WO2013120631A1 - Messvorrichtung und verfahren zum messen eines abstands in einem hohlkörper und hohlkörper mit dieser messvorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung und verfahren zum messen eines abstands in einem hohlkörper und hohlkörper mit dieser messvorrichtung Download PDF

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WO2013120631A1
WO2013120631A1 PCT/EP2013/050009 EP2013050009W WO2013120631A1 WO 2013120631 A1 WO2013120631 A1 WO 2013120631A1 EP 2013050009 W EP2013050009 W EP 2013050009W WO 2013120631 A1 WO2013120631 A1 WO 2013120631A1
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WO
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hollow body
distance
measuring
electromagnetic wave
reflected
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Application number
PCT/EP2013/050009
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English (en)
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Inventor
Uwe Wostradowski
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2013120631A1 publication Critical patent/WO2013120631A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
    • 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
    • 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
    • F15B15/2869—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using electromagnetic radiation, e.g. radar or microwaves

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device for measuring a distance in a hollow body, in particular in a hydraulic cylinder, a hollow body and a method.
  • measuring devices For detecting the position of a piston in fluidic linear drives and in pneumatic see or hydraulic cylinders usually measuring devices are used for measuring distances.
  • the position of the piston may be discrete, depending on the measuring device used. only at some points of the cylinder length, or continuously detected.
  • a discrete position detection sensors are usually used which are sensitive to magnetic fields.
  • a magnet is e.g. on one
  • Piston attached to a cylinder and at the individual measuring points in each case a sensor is used, which detects the presence of the magnet in the sensor receiving area.
  • the resolution is to be increased in such a discrete method, the number of sensors used must be increased. Furthermore, holes or mounting options for the individual sensors must be provided on the cylinder and a vote of the sensor on the respective magnet is required.
  • Install sensor For example, one must follow the LVDT principle working measuring system to introduce a hole in the piston of the cylinder, in which a metal rod can pass.
  • contactless measuring methods have been developed which do not require moving measuring elements on the piston of the cylinder.
  • an electric wave is excited by an electrode in the cylinder and the reflection of the electric wave on the piston of the cylinder is detected.
  • the distance measurement may e.g. by measuring the amplitude and the phase of a reflected wave or the reflection factor of a reflected wave at different frequencies.
  • the phase of the reflection factor is dependent on the field geometry in the cylinder, since electromagnetic waves propagate at different field geometries at different speeds.
  • the field geometry in turn depends on the dielectric constant ⁇ ⁇ and the dimensions of the cylinder.
  • the dielectric constant s r is a quantity that itself depends on a variety of factors such as frequency, temperature, pressure and the mixture of media in the cylinder. Consequently, it is very difficult - or almost impossible - to accurately determine the dielectric constant ⁇ ⁇ . Therefore, in known contactless measuring methods, estimates of the dielectric constant s r are used.
  • Such a measuring device is shown for example in DE 10 2007 020 046 A1.
  • the present invention discloses a measuring device with the features of claim 1, a hollow body having the features of claim 5 and a method having the features of claim 6.
  • a hollow body in particular a hydraulic cylinder, with a hollow body, with a movable piston, which is arranged in the hollow body, and with a measuring device according to one of the preceding claims.
  • a method for measuring a distance in a hollow body comprising the steps of feeding an electromagnetic wave into the hollow body such that at least two different modes arise in the hollow body, detecting an electromagnetic wave reflected in the hollow body for each of the different modes, and determining the distance between the ends of the hollow body from the detected reflected electromagnetic wave.
  • the finding underlying the present invention is that a measurement of the distance in a hollow body by a method in which the dielectric constant ⁇ ⁇ is included in the measurement is limited in accuracy by the fact that the dielectric constant ⁇ ⁇ are not determined exactly can.
  • the propagation of an electromagnetic wave in a hollow body is determined by the extent of propagation.
