EP3004656B1 - Ultraschall-wegmesssystem und verfahren zur ultraschall-wegmessung - Google Patents

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EP3004656B1
EP3004656B1 EP14722095.8A EP14722095A EP3004656B1 EP 3004656 B1 EP3004656 B1 EP 3004656B1 EP 14722095 A EP14722095 A EP 14722095A EP 3004656 B1 EP3004656 B1 EP 3004656B1
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EP
European Patent Office
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sensor
ultrasonic
chamber
media
separating element
Prior art date
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Active
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EP14722095.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3004656A1 (de
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Mathias Leo Jirgal
Jörg STEFFENSKY
Horst Mannebach
Thomas Hahn-Jose
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Hydac Electronic GmbH
Original Assignee
Hydac Electronic GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3004656A1 publication Critical patent/EP3004656A1/de
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2884—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using sound, e.g. ultrasound
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators
    • F15B1/04—Accumulators
    • F15B1/08—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor
    • F15B1/24—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor with rigid separating means, e.g. pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
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    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/20—Accumulator cushioning means
    • F15B2201/205—Accumulator cushioning means using gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/30—Accumulator separating means
    • F15B2201/31—Accumulator separating means having rigid separating means, e.g. pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/50—Monitoring, detection and testing means for accumulators
    • F15B2201/515—Position detection for separating means

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic displacement measuring system, in particular usable for hydraulic accumulators with at least one movable separating element, with the features in the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for ultrasonic displacement measurement with such an ultrasonic displacement measuring system.
  • hydropneumatic accumulator arrangements In hydropneumatic accumulator arrangements or also in piston-cylinder arrangements such as pneumatic working cylinders, it is desirable or necessary in many cases to know the exact position of the piston in the cylinder in order to be able to control a device. In addition, in hydropneumatic accumulator arrangements, it is important to know how much gas is available to build up a counterpressure in the accumulator element, since the gas tends to volatilize towards the oil side over time, so that it accumulates from time to time must be refilled, which triggers a maintenance process regularly.
  • the disadvantage here is that the sound propagation is essentially dependent on the oil temperature and on gas bubbles which occur undesirably in the oil and which can form, for example, through cavitation in the oil. Such gas bubbles have a considerable influence on the propagation of the sound signal and thus falsify the measurement result.
  • the DE 87 02 817 U1 describes an ultrasonic displacement measuring system, particularly suitable for hydraulic accumulators with at least one movable separating element, which separates two media spaces, preferably media-tight, from one another within a housing, one media space being a compressible or an incompressible fluid and the other media space being a compressible fluid, in particular in the form of a working gas , receives, the respective position of the movable separating element within the housing being detectable by means of at least one ultrasonic sensor
  • the respective ultrasonic sensor detects the position of the separating element on the side of the other media space with the compressible fluid, a sleeve-shaped sensor holder being inserted in a cover part which adjoins the other media space and which is hollow on the inside to form a sensor chamber , wherein the ultrasonic sensor is held in the sensor holder and is received at the end in a sensor chamber.
  • the object of the invention is to demonstrate an ultrasonic displacement measuring system and a method for ultrasonic displacement measurement with such a system, with which displacement measurements can be carried out reliably, accurately and inexpensively.
  • a solution to the objective part of this task consists in an ultrasonic displacement measuring system with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the ultrasonic displacement measuring system can be found in subclaims 2 to 9.
  • the procedural part of the task is solved by a method with the measures of claim 10.
  • the sensor chamber is connected to the other media space with the compressible fluid by means of a media guide.
  • the ultrasonic sensor is kept pressure-balanced. No additional measures need to be taken to support the sensor against the internal pressure in the other media room.
  • the sensor can be made lighter and can be hung freely so that sound generation and propagation can advantageously take place without hindrance.
  • the ultrasonic sensor detects the position of the separating element on the side of the other media space with the compressible fluid. In this way, the position of the separating element can be detected very precisely because the ultrasound signal only has to spread through a gaseous fluid, such as nitrogen gas. Regardless of the movement of the separating element and the ambient conditions, there are no phase transitions in this compressible gas, so that measurement errors do not have to be taken into account. Due to the fact that the compressible fluid is a gas, the ultrasound sensor, which is generally electrically controlled, is always stored dry so that there is no fear of interference from moisture during operation of the sensor. The ultrasonic displacement measuring system is therefore long-lasting and low-maintenance. The components required for the ultrasonic sensor are also available at relatively low cost, so that overall an inexpensive ultrasonic displacement measuring system is shown. The position detection for the preferably piston-like separating element takes place reliably both with static and with highly dynamic movement processes with the separating element.
  • the ultrasonic sensor is arranged in a stationary manner on a cover part of the housing in such a way that at least part of the sensor chamber with the media guide protrudes into the other media space with the compressible fluid by a predeterminable protrusion, and in each travel position of the separating element, the separating element is at a distance held the ultrasonic sensor.
  • the pressure compensation of the sensor chamber can therefore be carried out particularly easily.
  • the sensor chamber can have at least one passage point between the carrier and the underside of the cover part facing the sensor element, which at least partially forms the media guide. Further Fluid channels in the adjacent components are not required.
  • the position of the ultrasonic wall sensor in this arrangement is optimal with regard to the propagation of sound, because, particularly with a separating element located particularly close to the sensor, no sound reflections on other components falsify the measurement result.
  • the sensor chamber can advantageously be closed off in the direction of the surroundings by a glass part, preferably in the form of a glass lead-through, a cable connection from the ultrasonic sensor to a control unit being established via the glass lead-through.
  • a glass part preferably in the form of a glass lead-through
  • a cable connection from the ultrasonic sensor to a control unit being established via the glass lead-through.
  • Such a glass part is easy to manufacture and, even at the highest pressures in the respective media room, ensures that this media room is securely sealed off from the surroundings.
  • the sensor signal can therefore be transported from the ultrasonic sensor to the control unit in the shortest possible way and with only one cable connection. The signal losses are therefore low.
  • the ultrasound sensor has an ultrasound transducer with a piezoceramic, preferably in the form of a disk, which is arranged on a carrier, which preferably closes the sensor chamber in the direction of the other media space with the compressible fluid.
  • the piezoceramic can be arranged in such a way that it expands or contracts in the radial direction depending on the applied voltage. Through full-surface gluing of the piezoceramic to the carrier, the carrier is then placed under bending stresses, so that the carrier bulges. By appropriate excitation of the piezoceramic, an ultrasonic wave can be generated in the compressible fluid in the other media space.
