durch die Sensoren 4 oder einen Sensor, insbesondere Mastersensor, der Sensoren 4 durchgeführt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Sensoren einer einzigen Recheneinheit zugeordnet sind, die die Messergebnisse der Sensoren in elektrische Signale umsetzt, welche den jeweiligen Zuständen der Sensoren entsprechen und diese elektrischen Signale dann an eine zentrale Auswerteinheit übermittelt und von dieser ausgewertet und verarbeitet werden.
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Die Auswertung der Sensorsignale
S1,
S2,
S3 der Positionssensoren
4 mittels der Auswerteeinheit
10 sind für ein Positionserfassungssystem mit 3 funktionstüchtigen Positionssensoren
4 in
2 dargestellt. Die durch die Sensoren
4 ermittelten Sensorsignale
S1,
S2,
S3 werden durch die Auswerteeinheit
10 paarweise, insbesondere quadraturcodiert, im Auswerteschritt
Q1,
Q2 und
Q3 zusammengefasst und ausgewertet. Quadraturcodiert meint hierbei, dass immer zwei Sensoren zusammengefasst werden und die Messzustände dieser Sensoren bei der Bewegung der Kolbenstange relativ zu den Sensoren immer eine festgelegte Phasenbeziehung aufweisen, welche sich aus der Markierungsperiode und dem Sensorabstand ergibt. Die Auswertung liefert hierbei für jedes Sensorpaar einen Signalpaarwert
Z1,
Z2 und
Z3. Bei drei Sensoren ergeben sich also drei mögliche Kombinationen und damit drei Signalpaarwerte, wobei die Signalpaarwerte
Z1,
Z2 und
Z3 für jedes Sensorpaar die zurückgelegte Strecke und Richtung angeben. Der Vorteil die Sensoren paarweise auszuwerten besteht darin, dass neben der durch die Kolbenstange
2 relativ zu den Sensoren
4 zurückgelegten Strecke auch die Bewegungsrichtung für die Fehlererkennung berücksichtigt werden kann. So kann der folgenden Tabelle beispielhaft die Veränderung eines Signalpaarwertes
Z1 beim jeweiligem Übergang der Zustände der Sensorsignale
S1,
S2 entnommen werden.
| Sensor 1 | Sensor 2 | Signalpaarwert Z1 |
| Statisch 0 | Übergang 0-->1 | -1 |
| Übergang 0-->1 | Statisch 1 | -1 |
| Statisch 1 | Übergang 1-->0 | -1 |
| Übergang 1-->0 | Statisch 0 | -1 |
| Statisch 0 | Übergang 1-->0 | +1 |
| Übergang 0-->1 | Statisch 0 | +1 |
| Statisch 1 | Übergang 0-->1 | +1 |
| Übergang 1-->0 | Statisch 1 | +1 |
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Da jeweils beim Übergang des Zustandes eines ersten Sensors S1 ebenfalls der aktuelle Zustand des zweiten Sensors S2 dieses Sensorpaares betrachtet wird, wird die Bewegungsrichtung der Kolbenstange 2 hierbei berücksichtigt. Ein Herausfahren der Kolbenstange 2 aus dem Zylinderrohr kann beispielsweise zu einer Erhöhung des Signalpaarwertes führen, während ein Hineinfahren eine Verringerung des Signalpaarwertes zur Folge hat. Eine Erhöhung oder Verringerung des Signalpaarwertes um 1 bedeutet hierbei entsprechend, dass die Kolbenstange 2 um die Länge einer Markierung 7, 8 in entsprechender Richtung bewegt wurde.
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Bei einem regulär arbeitenden Positionserfassungssystem unter idealen Bedingungen ermittelt die Auswerteeinheit auf diese Weise über die Zeit einen Verlauf der Signalpaarwerte, wie in den zugehörigen Diagrammen in 2 für eine Bewegung der Kolbenstange 2 mit gleichbleibender Geschwindigkeit in eine Richtung dargestellt ist. Um den negativen Einfluss von Messfehlern durch Verunreinigungen, Verschleiß, Erschütterungen oder Referenzmarkierungen auf die erfasste Kolbenstangenposition zu mindern, ist vorteilhaft vorgesehen, die Werte Z1, Z2 und Z3 zur Unterscheidung einer Sensorfehlfunktion von statistischen oder systemischen Messfehlern zu mitteln, wobei letztere beispielsweise hervorgerufen sein können durch Verunreinigungen oder Beschädigungen der Kolbenstange.
