DE10322718A1

DE10322718A1 - Ultraschall-Positionsmesssystem und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE10322718A1
Application number: DE2003122718
Authority: DE
Inventors: Thomas Volkwein; Lars Dr. Bornemann
Original assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: DE10322718B4

Abstract

Ein Ultraschall-Positionsmesssystem dient zum Messen der Position einer ein erstes Medium (4) von einem zweiten Medium (1) trennenden Phasengrenze (5). Dazu ist ein Ultraschallsensor (10) zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen an dem ersten Medium (4) vorgesehen sowie ein in dem ersten Medium (4) mit vorbestimmtem Referenzabstand (X) zu dem Ultraschallsensor (10) angeordneter Referenzreflektor (9). Eine Auswerteeinheit dient zum Erfassen einer Referenzlaufzeit (TR) von Ultraschallsignalen zwischen dem Ultraschallsensor (10) und dem Referenzreflektor (9), um daraus auf die absolute Schallgeschwindigkeit im ersten Medium (4) schließen zu können. Auf Grundlage der somit erfassten Schallgeschwindigkeit sowie einer gemessenen Messlaufzeit (TM) von Ultraschallsignalen zwischen dem Ultraschallsensor (10) und der Phasengrenze (5) lässt sich der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor (10) und der Phasengrenze (5) präzise bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Positionsmesssystem und ein Ultraschallpositionsmessverfahren.

Ein derartiges Messsystem ist insbesondere dazu geeignet, die Position einer ein erstes Medium von einem zweiten Medium trennenden Phasengrenze in einem Bezugssystem zu bestimmen. Dazu werden Ultraschallsignale von einem Ultraschallsender in Richtung der Phasengrenze abgegeben, die nach Reflexion durch die Phasengrenze von einem Ultraschallempfänger empfangen werden können. Aufgrund der Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen Ultraschallsender, Phasengrenze und Ultraschallempfänger lässt sich der von den Ultraschallsignalen zurückgelegte Weg erfassen, wodurch der Abstand zwischen Ultraschallsender, Phasengrenze und Ultraschallempfänger bestimmt werden kann. Dies ist insbesondere dann einfach möglich, wenn der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger zu einem Ultraschallsensor zusammengefasst sind.

Aus der EP-A-0 955 529 ist ein Füllstandsmessgerät bekannt, das den Füllstand eines Mediums in einem Behältnis, z. B. von Flüssiggas in einer Gasflasche, mittels Ultraschall misst. Das Messgerät weist einen als Ultraschallsensor dienenden Ultraschallwandler auf, der von außen gegen das Behältnis gepresst wird. Durch den Ultraschallsensor werden Ultraschallsignale durch die Wandung des Behältnisses in das Behältnis, z. B eine Flüssiggasflasche, eingebracht und dann an der im Behältnis existierenden Phasengrenze zwischen Flüssiggas (Flüssigphase) und Gas (Gasphase) zurück zu dem Ultraschallsensor reflektiert. Aufgrund der Laufzeit der Ultraschallsignale lässt sich die Entfernung zwischen Ultraschallsensor und Phasengrenze feststellen. Da die Phasengrenze gleichzeitig die Füllstandshöhe bildet, lässt sich dadurch der Füllstand des Flüssiggases in dem Behältnis ermitteln.

Jedoch ist bekannt, dass die spezifische, d. h. aktuelle Schallgeschwindigkeit der Ultraschallsignale insbesondere in Flüssigkeiten variieren kann und insbesondere von der Temperatur und vom Druck des durchlaufenen Mediums abhängig ist. Da die Ultraschallgeschwindigkeit die Grundlage dieses Messverfahrens bildet, ist es für eine präzise Messung erforderlich, die jeweils aktuelle Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale in dem durchlaufenen Medium zu kennen.

Es ist bekannt, die aktuelle Ultraschallgeschwindigkeit indirekt zu bestimmen, indem die Parameter Druck und Temperatur einer bekannten, von den Ultraschallsignalen durchlaufenen Substanz mit zusätzlichen Sensoren ermittelt werden. Bei Kenntnis von Druck und Temperatur der Substanz kann aus einer vorgegebenen Tabelle oder einem Kennfeld die dann erreichbare Ultraschallgeschwindigkeit ermittelt werden.

