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Martin Reuter
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Am Vogelherd 13 8000 München 71 und Johannes König Am Vogelherd 13
8000 München 71 Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung eines Relativabstands bei
einer Zylinder-Kolben-Einheit
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Bestimmung eines Relativabstands zwischen Zylinder und Kolben oder
Kolbenstange einer Zylinder-Kolben-Einheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Verfahren der genannten Art sind bekannt. Es wird hierbei beispielsweise
vom Kolben eine durch die Zylinderstirnwand hindurchgeführte Meßstange mitbewegt,
deren Stellung kapazitiv oder resistiv erfaßt wird, was jedoch einen hohen Bauaufwand
und insbesondere eine Vergrößerung der Einbaulänge um annähernd die Länge der Kolbenstange
bewirkt. Auch ist es möglich, die Kolbenstange über ein Getriebe eine optisch-elektrische
Abtastvorrichtung antreiben zu lassen, jedoch ergeben sich auch hierbei aufgrund
des Raumbedarfs und der vergrößerten Baulänge bauliche Nachteile. In allen Fällen
ist zudem die Genauigkeit des erzeugten Meßsignals relativ gering. Andere physikalische
Entfernungsmeßmethoden scheiden wiederum bei der Bestimmung des Relativabstands
zwischen Zylinder und Kolben oder Kolbenstange einer Zylinder-Kolben-Einheit deshalb
aus, weil die erforderlichen Meßgeräte in den meisten Einsatzfällen zu empfindlich
sind. So stehen beispielsweise bei Gabelstaplern mit hydraulisch betätigter Gabel,
bei Erdbewegungsmaschinen mit hydraulisch verstellter Schaufel oder sonstigem Arbeitsgerät
und bei vielen weiteren Anwendungsfällen von Hydrauliksystemen keine befriedigenden
Einrichtungen zur genauen Erfassung von Relativstellungen zur Verfügung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß es mit geringem Aufwand durchführbar
ist und sehr genaue Meßergebnisse liefert.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art mit den in dessen Kennzeichenteil
angegebenen
Merkmalen durchgeführt wird.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist im Anspruch 11 angegeben.
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Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Einrichtung gemäß der Erfindung
sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem Verfahren und der Einrichtung gemäß der Erfindung wird auf
einer Stirnseite des Zylinderraums ein Ultraschallimpuls ausgesandt, auf der gegenüberliegenden
Stirnseite reflektiert und wieder aufgefangen. Die Laufzeit ist ein relativ genaues
Maß für den Abstand der einander gegenüberstehenden Stirnseiten und damit für den
Abstand zwischen Kolben und/oder Kolbenstange und Zylinder. Zur Aussendung und zum
Empfangen des Impulses ist lediglich ein einfacher Wandler erforderlich, der die
Baugröße der Zylinder-Kolben-Einheit nicht vergrößert, und die zum Anregen des Wandlers
und zur Auswertung von dessen Ausgangssignalen erforderlichen elektrischen Schaltungsteile
sind relativ unaufwendig und können leicht an einer geeigneten Stelle untergebracht
werden, an der sie nicht zu einer baulichen Vergrößerung der Maschine oder des Hydrauliksystems
führen, in dem die Zylinder-Kolben-Einheit liegt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert,
in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt: Fig. 1 bis 3 Hydrauliksysteme
mit verschiedenen Ausführungsformen von Einrichtungen gemäß der Erfindung; Fig.
4 ein für alle Ausführungsformen gemäß Fig.
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1 bis 3 geltendes elektrisches Blockschaltbild einer Einrichtung
gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine Einzelheit der Einrichtung gemäß
Fig. 4; Fig. 6 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtung
gemäß Fig. 4; Fig. 7 die konstruktive Ausbildung des Wandlers bei den Einrichtungen
gemäß Fig. 1 bis 4.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Teile, die funktionsmäßig vergleichbar sind, weisen Bezugszahlen auf, deren erste
beiden Ziffern übereinstimmen,während sie sich für die verschiedenen Ausführungsbeispiele
hinsichtlich der dritten Ziffer unterscheiden.
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In Fig. 1 ist ein Hydrauliksystem teilweise dargestellt.
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Es umfaßt eine Zylinder-Kolben-Einheit 10 mit einem Zylinder 12, einem
darin längsverschiebbar geführten, doppeltwirkenden olben 14 und einer durch eine
Stirnwand 16 des Zylinders 12 hindurchgeführten Kolbenstange 18, die an ihrem dem
Kolben 14 abgewandten Ende eine Öse 20 bildet. Eine weitere Stirnwand 22 des Zylinders
12 bildet innenseitig eine erste Stirnseite 24 eines kolbenstangenfernen Zylinderraums
26, dessen zweite Stirnseite 28 am Kolben 14 liegt. Der kolbenstangenferne Zylinderraum
26 ist ebenso wie der kolbenstangenseitige Zylinderraum 30 über jeweils eine Leitung
32, 34 mit einem elektromechanisch betätigbaren Ventilblock 36 verbunden. An diesen
ist über eine Leitung 38 die Druckseite einer Pumpe 40 angeschlossen, und eine Leitung
42 führt vom Ventilblock 36 zu einem Sumpf 44. An den Ventilblock 36 sind weitere
Leitungspaare 321, 341 bzw. 322, 342 angeschlossen, die zu weiteren, nicht dargestellten
Zylinder-Kolben-Einheiten in gleicher Weise führen, wie dies hinsichtlich der Leitungen
32, 34 und der Zylinder-Kolben-
Einheit 10 beschrieben wurde. Mittels
des Ventilblocks 36 ist es möglich, den Zylinderraum 36 über die Leitung 32 wahlweise
mit der Leitung 38 und damit mit der Druckseite der Pumpe 40 oder aber mit der Leitung
42 und damit mit dem Sumpf 44 zu verbinden, während dabei im ersten Fall der Zylinderraum
30 über die Leitung 34 mit der Leitung 42 und dem Sumpf 44 und im zweiten Fall mit
der Leitung 38 und der Druckseite der Pumpe 40 verbunden ist, so daß jeweils einer
der Zylinderräume 26, 30 mit Druck beauf schlagt und der andere mit einer Druck
senke verbunden ist, um den Kolben 14 und die Kolbenstange 18 in einer der beiden
möglichen Verstellrichtungen zu verstellen. Entsprechendes gilt für die nicht dargestellten
weiteren an den Ventilblock 36 angeschlossenen Zylinder-Kolben-Einheiten.
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Die Steuerung des Ventilblocks 36 erfolgt mittels eines Prozessors
46, der die Funktion eines Reglers und eines Rechners hat. Eine Regelung erfolgt
beispielsweise hinsichtlich der Lage eines von der Zylinder-Kolben-Einheit 10 angetriebenen
Werkzeugs oder Maschinenteils in Abhängigkeit von einem dem Prozessor 46 vorgegebenen
Fuhrungswert in der Weise, daß der Relativabstand zwischen Zylinder 12 und Kolben
14 als Istwert bestimmt, hieraus erforderlichenfalls unter Einbeziehung des Relativabstands
von Zylinder und Kolben weiterer Zylinder-Kolben-Einheiten, die auf dasselbe Werkzeug
oder denselben Maschinenteil einwirken, eine Istlage bestimmt, diese mit der Sollage
verglichen und in ggf.