  • the principle of action can be reversed if the carrier is set into vibrations by sound waves, which lead to bending of the carrier. These vibrations are then transferred to the piezo element in the form of expansions or contractions, which are converted into electrical voltages that can be evaluated with suitable control electronics.
  • a reference measuring section is present within the compressible medium, which is delimited by two reference points, which are preferably arranged stationary relative to one another, one of which is formed from the ultrasonic sensor and the other from a preferably fixed deflection point for the sensor signal, which preferably has the shape of a boundary wall of the sensor chamber Has. Because of the reference path, it is possible to measure the duration of the same sound signal on the reference measuring path simultaneously with the measurement of the propagation time of the sound signal from the ultrasonic sensor to the separating element and back. In this way, the speed of sound propagation in the fluid of the other media room can be measured on the reference measuring path, which can then be used to determine the position of the separating element based on the signal propagation time and the current propagation speed.
  • the measurement section between the ultrasound sensor and the separating element, based on the ultrasound sensor lies on the opposite side of the reference section.
  • the measuring sections therefore do not influence each other.
  • the partial element will strike the reference object and damage it in this way.
  • the boundary wall can have the shape of a shoulder in the sensor chamber. It has been shown here that an uneven boundary wall is also sufficient for determining the speed of sound propagation.
  • the separating element is formed from a rigid limiting piston which is arranged to be movable within the housing in the direction of its longitudinal axis, and that the ultrasonic sensor is arranged coaxially with this longitudinal axis. Consequently, the separating element can only move in one dimension, as a result of which the structure of the Ultrasonic displacement measuring system considerably simplified and sources of error can be excluded. It also improves the quality of the reflected sound signal.
  • the separating element preferably in the form of a limiting piston, advantageously has a collecting device for incompressible fluid which, when the ultrasonic displacement measuring system is in operation, penetrates from the media chamber with the incompressible fluid through a gap between the limiting piston and the housing into the other media chamber with the compressible fluid, and that the collecting device, preferably in the form of a collecting basin in the limiting piston, is arranged adjacent to the ultrasonic sensor in its direct sound emission direction.
  • the incompressible fluid that has entered the other media space collects in the collecting device. There it shortens the measuring distance between the ultrasonic sensor and the separating element, since the incompressible fluid forms a first reflection surface due to the phase change.
  • part of the ultrasonic wave continues to penetrate the incompressible fluid and continues to be reflected at the bottom of the separating element. In this way it can be determined over time how much liquid has accumulated in the reservoir. It can thus be reliably recognized whether the ultrasonic displacement measuring system or the pressure accumulator in which the ultrasonic displacement measuring system is arranged is to be serviced.
  • the working frequency of the ultrasonic sensor can be chosen between the lowest possible frequency, in particular 100 kHz, at which a low wave-dependent amplitude modulation occurs due to dispersion, and a higher frequency, in particular 150 kHz, at which a higher resolution of the distance measurement is possible at a lower wavelength will.
  • the sound signal has a wavelength of approximately 40 mm, so that the position of the separating element changes can already be determined very precisely. At least the measuring accuracy is much higher than with the known position measuring systems.
  • a sound signal is emitted by means of the ultrasonic sensor and the sound reflection at the separating element and at a reference point opposite the ultrasonic sensor is recorded.
  • the speed of sound propagation in the compressible fluid is determined from the transit time of the sound signal from the ultrasonic sensor to the assignable reference point and back.
  • the respective distance of the movable separating element from the stationary ultrasonic sensor is then determined from this sound propagation speed and the transit time of the sound signal from the ultrasonic sensor to the separating element and back.
  • the measurements of the transit times on the measuring section and the reference measuring section can be carried out with a time delay or simultaneously.
  • the measurement accuracy is improved in particular by a simultaneous measurement, since if the separating element moves quickly during a stroke, an adiabatic change in the state of the compressible fluid can occur in the other media space. For example, its temperature may rise, which changes the speed of sound propagation and the measurement accuracy may be impaired.
  • FIG. 1 An ultrasonic displacement measuring system 1 is shown, which is used in a hydraulic accumulator 3 with at least one movable separating element 5, which separates two media spaces 9, 11 from one another within a housing 7, essentially in a media-tight manner.
  • One media chamber 9 receives an incompressible fluid, in particular in the form of hydraulic oil, and the other media chamber 11 a compressible fluid, in particular in the form of a working gas, here nitrogen (N 2 ).
  • N 2 nitrogen
  • the respective position of the movable separating element 5 within the housing 7 can be detected by means of an ultrasonic sensor 13.
  • the housing 7 has a tubular housing part 15, into which two cover parts 17, 19 are screwed at the ends via threaded sections 21.
  • the cover parts 17, 19 are sealed with respect to the tubular housing part 15 via sealing rings 25 held in circumferential grooves 23.
  • the two cover parts 17, 19 have coaxial bores 27, 29, a connection 31 being provided in the cover part 17, which leads to the media space 9 with the incompressible fluid, for a fluid line of a hydraulic circuit, not shown in any more detail.
  • the separating element 5 is located between the cover parts 17, 19.
  • the separating element 5 is formed from a rigid limiting piston which is arranged to be movable within the housing 7 in the direction of its longitudinal axis LA.
  • the limiting piston 5 is pot-shaped, with a bottom 33 pointing in the direction of the one media space 9.
  • two mutually spaced grooves 35 are provided on the outer circumference, in which guide rings 37 are arranged.
  • a further circumferential groove 39 is provided between the guide rings 37, in which a sealing element 41 is arranged.
  • the separating element 5 is gaseous and in this respect compressible to increase the storage capacity Fluid designed in the manner of a pot or trough and has a collecting device 43 for incompressible fluid on the bottom, which, if necessary, accidentally reaches the gas side from the oil side of the reservoir via the sealing device with sealing element 41.
  • the collecting device 43 is designed in the form of a collecting basin in the limiting piston 5, which is also coaxial to the longitudinal axis LA. This collecting device 43 is thus arranged opposite the ultrasonic sensor 13 in its direct sound emission direction.
  • a sleeve-shaped sensor holder 45 is inserted, in particular screwed, into the cover part 19, which adjoins the other media space 11.
  • the sensor holder 45 has a threaded section 49 and a widened head 51 adjacent to the outside 47 of the cover part 19.
  • An annular sealing element 53 is provided between the head 51 and the cover part 19.
  • the sensor holder 45 is hollow in order to form a sensor chamber 57.
  • the interior 55 of the sensor chamber 57 is connected to the other media space 11 with the compressible fluid in the form of the working gas by means of a media guide 59.
  • the sensor chamber 57 has a plurality of passage points 59 in the form of bores between a carrier 61 of the ultrasonic sensor 13 and the underside 63 of the cover part 19 facing the separating element.