Bei einer anderen Methode wird die jeweils aktuelle Schallgeschwindigkeit ermittelt, indem mit Hilfe eines zusätzlichen Ultraschallsensors die Laufzeit eines Ultraschallsignals über eine vorbekannte Strecke in dem Medium gemessen wird. Die gemessene Laufzeit und die daraus berechnete Schallgeschwindigkeit dient als Referenz für die Positionsbestimmung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ultraschall-Positionsmesssystems zu verbessern und zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Ultraschall-Positionsmesssystem gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Ein erfindungsgemäßes Positionsmesssystem dient zum Erfassen der Position einer ein erstes Medium von einem zweiten Medium trennenden Phasengrenze. Das System weist einen Ultraschallsender zum Senden von Ultraschallsignalen in das erste Medium, einen in dem ersten Medium mit vorbestimmtem Referenzabstand zu dem Ultraschallsender angeordneten Referenzreflektor und einen Ultraschallempfänger auf. Der Ultraschallempfänger empfängt Ultraschallsignale, die von dem Ultraschallsender gesendet und von dem Referenzreflektor reflektiert worden sind. Diese Ultraschallsignale werden daher als Referenzsignale bezeichnet. Weiterhin empfängt der Ultraschallsender Ultraschallsignale, die von dem Ultraschallsender gesendet und von der Phasengrenze reflektiert worden sind. Diese Ultraschallsignale werden als Nutzsignale bezeichnet.

Schließlich ist eine Auswerteeinheit zum Erfassen einer Referenzlaufzeit der Referenzsignale zwischen dem Ultraschallsender, dem Referenzreflektor und dem Ultraschallempfänger sowie zum Erfassen einer Messlaufzeit der Nutzsignale zwischen dem Ultraschallsender, der Phasengrenze und dem Ultraschallempfänger vorgesehen.

Durch die Auswerteeinheit ist zunächst die aktuelle Schallgeschwindigkeit der Ultraschallsignale in dem ersten Medium bestimmbar, indem die gemessene Referenzlaufzeit und der vorbekannte Referenzabstand ausgewertet werden. Aufgrund der somit bestimmten aktuellen Schallgeschwindigkeit kann die Auswerteeinheit dann anhand der Messlaufzeit den Abstand zwischen dem Ultraschallsender, der Phasengrenze und dem Ultraschallempfänger bestimmen.

Vorteilhafterweise sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger zu einem Ultraschallsensor zusammengefasst. Damit sind die Wegstrecken zwischen Ultraschallsender und Phasengrenze einerseits sowie Phasengrenze und Ultraschallempfänger andererseits identisch, was die weitere Verwendung der gemessenen Ergebnisse vereinfacht.

Insbesondere lässt sich dann mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Positionsmesssystem der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und der Phasengrenze präzise bestimmen, auch wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallsignale in dem ersten Medium durch Druck- und Temperaturänderungen variabel ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das erste Medium eine Flüssigkeit und das zweite Medium ein Festkörper. Alternativ dazu kann aber auch das erste oder das zweite Medium gasförmig sein. Bezüglich der Phasen fest, flüssig, gasförmig sind hinsichtlich des ersten und des zweiten Mediums beliebige Kombinationen denkbar, wobei auch Medien gleicher Phase, aber unterschiedlicher Dichte aneinandergrenzen können, so z. B. zwei unterschiedliche Flüssigkeiten. Die an der Phasengrenze bestehenden Kombinationen Festkörper-Gasphase oder Festkörper-Flüssigkeit ermöglichen in der Praxis besonders vorteilhafte Anwendungen.

So ist bei einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung das erste Medium ein in einem Zylinder vorgesehenes Hydraulikfluid, während das zweite Medium ein von dem Hydraulikfluid antreibbarer, in dem Zylinder beweglicher Kolben ist. Als Phasengrenze ist dann eine an das Hydraulikfluid angrenzende Wandung des Kolbens anzusehen. Bei dieser Weiterentwicklung der Erfindung ist es somit möglich, in sehr einfacher Weise mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems eine Stellung des Kolbens in dem Zylinder präzise zu erfassen.

Vorteilhafterweise ist der Referenzreflektor ebenfalls in dem Zylinder, jedoch außerhalb des Arbeitsbereichs des Kolbens angeordnet. Dabei kann der Referenzreflektor ein von einer Innenseite des Zylinders nach innen vorspringender Absatz sein.