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im Prozessor 46 programmierter Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis
eine oder mehrere Zylinder-Kolben-Einheiten durch Betätigung des Ventilblocks 36
verstellt werden, um das Werkzeug oder den Maschinenteil in seine vom Lage-Sollwert
bestimmte Sollage zu bringen.
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Zur Bestimmung des Relativabstands zwischen Zylinder 12 und Kolben
14 oder Kolbenstange 18 ist in der Stirnwand 22 des
Zylinders 12
an der ersten Stirnseite 24 ein elektrischer Ultraschallwandler 48 gehalten, der
bei Beaufschlagung mit einem elektrischen Impuls einen Ultraschallimpuls abgibt.
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Dieser ausgesandte Impuls wird im Bereich der zweiten Stirnseite 28
reflektiert, läuft zum Wandler 48 zurück und beauf schlagt diesen, worauf der Wandler
48 ein elektrisches Ausgangssignal abgibt. Zur Reflektion des Ultraschallimpulses
genügt es grundsätzlich, wenn die Kolbenseite, die die zweite Stirnseite des Zylinderraums
26 bildet, zumindest annähernd eben ist. Besser auswertbare Ausgangssignale des
Wandlers 48 werden jedoch erhalten, wenn die zweite Stirnseite 28 genau plan ist
oder wenn wie beim Ausführungsbeispiel an der zweiten Stirnseite 28 ein Tripelspiegel
50 vorgesehen ist. Ein Tripelspiegel 50 besteht aus drei rechtwinklig zueinander
und unter 450 zur Längsachse angeordneten Spiegeln oder reflektierend glatten Flächen,
die dafür sorgen, daß auch bei ausermittigem Auftreffen einer Ultraschallwelle der
Gesamtweg der hin- und herlaufenden Welle denjenigen Wert hat, den dieser Weg bei
genau mittiger Ausrichtung von Wandler 48 und Tripelspiegel 50 hat. Die Laufzeit
vom Aussenden eines Ultraschallimpulses bis zum Empfang des reflektierten Impulses
ist dem Abstand zwischen Wandler 48 und Tripelspiegel 50 direkt und linear proportional.
Daher kann aufgrund einer Messung der Laufzeit der Abstand zwischen dem Wandler
48 und dem Tripelspiegel 50 genau bestimmt werden, und wegen der gegebenen geometrischen
Verhältnisse kann hieraus durch einfache Addition einer Konstanten auch der sonstige
Relativabstand zwischen einem beliebigen Punkt des Zylinders 12,beispielsweise der
Achse einer Anlenkstelle an einer Maschine, und einem beliebigem Punkt des Kolbens
14 oder der Kolbenstange 18, beispielsweise der Achse von deren öse 20, rechnerisch
bestimmt werden. Durch wiederholte Aussendung von Impulsen durch den Wandler 48
kann eine so schnelle Folge von Meßergebnissen erhalten werden, daß auch bei einer
Verschiebung des Kolbens 14 dessen jeweilige Lage genau angegeben
werden
kann. Die Erzeugung von elektrischen Impulsen zur Anregung des Wandlers 48 und die
Auswertung von dessen Ausgangssignalen erfolgt mittels des Prozessors 46, der mit
dem Wandler 48 über eine Leitung 52 verbunden ist; die Ausbildung der entsprechenden
Teile des Prozessors 46 wird noch anhand von Fig. 4 zu beschreiben sein.
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Die Laufzeit eines Ultraschallimpulses im Zylinderraum 26 hängt von
der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in der den Zylinderraum 26 ausfüllenden
Hydraulikflüssigkeit ab. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert sich mit der Temperatur
der Hydraulikflüssigkeit und im geringerem Maße auch mit deren Druck. Um hierdurch
bedingte Meßfehler zu kompensieren, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
in die Leitung 38 zwischen Druckseite der Pumpe 40 und Ventilblock 36 ein in einem
Referenzzylinder 54 gebildeter Referenzraum 56 eingeschaltet, der von der bei geöffnetem
Ventil des Ventilblocks 36 zum Zylinderraum 26 geförderten Hydraulikflüssigkeit
durchströmt wird. Diese hat beim Hindurchströmen durch den Referenzraum 56 zumindest
annähernd dieselbe Temperatur und denselben Druck wie in dem Zylinderraum 26. In
einer ersten Stirnseite 58 des Referenzraumes 56 ist ein elektrischer Ultraschall-Referenzwandler
60 gehalten, der in gleicher Weise wie der Wandler 48 konstruktiv ausgebildet und
zur Laufzeitmessung betrieben ist, also bei Beaufschlagung mit einem elektrsichen
Impuls einen Ultraschallimpuls abgibt und bei Beaufschlagung mit dem an der gegenüberliegenden
zweiten Stirnseite 62 des Referenzraumes reflektierten Impuls ein elektrisches Ausgangssignal
abgibt. Dieses wird über eine Leitung 64 dem Prozessor 46 zugeführt, um ein Referenzsignal
zu erhalten.
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Der Referenzraum 56 hat eine vorgegebene, zwischen dem Wandler 60
und der zweiten Stirnseite 62 gemessene Länge. Bei einer bestimmten Temperatur der
Hydraulikflüssigkeit, zweckmäßig
bei der oberhalb der Raumtemperatur
liegenden Betriebstemperatur des Hydrauliksystems und bei einem mittleren, sich
bei Belastung der Pumpe 40 einstellenden Druck an deren Druckseite, stimmt das aufgrund
der Laufzeitmessung im Referenzraum 56 erhaltene Referenzsignal mit einer vorgegebenen
Laufzeit überein, die im Prozessor 46 beispielsweise durch Zählung einer vorgegebenen
Anzahl von Schwingungen eines temperaturstabilisierten Quarzes bestimmt wird. Bei
Abweichungen von Temperatur und Druck der Hydraulikflüssigkeit gegenüber den vorausgesetzten
Bedingungen ergibt sich ein abweichendes Referenzsignal, das durch Differenzbildung
mit der vorgegebenen Laufzeit verglichen und durch Quotientenbildung mit der vorgegebenen
Laufzeit zu dieser in Beziehung gesetzt wird. Hierdurch wird im Prozessor 46 ein
Korrektursignal gewonnen. Wenn das Korrektursignal beispielsweise einer Verlängerung
der durch das Referenzsignal dargestellten Laufzeit im Referenzraum 56 von 1% gegenüber
der vorgegebenen Laufzeit entspricht, so bedeutet dies, daß aufgrund der nunmehr
gegebenen Druck- und Temperaturverhältnisse auch das aufgrund der Laufzeitmessung
im Zylinderraum 26 ermittelte Meßsignal um 18 erhöht werden muß. Auch dieser Vorgang
erfolgt als Rechenoperation im Prozessor 46, so daß das aufgrund der Laufzeitmessung
im Zylinderraum 26 der Zylinder-Kolben-Einheit 10 erhaltene Meßsignal im Sinne einer
Kompensation des Einflusses von Dichteänderungen und auch Temperaturschwankungen
der Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit von dem Referenzsignal verändert wird,
um ein Signal zu erhalten, das den Istwert des Relativabstands zwischen Zylinder
12 und Kolben 14 oder Kolbenstange 18 darstellt. Im übrigen gehen in den Istwert,
der aufgrund des Meßsignals ermittelt wird, ggf. noch weitere Parameter ein, auf
