DE102020134329B3

DE102020134329B3 - Ultrasonic distance sensor and method for monitoring the ultrasonic distance sensor

Info

Publication number: DE102020134329B3
Application number: DE102020134329.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Fritton; Albert Dorneich
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2040-12-22

Abstract

In einem Verfahren zum Überwachen eines Ultraschalldistanzsensors in einem Hydrauliksystem wird aus einem Vergleich einer vom Ultraschalldistanzsensor ausgesandten Druckwelle (p+) mit einer zum Ultraschalldistanzsensor zurücklaufenden Druckwelle (p-) auf eine Beeinträchtigung einer Distanzmessung geschlossen.In a method for monitoring an ultrasonic distance sensor in a hydraulic system, a comparison of a pressure wave (p +) emitted by the ultrasonic distance sensor with a pressure wave (p-) returning to the ultrasonic distance sensor is used to conclude that a distance measurement is impaired.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschalldistanzsensor zur Anordnung in einem Hydrauliksystem, insbesondere zur Anordnung in einem Kolben eines Hydrauliksystems. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen des Ultraschalldistanzsensors.The present invention relates to an ultrasonic distance sensor for arrangement in a hydraulic system, in particular for arrangement in a piston of a hydraulic system. The present invention also relates to a method for monitoring the ultrasonic distance sensor.

Stand der TechnikState of the art

Für den Betrieb von hydraulischen Anlagen werden Anforderungen an die Qualität des Hydrauliköls als Hydraulikfluid gestellt. Dabei ist im Hydraulikfluid gelöste Luft unerwünscht, da diese das Hydraulikfluid kompressibel macht. Im Hydrauliköl gelöste Luft kann außerdem bei Entspannung Luftblasen und Schaum bilden. Dies ist besonders problematisch, wenn eine Kolbenposition in der hydraulischen Anlage durch ein Ultraschalllaufzeitverfahren ermittelt werden soll.For the operation of hydraulic systems, requirements are placed on the quality of the hydraulic oil as a hydraulic fluid. Air dissolved in the hydraulic fluid is undesirable because it makes the hydraulic fluid compressible. Air dissolved in the hydraulic oil can also form air bubbles and foam when it is relaxed. This is particularly problematic when a piston position in the hydraulic system is to be determined using an ultrasonic transit time method.

Ein Ultraschallpositionsmesssystem zur Ermittlung einer Kolbenposition wird in der DE 103 22 718 B4 beschrieben. Dabei ist an der Stirnseite eines Hydraulikzylinders ein Ultraschallsender und Ultraschallempfänger angeordnet.An ultrasonic position measuring system for determining a piston position is in the DE 103 22 718 B4 described. An ultrasound transmitter and an ultrasound receiver are arranged on the end face of a hydraulic cylinder.

Der Ultraschallsender erzeugt einen Ultraschallpuls, der in das Hydraulikfluid in dem Hydraulikzylinder eingekoppelt wird. Er breitet sich als Druckwelle in axialer Richtung im Hydraulikzylinder aus und wird vom Kolben reflektiert. Der reflektierte Ultraschallpuls, der auch als Kolbenecho bezeichnet werden kann, wird vom Ultraschallempfänger empfangen. Aus der Laufzeit des Ultraschallpulses wird die Position des Kolbens berechnet. Hierzu ist weiterhin ein Referenzreflektor im Hydraulikzylinder vorgesehen. Ein Teil des Ultraschallpulses wird nicht am Kolben, sondern am Referenzreflektor reflektiert, indem gleichzeitig eine Positionsmessung des Kolbens und eine Referenzmessung im selben Hydraulikfluid durchgeführt werden, können Einflüsse unterschiedlicher Qualitäten des Hydraulikfluids auf die Positionsmessung in der Regel ausgeschlossen werden.The ultrasonic transmitter generates an ultrasonic pulse that is coupled into the hydraulic fluid in the hydraulic cylinder. It propagates as a pressure wave in the axial direction in the hydraulic cylinder and is reflected by the piston. The reflected ultrasound pulse, which can also be referred to as a piston echo, is received by the ultrasound receiver. The position of the piston is calculated from the transit time of the ultrasonic pulse. A reference reflector is also provided in the hydraulic cylinder for this purpose. Part of the ultrasonic pulse is not reflected on the piston, but on the reference reflector. By simultaneously performing a position measurement of the piston and a reference measurement in the same hydraulic fluid, influences of different qualities of the hydraulic fluid on the position measurement can usually be excluded.

In der DD 227 806 A1 wird ein anderes Ultraschalllaufzeitverfahren beschrieben, mit dem eine Kolbenlage eines Kolbens in einem Hydraulikzylinder ermittelt werden kann. In diesem Verfahren ist kein Referenzreflektor im Hydraulikzylinder vorgesehen. Stattdessen weist der Kolben zwei Reflexionsflächen auf die unterschiedlich weit vom Kolben vorspringen. Durch Detektieren der beiden unterschiedlichen, an den Reflexionsflächen reflektierten Druckwellen ist eine Kalibrierung der Kolbenlagenermittlung möglich, um Einflüsse unterschiedlicher Qualitäten des Hydraulikfluids auf die Positionsmessung auszuschließen.In the DD 227 806 A1 Another ultrasonic transit time method is described with which a piston position of a piston in a hydraulic cylinder can be determined. In this procedure, there is no reference reflector in the hydraulic cylinder. Instead, the piston has two reflective surfaces that protrude from the piston at different distances. By detecting the two different pressure waves reflected on the reflection surfaces, it is possible to calibrate the determination of the piston position in order to exclude influences of different qualities of the hydraulic fluid on the position measurement.