  • the extent of propagation itself is in turn determined by the field geometry, that is, for example, by the modes with which the electromagnetic wave is fed into the hollow body. So there is a fixed connection between the mode and the extent of propagation. Since the field geometries of the different modes are known, so are the ratios of the propagation measures in each case purely excited modes known. If the fields within the wood cylinder are considered in relation to each other, then those components of the measurement are eliminated which depend on the dielectric constant ⁇ ⁇ or other environmental conditions.
  • the measurement of a reflected electromagnetic wave within a hollow body at different modes thus enables a distance measurement within the hollow body, which is independent of the dielectric constant s r .
  • the feed device is designed to feed an electromagnetic wave into the hollow body at at least two different frequencies.
  • the drive means is adapted to drive the feed device such that arise in the hollow body at least two different modes at each of the different frequencies. This makes it possible to further increase the accuracy of the measurement.
  • the evaluation device is designed to detect a reflected complex stress in the hollow body at each of the modes and / or frequencies and to determine the distance between the ends of the hollow body based on the detected complex stresses.
  • measurements are made at the same boundary conditions, since then errors due to varying boundary conditions (frequency, geometry, position of the piston, temperature, pressure, dielectric properties of the mixture) on the
  • Measurements are avoided. In a further embodiment, the same carried out early at different modes measurements. In yet another embodiment, the following measurements take place in quick succession.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of a measuring device 1 according to the invention
  • Fig. 2 is a block diagram of an embodiment of a hollow body according to the invention
  • FIG. 3 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention.
  • the measuring device 1 in FIG. 1 has a feed device 2, which is designed to hold an electromagnetic wave 3 in a suitably selected frequency range. rich in a cylinder 10 feed. Furthermore, the measuring device 1 has a drive device 4, which is designed to control the feed device 2 in such a way that at least two different modes of the electromagnetic wave 3 are produced in the hollow body 10.
  • TM01 mode can be generated in a waveguide by inserting a single rod-shaped conductor at one end of the waveguide.
  • a TM11 mode can be created by inserting two rod-shaped conductors at one end of the waveguide.
  • a TE1 1 mode to be generated this can be generated by the introduction of a rod-shaped conductor through the side wall of the waveguide.
  • Other possibilities for generating certain modes in a waveguide are also known.
  • the control device 4 is further designed to control the feed device 2 such that the two different modes of the electromagnetic wave 3 are produced in a series of different types in the hollow body.
  • the drive device 4 is furthermore designed to control the feed device 2 in such a way that the two different modes of the electromagnetic wave 3 are produced in each case at the same time in the hollow body at the same time.
  • the feed device 2 is designed as an HF feed device 2 (high-frequency feed device) which has an electromagnetic wave 3 with a frequency between 50 MHz and 250 GHz, in particular also with a frequency between 350 MHz and 1 GHz, and in particular also a frequency between see 1 GHz and 6 GHz fed into the hollow body 10.
  • the electromagnetic wave is generated in the control device 4.
  • the measuring device 1 also has a detection device 5, which is designed to detect an electromagnetic wave 6 reflected in the hollow body 10 for each of the different modes.
  • Detector 5 is formed as part of an RF sensor (high frequency sensor) which amplifies, filters, downmixes the reflected electromagnetic wave 6 as needed, performs appropriate signal conditioning for analog to digital conversion, and thus detects electromagnetic wave 6.
  • RF sensor high frequency sensor
  • the detection device 5 is formed integrally with the feed device 2 as a feed and a decoupling.
  • this feed and extraction has, for example, a directional coupler which serves to separate the propagating electromagnetic wave 3 from the received reflected electromagnetic wave 6.
  • the measuring device 1 has an evaluation device 7 which is designed to determine the distance between the ends of the hollow body 10 from the detected reflected electromagnetic waves 6 belonging to the respectively set modes and frequencies.
  • the evaluation device 7 may be designed, for example, as a microcontroller 7, which is connected to e.g. an analog / digital converter included in the detection device 5 or which is designed to detect the reflected electrical in the already prepared in unit 5 electromagnetic waves 6 by means of the analog / digital converter and the necessary calculations for determining the Distance to perform in the hollow body.