die teilweise noch einzugehen sein wird; auf eine ggf. zu berücksichtigende Konstante,
um die sich der interessierende Relativabstand von dem tatsächlich gemessenen Abstand
zwischen Wandler 48 und Tripelspiegel 50 unterscheidet,
wurde bereits
oben hingewiesen.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Ventilblock
66 vorgesehen, der wahlweise die Leitung 32 oder eine der Leitungen 321, 322 mit
einer Leitung 68 oder 70 verbinden kann, während gleichzeitig die andere Leitung
34, 341, 342 desselben Leitungspaares mit der jeweils anderen Leitung 70 bzw. 68
verbunden wird. Die Leitungen 68, 70 führen zu einem Umschaltventil 72, das einerseits
über eine Leitung 381 mit der Druckseite der Pumpe 40 und andererseits über die
Leitung 42 mit dem Sumpf 44 verbunden ist. Der Prozessor 461 koordiniert die Steuerung
des Ventilblocks 66 und des Umschaltventils 72 derart, daß bei einer erforderlichen
Druckbeaufschlagung des Zylinderraums 26, also bei einer Verstellung der Kolbenstange
18 von der Stirnwand 22 des Zylinders 12 fort, die Leitung 381 an der Druckseite
der Pumpe 40 über das Umschaltventil 72 mit der Leitung 68 verbunden wird und daß
letztere mit der Leitung 32 verbunden wird, während gleichzeitig die Leitung 34
im Ventilblock 66 mit der Leitung 70 verbunden wird und letztere vom Umschaltventil
72 mit der Leitung 42 verbunden wird, während bei einer umgekehrten Verstellung
und einer Druckbeaufschlagung des Zyinderraumes 30 die Leitung 34 weiterhin mit
der Leitung 70 und die Leitung 32 mit der Leitung 68 verbunden bleibt, dagegen nunmehr
das Umschaltventil 72 die Leitung 70 mit der Leitung 381 und damit mit der Druckseite
der Pumpe 40 sowie die Leitung 68 mit der Leitung 42 verbindet. Hierdurch wird sichergestellt,
daß abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der in einem Referenzzylinder
541 gebildete Referenzraum 561 nicht nur in eine von der Pumpe 40 dem Zylinderraum
26 zugeführte Strömung von Hydraulikflüssigkeit eingeschaltet ist, wenn Kolben 14
und Kolbenstange 18 in Fig. 1 und 2 nach rechts verstellt werden, sondern auch wenn
bei der umgekehrten Verstellrichtung Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinderraum 26
über die Leitung 32, den Ventilblock 66, die Leitung 68
mit dem
darin eingeschalteten Referenzraum 561, das Umschaltventil 72 und die Leitung 42
zum Sumpf 44 abgeführt wird. Hierdurch folgtdie Hydraulikflüssigkeit im Referenzraum
561 den Temperatur- und Druckverhältnissen im interessierenden Zylinderraum, beispielsweise
dem Zylinderraum 26, noch wesentlich besser als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1, so daß eine noch bessere Kompensation der störenden Parameter erfolgt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 erfolgt eine Kompensation
der vorstehend genannten Art noch weitgehender.
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Dies wird dadurch erreicht, daß eine der Anzahl der Zylinder-Kolben-Einheiten
gleiche Anzahl von jeweils einer Zylinder-Kolben-Einheit, beispielsweise der dargestellten
Zylinder-Kolben-Einheit 10 zugeordneten und in ihrer räumlichen Nähe angeordneten
Referenzräumen - im Beispiel der Referenzraum 562 - vorgesehen ist. Zweckmäßig besteht
über eine räumliche Nähe hinaus auch eine thermische Kopplung zwischen Zylinderraum
26 und Referenzraum 562, beispielsweise indem der Referenzzylinder 542 mit dem Zylinder
12 der Zylinder-Kolben-Einheit 10 zusammengebaut ist. Dieser Zusammenbau kann zumindest
durch Anflanschen des Referenzzylinders 542 am Zylinder 12 erfolgen, jedoch sind
auch weitere, eine noch stärkere thermische Kopplung bewirkende Baumaßnahmen in
dieser Richtung denkbar. Tn jedem Fall bewirkt die Bauart gemäß Fig. 3 eine individuelle
Kompensation von Druck und Temperatur im Zylinderraum 26 bei verschiedenen Betriebszuständen
unabhängig davon, wie Druck und Temperatur in den weiteren an einen Ventilblock
361 angeschlossenen Zylinder-Kolben-Einheiten sind. Daher wird mittels dieser individuellen
Referenzsignalbildung gegenüber Fig. 1 und 2 eine höchstmögliche Störfreiheit und
Genauigkeit erzielt. Die dann als Prozessor 462 vorgesehene Datenverarbeitungseinrichtung
korrigiert dabei das aufgrund der Laufzeitmessung in jeder Zylinder-Kolben-Einheit
erhaltene, für diese Zylinder-Kolben-Einheit ermittelte Meßergebnis.aufgrund des
Referenzsignals,
das anhand der Laufzeitmessung in dem zugeordneten
Referenzraum erhalten wird.
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Bei dem Ventilblock 361 in Fig. 3, der vom Prozessor 462 gesteuert
ist, handelt es sich um die übliche Ausführung solcher Ventilblöcke; bei erforderlicher
Verstellung eines Kolbens und seiner Kolbenstange, beispielsweise des Kolbens 14
mit der Kolbenstange 18,wird ein Zylinderraum, beispielsweise der Zylinderraum 26,
mit der Leitung 38 und der Druckseite der Pumpe 40 verbunden, während der jeweils
andere Zylinderraum, im Beispiel der Zylinderraum 30, mit der Leitung 42 und dem
Sumpf 44 verbunden wird. Da in gleicher Weise wie der Referenzraum 562 in die Leitung
32 weitere Referenzräume in entsprechende Leitungen, beispielsweise in die Leitung
321, eingeschaltet sind, werden die Referenzräume jeweils von der zuströmenden und
abströmenden Hydraulikflüssigkeit des kolbenstangenfernen Zylinderraums, beispielsweise
des Zylinderraums 26, durchflossen.
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Die Ermittlung der Laufzeit im Zylinderraum, beispielsweise dem Zylinderraum
26, und in dem zugeordneten Referenzraum, im Beispiel im Referenzraum 562, bzw.
in dem allen Zylinderräumen gemeinsamen Referenzraum 56 bzw. 561 in Fig. 1 und 2,
muß nicht notwendig gleichzeitig erfolgen, vielmehr kann eines der entsprechenden
Signale zeitlich versetzt gegenüber dem anderen erzeugt und bis zur Weiterverarbeitung
zwischengespeichert werden. So können in allen Ausführungsbeispielen gemäß Fig.
1 bis 3 die Laufzeitmessungen in allen Zylinder-Kolben-Einheiten, beispielsweise
der Zylinder-Kolben-Einheit 10, und in dem Referenzraum 56 bzw. 561 bzw. in allen
zugeordneten Referenzräumen, beispielsweise dem Referenzraum 562, in einer Folge
und vorzugsweise in einer zyklischen Folge durchgeführt werden. Dabei wird diese
Folge zweckmäßig nach einmaligem Durchlauf stetig wiederholt, um für jede Zylinder-Kolben-Einheit
und den oder jeden Referenzraum
eine Folge von Signalen zur erhalten,
aus der ein quasi-kontinuierliches Meßsignal abgeleitet werden kann.