  • the ultrasonic sensor 13 is held in the sensor holder 45 in the cover part 19, which adjoins the other media space 11.
  • the ultrasonic sensor 13 detects the position of the separating element 5 on the side of the other media space 11 with the compressible fluid.
  • the ultrasonic sensor 13 is arranged coaxially to the longitudinal axis LA of the housing 7. It is accommodated at the end in the sensor chamber 57.
  • the ultrasonic sensor 13 is arranged in a stationary manner on the cover part 19 in such a way that at least a part of the sensor chamber 57 with the media guide 59 projects with a predeterminable projection U into the other media space 11 with the compressible fluid and at a distance from the separating element 5 in each travel position this is held.
  • the ultrasonic sensor 13 is kept pressure-balanced in the other media space 11.
  • the sensor 13 can be accommodated in the pot-like recess of the separating element 5 with a collecting device 43 without fear of impact, and in the process carry out sensor measurements.
  • the ultrasonic sensor 13 which in Fig. 2 is shown in more detail, has an ultrasonic transducer 65 with a disk-shaped piezoceramic 66, which is arranged on the likewise disk-shaped carrier 61 by full-surface gluing.
  • the carrier 61 closes the sensor chamber 57 in the direction of the other media space 11 with the compressible fluid.
  • the carrier 61 has a circumferential groove 67 so that it is securely held in an inner circumferential groove 71 of the sensor chamber 57 via an O-ring 69.
  • the piezoceramic 66 can expand or contract radially and transmit this change in length to the carrier 61, so that the carrier 61 is periodically deflected, in particular bulged, and in this way generates the desired sound wave.
  • the reference measuring path is delimited by two reference points 13, 73 arranged in a stationary manner relative to one another.
  • One reference point is the ultrasonic sensor 13 itself and the other reference point is a deflection point 73 for the sensor signal.
  • This deflection point 73 is formed by a boundary wall, here a shoulder of the inner wall of the sensor chamber 57.
  • the deflection point 73 and the separating element 5 are thus advantageously arranged on opposite sides of the ultrasonic sensor 13.
  • the measuring section and the reference section are therefore independent of each other.
  • the deflection point 73 is provided in a protected position, so that it cannot be influenced by the separating element 5.
  • the sensor chamber 57 is covered in the direction of the surroundings by a glass part 79, preferably in the form of a glass bushing.
  • the ultrasound sensor 13 is connected to a control unit 85 via a cable connection 83 via the glass part 79.
  • the ultrasonic sensor 13 is operated at a predefinable working frequency.
  • This frequency can be chosen between a low frequency and a higher frequency.
  • the frequency which is lower in this respect is chosen such that a low wave-dependent amplitude modulation and thus little dispersion occur and is in particular 100 kHz.
  • the shorter wavelength enables a higher resolution for the distance measurement.
  • the higher frequency is preferably 150 kHz.
  • the mode of operation of the ultrasound displacement measuring system 1 is explained below.
  • the ultrasonic displacement measuring system 1 is arranged in a hydropneumatic pressure accumulator 3.
  • the separating element 5 is moved within the pressure accumulator 3 in order to produce pressure compensation between the fluids in the two media spaces 9, 11.
  • the position of the separating element 5 can be determined in the meantime with the ultrasonic displacement measuring system 1.
  • a sound signal is emitted with the ultrasound sensor 13 and the sound reflections at the separating element 5 and at the reference point 73 opposite the ultrasound sensor 13 are recorded, so that the transit times of the reflected sound waves can be determined with the control unit 85.
  • the speed of sound propagation in the compressible fluid of the other media space 11 is determined from the transit time of the sound signal from the ultrasonic sensor 13 to the assignable reference point 73 and back. Based on this sound propagation speed and the transit time of the sound signal from the ultrasonic sensor 13 to the separating element 5 and back, the respective distance A of the movable separating element 5 can be determined by the stationary ultrasonic sensor 13.
  • the ultrasonic displacement measuring system 1 can advantageously be used to determine whether and how much liquid has penetrated into the other media space is what gives an indication of the inadequate tightness of the sealing system 41 of the separating piston 5 and in so far triggers a maintenance process for the accumulator or even its replacement in the connected hydraulic circuit (not shown).
  • the invention thus shows a particularly advantageous ultrasonic displacement measuring system 1.
  • the position of the separating element 5 can be detected very precisely by the measurement on the gas side 11 because the ultrasound signal only has to propagate through a fluid. Regardless of the movement of the separating element 5 and the ambient conditions, there are no phase transitions in this compressible fluid, so that measurement errors in this regard do not have to be taken into account.
  • the compressible fluid is usually a gas
  • the electrically controlled ultrasonic sensor 13 is always stored dry, so that there is no risk of the ultrasonic sensor 13 being affected by moisture during operation.
  • the ultrasonic displacement measuring system 1 is therefore durable and requires little maintenance.
  • the components required for the ultrasonic sensor 13 are also available relatively inexpensively.
  • the minimum distance measured for the sensor 13 is formed by the bottom dead center position of the piston-like separating element 5, as soon as it comes into contact with the upper side of the lower cover part 19 facing the separating elements 5.
  • the solution according to the invention can basically also be used for pneumatic working cylinders (not shown) in which the two media spaces 9, 11 are separated from one another by a piston-rod unit, the rod of the relevant unit on a cover side for articulation to third-party components is led out and the two media rooms 9, 11 can be alternately connected to a pneumatic supply for moving the piston-rod unit back and forth.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Wegmesssystem, insbesondere einsetzbar für Hydrospeicher mit mindestens einem bewegbaren Trennelement, mit den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ultraschall-Wegmessung mit einem solchen Ultraschall-Wegmesssystem.
  • Bei hydropneumatischen Speicheranordnungen oder auch bei Kolben-Zylinder-Anordnungen wie beispielsweise pneumatischen Arbeitszylindern ist es in vielen Fällen wünschenswert oder erforderlich, die genaue Position des Kolbens im Zylinder zu kennen, um eine Vorrichtung steuern zu können. Darüber hinaus ist es bei hydropneumatischen Speicheranordnungen wichtig zu wissen, wie viel Gas zum Aufbau eines Gegendrucks im Speicherelement zur Verfügung steht, da das Gas die Tendenz hat, sich im Laufe der Zeit in Richtung der Ölseite zu verflüchtigen, so dass es von Zeit zu Zeit nachgefüllt werden muss, was regelmäßig einen Wartungsvorgang auslöst.