  • the evaluation device 7 is not designed as a microcontroller 7 but as an application-specific integrated circuit (ASIC) or as a configurable logic device (FPGA), which are likewise coupled to the detection device 5 via an analog / digital converter or analog to internally available ADCs ,
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA configurable logic device
  • the digitized complex time signal series present in the evaluation device 7 are converted in a first step into the amount and phase averaged over the duration of the measurement. For each measurement, such a complex value (voltage vector) is now available.
  • the phase position of a pointer is the ambiguous measure of the position of the piston or the distance of the piston to the cylinder bottom, if the propagation is known.
  • the difference is formed from two phase signals, and in the case where this difference is smaller than zero, 2 * PI is added.
  • This method is very simple to perform, but has limitations because measurement errors in the phases fully affect the final result.
  • a modified vernier method is also used in which the value of a variable to be measured is determined from two phase signals by weighted addition and the further addition of an angle range-dependent constant.
  • This method is characterized in that measuring errors in the phase signals is significantly reduced. Without a calibration of the system, further reflection points arising from contact points and transitions would be included in the calculation. Now these complex values must be corrected by suitable factors. There are a variety of methods known to determine the required factors. Among other things, this can be done by calibration in the factory or by calibration standards in the sensor at appropriate times.
  • FIG. 2 shows a block diagram of an embodiment of a hollow body 10 according to the invention.
  • the hollow body 10 shown in FIG. 2 has a hollow body 12, which forms the guide for a movable piston 11, which is arranged in the hollow body 12.
  • the hollow body 10 in FIG. 2 has a measuring device 1 according to the invention.
  • the hollow body 12 in FIG. 2 has a round cross section (not explicitly shown). In further embodiments, the hollow body 12 may have a square, elliptical or oval cross section or the like.
  • the piston 11 is not a movable piston 11 but a rigid piston 1 1.
  • the hollow body 12 slides as a movable element on the rigid piston 1 1, which serves as a guide element for the hollow body 12 in this case.
  • piston 11 and hollow body 12 are rigidly coupled together and not moveable relative to each other.
  • the hollow body 10 is a closed hollow body 10 without movable elements. In such cases
  • the measuring device 1 according to the invention can be detachably connected to the hollow body and serve to check the length of the hollow body in a quality assurance process.
  • the hollow body 10 may be formed in one embodiment, in particular as a cylinder 10.
  • the hollow body 10 is designed as a hydraulic cylinder 10, which is driven by means of a hydraulic system. In this case, by hydraulic pressure, the length of the cylinder 10 can be varied by the movable
  • Piston 11 of the cylinder 10 is moved in the cylinder 10.
  • a cylinder 10 can serve as an actuator element of an industrial plant and drive, for example, a robot arm or a positioning device.
  • 3 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention.
  • a first step S1 an electromagnetic wave is fed into the hollow body 10 in such a way that at least two different modes of the electromagnetic wave 10 are produced in the hollow body 10.
  • a second step S2 an electromagnetic wave 6 reflected in the hollow body 10 is detected for each of the different modes.
  • the distance between the ends of the hollow body 10 is determined from the detected reflected electromagnetic wave 6.
  • the first step consists of at least two partial steps, in which the electromagnetic wave 3 is fed in such a way that one of the at least two modes is produced in the hollow body 10.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Messvorrichtung zum Messen eines Abstands in einem Hohlkörper, insbesondere in einem hydraulischen Zylinder, mit einer Einspeisevorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine elektromagnetische Welle in den Hohlkörper einzuspeisen, mit einer Ansteuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Einspeisevorrichtung derart anzusteuern, dass in dem Hohlkörper mindestens zwei unterschiedliche Moden entstehen, mit einer Erfassungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine in dem Hohlkörper reflektierte elektromagnetische Welle für jede der unterschiedlichen Moden zu erfassen und mit einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, aus den erfassten reflektierten elektromagnetischen Wellen den Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers zu bestimmen. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung einen Hohlkörper und ein Verfahren.

