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Die
Erfindung betrifft eine Kontraktionseinheit mit einem sich zwischen
zwei beabstandeten Kopfstücken
erstreckenden und bei Innendruckbeaufschlagung eine Längskontraktion
erfahrenden Kontraktionsschlauch.
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Eine
derartige Kontraktionseinheit ist beispielsweise der
DE 299 06 626 U1 zu entnehmen,
in der ein zwischen zwei beabstandeten Kopfstücken angeordneter, mit Innendruck
beaufschlagbarer Kontraktionsschlauch beschrieben ist. Der Kontraktionsschlauch
besitzt eine aus Fasermaterial bestehende Strangstruktur aus zwei
in Überkreuzkonfiguration angeordneten
Stranggruppen, die sich bei Innendruckbeaufschlagung des Kontraktionsschlauches zusammenziehen
und eine Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Kopfstücken bewirken.
Solche Kontraktionseinheiten sind einfach und verschleißarm aufgebaut
und eignen sich für
sehr präzise
Positionieraufgaben und für
solche Positionieraufgaben bei denen sehr hohe Stellkräfte benötigt werden.
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Für die exakte
Positionierung werden prinzipiell bei Stellgliedern jeglicher Art
Positionserfassungseinrichtungen, ins besondere Positionssensoren
bzw. Lagesensoren benötigt.
In Verbindung mit Stellzylindern ist eine Vielzahl derartiger Positionserfassungseinrichtungen
bekannt, die auf den unterschiedlichsten Messprinzipien beruhen.
Diese sind jedoch bei Kontraktionseinheiten der vorstehenden genannten
Art überwiegend
nicht oder nur sehr schlecht geeignet.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine für solche
Kontraktionseinheiten gut geeignete und bei hoher Präzision einfach
und kostengünstig
zu realisierende Positionserfassungseinrichtung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kontraktionseinheit mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Kontraktionseinheit zeichnet
sich dadurch aus, dass sie eine Positionserfassungseinrichtung zur
Erfassung des Abstandes zwischen den Kopfstücken aufweist, die zwei sich
im Innenraum des Kontraktionsschlauches jeweils ausgehend von einem
Kopfstück
in Richtung zum anderen Kopfstück
erstreckende, sich überlappende
Messelemente aufweist, die jeweils einen, über einen in Längsrichtung
steifen Trägerstab
am zugeordneten Kopfstück
gelagerten, Messkopf aufweisen, wobei die Messköpfe relativ zueinander in axialer
Richtung längs
der Längsachse
der Kontraktionseinheit verschiebbar geführt sind und wenigstens ein
Messkopf über
den ihm zugeordneten Trägerstab
allseits quer zur Längsachse
re lativ zum zugeordneten Kopfstück beweglich
ist und wobei in dem sich aus den Kopfstücken und den Messelementen
zusammensetzenden Bauteilstrang wenigstens ein Drehfreiheitsgrad
bezüglich
der Längsachse
vorgesehen ist.
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Die
Messelemente der Positionserfassungseinrichtung besitzen also jeweils
einen in Längsrichtung
steifen Trägerstab,
der einenends am zugeordneten bzw. zugehörigen Kopfstück gelagert
ist und andernends einen Messkopf trägt. Die Messelemente überlappen
sich zumindest im Bereich ihrer Messköpfe je nach Kontraktionsgrad
des Schlauches mehr oder weniger stark, sodass der Abstand der beiden
Kopfstücke
zueinander in jeder Lage der beiden zueinander, mittels geeigneter,
nachfolgend näher
erläuterter
Messverfahren, stufenlos ermittelbar ist. Durch die Steifheit der
Trägerstäbe in ihrer
Längsrichtung
ist gewährleistet,
dass sich diese beim Kontrahieren bzw. Entspannen der Kontraktionseinheit nicht
ihrerseits zusammenziehen oder entspannen und somit auf die Kontraktionseinheit
rückwirken.
Es wirken also keine messsystembedingte rückwirkende Kräfte auf
die Kontraktionseinheit. Die Positionserfassungseinrichtung ist
also rückwirkungsfrei
und autark von der Kontraktionseinheit ausgebildet.
