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Die Erfindung betrifft eine Wegmessvorrichtung
zur Messung des Betrages einer Verschiebung zwischen zwei Komponenten.
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Derartige Wegmessvorrichtungen sind
durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Die bekannten Wegmessvorrichtungen
sind in der Regel individuelle Lösungen,
die an die Ausgestaltung der beiden Komponenten zueinander sowie
an die Art der zu messenden Verschiebung jeweils speziell angepasst sind.
Derartige Individuallösungen
sind teuer. Zudem existiert mit Blick auf die bekannten Wegmessvorrichtungen
noch Verbesserungspotenzial hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit einerseits
und ihrer Robustheit andererseits.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Wegmessvorrichtung zu schaffen, die einerseits für eine Mehrzahl
von Anwendungsmöglichkeiten
einsetzbar ist und dabei gleichzeitig die Anforderungen dieser Anwendungsmöglichkeiten hinsichtlich
der Präzision
einerseits und der Robustheit andererseits erfüllt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Wegmessvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
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Die Verschiebung der Komponenten
zueinander wird erfindungsgemäß in eine
entsprechende Verschiebung zweier Bauteile der Wegmessvorrichtung
umgesetzt und über
die Beeinflussung eines Magnetfeldes in einem Magnetfeldsensor aufgrund dieser
Verschiebung gemessen. Abhängig
von der Präzision
des Magnetfeldsensors lässt
sich diese Verschiebung präzise
vermessen. Diese Messpräzision
lässt sich über die
Formgebung des Mess körpers
sowie des gegebenenfalls vorhanden Gegenkörpers noch weiter steigern.
Durch die Anbringung der Messanordnung der Wegmessvorrichtung auf zwei
Bauteile, die integrale Bestandteile der Wegmessvorrichtung sind,
entfällt
die Notwendigkeit, die Messanordnung individuell an die Gestalt
der Komponenten anzupassen, deren Verschiebungzueinander vermessen
werden soll. Die zu vermessende Verschiebung kann translatorisch
und/oder rotatorisch sein.
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Ineinander geführte Bauteile nach Anspruch 2
gewährleisten
die Möglichkeit
einer robusten Ausgestaltung der Wegmessvorrichtung. Die Wegmessvorrichtung
kann hierbei die axiale Verschiebung des einen Bauteils im anderen
Bauteil vermessen. Alternativ oder zusätzlich ist es bei einer entsprechenden Anordnung
der Elemente der Wegmessvorrichtung möglich, auch eine Rotation des
einen Bauteils im anderen Bauteil zu vermessen, wenn die bei der
Führung
dieser Rotationsverschiebung zusammenwirkenden Wände der Komponenten einen rotationssymmetrischen
Querschnitt haben.
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Eine Anordnung des Magnetfeldsensors oder
des Gegenkörpers
nach Anspruch 3 ist einfach realisierbar, wobei diese Messkomponenten
z. B. in Standard-Bauteilen untergebracht werden können, wie
sie aus dem Bereich der Reibungsdämpfer oder der Gasfederungen
bekannt sind.
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Eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren nach
Anspruch 4 verringert die Gefahr auftretender Messfehler.
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Eine Wegmessvorrichtung gemäß Anspruch 5
lässt sich
einfach auswerten. Alternativ hierzu lassen sich auch nichtlineare
Abhängigkeiten
des gemes senen Sensorsignals zum Abstand zwischen den Bauteilen
realisieren, was z. B. für
eine Referenzpunktmessung eingesetzt werden kann.
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Ein Messkörper nach Anspruch 6 ist einfach herstellbar
und bietet die Möglichkeit,
z. B. auch Verschiebungen der Bauteile zueinander über längere Wege
zu vermessen.
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Ein Führungskörper nach Anspruch 7 erweitert
die Möglichkeiten
bei der Ausgestaltung des Messkörpers
z. B. hinsichtlich dessen Form und Material, da der Messkörper vom
Führungskörper gehalten
und geschützt
werden kann.
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Eine Ausgestaltung der Wegmessvorrichtung
nach Anspruch 8 kann ebenfalls zu einem Schutz des Messkörpers eingesetzt
sein. Zudem ermöglicht
einen derartige Anordnung des Messkörpers Ausgestaltungen der Wegmessvorrichtung
mit guter Messgenauigkeit.
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Eine Anordnung der Magnetfeldquelle
nach Anspruch 9 kann zur Erzeugung eines um die Längsachse
des Messkörpers
rotationssymmetrischen Magnetfeldes genutzt werden, was die Möglichkeit
einer fehlertoleranten integralen Messung schafft. Hierbei können insbesondere
Fehler toleriert werden, die dadurch entstehen, dass die Längsachsen
der beiden zueinander beweglichen Bauteile nicht aufeinander liegen,
oder dass senkrecht zur Verschiebungsrichtung der Bauteile zueinander
Querkräfte
auftreten.
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Dies gilt entsprechend für die alternative Ausgestaltung
der Wegmessvorrichtung nach Anspruch 10.
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Die alternative Wegmessvorrichtung
nach Anspruch 11 lässt
sich ebenfalls zu präzisen
Wegmessung einsetzen.
