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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmeßvorrichtung
für einen fluidischen Zylinder, insbesondere einen Hydraulik-
oder Pneumatikzylinder, welcher einen Zylindermantel und eine im
Zylindermantel längsverschieblich geführte Kolbenstange aufweist.
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Solche
Positionsmeßvorrichtungen zur Messung der Längenausdehnung
von fluidischen Zylindern kommen dabei in einer Vielzahl von technischen Gebieten
immer dann zum Einsatz, wenn Informationen zur Längenausdehnung
des fluidischen Zylinders für eine präzise Positionierung
benötigt werden. Insbesondere kommen solche Positionsmeßvorrichtungen
dabei zur Bestimmung der Längenausdehnung der fluidischen
Zylinder von Baumaschinen zum Einsatz, um z. B. bei Baggern oder
Radladern eine präzise Positionierung der Schaufel bzw.
der Gabel zu ermöglichen. Hierbei müssen die Längenausdehnungen
aller beteiligten fluidischen Zylinder gemessen werden, um anhand
der gemessenen Längenausdehnung und durch geeignete Transformationen
die Endlage der Schaufel bzw. der Gabel berechnen zu können.
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Um
eine Längenausdehnung des Zylinders zu bewirken, werden
fluidische Zylinder mit einem unter Druck stehenden Fluid, insbesondere
mit Hydrauliköl oder Pressluft, beaufschlagt, wodurch die Kolbenstange
gegenüber dem Zylinder bewegt wird. Zur Messung der Längenausdehnung
von fluidischen Zylindern sind dabei bereits Meßsysteme
auf magnetostriktiver Basis bekannt. Dabei wird ein Meßelement
mit entsprechenden magnetischen Eigenschaften in die Kolbenstange
integriert, wofür diese axial aufgebohrt werden muss. Dies
ist insbesondere bei sehr langen Zylindern mit bis zu sechs Metern
sehr kostspielig und erfordert viel Aufwand hinsichtlich der Tiefbohrtechnik.
Zudem ist die Kabelführung für die Meßelektronik
innerhalb der Zylinder angeordnet, und damit in der Hochdruckzone
mit bis zu 400 bar.
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Weiterhin
ist aus
DE 202 18
623 U1 eine Positionsmeßvorrichtung für
fluidische Zylinder bekannt, bei welcher ein in der Kolbenstange
eingetauchter elektrisch isolierter Metallstab und die Kolbenstange
selbst einen Kondensator bilden, dessen Kapazität gemessen
wird. Die Anbringung der Meßsonde in der Kolbenstange ist
wiederum sehr kostspielig und erfordert viel Aufwand hinsichtlich
der Tiefbohrtechnik. Zudem bestehen wiederum Schwierigkeiten bei
der Kabelführung innerhalb der Zylinder, da diese wiederum
in der Hochdruckzone verläuft.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Positionsmeßvorrichtung
für fluidische Zylinder zur Verfügung zu stellen,
welche bei geringen Kosten und geringem konstruktiven Aufwand eine
hinreichende Genauigkeit bei der Längenmessung eines fluidischen
Zylinders bietet.
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Diese
Aufgabe wird von einer Positionsmeßvorrichtung für
einen fluidischen Zylinder gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der fluidische Zylinder weist dabei einen Zylindermantel und eine
im Zylindermantel längsverschieblich geführte
Kolbenstange auf. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Hydraulikzylinder
oder einen pneumatischen Zylinder. Erfindungsgemäß weist
die Positionsmeßvorrichtung eine Auswerteeinheit auf, welche
die Position der Kolbenstange bezüglich des Zylindermantels
anhand der intrinsischen Kapazität des von Zylindermantel,
Kolbenstange und einem als Dielektrikum wirkenden dielektrischen
Fluid gebildeten Kondensators bestimmt. Kolbenstange und Zylindermantel
stellen dabei die Elektroden des Kondensators dar, während das
Fluid, mit welchem der Zylinder beaufschlagt wird, ein dielektrisches
Fluid darstellt und als Dielektrikum wirkt. Durch die Verwendung
der intrinsischen Kapazität des von Zylindermantel, Kolbenstange
und Dielektrikum gebildeten Kondensators kann auf die Verwendung
zusätzlicher Meßsonden, wie sie im Stand der Technik
zwingend notwendig waren, verzichtet werden. Hierdurch wird eine äußerst
kostengünstige und einfach zu verwirklichende Positionsmeßvorrichtung
zur Verfügung gestellt, welche dennoch eine Längenmessung
des fluidischen Zylinders mit hinreichender Genauigkeit ermöglicht.
Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung eine mechanisch
stabile und schwingungs- bzw. schockfeste Messvorrichtung.
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Das
vorgeschlagene Meßverfahren nutzt dabei die intrinsischen
elektrischen Eigenschaften des zu messenden Zylinders (hier speziell
die kapazitive Eigenschaft des Zylinders) und erfaßt die Änderungen
dieser Eigenschaften während der Längenausdehnung
des Zylinders. Ein fluidischen Zylinder verhält sich dabei
wie ein Kondensator, wobei der Zylinder und die Kolbenstange als
Elektroden eines zylinderförmigen Kondensators fungieren,
während die Kunststoffabdichtung am Kolben und am Zylinderabschlußdeckel
sowie das Fluid, insbesondere das Hydrauliköl, als Isolatoren
wirken. Bei einer Längenausdehnung des fluidischen Zylinders ändert
sich durch die Änderung der Kondensatorfläche
die intrinsische Kapazität des fluidischen Zylinders. Erfindungsgemäß kann
daher durch Messung dieser intrinsischen Kapazität die
Längenausdehnung des fluidischen Zylinders bestimmt werden.
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Der
Vorteil des Meßverfahrens liegt darin, dass weder Meßelement
noch Meßelektronik im Zylinder angebracht werden müssen
und folglich keine konstruktiven Änderungen im fluidischen
Zylinder erforderlich sind. Es handelt sich damit um ein sehr kostengünstiges
und dennoch robustes Meßverfahren.
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Vorteilhafterweise
bestimmt die Auswerteeinheit dabei die intrinsische Kapazität
des fluidischen Zylinders über eine Oszillatorschaltung
mit Frequenzauswertung, wobei die Frequenzauswertung vorteilhafterweise
digital erfolgt. Bei der Oszillatorschaltung kann es sich dabei
um eine LC-Schaltung, eine RC-Schaltung, oder aber auch andere Oszillatoren
wie einen Martin- bzw. einen modifizierten Martin-Oszillator handeln,
bei welcher der fluidische Zylinder als Kondensator eingesetzt wird.
Die Kapazität kann dabei mit einer geeigneten Frequenz,
z. B. 100 kH, und einem geeigneten Spannungspegel über
eine digitale Frequenzauswertung bestimmt werden.
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Alternativ
bestimmt die Auswerteeinheit die Kapazität über
eine Wechselspannungsmessbrücke oder einen Wechselspannungsmessverstärker
mit Spannungsauswertung, wobei vorteilhafterweise eine digitale
Frequenzauswertung erfolgt.
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Vorteilhafterweise
berechnet die Auswerteinheit die Position der Kolbenstange dabei
als lineare Funktion der gemessenen Kapazität. Es hat sich nämlich
gezeigt, dass die Kapazität in guter Näherung
eine lineare Funktion des Verfahrwegs der Kolbenstange darstellt
und umgekehrt. Durch die lineare Approximation ergibt sich damit
eine äußerst einfache Auswertemethode, welche
dennoch mit ausreichender Genauigkeit eine Positionsbestimmung der Kolbenstange
bezüglich des Zylinders ermöglicht.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Auswerteinheit weiterhin eine Temperaturkompensation.
