DE19618710A1 - Signal-Verbesserung beim Abfühlen einer Hydraulik-Zylinder-Kolben-Position unter Verwendung von Elektro-Magnetwellen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Abfühlen der Position eines Kolbens in einem Hydraulik-Zylinder durch die Ver­ wendung von elektro-magnetischen Wellen im Zylinder und insbesondere darauf, daß spezielle elektromagnetische Wellen besser detektierbar bzw. erkennbar gemacht werden, aus deren Charakteristiken die Kolben-Position zu bestim­ men ist.

Hintergrund und Bezug zum Stand der Technik

Hydraulik-Zylinder, Kolben- und Stangenkombinationen wer­ den verstärkt in Gebieten verwendet, die die Bewegung und Positionierung von Material und Objekten umfaßt. Wie die verschiedenen Anwendungen von Hydaulik-Zylinder-Kolben- und Stangen-Kombinationen fortgeschritten sind, sind strengere Betriebs-Kriterien angetroffen worden und eine Notwendigkeit hat sich entwickelt, präzise, verläßlich und kontinuierlich die Position des Kolbens und seiner damit verwandten Verschiebungs-Parameter, der Geschwin­ digkeit und der Beschleunigung abzufühlen.

Ein vielversprechender Ansatz, der sich in der Technik entwickelt, verwendet die Korrelation von Resonanz- Frequenzen elektro-magnetischer Wellen in dem Hohlraum, der aus dem Zylinder und dem Kolben besteht, und zwar mit den Dimensionen des Hohlraums. Gemäß eines Aspektes die­ ses Ansatzes ist die Wellenleistung, wie sie in einer Übertragungsleitung mit kurzgeschlossenen Enden ist, und zwar dahingehend, daß die Resonanz-Frequenz einer elek­ tro-magnetischen stehenden Welle umgekehrt mit der Hohl­ raumlänge korreliert.

Eine Anwendung der Verwendung von elektro-magnetischen Wellen zur Kolben-Positionsabfühlung ist im US-Patent 4,588,953 gezeigt, wobei die Frequenz von elektro­ magnetische Wellen, die in den Zylinder zwischen dem ge­ schlossenen Ende des Zylinders und dem Kolben eingeleitet werden, zwischen zwei Grenzen hin- und hergeführt wird, wobei die Frequenz der detektierten Resonanz-Spitze die Kolben-Position anzeigt.

Im US-Patent 4,737,705 wird eine Verbesserung mit einem koaxialen Resonanz-Hohlraum erreicht, und zwar mit einem zentralen Kern, innerhalb dem die elektro-magnetischen Wellen fortgepflanzt werden und in dem Modus bzw. Be­ triebszustand vorangetrieben werden, auf den als trans­ verse electromagnetic wave (TEM)-Modus (elektro­ magnetischer Transversalwellen-Modus bzw. Betriebs zu­ stand) Bezug genommen wird. Der Zylinder auf der Stangen­ seite des Kolbens ist eine Art von koaxialem Hohlraum.

In der am Europäischen Patentamt (EPO) veröffentlichten Anmeldungsnummer 0 199 224, veröffentlicht am 29. Oktober 1986, wird die Detektion der Resonanz von elektro­ magnetischen Wellen in einem Hydraulik-Zylinder-Hohlraum zwischen dem geschlossenen Ende und dem Kolben verbessert durch das Einführen bzw. Einleiten der Wellen in der Mit­ te des geschlossenen Endes des Zylinders, und durch Ein­ setzen einer Antenne mit einer rechtwinkligen Biegung, die sich axial vom Umfang des Zylinders erstreckt als der Empfänger, um die Elektro-Magnetwellen-Energie zu begren­ zen, die losgelassen werden und in einem Modus fortge­ pflanzt werden, auf den als der TEM-Zylinder-Modus Bezug genommen wird.

Im US-Patent 5,182,979 wird eine Kompensation für Unter­ schiede bei Einleitungsverlusten vorgesehen, wenn die li­ neare Ausdehnung des Kolbens und der Stange im Zylinder stattfindet.

Im US-Patent 5,325,063 wird die Identifizierung einer fundamentalen bzw. Grundresonanz-Frequenz verbessert, und zwar durch die Verwendung von Schnittpunkten der positi­ ven und negativen Neigung eines Resonanz-Signals mit Be­ zug auf einen Referenzpegel, wobei die positive Neigung bei der tieferen Frequenz liegt und die negative Neigung bei der höheren Frequenz liegt.

Wie der Fortschritt in der Technik voranschreitet, wird größere Präzision bei der Resonanz-Frequenz-Detektion ge­ sucht, und eine Notwendigkeit entwickelt sich, präziser die speziellen Resonanz-Frequenz-Signale zu identifizie­ ren.

Zusammenfassung der Erfindung

Signale, die Resonanz-Frequenzen von elektro-magnetischen Wellen im Strömungs-Mittel eines Hydraulik-Zylinders an­ zeigen werden verbessert, wobei die Eingangs- und Aus­ gangs-Koppelungsvorrichtungen für die Elektro- Magnetwellen durch 90° auf dem Umfang des Hydraulik- Zylinders getrennt werden. Die 90°-Trennung bewirkt die Unterdrückung einer Kopplung der elektromagnetischen Wel­ lenenergie in sich beeinflussende (störende) Betriebszu­ stände (Modi), die die Detektion der Signale in dem ge­ wünschten Modus erschweren und den detektierbaren Bereich des Kolbenwegs verringern können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Veranschaulichung der relativen Positionierung der Übertragungs- und Empfangs-Koppelungsvorrichtungen an einem Hy­ draulik-Zylinder.

Fig. 2 ist eine schematische Winkel-Veranschaulichung bzw. Veranschaulichung der Winkel der jeweili­ gen Positionierung der Übertragungs- und Emp­ fangs-Koppelungsvorrichtungen.

Fig. 3 ist eine schematische Querschnitts-Darstellung der Koppelungsvorrichtungs-Positionierung in dem bevorzugten koaxialen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 ist eine schematische Querschnitts-Ansicht ent­ lang der Linie 4-4 der Fig. 3, die die Ein­ gangs-, Ausgangs- und Dummy- bzw. Ersatz- Koppelungsvorrichtungs-Positionierung und -verbindungen im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Fig. 5 ist eine graphische Abbildung, die die Reso­ nanz-Signal-Charakteristiken mit Bezug auf die Koppelungsvorrichtungs-Positionierung ver­ gleicht.

Fig. 6 ist eine Veranschaulichung der dimensionellen Korrelation der Hydraulik-Zylinder-Resonanz- Frequenz-Spitzen zwischen den ausgedehnten bzw. ausgefahrenen und eingefahrenen bzw. zusammen­ geschobenen Grenzen des Kolbenweges.

Fig. 7 ist eine Veranschaulichung eines Teils einer Hydraulik-Zylinder-Übertragungs-Charakteristik- Kurve an einer Resonanz-Frequenz-Spitze.

Fig. 8 ist eine graphische Veranschaulichung der Ver­ stärkung gegenüber der Zeit und Frequenz einer Elektro-Magnetwellen-Resonanz mit Schnittpunk­ ten mit positiver und negativer Neigung mit ei­ nem Referenz-Pegel, und die die effektive Reso­ nanz-Position zeigt.

Fig. 9 ist eine Veranschaulichung der Betrachtungen, die bei der Auswahl und der Verwendung der Lock-on- bzw. Einhäng-Punkte bei den positiven und negativen Neigungen einer Resonanz bei spe­ ziellen Verstärkungs-Pegeln beteiligt sind.

Fig. 10 ist eine graphische Veranschaulichung von Fre­ quenz-Periode und Zähl-Variation, und zwar kor­ reliert mit dem Kolbenweg.

Fig. 11 ist eine beispielhafte Tabellen-Darstellung der Art von Resonanz-Information, die mit der Kol­ ben-Position korreliert ist, die während der statischen Charakterisierung des Zylinders ge­ sammelt wird.

Fig. 12 ist ein Zyklus-Ereignis-Zeitablauf-Diagramm, das die Art der ausgeführten Berechnungen zeigt.

Fig. 13 ist eine graphische Veranschaulichung des Be­ reiches des Effektes der Glättung bzw. Gleich­ machung bei der Verarbeitung.

Fig. 14 ist ein funktionelles Block-Diagramm bzw. ein Schaltkreis der Signal-Verarbeitung beim Elek­ tro-Magnetwellen-Kolben-Positions-Abfühlen.

Beschreibung der Erfindung

Gemäß der Erfindung sind die Eingangs-Koppelungs­ vorrichtung und die Empfangs-Koppelungsvorrichtung für die Elektro-Magnetwellen-Energie, die gewöhnlicherweise in Mikrowellen- oder Hoch-Frequenz(HF bzw. RF)-Bereichen liegt, mit einer 90-Grad-Trennung auf dem Umfang des Zy­ linders positioniert.