Bei dieser Weiterentwicklung bleibt der Kolben gegenüber einer klassischen Kolben-Zylindereinheit unverändert. Auch der Zylinder muss im Arbeitsbereich des Kolbens nicht angepasst werden. Lediglich außerhalb des Arbeitsbereichs, insbesondere vor dem Kolben, also z. B. in einem Zylinderkopf, sind bauliche Veränderungen vorzunehmen, um den Referenzreflektor und den Ultraschallsensor anbringen zu können.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vor dem Arbeitsbereich des Kolbens eine Vorkammer vorgesehen, die durch einen Teil des Zylinders und den Referenzreflektor gebildet wird. Die Vorkammer ist zu einem den Arbeitsbereich des Kolbens umschließenden Teil des Zylinders geöffnet und ebenfalls mit Hydraulikfluid gefüllt. Sie steht somit in vollständig kommunizierender Verbindung zu dem Arbeitsbereich des Kolbens. In einer Wandung der Vorkammer ist der Ultraschallsensor derart angeordnet, dass wenigstens ein Teil der Ultraschallsignale ungehindert von dem Ultraschallsensor zu dem Kolben und wieder zurück gelangen kann. Der andere Teil der Ultraschallsignale soll den Referenzreflektor erreichen und von diesem wieder zurück reflektiert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, dass die Intensität der gesendeten Ultraschallsignale in Abhängigkeit von der Intensität von vorher empfangenen Referenzsignalen derart veränderbar ist, dass die Referenzsignale eine vorgegebene Intensität erreichen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass insbesondere bei starker Dämpfung in der Messstrecke, z. B. aufgrund des momentanen Zustands des flüssigen Mediums, das Nutzsignal nur noch schwach empfangen werden kann, was die Gefahr von Messfehlern erhöht. Indem die Stärke bzw. Intensität der gesendeten Ultraschallsignale immer derart eingestellt wird, dass die empfangenen Referenzsignale die vorgegebene Stärke einhalten, kann sichergestellt werden, dass auch die Nutzsignale in geeigneter Stärke reflektiert werden.

Wiederum bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist durch die Auswerteeinheit ein Mess-Zeitfenster bestimmbar, innerhalb dem das Nutzsignal empfangbar sein muss. Die Bestimmung des Mess-Zeitfensters erfolgt aufgrund der erfassten Referenzlaufzeit und einer vorgegebenen, der Auswerteeinheit bekannten maximal möglichen Entfernung der Phasengrenze von dem Ultraschallsensor. Die Auswerteeinheit ist damit in der Lage zu erkennen, innerhalb welchem Zeitraum ein ausgesendeter Ultraschallimpuls von der Phasengrenze reflektiert und wieder vom Ultraschallsensor empfangen sein muss. Dies ermöglicht es zum einen, eine Funktionskontrolle des Systems zu gewährleisten. Zum anderen kann dadurch sichergestellt werden, dass Messfehler durch zu kurze Pulsabstände zwischen den Ultraschallsignalen und dadurch sich ergebende Überlagerungen vermieden werden. Vorteilhafterweise sollte innerhalb eines Mess-Zeitfensters nur ein Ultraschallimpuls abgegeben werden, damit dessen Reflexionen durch den Referenzreflektor und die Phasengrenze präzise erfasst werden können.

Das Senden der Ultraschallsignale bzw. Ultraschallimpulse kann in sehr kurzen Zeiträumen ständig wiederholt werden, um auch eine Änderung der Position der Phasengrenze, z. B. der Kolbenstellung im Zylinder, präzise verfolgen zu können. Auf die Weise ist es möglich, den Bediener stets genau über die aktuelle Position der Phasengrenze auch bei schneller Bewegung zu informieren.

Die Auswerteeinheit sollte mit einer für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Anzeige gekoppelt sein. So ist es z. B. möglich, dem Bediener mit höchster Präzision den Ort der Phasengrenze jederzeit zu übermitteln. Bei anderen Anwendungsfällen kann es ausreichen, lediglich das Überschreiten einer Grenzlage anzuzeigen und den Bediener optisch oder akustisch darauf hinzuweisen. Auf diese Weise lässt sich das Positionsmesssystem auch als Näherungsdetektor oder sogar Näherungsschalter nutzen. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, die von der Auswerteeinheit gewonnenen Informationen über die Position der Phasengrenze weiter auszuwerten, um ein Bewegungs- bzw. Geschwindigkeitsprofil der Phasengrenze oder Bewegungsprotokolle über längere Zeiträume zu erhalten.

Es ist ebenfalls möglich, die von der Auswerteeinheit ermittelten Daten für eine Steuerung bzw. Regelung einer die Phasengrenze und das erste bzw. zweite Medium aufweisenden Vorrichtung zu verwenden. Bei der oben beschriebenen Kolben-Zylindereinheit kann durch das erfindungsgemäße Messsystem eine Verlagerung des Kolbens im Zylinder aufgrund Einwirkens einer äußeren Kraft erkannt werden, woraufhin durch Erhöhung des Drucks des Hydraulikfluids die Bewegung des Kolbens kompensiert und der Kolben wieder in die ursprüngliche Lage zurückgedrückt wird. Auf diese Weise lässt sich bei der Kolben-Zylindereinheit der Kolben sehr zuverlässig in einer vom Bediener vorgewählten Position halten.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des ersten Mediums vorgesehen. Die Temperaturmesseinrichtung ermöglicht eine Überwachung der Temperatur, was insbesondere bei der nachfolgenden Ausführungsform besonders vorteilhaft ist.