  • Zur Positionsfeststellung des Kolbens wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen vorgeschlagen. So ist es beispielsweise bekannt, auf der Ölseite eines Druckspeichers ein Ultraschall-Wegmesssystem zu installieren. Ein solches Ultraschall-Einkanal-System wird von der Firma marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH, Hans-Böckler-Str. 2, 85221 Dachau, Deutschland, unter der Bezeichnung "ps/ulm/esd/a" angeboten. Von einem Ultraschallwandler werden Schallsignale ausgesendet und von einem Kolben reflektiert. Die reflektierte Schallwelle wird dann wieder vom Ultraschallwandler aufgenommen. Dabei breitet sich das Schallsignal mit einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit im Öl aus, so dass aus der Signallaufzeit die Entfernung des Kolbens mit dem Ultraschallwandler ermittelt werden kann. Nachteilig ist hierbei, dass die Schallausbreitung wesentlich von der Öltemperatur sowie von im Öl unerwünscht auftretenden Gasblasen abhängig ist, die sich beispielsweise durch Kavitation im Öl bilden können. Derartige Gasblasen beeinflussen die Ausbreitung des Schallsignals erheblich und verfälschen so das Messergebnis.
  • Weiterhin ist es Stand der Technik, außen an einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Anordnung einen oder mehrere Ultraschallwandler anzuordnen, um auf diese Weise erkennen zu können, ob sich ein Kolben in unmittelbarer Nähe des Ultraschallwandlers befindet. Eine solche Vorrichtung wird von der Firma Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH, Nauendorfer Str. 2, 06112 Halle (Saale), Deutschland, unter der Bezeichnung "Sonocontrol 14" angeboten. Derartige Vorrichtungen eignen sich insbesondere für Endlagenschalter. Eine kontinuierliche Positionsmessung des Kolbens ist hierbei nicht möglich, auch dann, wenn mehrere Sensoren eingesetzt werden, die im Abstand voneinander angeordnet sind.
  • Die DE 87 02 817 U1 beschreibt ein Ultraschall-Wegmesssystem, insbesondere einsetzbar für Hydrospeicher mit mindestens einem bewegbaren Trennelement, das innerhalb eines Gehäuses zwei Medienräume vorzugsweise mediendicht voneinander trennt, wobei der eine Medienraum ein kompressibles oder ein inkompressibles Fluid und der andere Medienraum ein kompressibles Fluid, insbesondere in Form eines Arbeitsgases, aufnimmt, wobei mittels mindestens eines Ultraschallsensors die jeweilige Position des bewegbaren Trennelementes innerhalb des Gehäuses erfassbar ist, wobei der jeweilige Ultraschallsensor seine Positionserfassung des Trennelementes auf der Seite des anderen Medienraumes mit dem kompressiblen Fluid vornimmt, wobei in ein Deckelteil, das an den anderen Medienraum angrenzt, ein hülsenförmiger Sensorhalter eingesetzt ist, der im Innern hohl ist, um eine Sensorkammer auszubilden, wobei der Ultraschallsensor im Sensorhalter gehalten und endseitig in einer Sensorkammer aufgenommen ist.
  • Weitere Vorrichtungen zur Ermittlung einer aktuellen Position eines Kolbens wurden in der DE 101 37 988 A1 , der WO 2005/003571 A1 , der US 4 938 054 , der WO 83/ 03478 A1 , der EP 1 079 119 A2 und der DE 103 22 718 A1 offenbart.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Ultraschall-Wegmesssystem und ein Verfahren zur Ultraschall-Wegmessung mit einem solchen System aufzuzeigen, mit denen Wegmessungen zuverlässig, genau und kostengünstig vorgenommen werden können.
  • Eine Lösung des gegenständlichen Teils dieser Aufgabe besteht in einem Ultraschall-Wegmesssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen des Ultraschall-Wegmesssystems gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 9 hervor. Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Maßnahmen von Anspruch 10 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sensorkammer mittels einer Medienführung medienführend mit dem anderen Medienraum mit dem kompressiblen Fluid verbunden ist. Auf diese Weise ist der Ultraschallsensor druckausgeglichen gehalten. Es müssen keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden, um den Sensor gegenüber dem Innendruck im anderen Medienraum abzustützen. Somit kann der Sensor leichter ausgeführt und frei aufgehängt werden, so dass die Schallerzeugung und -ausbreitung vorteilhaft unbehindert erfolgen kann.
  • Es ist ferner vorgesehen, dass der Ultraschallsensor seine Positionserfassung des Trennelementes auf der Seite des anderen Medienraums mit dem kompressiblen Fluid vornimmt. Auf diese Weise kann die Position des Trennelementes sehr genau erfasst werden, weil sich das Ultraschallsignal lediglich durch ein gasförmiges Fluid, wie Stickstoffgas, ausbreiten muss. Unabhängig von der Bewegung des Trennelementes sowie den Umgebungsbedingungen finden keine Phasenübergänge in diesem kompressiblen Gas statt, so dass dahingehende Messfehler nicht berücksichtigt werden müssen. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem kompressiblen Fluid um ein Gas handelt, ist der in der Regel elektrisch angesteuerte Ultraschallsensor stets trocken gelagert, so dass keine Beeinträchtigung durch Feuchtigkeit beim Betrieb des Sensors zu befürchten ist. Das Ultraschallwegmesssystem ist daher langlebig und wartungsarm. Die für den Ultraschallsensor erforderlichen Komponenten sind zudem relativ kostengünstig erhältlich, so dass insgesamt ein kostengünstiges Ultraschall-Wegmesssystem aufgezeigt wird. Die Positionserfassung für das vorzugsweise kolbenartig ausgebildete Trennelement erfolgt verlässlich sowohl bei statischen als auch bei hochdynamischen Bewegungsvorgängen mit dem Trennelement.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ultraschallsensor stationär an einem Deckelteil des Gehäuses derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der Sensorkammer mit der Medienführung um einen vorgebbaren Überstand in den anderen Medienraum mit dem kompressiblen Fluid hineinragt, und in jeder Verfahrstellung des Trennelementes ist dieses auf Abstand zu dem Ultraschallsensor gehalten. Mithin kann der Druckausgleich der Sensorkammer besonders einfach vorgenommen werden. Die Sensorkammer kann dazu zwischen dem Träger und der dem Sensorelement zugewandten Unterseite des Deckelteiles mindestens eine Durchlassstelle aufweisen, die zumindest teilweise die Medienführung bildet. Weitere Fluidkanäle in den angrenzenden Bauteilen sind nicht erforderlich. Darüber hinaus ist die Position des Ultraschallwandsensors bei dieser Anordnung hinsichtlich der Schallausbreitung optimal, weil, insbesondere bei einem besonders nahe am Sensor befindlichen Trennelement, keine Schallreflektionen an anderen Bauteilen das Messergebnis verfälschen.
