DE3915682A1 - Pneumatischer zustandsgeber - Google Patents

Description

Die Position des Kolbens bzw. der Kolbenstange von Pneumatikzylindern sowie die Kraft, welche auf die Kolbenstange bzw. den Kolben wirkt, sind wichtige meßtechnische Größen zur Beschreibung des Zustandes von Pneumatikzylindern. Im Rahmen der zunehmenden Automatisierungstechnik und des zunehmenden Einsatzes von Pneumatikzylinder nimmt die meßtechnische Erfassung aller Größen, die einen Pneumatikzylinder beschreiben zu.

Beispielsweise wird die Belastung von Matratzen mit Hilfe von Pneumatikzylindern festgestellt. Eine vorgegebene Fläche wird an der ausgeführten Kolbenstange angebracht. Mit Hilfe einer Druckmessung in den Zufuhrleitungen zum Pneumatikzylinder wird die Kraft auf den Kolben ermittelt, gleichzeitig wird über ein geeignetes Längenmeßsystem die Stellung (Eindrücktiefe auf die Matratze) bestimmt. Eine anhaltende wechselnde Belastung des Matratzenelementes führt zu Veränderungen der Eindrücktiefe bei gleicher Krafteinwirkung bzw. zu unterschiedlichen Kraftaufwendungen bei gleicher Eindringtiefe.

Herkömmlich werden Pneumatikzylinder als Systeme gesehen, welche per Druckluftzufuhr Bewegung ausführen. Durch die Integration eines Längenmeßsystems in einen Pneumatikzylinder wird ein solches System um einen Meßwertgeber erweitert, womit die Position der Kolbenstellung ausgegeben werden kann. Um ein solches System vollständig beschreiben zu können, wäre es vorteilhaft, auch noch die Druckdifferenz innerhalb des Pneumatikzylinders sowie die Temperatur und weitere Größe meßtechnisch zu erfassen.

Gelingt es alle einen Pneumatikzylinder bestimmenden Größen meßtechnisch so zu erfassen, daß die Arbeitsweise des Systems nicht gestört oder behindert wird, wobei eine Messung im Zylinderinnenraum für die Druck- und Temperaturmessung als einzig geeignet erscheint, so ist aus dem unvollständig bekannten Zustand eines Pneumatikzylinders ein meßtechnisch vollständig beschriebenes System geworden.

Während die Längenmessung, d. h. die Stellung des Zylinderkolbens im geschlossenen Pneumatikzylinder durch das POMUX-Meßprinzip (siehe Patentschrift DE 32 44 891 C2) grundsätzlich gelöst ist, ist die Kraftmessung innerhalb des Zylinders ungelöst. Physikalisch bestimmt sich die Kraft des Kolbens aus der Druckdifferenz vor und hinter der Kolbenfläche und der Größe der Kolbenfläche. Eine zweifache Druckmessung innerhalb des Zylinders ist aber problematisch, da elektrische Versorgungsleitungen für Energie- und Signalübertragungsleitungen in den Kolbeninnenraum geführt werden müssen und jede elektrische Leitungszuführungsstelle vorzugsweise an den Zylinderflächen angebracht werden können. Damit ist eine Messung in Kolbennähe erschwert.

Ziel ist es somit, einen pneumatischen Meßzylinder aufzubauen, der sich selbst mit allen meßtechnischen Daten für jeden denkbaren Einsatz darstellt. Ein solches komplexes Pneumatiksystem soll hier als pneumatischer Zustandsgeber bezeichnet werden.

Von allen denkbaren pneumatischen Zustandsgebern soll hier derjenige beschrieben werden, welcher sowohl Position des Kolbens wie auch Temperatur- und Druckverhältnisse im Zylinderinnenraum berührungslos, d. h. ohne elektrische Kabelverbindung zwischen Zylinderaußen- und -innenraum liefert. Da berührungslos in diesem Sinne auch Leitungen für die Energieversorgung in den Zylinderinnenraum ausschließt, sind eine Reihe von Bedingungen zu erfüllen. Erschwerend kommt hinzu, daß durch die Kolbenbewegungen im Innenraum nur eingeschränkt Platz zur Verfügung steht. Erhebliche Druck- und Temperaturbelastungen erschweren die Problematik. Die größte Problematik ergibt sich aus der Forderung, berührungslos zu einem bewegten Teil, dem Kolben im Innenraum des Zylinders, eine Energieversorgung herzustellen und eine bidirektionale Datenübertragung während der Bewegung des Kolbens zu gewährleisten.

Gemäß Patentanspruch wird das Ziel dadurch erreicht, daß ein herkömmlicher Pneumatikzylinder mit einem System POMUX kombiniert wird, wobei im System POMUX zusätzlich die Einheiten für die berührungslose Daten- und Energieübertragung in den Zylinderinnenraum hinein enthalten sind. Durch das System POMUX ist gewährleistet, daß die Position des Zylinderkolbens berührungslos gemessen wird, sofern der Kolben durch entsprechende Magnetelemente präpariert ist. Das Ziel eines pneumatischen Zustandsgebers wird erreicht, indem im Innenraum Sensoren für Druck, Temperatur, Dichte, Schallgeschwindigkeit, Lichtdurchlässigkeit, usw. vorhanden sind und ihre Meßwerte berührungslos durch die Zylinderwand zu den entsprechenden Auswertesystemen im POMUX übertragen.