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Eine Magnetfeld-Messeinrichtung nach
Anspruch 12 mit integrierter Magnetfeldquelle ist kompakt.
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Eine Magnetfeld-Messeinrichtung mit
nach Anspruch 13 integriertem Schaltkreis, z. B. einem Mikroprozessor,
erweitert die Möglichkeiten
des Einsatzes der Wegmessvorrichtung, insbesondere was die Kalibrierung
von dieser und die Auswertung der Messsignale angeht.
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Ein Temperatursensor nach Anspruch
14 führt
zur Möglichkeit,
eine temperaturkompensierte Wegmessvorrichtung bereitzustellen.
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Ein Hall-Sensor gemäß Anspruch
15 weist eine hohe Messgenauigkeit auf und ist hinsichtlich Robustheit
und Versorgungsanforderungen nicht sehr anspruchsvoll.
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Eine Magnetfeldquelle nach Anspruch
16 ist preiswert.
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Die genannten Vorteile der Wegmessvorrichtung
lassen sich insbesondere bei den Einsatzmöglichkeiten nach Anspruch 17
nutzen. Andere Anwendungsbeispiele sind die Wegmessung in einem
Hydraulikdämpfer,
in einem Potentiometer, insbesondere in einem Spindelmehrgang-Potentiometer,
in einem Winkelsensor, in einem pneumatischen, hydraulischen oder
elektromechanischen Stellzylinder, in einem Fahrwerksystem, bei
der Schalthebelpositionsabfrage, in einem Gabelstapler, insbesondere
zur Messung der Gabel-Position, bei der Resonanzrohr-Klappenverstellung,
in Bremsen, insbesondere zur Messung des Belagverschleißes und
der Position des Bremszylinders. Insbesondere als inkrementale Wegmessvorrichtung
ist der Einsatz im Rahmen der Wegmessung von Fahrzeugkomponenten,
z. B. der Sitzposition, der Scheinwerferposition, eines Spiegels,
einer Schiebetür,
einer Heckklappe, einer Tür-Zuziehhilfe
oder einer Lenkradhöhenverstellung möglich. Eine
andere mögliche
Anwendung der Wegmessvorrichtung ist diejenige innerhalb eines Aufzug-Fahrgastzellenpositioniersystems
mit Etagenerkennung.
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Mit einem im Sinne des Anspruches
18 spiegelsymmetrisch ausgeführten
Messkörper
lässt sich eine
kompakte Wegmessvorrichtung realisieren, die die Möglichkeit
eines langen Messweges und/oder einer hohen Auflösung bietet.
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Nach Anspruch 19 angeordnete Magnetfeldsensoren
bieten die Möglichkeit,
nicht nur den Abstand zwischen dem Messkörper einerseits und der Magnetfeldquelle
oder dem Gegenkörper
andererseits zu vermessen, sondern es besteht zudem die Möglichkeit,
die Steigung einer dem Magnetfeldsensor zugewandten Fläche des
Messkörpers
zu ermitteln. Dies erhöht
die Flexibilität
bei der Formgebung insbesondere des Messkörpers.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Wegmessvorrichtung;
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2 einen
Schnitt gemäß Linie
II-II in 1;
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3 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Wegmessvorrichtung;
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4 einen
Schnitt gemäß Linie
IV-IV in 3;
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5 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Wegmessvorrichtung;
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6 einen
Schnitt gemäß Linie
VI-VI in 5;
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7 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Wegmessvorrichtung;
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8 einen
Schnitt gemäß Linie
VIII-VIII in 7;
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9 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Wegmessvorrichtung;
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10 und 11 Längsschnitte durch eine weitere
Wegmessvorrichtung in zwei verschiedenen Messpositionen;
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12 und 13 Längsschnitte durch eine weitere
Wegmessvorrichtung in zwei verschiedenen Messpositionen;
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14 eine
schematische Seitenansicht einer weiteren Wegmessvorrichtung;
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15 einen
Schnitt gemäß Linie
XV-XV in 14;
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16 einen
Schnitt gemäß Linie
XVI-XVI in 14;
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17 eine
zu 14 ähnliche
Seitenansicht eines Messkörpers
einer weiteren Wegmessvorrichtung;
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18 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Wegmessvorrichtung;
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19 einen
Schnitt gemäß Linie
XIX-XIX in 18;
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20 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Wegmessvorrichtung; und
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21 einen
Schnitt gemäß Linie
XXI-XXI in 20.
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1 und 2 zeigen Schnitte durch eine
als Dämpfungseinheit
ausgeführte
und insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Wegmessvorrichtung
zur Messung des Betrages einer Verschiebung zwischen zwei Komponenten.
Diese umfasst ein Gehäuse 2 mit
einem zylindrischen und einseitig offenen Innenraum 3.
Das Gehäuse 2 ist
aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise für Abschirmzwecke, kann genauso
aber auch aus einem nicht ferromagnetischen Material, z. B. aus
einem paramagnetischen oder diamagnetischen Material hergestellt
sein. Beispiele für
nicht ferromagnetische Materialien sind Aluminium oder Kunststoff.
Das Gehäuse 2 ist
an einem ersten Messpunkt über
eine Befestigungslasche 4 in einem Befestigungsabschnitt 5, welcher
der Öffnung
des Innenraumes 3 gegenüberliegt,
an der ersten Komponente, die in der Zeichnung nicht dargestellt
ist, festlegbar.