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Damit
Winkel- bzw. Schiefstellungen der Kopfstücke gegeneinander oder ein
Versatz der beiden quer zur Längsachse
der Kontraktionseinheit nicht zu einer Verklemmungen führt, ist
wenigstens ein Messkopf über
den ihm zugeordneten Trägerstab allseits
quer zur Längsachse
relativ zum zugeordneten Kopf stück
beweglich. Durch diese Querbeweglichkeit innerhalb der Kontraktionseinheit
ist es möglich,
dass sich die beiden Kopfstücke
zueinander ausrichten und Fluchtungsfehler ausgeglichen werden können. Somit
kann die Positionserfassungseinrichtung im wesentlichen momenten-verspannungsfrei
arbeiten.
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Zur
Verhinderung von Torsion der beiden Kopfstücke gegeneinander, ist ein
Drehfreiheitsgrad bezüglich
der Längsachse
der Kontraktionseinheit vorgesehen, der sich an einer Stelle des
aus Kopfstücken
und Messelementen zusammengesetzten Bauteilstranges befindet.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Messkopf zur
Ausbildung der Relativbeweglichkeit zwischen ihm und seinem Kopfstück allseits
quer zur Längsachse über wenigstens
ein am zugehörigen
Trägerstab
angeordnetes Kopplungselement kardanisch mit seinem Kopfstück gekoppelt. Durch
die kardanische Ankopplung wenigstens eines Messkopfes an sein Kopfstück können in
einfacher Weise Schiefstellungen bzw. Winkelstellungen oder Querversätze der
beiden Kopfstücke
ausgeglichen werden, sodass die Positionserfassungseinrichtung momenten-verspannungsfrei
arbeitet und ein zuverlässiges
Messen stattfinden kann. Besonders bevorzugt besitzen beide Messköpfe an ihrem
zugehörigen
Trägerstab
jeweils wenigstens ein Kopplungselement, über das sie kardanisch mit
ihren zugeordneten Kopfstücken
gekoppelt sind. Die Messköpfe
befinden sich dabei vorzugsweise im Bereich zwischen den Kopplungsele menten.
Es ist eine Anordnung der Messköpfe
mittig zwischen den beiden Kopfstücken möglich.
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Alternativ
ist es möglich,
dass sich beide Messköpfe
in der Nähe
eines Kopfstückes
befinden, wobei der dem in der Nähe
befindlichen Kopfstück zugeordnete
Messkopf über
einen starr mit dem zugehörigen
Kopfstück
verbundenen Trägerstab
mit seinem Kopfstück
gekoppelt ist und der dem entfernt liegenden Kopfstück zugeordnete
Messkopf über
einen wenigstens zwei Kopplungselemente aufweisenden Trägerstab
mit seinem Kopfstück
kardanisch gekoppelt ist. Bei dieser Alternative ist also nur ein Messkopf
kardanisch mit seinem Kopfstück
gekoppelt, während
der andere Messkopf starr mit seinem zugehörigen Kopfstück verbunden
ist. Diese Ausführungsform
ist dann bevorzugt, falls sich die beiden Messköpfe im Bereich eines Kopfstücks befinden. Prinzipiell
ist es möglich,
dass bei dieser Alternative der kardanisch angekoppelte Messkopf
nur ein Kopplungselement aufweist, jedoch ist es von Vorteil zwei
Kopplungselemente anzubringen, da dadurch auch ein Querversatz der
beiden Kopfstücke
quer zur Längsachse
beispielsweise durch eine "Z-förmige" Abwinkelung des
Trägerstabs,
ausgeglichen werden kann, ohne dass Verspannungskräfte wirken,
die die Funktion der Positionserfassungseinrichtung beeinträchtigen
könnten.