Die 90-Grad-Trennung wirkt, um die Koppelung in Betriebs­ zustände bzw. Modi mit stehenden Wellen zu unterdrücken, die die Fähigkeit beeinträchtigen, Resonanz-Frequenz- Signale zu detektieren, die mit der Länge des Hohlraums und daher mit der Kolbenposition korrelierbar sind. Auf die Koppelung in Modi bzw. Betriebszustände anders als der gewünschte Modus, wird manchmal in der Technik als cross talk" bzw. "Neben-Ansprechen" Bezug genommen und macht ordnungsgemäße Signal-Detektion schwieriger.

Die 90-Grad-Koppelungsvorrichtungs-Trennung der Erfindung arbeitet dahingehend, daß Signale ausgelöscht werden, die den "cross talk" erzeugen, während die herkömmliche 180- Grad-Koppelungsvorrichtungs-Trennung, die zuvor in der Technik verwendet wurde, dazu tendiert, den "cross talk" zu verstärken.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine perspektivische Darstel­ lung der relativen Positionierung der Übertragungs- und Empfangs-Koppelungsvorrichtungen gemäß der Erfindung ge­ zeigt. In Fig. 1 sind an einem Abschnitt eines Hydrau­ lik-Zylinders 1 eine Eingangs-Koppelungsvorrichtung 2 und eine Ausgangs-Koppelungsvorrichtung 3 an Stellen positio­ niert mit ungefähr 90-Grad-Trennung am Umfang des Zylin­ ders 1. Die Eingangs- 2 und Ausgangs- 3 Koppelungsvor­ richtungen sind allgemein nahe dem Ende des Zylinders ge­ legen, und zwar über den Weg eines nicht gezeigten Kol­ bens hinaus.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine schematische Winkel- Veranschaulichung bzw. Veranschaulichung der Winkel der relativen Position der Eingangs- und Ausgangs-Koppelungs­ vorrichtungen gezeigt, und zwar unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1. In Fig. 2 arbei­ tet die benachbarte Trennung von ungefähr 90 Grad auf dem Zylinder-Umfang der Koppelungsvorrichtungen 2 und 3 mit Bezug auf die entgegengesetzte 270-Grad-Trennung um den Umfang des Zylinders dahingehend, daß sie eine Koppelung in sich beeinflussende bzw. Interferenz-Modi unterdrückt.

Wenn die Koppelungsvorrichtungen 180 Grad getrennt sind, wie zuvor in der Technik, sind die Wege zwischen den Kop­ pelungsvorrichtungen um den Zylinder herum gleich und ein Additions-Effekt findet in dem störenden bzw. Interfe­ renz-Modus statt.

Dagegen erzeugen bei der 90-Grad-Trennung der Erfindung die 90-Grad- gegenüber den 270-Grad-Pfaden einen Subtrak­ tions-Effekt für den Interferenz-Modus bzw. Stör-Modus.

Gemäß des Prinzips der Erfindung ist die theoretische 90- Grad-Positionierung vorzuziehen. Es wird jedoch offen­ sichtlich sein, daß kleinere Winkelvariationen, die immer noch im wesentlichen die direkt benachbarte Trennung und ein ungerades Vielfaches der direkt benachbarten Trennung im entgegengesetzten Pfad um den Umfang des Zylinders herum aufrecht erhalten, wie in Fig. 2 gezeigt, zufrie­ denstellend sein würden.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist das bevorzugte Ausführungsbei­ spiel der Erfindung veranschaulicht, wobei der koaxiale Hohlraum eingesetzt wird, der mit der Stangenseite des Kolbens des Zylinders assoziiert ist. In Fig. 3 im Zy­ linder 10 ist der Kolben 11 an der Stange 12 angebracht, die wiederum eine Bewegung in den Richtungen des doppel­ köpfigen Pfeils überträgt, und zwar auf eine nicht ge­ zeigte Last. Ein Kopfglied 13 am Ende des Zylinders 10 schließt das Ende des Zylinders 10 und umfaßt die Stange 12. Die Stirnseite 14 des Kolbens 11, an der die Stange 12 angebracht ist, und die Innen-Stirnseite 15 am Kopf 13 dienen als die abschließenden Enden für einen koaxialen Übertragungs-Leitungs-Hohlraum 16, in dem die Stange 12 als das Kernglied dient, und wobei ein transverse electromagnetic wave (TEM)-Modus fortgepflanzt wird. Die isolierte Eingangs-Koppelungsvorrichtung 17 und die iso­ lierte Ausgangs-Koppelungsvorrichtung 18, in dieser Figur außer Sicht, werden gemäß der Erfindung mit einer 90- Grad-Trennung um den Umfang des Zylinders 10 herum ange­ ordnet, sind im oder nahe am Kopf 13 gelegen, und zwar über den Weg des Kolbens 11 hinaus und sind dem Hydrau­ lik-Strömungsmittel im Hohlraum 16 im Zylinder 10 ausge­ setzt. Die Eingangs-Koppelungsvorrichtung 17 und die Aus­ gangs-Koppelungsvorrichtung 18, die außer Sicht sind, sind magnetische Schleifen-Koppelungsvorrichtungen.

Um eine vierfache Symmetrie um den Kern 12 und eine ver­ besserte Resonanz-Form vorzusehen, sind "dummy"- bzw. "Ersatz" -Koppelungsvorrichtungen 19 und 20, von denen nur das Element 19 in dieser Figur in Sicht ist, mit einer weiteren 90-Grad-Trennung um den Umfang des Zylinders 10 herum positioniert. Das Strömungsmittel im Zylinder 10 wird durch einen mit einem Ventil versehenen Anschluß 21 gehalten.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist eine Ansicht des Koppelungsvor­ richtungs-Teils des Kopfes 13 entlang der Linie 4-4 der Fig. 3, die Positionierung der Eingangs-Koppelungsvor­ richtung 17, der Ausgangs-Koppelungsvorrichtung 18 und der "Ersatz"-Koppelungsvorrichtungen 19 und 20 gezeigt. Die Eingangs- 17 und die Ausgangs- 18 Koppelungsvorrich­ tungen erstrecken sich durch den Umfang des Kopfes 13. Die "Ersatz" -Koppelungsvorrichtungen 19 und 20 sind nicht mit Drähten verbunden und können unterschiedliche Längen haben. Die einzelnen Längen können verwendet werden, um selektiv die Resonanz-Form zuzuschneiden. Der selektive Zuschnitt ist in Fig. 3 als ein Beispiel abgebildet, und zwar durch Reduzierung der Länge an einer Stelle, die mit 20 bezeichnet ist, die dahingehend arbeiten kann, die An­ ti-Resonanz zu formen, und dadurch Signale von nicht ge­ wünschten Betriebszuständen zu unterdrücken. Der Teil des Kopfes 13, der die Stirnseite 15 aufweist, sieht auch ei­ ne Grenze für den Kolbenweg vor. Dicht-Merkmale, die nicht gezeigt sind, werden gewöhnlicherweise auf dem Kol­ ben 11 und am Kopf 13 vorgesehen, um den Kontakt mit dem Zylinder 10 und mit der Stange 12 zu verbessern, um das Abschließen bzw. Kurzschließen der Enden des Hohlraums 16 zu verbessern.

Im Zylinder 3 läuft der Kolben 1, wie vom Pfeil im Hohl­ raum 16 angezeigt. Ein Frequenz-Signal, das über den Fre­ quenz-Bereich variiert, in dem fundamentale bzw. Grund- Resonanzen im Hohlraum 16 auftreten, wird durch den Über­ tragungs-Abschnitt 31 in das Hydraulik-Strömungsmittel im Hohlraum 16 über die Koppelungsvorrichtung 17 übertragen. Frequenz-Signale, die an der Koppelungsvorrichtung 18 empfangen werden, werden im Empfangsabschnitt 33 verar­ beitet, wo die Anwesenheit eines Resonanz-Signals durch einen Vergleich mit einem Schwellen-Wert identifiziert wird. Ein Controller- bzw. Steuerungs-Vorrichtungs- Abschnitt 35 kommuniziert mit dem Empfangsabschnitt 33 und dem Übertragungsabschnitt 31 durch Kanäle 36 bzw. 37. Die Verstärkung des Empfangsabschnittes 33 wiederum wird mit dem Kolbenweg gleichgemacht, um einen Referenz- Verarbeitungs-Pegel vorzusehen. Im Steuerungs- Vorrichtungs-Abschnitt 35 wird eine Information, die mit jedem Resonanz-Signal identifiziert ist, in Zähl- Information umgewandelt, und zwar unter Verwendung einer geteilten Probe bzw. Aufnahme (sample) der übertragenen Frequenz vom Übertragungs-Abschnitt 31. Die geteilte Pro­ be wird verwendet, um ein Präzisions-Oszillator-Signal in einem Zähler zu steuern bzw. zu sperren (gate), dessen Zählungen proportional zur gelaufenen Kolben-Distanz sind. Eine Korrelation der Zähl-Information mit der ge­ laufenen Kolben-Distanz wird tabellenförmig dargestellt, und zwar in einem statischen Zylinder-Charakterisierungs- Vorgang vor der Verwendung.