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Fig. 4 zeigt eine in dieser Weise wirksame Einrichtung.
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In Fig. 4 ist der Wandler 48 der Zylinder-Kolben-Einheit 10 über die
Leitung 52 mit einem Anschluß eines Multiplexers 74 verbunden. An dessen weiterer
Anschlüsse sind über Leitungen 521, 522, 523 usw. die Wandler der übrigen Zylinder-Kolben-Einheiten
sowie über eine Leitung 64 der Referenzwandler 60 und ggf. über weitere derartige
Leitungen die übrigen Referenzwandler angeschlossen. Der Multiplexer 74 wirkt, wie
symbolisch angedeutet, als Umschalter, mittels dessen nacheinander in zyklischer
Folge die Leitungen 52, 521, 522, 523, 64 und ggf. weitere Leitungen mit einer Eingangs-und
Ausgangs-Leitung 76 verbunden werden, um die Wandler, beispielsweise den Wandler
48, und den oder die Referenzwandler 60 durch Beaufschlagung mit elektrischen Impulsen
zur Aussendung von Ultraschallimpulsen anzuregen und nach Empfang der reflektierten
Impulse die entsprechenden elektrischen Ausgangssignale auswerten zu können.
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Die Beaufschlagung mit elektrischen Impulsen und die Auswertung des
Ausgangssignals sei im folgenden für den Wandler 48 der Zylinder-Kolben-Einheit
0 und für den Wandler 60 im Referenzraum 563 eines beliebigen Referenzzylinders
543 beschrieben, bei dem es sich um jeden der in den Fig. 1 bis 3 angesprochenen
Referenzylinder handeln kann.
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Die Einrichtung umfaßt einen elektrischen Impulserzeuger 78, mit dessen
Ausgang der Wandler 48 gekoppelt ist, einen Zeitmesser 80 und eine Steuerschaltung
82, die in Abhängigkeit vom Vorliegen eines Impulses im Ausgangssignal des Impulserzeugers
78 den Zeitmesser 80 in Gang setzt und in Abhängigkeit vom Vorliegen eines nach
dem Impuls im Ausgangssignal des Impulserzeugers 78 auftretenden Impulses im Ausgangssignal
des
Wandler 48 den Zeitmesser 80 anhält. Impulserzeuger 78, Zeitmesser 80 und Multiplexer
74 werden über Sammelleitungen (Address- und Datenbus) 84, 86, 88, eine Schnittstelle
90 und eine weitere Sammelleitung 92 von einer Steuer- und Datenverarbeitungseinrichtung
94 gesteuert, in der auch die Auswertung der mittels des Zeitmessers 80 ermittelten
Laufzeiten erfolgt. Die von der Steuer-und Datenverarbeitungseinrichtung 94 aus
gesehen jenseits der Schnittstelle 90 liegenden elektrischen Teile der Einrichtung
können gemeinsam von einem Mikroprozessor 96 gebildet sein, der zusammen mit der
Steuer- und Datenverarbietungseinrichtung 94 den Prozessor 46 bzw. 461, 462 in Fig.
1 bis 3 bildet. Die Steuer- und Datenverarbeitungsvorrichtung 94 kann dabei im zentralen
Steuer-und Rechenwerk der das Hydrauliksystem mit der Zylinder-Kolben-Einheit 10
umfassenden Maschine enthalten sein, während der Mikroprozessor 96 dezentral oder
ebenfalls zentral untergebracht sein kann.
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Zu Beginn der Laufzeitmessung im Zylinderraum 26 der Zylinder-Kolben-Einheit
10 oder zu einem anderen Zeitpunkt zu Beginn der Laufzeitmessung im Referenzraum
563 gibt die Steuer- und Datenverarbeitungsvorrichtung 94 über die Sammelleitung
92, die Schnittstelle 90 und die Sammelleitung 84 ein in Fig. 6, oberste Teilfigur,
dargestelltes Freigabesignal A an den Impulserzeuger 78 ab, nachdem über die Sammelleitung
88 der Multiplexer 74 mit der Leitung 52 bzw. der Leitung 64 verbunden wurde; das
Freigabesingal hat die Form eines Wechsels von logischem L-Pegel auf H-Pegel und
tritt in Fig.
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6 zum Zeitpunkt t auf.
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Der Impulserzeuger 78 besteht aus einem Signalgeber 98 und einer von
diesem gesteuertem Ausgangsstufe 11. Der Signalgeber 98, dessen Ausgangssignal B
in Fig. 6 in der zweiten Teilfigur dargestellt ist, ist zur Erzeugung eines ersten
Rechteckimpulses i1 und eines unmittelbar darauf folgenden Rechteckimpulses i2 von
gegenüber dem ersten
Impuls entgegengesetztem Vorzeichen ausgebildet,
wobei diese Rechteckimpulse i1 i2 eine Rechteckschwingung mit einer Periodendauer
T bilden, d.h. untereinander gleiche Längen und auch vorzugsweise betragsmäßig gleiche
Amplituden aufweisen. Der erste Rechteckimpuls i1 beginnt mit dem Wechsel des Freigabesignals
A auf H-Pegel zum Zeitpunkt to.
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Wie aus Fig. 5 hervorgeht, weist die Ausgangsstufe 11 zwei mit ihren
Hauptstromstrecken in Reihe zwischen ein positives und ein negatives Potential geschaltete,
an ihren miteinander verbundenen Basen vom Signalgeber 98 gesteuerte Transistoren
15, 19 auf, und der als Ausgangsanschluß des Impulsgebers 78 dienende Verbindungspunkt
der Hauptstromstrecken dieser Transistoren 15, 19 liegt über einen gegenüber der
Eingangsimpedanz des Wandlers 48 niederomigen Widerstand 23 von beispielsweise 200
Ohm an Masse. Wie weiter aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist zwischen den Ausgang des
Impulserzeugers 78 und den Multiplexer 74 und damit die Anschlüsse des Wandlers
48 ein beim Ausführungsbeispiel als Spartransformator ausgebildeter Transformator
27 eingeschaltet, dessen Seite höherer Spannung mit dem Wandler 48 verbunden ist.
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Die Ausgangsstufe 11 des Impulserzeugers 78, der Transformator 27
und die Eingangsimpedanz des Wandlers 48 bilden zusammen einen gedämpften Schwingkreis,
der von den vom Signalerzeuger 98 erzeugten Rechteckimpulsen il, i2 angeregt wird.
Daher erscheinen im Ausgangssignal des Impulserzeugers 78, das in Fig. 6 in der
dritten Teilfigur als Kurve C dargestellt ist, nicht Rechteckimpulse, sondern mehr
einem sinusförmigen Verlauf angenäherte, unmittelbar aufeinanderfolgende Impulse
111 12 entgegengesetzten Vorzeichens, die dem Wandler 48 zugeführt werden. Der erste
Impuls I1 beginnt mit dem Beginn des Rechteckimpulses i1 und erreicht seine Amplitude
beim Übergang vom ersten Rechteckimpuls i zum zweiten Rechteckimpuls
i2.
Es folgt eine abfallende Rückflanke, die in die Vorderflanke des zweiten Impulses
12 übergeht, der seine Amplitude am Ende des zweiten Rechteckimpulses i2 erreicht.