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Es
ist möglich,
dass zumindest ein Kopplungselement unmittelbar am Kopfstück, insbesondere
innerhalb des Kopfstücks
angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Kopplungselement
im kopfstücklosen
Bereich der Kontraktionseinheit zwischen den beiden Kopfstücken angeordnet
sein. Somit sind verschiedene "Kopplungsvarianten° denkbar,
beispielsweise derart, dass die beiden Messköpfe über jeweils ein Kopplungselement
mit ihren Kopfstücken
gekoppelt sind und sich dabei ein Kopplungselement am, insbesondere
im Kopfstück befindet
und das andere Kopplungselement im kopfstücklosen Bereich zwischen den
beiden Kopfstücken
angeordnet ist. Alternativ ist es möglich, bei einer einseitig
kardanischen Ankopplung beide, an einem Trägerstab befindliche, Kopplungselemente
im kopfstücklosen
Bereich anzuordnen, oder ein Kopplungselement im kopfstücklosen
Bereich und ein Kopplungselement am, insbesondere im zugeordneten
Kopfstück
anzuordnen.
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Besonders
bevorzugt handelt es sich bei dem Kopplungselement um ein Gelenk,
vorzugsweise um ein Kugelgelenk und/oder um ein Festkörpergelenk.
Alternativ ist auch ein Kopplungselement in Form eines Kreuzgelenks
einsetzbar. Das Festkörpergelenk
kann beispielsweise durch einen relativ schmalen Materialstreifen
des Trägerstabs
gebildet werden, der gegenüber
dem Rest des Trägerstab querschnittsverjüngt ist.
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Als
Alternative zur kardanischen Ankopplung kann der Messkopf über einen
biegeelastischen Trägerstab
mit seinem Kopfstück
gekoppelt sein. Der biegeelastische Trägerstab ist in Längsrichtung
steif, kann aber in Querrichtung zur Längsachse der Kontraktionseinheit
gebogen werden, sodass damit ebenfalls Schiefstellungen bzw. Versätze der
Kopfstücke
ausgeglichen werden können.
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Die
Messköpfe
sind relativ zueinander in axialer Richtung längs der Längsachse der Kontraktionseinheit
verschiebbar geführt.
Dies erfolgt vorzugsweise derart, dass die beiden Messelemente wenigstens
im Bereich ihrer jeweiligen Messköpfe teleskopartig ineinander
verschiebbar ausgebildet sind. Ein Messelement kann einen Trägerstab
aufweisen, der im Bereich seines Messkopfes einen Rohrabschnitt
besitzt, dessen Außendurchmesser derart
bemessen ist, dass zwischen dem Rohrabschnitt und der Innenwand
des Kontraktionsschlauchs ein relativ schmaler Ringspalt ausgebildet ist.
Das andere Messelement kann einen Trägerstab aufweisen, der in diesem
Rohrabschnitt verschiebbar geführt
ist. Er kann im Gegensatz zum Trägerstab
mit Rohrabschnitt als Vollstab ausgebildet sein. Der Rohrabschnitt
kann beispielsweise als separates Leichtbauteil vorzugsweise in
Kohlefaserbauweise in einem Außendurchmesser
gestaltet werden, welcher den Kontraktionsschlauch nahezu ausfüllt. Dies
minimiert die Totraumvolumina in der Kontraktionseinheit und maximiert
das Flächenträgheitsmoment
im Rohrabschnitt. Dadurch kann der Verbrauch von Druckmedium, insbesondere
Druckluft minimiert werden. Ferner führt dies zu einer hohen Radialsteifigkeit
des Rohrabschnitts.
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Der
Drehfreiheitsgrad, der im Bereich des Bauteilstrangs liegt, der
aus den Kopfstücken
und den Messelementen gebildet ist, kann durch zwei zylindrisch
ausgebildete, konzentrisch angeordnete, relativ zueinander verdrehbare
Messköpfe
gebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen drehfreiheitsgradgebenden
Elemente angebracht werden müssen.