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Um ein auseinanderdriften der gemessenen Kolbenstangenpositionen Z1, Z2 und Z3 durch statistisch auftretende Fehlmessungen, begünstigt durch oben genannte Einflüsse zu mindern, ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit 10 den Wert Z1 um 1 an den Mittelwert aller Signalpaarwerte Z1, Z2, Z3 oder der übrigen Signalpaarwerte Z2, Z3 annähert, wenn eine festgelegte Abweichung, beispielsweise 1, hiervon auftritt. Eine solche Korrektur kann beispielsweise vorgenommen werden, wenn die Kolbenstange sich im Mittel aller Signalpaarwerte um eine Periode 9 in einer Richtung fortbewegt hat. Entsprechendes gilt für Abweichungen der Werte Z2 und Z3.
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Der Einfluss des Sensorwertes S3 eines defekten Sensors auf die Signalpaarwerte Z2 und Z3, für welche dieser Sensor ausgewertet wird, ist in 3 dargestellt. Ein Sensordefekt wirkt sich derart aus, dass die ermittelten Sensorwerte auch bei sich bewegender Kolbenstange 2 zumindest näherungsweise konstant bleiben, der Zustand des defekten Sensors mithin konstant bleibt. Im Rahmen der betroffenen Auswertungen Q2 und Q3 ergeben sich hieraus nahezu konstante Signalpaarwerte Z2 und Z3 über die Zeit. Der Grund ist, dass eine Bewegung der Kolbenstange 2 relativ zu den Sensoren 4 weiterhin zu einer Zustandsänderung der Sensorwerte S1 und S2 der funktionierenden Sensoren in der Form 0 -> 1 -> 0 -> 1 usw. bei einer Bewegung der Kolbenstange 2 in eine Richtung führt. Da der defekte Sensorwert S3 des defekten Sensors allerdings konstant in einem Zustand, beispielsweise 0, verharrt, ergibt sich aus dem Zustandswechsel 0 -> 1 von S2 beispielsweise eine Änderung von Z3 um +1, wenn sich der Sensor S3 im Zustand 0 befindet, ein Zustandswechsel 1- > 0 von S2 führt entsprechend zu einer Änderung von -1, wenn sich der Sensor S3 weiterhin im Zustand 0 befindet, sodass Z3 auch bei konstanter linearer Bewegung der Kolbenstange 2 in eine Richtung annähernd konstant bleibt. Entsprechendes gilt für den Signalpaarwert Z2, während der Signalpaarwert Z1 die Bewegung der Kolbenstange weiterhin normal ermittelt sofern die Sensoren S1 und S2 intakt sind. Hieraus kann bei zunehmender Abweichung eines oder insbesondere zweier Signalpaarwerte Z2, Z3 von einem dritten Signalpaarwert Z1 oder vom Mittelwert der übrigen Signalpaarwerte oder aller Signalpaarwerte ein Defekt eines Sensors 4 erkannt werden.
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Besonders vorteilhaft kann dieser Defekt von einer statistischen Häufung von Fehlmessungen unterschieden werden, indem zum einen die Signalpaarwerte Z1, Z2 und Z3 bei einer einen ersten Schwellwert überschreitenden Abweichung wiederkehrend einander angenähert werden und außerdem ein zweiter Schwellwert definiert wird, welcher das Auftreten eines defekten Sensors anzeigt. Wenn einer der Signalpaarwerte von einem anderen Signalpaarwert oder dem Mittelwert der übrigen oder aller Signalpaarwerte um mehr als den zweiten Schwellwert abweicht, kann die Auswerteeinheit 10 beispielsweise eine Fehlermeldung an den Benutzer des Positionserfassungssystems veranlassen oder das entsprechende System stilllegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderrohr
- 2
- Kolbenstange
- 3
- Aufsatz
- 4
- Sensoren
- 5
- Sensorabstand
- 6
- Markierungsmuster
- 7
- Erste Markierung
- 8
- Zweite Markierung
- 9
- Markierungsperiode
- 10
- Auswerteinheit
- 11
- Kolbenstangenlängsrichtung
- S1, S2, S3
- Sensoren
- Q1, Q2, Q3
- Auswerteschritt
- Z1, Z2, Z3
- Signalpaarwerte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016103721 A1 [0002]