Die Signale, die durch die Eingangs-Koppelungsvorrichtung 17 geliefert werden, und durch die Ausgangs- Koppelungsvorrichtung 18 empfangen werden, werden in ei­ nem Verarbeitungs-Abschnitt 30 verarbeitet, der innerhalb einer gestrichelten Linie in Fig. 4 veranschaulicht ist. Der Verarbeitungs-Abschnitt 30 ist aus einem Übertra­ gungs-Abschnitt 31 gemacht, der ein Signal liefert, das zwischen einer vorbestimmten Minimal- und einer Maximal- Frequenz variiert, beispielsweise von 50 Megahertz (Mhz) auf 1,6 Gigahertz (Ghz), und zwar von der Koppelungsvor­ richtung 17 über den Leiter 32; und einen Empfangs- Abschnitt 33, der die Elektro-Magnetwellen-Signale bei den Resonanz-Frequenzen detektiert, die mit der Länge des Hohlraums 16 über die Koppelungsvorrichtung 18 und den Leiter 34 korrelieren, und einem Steuerungs-Vorrichtungs- Abschnitt 35, in dem die Bestimmung der Kolben-Position und der damit in Beziehung stehenden Parameter- Geschwindigkeit und Beschleunigung stattfindet.

Die Signal-Verbesserungsvorteile der Positionierung der Eingangs-Koppelungsvorrichtung 17 und der Ausgangs- Koppelungsvorrichtung 18 bei der 90-Grad-Trennung der Er­ findung sind graphisch in Fig. 5 dargestellt, und zwar in einem Vergleich mit Koppelungsvorrichtungen mit 180- Grad-Trennung, wie zuvor in der Technik durchgeführt. Mit Bezug auf Fig. 5 fallen Verstärkungs-Spitzen mit Modus- Resonanzen zusammen. Die Resonanzen werden gemäß der Mo­ dus- bzw. Betriebszustands-Nummer-Konvention TEMNO be­ zeichnet, die in der Technik verwandt wird, wobei
"m" die Zahl des Umfangs-Modus ist;
"n" die Zahl des radialen Modus ist; und
"o" die Zahl des Axial-Modus ist.

Bei einer 180-Grad-Trennung ist beträchtliche Sorgfalt bei der Unterscheidung der Spitzen erforderlich. Die 90- Grad-Trennung der Erfindung unterdrückt eine Koppelung in einen unerwünschten benachbarten TE101-Modus, wodurch der gewünschte TEM1-Modus leichter identifizierbar gemacht wird. Weiter entferntere ungewünschte Resonanzen, wie beispielsweise der TE201-Modus, während sie weniger als der benachbarte unerwünschte Modus beeinträchtigt sind, sind immer noch weit genug weg für eine klare Definition der gewünschten Modi. Wie in Fig. 5 zu sehen, sind die Vorteile der Erfindung am größten unter Bedingungen mit kurzem Hohlraum, wobei die 90-Grad-Trennung die Signal- Variation zwischen gewünschten und unerwünschten Modi ausgeprägter macht, und somit detektierbar, was wiederum die Komponenten- und Verarbeitungs-Anforderungen verrin­ gert. Unter Umständen, wo die Stange 22 beträchtlich aus­ gefahren bzw. ausgefahren und der Hohlraum 16 so nahe eingefahren bzw. zusammengeschoben ist, daß das Aspekt- Verhältnis des Hohlraums, d. h. das Verhältnis des Zylin­ der-Durchmessers zur Hohlraumlänge, nahezu gleich ist, ist die Erfindung von besonderem Vorteil dahingehend, daß auch unter diesen Bedingungen die erste Resonanz TEM1 klar von den nächsten Resonanzen unterscheidbar ist. Bei der 180-Grad-Trennung des Standes der Technik vermischt sich die TE101-Resonanz mit der TEM1-Resonanz, so daß die TEM1-Resonanz nicht klar unterscheidbar ist. Die nächst höhere Resonanz (TEM2 oder TE201) ist weit genug weg von der TEM1-Resonanz, so daß es kein Problem gibt.

Die verbesserten Signale der Erfindung sind in einer her­ kömmlichen Verarbeitungsweise verarbeitet, die in der Technik verwendet wird, wie in den US-Patenten 4,737,705 und 5,182,979 als Beispiele gelehrt. In der Technik ist im allgemeinen der Verarbeitungsansatz wie folgt. In ei­ nem Übertragungs-Abschnitt wird ein Frequenz-Signal in den Hohlraum eingeführt bzw. eingeleitet, der durch den Kolben, den Zylinder und das Ende des Zylinders abge­ grenzt wird. Die eingeleitete Frequenz variiert über ei­ nen Bereich, der alle TEM1-Resonanz-Frequenzen für alle Hohlraum-Längen aufweisen würde, die dem Kolbenweg ent­ sprechen. In einem Empfangsabschnitt werden die Resonan­ zen detektiert, und zwar über jedes Inkrement bzw. jeden Schritt des Kolbenwegs, und durch die Komparator- bzw. Vergleichs-Schaltung werden individuelle Resonanzen iden­ tifiziert. Berechnungen korrelieren′ dann die TEM1- Resonanzen mit der Hohlraum-Länge und daher mit der Kol­ ben-Position. Individuelle Verarbeitungs-Techniken weisen Merkmale auf zur Resonanz-Identifizierung und Signal- Verarbeitung in Anwesenheit einer Rauschumgebung im Zy­ linder.

Das verbesserte Signal, das diese Erfindung durch die ge­ lehrte 90-Grad-Beabstandung liefert, arbeitet dahinge­ hend, daß die Notwendigkeit zur Rausch-Steuerung verrin­ gert wird, vereinfacht die Resonanz-Identifizierung und verringert den kritischen Einfluß der Komponenten- Leistung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Das Kolben-Positions-Abfühlsystem setzt elektro­ magnetische Wellen im Strömungsmittel eines Hydraulik- Zylinders ein, und zwar in Form eines variierenden Fre­ quenz-Signals, das in das hydraulische Strömungsmittel im Zylinder übertragen bzw. eingeleitet wird. Das variieren­ de Signal deckt den Bereich von Frequenzen ab, bei denen eine Resonanz des Hohlraums, der aus dem Zylinder, dem Kolben und dem Zylinderende besteht, über den Bereich des Kolbenweges stattfinden wird. Ein Frequenz-Signal wird im hydraulischen Strömungsmittel abgefühlt, und wird in ei­ nen Signal-Empfänger geliefert, wo die Information aus dem abgefühlten Frequenz-Signal herausgezogen wird, das eine Identifizierung der Position und der Bewegungs- Parameter des Kolbens gestattet.

Im Hydraulik-Zylinder-Hohlraum gibt es einen hohen Ver­ lust des übertragenen Signals, außer an einer Resonanz- Frequenz, die an einer Kolben-Position oder Hohlraum- Länge ist, an der die Energie in eine stehende Welle ei­ nes speziellen Modus gekoppelt wird, wodurch ein signifi­ kantes Signal erzeugt wird.

Es gibt Variationen bei Positions-Abfühlsystemen in der Technik bezüglich: Vorsehen des Hohlraums auf der Stan­ gen- oder der Kopfseite des Kolbens; der Erregung von stehenden Wellen eines speziellen Modus; und des Abfüh­ lens einer TEM-Harmonischen, anders als die Fundamentale bzw. Grundfrequenz TEM1. Zu Zwecken der Vereinfachung und Klarheit der Erklärung werden ein Hohlraum auf der Stan­ genseite des Kolbens, eine Erregung im TEM-Modus und das Abfühlen der fundamentalen der speziellen Resonanz- Frequenz für die spezielle Kolben-Position oder Hohlraum- Länge besprochen werden.

In den Fig. 6 bis 14 ist ein Elektro-Magnetwellen- Kolben-Positions-Abfühlsystem beschrieben, das die Erfin­ dung einsetzt.

