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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zylinder/Kolben-Aggregat mit einem Zylinder und einem in dem Zylinder längsverschieblich dichtend gelagerten Kolben und mit einem optischen Wegmesssystem, welches ausgebildet ist, die Stellung des Kolbens innerhalb des Zylinders mittels einer Laufzeitmessung zu detektieren.
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Bei einem Zylinder/Kolben-Aggregat besteht häufig die Anforderung, die Position des Kolbens erfassen zu können. Hierzu können unterschiedliche Messmethoden zum Einsatz kommen. Insbesondere optische Messverfahren haben hierbei den Vorteil, dass sie eine berührungslose Positionserfassung ermöglichen.
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Ein Zylinder/Kolben-Aggregat mit einer optischen Messvorrichtung ist aus der
US2002083826A1 bekannt. Dort wird ein Lichtstrahl von einem optischen Sender in den Zylinderraum emittiert, am Kolben reflektiert und das reflektierte Lichtsignal wir von einem optischen Detektor erfasst. Aus der Laufzeit kann die optische Weglänge und damit die Kolbenposition ermittelt werden. Das Verfahren hat den Nachteil, dass die Lichtquelle und der Lichtdetektor über druckfesten lichtdurchlässige Fenster gegen den Druck im Druckraum des Hydraulikzylinders geschützt werden müssen, was den Integrationsaufwand erheblich steigert. Darüber hinaus ist die Messvorrichtung empfindlich gegen die Verschmutzung des Hydraulikmediums. Die Schmutzpartikel können das Licht reflektieren, was wiederum fehlerhafte Messung zur Folge hat.
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Ähnliche Messvorrichtungen und deren Einsatzgebiete z.B. in einem Kolbenspeicher sind aus
WO2012143171A1 ,
WO2015155290A1 und
CN107810332A bekannt. Bei allen Systemen besteht die nachteilige Abhängigkeit der Positionserfassung von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium, die wiederum von herrschenden Druck-, Temperatur-, Feuchtigkeitsbedingungen der Druckflüssigkeit abhängt.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Messvorrichtung anzugeben, die auch in Hydraulikzylindern mit stark verschmutzter Druckflüssigkeit einsetzbar ist und bei der insbesondere die Messung der Kolbenposition unabhängig von optischen Eigenschaften der Druckflüssigkeit bleibt.
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Die Ausgabe wird gelöst durch ein Zylinder/Kolben-Aggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Bei einem Zylinder/Kolben-Aggregat der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben eine Längsbohrung aufweist, in welche ein von einem Zylinderboden in den Zylinderinnenraum hineinragendes Innenrohr einschiebbar ist, wobei das optische Wegmesssystem einen optischen Sender und einen optischen Detektor aufweist, die entlang einer durch das Innenrohr verlaufenden Messstrecke angeordnet sind. Außerdem kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, welche die Laufzeit der vom optischen Detektor ausgehenden Messsignale misst und daraus eine optische Weglänge ermittelt.
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Längsbohrung und Innenrohr umschließen und schützen somit einen inneren Bereich des Zylinderraums, der für die optische Wegmessung zur Verfügung steht. Durch eine Verkapselung des Wegmesssystems mit dem Innenrohr werden etwaige Schmutzpartikel in der Hydraulikflüssigkeit vom Messsystem ferngehalten und nehmen somit keinen Einfluss auf die Messung. Eine Änderung von Druck und Feuchtigkeit in der Druckflüssigkeit haben ebenfalls keine Auswirkung auf das in der Längsbohrung und dem Innenrohr befindliche Medium. Darüber hinaus ist kein zusätzlicher Schutz der Lichtquelle und des Lichtdetektors gegen die Druckflüssigkeit notwendig, was den Integrationsaufwand reduziert.