Hierdurch kann eine Verfälschung der Meßergebnisse durch
Temperaturschwankungen verhindert werden.
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Weiterhin
vorteilhafterweise mißt die Auswerteeinheit zusätzlich
die Leitfähigkeit des Zylinders. Die Leitfähigkeit
des fluidischen Zylinders wird dabei vorteilhafterweise zwischen
der Kolbenstange und dem Zylindermantel gemessen. Hierdurch kann eine Überprüfung
der Funktionsfähigkeit des Zylinders implementiert werden.
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Vorteilhafterweise
weist die Auswerteinheit dabei eine Funktion zur Erkennung von Dichtungsfehlern
auf. Die Auswerteeinheit kann dabei durch die Messung der intrinsischen
Kapazität und/oder der Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen
fluidischen Zylinders Dichtungsfehler erkennen und z. B. ein Warnsignal
an die zentrale Steuerung der Maschine senden.
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Weiterhin
vorteilhafterweise weist die Auswerteinheit eine Funktion zur Erkennung
des Fluidzustands auf. Auch hier kann durch die Messung der intrinsischen
Kapazität und/oder der Leitfähigkeit auf den Zustand
des verwendeten Fluids, insbesondere auf den Zustand des Hydrauliköls
geschlossen werden. Das erfindungsgemäße Meßverfahren
kann demgemäß eine Minderung der Fluid- bzw. Ölqualität rechtzeitig
melden.
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Die
erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung
kann demgemäß die Funktionsfähigkeit
des Zylinders überwachen und Schädigungen der
Zylinderdichtungen sowie die Minderung der Ölqualität
erkennen.
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Vorteilhafterweise
weist die Auswerteinheit dabei einen Speicher auf, in welchen die
intrinsische Kapazität des von Zylindermantel und Kolbenstange gebildeten
Kondensators für die beiden Endpositionen der Kolbenstange
speicherbar und/oder gespeichert ist. Durch einen Vergleich der
gespeicherten Werte mit den aktuell gemessenen Werten bei diesen festen
Positionen kann die Funktionsfähigkeit des Zylinders und/oder
der Positionsmeßvorrichtung überwacht werden.
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Vorteilhafterweise
ist der fluidische Zylinder, dessen Längenausdehnung über
die erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung
gemessen wird, auf mindestens einer Seite über einen elektrischen
Isolator an einer Maschinenkonstruktion angelenkt. Hierdurch wird
verhindert, dass der auf einer Maschinenkonstruktion angelenkte
fluidische Zylinder durch diese kurzgeschlossen wird, was eine Positionsmessung
verhindern würde. Der erfindungsgemäße
fluidische Zylinder ist daher von der metallischen Maschinenkonstruktion
elektrisch abisoliert. Vorteilhafterweise ist er dabei auf beiden
Seiten über einen elektrischen Isolator an der Maschinenkonstrukti on angelenkt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Anlenkung dabei über einen
elektrisch isolierten Gleitring wie z. B. einen kohlefaserverstärkten
oder keramischen Gleitring. Solche Gleitringe haben eine hohe mechanische
Festigkeit und gleichzeitig einen hohen elektrischen Widerstand.
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Um
den Einfluss von parasitären Kapazitäten auszuschalten,
wird vorteilhaferweise eine aktive Potentialausgleichsfläche
eingesetzt, die dasselbe elektrische Potential wie der Zylinder
hat. Dieser Aufbau führt zu optimaler Abschirmung von störenden Feldern.
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Der
fluidische Zylinder, für welchen die erfindungsgemäße
Positionsmeßvorrichtung eingesetzt wird, weist vorteilhafterweise
elektrische Anschlüsse zur Verbindung der Auswerteeinheit
mit dem Zylindermantel und der Kolbenstange auf. Dies sind die einzigen
konstruktiven Änderungen, welche zur Umsetzung der vorliegenden
Erfindung an einem handelsüblichen fluidischen Zylinders
vorgenommen werden müssen. Dabei ist ein erster elektrischer
Anschluß vorgesehen, welcher elektrisch leitend mit dem
Zylindermantel in Verbindung steht und ein zweiter Anschluß,
welcher elektrisch leitend mit der Kolbenstange in Verbindung steht.