Description

Beschreibung
Titel
MESSVORRICHTUNG UND VERFAHREN UM MESSEN EINES ABSTANDS IN EINEM HOHLKÖRPER UND HOHLKÖRPER MIT DIESER MESSVORRICHTUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zum Messen eines Ab- stands in einem Hohlkörper, insbesondere in einem hydraulischen Zylinder, einen Hohlkörper und ein Verfahren.
Stand der Technik
Zur Detektion der Position eines Kolbens in fluidischen Linearantrieben und in pneumati- sehen bzw. hydraulischen Zylindern werden üblicherweise Messvorrichtungen zum Messen von Abständen eingesetzt. Dabei kann die Kolbenposition in Abhängigkeit von der eingesetzten Messvorrichtung diskret, d.h. lediglich an einigen Punkten der Zylinderlänge, oder kontinuierlich erfasst werden. Bei einer diskreten Positionserfassung werden üblicherweise Sensoren eingesetzt, welche empfindlich auf magnetische Felder reagieren. Dabei wird ein Magnet z.B. auf einem
Kolben eines Zylinders angebracht und an den einzelnen Messpunkten jeweils ein Sensor eingesetzt, der das Vorhandensein des Magneten in dem Sensorempfangsbereich detek- tiert.
Soll bei einem solchen diskreten Verfahren die Auflösung erhöht werden, muss die Anzahl der eingesetzten Sensoren erhöht werden. Ferner müssen an dem Zylinder Bohrungen oder Befestigungsmöglichkeiten für die einzelnen Sensoren vorgesehen werden und eine Abstimmung des Sensors auf den jeweiligen Magneten ist erforderlich.
Zur kontinuierlichen Positionserfassung werden z.B. potentiometrisch arbeitende Messsysteme oder auch nach dem LVDT-Prinzip (Linear Variable Differential Transformer)
arbeitende Systeme eingesetzt. Bei solchen Systemen wird die Kolbenposition üblicherweise kontinuierlich als analoge Spannung ausgegeben. Bei diesen Systemen ist es not- wendig, ein Messelement auf dem Kolben anzubringen und an dem Zylinder selbst einen
Messaufnehmer zu installieren. Beispielsweise muss bei einem nach dem LVDT-Prinzip arbeitenden Messsystem eine Bohrung in den Kolben des Zylinder eingeführt werden, in welcher eine Metallstab verlaufen kann.
Um den konstruktiven Aufwand zu reduzieren, der mit den oben genannten Messverfah- ren einhergeht, wurden kontaktlose Messverfahren entwickelt, welche keine beweglichen Messelemente auf dem Kolben des Zylinders benötigen.
Bei solchen kontaktlosen Messverfahren wird üblicherweise eine elektrische Welle durch eine Elektrode in dem Zylinder angeregt und die Reflexion der elektrischen Welle an dem Kolben des Zylinders erfasst. Die Abstandsmessung kann z.B. durch Messen der Amplitude und der Phase einer reflektierten Welle bzw. des Reflexionsfaktors einer reflektierten Welle bei unterschiedlichen Frequenzen erfolgen.
Die Phase des Reflexionsfaktors ist dabei abhängig von der Feldgeometrie im Zylinder, da sich elektromagnetische Wellen bei unterschiedlichen Feldgeometrien unterschiedlich schnell ausbreiten. Die Feldgeometrie wiederum ist abhängig von der Dielektrizitätskonstante εΓ und den Dimensionen des Zylinders. Die Dielektrizitätskonstante sr ist eine Größe, die selbst von einer Vielzahl von Faktoren, wie z.B. Frequenz, Temperatur, Druck und dem Mediengemisch in dem Zylinder abhängt. Folglich ist es sehr schwer - oder fast unmöglich - die Dielektrizitätskonstante εΓ genau zu bestimmen. Daher kommen in bekannten kontaktlosen Messverfahren Schätzungen der Dielektrizitätskonstante srzum Einsatz.