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Der Kolben kann ein sogenannter Tauchkolben sein, sodass der Zylinderinnenraum den einzigen Arbeitsraum des Zylinder/Kolben-Aggregats darstellt. In diesem Fall erstreckt sich die Längsbohrung soweit in den Tauchkolben hinein, dass das Innenrohr bei vollständig eingefahrenem Kolben in der Längsbohrung aufgenommen werden kann.
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Bei einer alternativen Ausführungsform trägt der Kolben jedoch einseitig eine Kolbenstange und unterteilt den Zylinderinnenraum in zwei Arbeitsräume, den Kolbenraum und den Stangenraum. Die Längsbohrung erstreckt sich in diesem Fall durch den Kolben bis in die Kolbenstange, welche somit zumindest abschnittsweise hohl ausgeführt ist. Das Innenrohr ragt von dem der Kolbenstange abgewandten Zylinderboden in den Zylinderinnenraum, genauer gesagt in den Kolbenraum, und kann zum Einfahren des Kolbens in die durch den Kolben und die Kolbenstange umschlossene Längsbohrung teleskopisch eingeschoben werden.
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In beiden Ausführungsformen kann das Innenrohr an seinem freien Ende verschlossen und an seinem dem Zylinderboden zugewandten Ende mit dem Messsystem bzw. dessen Gehäuse fluiddicht verkapselt sein, sodass der Messraum nur von dem Innenrohr gebildet wird.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Innenrohr am Kolben gegenüber dem Zylinderinnenraum gedichtet ist und zusammen mit der Längsbohrung einen hydraulikmittelfreien Innenraum bildet, der für die optische Wegmessung genutzt werden kann. Über eine einfache gegebenenfalls mehrstufige Dichtung kann somit der von Innenrohr und Längsbohrung umschlossene Innenraum gegen die Hydraulikflüssigkeit und den im Zylinderinnenraum herrschenden Hydraulikdruck abgedichtet werden.
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Bevorzugt sind der optische Sender und der optische Empfänger am oder im Zylinderboden angeordnet. Ein vom optischen Sender ausgesandtes Messsignal wird hierbei innerhalb des Messraums zurück zum optischen Empfänger reflektiert. Somit verlängert sich die zur Verfügung stehende Weglänge, was bei einer Laufzeitmessung der optischen Signale zu einer verbesserten Auflösung führt. Außerdem lassen sich Sender und Empfänger am oder im Zylinderboden gut integrieren und über elektrische Durchlässe am Zylinderboden mit Signalleitungen verbinden.
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Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass ein von dem optischen Sender ausgesandtes Signal an einem vom Sender abgewandten Ende der Längsbohrung reflektiert wird. Bei dieser Ausführungsform ist es sinnvoll, wenn das Innenrohr endseitig offen ausgestaltet und am Kolben gedichtet ist und zusammen mit der Längsbohrung den Messraum bildet. Somit kann die Lage des Kolbens bestimmt werden, indem von der gemessenen Wegstrecke die bekannte Länge der Bohrung abgezogen wird. Hierzu kann im Bereich des Endes der Längsbohrung auch ein reflektierendes Element - etwa ein Spiegel - angeordnet werden, um die optischen Messsignale besser zu reflektieren.
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Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist hingegen vorgesehen, dass im Inneren des Innenrohrs ein reflektierendes Element längsbeweglich angeordnet ist, welches durch einen am Kolben angeordneten Permanentmagneten auf Höhe des Kolbens gehalten wird. Ein von dem optischen Sender ausgesandtes Messsignal wird in diesem Falle an dem reflektierenden Element reflektiert, sodass die Laufzeit direkt mit der Lage des Kolbens korreliert. Bevorzugt kann der Messraum hierbei gegenüber dem Zylinder gekapselt sein, indem das Innenrohr an seinem freien Ende verschlossen und an seinem unteren Ende fluiddicht am Zylinderboden angeordnet ist. Insbesondere kann das Innenrohr an seinem unteren Ende zusammen mit dem Messsystem fluiddicht verkapselt sein.