Alternativ ist es möglich,
dass der Drehfreiheitsgrad durch ein am Trägerstab ausgebildetes Kugelgelenk
gebildet ist. Das Kugelgelenk kann also sowohl für die Querbeweglichkeit quer
zur Längsachse
der Kontraktionseinheit als auch für die Drehfreiheit um die Längsachse
sorgen. Eine andere Möglichkeit
ist es, ein drehbeweglich gelagertes Kreuzgelenk vorzusehen.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Positionserfassungseinrichtung
durch eine Wegmesseinrichtung gebildet. Es kann eine analoge Wegmesseinrichtung
vorgesehen sein, beispielsweise eine Widerstands-Wegmesseinrichtung,
wie beispielsweise in der
DE
198 28 203 A1 beschrieben. Es sind jedoch auch andere Arten
von analogen Wegmesseinrichtungen einsetzbar, beispielsweise induktive
oder kapazitive Wegmesseinrichtungen. Eine andere Möglichkeit
ist es, digitale Wegmesseinrichtungen einzusetzen, beispielsweise
ein inkrementelles System in Form einer magnetoresistiven Wegmesseinrichtung.
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Besonders
bevorzugt wird eine magnetostriktive Wegmesseinrichtung eingesetzt,
die analog oder digital arbeiten kann. Bei der magnetostrikiven Wegmesseinrichtung
kann ein Messelement, insbesondere dessen Trägerstab als Wellenleiter ausgebildet
sein, während
das andere Messelement als Indikator dient, insbesondere einen magnetischen
Messkopf, vorzugsweise in Form eines Ringmagneten, aufweist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen:
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1 Ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kontraktionseinheit
im Längsschnitt,
wobei die Kontraktionseinheit verkürzt dargestellt ist,
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2 ein
erster Kopfstückbereich
der Kontraktionseinheit gemäß 1 in
vergrößerter Darstellung,
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3 ein
zweiter, fluidzuführender
Kopfstückbereich
der Kontraktionseinheit in vergrößerter Darstellung,
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Kontraktionseinheit, wobei analog zu 2 ein erster Kopfstückbereich
dargestellt ist und
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5 analog
zu 3 ein zweiter, fluidzuführender Kopfstückbereich
des zweiten Ausführungsbeispiels
der Kontraktionseinheit.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Kontraktionseinheit 11.
Sie besitzt einen Kontraktionsschlauch 12 aus einem elastischen
Gummi- oder Kunststoffmaterial, der beidseitig durch Kopfstücke 13, 14 dichtend verschlossen
ist. In der Wandung des Kontraktionsschlauches 12 befinden
sich üblicherweise
eine zur Vereinfachung nicht dargestellte biegeflexible Strangstruktur
aus zwei in Überkreuzkonfiguration, rautenartig
angeordneten Strängen.
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Die
Art der Befestigung zwischen dem Kontraktionsschlauch 12 und
den Kopfstücken 13, 14 ist so
gewählt,
dass zwischen einem jeweiligen Kopfstück 13, 14 und
dem Kontraktionsschlauch 12 eine fluiddichte Verbindung
vorliegt. Ferner ist wichtig, dass zwischen der Strangstruktur und
den Kopfstücken 13, 14 eine
sehr zugfeste Verbindung vorliegt. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass die Kopfstücke 13, 14 mehrteilig
ausgeführt
sind und über
ein Innenteil 15 sowie ein darauf nach Art einer Überwurfmutter
aufgeschraubtes Außenteil 16 verfügen. Es
sind auch andere Befestigungsarten einsetzbar, beispielsweise eine
Pressverbindung von Außenteil 16 und
Innenteil 15. Das Innenteil 15 hat einen sich
in Aufschraubrichtung konisch verjüngenden Halteabschnitt 17,
auf den der Kontraktionsschlauch 12 unter radialer Aufspreizung
aufgesteckt ist. Die Endabschnitte des Kontraktionsschlauches 12 sind
dann radial zwischen dem Außenteil 16 und dem
Halteabschnitt 17 fest eingespannt.
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An
den beiden Kopfstücken 13, 14 insbesondere
an dessen Innenteilen 15 vorgesehene Befestigungsmittel 18,
beispielsweise Gewindebohrungen, ermöglichen eine Befestigung an
Bauteilen, die relativ zueinander verlagert werden sollen. Die Kontraktionseinheit 11 lässt sich
dann beispielsweise nach Art eines fluidbetätigten Arbeitszylinders einsetzen.