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Der zweite Impuls 12 hat wegen der Schwingungsfähigkeit des den Wandler
48 umfassenden Schwingkreises eine betragsmäßig höhere Amplitude als der erste Impuls
I1. Dies ist der Grund, warum der Impulserzeuger 78 ausgebildet sein sollte, zwei
(oder in noch zu erläuterender Weise mehr) Impulse abzugeben, die unmittelbar aufeinanderfolgen,
obwohl grundsätzlich auch die Anregung des WandLers mit nur einem einzigen Impuls
möglich wäre.
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Wie noch zu beschreiben sein wird, umfaßt der Wandler 48 ebenso wie
alle übrigen, gleich ausgebildeten Wandler und insbesondere auch der oder die Referenzwandler
60 einen plättchenförmigen, piezoelektrischen Schwinger. Dessen Eigenfrequenz, die
die Eigenfrequenz des den Wandler 48 umfassenden Schwingkreises mitbestimmt, ist
zweckmäßig zumindest annähernd 1,4-fach größer als die Frequenz der vom ersten und
zweiten Rechteck impuls i1r i2 gebildeten Rechteckschwingung und damit auch annähernd
1,4-fach größer als die aus dem folgenden Grund nur annähernd bestimmte Frequenz
des ersten und zweiten Impulses I1, I2.
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Der zweite Impuls 12 fällt von seiner Amplitude an bis zum Erreichen
der Spannung Null in einem Schnittpunkt b wegen der nunmehr fehlenden Anregung durch
die Rechteckimpulse i1 i2 nicht mit deren Frequenz, sondern mit einer durch die
Eigenfrequenz des den Wandler 48 umfassenden Schwingkreises ab und hat dabei eine
geringfügig längere Dauer als der erste Impuls 12 Danach klingt die Kurve C aufgrund
der Dämpfung des den Wandler 48 umfassenden Schwingkreises aus.
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Dabei tritt, wie aus dem Verlauf der Kurve C zwischen Schnittpunkten
b, d erkennbar, ein 1800-Phasensprung auf, der ein schnelles Abklingen begünstigt.
Ein solches schnelles Abklingen ist wünschenswert, um das vom Wandler 48 aufgrund
des reflektierten und wieder aufgenommenen Impulses erzeugte
Ausgangssignal
leicht von dem vom Impulserzeuger 78 erzeugten Ausgangssignal selbst dann noch unterscheiden
zu können, wenn sich aufgrund eines geringen Abstands zwischen Wandler 48 und Kolben
14 eine nur geringe Laufzeit ergibt.
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Der Impulserzeuger 78, und zwar im Ausführungsbeispiel dessen Signalgeber
98, setzt jeweils bei Abgabe eines Impulses oder im Ausführungsbeispiel mehrer unmittelbar
aufeinanderfolgender Impulse I1,I2 über eine auch in Fig. 5 dargestellte Leitung
27 einen in der Steuerschaltung 82 vorgesehenen Zeitgeber 31 in Gang. Es handelt
sich beim Ausführungsbeispiel um ein Kippglied, das beim Beginn des ersten Rechteckimpulses
i gekippt wird und nach Ablauf seiner Verzögerungszeit T2 zurückkippt. Das Ausgangssignal
Edeszeitgebers 31, das in der fünften Teilfigur der Figur 6 dargestellt ist, im
Ruhezustand L-Pegel hat und bei gesetztem Zustand des Zeitgebers 31 H-Pegel annimmt,
ist hinsichtlich seiner Zeitdauer T2 so bemessen, daß ab dem Beginn t des ersten
Impulses I1 und damit des Aus sendens eines Ultraschallimpulses oder spätestens
beginnend mit der Erfassung des Beginns der Laufzeit, worauf noch einzugehen sein
wird, die Auswertung von aufgenommenen Impulsen während der Kippdauer T2 verhindert
wird, die größer. ist als die Abklingdauer des zum Aussenden des Impulses verwendeten
Wandlers 48 und die geringer ist als die geringste, bei der geringsten einstellbaren
Länge des Zylinderraums 26 zwischen dessen Stirnseiten 22, 28 auftretende Laufzeit.
Das Ausgangssignal E des Zeitgebers 31 bildet ein Bedingungssignal, in Abhängigkeit
von dessen Vorliegen der Zeitmesser 80 zur Ingangsetzung freigegeben wird und in
Abhängigkeit von dessen Nichtvorliegen der Zeitmesser 80 zum Anhalten freigegeben
wird.
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Der Impulserzeuger 78 setzt auch über die Leitung 27 für jeden Meßvorgang
den Zeitmesser 80 auf Null zurück, indem dem Rucksetzeingang (Reset)der erste Rechteckimpuls
i1 zugeführt wird.
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Mit den Ausgangssignalen des Impulserzeugers 78 und des Wandlers 48
ist über einen Amplitudenbegrenzer ein hysterescbehafteter Verstärker 39 beaufschlagt.
Der Amplitudenbegrenzer 35 weist einen gegenüber der Ausgangsimpedanz des Impulserzeugers
78 hohen Eingangswiderstand 43 auf, dessen Widerstandswert beispielsweise 2 kOhm
beträgt, sowie antiparallel geschaltete Dioden 47. Der Eingang des Amplitudenbegrenzers
35 könnte abweichend vom Ausführungsbeispiel, wo er an den Ausgang des Impulserzeugers
78 unmittelbar angeschlossen ist, auch an die Sekundärseite des Transformators 27
und damit unmittelbar an den Wandler 48 angeschlossen sein. Der hysteresebehafteter
Verstärker 39 ist beim Ausführungsbeispiel als Komparator ausgebildet, nämlich als
mit Widerständen in geeigneter Weise beschalteter Operationsverstärker. Der Verstärker
erzeugt bei einer vorgegebenen ersten Polarität seiner Eingangsspannung, nämlich
der Polarität des zweiten Impulses 121 beim betragsmäßigen Überschreiten einer oberen
Schwelle dieser Eingangsspannung ein Ausgangssignal mit einem ersten logischen Wert,
beim Ausführungsbeispiel mit H-Pegel, und beim betragsmäßigen Unterschreiten des
Wertes Null dieser Eingangsspannung als untere Schwelle ein Ausgangssignal mit einem
zweiten logischen Wert, im Ausführungsbeispiel L-Pegel. Das Ausgangssignal ist als
Kurve F in der zweitletzten Teilfigur der Figur 6 dargestellt.