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Das reflektierende Element kann bevorzugt als Kugel, insbesondere Hohlkugel ausgeführt sein. Eine Hohlkugel ist aus dem Grund vorteilhaft, da sie eine gegenüber einer Vollkugel kleinere Masse besitzt. Durch die somit geringere Massenträgkeit verringert sich die Gefahr, dass die Hohlkugel im Falle von Vibrationen des Zylinder/Kolben-Aggregats aus dem vom Kolben ausgehenden Magnetfeld herausrutschen kann.
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In einer alternativen Ausführungsform kann in Längsrichtung der Bohrung mindestens eine Führungsnut, vorzugsweise mindestens zwei Führungsnuten ausgebildet sein. Das reflektierende Element weist hierbei mindestens einen - vorzugsweise mindestens zwei - in der Führungsnut geführten Vorsprünge auf. Das reflektierende Element kann in diesem Falle beispielsweise in Form einer ggf. verspiegelten Scheibe ausgeführt werden. Die in der bzw. den Führungsnuten geführten Vorsprünge dienen als unterstützende Elemente, die das Gleiten des reflektierenden Elements stabilisieren.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform besitzt das reflektierende Element gekrümmte Unterstützungsflächen, die gleitend an der Innenrohrwandung anliegen. Somit kann auf Führungsnuten und entsprechende Vorsprünge verzichtet werden, da die Gleitbewegung des reflektierenden Elements von den gekrümmten Unterstützungsflächen stabilisiert wird.
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Das reflektierende Element kann in einer weiteren Ausführungsform auch als Zylinder ausgeführt sein. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Zylinder eine durchgehende Längsbohrung aufweist. Durch die Bohrung lässt sich die Dämpfung der Gleitbewegung des reflektierenden Elements einstellen, womit die Gefahr von Rausrutschen des reflektierenden Elements aus dem Magnetfeld reduziert wird. Eine zylinderförmige Ausführung des reflektierenden Elements reduziert die Gefahr, dass das Element während der Gleitbewegung im Innenrohr von Messvorrichtung kippen oder sich verhaken kann.
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Ganz allgemein kann das reflektierende Element aus einem ferromagnetischen Materialien hergestellt sein, dass somit von einem vom Kolben ausgehenden Magnetfeld angezogen und in diesem gehalten wird.
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Das reflektierende Element kann bevorzugt aber auch aus einem nichtmagnetischen Material, insbesondere aus demselben Material wie das Innenohr, hergestellt und mit einem zusätzlichen magnetischen Element, insbesondere einem Permanentmagneten, versehen sein. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Temperaturausdehnung der beiden Elemente ausgeglichen wird.
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Bei der genannten Ausführungsform kann das reflektierende Element ein mit einer Bohrung versehenes, zylinderförmiges, reflektierendes Element aus nichtferromagnetischem Materialien sein, in dessen Bohrung ein Innenteil aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise ein Permanentmagnet, eingesetzt ist, damit das reflektierende Element über das vom Kolben ausgehende Magnetfeld mitgezogen wird.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann der vom Innenrohr bzw. von Innenrohr und Bohrung gebildete Messraum mit einem dämpfenden Medium befüllt sein, beispielsweise ein Öl mit geeigneter Viskosität. Hierdurch kann die Bewegung des reflektierenden Elements gedämpft werden. Durch die Dämpfung wird die Gefahr reduziert, dass das reflektierende Element aus dem Magnetfeld herausrutscht. Diese Gefahr besteht, wenn der Hydraulikzylinder starken Vibrationen ausgesetzt wird. Das Medium hat vorzugsweise stabile optische Eigenschaften über den Einsatztemperaturbereich des Hydraulikzylinders. Wird der Zylinder starken Vibrationen ausgesetzt, die aber die Position des Kolbens im Zylinder nicht, oder nur minimal verändern, so verhindert das dämpfende Medium, dass die Schwingungen sich wesentlich auf die Position des reflektierenden Elements, und damit auf das Messsignal auswirken.