Diese beiden Verfahren versagen allerding, wenn sich bei Entspannung des Hydraulikfluids eine Luftblase zwischen dem Hydraulikfluid und dem Kolben bildet. Während der Ultraschallpuls normalerweise an der Grenzfläche zwischen dem Hydraulikfluid und dem Kolben reflektiert wird, erfolgt bei Anwesenheit einer Luftblase die Reflexion bereits an der Grenzfläche zwischen dem Hydraulikfluid und der Luft. Dies führt zu einer fehlerhaften Positionsbestimmung des Kolbens.However, these two methods fail if, when the hydraulic fluid is released, an air bubble forms between the hydraulic fluid and the piston. While the ultrasonic pulse is normally reflected at the interface between the hydraulic fluid and the piston, if an air bubble is present, the reflection already takes place at the interface between the hydraulic fluid and the air. This leads to incorrect position determination of the piston.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem eine Beeinträchtigung einer Distanzmessung zwischen einem Ultraschalldistanzsensor und einem Kolben erkannt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ultraschalldistanzsensor bereitzustellen, der mittels dieses Verfahrens überwacht werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a method with which an impairment of a distance measurement between an ultrasonic distance sensor and a piston can be recognized. Another object of the invention is to provide an ultrasonic distance sensor which can be monitored using this method.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird in einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, das zum Überwachen eines Ultraschalldistanzsensors in einem Hydrauliksystem dient. In diesem Verfahren wird aus einem Vergleich einer vom Ultraschalldistanzsensor ausgesandten Druckwelle mit einer zum Ultraschalldistanzsensor zurücklaufenden Druckwelle auf eine Beeinträchtigung einer Distanzmessung geschlossen. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Reflexion einer Druckwelle an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Medien nur ein Teil der Druckwelle an der Grenzfläche reflektiert wird, während die restliche Druckwelle in dem anderen Medium weiterläuft. Das Reflexionsverhalten hängt von der akustischen Impedanz des Mediums ab, in dem die Druckwelle hin- und zurückläuft, sowie von der akustischen Impedanz des Mediums, zu dem die Grenzfläche gebildet wird, an welcher eine Reflexion der Druckwelle erfolgt. Die akustische Impedanz ist eine Materialkonstante der Medien. Da je nachdem welche Medien aneinander grenzen unterschiedliche akustische Impedanzen vorliegen, ist die zurücklaufende Druckwelle von der Art der aneinander grenzenden Medien abhängig.This object is achieved in one aspect of the invention by a method which is used to monitor an ultrasonic distance sensor in a hydraulic system. In this method, an impairment of a distance measurement is concluded from a comparison of a pressure wave emitted by the ultrasonic distance sensor with a pressure wave returning to the ultrasonic distance sensor. This method is based on the knowledge that when a pressure wave is reflected at the interface between two different media, only part of the pressure wave is reflected at the interface, while the rest of the pressure wave continues in the other medium. The reflection behavior depends on the acoustic impedance of the medium in which the pressure wave travels back and forth, as well as on the acoustic impedance of the medium to which the interface is formed at which the pressure wave is reflected. The acoustic impedance is a material constant of the media. Since there are different acoustic impedances depending on which media are adjacent to one another, the return pressure wave depends on the type of media that are adjacent to one another.

Vorzugsweise wird eine Beeinträchtigung einer Distanzmessung dann erkannt, wenn ein Vorzeichen der ausgesandten Druckwelle sich von einem Vorzeichen der zurücklaufenden Druckwelle unterscheidet. In einem üblichen Hydrauliksystem, in dem die ausgesandte Druckwelle zunächst durch ein Öl als Hydraulikfluid läuft und dann an einer Grenzfläche zwischen dem Öl und einem aus Stahl oder einem anderen Material bestehenden Zylinder reflektiert wird, erfolgt eine Reflexion an einer sogenannten schallharten Wand. Eine schallharte Wand liegt dann vor, wenn die akustische Impedanz der Wand viel größer als die akustische Impedanz des Hydraulikfluids ist. Trifft die Druckwelle hingegen nicht auf den stählernen Kolben, sondern auf eine Luftblase, so wird sie an der Grenzfläche zu einem Medium reflektiert, welches eine viel geringere akustische Impedanz als das Hydraulikfluid aufweist. In diesem Fall spricht man von einer schallweichen Wand. Während bei einer Reflexion an einer schallharten Wand die ausgesandte Druckwelle und die zurücklaufende Druckwelle dasselbe Vorzeichen haben, findet bei der Reflexion an einer schallweichen Wand ein Wechsel des Vorzeichens der Druckwelle statt. Dies kann in dem Verfahren ausgenutzt werden, um die Anwesenheit einer Luftblase und damit die Beeinträchtigung der Distanzmessung zu erkennen.An impairment of a distance measurement is preferably recognized when a sign of the transmitted pressure wave differs from a sign of the returning pressure wave. In a conventional hydraulic system, in which the transmitted pressure wave first runs through an oil as hydraulic fluid and is then reflected at an interface between the oil and a cylinder made of steel or another material, a reflection takes place on a so-called reverberant wall. A reverberant wall occurs when the acoustic impedance of the wall is much greater than the acoustic impedance of the hydraulic fluid is. If, on the other hand, the pressure wave does not hit the steel piston but an air bubble, it is reflected at the interface with a medium which has a much lower acoustic impedance than the hydraulic fluid. In this case one speaks of a sound-soft wall. While the transmitted pressure wave and the returning pressure wave have the same sign in the case of a reflection on a reverberant wall, the sign of the pressure wave changes when it is reflected on a reverberant wall. This can be used in the method to detect the presence of an air bubble and thus the impairment of the distance measurement.