Während es in der Technik eine Anzahl von Wegen gibt, ei­ ne fundamentale bzw. Grund-Resonanz-Frequenz zu detektie­ ren, ist die Technik, die Schnittpunkte mit positiver und negativer Neigung der Resonanz-Umhüllung mit Bezug auf einen Referenz-Pegel zu detektieren, wie im US-Patent 5,325,063 beschrieben, sehr effektiv beim Identifizieren der Frequenz-Extreme bzw. äußersten Frequenzen des Reso­ nanz-Signals. Die Verwendung einer "Frequenz- Verriegelungs-Schleifen"-Schaltung (frequency lock loop circuitry), um "Lock on"- bzw. "Einhäng"-Punkte auf den positiven und negativen Teilen der Resonanz-Frequenz- Signal-Umhüllung zu detektieren und zu verfolgen, zusam­ men mit der Auswahl des Lagepegels von diesen "Lock on"­ bzw. "Einhäng"-Punkten mit Bezug auf die Maximal- Amplitude dB und die Breite der Umhüllung an diesem Lage­ pegel gestattet Berechnungen, die hochgenaue Resonanz- Frequenz-Werte ergeben, und zwar mit einer Anpassung bzw. Aufnahme für die Vorrichtungs- und Betriebs- bzw. Ser­ vice-Leistungs-Unterschiede im Abfühlsystem. Eine Berech­ nung wird beim Einrichten einer Effektiv-Position für die Resonanz eingesetzt.

Mit Bezug auf Fig. 5 ist zu sehen, daß ein Einhängen am negativen Teil des Resonanz-Signals nur möglich ist, wenn die TE101-Resonanz durch die 90-Grad- Koppelungsvorrichtungs-Trennung der Erfindung unterdrückt wird, und zwar in dem Fall, in dem die TE101-Resonanz na­ he der TEM1-Resonanz ist.

Mit Bezug auf Fig. 6 ist eine Veranschaulichung der di­ mensionellen Korrelation der Hydraulik-Zylinder-Resonanz- Frequenz-Spitzen mit der Kolben-Position gezeigt. In Fig. 6 wandert ein Kolben, wie beispielsweise 11 der Fig. 3, wie durch den Doppel-Richtungs-Pfeil angezeigt, im Zy­ linder 10 zwischen einer Grenze 40 am ausgedehnten Ende des Hohlraums 16 und einer Grenze 41 in der Nachbarschaft eines geschlossenen oder Kopfendes 42, wo der Hohlraum 16 als eingefahren bzw. zusammengeschoben angesehen wird.

Weiter veranschaulicht in Fig. 6 in dem dimensionsmäßig korrelierten Graphen bzw. der Kurve der Resonanz- Frequenz-Spitzen gegenüber der Amplitude, die Kurve 43 den nicht-linearen Anstieg an Fundamental- bzw. Grundre­ sonanz-Amplitude und -Frequenz mit dem Abnehmen an Hohl­ raum-Länge, wenn der Kolben von der ausgefahrenen Hohl­ raum-Grenze 40 zur eingefahrenen Hohlraum-Grenze 41 läuft.

Mit Bezug auf Fig. 7 ist ein Teil einer Hydraulik- Zylinder-Übertragungs-Charakteristik-Kurve veranschau­ licht, die die allgemeine Form eines Resonanz-Frequenz- Signals 44 abbildet, was wiederum eine Umhüllung von Fre­ quenzen ist, und zwar zwischen dem positiven Schnittpunkt 45 und dem negativen Schnittpunkt 46 mit einem nicht ge­ zeigten Referenz-Pegel und mit einer Spitzenregion 47.

Bei Elektro-Magnetwellen-Hydraulik-Zylinder-Kolben- Positions-Abfühlsystemen macht die Form der Spitzenregion und die Tatsache, daß es eine Anzahl von Variablen gibt, die mit Herstell-Chargen-Unterschieden in Beziehung steht und mit Dingen, die bei der Verwendung im Einsatz in Be­ ziehung stehen, eine genaue Vorhersage des Einleitungs­ verlustes bei der Resonanz unmöglich. Als Beispiele, je­ doch nicht darauf begrenzt, würden solche Variablen fol­ gendes umfassen: Größenunterschiede zwischen Zylindern, irgendwelche Dichtungs-Leckage, und zwar sowohl elek­ trisch als auch hydraulisch, Unterschiede zwischen stati­ schem und dynamischen Betrieb, Unterschiede bei der Be­ triebsrichtung, Unterschiede beim Temperatur-Ansprechen, Unterschiede beim Öl, wie beispielsweise Druck- Zusammensetzung und Verunreinigung, und Unterschiede der Leistung über die Lebensdauer der Vorrichtung. Alle und Kombinationen davon können die Fähigkeit, genau eine Re­ sonanz-Frequenz zu bestimmen, beeinträchtigen. Auf solche Variablen kann im allgemeinen als Vorrichtungs- und Be­ triebs- bzw. Service-Unterschiede Bezug genommen werden. Der Effekt von vielen dieser Vorrichtungs- und Betriebs- Unterschiede und die Form der Spitzenregion des Resonanz- Signals 44 der Fig. 7 und 8 hat eine übermäßige Varia­ tion beim Einleitungsverlust und bei der Resonanz zur Folge.

Die Situation wird in Verbindung mit der Fig. 8 bespro­ chen werden, wo eine Veranschaulichung einer Elektro- Magnetwellen-Resonanz vorgesehen ist, in der die Umhül­ lung der Frequenz in der Resonanz positive und negative Schnittpunkte mit einem Referenz-Pegel besitzt, der von der Spitze entfernt ist. In Fig. 8 ist das Resonanz- Signal 44 eine Frequenz-Umhüllung, die einen Referenz- Pegel 48 an einem positiven 45-Schnittpunkt P1 schneidet, durch eine Spitze 47 läuft, die eine abgerundete Spitzen­ region ist, und dann den Referenz-Pegel 48 an einem nega­ tiven Schnittpunkt 46 schneidet, der mit P2 bezeichnet ist, und zwar oft zu einer Anti-Resonanz 49 fortlaufend. Die Referenz 48 ist von der Spitzenregion 47 durch mehre­ re dB auf der Verstärkungs-Skala getrennt.

Beim Korrelieren des Resonanz-Signals 44 mit einer spezi­ ellen Kolben-Position, wenn die Genauigkeits- Anforderungen strenger werden, wird es nötiger, eine prä­ zise effektive Frequenz, und somit einen Positions-Wert für das Resonanz-Signal aufzunehmen bzw. zu erreichen. Eine Aufnahme bzw. ein Ausgleich für die Faktoren, die eine genaue Messung verhindern, wird erreicht durch das Auswählen der Referenz 48 an einem Verstärkungs-Pegel, der von der Spitzenregion 47 getrennt ist. Aus einer Vielzahl von Gründen wird die beste Leistung erreicht, wenn der Schwellen-Pegel 48 auf ungefähr 5 dB unterhalb der Resonanz-Spitzenregion 47 eingestellt wird. Eine si­ gnifikante Veränderung der eingestellten bzw. gesetzten Schwelle kann einen Verlust der Frequenz-Verriegelung bzw. der Frequenz-Einhängung oder falsche Frequenz- Einhängung verursachen. Auch kleinere Variationen des Schwellen-Pegels können vergrößerte Genauigkeits-Fehler bewirken.

Ein genauer Effektiv-Wert für die Periode (Peff) der Re­ sonanz wäre eine Funktion von P1 und P2, die ausgedrückt werden kann als F (P1, P2), wobei das einfachste Beispiel davon wie in Gleichung 1 ausgedrückt sein würde.

Gleichung 1 F (P1, P2) = (P1+P2)/P2

Die Differenz zwischen den Schnittpunkten P1 und P2 be­ stimmt einen Resonanz-Breiten-Parameter, der als P2/P1 ausgedrückt werden kann. Irgendein anderer äquivalenter Ausdruck eines Resonanz-Breiten-Parameters, wie bei­ spielsweise ein geladenes bzw. belastetes "Q" (loaded "Q"), könnte auch verwendet werden.

Die Kriterien, die bei der Auswahl des "Lock on"- bzw. "Einhäng"-Pegels und der Meß-Parameter beteiligt sind, sind in Verbindung mit den Fig. 9, 10 und 11 veran­ schaulicht, wobei in Fig. 9 eine Veranschaulichung der Betrachtungen vorgesehen ist, die bei der Auswahl des Pe­ gels beteiligt sind, wobei in Fig. 10 eine graphische Veranschaulichung der Vorteile beim Aufnehmen der Messun­ gen bezüglich der "Periode" und der "Zählung" gegeben wird, und zwar beim Korrelieren der Information, die mit der Kolbenbewegung bzw. dem Kolbenweg entwickelt wird, und wobei in Fig. 11 eine Beispiels-Korrelierungs- Tabellen-Darstellung der Zylinder-Daten gezeigt ist, und zwar in einer statischen Charakterisierung der Frequenz, Periode, Zählungen, Periode der Zählungen und der Kolben­ weg-Distanz.

Nachdem man den Verstärkungs-Pegel für den Pegel 48 bei­ spielsweise auf ungefähr 5 dB unterhalb der Spitzenregi­ on 47 und einen hohen Wert von P2/P1 zwischen den Schnittpunkten eingestellt, werden die Werte des Reso­ nanz-Breiten-Parameters P2/P1 und Peff in Tabellen-Form dargestellt, mit der Kolben-Position in einem Charakteri­ sierungs-Vorgang korreliert und in einer Tabelle gespei­ chert, die durch die Werte von Peff indiziert ist. Auf den Wert P2/P1 an einem gegebenen db-Pegel unterhalb der Spitzenregion wird einzigartig als das geladene bzw. be­ lastete "Q" des Hohlraums Bezug genommen.