Bei der Weiterentwicklung liegen in der Auswerteeinheit Informationen über die physikalischen Zusammenhänge von Schallgeschwindigkeit, Temperatur und Druck im ersten Medium vor. Es ist bekannt, dass sich die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, insbesondere in einer Flüssigkeit in Abhängigkeit von Temperatur und Druck ändert. Diese Zusammenhänge können – z. B. in Form von Tabellen oder Kennfeldern – in der Auswerteeinheit abgespeichert werden. Wenn dann mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtungen einerseits die Schallgeschwindigkeit im Medium und andererseits die Temperatur des Mediums gemessen werden kann, lässt sich mit Hilfe der in der Auswerteeinheit gespeicherten physikalischen Zusammenhänge bzw. Daten der Druck im ersten Medium ermitteln. Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Ultraschall-Positionsmesssystem zusätzlich auch als Druckmesssystem zur Ermittlung des Drucks im ersten Medium verwenden, wobei sich das System durch hohe Genauigkeit und kurze Messzyklen auszeichnet.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung weist die Auswerteeinheit eine Einrichtung zum Messen der Intensität der empfangenen Referenzsignale auf. Bereits weiter oben wurde dargelegt, wie bei einer Ausführungsform der Erfindung die gemessene Intensität zur Nachregelung der Intensität der gesendeten Ultraschallsignale genutzt werden kann. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit in der Lage, aufgrund der vorbekannten Intensität der gesendeten Ultraschallsignale und der gemessenen Intensität der empfangenen Referenzsignale eine Ist-Dämpfung der Ultraschallsignale im ersten Medium zu ermitteln. Auf diese Weise lässt sich das Nachregeln der gesendeten Ultraschallsignale einfach realisieren.

Die gemessene Ist-Dämpfung hat aber auch für eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung Bedeutung. Dazu sind in der Auswerteeinheit Informationen über die physikalischen Zusammenhänge von Schallgeschwindigkeit, Temperatur, Druck und einer theoretischen Dämpfung im ersten Medium gespeichert. Es ist nämlich bekannt, dass ein Medium, insbesondere eine Flüssigkeit, abhängig von Temperatur und Druck bestimmte spezifische Dämpfungseigenschaften hat, die stark variieren können. Wenn – wie im vorliegenden Fall – die Schallgeschwindigkeit und die Temperatur gemessen werden können, lässt sich daraus – wie oben bereits dargelegt – der Druck ermitteln. Anhand der somit bekannten Angaben zur aktuellen Temperatur und zum aktuellen Druck des Mediums lässt sich über geeignete, in der Auswerteeinheit gespeicherte Tabellen, Formeln oder Kennfelder die theoretische Dämpfung im Medium bestimmen. Als theoretische Dämpfung wird dabei eine "ideale" Dämpfung in dem Medium angesehen, also ohne Störungen durch Verunreinigungen etc.

Wenn durch die Auswerteeinheit die theoretische Dämpfung sowie – wie oben dargelegt – die tatsächliche Ist-Dämpfung der Signale in dem ersten Medium bestimmt worden ist, lässt sich durch die Auswerteeinheit eine Abweichung feststellen bzw. weiter auswerten.

Eine Abweichung der Ist-Dämpfung von der theoretischen Dämpfung wird insbesondere dann festgestellt werden, wenn das Medium Verschmutzungen, Festkörperpartikel oder z. B. Luftblasen enthält. So ist es bekannt, dass bei Hydrauliköl mit zunehmendem Alter der Anteil an Luftblasen sowie der Verschmutzungsgrad zunehmen.

Die Verunreinigungen bewirken eine Änderung der Ist-Dämpfung, wobei bei höheren Verunreinigungen eine stärkere Abweichung festgestellt werden kann. Auf diese Weise stellt das Verhältnis der gemessenen Ist-Dämpfung zu der erwarteten theoretischen Dämpfung ein gutes Kriterium für die Qualität bzw. den Alterungszustand des ersten Mediums dar. Dementsprechend kann die Auswerteeinheit ein Signal wie z. B. ein Minderqualitäts-Signal ausgeben, wenn die festgestellte Abweichung eine vorgebene zulässige Abweichung übersteigt. Vor allem dann, wenn als erstes Medium ein Hydraulikfluid bzw. -öl verwendet wird, lässt sich der Qualitätszustand präzise bestimmen, ohne dass das Öl selbst aus dem System entnommen werden müsste.