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In der dritten Teilfigur von Fig. 6 ist der jeweilige Schwellenwert
des hysteresebehafteten Verstärkers 39 als Kurve D schematisch angedeutet, wobei
jedoch der Maßstab dieses Schwellenwertes zur Verdeutlichung annähernd tausendfach
größer als der Maßstab der Kurve C gewählt ist. Im Ruhezustand und während der Erzeugung
des ersten Impulses I1 bis zum Beginn des zweiten Impulses I2 wird die einem endlichen
Spannungswert entsprechende obere Schwelle des Verstärkers 39 nicht erreicht, so
daß dessen Ausgangssignal L-Pegel (Kurve F) hat. Sobald der zweite Impuls I2 die
obere Schwelle
bei einem Schnittpunkt a erreicht und überschreitet,
nimmt das Ausgangssignal F nunmehr H-PegeL an. Dabei ändert sich der für eine Änderung
des Ausgangssignals erforderliche Schwellènwert der Eingangsspannung nunmehr auf
die Spannung Null als untere Schwelle, was sich durch Beschaltung eines Operationsverstärkers
als Komparator sehr genau erzielen läßt. Eine Änderung des Ausgangssignals des Verstärkers
39 auf L-Pegel tritt daher genau dann auf, wenn am Ende des zweiten Impulses I2
dessen Rückflanke im Schnittpunkt b durch Null geht. Dieser Schnittpunkt wird zu
einem Zeitpunkt t1 erreicht; die dann im Ausgangs signal (Kurve F) des Verstärkers
39 auftretende Rückflanke wird benutzt, den Zeitmesser 80 in Gang zu setzten, indem
dessen Starteingang 43 über ein vorgeschaltetes UND-Glied 47 das Ausgangssignal
des Verstärkers 39 zugeführt wird. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 47 ist vom
Ausgangssignal E des Zeitgebers 31 beaufschlagt, das zu diesem Zeitpunkt H-Pegel
hat. Das Ausgangssignal des Verstärkers 39 kann auch über ein weiteres UND-Glied
51 einen Stop-Eingang 55 des Zeitmessers 80 beaufschlagen, jedoch weist das UND-Glied
51 einen invertierenden Eingang auf, der vom Ausgangssignal E des Zeitgebers 31
beauf schlagt ist, und ist daher zum betrachteten Zeitpunkt für Ausgangssignale
des Verstärkers 39 nicht durchlässig.
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Von dem Ingangsetzen des Zeitgebers 80 an zum Zeitpunkt t1 wird die
LaufzeitT des in dem Zylinderraum 26 vom Wandler 48 ausgesandten, an der zweiten
Stirnseite 28 reflektierten und dann wieder vom Wandler 48 aufgefangenen Ultraschallimpulses
erfaßt.
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Wenn zum Zeitpunkt t1 aufgrund des Nulldurchgangs im Schnittpunkt
b am Ende des zweiten Impulses die Erfassung der Laufzeit begonnen hat, so verschiebt
sich der Schwellenwert des Verstärkers 39, wie aus dem Verlauf der Kurve D in der
dritten Teilfigur der Figur 6 erkennbar ist, wieder auf die obere Schwelle. Je nach
dem Verlauf der Schwingungen des nunmehr ausschwingenden, den Wandler 48 umfassenden
Schwingkreises
kann dabei noch mehrmals die obere Schwelle überschritten
bzw. die untere Schwelle unterschritten werden, wie dies durch die Schnittpunkte
c, d angedeutet ist. Hierdurch können in dem von der Kurve F dargestellten Ausgangssignal
des Verstärkers 39 weitere Impulse auftreten, die in der zweitletzten Teilfigur
der Figur 6 ineinerschraffierten Zone z liegen.
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Diese weiteren Impulse beeinflussen die Laufzeitmessung jedoch wegen
des Vorhandenseins des Ausgangssignals E des Zeitgebers 31 nicht im Sinne eines
Anhaltens, während ein erneutes Ingangsetzen nach einem ersten erfolgten Ingangsetzen
nur nach einem Zurücksetzen über die Leitung 27 möglich ist. Am Ende der Kippzeit
T2 des Zeitgebers 31 sind in jedem Fall die Schwingungen des Ausgangssignals des
Impulserzeugers 78 vollständig auf Null abgeklungen, so daß der Verstärker 39 seinen
Ruhezustand aufweist, bei dem sein Ausgangssignal L-Pegel hat und ein Wechsel des
Ausgangssignals auf H-Pegel nur beim betragsmäßigen Überschreiten seiner oberen
Schwelle auftritt.
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Obwohl der Eingang des Amplitudenbegrenzers 35 mit dem Ausgang des
Impulserzeugers 78 verbunden ist und daher gleichermaßen von den Spannungen beaufschlagt
wird, die das Ausgangssignal des Impulserzeugers 78 bilden, wie von denjenigen,
die das Ausgangssignal des Wandlers 48 beim Aufnehmen eines reflektierten Impulses
bilden, ist in der dritten Teilfigur der Figur 6 lediglich das Ausgangssignal des
Impulserzeugers 78 dargestellt, während das Ausgangssignal des Wandlers 48 in der
vierten Teilfigur als Kurve C' dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Wandlers
48 hat wesentlich geringere Amplituden als dasjenige des Ausgangssignals des Impulserzeugers
78, weshalb die Kurve C' in annähernd tausendfach größerem Maßstab als die Kurve
C wiedergegeben ist. In der vierten Teilfigur der Figur 6 sind die Relativverhältnisse
zwischen der Kurve C' und der den Eingangsschwellenwert des hysteresebehafteten
Verstärkers
39 darstellenden Kurve D annähernd zutreffend wiedergegeben.
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Der aufgrund des ersten Impulses I1 im Ausgangssignal des Impulserzeugers
78 vom Wandler 48 ausgesandte und reflektierte Ultraschallimpuls führt zu einem
Impuls I1 im Ausgangssignal des Wandlers 48. Dieser erste Impuls i; hat dieselbe
Polarität wie der Impuls I1. In entsprechender Weise führt der zweite Impuls I2
im Ausgangssignal des Wandlers 78 zu einem zweiten Impuls I2 gleichen Vorzeichens
im Ausgangssignal des Wandlers 48. Der erste Impuls Ij im Ausgangssignal des Wandlers
48 hat eine relativ geringe Amplitude, da der den Wandler §8 umfassende elektrische
Schwingkreis sowie der Zylinderraum 26 mit der darin enthaltenen Hydraulikflüssigkeit
mit dem Wandler 48 ein Schwingungssystem bilden, das vom zurückkehrenden Ultraschall
impuls zunächst erneut angestoßen werden muß. Der zweite Impuls I2 im Ausgangssignal
des Wandlers 48 hat gegenüber dem ersten Impuls I1 eine höhere Amplitude, und hierauf
folgen noch weitere Impulse, deren Amplituden zunächst zunehmen und sich dann wieder
verringern, bis das angeregte System abgeklungen ist. Der erste Impuls I; im Ausgangssignal
des Wandlers 48 vermag das Ausgangssignal des hysteresebehafteten Verstärkers 39
nicht zu ändern, da er nicht die erforderliche Polarität aufweist.
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Der zweite Impuls I' bewirkt beim betragsmäßigen Über-2 schreiten
der oberen Schwelle beim Schnittpunkt a', daß das von der Kurve F dargestellte Ausgangssignal
des Verstärkers 39 vom L-Pegel auf den H-Pegel wechselt. Danach nimmt der Verstärker
39 als Eingangs-Schwellenwert die Spannung Null als untere Schwelle an. Diese wird
vom zweiten Impuls I2 bei dem Nulldurchgang an dessen Ende im Schnittpunkt b' erreicht.
Hierbei nimmt das Ausgangssignal des Verstärkers 39 wieder L-Pegel an. Die Rückflanke
des damit beendeten Impulses bewirkt über den Stop-Eingang 55 des Zeitmessers 80
dessen Anhalten zu einem Zeitpunkt t2 Zu diesem Zeitpunkt hat
nämlich
das Ausgangssignal E des Zeitgebers 31 L-Pegel, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers
39 vom UND-Glied 21 durchgelassen wird. Die vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2
verflossene und vom Zeitmesser 80 erfaßte Dauer T stellt mit sehr großer Genauigkeit
die Laufdauer der Ultraschallimpulse im Zylinderraum 26 dar. Diese Laufdauer T wird
von der Steuer- und Datenverarbeitungseinrichtung 94 ausgelesen und mit dem entsprechenden
Wert des in gleicher Weise im Referenzraum 563 ermittelten Referenzsignals rechnerisch
zu einem Meßsignal verarbeitet, das angezeigt oder zu Regelzwecken weiterverwendet
wird.