Mindestens eines der Kopfstücke 13, 14,
vorliegend das in 1 in der rechten Bildhälfte bzw.
das in den 3 und 5 gezeigte
Kopfstück 14,
ist mit einem durchgehenden Fluidkanal 19 versehen, der
einenends in den durch die Kopfstücke 13, 14 und
den Kontraktionsschlauch 12 gebildeten Innenraum 20 ausmündet und
andernends zur Außenseite
des Kopfstückes 14 offen
ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
befindet sich der Fluidkanal 19 in einem am Innenteil 15 des
Kopfstückes 14 befestigten, insbesondere
eingeschraubten, rüsselartigen
Zuführelement 21,
dessen Rüssel 22 in
den kopfstücklosen
Bereich zwischen den beiden Kopfstücken 13, 14 hineinragt
und in einer Hülse 23 festgelegt,
insbesondere eingeschraubt ist, wobei der Fluidkanal 19 an
seinem hülsenseitigen
Ende in Form von sich kreuzenden Kanälen 24 in den Innenraum 20 mündet.
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Das
fluidzuführende
Kopfstück 14 ist
mit Verbindungsmitteln versehen, die beispielsweise unmittelbar
von Befestigungsmitteln 18 gebildet sind und die das Anschließen einer
nicht näher
gezeigten Fluidleitung ermöglichen, über die
abwechselnd ein unter Druck stehendes Fluid, beispielsweise Druckluft, aber
auch hydraulische Medien, in den Innenraum 20 eingespeist
oder aus dem Innenraum 20 abgeführt werden kann.
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Die
Kontraktionseinheit 12 besitzt ferner eine Positionserfassungseinrichtung 25,
die sich im durch die Kopfstücke 13, 14 und
den Kontraktionsschlauch 12 gebildeten Innenraum 20 befindet.
Die Positionserfassungseinrichtung 25 besitzt zwei sich überlappende
Messelemente 26, 27 von denen sich jeweils eines
vom zugeordneten Kopfstück 13, 14 ausgehend,
in Richtung zum anderen Kopfstück 13, 14 erstreckt.
Die Messelemente 26, 27 ihrerseits bestehen im
Wesentlichen aus einem Trägerstab 28, 29,
der einenends mit dem zugehörigen
Kopfstück 13, 14 verbunden
ist und andernends einen Messkopf 30, 31 trägt. Die
jeweiligen Messköpfe 30, 31 sind
also über
den zugehörigen
Trägerstab 28, 29 mit
dem zugehörigen
Kopfstück 13, 14 gekoppelt.
Die Messelemente 26, 27 sind derart ausgebildet,
dass sie in axialer Richtung längs
zur Längsachse 32 der
Kontraktionseinheit 11 relativ zueinander beweglich sind. Wird
also die Kontraktionseinheit 11 mit Druckmedium beaufschlagt
und ändert
sich der Abstand der beiden Kopfstücke 13, 14 zueinander,
so ändert
sich auch die axiale Lage der beiden Messelemente 26, 27 zueinander.
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Das Überlappen
der beiden Messelemente 26, 27 wird derart erreicht,
dass ein Messelement 27 einen Trägerstab 29 aufweist,
der zumindest im Bereich seines Messkopfes 31 einen Rohrabschnitt 33 aufweist,
dessen Außendurchmesser
nicht viel kleiner ist, als der Innenduuchmesser des Kontraktionsschlauches,
sodass zwischen der Außenwand
des Rohrabschnitts 33 und der Innenwand des Kontraktionsschlauchs 12 lediglich
ein schmaler Ringspalt 34 verbleibt. Der Innendurchmesser
des Rohrabschnitts 33 ist derart bemessen, dass er den
Messkopf 30 des anderen Messelementes 26 aufnehmen
kann. Die beiden Messelemente 26, 27 sind also
nach Art eines Teleskops ineinander verschiebbar. Die Verschiebeführung der
beiden Messelemente 26, 27 ist spielfrei, sodass
bei der Positionsbestimmung der Kopfstücke 13, 14 keine
spielbedingten Fehlmessungen auftreten können.
