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Pneumatische Positionsmeßvorrichtung Die Erfindung betrifft eine
Pneumatische Positionsmeßvorrichtung, bei der die Relativlage eines verschiebbaren
Positionsgebers durch die Messung des Druckes in zwei Bohrungen erfolgt, die an
verschiedenen Stellen entlang der Verschieberichtung des Positionsgebers angeordnet
sind, und der Positionsgeber bezüglich einer senkrecht zur Verschieberichtung liegenden
Ebene derart symmetrisch ausgebildet ist, daß in einer definierte Stellung desselben
vor den beiden Öffnungen in diesen gleiche Drücke entstehen, die bei einer Verschiebung
des Positionsgebers ungleich verändert werden, so daß in den Bohrungen dann eine
Druckdifferenz entsteht.
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Derartige Pneumatische Positionsmeßvorrichtungen sind bekannt (Lotze,
Wa, eingereitetechnik, 17. Jg., Heft Bild 1). Aus beiden Bohrungen tritt dabei Strömungsmittel
aus und trifft auf die beiden jeweils gegenüberliegenden Bereiche des Positionsgebers
auf, die als Prallfläche wirken. In einer definierten Stellung ist die Rückwirkung,
die durch das Auftreffen
der aus den Austrittsöffnungen der Bohrungen
austretenden Strömung auf die Prallflächen in den Bohrungen entsteht, in beiden
Bohrungen gleich, so daßkeine Druckdifferenz auftritt. Auf diese Weise kann eine
bestinQte Relativlage des Pcsitionsgebers gegenüber den beiden Bohrungen festgestellt
werden. Der Positionsgeber wird dabei, wie auch bei anderen ächlichen Systemen (Sharp
et al., A Fluidic Absolute Measuring System, Instrument Practice, Januar 1968, S.
43, Fig. 1) durch Nocken gebildet.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine pneumatische Positionsmeßvorrichtung
zu schaffen, bei der ein wesentlich genauerer Abgleich, insbesondere aber ein genauerer
Symmetrieabgleich möglich ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Pneumatische Positionsmeßvorrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß durch die als Sonden ausgebildeten
Bohrungen (Sondenbohrungen) die Druckverhälnisse einer Strömung abgetastet werden,
die d t).LL'h Austreten eines Strömungsmittels aus einer zwischen den Sondenbohrungen
senkrecht zur Verschieberichtung angeordneten Düse ensteht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden an@h@@ der
beigefügten Figuren eläutert. Es stellen dar: Fig. 1 eine schematische darstellung
eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 2 eine schematische darstellung
eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 3 eine Darstellung der Abhangigkeit
der Differenz des Druckes in den Sondenbohrungen von einer Verschiebung des Positionsgeber
bei einer Anordnung nach Fig. 1
Fig. 4a eine Darstellung der Abhängigkeit
der Differenz des Druckes in den Sotldenbohrungen von einer Verschiebung des Positionsgebers
bei einer Anordnung nach Fig. 2, bei der die Breite des Nockens gleich dem Abstand
der beiden Sondenbohrungen voneinander ist; Fig. 4b eine Darstellung der abhängigkeit
der Differenz des Druckes in den zondenbohrungen von eine Verschiebung des Positionsgebers
bei einer Anordnung nach Fig. 2, bei der die Breite des Nockens größer als der Abstand
der Sondenbohrungen voneinander ist.
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)3i deI Ausführungsbeispiel der Erfindung nach. Fig. 1 ist in einem
block 1 eine Düse 2 vorgesehen, durch deren hustrittsöffnung 3 Strömungsmittel austritt,
das ihr über die Strömungs mittelzuführung A, in der ein Speisedruck Ps herrscht,
zugeführt wird.
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Die aus der Austrittsöffnung 3 der Düse 2 austretende Strömung trifft
auf die Prallplatte 5, die in Kichtung des pfeiles s verschiebbar int und in der
in Fig. 1 gezeigten Stellung derart gegenüber der Austrittsöffnung 3 angeordnet
ist,daß die Achse der Diese 2 in einer Symmetrieebene der Prallplatte 5 liegt.