An diese beiden elektrischen Anschlüsse wird die Auswerteeinheit, welche
z. B. als externes Gerät ausgeführt werden kann,
angeschlossen.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei der elektrische
Anschluss für die Kolbenstange im Bereich der Anlenkung
der Kolbenstange angeordnet und mit dieser fest verbunden. Hierdurch ergibt
sich eine besonders einfache mechanische Lösung, wobei
die beiden Anschlüsse jedoch bei einer Längenausdehnung
des fluidischen Zylinders gegeneinander bewegt werden.
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Alternativ
erfolgt daher der elektrische Anschluss für die Kolbenstange über
einen Schleifkontakt. Der Schleiferträger ist dabei vorteilhafterweise am
Zylindermantel oder am Zylinderabschlußdeckel angeordnet
und steht über einen Schleifkontakt mit der Kolbenstange
in Verbindung. Weiterhin kann der Schleiferträger außerhalb
des Zylinders befestigt werden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen fluidischen Zylinder
für eine Positionsmeßvorrichtung nach einem der
vorangegangenen Ansprüche. Insbesondere handelt es sich
dabei um einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder. Insbesondere
weist dieser fluidische Zylinder dabei elektrische Anschlüsse
zur Verbindung der Auswerteeinheit mit dem Zylindermantel und der
Kolbenstange auf. Weiterhin sind vorteilhafterweise Isolatoren zur Anlenkung
des fluidischen Zylinders an einer Maschinenkonstruktion vorgesehen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit für
eine Positionsmeßvorrichtung, wie sie oben beschrieben
wurde. Diese umfasst dabei die nötige Meß- und
Auswerteelektronik zur Messung der Kapazität und zur Berechnung
der Längenausdehnung des fluidischen Zylinders.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere
eine Maschine, ein Fahrzeug, ein Flugzeug und/oder ein Arbeitsgerät, mit
einem fluidischen Zylinder und einer Positionsmeßvorrichtung,
wie sie oben beschrieben wurden. Die vorliegende Erfindung kann
dabei in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsbereichen zum
Einsatz kommen, um die Längenausdehnung eines fluidischen
Zylinders zu bestimmen. Insbesondere kann sie dabei in Baumaschinen
wie z. B. Hydraulikbaggern, Raupenbaggern oder Radladern eingesetzt
werden. Weiterhin ist auch die Anwendung in Kranen möglich.
Zudem ergeben sich Anwendungen im Bereich der Luftfahrttechnik,
der Fertigungstechnik (z. B. Stahlwalzen, hydraulische Presse),
Verpackungsmaschinen, Nahrungsproduktion, Kunststoffmaschinen, im
Bereich Automotive (PKW, LKW, Agrarmaschinen), bei Prüf-
und Testmaschinen und bei allen anderen Anwendungen, bei welchen
die Längenausdehnung eines fluidischen Zylinders mit wenig
konstruktivem Aufwand bestimmt werden soll.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung
der Position der Kolbenstange eines fluidischen Zylinders bezüglich
des Zylindermantels, bei welchem die intrinsische Kapazität
des von Zylindermantel und Kolben stange gebildeten Kondensators
gemessen und die Position der Kolbenstange aus der gemessenen Kapazität
berechnet wird. Vorteilhafterweise erfolgt die Messung der Kapazität
dabei über eine Oszillatorschaltung, weiterhin vorteilhafterweise
mittels Frequenzauswertung. Die Position der Kolbenstange wird dabei
vorteilhafterweise als lineare Funktion der gemessenen Kapazität
bestimmt. Weiterhin vorteilhafterweise wird die Leitfähigkeit
des Zylinders gemessen und mittels der gemessenen Leitfähigkeit
weiterhin die Funktionsfähigkeit des fluidischen Zylinders überwacht. Insbesondere
werden dabei Dichtungsfehler und/oder der Fluidzustand, insbesondere
der Ölzustand bei Hydraulikzylindern, auf Grundlage der
gemessenen Leitfähigkeit erkannt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen
sowie Zeichnungen näher dargestellt. Dabei zeigen:
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1a:
eine Schnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen fluidischen Zylinders,
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1b:
eine Schnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen fluidischen Zylinders,
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1c:
eine Schnittansicht durch ein drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen fluidischen Zylinders
und
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2:
ein Diagramm, welches die intrinsische Kapazität eines
fluidischen Zylinders in Abhängigkeit vom Verfahrweg und
deren lineare Approximation darstellt.