Ein Unterschied zwischen dem Vorzeichen der ausgesandten Druckwelle und dem Vorzeichen der zurücklaufenden Druckwelle kann vorzugsweise durch eine Flankenanalyse der zurückgelaufenen Druckwelle ermittelt werden. In der Flankenauswertung der zurücklaufenden Druckwelle kann ein unverändertes Vorzeichen gegenüber der ausgesandten Druckwelle beispielsweise durch zwei Flanken und ein invertiertes Vorzeichen beispielsweise durch vier Flanken erkannt werden.A difference between the sign of the transmitted pressure wave and the sign of the returning pressure wave can preferably be determined by means of an edge analysis of the returning pressure wave. In the edge evaluation of the returning pressure wave, an unchanged sign compared to the transmitted pressure wave can be recognized, for example, by two edges, and an inverted sign, for example, by four edges.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Beeinträchtigung der Distanzmessung mittels eines Reflexionsfaktors bewertet wird, der aus der ausgesandten Druckwelle und der zurücklaufenden Druckwelle berechnet wird. Der Reflexionsfaktor ist dabei als Quotient der zurücklaufenden Druckwelle, geteilt durch die ausgesandte Druckwelle definiert. Die Berechnung eines Reflexionsfaktors ermöglicht es eine Beeinträchtigung der Distanzmessung genauer zu quantifizieren.Furthermore, it is preferred that an impairment of the distance measurement is assessed by means of a reflection factor which is calculated from the transmitted pressure wave and the returning pressure wave. The reflection factor is defined as the quotient of the returning pressure wave divided by the pressure wave transmitted. The calculation of a reflection factor enables an impairment of the distance measurement to be quantified more precisely.

In einer einfachen Ausführungsform des Verfahrens wird dabei auf eine unbeeinträchtigte Distanzmessung geschlossen, wenn der Reflexionsfaktor positiv ist und es wird auf eine beeinträchtigte Distanzmessung geschlossen, wenn der Reflexionsfaktor negativ wird. Damit wird über den Reflexionsfaktor lediglich der Vergleich des Vorzeichens der ausgesandten Druckwelle und der zurückgelaufenen Druckwelle abgebildet. Haben beide Druckwellen dasselbe Vorzeichen, so ist der Reflexionsfaktor positiv und haben die beiden Druckwellen unterschiedliche Vorzeichen, so ist der Reflexionsfaktor negativ.In a simple embodiment of the method, it is concluded that the distance measurement is not impaired if the reflection factor is positive, and it is concluded that the distance measurement is impaired if the reflection factor becomes negative. Thus, only the comparison of the sign of the transmitted pressure wave and the returned pressure wave is mapped via the reflection factor. If both pressure waves have the same sign, the reflection factor is positive and if the two pressure waves have different signs, the reflection factor is negative.

Es ist jedoch auch möglich mithilfe des Reflexionsfaktors eine Unterscheidung von mehr als zwei verschiedenen Fällen vorzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist hierzu vorgesehen, dass auf eine unbeeinträchtigte Distanzmessung geschlossen wird, wenn der Reflexionsfaktor größer als ein erster Schwellenwert ist. Wenn der Reflexionsfaktor zwischen dem ersten Schwellenwert und einem zweiten Schwellenwert liegt wird auf leicht beeinträchtigte Distanzmessung geschlossen. Liegt der Reflexionsfaktor jedoch unter dem zweiten Schwellenwert so wird auf eine stark beeinträchtigte Distanzmessung geschlossen. Hierbei kann eine unbeeinträchtigte Distanzmessung dann vorliegen, wenn sich keine Luft zwischen dem Hydraulikmedium und dem Kolben befindet, eine leichte beeinträchtigte Distanzmessung vorliegen, wenn sich mehrere kleine Luftblasen zwischen dem Hydraulikmedium und dem Kolben gebildet haben der Schallweg jedoch weitgehend noch frei ist und eine stark beeinträchtigte Distanzmessung vorliegt, wenn sich eine große Luftblase ausgebildet hat, die den Schallweg zwischen dem Hydraulikmedium und der Oberfläche des Kolbens ganz oder weitgehend blockiert. In dieser Ausführungsform des Verfahrens kann eine Ausgabe der unterschiedlichen Beeinträchtigungsgrade beispielsweise über farbige LEDs oder über ein Display erfolgen. Hierbei kann eine unbeeinträchtigte Distanzmessung insbesondere mit einem grünen Licht, eine leicht beeinträchtigte Distanzmessung mit einem gelben und eine stark beeinträchtigte Distanzmessung mit einem roten Licht gekennzeichnet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Beeinträchtigungskategorie über dieselbe Schnittstelle, über welche auch ein Ergebnis der Distanzmessung kommuniziert wird, ausgegeben wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Ausgabe mittels des I/O-Link-Protokolls handeln.However, it is also possible to use the reflection factor to differentiate between more than two different cases. In a preferred embodiment of the method, it is provided for this purpose that an unimpaired distance measurement is concluded if the reflection factor is greater than a first threshold value. If the reflection factor lies between the first threshold value and a second threshold value, it is concluded that the distance measurement is slightly impaired. However, if the reflection factor is below the second threshold value, it is concluded that the distance measurement is severely impaired. An unimpaired distance measurement can be present if there is no air between the hydraulic medium and the piston, a slightly impaired distance measurement can be present if several small air bubbles have formed between the hydraulic medium and the piston, but the sound path is still largely free and a severely impaired one Distance measurement occurs when a large air bubble has formed which completely or largely blocks the sound path between the hydraulic medium and the surface of the piston. In this embodiment of the method, the different degrees of impairment can be output, for example, via colored LEDs or via a display. Here, an unimpaired distance measurement can be identified in particular with a green light, a slightly impaired distance measurement with a yellow, and a severely impaired distance measurement with a red light. However, it is also possible for the impairment category to be output via the same interface via which a result of the distance measurement is also communicated. This can be, for example, an output using the I / O link protocol.