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Haupteigenschaft
der Messelemente 26, 27 und insbesondere deren
Trägerstäbe 28, 29 ist,
dass sie in Längsrichtung,
und vorzugsweise außerhalb der
Gelenkbereiche auch radial, steif ausgebildet sind, sodass keine
messsystembedingten Kräfte,
bedingt durch die Kontraktion oder Entspannung der Messelemente,
auf die Kontraktionseinheit 11 wirken. Die in Längsrichtung
steife Ausgestaltung der Trägerstäbe 28, 29 macht
es erforderlich, dass ein Fluchtungsfehlerausgleich zwischen den
beiden Kopfstücken 13, 14 geschaffen
wird, dass also Schiefstellungen bzw. Querversätze der beiden Kopfstücke 13, 14 ausgeglichen
werden können.
Dieser Fluchtungsfehlerausgleich wird derart erzielt, dass wenigstens
ein Messkopf 30, 31 über den ihm zugeordneten Trägerstab 28, 29 allseits
quer zur Längsachse 32 relativ
zum zugeordneten Kopfstück 13, 14 beweglich
ist.
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Wie
in den 1 bis 3 beispielhaft gezeigt, ist
dazu jeder der beiden Messköpfe 30, 31 über ein
am zugehörigen
Trägerstab 28, 29 ausgebildetes
Kopplungselement 35 mit dem zugehörigen Kopfstück 13, 14 kardanisch
gekoppelt. Im ersten Ausführungsbeispiel
sind die Kopplungselemente 35 beispielhaft anhand von Kugelgelenken
dargestellt. Bei dem Messelement 27, das dem Fluidzuführ-Kopfstück 14 zugeordnet
ist (1, rechte Bildhälfte, 3), befindet
sich das Ku gelgelenk ein Stück
entfernt vom Kopfstück 14,
wobei die Hülse 23 in
der der Rüssel 22 des
rüsselartigen
Zuführelementes 21 befestigt
ist, ihrerseits in einer Aufnahmebuchse 36 befestigt ist
und gleichzeitig mit ihrem Stirnende eine Kugelpfanne des Kugelgelenks
bildet. Die in der Kugelpfanne abrollende Vollkugel des Kugelgelenks wird
in axialer Richtung durch die Aufnahmebuchse 36 fixiert
und ist seinerseits mit einer stiftartigen Verlängerung an einem Halterungselement 37 des
Rohrabschnitts 33, an dem sich der Messkopf 31 befindet, befestigt.
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Bei
dem entgegengesetzten Messelement 26 befindet sich das
Kugelgelenk innerhalb des zugeordneten Kopfstückes 13 angeordnet.
Das betreffende Kugelgelenk ist auf dem Trägerstab 28 beispielweise
mittels eines Presssitzes befestigt und besitzt eine konvexe Außenkontur,
die an einer korrespondierend ausgebildeten konvexen Aufnahme abrollt, die
sich ihrerseits an einer am Innenteil 15 des Kopfstücks 13 befestigten
Platte 38 befindet.
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Die
Kopplungselemente 35 als Kugelgelenke auszubilden, bietet
den zusätzlichen
Vorteil, dass dadurch ein Verdrehen der beiden Kopfstücke 13, 14 gegeneinander
ausgeglichen werden kann. Sie geben also einen Drehfreiheitsgrad
bezüglich
der Längsachse 32 der
Kontraktionseinheit 11.
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Die 4 und 5 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kontraktionseinheit 11.
Dieses unter scheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass
sich die beiden Messköpfe 30, 31 in
der Nähe
eines Kopfstücks 13, 14 befinden.
Das dem naheliegenden Kopfstück 13 zugehörige Messelement 26 ist
also dementsprechend kurz und das gegenüberliegende Messelement 27 dementsprechend
lang ausgebildet. Der Messkopf 30, der dem in der Nähe befindlichen
Kopfstück 13 zugeordnet
ist, ist hier nicht kardanisch angekoppelt, sondern über den
zugehörigen
Trägerstab 28 starr
mit dem Kopfstück
verbunden. Der Messkopf 31, der dem entfernt liegenden
Kopfstück 14 zugeordnet
ist, ist mittels zweier am zugehörigen
Trägerstab 29 angeordneter
Kopplungsmittel 35 kardanisch mit diesem Kopfstück 14 gekoppelt.