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Links und rechts von der Düse 2 sind in dem Block 1 zwei Sondenbohrungen
6 und 7 vorgesehen. Ihr Abstand gegenüber der Achse der Düse 2 ist gleich.
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Tritt nun Strömungsmittel aus der Düse 2 aus und auf die Prallplatte
5 auf, und ist ferner die Prallplatte 5 gegenüber der Düse 2 so angeordnet, daß
die Achse der Düse 2 in eine Symmetrieebene der Prallplatte 5 fällt, dann wird die
aus der Düse 2 austretende Strömung gleichmäßig nach beiden Seiten umgelenkt und
es entsteht iln Bereich der beiden Sondenbohrungen 6 und 7
ein Unterdruck,
der - infolge der vorausgesetzten Symmetrie der Prallplatte im Verhältnis zu der
auf sie auftreffenden Strömung - gleich ist.
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Die Sondenbohrungen 6 und 7 sind mi-t Leitungen 11 und 12 verbunden,
die ihrerseits mit Zuleitungen 9 und 10 verbunden sind, zwischen denen ein Druckmeßgerat
8 vorgesehen ist, das den Unterschied #p der Drücke in den Zuleitungen 9 und 10
mißt. In der soeben beschriebenen symmetrischen Stellung der Prallplatte 5 gegenüber
der Düse 2 wird also eine Druckdifferenz von #p = 0 angezeigt.
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Verschiebt man nun die Prallplatte 5 in Richtung des Pfeiles , so
fällt die Achse der Düse 2 nicht mehr in die Symetrieebene der Prallplatte 5 und
demzufolge sind die Strömungverhältnisse an den Bereichen des Blockes 1, an denen
die Sondenbohrungen 6 und 7 austreten, nicht ehr gleich, so daß auch die durch sie
abgetasteten Druckverhältnisse ungleich sind. Degemäß bildet sich in den Leitungen
11 und 12 ein unterschiedlicher Unterdruck aus, , der dann entsprechend durch das
Druckmeßgerat 8 angezeigt wird. Der von Druckmeßgerät 8 angezeigte Druck #p ist
somit ein Maß für die Verschiebung der prallplatte 5 entlang der Richtung des pfeiles
s aus einer genau definierten Stellung Dic Sondenbohrungen 6 und 7 dienen dazu,
den sich vor ihren Austrittsöffnungen gegenüber der Prallplatte 5 ausbildenden Unterdruck
in der durch den Austritt von Strömungsmittel aus der Düe 2 entstandenen Strömung
zu messen.
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Stehen die beiden Sondenbohrungen 6 und 7 mit einem abgeschlossenen
Volumen in Verbindung, so entstehen um den Bereich ihrer Austrittsöffnungen Wirbelablösungen,
d.h. der Unetrdruck fällt zunächst exponentiell ab und steigt dann schlagartig -
bei einer
Wirbelablösung - wieder an; dieser Vorgang wiederholt
sich.
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dann fortlaufend; die Prequenz dieser Schwingung hängt neben einer
Reihe von anderen Parametern (z.B. an die Sondenbohrungen angeschlossenes Volumen)
u.a. von der Geometrie ab, in der sich die Strömung vor der Austrittsöffnung der
Sondenbohrungen ausbilden kann. Das bedeutet bei der in fig. 1 gegebenen Geometrie
der Prallplatte 5, daiä die Frequenz von der Stellring der Prallplatte 5 in Richtung
des pfeiles s abhängt. Bei genau symmetrischer Ausbildung der Düse 2 und der Sondenbohrungen
6 und 7 könnte also ein Symmetrieagbleich und damit die Feststellung einer definierten
ßteluung der prallplatte 5 in der oben erwähnten Weise durch einen Vorgleich von
Frequenz und Phase der aich in den Sondenbohrungen 6 und 7 und dem ihnen angeschlossenen
Volumen ausbildenden Druckschwingung erfolgen. Diese Methode stößt jedoch auf schwierige
fertigungstechnische Probleme.