In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Ultraschalldistanzsensor zur Anordnung in einem Hydrauliksystem der beispielsweise an der Stirnseite eines Hydraulikzylinders angeordnet werden kann, um die Position eines Kolbens im Hydraulikzylinder zu ermitteln. Der Ultraschalldistanzsensor ist eingerichtet, um mittels des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung überwacht zu werden. Hierzu ist das Verfahren insbesondere als Computerprogramm in einem Rechengerät des Ultraschalldistanzsensors implementiert.In a second aspect, the invention relates to an ultrasonic distance sensor for arrangement in a hydraulic system, which can be arranged, for example, on the end face of a hydraulic cylinder in order to determine the position of a piston in the hydraulic cylinder. The ultrasonic distance sensor is set up to be monitored by means of the method according to the first aspect of the invention. For this purpose, the method is implemented in particular as a computer program in a computing device of the ultrasonic distance sensor.

Der Ultraschalldistanzsensor weist vorzugsweise einen Schallwandler auf, der zum Aussenden der ausgesandten Druckwelle und zum Empfangen der zurücklaufenden Druckwelle eingerichtet ist. Weiterhin weist er vorzugsweise einen Komparator auf, der eingerichtet ist, um aus einen gewandelten Signal der zurücklaufenden Druckwelle den Vergleich der vom Ultraschalldistanzsensor ausgesandten Druckwelle, mit der zum Ultraschalldistanzsensor zurücklaufenden Druckwelle, vorzunehmen. Der Komparator kann insbesondere eingerichtet sein, um ein stop_enable_Signal für eine Zeitmessung zu erzeugen mittels derer die Laufzeit der ausgesandten und der zurücklaufenden Druckwelle gemessen wird, um eine Distanzmessung vorzunehmen, wenn in dem Verfahren keine Beeinträchtigung der Distanzmessung ermittelt wurde.The ultrasonic distance sensor preferably has a sound transducer which is set up to transmit the transmitted pressure wave and to receive the returning pressure wave. Furthermore, it preferably has a comparator which is set up to use a converted signal of the returning pressure wave to compare the pressure wave emitted by the ultrasonic distance sensor with the pressure wave returning to the ultrasonic distance sensor. The comparator can in particular be set up to generate a stop_enable_signal for a time measurement, by means of which the transit time of the emitted and the returning pressure wave is measured in order to carry out a distance measurement if no impairment of the distance measurement was determined in the method.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Hydraulikzylinders mit einem Ultraschalldistanzsensor, der mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden kann.
2 zeigt schematisch den Verlauf von Druckwellen in dem Hydraulikzylinder gemäß 1.
3 zeigt in zwei Diagrammen eine Magnitude und eine Flankenauswertung einer Druckwelle in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines anderen Hydraulikzylinders mit einem Ultraschalldistanzsensor, welcher mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden kann.
5 zeigt schematisch den Verlauf von Druckwellen in dem Hydraulikzylinder gemäß 4.
6 zeigt in zwei Diagrammen den zeitlichen Verlauf einer Magnitude und einer Flankenauswertung einer Druckwelle in einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
7 zeigt schematisch Komponenten eines Ultraschalldistanzsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description.

1 shows a schematic sectional illustration of a hydraulic cylinder with an ultrasonic distance sensor, which can be monitored by means of exemplary embodiments of the method according to the invention.
2 shows schematically the course of pressure waves in the hydraulic cylinder according to FIG 1 .
3 shows in two diagrams a magnitude and an edge evaluation of a pressure wave in an embodiment of the method according to the invention.
4th shows a schematic sectional illustration of another hydraulic cylinder with an ultrasonic distance sensor, which can be monitored by means of exemplary embodiments of the method according to the invention.
5 shows schematically the course of pressure waves in the hydraulic cylinder according to FIG 4th .
6th shows in two diagrams the time course of a magnitude and an edge evaluation of a pressure wave in another embodiment of the method according to the invention.
7th shows schematically components of an ultrasonic distance sensor according to an embodiment of the invention.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen Hydraulikzylinder 10 eines Hydrauliksystems an dessen Stirnseite ein Ultraschalldistanzsensor 20 angeordnet ist. Der Hydraulikzylinder 10 ist mit einem Hydrauliköl 30 gefüllt, das sich auf beiden Seiten eines entlang der Längsachse des Hydraulikzylinders 10 beweglichen Hydraulikkolbens 11 befindet. Wird vom Ultraschalldistanzsensor 20 ein Ultraschallpuls als Sendepuls ausgesandt, so breitet dieser sich im Hydrauliköl 30 als Druckwelle in Richtung des Kolbens 11 aus. Von dem Kolben 11 wird die Druckwelle reflektiert und läuft als zurücklaufende Druckwelle zum Ultraschalldistanzsensor 20 zurück, wo sie detektiert wird. Aus der Laufzeit τ der ausgesandten Druckwelle und der zurücklaufenden Druckwelle kann gemäß Formel 1 die Distanz I zwischen dem Ultraschalldistanzsensor 20 und dem Kolben 11 berechnet werden: $τ = \frac{2 \cdot 1}{c}$

c bezeichnet dabei die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls im Hydrauliköl 30. Um diese ermitteln zu können, ist im Hydraulikzylinder 10 ein Referenzreflektor 12 angeordnet. Die Distanz Iref zwischen dem Ultraschalldistanzsensor 20 und dem Referenzreflektor 12 ist bekannt. Auf diese Weise kann gemäß Formel 1 zunächst die Ausbreitungsgeschwindigkeit c ermittelt werden, indem die Laufzeit τ der Druckwelle zwischen dem Ultraschalldistanzsensor 20 und dem Referenzreflektor 12 ausgewertet wird und anschließend unter Verwendung der so ermittelten Ausbreitungsgeschwindigkeit c die Distanz zwischen dem Ultraschalldistanzsensor 20 und dem Kolben 11 ebenfalls gemäß Formel 1 ermittelt. 1 shows a hydraulic cylinder 10 of a hydraulic system an ultrasonic distance sensor on its front side 20th is arranged. The hydraulic cylinder 10 is with a hydraulic oil 30th filled, which is located on either side of one along the longitudinal axis of the hydraulic cylinder 10 movable hydraulic piston 11 is located. Used by the ultrasonic distance sensor 20th If an ultrasound pulse is sent out as a transmission pulse, it spreads in the hydraulic oil 30th as a pressure wave in the direction of the piston 11 the end. From the piston 11 the pressure wave is reflected and runs as a returning pressure wave to the ultrasonic distance sensor 20th back to where it is detected. From the transit time τ of the transmitted pressure wave and the returning pressure wave, the distance I between the ultrasonic distance sensor can be calculated according to formula 1 20th and the piston 11 be calculated:

τ = \frac{2 \cdot 1}{c}

c designates the propagation speed of the ultrasound in the hydraulic oil 30th . In order to be able to determine this, is in the hydraulic cylinder 10 a reference reflector 12th arranged. The distance Iref between the ultrasonic distance sensor 20th and the reference reflector 12th is known. In this way, according to formula 1, the propagation speed c can first be determined by calculating the transit time τ of the pressure wave between the ultrasonic distance sensor 20th and the reference reflector 12th is evaluated and then using the thus determined propagation speed c the distance between the ultrasonic distance sensor 20th and the piston 11 also determined according to formula 1.

2 zeigt wie die ausgesandte Druckwelle p₊ sich im Hydrauliköl 30 ausbreitet, anschließend an der Grenzfläche 40 zwischen dem Hydrauliköl 30 und dem Kolben 11 reflektiert wird und als zurücklaufende Druckwelle p_- zum Ultraschalldistanzsensor 20 zurückläuft. Ein Teil der Druckwelle breitet sich dabei in der Wand des Kolbens 11 als Wanddruckwelle p_w aus. Die gesamte Druckwelle p kann dabei durch eine Überlagerung der ausgesandten Druckwelle p₊ und der zurücklaufenden Druckwelle p_- gemäß Formel 2 beschrieben werden: $\begin{array}{l} p = p_{+} \cdot cos (ω \cdot t - k \cdot x + φ_{0}) + p_{-} \cdot cos (ω \cdot t + k \cdot x + φ_{0}) \end{array}$

2 shows how the transmitted pressure wave p ₊ is in the hydraulic oil 30th spreads, then at the interface 40 between the hydraulic oil 30th and the piston 11 is reflected and as a returning pressure wave p _- to the ultrasonic distance sensor 20th runs back. Part of the pressure wave propagates in the wall of the piston 11 as a wall pressure wave p _w . The entire pressure wave p can be described by superimposing the transmitted pressure wave p ₊ and the returning pressure wave p _- according to formula 2:

\begin{array}{l} p = p_{+} \cdot cos (ω \cdot t - k \cdot x + φ_{0}) + p_{-} \cdot cos (ω \cdot t + k \cdot x + φ_{0}) \end{array}

Dabei bezeichnet ω die Kreisfrequenz, k die Wellenzahl und (φ₀ die Anfangsphase.Here, ω denotes the angular frequency, k the wave number and (φ ₀ the initial phase.

Neben der Druckwelle p existiert auch eine Schnellewelle v, die durch eine Überlagerung einer ausgesandten Schnellewelle v₊ und einer zurücklaufenden Schnellewelle v_- gemäß Formel 3 beschrieben werden kann: $v = v_{+} \cdot cos (ω \cdot t - k \cdot x + φ_{0}) + v_{-} \cdot cos (ω \cdot t + k \cdot x + φ_{0})$

In addition to the pressure wave p, there is also a high-speed wave v, which can be described by superimposing a transmitted high-speed wave v ₊ and a returning high-speed _{wave v -} according to formula 3:

v = v_{+} \cdot cos (ω \cdot t - k \cdot x + φ_{0}) + v_{-} \cdot cos (ω \cdot t + k \cdot x + φ_{0})

Analog dem Verhalten der Druckwelle p läuft auch ein Teil der Schnellewelle v als Wandschnellewelle v_w im Kolben 11 weiter. Der Begriff „Schnelle“ bezeichnet dabei die Geschwindigkeit der Teilchenbewegung in dem Hydrauliköl 30 bzw. in dem Kolben 11.Analogous to the behavior of the pressure wave p, part of the rapid wave v also runs as a wall rapid wave v _w in the piston 11 Further. The term “fast” describes the speed of particle movement in the hydraulic oil 30th or in the piston 11 .

Die ausgesandte Druckwelle p₊ und die zurücklaufende Druckwelle p_-, die vom Ultraschalldistanzsensor 20 als Druckamplituden detektiert werden ergeben sich aus den Schnelleamplituden der ausgesandten Schnellewelle v₊ und der zurücklaufenden Schnellewelle v_- gemäß den zugrundeliegenden Wellengleichungen gemäß Formel 4 und Formel 5: $\frac{p_{+}}{v_{+}} = ρ_{30} \cdot c_{30} = Z_{30}$

\frac{p_{-}}{v_{-}} = - ρ_{30} \cdot c_{30} = - Z_{30}

The transmitted pressure wave p ₊ and the returning pressure wave p _- generated by the ultrasonic distance sensor 20th are detected as pressure amplitudes result from the rapid amplitudes of the transmitted rapid _{wave v +} and the returning rapid _{wave v -} according to the underlying wave equations according to formula 4 and formula 5:

\frac{p_{+}}{v_{+}} = ρ_{30th} \cdot c_{30th} = Z_{30th}

\frac{p_{-}}{v_{-}} = - ρ_{30th} \cdot c_{30th} = - Z_{30th}

Dabei bezeichnet Z₃₀ die akustische Impedanz des Hydrauliköls 30. Es handelt sich hierbei um eine materialabhängige Größe des Hydrauliköls, die sich aus seiner Dichte ρ₃₀ und der Ausbreitungsgeschwindigkeit c₃₀ von Ultraschall im Hydrauliköl 30 ergibt.Z ₃₀ denotes the acoustic impedance of the hydraulic oil 30th . This is a material-dependent variable of the hydraulic oil, which is derived from its density ρ ₃₀ and the propagation speed c ₃₀ of ultrasound in the hydraulic oil 30th results.