In Fig. 10 ist ein Graph der Veränderung der "Frequenz" (Hz), "Periode", welche 1/Frequenz ist, und der "Zählung" gezeigt. Die "Zählung" kann definiert werden als ein Zäh­ ler-Ausgang einer geteilten Probe der Frequenz mit Bezug auf die Kolbenweg-Distanz. In Fig. 10 ist die Frequenz- Kurve nicht linear, während sowohl die "Perioden"-Kurve als auch die "Zählungs"-Kurve, die proportional zur Perioden" -Kurve ist, linear ist, und somit direkt mit dem Kolbenweg korrelierbar. Die Linearität liefert Vor­ teile beim Aufnehmen von Meß-Information bezüglich der "Periode" und der "Zählung".

In Fig. 9 sind vier beispielhafte Resonanz-Kurven A-D mit steigenden Verstärkungs-Werten oder abnehmenden Wer­ ten an Einleitungsverlusten veranschaulicht, und zwar mit Bezug auf einen festen Meßpegel, der im Beispiel 5 db un­ terhalb der Spitzenregion positioniert ist. Die Referenz- Linie E ist der feste gewählte Schwellen-Pegel bei 5 dB unterhalb der Resonanz-Spitze. P2/P1 würde die Peff- Mittel-Periode sein, die durch die Bandbreite bei den Schnittpunkten der speziellen Kurve mit dem Referenzpegel E geteilt wird.

Im Fall der Kurve A würde kein "Lock on" bzw. "Einhängen" detektiert werden, da es keine Schnittpunkte mit dem Re­ ferenzpegel E gibt. Ein großer Verstärkungsanstieg von ungefähr 5 dB würde angezeigt werden. Im Fall der Kurve B gibt es Schnittpunkte bei den Punkten 50 und 51, aber der Wert von P2/P1 mit der Bandbreite zwischen jenen Schnitt­ punkten ist geringer als der Wert P2/P1 bei 5 dB unter­ halb der Spitze. Ein moderater Anstieg der Verstärkung von ungefähr 1 dB würde angezeigt werden. Im Fall der Kurve D gibt es Schnittpunkte bei den Punkten 52 und 53, jedoch der Wert von P2/P1 mit der Bandbreite zwischen diesen Schnittpunkten würde größer sein als der Wert von P2/P1 bei 5 dB unterhalb der Spitze und ein moderates Ab­ nehmen der Verstärkung würde angezeigt werden. Im Fall der Kurve C ist der Wert von P2/P1 für die Bandbreite zwischen den Schnittpunkten gleich dem Wert P2/P1 für die 5 dB unterhalb des Spitzen-Pegels und würde als die Punk­ te P1 und P2 ausgewählt werden und sie werden als 45 bzw. 46 bezeichnet. Wenn die Frequenz des Übertragungsab­ schnittes 31 der Fig. 4 ansteigt, und ein "Lock on" bzw. "Einhängen" einer speziellen Resonanz bei P1 auftritt, wird ein temporäres Frequenz-Inkrement bzw. ein Frequenz- Schritt hinzugefügt, der die Frequenz in die Nachbar­ schaft und geringfügig über P2 hinaus bewegt, so daß die Frequenz-Verriegelungs- bzw. Frequenz-Einhäng-Schaltung den negativen Schnittpunkt bei P2 suchen und daran ein­ hängen kann.

Jedes Zylinder-Kolben-Positions-Abfühlsystem wird indivi­ duell charakterisiert. Dies kann getan werden durch in­ krementales bzw. schrittweises Bewegung des Kolbens durch den Hohlraum oder die Hublänge (zwischen 40 und 41 in Fig. 6), und zwar in Positions-Inkrementen bzw. Schritten, die so klein sind, wie die Auflösung des Abfühlsystems gestatten wird, während die "Perioden"-Werte bei P1 und P2 jeweils gemessen werden, Peff und P2/P1 berechnet wer­ den, und alle für jede Position gespeichert werden. Die Inkremente bzw. Schritte müssen nicht gleich sein. Ge­ wöhnlicherweise ist die Distanz zwischen den Inkrementen bei niedrigeren Frequenzen länger.

Zusätzlich werden die Zahl der "Zählungen" in jeder Reso­ nanz, bei einem Beispiel 16 MHz, und die Periode der 16 MHz-Zählung, die übertragene Frequenz und die Periode der übertragenen Frequenz alle mit der Kolbenweg-Distanz kor­ reliert und in Tabellenform gespeichert. Die gespeicherte Information sieht statisch gemessene Information für die Resonanz-Frequenz an jeder Kolben-Position über die Hublänge vor. Eine Nachschau-Tabelle, von der ein Bei­ spiel in Fig. 11 gezeigt ist, wird zusammengestellt, und zwar mit einem geeigneten Index, wie beispielsweise Peff, der nicht gezeigt ist, und zwar unter Verwendung der Cha­ rakterisierungs-Information, und wird beim Berechnen und beim Korrelieren von Zählungen in den Zählern mit dem Kolbenweg eingesetzt. Die gespeicherten Informations- Werte, die in der Nachschau-Tabelle angeordnet sind, kön­ nen in der Form zur Verwendung sein, oder Berechnungen können an den gemessenen Werten ausgeführt werden, wenn jeder verwendet wird.

In Fig. 12 ist ein allgemeines Zyklus-Ereignis-Zeit- Diagramm vorgesehen. Im Diagramm gibt es fünf Zeit- Segmente T1 bis T5 in einem Zyklus zwischen Reset- bzw. Rücksetz-Signalen. Die Zyklus-Perioden weisen "Suche" und "Lock"- bzw. "Einhäng"-Perioden auf, und zwar für jeden der steigenden und abfallenden "Lock on"- bzw. "Einhäng"- Punkte und eine Berechnungs- und Übertragungs-Periode, in der die Perioden, die Peff- und die P2/P1-Werte einge­ richtet werden, und zwar gefolgt durch die Übertragung der Werte, die dann im nächsten Zyklus verwendet werden.

In Fig. 12 findet bei T1 die Suche und das Einhängen für den positiven Schnittpunkt P1 statt, und zwar gefolgt durch eine Zähl- und Lese-Periode, die mit T2 bezeichnet wird. Bei T3 findet die Suche und das Einhängen für den negativen Schnittpunkt P2 statt, und zwar gefolgt durch eine Zähl- und Lese-Periose, die T4 genannt wird. In der T5-Periode werden die Peff- und P2/P1-Werte berechnet und für einen Vergleichsvorgang mit dem Nachschau-Tabellen- Wert übertragen, aus dem die Kolben-Position bestimmt wird. Die Ereignisse des Diagramms der Fig. 12 werden in jedem Zyklus ausgeführt, welcher beispielsweise 20 Milli­ sekunden sein kann. Eine tatsächliche Bestimmung tritt nur auf, falls benötigt.

Mit Bezug auf Fig. 13 ist eine graphische Veranschauli­ chung des Bereiches der Glättungs- bzw. Gleichmachungs- Einstellung gezeigt, die die Amplituden-Differenz der Re­ sonanz-Frequenz-Spitzen mit dem Kolbenweg kompensiert. In Fig. 13 entspricht die Kurve 54 der Kurve 43 der Fig. 6 und die Kurve 55 ist eine Equalizer-Signal-Kurve, die gleich und entgegengesetzt der Kurve 54 ist, wie im US- Patent 5,182,979 beschrieben. Die Kombination der beiden Verstärkungs-Werte an jedem Punkt hat einen Verstärkungs- Referenz-Pegel zur Folge, der als Element 56 bezeichnet wird, das eine 0 dB-Neigung besitzt.

In Fig. 14 ist ein funktionales Block-Diagramm des Elek­ tro-Magnetwellen-Kolben-Positions-Abfühlsystems der Er­ findung gezeigt.

Mit Bezug auf Fig. 14 ist die Zylinder-Koppelung die der direkt benachbarten Koppelungsvorrichtungs-Trennung mit einem ungeraden Vielfachen der Trennung im entgegenge­ setzten Pfad um den Umfang des Zylinders, wie in Verbin­ dung mit den Fig. 1 bis 5 beschrieben. Im Zylinder 60 ist der Kolben 61 gestrichelt auf der Stange 62 gezeigt. Die Übertragungs- 63 und Empfangs- 64 Koppelungsvorrich­ tungen sind 90° voneinander entfernt am Umfang des Zylin­ ders 60 montiert, und zwar mit zwei (nicht gezeigten) Dummy- bzw. Ersatz-Koppelungsvorrichtungen von gewählter Länge, und zwar jeweils auf einer weiteren 90°-Trennung am Umfang des Zylinders 60 von einer benachbarten Über­ tragungs-Koppelungsvorrichtung 63 oder einer Empfangs- Koppelungsvorrichtung 64. Der Hohlraum 65, der Hydraulik- Strömungsmittel enthält, ist koaxial, und zwar mit vier­ facher Symmetrie, wobei die Fortpflanzung der stehenden Welle im (TEM)-Modus ist, und wobei die benachbarten Modi bzw. Betriebszustände unterdrückt werden. Starke, wohl­ definierte Signale werden bei jeder Resonanz über den ge­ samten Weg des Kolbens 62 im Zylinder 60 erzeugt.