Dies könnte dadurch erreicht werden, daß im Innenraum des Zylinders in unmittelbarer Nähe des Positionsmeßsystems POMUX, z. B. an den beiden Endflächen des Zylinders, als gekapselte Einheiten Elektroniken untergebracht sind, welche induktiv Signale und Energie durch die Kolbenwandung übertragen. Mit diesen Sensorkapseln wäre es möglich, an diesen bevorzugten Stellen des Zylinders die gewünschten Zustände zu erfassen. Ungelöst wäre damit jedoch das Problem, unmittelbar auf der Kolbenoberfläche zu messen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Information des POMUX über die Position des Kolbens herangezogen, indem über die gesamte Länge des POMUX und des Meßzylinders, d. h. über die gesamte Hublänge auf seiten des POMUX induktive Spulen zur Energie- und Signalübertragung angebracht sind und diese je nach Stellung des Kolbens genau dort aktiviert sind, wo sich der Kolben gemäß seiner vom POMUX erfaßten Position befindet. Durch die Ausnutzung der Informationen über die Position des Kolbens können genau die Spulen aktiviert werden, welche zur Energie- und Signalübertragung dem Kolben am nächsten liegen. Dadurch ist gewährleistet, daß mit relativ geringem Energieaufwand eine fortlaufende Versorgung des Elektroniksensorelementes auf dem bewegten Kolben einerseits erfolgt und zum anderen Datenübertragung mit geringem Energieaufwand möglich ist. Auf der Außenwandung des Zylinders möglichst im Innenraum des POMUX sind über die gesamte Länge des Hubes flachliegende (möglicherweise spiralig gewickelte) Spulen angebracht, welche gemäß der Position des Kolbens gemultiplext angesprochen werden.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der geringen Energieabstrahlung der gemultiplexten Spulen. Eine über die gesamte Länge des Hubes gelegte Spule würde einerseits eine große Energie abstrahlen und zum anderen für die Signalübertragung denkbar ungeeignet sein. Werden z. B. Informationen vom bewegten Teil über Belastungsänderung der im Empfängerteil befindlichen Sende- und Empfangsspule übertragen, so wären diese bei einer entsprechend räumlich groß aufgebauten Spule außerhalb des Kolbens nicht mehr nachweisbar. Die Messung von Druck, insbesondere Druckdifferenz zwischen den beiden Kolbenseiten, direkt am Kolben hat den Vorteil, daß hier die unmittelbar wirkenden und unverfälschten Meßergebnisse zur Verfügung stehen. Bei einer Temperaturmessung kommt hinzu, daß in Folge der Reibung das für die Temperaturmessung geeignetste Element ohnehin der Kolben ist. Alle diese Vorteile werden durch die patentgemäße Beschreibung erzielt.

Claims (1)

1. Pneumatischer Zustandsgeber dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Einbringen von berührungslos per Induktionsprinzip energetisch versorgte, räumlich abgekapselte elektronische Elemente im abgeschlossenen Pneumatikzylinder am beweglichen Kolben angebrachte meßtechnische elektronische Elemente sitzen, welche es gestatten, Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, Dichte, Lichtdurchlässigkeit, Schallgeschwindigkeit im Pneumatikinnenraum unmittelbar am Kolben zu messen und daß ferner die Informationsübertragung bidirektional vom bewegten Kolben zur Außenwand des Meßzylinders über die gleiche induktive Strecke erfolgt, über welche auch die Energieversorgung des elektronischen Teiles erfolgt, indem an der Außenwand des Meßzylinders parallel zur Bewegung des Kolbens über die Länge des Kolbenhubes einzelne Spulen angeordnet sind, welche elektronisch entkoppelt gemäß der Stellung des Kolbens gemultiplext angesprochen und an einen Frequenzgenerator gelegt werden, wobei die Multiplexung gekoppelt ist mit einem Längenmeßsystem gemäß dem Prinzip POMUX, so daß nur jene Spulen frequenzversorgt sind, welche in unmittelbarer Nähe des Zylinderkolbens befindlich sind, wobei Informationen aus dem am bewegten Kolben angebrachten Elektronikteil durch Belastungsänderung der im bewegten Teil angebrachten Übertragungsspule übertragen werden und diese Belastungsänderung bei den jeweils angesprochenen gemultiplexten Spulen außerhalb des Zylinderinnenraumes elektronisch nachweisbar sind und daß ferner für Informationsübertragungen zum bewegten Teil hin ebenfalls dieselben gemultiplexten Spulen auf der Außenwand des Zylinders benutzt werden indem Frequenz- oder Amplitudenmodulationen zur Übertragung auf die am bewegten Kolben angebrachte Spule oder Spulen im gekapselten Elektronikteil verwendet wird.