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Im Innenraum 3 ist eine
hohle Kolbenstange 6 aus nicht ferromagnetischem, z. B.
paramagnetischem Material geführt.
Das einem Boden 7 des Innenraumes 3 zugewandte
Ende der Kolbenstange 6 ist stirnseitig mit einer Kolbenwand 8 aus
nicht ferromagnetischem, z.B. paramagnetischem Material versehen.
In letzterer können
auch in bekannter Weise Luftdurch läse zur Beeinflussung der Dämpfungseigenschaften
der Wegmessvorrichtung 1 ausgeführt sein. Am der Kolbenwand 8 gegenüberliegenden Ende
weist die Kolbenstange 6 einen als Stopfen ausgeführten Befestigungsabschnitt 9 auf,
in dem eine Befestigungslasche 10 zur Befestigung der Wegmessvorrichtung 1 an
einem zweiten Messpunkt der zweiten, ebenfalls nicht dargestellten
Komponente ausgeführt
ist. Der Befestigungsabschnitt 9 kann auch einstöckig an
der Kolbenstange 6 ausgeführt sein.
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In der Kolbenstange 6 ist
ein kegelstumpfförmiger
Messkörper 11 aus
ferromagnetischem Material ausgeführt, dessen Längsachse
mit denjenigen der Kolbenstange 6 sowie des Innenraumes 3 zusammenfällt. Der
Messkörper 11 ist
an einem Ende in einer hinterschnittenen Sackausnehmung 12 des
Befestigungsabschnittes 9 befestigt und erstreckt sich von
dort aus durch die gesamte hohle Kolbenstange 6 bis hin
zur Kolbenwand 8, wobei er sich im Querschnitt verjüngt. Der
Messkörper 11 ist
an seinem dem Befestigungsabschnitt 9 gegenüberliegenden Ende
in einer Durchgangsöffnung 13 der
Kolbenwand 8 festgelegt und wird durch die Kolbenwand 8 auf
diese Weise in der Kolbenstange 6 zentriert.
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Am der Öffnung des Innenraumes 3 benachbarten
Endabschnitt des Gehäuses 2 ist
in einer Gehäuseaufnahme 14 eine
Magnetfeld-Messeinrichtung 15 angeordnet. Diese umfasst
eine Magnetfeldquelle 16, z. B. einen Permanentmagneten,
und einen Magnetfeldsensor 17 z.B. in Form eines HallSensors
oder eines magnetoresistiven Sensors. Über Signalleitungen 18, 19,
welche durch eine Wand der Gehäuseaufnahme 14 hindurch
geführt
sind, ist die Magnetfeld-Messeinrichtung 15 mit einem nicht
dargestellten Rechner verbunden. Das auf den Signalleitungen 18, 19 bereitgestellte
Messsignal des Magnetfeldsensors 17 kann als analoges,
alternativ aber auch als digitales oder pulsbreitenmoduliertes Signal vorliegen.
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Die Kolbenstange 6 mit dem
Messkörper 11 stellt
ein erstes Bauteil der Wegmessvorrichtung 1 dar, welches
zur Wegmessung gegenüber
einem zweiten Bauteil, dem Gehäuse 2,
der Wegmessvorrichtung 1 geführt beweglich ist.
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Die Wegmessvorrichtung 1 funktioniert
folgendermaßen:
Die
Magnetfeldquelle 16 erzeugt ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien
den Magnetfeldsensor 17 in Richtung auf den Messkörper 11 durchtreten.
Ein Luftabstand S zwischen dem Magnetfeldsensor 17 und
dem Messkörper 11 ändert sich
aufgrund der kegelstumpfförmigen
Geometrie des Messkörpers 11 abhängig von
der Position der Kolbenstange 6 im Gehäuse 2 und ist daher
ein direktes Maß dafür, wie weit die
Kolbenstange 6 in das Gehäuse 2 eingeschoben ist.
Je nach der Größe des Luftabstandes
S ändert sich
aufgrund des Einflusses des Messkörpers 11 auf das Magnetfeld
die Dichte der den Magnetfeldsensor 17 durchtretenden Magnetfeldlinien,
also der am Ort des Magnetfeldsensors 17 auftretende magnetische Fluss.
Diese Änderung
wird vom Magnetfeldsensor 17 erfasst und über die
Signalleitungen 18, 19 an den Rechner weitergeleitet.
Dieser setzt das Messsignal des Magnetfeldsensors 17 z.B. über einen A/D-Wandler,
in ein geeignetes Signal um, welches weiterverarbeitet werden kann
und die Axialposition der Kolbenstange 6 im Gehäuse 2 repräsentiert.
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Zu Relativmessungen kann die Wegmessvorrichtung 1 ohne
Kalibrierung eingesetzt sein. Nach einer entsprechenden Kalibrierung
ist auch eine Absolutmessung der Axialposition der Kolbenstange 6 im
Gehäuse 2 mit
Hilfe der Magnetfeld-Messeinrichtung 15 möglich. Beim
Messkörper 11 führt eine
Verdrehung der Kolbenstange 6 um ihre Längsachse ohne axiale Ver schiebung
von dieser zum Gehäuse 2 nicht
zu einer Änderung
des vom Magnetfeldsensors 17 aufgenommenen Messsignals.