Im allgemeinen Betrieb der Kolben-Abfühl-Signal- Verarbeitung, in einem Übertragungsabschnitt wird ein Frequenz-Signal in den Hohlraum 65 eingeleitet, das in der Frequenz über einen Bereich variiert, der alle die Resonanz-Frequenzen aller Hohlraum-Längen umfassen würde, die dem vollen Kolbenweg entsprechen würden. In einem Empfangsabschnitt werden die Frequenz-Signale der funda­ mentalen bzw. Grund-Resonanzen, die bei jedem Inkrement des Kolbenweges empfangen werden, mit einem Schwellenpe­ gel verglichen und durch die Komparator-Schaltung und die Berechnung werden die speziellen bzw. partikulären Reso­ nanzen mit der Kolben-Position und den verwandten Aspek­ ten, Geschwindigkeit und Beschleunigung korreliert.

In Fig. 14 weist der Übertragungsabschnitt 31 der Fig. 4, der in gestrichelter Umrandung gezeigt ist, die Ele­ mente 66 bis 71 auf, die das Eingangs-Frequenz-Signal durch den Leiter 66 an die Eingangs-Koppelungs-Vorrichtung 63 liefern. Zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren 67 und 68 werden in Anwesenheit eines Spannungs-Signals am An­ schluß 69 verwendet, um ein Impuls- bzw. Beat-Signal zu erzeugen, das den Bereich von beispielsweise 50 MHz bis 1800 MHz der Resonanz-Frequenzen abdeckt, die auf dem Kolbenweg anzutreffen sind. Bei der niedrigen Frequenz, ungefähr 50 MHz, sind beide Oszillatoren 67 und 68 bei ungefähr 5000 MHz, während bei der hohen Frequenz, unge­ fähr 1800 MHz ein Oszillator bei ungefähr 5000 MHz und der andere bei ungefähr 3200 MHz sein würde. Die Aus­ gangsgröße der Oszillatoren 67 und 68 werden in einem ausbalancierten bzw. ausgeglichenen Mischer bzw. einer Misch-Vorrichtung 70 kombiniert, deren Ausgangsgröße se­ riell durch einen Tiefpaß-Filter 71 hindurchläuft.

Der Empfangsabschnitt 33 der Fig. 4, der in gestrichel­ ter Umrandung gezeigt ist, weist Elemente 82 bis 89 auf, liefert von der Koppelungsvorrichtung 64 auf dem Leiter 80 die Resonanz-Frequenz-Signale, die bei jedem Zyklus des Zeit-Diagramms verarbeitet werden. Im Empfangsab­ schnitt 33 laufen die Signale durch ein Verstärker- Equalizer-Schaltungs-Element 82, das die Funktion der Fi­ gur 13 ausführt, ein Detektor-Element 83, und zwar zu ei­ nem Schwellen-Komparator 84. Das Verstärker-Equalizer- Element 82 liefert eine Impedanz, die im wesentlichen gleich dem umgekehrten der des Zylinders 60 ist, so daß die Kurve 54 der Fig. 13 mit der Kurve 55 in Überein­ stimmung gebracht wird, und dadurch die Netto-Null- Neigungs-Referenz 56 erzeugt wird. Das Detektor-Element 83 liefert ein Signal, das die Amplitude anzeigt, und zwar zur Verwendung bei einem Vergleich mit einer kon­ stanten Schwellen-Spannung im Schwellen-Komparator- Element 84.

Wenn ein Signal auftritt, das ein "Einhängen" oder einen Vergleich im Element 84 anzeigt, wurde der Schnittpunkt der Fig. 8 erreicht. Das Signal vom Element 84 tritt in einen Invertierungs-/Nicht- Invertierungs-Verstärker 85 ein und in einen Wählschalter 86 zu einem Integrator 87, und zwar mit einem Ausgang, der zum spannungs-gesteuerten Oszillator 67 durch den Leiter 88 zurückführt bzw. zu­ rückgekoppelt ist. Der Invertierungs-/Nicht- Invertierungs-Verstärker 85 und der Wählschalter 86 in­ vertieren das Signal vom Element 84. Ein Kondensator 89 ist zwischen der Leitung 126 und dem Eingang des Integra­ tors 87 verbunden. Die Spannung auf der Leitung 126 steu­ ert die Position des Wählschalters 86 und erzeugt eine Ladungs-Spitze vom Kondensator 89. Während Spannungsver­ änderungen erhöht die Ladungs-Spitze vom Kondensator 89 zeitweise die Frequenz des Oszillators 67 ausreichend, um nahe, jedoch über den abfallenden Teil der Resonanz- Umhüllung hinaus zu sein, so daß der frequenz-verriegelte bzw. frequenz-eingehängte Schleifen-Schaltkreis sich ein­ hängt und den Schnittpunkt P2 der Fig. 8 einrichtet. Der Betrieb ist reversibel. Die Schaltung bewegt auch die frequenz-verriegelte Schleife vom Schnittpunkt P2 zum Schnittpunkt P1.

Der Steuervorrichtungs-Abschnitt 35 der Fig. 4, der die in gestrichelter Umrandung gezeigten Elemente 90 - 131 aufweist, weist folgendes auf: ein Steuervorrichtungs- Element 90, ein "Look up"- bzw. "Nachschau"-Speicher­ element 91 mit einem Ausgang in die Steuervorrichtung 90, ein Vor-Skalierungs-Element 92 mit einer Enable-Funktion und mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Elementes 71 des Übertragungsabschnittes 13 verbunden ist, und ei­ nen Enable-Eingang, der mit einem Lock- bzw. Einhäng- Detektierungs-Element 93 verbunden ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Schwellen-Komparators 84 verbunden ist. Der Ausgang des Vor-Skalierungs-Elementes durch eine Rückschaltungs-Verhinderungs-Diode 94 ist der Eingang zu Zählmitteln 95, die mit gestrichelter Linie umschlossen sind, die die Positions-Information entwickelt. Die Zähl­ mittel sind aus folgendem aufgebaut: ein erstes Flip-Flop 96 der "D"-Bauart mit einem "SET"-Eingang, einem "RESPONSE"-Eingang und "POSITIVE"- und "INVERTED"- Ausgängen, ein zweites Flip-Flop 97 der "D"-Bauart; einen ersten Zähler 98, einen zweiten Zähler 99, einem dritten Zähler 100; ein "UND"-Element 101 und einen Präzisions- Oszillator 102, der rechteckige 16 MHz-Impulse liefert, die eine ausreichende Definition bzw. Form besitzen, um getrennt auf den Führungs- bzw. vorauseilenden und Folge­ bzw. nachlaufenden Teilen abgefühlt zu werden, und die in der Steuervorrichtung 90 gelegen ist.

Der Ausgang des Elementes 94 ist mit einem Eingang 103 des Flip-Flops 96 und mit dem Eingang 104 des "und"- Elementes 101 verbunden. Der Ausgang 105 des Zählers 98 ist mit einem Eingang 106 des Flip-Flops 97 verbunden, dient durch eine Rückschaltungs-Verhinderungs-Diode 107 als der übrige Eingang bzw. die übrige Eingabe 108 des "und"-Elementes 101, und dient auch als ein Eingang 109 für die Steuervorrichtung 90. Der invertierte Ausgang 110 des Flip-Flops 96 ist mit dem Eingang 111 des Zählers 98 und mit einem Eingang 112 des Zählers 100 verbunden. Der Ausgang 113 des Präzisions-Oszillators 102 ist mit dem Eingang 114 des Zählers 99 und mit dem Eingang 115 des Flip-Flops 97 verbunden. Der Ausgang 116 des Zählers 100 ist mit dem Eingang 117 der Steuervorrichtung 90 verbun­ den. Der positive Ausgang 118 des Flip-Flops 96 ist mit dem Eingang 119 des Zählers 99 verbunden, der den Über­ lauf des Zählers 99 zum Zähler 100 trägt. Der Ausgang 120 des Flip-Flops 97 ist mit dem Eingang 121 des Zählers 99 verbunden. Der Ausgang 122 des Zählers 99 ist mit dem Eingang 123 des Zählers 100 verbunden.