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Die vorstehende Beschreibung der Erfassung des Endes der Laufzeit
Tmachtdeutlich, daß die Verwendung von zwei aufeinanderfolgenden Ausgangsimpulsen
entgegengesetzter Polarität des Impulserzeugers 78 für die Auswertbarkeit des Ausgangssignals
des Wandlers 48 von Vorteil ist, da dessen zweiter Impuls I2 eine höhere Amplitude
als der erste Impuls I1 aufweist und daher leichter mit einem endlichen Eingangs-Schwellenwert
des Verstärkers 39 verglichen werden kann.
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Grundsätzlich wäre es möglich, der oberen Schwelle des Eingangs-Schwellenwertes
des Verstärkers 39 auch die Polarität des ersten Impulses Ii des Impulserzeugers
78 und damit des ersten Impulses I; des Ausgangssignals des Wandlers 48 zu geben,
jedoch würde dann der genannte Vorteil nicht ereicht.
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Selbst in diesem Fall wäre es allerdings zweckmäßig, den Impulserzeuger
78 zur Aussendung zweier aufeinanderfolgender Impulse entgegengesetzten Vorzeichens
auszubilden, da dann immer noch der Vorteil erreicht würde, daß am Ende des ersten
Impulses I1 ein genauer erfassbarer Nulldurchgang beim Obergang zum zweiten Impuls
I2 erhalten wird, als wenn der zweite Impuls I2 nicht folgt.
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Ein weiterer Vorteil der Anregung durch zwei aufeinanderfolgende Impulse
I1 12 entgegengesetzter Polarität liegt
darin, daß auf die hierdurch
bewirkten beiden Impulse I; 121 im Ausgangssignal des Wandlers 48 weitere Impulse,
beispielsweise I3 , Ii von gegenüber den ersten beiden Impulsen I1 , I2 höherer
Amplitude folgen. Wenn einmal der zweite Impuls I2 (bzw. bei der oben erwähnten
Auswertung des ersten Impul8es I1 dieser) aufgrund ungenügender Amplitudenhöhe oder
einer sonstigen Störung nicht zur Erfassung des Endes der Laufzeit T ausgewertet
wurde, so wird jedenfalls der übernächste Impuls I4 bzw. I3 eine genügende Amplitudenhöhe
aufweisen, um in der beschriebenen Weise einen Impuls im Ausgangssignal des Verstärkers
39 (Kurve F) zu erzeugen, der zur Erfassung des Endes der Laufzeit T ausreicht.
Beim Ausführungsbeispiel wird beispielsweise vom Impuls I4 im Schnittpunkt c' die
obere Schwelle und beim Schnittpunkt d' die untere Schwelle des Verstärkers 39 überschritten
bzw. unterschritten, wodurch dieser einen Ausgangsimpuls erzeugt, und durch den
zum Zeitpunkt t3 erfolgenden Nulldurchgang der Rückflanke des Impulses I4 wird wiederum
ein den Zeitmesser 80 anhaltendes Stop-Signal erzeugt, das bei nicht vorausgehendem
Stop-Signal spätestens zum Anhalten des Zeitmessers 80 führt. In diesem Fall wird
zwar die erfaBte Laufdauer T um den zeitlichen Abstand zwischen den Zeitpunkten
t2, t3 verfälscht, die der Periodendauer bei der Eigenfrequenz des den Wandler 48
umfassenden schwingungsfähigen Systems entspricht, jedoch ist diese Dauer bei den
verwendeten Ultraschallfrequenzen im allgemeinen sehr gering gegenüber der Dauer
der Laufzeit T.
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Die Frequenz der vom ersten Impuls I1 und vom zweiten Impuls I2 im
Ausgangssignal des Impulserzeugers 78 gebildeten Schwingung liegt zweckmäßig zwischen
300 kHz und 900 kHz, und insbesondere haben sich Frequenzen um 600 kHz besonders
geeignet erwiesen. Hierbei kann einerseits mit relativ unaufwendigen Mitteln eine
starke Anregung des Wandlers 48 erfolgen, während andererseits die Frequenz genügend
hoch
ist, um im Zylinderraum 26 eine einer nur wenig divergierenden Keule entsprechende
Strahlungscharakteristik zu erhalten, bei der im aufgenommenen Ultraschallsignal
neben den von der Reflektion an der gegenüberliegenden Stirnseite 28 herrührenden
Signalanteilen praktisch keine Störsignalanteile enthalten sind, wie sie durch Reflektion
an den Zylinderinnenseiten und ggf. außerhalb des Tripelspiegels 50 (Fig. 1 bis3)
hervorgerufen werden können. Die Periodendauer der von den Impulsen I1, 12 gebildeten
Schwingung, die annähernd der Periodendauer T1 der Rechteck schwingung im Ausgangssignal
B des Signalerzeugers 98 entspricht, liegt also in der Größenordnung von 2 gsec.In
derselben Größenordnung liegt der zeitliche Abstand der Zeitpunkte t2, t3 in der
letzten Teilfigur der Figur 6. Geht man davon aus, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
von Ultraschall in der verwendeten Hydraulikflüssigkeit bei 1500 m/sec beträgt und
der zu messende Abstand 1 m beträgt, so beträgt die zu messende Laufdauer auf dem
Hin- und Rückweg von insgesamt 2 m mehr als 1000 Asffic. Demgegenüber bedeutet daher
die Erfassung des Endes der Laufzeit T erst zum Zeitpunkt t3 einen Fehler von weniger
als 2k , und selbst bei einem zu messenden Abstand von 10 cm liegt der Fehler noch
unter 2%.
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Das Freigabesignal A, das in der obersten Teilfigur der Figur 6 dargestellt
ist, hat H-Pegel während einer Dauer, die ausreicht, bei der größten betriebsmäßig
einstellbaren Länge des Zylinderraumes 26 und der sich dabei ergebenden Laufzeit
vor dem Ende des Freigabesignals A den zurückkehrenden Impuls zu empfangen und auszawerten,
ist also zweckmäßig um die beim Aufnehmen des reflektierten Ultraschallimpulses
sich erneut ergebende Abklingzeit größer als die maximale Laufzeit'T. Danach wird
ein erneutes Freigabesignal A erzeugt, und es wird ein erneuter Meßvorgang in der
für den Wandler 48 beschriebenen Weise durchgeführt,
nunmehr jedoch
für einen anderen Zylinderraum und mittels des dort vorgesehenen Wandlers oder für
den Referenzraum 563 mittels des Peferenzwandlers 60. Die dabei ablaufenden Vorgänge
spielen sich in analoger Weise ab, wie dies vorstehend für die Laufzeitmessung mittels
des Wandlers 48 beschrieben wurde.