  • Die Sensorkammer kann vorteilhaft in Richtung der Umgebung von einem Glasteil, vorzugsweise in Form einer Glasdurchführunng, abgeschlossen sein, wobei über die Glasdurchführung eine Kabelverbindung vom Ultraschallsensor zu einer Steuereinheit hergestellt wird. Ein solches Glasteil lässt sich einfach herstellen und gewährt auch bei höchsten Drücken im jeweiligen Medienraum einen sicheren Abschluss dieses Medienraumes gegenüber der Umgebung. Mithin kann das Sensorsignal auf kürzestem Wege und mit nur einer Kabelverbindung vom Ultraschallsensor zur Steuereinheit transportiert werden. Daher sind die Signalverluste gering.
  • Mit besonderem Vorteil weist der Ultraschallsensor einen Ultraschallwandler mit einer Piezokeramik, vorzugsweise in Scheibenform, auf, die auf einem Träger angeordnet ist, der vorzugsweise die Sensorkammer in Richtung des anderen Medienraumes mit dem kompressiblen Fluid abschließt. Die Piezokeramik kann dabei so angeordnet werden, dass es sich abhängig von der anliegenden Spannung in radialer Richtung ausdehnt oder zusammenzieht. Durch eine vollflächige Verklebung der Piezokeramik mit dem Träger wird dann der Träger unter Biegespannungen gesetzt, so dass der Träger beult. Durch entsprechende Anregung der Piezokeramik kann auf diese Weise eine Ultraschallwelle im kompressiblen Fluid des anderen Medienraums erzeugt werden. Entsprechend kann das Wirkprinzip umgekehrt werden, wenn der Träger durch Schallwellen in Schwingungen versetzt wird, die zu Verbiegungen desselben führen. Diese Schwingungen werden dann auf das Piezoelement in Form von Ausdehnungen bzw. Kontraktionen übertragen, welche in elektrische Spannungen umgesetzt werden, die mit einer geeigneten Steuerelektronik ausgewertet werden können.
  • Vorteilhafterweise ist innerhalb des kompressiblen Mediums eine Referenzmessstrecke vorhanden, die von zwei vorzugsweise stationär zueinander angeordneten Referenzstellen begrenzt ist, von denen die eine aus dem Ultraschallsensor und die andere aus einer vorzugsweise feststehenden Umlenkstelle für das Sensorsignal gebildet ist, die bevorzugt die Form einer Begrenzungswand der Sensorkammer hat. Aufgrund der Referenzstrecke ist es möglich, zeitgleich mit der Messung der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor zum Trennelement und zurück die Laufzeit des gleichen Schallsignals auf der Referenzmesstrecke zu messen. Auf diese Weise kann auf der Referenzmessstrecke die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Fluid des anderen Medienraums gemessen werden, die dann zur Ermittlung der Position des Trennelements auf Basis der Signallaufzeit und der aktuellen Ausbreitungsgeschwindigkeit verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die Messstrecke zwischen dem Ultraschallsensor und dem Trennelement bezogen auf den Ultraschallsensor auf der gegenüberliegenden Seite der Referenzstrecke liegt. Mithin beeinflussen sich die Messstrecken nicht gegenseitig. Es muss auch kein Referenzobjekt im Schallweg zwischen dem Ultraschallsensor und dem Trennelement angeordnet werden, welches das Messergebnis durch Interferenzen verfälschen könnte. Weiterhin besteht auch nicht die Gefahr, dass das Teilelement an das Referenzobjekt anschlägt und es auf diese Weise beschädigt. Die Begrenzungswand kann die Form eines Absatzes in der Sensorkammer haben. Es hat sich hierbei gezeigt, dass auch eine ungleichmäßige Begrenzungswand für die Ermittlung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit ausreichend ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Trennelement aus einem starren Begrenzungskolben gebildet ist, der innerhalb des Gehäuses in Richtung von dessen Längsachse verfahrbar angeordnet ist, und dass der Ultraschallsensor koaxial zu dieser Längsachse angeordnet ist. Mithin kann sich das Trennelement nur in einer Dimension bewegen, wodurch sich der Aufbau des Ultraschall-Wegmesssystems erheblich vereinfacht und Fehlerquellen ausgeschlossen werden. Außerdem wird hierdurch die Qualität des reflektierten Schallsignals verbessert.
  • Vorteilhaft weist das Trennelement, vorzugsweise in Form eines Begrenzungskolbens, eine Sammeleinrichtung für inkompressibles Fluid auf, das beim Betrieb des Ultraschall-Wegmesssystems vom Medienraum mit dem inkompressiblen Fluid durch einen Spalt zwischen dem Begrenzungskolben und dem Gehäuse in den anderen Medienraum mit dem kompressiblen Fluid eindringt, und dass die Sammeleinrichtung, vorzugsweise in Form eines Sammelbeckens im Begrenzungskolben, dem Ultraschallsensor in dessen direkter Schallabstrahlrichtung benachbart gegenüberliegend angeordnet ist. Auf diese Weise sammelt sich das inkompressible Fluid, das in den anderen Medienraum eingedrungen ist, in der Sammeleinrichtung. Dort verkürzt es die Messstrecke zwischen dem Ultraschallsensor und dem Trennelement, da das inkompressible Fluid aufgrund der Phasenänderung eine erste Reflektionsfläche ausbildet. Ein Teil der Ultraschallwelle dringt dabei aber weiterhin in das inkompressible Fluid ein und wird weiterhin am Boden des Trennelements reflektiert. Auf diese Weise kann im Verlauf der Zeit festgestellt werden, wie viel Flüssigkeit sich im Sammelbecken angesammelt hat. Somit kann zuverlässig erkannt werden, ob eine Wartung des Ultraschall-Wegmesssystems bzw. des Druckspeichers, in dem das Ultraschal-Wegmesssystem angeordnet ist, vorzunehmen ist.
  • Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors kann zwischen einer möglichst niedrigen Frequenz, insbesondere 100 kHz, bei der eine geringe wellenabhängige Amplitudenmodulation aufgrund von Dispersion auftritt, und einer demgegenüber höheren Frequenz, insbesondere 150 kHz, bei der bei geringerer Wellenlänge eine höhere Auflösung der Entfernungsmessung möglich ist, gewählt werden. Bei diesen Frequenzen hat das Schallsignal eine Wellenlänge von zirka 40 mm, so dass sich die Position des Trennelements bereits sehr genau bestimmen lässt. Zumindest ist die Messgenauigkeit wesentlich höher als bei den bekannten Wegmesssystemen.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Schallsignal mittels des Ultraschallsensors ausgesendet und die Schallreflektion an dem Trennelement und einer dem Ultraschallsensor gegenüber liegenden Referenzstelle erfasst. Aus der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor zu der zuordenbaren Referenzstelle und zurück wird die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im kompressiblen Fluid ermittelt. Aus dieser Schallausbreitungsgeschwindigkeit und der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor zum Trennelement und zurück wird dann der jeweilige Abstand des bewegbaren Trennelementes vom stationär angeordneten Ultraschallsensor ermittelt.
  • Die Messungen der Laufzeiten auf der Messstrecke und der Referenzmessstrecke können zeitversetzt oder simultan vorgenommen werden. Insbesondere durch eine simultane Messung wird die Messgenauigkeit verbessert, da bei einer schnellen Bewegung des Trennelements während eines Hubes eine adiabatische Zustandsänderung des kompressiblen Fluids im anderen Medienraum auftreten kann. Beispielsweise kann dessen Temperatur ansteigen, wodurch sich die Schallausbreitungsgeschwindigkeit ändert und so die Messgenauigkeit beeinträchtigt sein kann.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von einem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen Druckspeicher mit einem erfindungsgemäßen Ultraschall-Wegmesssystem; und
    Fig. 2
    den Ultraschallsensor der Fig. 1 in einer vergrößerten Schnittdarstellung.
  • In der Fig. 1 ist ein Ultraschall-Wegmesssystem 1 gezeigt, das bei einem Hydrospeicher 3 mit mindestens einem bewegbaren Trennelement 5 eingesetzt ist, das innerhalb eines Gehäuses 7 zwei Medienräume 9, 11 im Wesentlichen mediendicht voneinander trennt. Der eine Medienraum 9 nimmt ein inkompressibles Fluid, insbesondere in Form von Hydrauliköl und der andere Medienraum 11 ein kompressibles Fluid, insbesondere in Form eines Arbeitsgases, hier Stickstoff (N2), auf. Es wäre aber auch möglich, in den Medienraum 9 ein weiteres kompressibles Fluid einzubringen, beispielsweise in Form von Methan oder Edelgasen, aber auch andere inkompressible Fluide, wie Alkohole oder gar pastöse Fluidmedien. Mittels eines Ultraschallsensors 13 ist die jeweilige Position des bewegbaren Trennelementes 5 innerhalb des Gehäuses 7 erfassbar.
  • In der Fig. 1 weist das Gehäuse 7 ein rohrförmiges Gehäuseteil 15 auf, in das endseitig zwei Deckelteile 17, 19 über Gewindestrecken 21 eingeschraubt sind. Die Deckelteile 17, 19 sind über in Umfangsnuten 23 gehaltene Dichtringe 25 gegenüber dem rohrförmigen Gehäuseteil 15 abgedichtet. Die beiden Deckelteile 17, 19 weisen koaxiale Bohrungen 27, 29 auf, wobei in dem Deckelteil 17, das zum Medienraum 9 mit dem inkompressiblen Fluid führt, ein Anschluss 31 für eine nicht näher gezeigte Fluidleitung eines hydraulischen Kreises vorgesehen ist.
  • Zwischen den Deckelteilen 17, 19 befindet sich das Trennelement 5. Das Trennelement 5 ist aus einem starren Begrenzungskolben gebildet, der innerhalb des Gehäuses 7 in Richtung von dessen Längsachse LA verfahrbar angeordnet ist. Der Begrenzungskolben 5 ist topfförmig ausgebildet, wobei ein Boden 33 in Richtung des einen Medienraums 9 weist. Am Begrenzungskolben 5 sind außenumfangsseitig zwei voneinander beabstandete Nuten 35 vorgesehen, in denen Führungsringe 37 angeordnet sind. Zwischen den Führungsringen 37 ist eine weitere Umfangsnut 39 vorgesehen, in der ein Dichtelement 41 angeordnet ist. Das Trennelement 5 ist zur Erhöhung des Speichervorrats an gasförmigem und insoweit kompressiblem Fluid in der Art eines Topfes oder Troges ausgebildet und weist bodenseitig eine Sammeleinrichtung 43 für inkompressibles Fluid auf, das gegebenenfalls von der Ölseite des Speichers über die Dichtungseinrichtung mit Dichtelement 41 ungewollt auf die Gasseite gelangt. Die Sammeleinrichtung 43 ist insoweit in Form eines zur Längsachse LA ebenfalls koaxialen Sammelbeckens im Begrenzungskolben 5 ausgebildet. Diese Sammeleinrichtung 43 ist damit dem Ultraschallsensor 13 in dessen direkter Schallabstrahlrichtung benachbart gegenüberliegend angeordnet.
  • In das Deckelteil 19, das an den anderen Medienraum 11 angrenzt, ist ein hülsenförmiger Sensorhalter 45 eingesetzt, insbesondere eingeschraubt. Der Sensorhalter 45 weist benachbart zur Außenseite 47 des Deckelteils 19 eine Gewindestrecke 49 und einen verbreiterten Kopf 51 auf. Zwischen dem Kopf 51 und dem Deckelsteil 19 ist ein ringförmiges Dichtelement 53 vorgesehen. Im Innern 55 ist der Sensorhalter 45 hohl, um eine Sensorkammer 57 auszubilden. Das Innere 55 der Sensorkammer 57 ist mittels einer Medienführung 59 medienführend mit dem anderen Medienraum 11 mit dem kompressiblen Fluid in Form des Arbeitsgases verbunden. Die Sensorkammer 57 weist dazu zwischen einem Träger 61 des Ultraschallsensors 13 und der dem Trennelement zugewandten Unterseite 63 des Deckelteiles 19 mehrere Durchlassstellen 59 in Form von Bohrungen auf.
  • Im Deckelteil 19, das an den anderen Medienraum 11 angrenzt, ist der Ultraschallsensor 13 im Sensorhalter 45 gehalten. Der Ultraschallsensor 13 nimmt seine Positionserfassung des Trennelements 5 auf der Seite des anderen Medienraums 11 mit dem kompressiblen Fluid vor. Der Ultraschallsensor 13 ist koaxial zur Längsachse LA des Gehäuses 7 angeordnet. Er ist endseitig in der Sensorkammer 57 aufgenommen. Der Ultraschallsensor 13 ist stationär am Deckelteil 19 derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der Sensorkammer 57 mit der Medienführung 59 mit einem vorgebbaren Überstand U in den anderen Medienraum 11 mit dem kompressiblen Fluid hineinragt und in jeder Verfahrstellung des Trennelementes 5 auf Abstand zu diesem gehalten ist. Hierdurch ist der Ultraschallsensor 13 druckausgeglichen im anderen Medienraum 11 gehalten. Insbesondere kann auch in der obersten Totpunktlage des kolbenartigen Trennelements 5 der Sensor 13, ohne einen Stoß befürchten zu müssen, in der topfartigen Vertiefung des Trennelements 5 mit Sammeleinrichtung 43 aufgenommen werden und dabei Sensormessungen durchführen.