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3 bis 17 zeigen weitere Ausführungsformen
der Wegmessvorrichtung. Komponenten, die denjenigen entsprechen,
die schon unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben wurden, tragen die
gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals im Einzelnen erläutert. Auch
die Funktionsweisen der weiteren Wegmessvorrichtungen werden nur dort
erläutert,
wo sie sich von derjenigen der Wegmessvorrichtung nach den 1 und 2 unterscheiden.
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3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform
der Wegmessvorrichtung 1. Diese unterscheidet sich von
derjenigen der 1 und 2 dadurch, dass das Gehäuse 2 der
Wegmessvorrichtung 1 nach den 3 und 4 zwei
in Umfangsrichtung um 180° gegeneinander
versetzt angeordnete Gehäuseaufnahmen 14 mit
darin aufgenommenen Magnetfeld-Messeinrichtungen 15 aufweist.
Die Wegmessvorrichtung 1 nach den 3 und 4 ist
somit zu einer Ebene, welche ihre Längsachse enthält und auf
der Zeichenebene der 3 senkrecht
steht, spiegelsymmetrisch. Bei der Wegmessvorrichtung 1 nach den 3 und 4 werden die Messsignale beider Magnetfeld-Messeinrichtungen 15 erfasst
und gemittelt. Hierdurch lassen sich Fehler eliminieren, die dadurch entstehen
können,
dass die Führungsverschiebung der
Kolbenstange 6 im Gehäuse 2 in
ihrer Richtung nicht exakt mit der Rotations-Symmetrieachse des Messkörpers 11 übereinstimmt.
Dies kann sich beispielsweise durch Kräfte quer zur axialen Verschiebungsrichtung
der Kolbenstange 6 im Gehäuse 2 ergeben.
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5 und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform
der Wegmessvorrichtung 1. Diese ist als Reibungsdämpfer ausgeführt. Von
der Wegmessvorrichtung 1 nach den 1 und 2 unterscheidet
sie sich dadurch, dass im Gehäuse 2 der
Wegmessvorrichtung 1 nach den 5 und 6 ein
hülsenförmiges Reibungselement 20 ausgeführt ist,
welches einen Abschnitt der Innenwand des Innenraumes 3 des
Gehäuses 2 bildet.
Das Reibungselement 20 wirkt bei einer Axialverschiebung
der Kolbenstange 6 im Gehäuse 2 definiert
mit der Außenwand
der Kolbenstange 6 zusammen.
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7 und 8 zeigen eine vierte Ausführungsform
der Wegmessvorrichtung 1. Diese unterscheidet sich von
derjenigen nach den 5 und 6 dadurch, dass analog wie
bei der Ausführung
nach den 3 und 4 zwei Magnetfeld-Messeinrichtungen 15 vorgesehen
sind.
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Wegmessvorrichtungen nach den 5 bis 8 können
z. B. als Reibungsdämpfer
mit integrierter Wegmessung in Waschautomaten verwendet werden.
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9 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
einer Wegmessvorrichtung 1, welche als Gasfeder ausgeführt ist.
Bei der fünften
Ausführungsform
ist im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
der Außendurchmesser
der Kolbenstange 6 wesentlich kleiner als der Innendurchmesser
des Gehäuses
2 im Bereich des Innenraumes 3. Im Bereich der Öffnung des
Gehäuses 2,
durch welche die Kolbenstange 6 in den Innenraum 3 eintritt, weist
das Gehäuse 2 einen
umgebogenen Bund 21 mit einer Öffnung auf, deren Innendurchmesser
dem Außendurchmesser
der Kolbenstange 6 entspricht. Dem Bund 21 benachbart
ist im Innenraum 3 ein erster Führungsring 22 für die Kolbenstange 6 angeordnet,
der gleichzeitig als Aufnahme für
die Magnetfeld-Messeinrichtung 15 dient. Ein zweiteiliges
ringförmiges
Dichtelement 23 dichtet in bekannter Weise nach innen gegen
die Außenwand
der Kolbenstange 6 und nach außen gegen die Innenwand des
Innenraumes 3 ab. Das Dichtelement 23 ist zwischen
dem Führungsring 22 und
einem Haltering 24, der axial mittels einer umlaufenden
Gehäusesicke 25 am
Gehäuse 2 festgelegt
ist, im Innenraum 3 des Gehäuses 2 angeordnet.
Der Führungsring 22,
das Dichtelement 23 und der Haltering 24 sind
aus nicht ferromagnetischem, z.B. paramagnetischem Material.
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An ihrer dem Boden 7 des
Innenraumes 3 zugewandten Stirnseite endet die Kolbenstange 6 in einem
Dämpfungs-Kolben 26 aus
nicht ferromagnetischem, z. B. paramagnetischem Material, der in
für Gasfedern
bekannter Weise mit Luftdurchlässen
und Dichtungskörpern
versehen ist, welche diese Durchlässe schieberichtungsabhängig verengen
bzw. verschließen.