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Eine Ausgestaltung des insbesondere anhand von Fig. 4 bis 6 beschriebenen
Verfahrens und der Einrichtung ist dahingehend möglich, daß unmittelbar nach dem
zweiten ausgesandten Impuls, der vom zweiten Impuls I2 im Ausgangssignal des Impulserzeugers
78 bewirkt wird, ein dritter Impuls von gleichem Vorzeichen wie der erste Impuls,
der dem Impuls I1 entspricht, ausgesandt wird. Hierzu kann beispielsweise der Signalgeber
98 zur Erzeugung eines unmittelbar auf den zweiten Rechteckimpuls i2 (Kurve B in
der zweiten Teilfigur der Figur 6) folgenden dritten Rechteckimpulses i3 von gleichem
Vorzeichen wie der erste Rechteckimpuls i1 ausgebildet sein; der dritte Rechteckimpuls
i3 ist in der zweiten Teilfigur der Figur 6 gestrichelt angedeutet. Durch den ausgesandten
dritten Impuls wird vorteilhafterweise eine noch stärkere Anregung des Wandlers
48 und bei entsprechender Bemessung der zeitlichen Länge des dritten Impulses darüberhinaus
auch anschließend eine sehr schnelle Dämpfung erzielt. Zum letztgenannten Zweck
kann beispielsweise die Länge T1 des dritten Rechteckimpulses i3 annähernd der PeriodendauerT1
der Rechteckschwingung aus den beiden ersten Rechteckimpulsen ii, i2 gleichen. Eine
kürzere oder auch längere Dauer des ausgesandten dritten Impulses, der dem dritten
Rechteckimpuls 13 entspricht, kann in Anpassung an die jeweiligen Parameter des
den Wandler 48 bzw. die übrigen Wandler und Referenzwandler 60 umfassenden schwingungsfähigen
Systems zweckmäßig sein. Sofern abweichend vom Ausführungsbeispiel zur Erfassung
des Beginns und des Endes der Laufzeit T nicht der zweite ausgesandte Impuls, sondern
der erste ausgesandte Impuls verwendet wird, so kann zur
stärkeren
Anregung und zur anschließenden Dämpfung ein dem ausgesandten Impuls ausschließlich
folgender zweiter Impuls von entgegengesetztem Vorzeichen verwendet werden, der
gegenüber dem ersten Impuls eine annähernd doppelte Länge hat.
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Wie bereits erwähnt, wird spätestens beginnend mit der Erfassung des
Beginns der Laufzeit T mittels des Ausgangssignals E des Zeitgebers 31 die Auswertung
von aufgenommenen Impulsen während der Zeitdauer T2 verhindert, die größer als die
Abklingdauer des Wandlers 48 ist. Bei der vorerwähnten Aussendung eines dritten
bzw. zweiten Impulses kann die Zeitdauer T2 kürzer gewählt werden, da die beim Aussenden
auftretenden Nachschwingungen schneller verschwinden. Es können daher kürzere Abstände
zwischen Wandler 48 und gegenüberliegender Stirnseite 28 bzw. Tripelspiegel 50 und
entsprechende kürzere Laufzeiten gemessen werden. In diesem Zusammenhang sei erwähnt,
daß der Zeitgeber 31 nicht notwendig bereits mit der Vorderflanke des ersten Rechteckimpulses
il in Gang gesetzt werden muß, sondern daß es zur Erfüllung seiner Aufgabe genügt,
wenn das Ingangsetzen oder Kippen beginnend mit der Erfassung des Beginns der Laufzeit
T erfolgt, also wie in der Kurve E in der fünften Teilfigur der Figur 6 gestrichelt
angedeutet, zum Zeitpunkt t1. Es würde also beispielsweise genügen, zum Ingangsetzen
die Vorder-oder Rückflanke des zweiten Rechteckimpulses 12 oder die Amplitude des
vom Impulserzeuger 78 erzeugten ersten Impulses I1 zu verwenden. Die beschriebene
Lösung hat jedoch demgegenüber den Vorzug größtmöglicher Sicherheit gegen Störeinflüsse.
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Fig. 7 zeigt die konstruktive Ausbildung des Wandlers 48; die übrigen
vorgesehenen Wandler ebenso wie der oder die vorgesehenen Referenzwandler 60 sind
in gleicher Weise ausgebildet. Der Wandler 48 umfaßt einen als Schraubstopfen ausgebildeten
Grundkörper 59,der in eine mit Innengewinde versehen
Bohrung 63
der Stirnwand 22 eingeschraubt ist. An seinem dem Zylinderraum 26 zugekehrten Ende
trägt der Grundkörper 59 in einer Ausnehmung 67 einen plättchenförmigen, aus Keramikmaterial
bestehenden, piezoelektrischen Schwinger 71, der in der Ausneig. 67 mittels einer
elastischen und elektrisch leitfähigen Kunststofflage 75 gehalten ist.
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An seinem dem Schwinger 71 abgewandten, sauberen Ende weist der Grundkörper
59 einen umlaufenden Flansch 79 auf, der axial mittels ein{esDichtringes 83 gegenüber
der Außenseite der ZylinderWaiid -22, abgedichtet ist.
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In einer zentralén, mit Innengewinde versehenen Bohrung 87, die sich
vom äußeren Ende des Grundkörpers 59 in diesen hineinerstreckt, ist mittels einer
Stopfbuchse 91 das Ende der als Koaxialkabel ausgebildeten Leitung 52 gehalten.
Deren Innenleiter 95 ist durch einen vom inneren Ende der Bohrung 87 zum äußeren
Rand des Schwingers 71 verlaufenden Kanal 99 im Grundkörper 59 isoliert zur freiliegenden
Außenseite des Schwingers 71 geführt und mit der dortigen,nicht sichtbaren Elektrode
des Schwingers 71 kontaktiert. Die Schrägstellung des Kanals 99 gegenüber der Achse
des Grundkörpers 59 bewirkt, daß vom Schwinger 71 über die Kunststofflage 75 in
den Grundkörper 59 abgestrahlte Ultraschallschwingungen am Kanal 99 prakt)Ls4ch;nicht
zurück zum Schwinger 71 reflektiert werden können und daher keine Störungen in dessen
Ausgangssignal erzeugen Die Bohrung 87 endet in für Sacklöcher üblicher Weise stumpfkegelförmig.
Hierdurch können auch auf die Grenzfläche zwischen Bohrungsende und Vollmaterial
des Grundkörpers 59 fallende, vom Schwinger 71 ausgehenden Ultraschallwellen nicht
oder jedenfalls nicht unmittelbar zum Schwinger 71 zurückreflektiert werden, so
daß auch insofern eine Störung des Ausgangssignals vermieden wird. Schließlich weist
der Grundkörper
eine die äußere Mündung der Bohrung 87 konzentrisch
umgebende, konische Vertiefung V auf, deren Außehdurchmesser dem Innendurchmesser
der Bohrung 63 zumindest annähernd entspricht und deren Kegelwinkel zweckmäßig wie
beim Ausführungsbeispiel stumpf ist. An der Grenzfläche zwischen dem Vollmaterial
des Grundkörpers 59 und der Vertiefung V reflektierte, vom Schwinger 71 stammende
Ultraschallwellen werden hierdurch nach außen in den Flansch 79 derart hineinreflektiert,
daß sie vor einer möglichen Rückkehr zum Schwinger 71 vollständig vernichtet werden.
Auch hierdurch ist wiederum eine störende Beeinflussung des Ausgangssignals des
Wandlers 48 vermieden.