Die gemessenen Dämpfungswerte können protokolliert bzw. gespeichert werden, um eine Veränderung der Dämpfungswerte und damit eine Änderung der Qualität zu dokumentieren.

Bei Überschreiten der zulässigen Abweichung der Dämpfungswerte von den theoretischen Dämpfungswerten kann dem Bediener ein optisches oder akustisches Signal übermittelt werden, um ihn auf den dann entstandenen Wartungsbedarf hinzuweisen.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Kolben-Zylindereinheit in schematischer Darstellung mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Positionsmesssystem;
2 ein Signal-Laufzeitdiagramm.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Kolben-Zylindereinheit, bei der die jeweils aktuelle Stellung eines Kolbens 1 in einem Zylinder 2 durch ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Positionsmesssystems erfasst wird.
Da der Kolben 1 und der Zylinder 2 in an sich bekannter Weise aufgebaut sein können, erübrigt sich eine nähere Beschreibung. Der Kolben wird durch eine Kolbenstange 3 geführt und auf seiner der Kolbenstange 3 abgewandten Seite durch ein Hydraulikfluid, z. B. Öl 4, beaufschlagt, wodurch er in dem Zylinder linear hin- und herbeweglich ist. Durch Änderung des Drucks des Öls 4 lässt sich die Stellung des Kolbens 1 im Zylinder 2 in beliebiger Weise verändern. Das Hydrauliksystem, das üblicherweise z. B. eine Hydraulikpumpe und einen Hydraulikspeicher aufweist, ist nicht dargestellt, weil es in vielfältiger Weise bekannt ist.
Im Sinne von Patentanspruch 1 wird das Öl 4 bzw. Hydraulikfluid als erstes Medium angesehen, während der Kolben 1 das zweite Medium darstellt. Somit ist das erste Medium flüssig und das zweite Medium fest. Die von dem Öl 4 benetzte Fläche des Kolbens 1 stellt eine Phasengrenze 5 zwischen der flüssigen und der festen Phase dar.
Der Kolben 1 ist in dem Zylinder 2 über einem Arbeitsbereich A linear hin- und herbeweglich. Der Arbeitsbereich A kann selbstverständlich auch kürzer sein als in 1 dargestellt.
Vor dem Arbeitsbereich A ist auf den Zylinder 2 eine Vorkammer 6 aufgesetzt. Die Vorkammer 6 kann Bestandteil des Zylinders 2 sein. Sie kann z. B. auch im Zylinderkopf ausgebildet sein. Die Vorkammer 6 nimmt ebenfalls Öl 4 auf und steht über eine Öffnung 7 in kommunizierender Verbindung mit dem Öl 4 vor dem Kolben 1.
Im Bereich der Öffnung 7 ist eine sich von einer Innenseite des Zylinders 2 nach innen erstreckende ringförmige Wand 8 bzw. ein Absatz ausgebildet, die gleichzeitig als Referenzreflektor 9 dient.
Wie bereits aus dem Schema von 1 erkennbar ist, muss die Vorkammer 6 keine eigene, von dem Zylinder 2 getrennte bauliche Einrichtung sein. Vielmehr genügt es, wenn außerhalb des Arbeitsbereichs A des Kolbens 1 ein Referenzreflektor 2 in dem Zylinder 2 angeordnet ist.
An der Stirnseite der Vorkammer 6 ist ein Ultraschallsensor 10 eingesetzt. Der Ultraschallsensor 10 weist einen nicht im Einzelnen dargestellten Ultraschallsender zum Senden von Ultraschallsignalen bzw. – Impulsen auf. Weiterhin ist in dem Ultraschallsensor 10 ein Ultraschallempfänger vorgesehen, mit dem reflektierte Ultraschallsignale empfangen werden können.
Der Ultraschallsensor 10 ist in 1 zentrisch im Zylinder 2 angeordnet. Selbstverständlich kann der Ultraschallsensor 10 auch außerhalb der Mittelachse des Zylinders 2 angeordnet sein, was z. B. bei einem Kolben mit beidseitiger Kolbenstange zweckmäßig ist. Es ist lediglich erforderlich, dass sich der Sensor außerhalb des Bereichs der Kolbenstange befindet.
Der Ultraschallsensor 10 kann in der in 1 gezeigten Weise direkt Ultraschallsignale in das Öl 4 (erstes Medium) aussenden. Alternativ dazu ist es möglich, den Ultraschallsensor 10 außen an dem Zylinder 2 anzubringen, so dass die Ultraschallsignale nach dem Aussenden zunächst eine Wandung des Zylinders 2 durchdringen müssen, bevor sie durch das Öl 4 weiter übertragen werden. Auch die reflektierten Signale müssen vor dem Empfang durch den Ultraschallempfänger die Wandung des Zylinders 2 durchdringen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Ultraschallsensor 10 mit einer Ankoppelschicht aus dauerhaft elastischem Material an der Außenseite des Zylinders 2 angebracht ist, wie dies z. B. in der EP-A-955 529 gelehrt wird.
Die von dem Ultraschallsensor 10 abgegebenen Ultraschallsignale lassen sich in zwei Kategorien unterscheiden: Die von dem Ultraschallsensor 10 abgegebenen und von dem Referenzreflektor 9 zurück zum Ultraschallsensor 10 reflektierten Signale werden als Referenzsignale 11 bezeichnet, während die von dem Ultraschallsensor 10 abgegebenen und von der Phasengrenze 5 (Kolben 1) reflektierten Signale als Nutzsignale 12 verwendet werden.