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Im Vergleich z. B. zur ersten Ausführungsform
der Wegmessvorrichtung 1 öffnet sich der Konus des Messkörper 11 dieser
fünften
Ausführungsform
entgegengesetzt zum dortigen Messkörper 11, so dass sich
dessen Durchmesser in Richtung auf den Befestigungsabschnitt 9 zu
verringert.
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Die Funktion des fünften Ausführungsbeispiels
entspricht derjenigen, die unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde. Die entgegengesetzte Konizität des Messkörpers 11 beim fünften Ausführungsbeispiel
im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel
führt lediglich
zu einer relativen Signaländerung
des vom Magnetfeldsensor 17 erfassten Messsignals mit umgekehrtem
Vorzeichen. Beim Messkörper 11 des
fünften Ausführungsbeispiels
führt eine
Verdrehung der Kolbenstange 6 um ihre Längsachse ohne axiale Verschiebung
von dieser zum Gehäuse 2 e benfalls
nicht zu einer Änderung
des vom Magnetfeldsensors 17 aufgenommenen Messsignals.
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10 und 11 zeigen zwei verschiedene Messpositionen
eines sechsten Ausführungsbeispiels
einer Wegmessvorrichtung 1, die als Dämpfungseinheit ausgeführt ist.
Dort ist der Messkörper 11 nicht,
wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, axial an
der Kolbenstange 6, sondern axial am Gehäuse 2 festgelegt.
Hierzu ist am Boden 7 des Innenraumes 3 des Gehäuses 2 ein
Halteelement in Form eines Hülsenkörpers 27 aus
nicht ferromagnetischem, z.B. dia- oder paramagnetischem Material
montiert. In diesen ist das sich auf den Hülsenkörper 27 zu erweiternde
Ende des Messkörpers 11,
welches dort einen Steckabschnitt 28 mit einer Umfangstufe
aufweist, eingesteckt. Hinter dem Steckabschnitt 28 ist
im Hülsenkörper 27 der
Magnetfeldsensor 17 und wiederum hinter diesem die Magnetfeldquelle 16 angeordnet.
Zwischen der Magnetfeldquelle 16 und dem Magnetfeldsensor 17 1iegt im
Hülsenkörper 27 noch
ein Distanzkörper 29.
Hinter der Magnetfeldquelle 16 wiederum ist in den Hülsenkörper 27 eine
Führungshülse 30 eingesteckt, welche
aus dem Gehäuse 2 durch
eine Bodenbohrung 31 in eine Sackausnehmung 32 des
Befestigungsabschnittes 5 des Gehäuses 2 ragt. Die Sackausnehmung 32 weist
Durchführungen
für die
Signalleitungen 18, 19 der Magnetfeld-Messeinrichtung 15 auf.
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Beim sechsten Ausführungsbeispiel
ist das Gehäuse 2 aus
ferromagnetischem Material.
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Im Unterschied zum ersten bis vierten
Ausführungsbeispiel
weist die Kolbenstange 6 an ihrem dem Boden 7 zugewandten
Ende keine geschlossene Kolbenwand, sondern eine Kolbenringwand 33 auf.
Diese weist einen ferromagnetischen Innenring 34 auf, der
zwischen zwei axial benachbarten Außenringen 35 in einer
Umfangsnut 36 der Kolbenstange 6 axial gesichert
ist. Die Außenringe 35 sind
aus nicht ferromagnetischem, z.B. paramagnetischem Material. Am
dem Boden 7 zugewandten Ende weist die Kolbenstange 6 eine
Durchtrittsöffnung 37 für den Messkörper 11 auf.
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Das sechste Ausführungsbeispiel der Wegmessvorrichtung 1 funktioniert
folgendermaßen:
Die
Magnetfeldlinien des von der Magnetfeldquelle 16 erzeugten
Magnetfeldes laufen ringförmig
durch den ferromagnetischen Messkörper 11, den ferromagnetischen
Innenring 34 und zurück
durch das ferromagnetische Gehäuse 2 und
die ferromagnetische Führungshülse 30 und
den ferromagnetischen Distanzkörper 29.
Das Magnetfeld hat die ungefähre
Gestalt eines Torus, dessen Rotations-Symmetrieachse mit den Längsachsen
des Messkörpers 11,
des Gehäuses 2 sowie
der Kolbenstange 6 zusammenfällt. Die Größe des magnetischen Flusses
durch den Magnetfeldsensor 17 hängt ab vom Abstand zwischen dem
Messkörper 11 und
dem Innenring 34. Bei der in 10 gezeigten
ersten Messposition, bei der die Kolbenstange 6 relativ
weit aus dem Gehäuse 2 gezogen
ist, ist dieser, dort als S1 bezeichnete
Abstand relativ groß,
so dass der magnetische Fluss im Magnetfeldsensor 17 entsprechend
klein ist. Bei der in 11 dargestellten
zweiten Messposition, bei der die Kolbenstange 6 relativ
weit in das Gehäuse 2 eingeschoben
ist, ist der Messkörper 11 so
weit in die Durchtrittsöffnung 37 der
Kolbenstange 6 eingedrungen, dass der Abstand S2 des Messkörpers 11 zum Innenring 34 sich
stark verringert hat. Es resultiert eine größere magnetische Flussdichte
im Magnetfeldsensor 17. Entsprechend zur oben beschriebenen
Funktion des ersten Ausführungsbeispiels
ist das vom Magnetfeldsensor 17 aufgenommene Messsignal
ein direktes Maß für die Axialposition
der Kolbenstange 6 im Gehäuse 2.