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In 1a, 1b und 1c sind
drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
fluidischen Zylinders gezeigt. Wie alle fluidischen Zylinder weist
dieser dabei einen Zylindermantel 1 und eine darin längsverschieblich
geführte Kolbenstange 2 auf, an welcher der Kolben 3 angeordnet
ist. Hierdurch ergeben sich ein Kolbenraum 11 und ein Zylinderraum 12,
welche zur Bewegung des Kolbens mit einem Fluid, ins besondere mit
Hydrauliköl oder Druckluft, beaufschlagt werden. Der Zylindermantel 1 und
die Kolbenstange 2 sind dabei aus Metall, insbesondere
aus Stahl, oder aus metallisch beschichteten Materialien gefertigt
und bilden so die Elektroden eines zylinderförmigen Kondensators.
Die Kunststoffabdichtung 4 zwischen Kolben 3 und
Zylindermantel 1 und die Kunststoffabdichtung 6 zwischen Kolbenstange 2 und
Zylinderabschlußdeckel 5 sowie das dielektrische
Fluid in den Kammern 11 und 12, dienen dabei als
Dielektrikum. Eine Längenausdehnung des fluidischen Zylinders
durch eine Bewegung der Kolbenstange 2 relativ zum Zylindermantel 1 ändert
nun durch die Änderung der Kondensatorfläche diese
intrinsische Kapazität des fluidischen Zylinders. Die elektrisch
nichtleitenden Gleitringe 13 isolieren den Zylinder elektrisch
von der metallischen Maschinenkonstruktion ab.
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Erfindungsgemäß wird
nun durch die Messung dieser intrinsischen Kapazität des
erfindungsgemäßen fluidischen Zylinders die Längenausdehnung
des fluidischen Zylinders ermittelt. Hierfür sind elektrische
Anschlüsse 8 und 9 zur Verbindung des Zylindermantels 1 und
der Kolbenstange 2 mit einer Auswerteeinheit vorgesehen.
Die Anschlüsse 8 und 9 stehen dabei jeweils
elektrisch leitend mit dem Zylindermantel 1 bzw. der Zylinderstange 2 in
Verbindung.
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In 1a ist
dabei ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem
der Anschluß 8 zur Verbindung der Auswerteeinheit
mit der Kolbenstange 2 im Bereich des Anlenkauges 7 an
der Kolbenstange 2 angeordnet ist. In 1b ist
dagegen ein zweites Ausführungsbeispiel angezeigt, bei
welchem ein Schleifkontakt 10 verwendet wird, um die Kolbenstange 2 elektrisch
zu kontaktieren. Der Schleifkontakt 10 ist dabei im Ausführungsbeispiel
am Zylinderabschlußdeckel 5 des fluidischen Zylinders
angeordnet und stellt den Kontakt mit der Kolbenstange 2 her. In 1b ist
der Schleifkontakt 10 dabei im inneren des Zylinderraums 12 angeordnet.