Die Steuervorrichtung 90 liefert Reset- bzw. Rücksetz- Signale an die Anschlüsse 124 bzw. 125, an das Flip-Flop 96 und den Integrator 87, und liefert auch ein vorgewähl­ tes Signal an das Schaltelement 86 auf dem Leiter 126.

Der Controller 90 führt zusätzlich zum Liefern der posi­ tionsbezogenen Berechnungen auch die Vergleichsvorgänge aus, und zwar unter Verwendung der "Nachschau"-Daten vom Element 91, welches alle die gespeicherten Werte enthält, und mit Informationen von den Zählmitteln 95, um Positi­ ons-Information bei jedem Verarbeitungs-Zyklus zu lie­ fern.

Die Steuervorrichtung 90 besitzt auch einen externen Ver­ wendungs-Ausgang 131 für die Lieferung an einen außenste­ henden Anwender, und zwar von der Kolbenposition und der verwandten Geschwindigkeits- und Beschleunigungs- Information.

Um einen Beginn beim Durchführen der Erfindung vorzuse­ hen, ist das folgende Zählbeispiel und die Beschreibungen vorgesehen. Die Komponenten sind Standard-Elemente.

Zu Definitionszwecken, wenn ein Zähler "gelöscht" (cleared) wird, kann er nicht arbeiten und alle Ausgänge sind Nullen, und wenn ein Flip-Flop "gelöscht" wird, ist es betätigbar bzw. betreibbar, der "Set"-Anschluß ist high bzw. auf hoch, der positive Ausgang ist Null und der invertierte Ausgang ist 1.

Im Betrieb wird der Zähler unter folgenden Bedingungen synchronisiert.

Die Steuervorrichtung 90 hält den "Reset"-Anschluß des Flip-Flops 96 auf low, was das Flip-Flop in einem ge­ löschten Zustand hält. In diesem Zustand ist der positive Ausgang 118 auf low, was den Eingang 119 hält, so daß der Zähler 99 in einem gelöschten Zustand ist, während der invertierte Ausgang 110 des Flip-Flops 96 auf high ist, was die Zähler 98 und 100 in dem Reset-Zustand hält. Daß der Ausgang 105 des Zählers 98 low ist, hält das Flip- Flop 97 durch den Anschluß 106 in einem gelöschten Zu­ stand, was wiederum verursacht, daß der invertierte Aus­ gang 120 davon hoch ist, und der Zähler 99 am Anschluß 121 enabled ist, auch wenn der Zähler 99 in einem ge­ löschten Zustand gehalten wird, und zwar durch den Zu­ stand des Flip-Flops 96. Der High-Zustand des Anschlusses 108 enabled das "und"-Element 101. Die Übertragungs- Abschnitts-Frequenz, geteilt durch 256, wird an den An­ schlüssen 103 und 104 aufgeprägt, und weil das "und"- Gatter 101 enabled ist, wird sie auch dem Zähler 98 am Anschluß 132 aufgeprägt werden. Die Zählung wird enabled bzw. in Gang gesetzt, und zwar dadurch, daß die Steuer­ vorrichtung das Reset-Signal am Anschluß 124 von low auf high umschaltet, was wiederum über die Leitung 133 dem "Reset"-Anschluß des Flip-Flops 96 aufgeprägt wird. Die Leitungen 134 und 135 schaltet nicht um.

Die synchronisierte Zählung der Zähler 98 und der 99-100- Kombination beginnt damit, daß die Leitung 136 von low auf high geht, wenn das Einhäng-Detektierungs-Element 93 das Element 92 enabled, das eine geteilte Quelle der übertragenen Frequenz vorsieht. Die Leitung 134 schaltet von low auf high um, wodurch der Zähler 99 enabled wird, der die steigenden Kanten der die 16 MHz-Impulse zählt, die über die Leitung 137 aufgeprägt werden. Es besteht kein Zeitkonflikt, da die Leitungen 134 und 137 asynchron sind. Die Leitung 135 schaltet von high auf low um, was die Zähler 98 und 100 enabled. Der Zähler 98 zählt die nachlaufenden Kanten der Impulse, die durch "und" 101 laufen, und am Eingang 132 aufgeprägt werden. Es exi­ stiert kein Zeitkonflikt beim Start des Zählers 98, da der Zähler 98 auf der führenden Kante der Leitung 136 en­ abled wird, während die Zählung auf der nachlaufenden Kante der Impulse basiert.

Die synchronisierte Zählung der Zähler 98 und der 99-100- Kombination stoppt, wenn der Zähler 98 auf das effektive Äquivalent einer skalierten Periode einer Resonanz zählt. Beispielsweise, wenn die Periode 130944 Zyklen ist, würde eine Division im Element 92 durch 256 511,5 ergeben. Bei der Beispiel-Zählung von 511,5 ist dabei die 0,5 die nachlaufende Kante der letzten Zählung, die Leitung 138 wechselt von low auf high, entfernt das Flip-Flop aus dem gelöschten Zustand, so daß der nächste Low/High-Übergang auf der Leitung 137 (die nächste führende Kante eines 16 MHz-Impulses) verursacht, daß die Leitung 193 auf low geht, was die Zählung in der 99-100-Zähler-Kombination stoppt. Kein Zeitkonflikt existiert beim Zählungs-Stopp, da die Transport-Verzögerung des Flip-Flops 97 garan­ tiert, daß die 99-100-Zähler-Kombination Zeit gehabt ha­ ben wird, alle Übergänge unter Verarbeitung (in process) zu vollenden, bevor der Zähl-Prozeß, dadurch daß die Lei­ tung 139 auf low geht, disabled bzw. abgebrochen wird. Die Leitung 140 wechselt von high auf low, was ein Signal an die Steuervorrichtung 90 ist, daß die Zählung voll­ ständig ist. Die Leitung 140 disabled das "und" 101, was den Zähler 98 stoppt. Es besteht kein Zeitkonflikt, da alle Übergänge "unter Verarbeitung" in den Zählern voll­ ständig sind, bevor die Zählung gestoppt wird. Die Steu­ ervorrichtung liest die Zähler über die Leitung 141 aus, und zwar an Zeitpunkten T2 und T4 des Zeitablauf- Zyklusses. Der Zähl-Zyklus wiederholt sich, wenn der Con­ troller 90 wieder die Reset- bzw. Rücksetz-Leitung 133 von low auf high umschaltet.

Beispielhafte Auslegungen sind wie folgt

Eine zufriedenstellende Arbeits-Spannung ist ungefähr + 24 V Gleichspannung.

Das Signal, das auf dem Leiter 66 an die Koppelungsvor­ richtung 63 übermittelt wird, variiert von ungefähr 50 MHz bis ungefähr 1,6 GHz.

Ein zufriedenstellendes Vor-Skalierungs-Element 92 ist ein Modell MB506, hergestellt von Fujitsu und einge­ stellt, um durch 256 zu teilen.

Das Verriegelungs- bzw. Einhäng-Detektor-Element 93 ist ein herkömmlicher Fenster-Komparator in der Technik, und zwar aus parallel verbundenen Komparatoren aufgebaut.

Das "Nachschau"-Tabellen-Speicher-Element 91 ist ein her­ kömmliches programmierbares Read-Only-Memory-Element, wo­ bei auf einige Modelle davon in der Technik als PROMS Be­ zug genommen wird. Ein zufriedenstellendes PROM-Modell ist das TMS27PC512-Modell, das von Texas Instruments (TI) hergestellt wird.

Das Steuervorrichtungs-Element ist ein Standard- Mikroprozessor in der Technik. Ein zufriedenstellender Mikroprozessor ist das MC68HC11-Modell, hergestellt von Motorola, Roselle, Illinois, USA.

Die Zähler-Elemente 98 und 100 sind herkömmliche inte­ grierte Schaltkreise. Ein zufriedenstellendes Modell ei­ nes integrierten Schaltkreises ist der 74HC 4040, herge­ stellt durch TI.

Das Zähler-Element 99 ist auch ein weiterer herkömmlicher integrierter Schaltkreis. Ein zufriedenstellendes Modell ist das 74HC161, hergestellt von Motorola.

Das Flip-Flop der "D"-Bauart kann das Modell 74 HC74 sein, hergestellt von Motorola.

Das Element 89 ist ein 200-Picofarad-Kondensator.

Es wird offensichtlich sein, daß, während die Elemente der Zählmittel 95 zur Klarheit als eine getrennte Anord­ nung veranschaulicht wurden, die Elemente und Funktionen leicht in der Steuervorrichtung durch das Vorsehen der Kapazität darin verkörpert werden könnten.

Es wird aus dem vorangegangenen Beispiel offensichtlich sein, daß Kolben-Lage-Abfühlsysteme, die elektro­ magnetische Wellen in Hydraulik-Zylindern verwenden, stark von guten Signalen abhängen, und daß die Nutzen dieser Erfindung signifikant solche Systeme verbessern werden.