Bestandteil des erfindungsgemäßen Positionsmesssystems ist auch eine nicht dargestellte Auswerteeinheit, mit der die Laufzeiten der gesendeten und empfangenen Ultraschallsignale erfasst werden. Zum einen lassen sich dadurch die Laufzeiten der Referenzsignale 11 messen. Diese Laufzeiten werden als Referenzlaufzeit TR bezeichnet. Zum anderen kann auch die Laufzeit der Nutzsignale zwischen dem Ultraschallsender, der Phasengrenze 5 und dem Ultraschallempfänger gemessen werden. Diese Laufzeit wird als Messlaufzeit TM bezeichnet.
Zwischen dem Ultraschallsensor 10 und dem Referenzreflektor 9 besteht ein Abstand X, der im Vorhinein bekannt ist und als Referenzabstand bezeichnet wird. Aufgrund des Referenzabstands X und der Referenzlaufzeit TR berechnet die Auswerteeinheit die aktuelle Schallgeschwindigkeit der Ultraschallsignale in dem Öl 4. Da der Druck des Öls 4 und – je nach Betriebsdauer – auch dessen Temperatur sehr stark variieren können, ändert sich die die Dichte des Öls 4 und somit auch die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallsignale im Öl 4. Mit Hilfe der Auswerteeinheit ist es dann sehr leicht möglich, ständig die aktuelle Schallgeschwindigkeit im Öl 4 zu messen.
Mit Hilfe der somit erfassten Schallgeschwindigkeit im Öl 4 kann die Auswerte einheit weiterhin aufgrund der Messlaufzeit TM der Nutzsignale 12 den Abstand zwischen dem Ultraschallsensor 10 und der Phasengrenze 5 bestimmen. Damit lässt sich im vorliegenden Beispiel zu jeder Zeit präzise die Stellung des Kolbens 1 im Zylinder 2 in Bezug auf den Ultraschallsensor 10 erfassen. Die somit gewonnene Information kann dem Bediener oder auch einer automatischen Steuerung/Regelung in geeigneter Weise übermittelt und zur weiteren Verwendung übergeben werden.
2 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der gesendeten bzw. empfangenen Signale, wobei die Signalintensität über der Signallaufzeit aufgetragen ist. Zu einem Zeitpunkt TO wird ein Sendeimpuls von dem Ultraschallsensor 10 abgegeben. Nach Ablauf der Referenzlaufzeit TR empfängt der Ultraschallsensor 10 einen Referenzpuls (Referenzsignal 11) aufgrund eines Ultraschallsignals, das von dem Referenzreflektor 9 zurück zum Ultraschallsensor 10 reflektiert worden ist.
Nach Ablauf einer Messlaufzeit TM erfasst der Ultraschallsensor 10 einen weiteren Puls, nämlich das Nutzsignal 12, das von der Phasengrenze 5 reflektiert worden ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Positionsmesssystem kann in vorteilhafter Weise die Schallgeschwindigkeit in einem Medium ermittelt werden, ohne dass dazu zusätzliche Sensorelemente notwendig wären. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass ein mit dem gleichen Medium, z. B. einer korrespondierenden Flüssigkeit, gefüllter Bereich inklusive eines Referenzreflektors dem eigentlichen Messbereich direkt vorgeschaltet wird, so dass ein Teil des von dem Ultraschallsensor 10 ausgehenden Schallfeldes vom Referenzreflektor 9 und der andere Teil von der Phasengrenze 5 (Kolben 1) reflektiert wird.
Die Messung der Referenzlaufzeit TR lässt sich darüber hinaus zu einer dynamischen Festlegung des Mess-Fensters für das Messsignal heranziehen. Aufgrund der gemessenen Referenzlaufzeit TR und einer vorgegebenen, d. h. bekannten maximal möglichen Entfernung der Phasengrenze 5 von dem Ultraschallsensor 10 kann die Auswerteeinheit berechnen, wie groß die Messlaufzeit für ein Nutzsignal 12 maximal sein kann, wenn sich die Phasengrenze 5 in der vom Ultraschallsensor 10 entferntesten Stellung befindet. Innerhalb dieses Maximalzeitraums sollte der Ultraschallsensor 10 keine neuen Ultraschallimpulse abgeben, um eine Überlagerung oder Vermischung mehrerer gesendeter Ultraschallsignale zu vermeiden.
Die Erfindung wurde am Beispiel einer Kolben-Zylindereinheit erläutert. Selbstverständlich sind viele weitere Anwendungen des erfindungsgemaßen Positionsmesssystems denkbar. So kann das Messsystem z. B. auch als Füllstandsmessgerät für den in der EP-A-0 955 529 beschriebenen Anwendungsfall eingesetzt werden, was insbesondere dann interessant ist, wenn das Medium, dessen Füllstandshöhe im Behältnis gemessen werden soll, verschiedene Drücke oder Temperaturen aufweisen kann, wodurch sich die Schallgeschwindigkeit in dem Medium ändert.