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12 und 13 zeigen zwei Messpositionen eines
siebten Ausführungsbeispiels
einer Wegmessvorrichtung 1. Anstelle einer Kolbenringwand
mit ferromagnetischem Innenring ist bei dieser Ausführungsform
ein Ringmagnet 38 in einem stufenförmigen Umfangs-Rücksprung 38a der
Kolbenstange 6 angeordnet und von einem Sicherungsring 39 aus nicht
ferromagnetischem, z.B. paramagnetischem Material axial an der Kolbenstange 6 gesichert.
Mit dem Sicherungsring 39 und einem weiteren Dichtelement 40,
welches einstöckig
als Umfangsdichtung um die Kolbenstange 6 ausgeführt ist,
dichtet die Kolbenstange 6 derart gegen das Gehäuse 2,
dass keine Luft aus dem Innenraum 3 bei einer Verschiebung der
Kolbenstange 6 relativ zum Gehäuse 2 austreten kann.
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Anstelle einer Magnetfeld-Messeinrichtung 15 mit
Magnetfeldquelle ist beim siebten Ausführungsbeispiel im Hülsenkörper 27 nur
der Magnetfeldsensor 17 untergebracht.
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Beim siebten Ausführungsbeispiel funktioniert
eine Wegmessung folgendermaßen:
Der
Feldverlauf der magnetischen Feldlinien entspricht beim siebten
Ausführungsbeispiel
dem sechsten Ausführungsbeispiel
mit dem Unterschied, dass das Magnetfeld vom vorzugsweise radial
megnetisierten Ringmagneten 38 und nicht von der Magnetfeldquelle 16 erzeugt
wird. Die Magnetfeldlinien verlaufen ausgehend vom Ringmagneten 38 in
das Gehäuse 2,
die Führungshülse 30,
den Magnetfeldsensor 17, den Messkörper 11 und schließen sich wieder
im Ringmagneten 38. Entsprechend dem im Zusammenhang mit
den 10 und 11 Ausgeführten ist in den in den 12 und 13 dargestellten Messpositionen der magnetische
Fluss durch den Magnet feldsensor 17 abhängig vom Abstand S 1, S2 des Messkörpers 11
vom Ringmagneten 38. Dieser Abstand stellt wiederum ein
direktes Maß für die Axialposition
der Kolbenstange 6 relativ zum Gehäuse 2 dar.
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Mit den Ausführungsbeispielen nach den 10 bis 13 lässt
sich aufgrund des in etwa torusförmigen
Verlaufs der Magnetfeldlinien durch die Wegmessvorrichtung 1,
welche über
den ganzen Umfang des Gehäuses 2 verteilt
dieses durchtreten, eine über
den gesamten Umfang des Gehäuses 2 integrierte
Luftabstandsmessung des Messkörpers
11 zum ferromagnetischen Innenring 34 bzw. zum Ringmagneten 38 durchführen. Hierdurch
werden Messfehler ausgeglichen, die aufgrund der Tatsache entstehen
können,
dass die Verschieberichtung der Kolbenstange 6 zum Gehäuse 2 nicht
mit der Rotations-Symmetrieachse des Messkörpers 11 zusammenfällt.
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14 bis 16 zeigen ein achtes Ausführungsbeispiel
einer Wegmessvorrichtung 1 in einer stark schematisierten
Darstellung. 14 zeigt
einen ferromagnetischen Messkörper 41,
welcher in nicht dargestellter Weise an einem ersten Bauteil der Wegmessvorrichtung
nach dem achten Ausführungsbeispiel
montiert ist. Der Messkörper 41 wird
relativ zur Magnetfeld-Messeinrichtung 15 in
Richtung eines Pfeils 42 verschoben, welche in nicht dargestellter
Weise an einem zweiten Bauteil der Wegmessvorrichtung 1 montiert
ist. Der Magnetfeldsensor 17 der Magnetfeld-Messeinrichtung 15 ist
auf der dem Messkörper 41 zugewandten
Seite der Magnetfeldquelle 16 angebracht und wird von dieser
getragen. Die Magnetfeldquelle 16 und der Magnetfeldsensor 17 der
zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiele
können
wie diejenigen des Ausführungsbeispiels
gemäß 14 angeordnet sein. Der Hall-Sensor
ist auf einem integrierten Schaltkreis 43c angeordnet,
welcher die elektrische Versorgung des Hall-Sensors sowie eine Erstverarbeitung
und gegebenenfalls auch Speicherung des Messsignals gewährleistet.
Auf dem integrierten Schaltkreis 43c können Parameter abgespeichert
sein, die beim Kalibriervorgang des Magnetfeldsensors 17 gebraucht werden.
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Auf dem integrierten Schaltkreis 43c kann ferner
ein Temperatursensor 43a integriert sein, wie bei der
Magnetfeld-Messeinrichtung 15 der 14 angedeutet. Mit Hilfe des Temperatursensors 43a kann
der integrierte Schaltkreis 43c eine Temperatur-Kalibrierung
bzw. eine Temperaturkompensation des Magnetfeldsensors 17 durchführen bzw.
gewährleisten.