Alternativ kann der Schleifkontakt 10 gemäß 1c auch
außerhalb des Zylinderraums 12 z. B. auf der Außenseite
des Zylinderabschlußdeckels oder in den Zylinderabschlußdeckel
integriert angeordnet sein.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfahrens
liegt darin, dass der fluidische Zylinder selbst als Meßelement
dient und demnach kein zusätzliches Meßelement
vorgesehen werden muss. Auch muß keine Meßelektronik
im Zylinder angeordnet werden. Bis auf die Anordnung der beiden
elektrischen Anschlüsse sind demnach keine konstruktiven Änderungen
am fluidischen Zylinder erforderlich.
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Bei
einer Längenausdehnung des fluidischen Zylinders ändert
sich dessen intrinsische Kapazität, da sich die Kondensatorfläche
des von Zylindermantel 1 und Kolbenstange 2 gebildeten
zylinderförmigen Kondensators ändert. Diese Änderung
der Kapazität wird mittels der erfindungsgemäßen
Auswerteeinheit gemessen und ausgewertet. Die Abhängigkeit
der Zylinderkapazität von der Längenausdehnung
ist dabei in 2 dargestellt. Die Meßkurve entspricht
dabei in sehr guter Näherung einer linearen Abhängigkeit
zwischen Kapazität und Verfahrweg. Dementsprechend wird
in der vorliegenden Erfindung der Verfahrwerg bzw. die Position
der Kolbenstange als eine lineare Funktion der Kapazität
bestimmt. Es handelt sich demnach um eine sehr kostengünstige
und robuste Meßvorrichtung zur Bestimmung der Längenausdehnung
des fluidischen Zylinders, welches dennoch eine ausreichende Meßgenauigkeit
bietet.
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Die
Auswerteeinheit umfasst dabei eine Auswerteelektronik, welche die
Kapazität mittels einer Oszillatorschaltung (LC, RC oder
Martin-Oszillator bzw. modifizierter Martin-Oszillator) mit geeigneter Frequenz
und einem geeigneten Spannungspegel über eine digitale
Frequenzauswertung ermittelt. Die Berechnung des Verfahrwegs aus
der Kapazität erfolgt dann wie beschrieben mittels Linearisierung. Weiterhin
ist eine Temperaturkompensation vorgesehen.
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Weiterhin
kann die Auswertung durch eine Wechselspannungsmessbrücke
oder durch einen Wechselspannungsmessverstärker realisiert
werden, in dem der Zylinder als variabler Kondensator im Koppel-
oder Rückkopplungszweig angeschlossen wird.
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Die
Auswerteeinheit weist weiterhin eine Funktion zur Überwachung
der Funktionsfähigkeit des Zylinders auf. Dabei können
Beschädigungen der Zylinderdichtungen sowie ein Minderung
der Fluidqualität rechtzeitig anhand der Messung der Zylinderleitfähigkeit
erkannt und gemeldet werden.
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Um
den fluidischen Zylinder nicht durch eine metallische Maschinenkonstruktion
kurzzuschließen, muss die Anlenkung des fluidischen Zylinders
an der metallischen Maschinenkonstruktion elektrisch isolierend
ausgeführt sein. Dies kann durch die Verwendung von elektrisch
isolierenden Gleitringen zur Lagerung der fluidischen Zylinder realisiert
werden. Solche Gleitringe weisen eine hohe mechanische Stabilität
und einen hohen elektrischen Widerstand auf.
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Neben
der Verwendung in Baumaschinen, insbesondere zur Längenbestimmung
der zur Bewegung des Auslegers bzw. des Stiels eingesetzten fluidischen
Zylinder, ergeben sich für die erfindungsgemäße
Positionsmeßvorrichtung eine Vielzahl von weiteren Anwendungsbereichen.
Dabei wird ein Meßsystem zur Verfügung gestellt,
welches eine hervorragende Lösung hinsichtlich der Kosten,
der Konstruktion und der Genauigkeit bietet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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