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Das Wegmesssystem kann redundant bzw. mehrkanalig ausgeführt werden, indem mehrere Lichtquellen und Lichtdetektoren im Gehäuse eingebaut werden, die gleichzeitig oder zeitversetzt die Position des reflektierenden Elements erfassen.
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Das erfindungsgemäße Zylinder/Kolben-Aggregat kann ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder sein. Ebenso wäre die Verwendung als Kolbenspeicher möglich und ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit umfasst.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigt:
- 1 ein Zylinder/Kolben-Aggregat mit optischem Wegmesssystem nach einem ersten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt;
- 2 ein Zylinder/Kolben-Aggregat mit optischem Wegmesssystem nach einem zweiten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt;
- 3 eine Detailansicht des optischen Wegmesssystems aus 2;
- 4 eine Detailansicht eines Zylinder/Kolben-Aggregats mit optischem Wegmesssystem nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 5 einen Querschnitt durch ein in 4 verwendetes Innenrohr mit einem darin eingesetzten reflektierenden Element;
- 6 einen Querschnitt durch ein Innenrohr mit einem darin eingesetzten reflektierenden Element in einem alternativen Ausführungsbeispiel;
- 7 eine Detailansicht eines Zylinder/Kolben-Aggregats mit optischem Wegmesssystem nach einem vierten Ausführungsbeispiel;
- 8 einen Querschnitt durch ein in 7 verwendetes Innenrohr mit einem darin eingesetzten reflektierenden Element mit Zylinderform und
- 9 einen Querschnitt durch ein Innenrohr mit einem darin eingesetzten reflektierenden Element mit Zylinderform in einem alternativen Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist ein Hydraulikzylinder 1 mit einem darin längsbeweglich gelagerten Kolben 2 dargestellt. Der Kolben ist mittels Kolbendichtungen 2a, 2b in dem Hydraulikzylinder gedichtet. Selbstverständlich würde hier statt den schematisch gezeigten zwei Dichtungen auch eine einzelne Kolbendichtung für eine Abdichtung des Kolbens 2 gegen den Zylinder 1 ausreichen. Auf der in 1 oberen Seite trägt der Kolben 2 eine Kolbenstange 3, die am oberen Ende des Hydraulikzylinders aus diesem herausragt und an einem endseitigen Führungsstück 4 dichtend gelagert ist. Hierzu sind an dem Führungsstück 4 in entsprechenden Ringnuten um die Kolbenstange 3 liegende Kolbenstangendichtungen 4a, 4b angeordnet. Der Kolben unterteilt den Zylinderinnenraum 5 in einen unteren Kolbenraum 5a und einen oberen Stangenraum 5b. Über nicht gezeigte Hydraulikanschlüsse kann der Kolbenraum 5a mit Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagt und der Stangenraum 4b zu einem Tank hin entlastet werden, um die Kolbenstange 3 auszufahren, oder umgekehrt der Stangenraum 4b mit Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagt und der Kolbenraum 4a zu dem Tank hin entlastet werden, um die Kolbenstange einzufahren. Insoweit entspricht der Aufbau einem üblichen Hydraulikzylinder. Rein beispielhaft ist am Zylinderboden 7 und dem Ende der Kolbenstange 3 jeweils ein Anlenkauge gezeigt.
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Durch den Kolben 2 und in die Kolbenstange 3 hinein erstreckt sich eine axial verlaufende Längsbohrung 6, die in der Kolbenstange 3 als Sacklockbohrung endet. Vom unteren Zylinderboden 7 ragt ein Innenrohr 8 in den Zylinderinnenraum 5 und erstreckt sich in die Längsbohrung 6 hinein. In einer entsprechenden Ringnut in der Bohrung im Kolben 2 ist eine Ringdichtung 8a um das Innenrohr 8 angeordnet, welche den von Innenrohr 8 und Bohrung 6 gebildeten Innenraum 9 gegenüber dem mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten und gegebenenfalls druckbeaufschlagten Zylinderinnenraum 5 abdichtet. Der Innenraum 9 ist somit hydraulikmittelfrei und kann erforderlichenfalls mit einem gasförmigen oder fluiden Medium gefüllt sein. Indem also der Messraum 9 vom Druckraum 5 des Hydraulikzylinders 1 getrennt ist, wird die Unabhängigkeit der optischen Messung von Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeit sichergestellt. Ein Druckausgleich beim Einfahren des Innenrohrs 8 in die Bohrung 6 kann erforderlichenfalls über die Kolbenstange 3 oder das Sensorgehäuse 10 realisiert werden.