Claims

Ultraschall-Positionsmesssystem, mit – einer ein erstes Medium (4) von einem zweiten Medium (1) trennenden Phasengrenze (5); – einem Ultraschallsender (10) zum Senden von Ultraschallsignalen in das erste Medium (4); – einem in dem ersten Medium (4) mit vorbestimmtem Referenzabstand (X) zu dem Ultraschallsender (10) angeordneten Referenzreflektor (9); – einem Ultraschallempfänger (10) zum Empfangen von als Referenzsignalen (11) dienenden Ultraschallsignalen, die von dem Ultraschallsender (10) gesendet und von dem Referenzreflektor (9) reflektiert worden sind, und zum Empfangen von als Nutzsignalen (12) dienenden Ultraschallsignalen, die von dem Ultraschallsender (10) gesendet und von der Phasengrenze (5) reflektiert worden sind; und mit – einer Auswerteeinheit zum Erfassen einer Referenzlaufzeit (TR) der Referenzsignale (11) zwischen dem Ultraschallsender (10), dem Referenzreflektor (9) und dem Ultraschallempfänger (10) sowie zum Erfassen einer Messlaufzeit (TM) der Nutzsignale (12) zwischen dem Ultraschallsender (10), der Phasengrenze (5) und dem Ultraschallempfänger (10); wobei durch die Auswerteeinheit aufgrund der Referenzlaufzeit (TR) und des Referenzabstands (X) die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallsignale in dem ersten Medium (4) sowie aufgrund der Messlaufzeit (TM) und der Schallgeschwindigkeit ein Abstand zwischen dem Ultraschallsender (10), der Phasengrenze (5) und dem Ultraschallempfänger (10) bestimmbar ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger zu einem Ultraschallsensor (10) zusammengefasst sind.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium (4) eine Flüssigkeit und das zweite Medium (1) ein Festkörper ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Medium ein in einem Zylinder (2) vorgesehenes Hydraulikfluid (4) ist; – das zweite Medium ein von dem Hydraulikfluid (4) antreibbarer, in dem Zylinder beweglicher Kolben (1) ist; und dass – die Phasengrenze (5) eine an das Hydraulikfluid (4) angrenzende Wandung des Kolbens (1) ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzreflektor (9) in dem Zylinder (2), jedoch außerhalb des Arbeitsbereichs (A) des Kolbens (1) angeordnet ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzreflektor (9) ein von einer Innenseite des Zylinders (2) nach innen vorspringender Absatz (8) ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Ultraschallsensor (10) in einer Wandung einer durch einen Teil des Zylinders (2) und den Referenzreflektor (9) gebildeten Vorkammer (6) angeordnet ist; – die Vorkammer (6) zu einem den Arbeitsbereich (A) des Kolbens (1) umschließenden Teil des Zylinders (2) geöffnet und ebenfalls mit Hydraulikfluid (4) gefüllt ist; und dass – ein Teil der Ultraschallsignale ungehindert von dem Ultraschallsensor (10) zu dem Kolben (1) und zurück gelangen kann.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (10) von dem ersten Medium (4) durch eine Trennschicht getrennt ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der gesendeten Ultraschallsignale in Abhängigkeit von der Intensität von vorher empfangenen Referenzsignalen (11) derart einstellbar ist, dass die Referenzsignale (11) eine vorgegebene Intensität erreichen.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinheit aufgrund der erfassten Referenzlaufzeit (TR) und einer vorgegebenen maximalen Entfernung der Phasengrenze (5) von dem Ultraschallsensor (10) ein Mess-Zeitfenster bestimmbar ist, innerhalb dem das Nutzsignal (12) empfangbar sein muss.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des ersten Mediums (4).