Bei der Reflexion der ausgesandten Druckwelle p₊ an einer Grenzfläche 40 mit der akustischen Kolbenimpedanz Z₁₁ entsteht die zurücklaufende Druckwelle p_-. Die Größe der zurücklaufenden Druckwelle p_- bezogen auf die ausgesandte Druckwelle p₊ wird durch den Reflexionsfaktor r gemäß Formel 6 angegeben: $r = \frac{p_{-}}{p_{+}} = - \frac{v_{-}}{v_{+}}$

When the emitted pressure wave p _{+ is} reflected at an interface 40 with the acoustic piston impedance Z ₁₁ , the returning pressure wave p _{- is created} . The magnitude of the returning pressure wave p _- related to the transmitted pressure wave p ₊ is given by the reflection factor r according to formula 6:

r = \frac{p_{-}}{p_{+}} = - \frac{v_{-}}{v_{+}}

Aus der Bedingung der Stetigkeit von Druck und Schnelle auf beiden Seiten der Grenzfläche 40 folgt für r die Formel 7: $r= \frac{Z_{11} - Z_{30}}{Z_{11} + Z_{30}}$

From the condition of the continuity of pressure and velocity on both sides of the interface 40 follows for r the formula 7:

r = \frac{Z_{11} - Z_{30th}}{Z}

3 zeigt die Magnitude M eines im Ultraschalldistanzsensor 20 detektierten elektrischen Signals mit der Zeit t. Hierbei tritt zunächst ein Sendepuls 50 auf, bei dem der Empfänger des Ultraschalldistanzsensors 20 übersteuert wird. Anschließend wird erst ein Referenzecho 51 des Referenzreflektors 12 und dann ein Kolbenecho 52 der vom Kolben 11 zurücklaufenden Druckwelle p_- detektiert. Eine Auswerteschwelle M_s wird so gewählt, dass nur das Maximum des Kolbenechos 52 nicht aber das Referenzecho 51 einer Auswertung unterworfen wird. Diese Auswertung erfolgt als Flankenauswertung F, in welcher zwei Flanken des Kolbenechos 52 erkannt werden. Hieraus kann darauf geschlossen werden, dass das Vorzeichen der ausgesandten Druckwelle p₊ dem Vorzeichen der zurücklaufenden Druckwelle p_- entspricht. Dies weist daraufhin, dass die Reflexion der Druckwelle p am Kolben 11 und nicht an einer Luftblase erfolgt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Hydrauliköl 30 mit einer akustischen Impedanz Z₃₀ von 1,287 × 10⁶ Newtonsekunden pro Kubikmeter verwendet. Der Kolben 11 besteht aus Stahl, welcher eine akustische Impedanz Z₁₁ von 46,768 × 10⁶ Ns/m³ aufweist. Gemäß Formel 7 ergibt sich damit ein Reflexionsfaktor r von 0,9465, welcher auch gemäß Formel 6 aus der ausgesandten Druckwelle p₊ und der zurücklaufenden Druckwelle p_-, welche jeweils durch die Magnituden ihrer Signale repräsentiert werden, berechnet werden kann. Dieser Reflexionsfaktor r zeigt eine unbeeinträchtigte Distanzmessung durch eine Reflexion der Druckwelle p am Kolben 11 an. 3 shows the magnitude M of one in the ultrasonic distance sensor 20th detected electrical signal with time t. A transmission pulse occurs first 50 where the receiver of the ultrasonic distance sensor 20th is overdriven. Only then is a reference echo 51 of the reference reflector 12th and then a piston echo 52 the one from the piston 11 returning pressure wave p _- detected. An evaluation _{threshold M s} is chosen so that only the maximum of the piston echo 52 but not the reference echo 51 is subjected to an evaluation. This evaluation takes place as an edge evaluation F, in which two edges of the piston echo 52 be recognized. From this it can be concluded that the sign of the transmitted pressure wave p ₊ corresponds to the sign of the returning pressure wave p _- . This indicates that the reflection of the pressure wave p on the piston 11 and was not done on an air bubble. In the present embodiment, a hydraulic oil 30th used with an acoustic impedance Z ₃₀ of 1.287 × 10 ⁶ newton seconds per cubic meter. The piston 11 consists of steel, which has an acoustic impedance Z ₁₁ of 46.768 × 10 ⁶ Ns / m ³ . According to formula 7, a reflection factor r of 0.9465 results, which can also be calculated according to formula 6 from the transmitted pressure wave p ₊ and the returning pressure wave p _- , which are each represented by the magnitudes of their signals. This reflection factor r shows an unimpaired distance measurement due to a reflection of the pressure wave p on the piston 11 at.

In einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich in der in 4 dargestellten Weise zwischen dem Hydrauliköl 30 und dem Kolben 11 eine Luftblase 31 gebildet. Wie in 5 dargestellt ist erfolgt die Reflexion der Druckwelle p wiederum an der ersten Grenzfläche zwischen zwei Medien, auf welche diese trifft. Die Grenzfläche 40 ist in diesem Fall allerdings die Grenzfläche zwischen dem Hydrauliköl 30 und der Luftblase 31. Die Wanddruckwelle p_w und die Wandschnellewelle v_w breiten sich jeweils in der Luftblase 31 weiter aus. Dies führt zu einer fehlerhaften Distanzmessung, da die detektierte Distanz I nun nicht mehr die Distanz zwischen dem Ultraschalldistanzsensor 20 und dem Kolben 11, sondern die Distanz zwischen dem Ultraschalldistanzsensor 20 und der Grenzfläche 40 zwischen dem Hydrauliköl 30 und der Luftblase 31 ist. Dies kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens allerdings aus der ausgesandten Druckwelle p₊ und der zurücklaufenden Druckwelle p_- erkannt werden.In another exemplary embodiment of the method according to the invention, the in 4th illustrated manner between the hydraulic oil 30th and the piston 11 an air bubble 31 educated. As in 5 is shown, the reflection of the pressure wave p takes place again at the first interface between two media on which it meets. The interface 40 in this case, however, is the interface between the hydraulic oil 30th and the air bubble 31 . The wall pressure wave p _w and the wall rapid wave v _w each propagate in the air bubble 31 continue from. This leads to an incorrect distance measurement, since the detected distance I is no longer the distance between the ultrasonic distance sensor 20th and the piston 11 but the distance between the ultrasonic distance sensor 20th and the interface 40 between the hydraulic oil 30th and the air bubble 31 is. However, this can be recognized by means of the method according to _{the invention from the transmitted pressure wave p +} and the returning pressure wave p _-.

Wie in 6 dargestellt ist, überschreiten zwei Maxima des Kolbenechos 52 die Auswerteschwelle M_s, was auf eine 180°-Phasendrehung der zurücklaufenden Druckwelle p_- an der Schallweichengrenzfläche 40 zwischen dem Hydrauliköl 30 und der Luftblase 31 beruht. In der Flankenauswertung F können deshalb vier Flanken erkannt werden, was auf einen Wechsel des Vorzeichens der zurücklaufenden Druckwelle p_- gegenüber der ausgesandten Druckwelle p₊ und damit auf eine beeinträchtigte Distanzmessung hinweist. Luft weist eine akustische Impedanz Z₄₀ von 411,6 × 10⁰ Ns/m³ auf, wodurch der Reflexionsfaktor r an der Grenzfläche 40 gemäß Formel 7 einen Wert von - 0,9994 annimmt. Dieser kann gemäß Formel 6 ebenfalls aus der ausgesandten Druckwelle p₊ und der zurücklaufenden Druckwelle p_-, die jeweils durch ihre Magnituden M repräsentiert werden, berechnet werden, um so die Beeinträchtigung der Distanzmessung zu erkennen. Um diese Fallunterscheidung treffen zu können wird der gemäß Formel 6 berechnete Reflexionsfaktor mit zwei Schwellenwerten von beispielsweise 70 % und 90 % der Magnitude des entsprechenden Echos verglichen. Die Magnitude des entsprechenden Echos wird aus dem vorherigen Messzyklus abgeleitet. Dabei liegt der Reflexionsfaktor von 0,9465 oberhalb des ersten Schwellenwerts, was auf eine unbeeinträchtigte Distanzmessung hinweist und der Reflexionsfaktor von - 0,9994 liegt unterhalb des zweiten Schwellenwerts, was auf eine stark beeinträchtigte Distanzmessung hinweist. Ein Reflexionsfaktor r, der zwischen den beiden Schwellenwerten liegt, würde auf eine nur leicht beeinträchtigte Distanzmessung hinweisen.As in 6th is shown, exceed two maxima of the piston echo 52 the evaluation _{threshold M s} , which indicates a 180 ° phase rotation of the returning pressure wave p _- at the sound switch interface 40 between the hydraulic oil 30th and the air bubble 31 is based. Four edges can therefore be recognized in the edge evaluation F, which indicates a change in the sign of the returning pressure wave p _- compared to the transmitted pressure wave p ₊ and thus an impaired distance measurement. Air has an acoustic impedance Z ₄₀ of 411.6 × 10 ⁰ Ns / m ³ , as a result of which the reflection factor r at the interface 40 according to formula 7 assumes a value of -0.9994. According to formula 6, this can also be calculated from the transmitted pressure wave p ₊ and the returning pressure wave p _- , which are each represented by their magnitudes M, in order to recognize the impairment of the distance measurement. In order to be able to make this case distinction, the reflection factor calculated according to formula 6 is compared with two threshold values of, for example, 70% and 90% of the magnitude of the corresponding echo. The magnitude of the corresponding echo is derived from the previous measurement cycle. The reflection factor of 0.9465 is above the first threshold value, which indicates an unimpaired distance measurement, and the reflection factor of -0.9994 is below the second threshold value, which indicates a severely impaired distance measurement. A reflection factor r that lies between the two threshold values would indicate that the distance measurement is only slightly impaired.