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Zudem weist der integrierte Schaltkreis 43c des
Magnetfeldsensors 17 einen Spannungsregler 43b auf.
Dieser regelt eine Speisespannung für den Magnetfeldsensor 17,
die diesem über
die Signalleitungen 18, 19 zugeführt wird,
derart, dass das Messsignal des Magnetfeldsensors 17 in
einem definierten Spannungsbereich der Speisespannung unabhängig von
dieser ist.
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Mit Hilfe des integrierten Schaltkreises 43c kann
eine Programmierung der Magnetfeld-Messeinrichtung 15 derart
erfolgen, dass diese rechnerseitig über eine normierte Schnittstelle
ausgelesen werden kann.
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15 und 16 zeigen zwei Schnitte durch den
Messkörper 41.
Der Schnitt gemäß 15 ist hierbei in einem
in 14 linksseitigen
Abschnitt des Messkörpers 41 ausgeführt. In
einer dem Magnetfeldsensor 17 zugewandten oberen Wand 43 des Messkörpers 41 ist
eine Nut 44 ausgeführt,
die in der Schnittebene von 15 eine
Breite aufweist, die ungefähr
einem Drittel der Breite der oberen Wand 43 entspricht.
Diese Nut 44 verbreitert sich linear in 14 nach rechts hin. 16 zeigt einen Schnitt im rechten Endbereich
des Messkörpers 41.
Dort hat sich die Nut 44 derart verbreitert, dass rechts
und links der Nut 44 nur noch zwei relativ schmale Stege 45 verbleiben.
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Die Wegmessvorrichtung gemäß dem achten
Ausführungsbeispiel
funktioniert folgendermaßen:
Die
Magnetfeldlinien, die von der Magnetfeldquelle 16 erzeugt
werden, durchtreten den Magnetfeldsensor 17 in Richtung
auf den ferromagnetischen Messkörper 41 zu.
Bedingt durch die Nut 44 werden die Magnetfeldlinien derart
deformiert, dass dann, wenn der Magnetfeldsensor 17 einem
Bereich der Nut 44 gegenüberliegt, in dem diese relativ
schmal ist, z. B. im Bereich nach 15,
die Magnetfeldlinien relativ dicht den Magnetfeldsensor 17 durchtreten.
Je breiter die Nut 44, welche dem Magnetfeldsensor 17 gegenüberliegt,
wird, desto stärker
werden die Magnetfeldlinien auseinandergezogen, so dass z. B. dann, wenn
der Magnetfeldsensor 17 im Bereich der Schnittebene von 16 liegt, im Vergleich zur
Position des Magnetfeldsensors 17 im Bereich der Schnittebene
von 15, der magnetische
Fluss durch den Magnetfeldsensor 17 geringer ist. Auch
hier gilt, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Wegmessvorrichtung 1, dass das Messsignal, welches
vom Magnetfeldsensor 17 aufgenommen ist, direkt proportional
zur Position des Messkörpers
41 zum Magnetfeldsensor 17 längs einer Verschiebung in Richtung
des Pfeils 42 ist.
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17 zeigt
ein neuntes Ausführungsbeispiel
einer Wegmessvorrichtung 1. Ein Messkörper 46 dieses Ausführungsbeispiels
weist eine schräg verlaufende
und nutfreie obere Wand 47 derart auf, dass der Messkörper 46 sich
nach Art eines Keils in 17 von
links nach rechts verschmälert.
Dem Messkörper 46 ist,
analog zum im Zusammenhang mit den 14 bis
16 Ausgeführten, eine
nicht dargestellte Magnetfeld-Messeinrichtung 15 zugeordnet.
Bei einer Verschiebung des Messkörpers 46 ändert sich
aufgrund der keilförmig
zulaufenden oberen Wand 47 der Abstand zwischen dieser
und dem Magnetfeldsensor der Magnetfeld-Messeinrichtung 15. Es
resultiert ein Messsignal des Magnetfeldsensors, welches ein direktes
Maß für eine Relativ
Verschiebung des Messkörpers 46 zur
Magnetfeld-Messeinrichtung 15 in Richtung des Pfeils 42 ist.
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Die Messkörper 11, 41 und 46 sind
derart gestaltet, dass bei der Verschiebung der beiden Bauteile
der Wegmessvorrichtung 1 zueinander eine stetige Änderung
des Messsignals resultiert. Die Formgebung der Messkörper 11, 41 und 46 kann
dabei derart sein, dass diese Messsignal-Änderung linear ist. Alternativ
oder zusätzlich
können
Messkörper
eingesetzt sein, die derart geformt sind, dass eine unstetige Änderung
des Messsignals bei der genannten Verschiebung der Bauteile zueinander
erfolgt. Dies kann z. B. zu Kalibrierzwecken genutzt werden.
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Als Magnetfeldquellen 16, 38 eignet
sich jeder Magnettyp, mit dem ein Magnetfeld mit einem vorgegebenen
magnetischen Fluss erzeugt werden kann. Bevorzugt ist dieses Magnetfeld
statisch. Es kann aber auch ein dynamisches Magnetfeld mit vorgegebenem
dynamischen Verhalten vorgesehen sein, welches vom Magnetfeldsensor 17 ausgewertet wird.