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Verbindet man hingegen das Volumen der beiden Sondenbohrungen 6 und
7 rDit der Atmosphäre, so entsteht durch den Unterdruck in ihnen eine Saugströmung.
Schaltet man nun in die Leitungen 11 und 12 Vordrosseln 13 und 14 ein, und greift
hinter ihnen (in Richtung der Saugströmung) den statischen Wanddruck ab, so zeigt
das Druckmeßgerät die Differenz #p der statischen Wanddrücke. Die Empfindlichkeit
der Anordnung hängt in Wesentdichen von den Geometrien der Sondenbohrungen 6 und
7 einer-Vordrosseln 13 und 14 seits und der andererseits und ihrem Verhältnis zueinander
ab. Der an den Druckteilern 15 und 16 abgegriffene Druck, der über die Zuleitungen
9 und 10 dem Druckmeßgerät 8 zugeführt wird, kann dadurch vergrößert werden, daß
der Druckteiler mit Überdruck anstatt mit Unterdruck betrieben wird. Die Vordrosseln
13 und 14 sind dann an eine Druckquelle 17 angeschlossen.
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Anstelle der Prallplatte 5 kann auch ein Zylinder vor der Düse 2 und
den Sondenbohrungen 6 und 7 angeordnet sein, dessen achse
senkrecht
zur Achse der Düsenbohrung 2 verläuft, so daß symmetrische Strömungsverhältnisse
vor den Sondenbohrungen 6 und 7 und damit eine Anzeige #p = 0 entsteht, wenn die
Achse der Düse 2 und eines davor angeordneten Zylinders in einer Ebene liegen. Wichtig
dafür, daß jede Verschiebung der Prallplatte 5 in Richtung des Pfeiles 6 ZU einer
Änderung der Druckdifferenz #p führt, ist, daß sich die Geometrie des Raumes zwischen
Prallplatte 5 und der Stirnfläche des Blockes 1, in den die Düse 2 und die Sondenbohrungen
6 und 7 münden, in dem sich die Strömung ausbildet, mit der Verschiebung der Prallplatte
5 in Hichtung des Pfeiles B ändert, wie da bei de in Fig.5 gezeigzen, leicht gekrümmten
Oberfläche der Prallplatte 5 der Fail istJ Die Prallplatte 5 kann also auch beispielsweise
durch ein Dachkantprisma mit sehr kleinen Neigungen ersetzt werden.
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Die Prallplatte 5 in der Anordnung nach pig. 1 ist unter den dargestellten
Voraussetzungen ein Positionsgeber, bei dem jeder Position eine bestimmte Durckdifferenz
#p entspricht.
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Der Positionsgeber kann auch, wie in Fig.2, durch einen entlang der
Richtung des pfeiles 5 verschiebbaren Nocken 18 gebildet werden. Einen besonders
genauen Abgleich erhält man, wenn die Breite 3 des Nockens gleich dem Abstand der
beid; Sondenbohrungen 6 und 7 voneinander ist.
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Die Genauigkeit der Feststellung des Symmetrieabgleichs kann durch
die Wahl des Speisedruckes Ps, sowie durch die Verhält nis der Sondenbohrungen zu
der Bohrung der Düse 2 in weiten Bereichen Variiert werden. In Versuchen wurden
Empfindlichkeiten von 70 bis 80 000 mm WS/mm erzielt. Bei eirer Ableseunsicherheit
von + 1 mm WS entspricht das einer Einfangunsicherheit von ca. 0,01 µm. Die Reproduzierbarkeit
liegt in derselben Größenordnung. Die Anordnung und ihr Betrieb ist
mit
einer geringen Umkehrspannung behaftet, die aber nur zun Teil auf strömungsdynamischen
Effekten beruht. Bei Versuchen wurde eine Umkehrspanne von 65##0,1 µm erzielt.