Die Kopplungselemente 35 sind beim zweiten Ausführungsbeispiel beispielhaft
anhand von Festkörpergelenken
dargestellt, die von zwei relativ schmalen Materialstreifen des
Trägerstabs 29 gebildet
werden. Diese Materialstreifen sind im Gegensatz zum Rest des Trägerstabs 29 querschnittsverjüngt und
quer zur Längsachse 32 der
Kontraktionseinheit 11 biegeelastisch, so dass sie dieselbe
Funktion erfüllen,
wie beispielsweise Kugelgelenke.
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Die
in den beiden Ausführungsbeispielen
beschriebenen Positionserfassungseinrichtungen 25 werden
durch eine Wegmesseinrichtung gebildet, womit der Abstand der beiden
Kopfstücke 13, 14 zueinander
stufenlos gemessen werden kann. Als bevorzugte Wegmesseinrichtung
ist eine magnetostriktive Wegmesseinrichtung gewählt. Dabei fungiert eine Messelement 26 als
Wellenleiter auf den über einen
elektrischen Anschluss 39 Stromimpulse eingekoppelt werden.
Die Stromführung
verläuft dabei vorzugsweise
durch die Wandung des Innenteils 15 des Kopfstücks 13,
wobei eine zur Stromdurchführung
vorgesehene Durchbrechung in der Innenwandung dicht verschlossen,
beispielsweise ausgegossen wird, sodass die Fluiddichtheit des Innenraums 20 gewährleistet
ist. Der Messkopf 31 des dem gegenüberliegenden Kopfstück 14 zugeordneten
Messelementes 27 besitzt einen Indikator in Form eines Ringmagneten.
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Zur
eigentlichen Messung wird ein kurzer Stromimpuls durch den Wellenleiter
geschickt. Dadurch entsteht ein mit dem Impuls laufendes, örtlich veränderliches
zweites Magnetfeld radial um den Wellenleiter herum. Im Bereich
des Ringmagneten findet eine elastische torsionale Verformung des
magnetostriktiven Wellenleiters statt, die auf Grund des Zeitverlaufes
des Stromimpulses ein hochdynamischer Vorgang ist. Dadurch entsteht
im wirksamen Feld des Ringmagneten eine Torsionswelle. Als Körper-Ultraschallwelle
läuft sie
vom Entstehungsort zu den Enden des Wellenleiters und wird am unteren Ende
vollständig
absorbiert. Störende
Einflüsse
auf die Signalerfassung werden somit sicher ausgeschlossen. Die
Detektion der Torsionswelle geschieht am oberen Ende des Wellenleiters
in einem speziellen Impulswandler-System. Das nicht näher dargestellte
Impulswandler-System besteht aus einem quer mit dem Wellenleiter
verbundenen ebenfalls magnetostriktiven Metallstreifen, einer induktiven
Detektionsspule und einem weiteren, ortsfesten Permanentmagneten.
Im Torsionsimpulswandler bewirkt die Körperschallwelle eine Permeabilitätsänderung
des Metallstreifens. Die daraus resultierende zeitli che Änderung
des Permanentmagnetfeldes induziert in der Abtastspule einen elektrischen
Strom.
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Die
torsionale Körperschallwelle
läuft mit konstanter
Ultraschallgeschwindigkeit durch den Wellenleiter. Die genaue Ortsbestimmung
ergibt sich durch eine Laufzeitmessung, bei der die Magnetposition
aus der Zeit zwischen dem Start des Stromimpulses und dem Eintreffen
des elektrischen Antwortsignals, der im Torsionswandler detektierten
Körperschallwelle
bestimmt wird.
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Eine
andere Möglichkeit
ist, eine Widerstands-Wegmesseinrichtung einzusetzen. Dort kann nach
Art eines Potentiometers an einem Messelement eine Widerstandsbahn
ausgebildet sein, die von einem Schleifer, der sich am anderen Messkopf befindet,
berührungslos
oder schleifend abgetastet wird. Die Stellung des Abgriffs repräsentiert
einen bestimmten Weg, zu dem eine abgegriffene Spannung proportional
ist. Daraus kann dann der Abstand der beiden Kopfstücke 13, 14 zueinander
bestimmt werden.