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In einer Ausnehmung 7a im Zylinderboden 7 ist in der Verlängerung des Innenrohres 8 ein optisches Wegmesssystem 10 untergebracht. Dieses umfasst ein Gehäuse mit einem optischen Sender 11 und einem optischen Empfänger 12. Gegebenenfalls kann in der Ausnehmung 7a bzw. dem Gehäuse des Wegmesssystems 10 auch noch eine Auswerteeinheit 13 untergebracht sein, die den Sender 11 ansteuert und die vom Empfänger 12 gemessenen Signale auswertet. Alternativ kann eine Auswerteeinheit natürlich auch außerhalb des Hydraulikzylinders angeordnet und über elektrische Durchführungen mit dem Sender 11 und dem Empfänger 12 verbunden sein.
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Vom Sender 11 ausgehende optische Messsignale 14 verlaufen durch den von Innenrohr 8 und Bohrung 6 gebildeten Innenraum 9, werden am Ende der Längsbohrung 6 reflektiert und laufen zurück in Richtung Zylinderboden 7, wo sie von dem Empfänger detektiert werden. Die Fläche 6a am Ende der Bohrung 6 dient somit als reflektierendes Element. Um die Reflexion am Ende der Längsbohrung 6 zu verbessern kann dort auch ein separates, reflektierendes Element angeordnet sein. Aus der Laufzeit der Messsignale 14 kann in an sich bekannter Weise die Weglänge ermittelt werden, aus der sich wiederum die Lage des Kolbens 2 im Zylinder 1 ergibt.
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In dem in den 2 und 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich in dem Innenrohr 8 ein reflektierendes Element 15 angeordnet, welches in diesem Fall als Kugel ausgeführt ist. Die Kugel 15 ist magnetisch - beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material wie Weicheisen hergestellt - und wird von einem ringförmigen Permanentmagneten 16. Das Innenrohr 8 besteht hingegen aus einem nicht magnetischen und für das Magnetfeld des Magneten 16 durchlässigen Material, beispielsweise aus nichtmagnetischem Edelstahl.
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Die Kugel 15 ist innerhalb des Innenrohrs 8 beweglich, sodass sie bei einer Bewegung des Kolbens 2 im Magnetfeld des Permanentmagneten 16 mitgezogen wird. Die von dem optischen Sender 11 ausgesandten Messsignale werden somit an der Kugel 15, die zu diesem Zweck mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein kann, reflektiert und erreichen den Empfänger 12. Die aus einer Laufzeitmessung ermittelte Wegstrecke entspricht somit direkt dem doppelten Abstand des Kolbens vom Zylinderboden 7 bzw. vom optischen Messsystem 10.
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Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem das Innenrohr 8 an seinem freien Ende offen ausgestaltet und das Innenrohr 8 über eine Dichtung 8a an dem Kolben gedichtet ist, um zusammen mit der Bohrung 6 einen Messraum 9 zu bilden, wird im zweiten Ausführungsbeispiel der Messraum 9 ausschließlich vom Innenrohr 8 gebildet. Das Innenrohr 8 ist hierzu gekapselt ausgeführt, indem es an seinem freien Ende verschlossen und an seinem unteren Ende fluiddicht mit dem Gehäuse des Wegemesssystems 10 verbunden ist. Eine zusätzliche Dichtung gegenüber der Bohrung kann daher entfallen.