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Gegenüber geringen Spaltänderungen, also Änderungen des Abstandes
h (vgl. Fig.1 und Fig.2) zwischen der Stirnfläche des Blockes 1 und der Prallplatte
5 bzw. den Nocken 18 ist düs System bein Symmetrieeinfang unempfindlich.
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Die günstigsten Ergebnisse worden bei sehr kleinem Abstand h = 10
bis 30 µm erzielt. Durch die kleinen Unsymmetrieen im Aufbau wandert der Punkt,
für den der Nullabgleich erfolgt, abhängig von Speisedruck Ps und Abstand h aus.
Man kann die Fehler jedoch vernachlässigbar klein halten, wenn der Sueisedruck Ps
geregelt wird.
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Die Fig.3, 4a und 4b zeigen die Kennlinien, d.h. die Abhängigkeit
des am Druckmeßgerät 8 gemessenen Druckunterschiedes #p (mm WS) von der Verschiebung
der Positionsgeber entlang der Richtung des Pfeiles s (µm). Als Parameter sind verschiedene
Speisedrücke Ps eingezeichnet. Fig.3 zeigt die Kennlinie einer Anordnung nach Fig.1.
Fig.4a zeigt die Kennlinie einer Anordnung nach Fig.2, d.h. einer Anordnung, bei
der die Breite des Spalten B gleich dem Abstand der Sondenbohrungen 6 und 7 ist.
Fig.4b zeigt die Kennlinie einer Anordnung nach Fig.2, bei der die Breite E des
Nockens 18 größer als der Abstand der beiden Sondenbohrungen ist.
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Für die erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung ergeben sich eine
Reihe von Anwendungsmöglichkeiten. Sie stellt einen berührungslosen Fühler dar,
der einerseits zur Positionierung eingesetzt werden kann, um Bauteile, so z.B. Werkstückträger
nach einer an diesem Bauteil anzubringenden Marke sehr genau zu positionieren. Dieselbe
Anwendungsmöglichkeit ergibt sich im Prinzip beim Einsatz in Meßvorrichtungen, bei
denen z.B.
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zylindrische Teile relativ zu einem Meßfühler ausgerichtet werden
müssen, In diesen Fall kann der eigentliche Meßfühler direkt von der Düse 2 dargestellt
werden. Perner eignet sich die beschriebene pneumatische Positionsmeßvorrichtung
zum Einfangen vor Marken oder Nocken, die als Maßverkörperung auf einem Maßstab
angebracht sind. Der lineare Zusammenhang zwischien dem Druck dp und der Verschiebung
des Nockens kann dabei gleichzeitig zur Interpolation von Zwischenwerten herangezogen
werden Ferner läßt sich die erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung als analoger
Wegaufnehmer mit fluidischem Ausgangssignal einsetzen. Eine zylindrische Prallplatte
bzw. ein Dachkantprisma oder auch der Nocken werden dabei mit einer spielfreien
Lagerung, so etwa durch Plattfedern, senkrecht zur achse der Düse geführt. Die Prallplatte
wird dann mit einem mechanischen Taster versehen.
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Wird eine ebene oder prismatische Prallplatte unter der Düse 2 schief
angestellt, so wird in den beiden Sondenbohrungen ebenfalls ein Differenzdruck abgegriffen.
Liegt die Drehachse der Prallplatte in einer Ebene mit der Achse der Düse 2, so
ist eine solche Anordnung geeignet, kleine Winkeländerungen sehr genau aufzulösen.
Die prallplatte selber kann nun auf einen mechanischen Winkeltaster bzw. in vertikaler
Anordnung auf ein Pendel aufgesetzt werden. Der Fühler läßt sich derart als Meßgrößenumformer
in einen Winkeltaster bzw. einer pneumatischen Libelle einsetzen.
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patentansprüche