Was beschrieben wurde, ist die Verbesserung von Signalen bei der Elektro-Magnetwellen-Detektion der Position, Ge­ schwindigkeit und Beschleunigung eines Kolbens in einem Hydraulik-Zylinder durch Positionieren der Eingangs- und der Ausgangs-Sonden im Zylinder an Stellen, die um 90 Grad auf dem Umfang des Zylinders getrennt sind, um eine Koppelung in ungewünschte Modi bzw. Betriebszustände zu unterdrücken, die die Detektierbarkeit bzw. Bestimmbar­ keit des Signals verringern.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der angehängten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Verbesserung der Fähigkeit, gewählte Resonanz- Frequenzen zu detektieren, die mit der Position des Kol­ bens in einem Kolben-Positions-Abfühlsystem assoziiert sind, und zwar unter Verwendung von Elektro-Magnetwellen im Strömungsmittel in einem Hydraulik-Zylinder, wird er­ reicht durch Positionieren der Elektro-Signal-Eingangs- und -Ausgangs-Sonden mit einer 90-Grad-Trennung um den Umfang des Zylinders herum, um eine Koppelung in uner­ wünschte Modi bzw. Betriebszustände zu unterdrücken, die die Detektierbarkeit von speziellen Resonanz-Frequenz- Signalen verringern. In einem koaxialen Abfühlsystem ar­ beiten "dummy"- bzw. "Ersatz"-Sonden mit einer 90-Grad- Trennung zueinander und einer 90-Grad-Trennung zu den Eingangs- und Ausgangs-Sonden so, daß sie die Symmetrie und Resonanz-Form verbessern und unerwünschte Betriebszu­ stände unterdrücken.

Claims (19)

1. Hydraulik-Zylinder-, Kolben- und Stangen- Kombination mit einem Kolben-Lage-Abfühlsystem der Bau­ art, wobei Signale, die die Resonanz-Frequenz der Elek­ tro-Magnetwellen anzeigen, in das Strömungsmittel des Zy­ linders durch Eingangs- und Ausgangs-Sonden eingeleitet und abgefühlt werden, die sich an der Außenseite des Zy­ linders erstrecken, wobei vorgesehen ist, daß die Eingangs- und Ausgangs-Sensoren in dem Zy­ linder mit einer 90-Grad-Trennung auf dem Umfang des Zy­ linders positioniert sind.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Sonden benach­ bart zu einem Ende des Zylinders positioniert sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sonden an einem Teil des Zylinders positioniert sind, der die Stange umfaßt.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Son­ den benachbart zu einem Ende des Zylinders positioniert sind.

5. Kolben-positions-abfühlende Hydraulik-Zylinder- Kolben- und Stangen-Kombinations-Struktur, die folgendes aufweist:
einen Hydraulik-Zylinder,
wobei der Hydraulik-Zylinder ein erstes geschlosse­ nes Endglied an einem ersten Ende davon besitzt und ein zweites, stangen-aufnehmendes, geschlossenes Endglied am übrigen Ende davon,
wobei der Hydraulik-Zylinder weiter einen Kolben be­ sitzt, der zur strömungsmittel-druck-gerichteten Ver­ schiebung bzw. zum Lauf zwischen den geschlossenen Enden geeignet ist,
wobei der Kolben eine Stange daran angebracht hat, wobei sich die Stange durch das stangen-aufnehmende ge­ schlossene Ende hindurch erstreckt und sich über den Zy­ linder hinaus erstreckt,
eine Elektro-Signal-Eingangs-Sonde, und
eine Elektro-Signal-Ausgangs-Sonde,
wobei die Eingangs- und Ausgangs-Sonden sich jeweils in den Zylinder erstrecken, und in Kontakt mit dem Hy­ draulik-Strömungsmittel in dem Zylinder, und
wobei die Eingangs-Sonde und die Ausgangs-Sonde mit einer 90-Grad-Trennung voneinander auf dem Umfang des Zy­ linders positioniert sind.

6. Struktur nach Anspruch 5, wobei die Eingangs- und Ausgangs-Sonden aus dem Zylinder benachbart zum ersten geschlossenen Endglied positioniert sind.

7. Struktur nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Ein­ gangs- und Ausgangs-Sonden auf dem Zylinder benachbart zum zweiten, stangen-aufnehmenden, geschlossenen Glied positioniert sind.

8. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, die erste und zweite Dummy­ bzw. Ersatz-Sonden aufweist, wobei die erste Ersatz-Sonde 90 Grad um den Umfang des Zylinders herum von der Ein­ gangs-Sonde positioniert ist, und zwar in der Richtung weg von der Ausgangs-Sonde, und wobei die zweite Ersatz- Sonde 90 Grad um den Umfang des Hydraulik-Zylinders von der Ausgangs-Sonde positioniert ist, und zwar in der Richtung weg von der Eingangs-Sonde.

9. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die Eingangs- und Ausgangs-Sonden schleifen-magnetische Koppelungsvorrich­ tungen sind.

10. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, insbesondere nach Anspruch 9, die die ersten und zweiten Ersatz-Sonden aufweist, wobei die erste Ersatz- Sonde 90 Grad um den Umfang des Zylinders herum von der Eingangs-Sonde positioniert ist, und zwar in der Richtung weg von der Ausgangs-Sonde, und wobei die zweite Ersatz- Sonde 90 Grad um den Umfang des Hydraulik-Zylinders herum von der Ausgangs-Sonde positioniert ist, und zwar in der Richtung weg von der Eingangs-Sonde.

11. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, insbesondere nach Anspruch 10, wobei zumindest eine Ersatz-Sonde eine Länge besitzt, die mit einer gewählten Resonanz-Signal-Charakteristik in Beziehung steht.

12. In einer Vorrichtung zum Abfühlen von Signalen, die die Resonanz-Frequenz von Elekto-Magnetwellen im Strömungsmittel eines Hydraulik-Zylinders anzeigen, die mit der Position eines Kolbens im Zylinder korrelierbar sind, weisen Mittel zum Vorsehen einer verbesserten Si­ gnal-Definition der Resonanz-Frequenz-Elektro- Magnetwellen-Signale folgendes auf:
einen Eingangs-Sensor, der sich durch die Wand des Zylinders erstreckt, zum Einleiten von elektro­ magnetischen Signalen in das Hydraulik-Strömungsmittel, wobei die Eingangs-Sonde in einer ersten Position am Um­ fang des Zylinders gelegen ist, und
eine Ausgangs-Sonde, die sich durch die Wand des Zy­ linders erstreckt, um elektro-magnetische Wellen in dem Hydraulik-Strömungsmittel abzufühlen, wobei die Ausgangs- Sonde an einer zweiten Position am Umfang des Zylinders gelegen ist, wobei die ersten und zweiten Positionen auf dem Umfang getrennt sind, und zwar durch einen Trenn- Abstand auf dem Umfang in einer ersten Richtung um den Umfang herum, und durch ein ungerades Vielfaches der Trenn-Distanz in der Richtung um den Umfang herum, der entgegengesetzt zur ersten Richtung ist.

13. Verbesserte Signal-Definitions-Mittel nach An­ spruch 12, wobei die Eingangs- und Ausgangs-Sonden auf dem Zylinder positioniert sind, und zwar benachbart zu einem geschlossenen Endglied auf dem Zylinder.

14. Verbesserte Signal-Definitions-Mittel nach An­ spruch 12 oder 13, wobei die Eingangs- und Ausgangs- Sonden auf dem Zylinder positioniert sind, und zwar be­ nachbart zu einem stangen-aufnehmenden geschlossenen End­ glied auf dem Zylinder.

15. Verbesserte Signal-Definitions-Mittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, wobei die Trenn-Distanz durch einen 90-Grad-Bogen auf dem Umfang definiert ist.

16. Verbesserte Signal-Definitions-Mittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 14, wobei die Trenn-Distanz durch einen 90-Grad-Bogen auf dem Umfang definiert ist.

17. Verbesserte Signal-Definitions-Mittel nach An­ spruch 16, die erste und zweite Dummy- bzw. Ersatz-Sonden aufweisen, wobei die erste Ersatz-Sonde um 90 Grad um den Umfang des Zylinders herum von der Eingangs-Sonde posi­ tioniert ist, und zwar in der Richtung weg von der Aus­ gangs-Sonde, und wobei die zweite Ersatz-Sonde 90 Grad um den Umfang des Hydraulik-Zylinders herum von der Aus­ gangs-Sonde positioniert ist, und zwar in der Richtung weg von der Eingangs-Sonde.

18. Verbesserte Signal-Definitions-Mittel nach An­ spruch 17, wobei die Eingangs- und Ausgangs-Sonden schleifen-magnetische Koppelungsvorrichtungen sind.

19. Verbesserte Signal-Definitions-Mittel nach An­ spruch 17 oder 18, wobei zumindest eine Ersatz-Sonde eine Länge besitzt, die mit einer gewählten Resonanz-Signal- Charakteristik in Beziehung steht.