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Der Messraum 9 kann vorzugsweise mit einem Medium wie etwa einem Öl gefüllt werden, um die Bewegung vom reflektierenden Element zu dämpfen. Wird der Zylinder 1 starken Vibrationen ausgesetzt, die aber die Position des Kolbens 2 im Zylinder 1 nicht oder nur minimal verändern, so vermindert das dämpfende Medium Übertragung der Vibrationen auf das reflektierende Element 15 und reduziert somit den Einfluss der Vibrationen auf das Messignal. Außerdem wird die Gefahr vermindert, dass das das reflektierende Element 15 bei ruckartigen Bewegungen aus dem Magnetfeld des Magneten 16 herausrutscht. Da sich das Volumen des gekapselten Messraums 9 beim Verfahren des Kolbens 2 nicht ändert, ist auch kein Druckausgleich erforderlich.
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In dem in den 4 und 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel ist das reflektierende Element 15' als vorzugsweise verspiegelte Scheibe ausgebildet, die mit zwei gegenüberliegenden Vorsprüngen 17a, 17b versehen ist. Im Inneren des Innenrohrs 8 sind zwei Längsnuten 18a, 18b ausgebildet, in denen die Vorsprünge 17a, 17b geführt werden. Somit besteht eine gleitende Führung des reflektierenden Elements 15' innerhalb des Innenrohrs 8. Das reflektierende Element 15' ist wiederum zumindest teilweise aus magnetischen Material hergestellt und wird von dem um das Innenohr 8 liegenden Permanentmagneten 16 am Kolben bei einer Längsbewegung desselben mitgezogen. Somit ist durch Laufzeitmessung eines am Element 15' reflektierten Signals 14 die Kolbenposition messbar.
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Bei einer in 6 gezeigten alternativen Ausführungsform des als verspiegelte Scheibe ausgebildeten reflektierenden Elements 15" besitzt dieses statt Vorsprüngen zwei seitliche Fortsätze, die mit gekrümmten Unterstützungsflächen 19a, 19b versehen sind. Der Krümmungsradius entspricht knapp dem Innenradius des Rohres 8, sodass die Unterstützungsflächen 19a, 19b sich gleitend an der Rohrinnenwandung abstützen. Das reflektierenden Elements 15" gleitet somit stabil innerhalb des Innenrohres 8, sodass auf Führungsnuten verzichtet werden kann.
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In einem weiteren, in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das reflektierende Element 15''' als ein zylinderförmiger Körper ausgeführt, der mit einer durchgehenden Längsbohrung 20 versehen ist. Die zylindrische Ausführung reduziert die Gefahr, dass das Element 15''' während einer Gleitbewegung kippen oder gegenüber dem Innenrohr 8 verhaken kann. Durch das Maß der Bohrung lässt sich die Dämpfung der Gleitbewegung des reflektierenden Elements 15''' beeinflussen, sodass die Gefahr, dass das Element 15''' aufgrund von Vibrationen aus dem Magnetfeld des Kolbens 2 herausrutscht, vermindert werden kann. Damit das Element 15''' vom Magnetfeld angezogen wird, ist es wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen aus einem ferromagnetischen Material wie etwa Eisen hergestellt.
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In einer alternativen, in 9 gezeigten Ausführung kann das reflektierende Element 15'''' auch aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt sein. Bevorzugt kann das Element 15'''' aus dem gleichen Material bestehen wie das Innenrohr 8. Dies hat den Vorteil, dass die Temperaturausdehnung von Element 15'''' und Innenrohr 8 ausgeglichen wird. Bei dieser Ausführung ist das reflektierende Element 15'''' mit mindestens einem ferromagnetischen Element 21 versehen, damit es vom Magnetfeld des Magneten 16 mit dem Kolben2 mitgezogen wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein ringförmiger Permanentmagnet 21 verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002083826 A1 [0003]
- WO 2012143171 A1 [0004]
- WO 2015155290 A1 [0004]
- CN 107810332 A [0004]