7 zeigt schematisch eine Realisierung eines Ultraschalldistanzsensors 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Er weist eine zentrale Recheneinheit 60 auf, in welcher das Verfahren als Computerprogramm implementiert ist. Mittels einer Sendestufe 61 wird der Sendepuls 50 erzeugt. Dieser wird mittels eines als Sendeempfänger bzw. Transceiver fungierenden Ultraschallwandlers 62 in das Hydrauliköl 30 im hydraulischen Zylinder 10 eingekoppelt. Dieser wandelt zurücklaufende Druckwellen p_- um das Referenzecho 51 und das Kolbenecho 52 zu erhalten. Diese werden mittels eines Instrumentenverstärkers 63 verstärkt. Ein Bandpassfilter 64 unterdrückt hochfrequente Störungen, niederfrequente Queroszillationen des Ultraschallwandlers 62 und Gleichstromanteile. Anschließend wird das gefilterte Signal von einem variablen Verstärker 65 verstärkt. Mit einem Komparator 66 werden Echos erkannt, deren Magnitude die Auswerteschwelle M_s überschreitet. Außerdem erzeugt der Komparator 66 ein stop_enable_Signal für eine Zeitmessung, welches an einen Time-to-digital-converter (TDC) 67 weitergegeben wird. Dieser nimmt eine Zeitmessung zwischen einem Startsignal der zentralen Recheneinheit 60 und einem Stoppsignal, das durch Nulldurchgänge des Empfangssignals generiert wird, vor. Die dabei in der Flankenauswertung F ermittelte Anzahl von Flanken bestimmt die Phasenlage des Kolbenechos 52, woraus auf eine Beeinträchtigung der Distanzmessung geschlossen werden kann. 7th shows schematically a realization of an ultrasonic distance sensor 20th according to an embodiment of the invention. He has a central processing unit 60 in which the method is implemented as a computer program. By means of a transmission stage 61 becomes the transmit pulse 50 generated. This is transmitted by means of an ultrasonic transducer that functions as a transceiver or transceiver 62 into the hydraulic oil 30th in the hydraulic cylinder 10 coupled. This converts returning pressure waves p _- to the reference echo 51 and the piston echo 52 to obtain. These are made using an instrumentation amplifier 63 reinforced. A band pass filter 64 suppresses high-frequency interference and low-frequency transverse oscillations of the ultrasonic transducer 62 and DC components. The filtered signal is then fed by a variable amplifier 65 reinforced. With a comparator 66 echoes are recognized whose magnitude exceeds _{the evaluation threshold M s.} In addition, the comparator generates 66 a stop_enable_ signal for a time measurement, which is sent to a time-to-digital converter (TDC) 67 is passed on. This takes a time measurement between a start signal from the central processing unit 60 and a stop signal generated by zero crossings of the received signal. The number of edges determined in the edge evaluation F determines the phase position of the piston echo 52 , from which it can be concluded that the distance measurement is impaired.

Wenn unter Auswertung des Reflexionsfaktors r zwischen unterschiedlichen Geraden der Beeinträchtigung der Distanzmessung unterschieden wird, so wird das Ergebnis dieser Unterscheidung von der zentralen Recheneinheit 60 an ein Ausgabegerät ausgegeben. Dies erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise mittels einer nicht dargestellten I/O-Link-Verbindung zu einem Ausgabegerät, welches die drei unterschiedlichen Beeinträchtigungsgrade mittels LEDs in den Farben grün, gelb und rot ausgibt. Der Betreiber des Hydrauliksystems wird auf diese Weise rechtzeitig gewarnt, wenn ein Entlüften des Hydraulikzylinders erforderlich ist.If, while evaluating the reflection factor r, a distinction is made between different straight lines of the impairment of the distance measurement, then the result of this distinction is made by the central processing unit 60 output to an output device. In the present exemplary embodiment, this takes place, for example, by means of an I / O link connection (not shown) to an output device which outputs the three different degrees of impairment by means of LEDs in the colors green, yellow and red. In this way, the operator of the hydraulic system is warned in good time when it is necessary to vent the hydraulic cylinder.

Der Ultraschalldistanzsensor 20 ist in den in den 1 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen in einer Öffnung im Boden des Hydraulikzylinders 10 angebracht und sein Ultraschallwandler 62 ist medienberührend. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist auch eine nicht medienberührende Ausführung realisierbar. Der Ultraschallwandler 62 wird hierzu an der gleichen Position am Hydraulikzylinder 10 ohne Öffnung angebracht. Dabei wird die Ultraschallwelle durch den Boden des Hydraulikzylinders 10 eingekoppelt.The ultrasonic distance sensor 20th is in the in the 1 and 4th illustrated embodiments in an opening in the bottom of the hydraulic cylinder 10 attached and its ultrasonic transducer 62 is media-touching. In other exemplary embodiments of the invention, a design that is not in contact with the media can also be implemented. The ultrasonic transducer 62 is for this purpose at the same position on the hydraulic cylinder 10 attached without opening. In doing so, the ultrasonic wave is transmitted through the bottom of the hydraulic cylinder 10 coupled.

Claims

Method for monitoring an ultrasonic distance sensor (20) in a hydraulic system, wherein a comparison of a pressure wave (p +) emitted by the ultrasonic _{distance sensor (20) with a pressure wave (p -} ) returning to the ultrasonic distance sensor (20) is used to conclude that a distance measurement is impaired.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that an impairment of a distance measurement is recognized when a sign of the transmitted pressure wave (p ₊ ) differs from a sign of the returning pressure wave (p _- ).

Procedure according to Claim 2 , characterized in that a difference between the sign of the transmitted pressure wave (p +) and the sign of the returning pressure wave (p.) is determined by an edge analysis (F) of the returning pressure wave (p-).

Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that an impairment of the distance measurement is assessed by means of a reflection factor which is calculated from the transmitted pressure wave (p +) and the returning pressure wave (p.).

Procedure according to Claim 4 , characterized in that - an unimpaired distance measurement is concluded if the reflection factor is positive, and - an impaired distance measurement is concluded if the reflection factor is negative.

Procedure according to Claim 4 , characterized in that - an unimpaired distance measurement is concluded if the reflection factor is greater than a first threshold value, - a slightly impaired distance measurement is concluded if the reflection factor is between the first threshold value and a second threshold value, and - a strong one impaired distance measurement is closed if the reflection factor is below the second threshold value.

Ultrasonic distance sensor (20) for arrangement in a hydraulic system, characterized in that it is set up to use a method according to one of the Claims 1 until 6th to be monitored.

Ultrasonic distance sensor (20) Claim 7 , characterized in that it has a sound transducer (62) for emitting the transmitted pressure wave (p ₊ ) and for receiving the returning pressure wave (p _- ), as well as a comparator (66) which is set up to convert from a converted signal the return pressure wave (p _- ) to compare the pressure wave (p +) emitted by the ultrasonic distance sensor (20) with the pressure wave (p) returning to the ultrasonic distance sensor.