  • Der Ultraschallsensor 13, der in Fig. 2 näher gezeigt ist, weist einen Ultraschallwandler 65 mit einer scheibenförmigen Piezokeramik 66 auf, die auf dem ebenfalls scheibenförmigen Träger 61 durch vollflächige Verklebung angeordnet ist. Der Träger 61 schließt die Sensorkammer 57 in Richtung des anderen Medienraumes 11 mit dem kompressiblen Fluid ab. Hierzu weist der Träger 61 eine Umfangsnut 67 auf, so dass er über einen O-Ring 69 in einer Innenumfangsnut 71 der Sensorkammer 57 sicher gehalten ist. Aufgrund von elektrischer Anregung kann sich die Piezokeramik 66 radial ausdehnen oder zusammenziehen und diese Längenänderung auf den Träger 61 übertragen, so dass sich der Träger 61 periodisch ausgelenkt wird, insbesondere beult und auf diese Weise die gewünschte Schallwelle erzeugt.
  • Im anderen Medienraum 11 ist eine Referenzmesstrecke innerhalb der Sensorkammer vorhanden. Die Referenzmesstrecke wird von zwei stationär zueinander angeordneten Referenzstellen 13, 73 begrenzt. Die eine Referenzstelle ist der Ultraschallsensor 13 selbst und die andere Referenzstelle ist eine Umlenkstelle 73 für das Sensorsignal. Diese Umlenkstelle 73 ist durch eine Begrenzungswand, hier einen Absatz der Innenwand der Sensorkammer 57, gebildet. Die Umlenkstelle 73 und das Trennelement 5 sind damit vorteilhaft auf gegenüberliegenden Seiten des Ultraschallsensors 13 angeordnet. Die Messstrecke und die Referenzstrecke sind daher unabhängig voneinander. Zudem ist die Umlenkstelle 73 an einer geschützten Position vorgesehen, so dass sie nicht vom Trennelement 5 beeinflusst werden kann.
  • Die Sensorkammer 57 ist in der Richtung der Umgebung von einem Glasteil 79, vorzugsweise in Form einer Glasdurchführung, abgedeckt. Über das Glasteil 79 ist der Ultraschallsensor 13 mit einer Steuereinheit 85 über eine Kabelverbindung 83 verbunden.
  • Der Ultraschallsensor 13 wird bei einer vorgebbaren Arbeitsfrequenz betrieben. Diese Frequenz kann zwischen einer niedrigen Frequenz und einer demgegenüber höheren Frequenz gewählt sein. Die insoweit niedrigere Frequenz ist so gewählt, dass eine geringe wellenabhängige Amplitudenmodulation und damit wenig Dispersion auftritt und beträgt insbesondere 100 kHz. Bei der höheren Frequenz ist aufgrund der kürzeren Wellenlänge eine höhere Auflösung bei der Entfernungsmessung möglich. Die höhere Frequenz beträgt vorzugsweise 150 kHz.
  • Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wegmesssystems 1 erläutert. Das Ultraschall-Wegmesssystem 1 ist in einem hydropneumatischen Druckspeicher 3 angeordnet. Durch das Einspeichern eines inkompressiblen oder kompressiblen Mediums in den ersten Medienraum 9 wird das Trennelement 5 innerhalb des Druckspeichers 3 bewegt, um einen Druckausgleich zwischen den Fluiden in den beiden Medienräumen 9, 11 herzustellen. Die Position des Trennelementes 5 ist währenddessen mit dem Ultraschal-Wegmesssystem 1 ermittelbar. Hierzu wird, gesteuert durch die Steuereinheit 85, ein Schallsignal mit dem Ultraschallsensor 13 ausgesendet und die Schallreflektionen an dem Trennelement 5 und an der dem Ultraschallsensor 13 gegenüber liegenden Referenzstelle 73 werden erfasst, so dass die Laufzeiten der reflektierten Schallwellen mit der Steuereinheit 85 ermittelbar sind. Aus der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor 13 zu der zuordenbaren Referenzstelle 73 und zurück wird die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im kompressiblen Fluid des anderen Medienraums 11 ermittelt. Auf Basis dieser Schallausbreitungsgeschwindigkeit und der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor 13 zum Trennelement 5 und zurück kann dann der jeweilige Abstand A des bewegbaren Trennelementes 5 vom stationär angeordneten Ultraschallsensor 13 ermittelt werden.
  • Sollte aus dem einen Medienraum 9 mit dem inkompressiblen Fluid durch einen Spalt 87 zwischen Trennelement 5 und Gehäuse 7 Flüssigkeit in den anderen Medienraum 11 eindringen, so würde diese in die Sammeleinrichtung 43 fließen. Dort verkürzt sie die Messstrecke zwischen dem Ultraschallsensor 13 und dem Trennelement 5. Da jedoch ein Teil der Ultraschallwelle weiterhin am Boden des Trennelements reflektiert wird, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Wegmesssystem 1 vorteilhaft feststellen, ob und wie viel Flüssigkeit in den anderen Medienraum eingedrungen ist, was einen Hinweis auf die nicht mehr hinreichende Dichtheit des Dichtsystems 41 des Trennkolbens 5 gibt und insoweit regelmäßig einen Wartungsvorgang für den Speicher oder gar dessen Austausch im angeschlossenen hydraulischen Kreis (nicht dargestellt) auslöst.
  • Durch die Erfindung wird somit ein besonders vorteilhaftes Ultraschall-Wegmesssystem 1 aufgezeigt. Durch die Messung auf der Gasseite 11 kann die Position des Trennelementes 5 sehr genau erfasst werden, weil sich das Ultraschallsignal lediglich durch ein Fluid hindurch ausbreiten muss. Unabhängig von der Bewegung des Trennelementes 5 sowie der Umgebungsbedingungen finden keine Phasenübergänge in diesem kompressiblen Fluid statt, so dass dahingehende Messfehler nicht berücksichtigt werden müssen. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem kompressiblen Fluid in der Regel um ein Gas handelt, ist der elektrisch angesteuerte Ultraschallsensor 13 stets trocken gelagert, so dass beim Betrieb keine Beeinträchtigung des Ultraschallsensors 13 durch Feuchtigkeit zu befürchten ist. Das Ultraschall-Wegmesssystem 1 ist daher langlebig und wartungsarm. Die für den Ultraschallsensor 13 erforderlichen Komponenten sind zudem relativ kostengünstig erhältlich. Die minimale Wegmessstrecke für den Sensor 13 ist durch die untere Totpunktlage des kolbenartigen Trennelementes 5 gebildet, sobald dieses in Anlage mit der dem Trennelemente 5 zugewandten Oberseite des unteren Deckelteils 19 kommt.
  • Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich dem Grunde nach auch für pneumatische Arbeitszylinder (nicht dargestellt) einsetzen, bei denen die beiden Medienräume 9, 11 von einer Kolben-Stangen-Einheit voneinander separiert sind, wobei die Stange der dahingehenden Einheit auf einer Deckelseite zur Anlenkung an Drittbauteile herausgeführt ist und die beiden Medienräume 9, 11 sind wechselweise zum Hin- und Herbewegen der Kolben-Stangen-Einheit an eine Pneumatikversorgung anschließbar.

Claims (10)

  1. Ultraschall-Wegmesssystem, insbesondere einsetzbar für Hydrospeicher (3) mit mindestens einem bewegbaren Trennelement (5), das innerhalb eines Gehäuses (7) zwei Medienräume (9, 11) vorzugsweise mediendicht voneinander trennt, wobei der eine Medienraum (9) ein kompressibles oder ein inkompressibles Fluid und der andere Medienraum (11) ein kompressibles Fluid, insbesondere in Form eines Arbeitsgases, aufnimmt, wobei mittels mindestens eines Ultraschallsensors (13) die jeweilige Position des bewegbaren Trennelementes (5) innerhalb des Gehäuses (7) erfassbar ist, wobei der jeweilige Ultraschallsensor (13) seine Positionserfassung des Trennelementes (5) auf der Seite des anderen Medienraumes (11) mit dem kompressiblen Fluid vornimmt, wobei in ein Deckelteil (19), das an den anderen Medienraum (11) angrenzt, ein hülsenförmiger Sensorhalter (45) eingesetzt ist, der im Innern (55) hohl ist, um eine Sensorkammer (57) auszubilden, wobei der Ultraschallsensor (1) im Sensorhalter (45) gehalten und endseitig in einer Sensorkammer (57) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (57) mittels einer Medienführung (59) medienführend mit dem anderen Medienraum (11) mit dem kompressiblen Fluid verbunden ist.
  2. Ultraschall-Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (57) in Richtung der Umgebung von einem Glasteil (79), vorzugsweise in der Form einer Glasdurchführung, abgetrennt ist, an die eine Kabelverbindung (83) vom Ultraschallsensor (13) zu einer Steuereinheit (85) angebracht ist.
  3. Ultraschall-Wegmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (13) stationär an einem Deckelteil (19) des Gehäuses (7) derart angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der Sensorkammer (57) mit der Medienführung (59) um einen vorgebbaren Überstand (U) in den anderen Medienraum (11) mit dem kompressiblen Fluid hineinragt und dass in jeder Verfahrstellung des Trennelementes (5) dieses auf Abstand (A) zu dem Ultraschallsensor (13) gehalten ist.
  4. Ultraschall-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (13) einen Ultraschallwandler (65) mit einer Piezokeramik (66), vorzugsweise in Scheibenform, aufweist, die auf einem Träger (61) angeordnet ist, der vorzugsweise die Sensorkammer (57) in Richtung des anderen Medienraumes (11) mit dem kompressiblen Fluid abschließt.
  5. Ultraschall-Wegmesssystem nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (57) zwischen dem Träger (61) und dem Glasteil (79) mindestens eine Durchlassstelle (59) aufweist, die zumindest teilweise die Medienführung bildet.
  6. Ultraschall-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des kompressiblen Fluids eine Referenzmessstrecke vorhanden ist, die von zwei, vorzugsweise stationär zueinander angeordneten Referenzstellen (13, 73) begrenzt ist, von denen die eine aus dem Ultraschallsensor (13) und die andere aus einer vorzugsweise feststehenden Umlenkstelle (73) für das Sensorsignal gebildet ist, die bevorzugt die Form einer Begrenzungswand der Sensorkammer (57) hat.
  7. Ultraschall-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (5) aus einem starren Begrenzungskolben gebildet ist, der innerhalb des Gehäuses (7) in Richtung von dessen Längsachse (LA) verfahrbar angeordnet ist, und dass der Ultraschallsensor (13) koaxial zu dieser Längsachse (LA) angeordnet ist.
  8. Ultraschall-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (5), vorzugsweise in Form des Begrenzungskolbens, eine Sammeleinrichtung (43) für inkompressibles Fluid aufweist, das beim Betrieb des Ultraschall-Wegmesssystems (1) vom Medienraum (9) mit dem inkompressiblen Fluid durch einen Spalt (87) zwischen dem Begrenzungskolben (5) und dem Gehäuse (7) in den anderen Medienraum (11) mit dem kompressiblen Fluid eindringt, und dass die Sammeleinrichtung (43) vorzugsweise in Form eines Sammelbeckens im Begrenzungskolben (5), dem Ultraschallsensor (13) in dessen direkter Schallabstrahlrichtung benachbart gegenüberliegend angeordnet ist.
  9. Ultraschall-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors (13) zwischen einer möglichst niedrigen Frequenz, insbesondere 100 kHz, bei der eine geringe wellenabhängige Amplitudenmodulation durch Dispersion auftritt, und einer demgegenüber höheren Frequenz, insbesondere 150 kHz, bei der bei geringer Wellenlänge eine höhere Auflösung der Entfernungsmessung möglich ist, gewählt ist.
  10. Verfahren zur Ultraschall-Wegmessung mit einem Ultraschall-Wegmesssystem gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7 bis 9, wenn diese Ansprüche 7-9 von Anspruch 6 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallsignal mittels des Ultraschallsensors (13) ausgesendet und die Schallreflektion an dem Trennelement (5) und der dem Ultraschallsensor (13) gegenüberliegenden Referenzstelle (73) erfasst wird, dass aus der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor (13) zu der zuordenbaren Referenzstelle (73) und zurück die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im kompressiblen Fluid ermittelt wird, und dass aus der Schallausbreitungsgeschwindigkeit und der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor (13) zum Trennelement (5) und zurück der jeweilige Abstand (A) des bewegbaren Trennelementes (5) vom stationär angeordneten Ultraschallsensor (13) ermittelt wird.
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