Ultraschall-Positionsmesssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Auswerteeinheit Informationen über die physikalischen Zusammenhänge von Schallgeschwindigkeit, Temperatur und Druck im ersten Medium vorhanden sind; und dass – durch die Auswerteeinheit aufgrund der gemessenen Schallgeschwindigkeit, der gemessenen Temperatur und der Informationen über die physikalischen Zusammenhänge der Druck im ersten Medium ermittelbar ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Auswerteeinheit eine Einrichtung zum Messen der Intensität der empfangenen Referenzsignale (11) aufweist; und das – durch die Auswerteeinheit aufgrund einer vorbekannten Intensität der gesendeten Ultraschallsignale und der gemessenen Intensität der empfangenen Referenzsignale (11) eine Ist-Dämpfung der Ultraschallsignale im ersten Medium ermittelbar ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Auswerteeinheit Informationen über die physikalischen Zusammenhänge von Schallgeschwindigkeit, Temperatur, Druck und einer theoretischen Dämpfung im ersten Medium vorhanden sind; – durch die Auswerteeinheit aufgrund der gemessenen Schallgeschwindigkeit, der gemessenen Temperatur, des ermittelten Drucks und der Informationen über die physikalischen Zusammenhänge die theoretische Dämpfung im ersten Medium bestimmbar ist; und dass – durch die Auswerteeinheit eine Abweichung zwischen der ermittelten Ist-Dämpfung und der theoretischen Dämpfung feststellbar ist.
Ultraschall-Positionsmesssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit die festgestellte Abweichung mit einer vorgegebenen zulässigen Abweichung vergleichbar ist, wobei bei Überschreiten der zulässigen Abweichung ein Minderqualitäts-Signal ausgebbar ist.
Verfahren zum Bestimmen einer Position einer ein erstes Medium (4) von einem zweiten Medium (1) trennenden Phasengrenze (5) relativ zu einem Ultraschallsensor (10), mit den Schritten: – Senden eines Ultraschallsignals von dem Ultraschallsensor (10) in das erste Medium (4); – Messen einer Referenzlaufzeit (TR) eines von dem Ultraschallsensor (10) gesendeten und von einem mit einem vorbestimmten Referenzabstand (X) zu dem Ultraschallsensor (10) angeordneten Referenzreflektor (9) reflektierten, als Referenzsignal (11) dienenden Ultraschallsignals; – Messen einer Messlaufzeit (TM) eines von dem Ultraschallsensor (10) gesendeten und von der Phasengrenze (5) reflektierten, als Nutzsignal (12) dienenden Ultraschallsignals; – Ermitteln der Schallgeschwindigkeit in dem ersten Medium (4) aufgrund der Referenzlaufzeit (TR) und des Referenzabstands (X); – Bestimmen des Abstands zwischen dem Ulraschallsensor (10) und der Phasengrenze (5) aufgrund der Messlaufzeit (TM) und der Schallgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen der Temperatur des ersten Mediums (4); – Ermitteln des Drucks im ersten Medium (4) aufgrund der ermittelten Schallgeschwindigkeit, der gemessenen Temperatur und aufgrund von vorbekannten physikalischen Zusammenhängen in Bezug auf das erste Medium (4).
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen der Intensität der empfangenen Referenzsignale (11); – Vergleichen der gemessenen Intensität der empfangenen Referenzsignale (11) mit einer vorbekannten Intensität der gesendeten Ultraschallsignale und Ermitteln einer Ist-Dämpfung der Ultraschallsignale im ersten Medium (4).
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bestimmen einer theoretischen Dämpfung im ersten Medium (4) aufgrund der gemessenen Schallgeschwindigkeit, der gemessenen Temperatur, des ermittelten Drucks und aufgrund von vorbekannten physikalischen Zusammenhängen in Bezug auf das erste Medium (4); – Ermitteln einer Abweichung zwischen der Ist-Dämpfung und der theoretischen Dämpfung; – Ausgeben eines der Abweichung entsprechenden Signals.