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Bei einer nicht dargestellten alternativen Wegmessvorrichtung
ist der Messkörper
so ausgeführt,
dass eine Rotationsverschiebung eines ersten Bauteils um ein zweites
Bauteil der Wegmessvorrichtung zu einer Änderung eines Luftabstandes
S im Sinne des oben Ausgeführten
und entsprechend zu einer Änderung
der magnetischen Flussdichte führt, welche
von einem Magnetfeldsensor 17 erfasst wird. Eine entsprechende
Wegmessvor richtung erfasst daher nicht die translatorische Verschiebung
zwischen zwei Bauteilen, sondern eine rotatorische Verschiebung
zwischen diesen.
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Alternativ zu einer breitenvariablen
Nut 44 im Sinne der 14 bis 16 kann auch eine tiefenvariable
Nut eingesetzt sein, wobei sich eine vom Magnetfeldsensor erfassbare Änderung
des magnetischen Flusses aufgrund des sich bei der Verschiebung
der Bauteile zueinander ändernden
Abstandes zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Boden der tiefenvariablen
Nut ergibt.
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18 und 19 zeigen ein zehntes Ausführungsbeispiel
einer Wegmessvorrichtung 1. Diese unterscheidet sich von
derjenigen der 1 und 2 dadurch, dass dort ein
Messkörper 48 vorgesehen ist,
welcher als Doppelkonus ausgeführt
ist, der sich ausgehend von einer Mittel-Symmetrie-Ebene, die senkrecht
auf der Längsachse
des Messkörpers 48 steht,
zu beiden Enden hin konusförmig
erweitert. Ferner umfasst ein Magnetfeldsensor 49 dieses zehnten
Ausfiihrungsbeispieles zwei in Richtung der Längsachse des Gehäuses 2 hintereinander
angeordnete Sensoren 50, 51 als Teile einer Magnetfeld-Messeinrichtung 15.
Die Sensoren können
sowohl als zwei voneinander getrennte Einzelsensoren als auch als
zwei monolithisch integrierte Sensoren vorgesehen sein.
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Beim Betrieb der Wegmessvorrichtung 1 des zehnten
Ausführungsbeispieles
messen die beiden Einzelsensoren 50, 51 unabhängig voneinander
die Größe des Luftabstandes
vom jeweiligen Einzelsensor 50, 51 zum Messkörper 48.
Der hierbei gemessene Unterschied zwischen diesen beiden Luftabständen lässt einen
direkten Rückschluss
auf die Steigung der dem Magnetfeldsensor 49 gegenüberliegenden
Konusfläche
des Messkörpers 48 zu
und führt
zu einer eindeutigen Positionsbestimmung des Messkörpers 48 relativ
zum Gehäuse
z. Bei gegebenem Konuswinkel des Messkörpers 48 und gleichem Durchmesser
der Kolbenstange 6 lässt
sich bei diesem Ausführungsbeispiel
die doppelte Länge
des Messkörpers 48 realisieren.
Je nach Anwendung ist es auch möglich,
die Auflösung
der Wegmessvorrichtung 1 des zehnten Ausführungsbeispieles
bei gegebener Länge
des Messkörpers 48 und
gegebenem Durchmesser der Kolbenstange 6 zu verdoppeln,
da der Messkörper 48 dann
mit doppeltem Konuswinkel, verglichen mit einem Messkörper gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
eingesetzt werden kann. Durch eine Addition der von den Einzelsensoren 50, 51 bereitgestellten
Messsignale ist zudem eine Erhöhung des
Signalhubes möglich.
Wenn die beiden Einzelsensoren 50, 51 den gleichen
Luftabstand S messen, liegt der Magnetfeldsensor 49 in
einer Mittel-Referenz-Position auf Höhe der Mittel-Symmetrie-Ebene des
Messkörpers 48 vor.
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20 und 21 zeigen eine elfte Ausführungsform
der Wegmessvorrichtung 1. Dort sind analog zur zweiten
Ausführungsform
nach den 3 und 4 zwei Gehäuseaufnahmen 14 mit
darin aufgenommenen Magnetfeld-Messeinrichtungen 15 vorgesehen.
Ein Messkörper 52 des
elften Ausführungsbeispiels
ist ebenfalls als Doppelkonus ausgeführt. Ausgehend von einer auf
der Längsachse
der Kolbenstange 6 senkrecht stehenden Mittel-Symmetrie-Ebene des
Messkörpers 52 verjüngt sich
dieser hin zu seinen beiden Enden, weist also am Ort der Mittel-Symmetrie-Ebene
seinen größten Querschnitt auf
und nicht, wie beim Messkörper 48 des
zehnten Ausführungsbeispieles,
seinen kleinsten Querschnitt. Die Funktion des elften Ausführungsbeispieles
entspricht derjenigen des zehnten Ausführungsbeispieles, wobei aufgrund
des Vorhandenseins von zwei gegenüberliegenden Magnetfeld-Messeinrichtungen 15 entsprechend
dem zweiten Ausführungsbeispiel analog
zum dort Beschriebenen Messfehler eliminiert sind.