Eine solche Messvorrichtung ist beispielsweise in der DE 10 2007 020 046 A1 gezeigt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , einen Hohlkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und ein Ver- fahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Messvorrichtung zum Messen eines Abstands in einem Hohlkörper, insbesondere in einem hydraulischen Zylinder, mit einer Einspeisevorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine elektromagnetische Welle in dem Hohlkörper anzuregen, mit einer Ansteuerein- richtung, welche dazu ausgebildet ist, die Einspeisevorrichtung derart anzusteuern, dass in dem Hohlkörper mindestens zwei unterschiedliche Moden entstehen, mit einer Erfassungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine in dem Hohlkörper reflektierte elektrische Welle für jede der unterschiedlichen Moden zu erfassen, und mit einer Auswerteein- richtung, welche dazu ausgebildet ist, aus der erfassten reflektierten elektrischen Welle den Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers zu bestimmen.
Ein Hohlkörper, insbesondere hydraulischer Zylinder, mit einem Hohlkörperkörper, mit einem beweglichen Kolben, welcher in dem Hohlkörperkörper angeordnet ist, und mit ei- ner Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche.
Ein Verfahren zum Messen eines Abstands in einem Hohlkörper, insbesondere in einem hydraulischen Zylinder, mit den Schritten Einspeisen einer elektromagnetischen Welle in den Hohlkörper, derart, dass in dem Hohlkörper mindestens zwei unterschiedliche Moden entstehen, Erfassen einer in dem Hohlkörper reflektierten elektromagnetischen Welle für jede der unterschiedlichen Moden, und Bestimmen des Abstands zwischen den Enden des Hohlkörpers aus der erfassten reflektierten elektromagnetischen Welle.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine Messung des Abstands in einem Hohlkörper durch ein Verfahren, bei welchem die Dielektrizitätskonstante εΓ in die Messung einfließt, in der Genauigkeit dadurch eingeschränkt wird, das die Dielektrizitätskonstante εΓ nicht exakt bestimmt werden kann.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit bereitzustellen, bei welcher die Dielektrizitätskonstante εΓ die Messung des Abstandes in einem Hohlkörper nicht beeinflusst.
Die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in einem Hohlkörper ist durch das Ausbreitungsmaß bestimmt. Dabei ist das Ausbreitungsmaß selbst wiederum von der Feldgeometrie, also z.B. von den Moden, bestimmt mit welchen die elektromagnetische Welle in den Hohlkörper eingespeist wird. Es besteht also ein fester Zusammenhang zwischen Mode und Ausbreitungsmaß. Da die Feldgeometrien der unterschiedlichen Moden bekannt sind, sind damit auch die Verhältnisse der Ausbreitungsmaße bei jeweils rein angeregten Moden bekannt. Werden die Felder innerhalb des Holzylinders im Verhältnis zueinander betrachtet, dann werden diejenigen Bestandteile der Messung eliminiert, welche von der Dielektrizitätskonstante εΓ oder anderen Umgebungsbedingungen abhängen.
Die Messung einer reflektierten elektromagnetischen Welle innerhalb eines Hohlkörpers bei unterschiedlichen Moden ermöglicht also eine Abstandsmessung innerhalb des Hohlkörpers, welche unabhängig von der Dielektrizitätskonstante sr ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform ist die Einspeisevorrichtung dazu ausgebildet, eine elektromag- netische Welle in den Hohlkörper bei mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen einzuspeisen. Ferner ist die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet, die Einspeisevorrichtung derart anzusteuern, dass in dem Hohlkörper mindestens zwei unterschiedliche Moden bei jeder der unterschiedlichen Frequenzen entstehen. Dies ermöglicht es, die Genauigkeit der Messung weiter zu steigern.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, eine reflektierte komplexe Spannung in dem Hohlkörper bei jeder der Moden und/oder Frequenzen zu erfassen und basierend auf den erfassten komplexen Spannungen den Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers zu bestimmen.
Zur Bestimmung des Abstands kann als Grundlage ein Noniusverfahren, das mit mehreren Frequenzen arbeitet, verwendet werden. Die Auswahl der Frequenzen bestimmt sich einerseits aus offensichtlichen Bedingungen wie Auflösung von Mehrdeutigkeiten sowie von speziellen Ausführungen des Signalverarbeitungsverfahrens zur Vereinfachung des Rechenalgorithmus. Allen Verfahren liegt jedoch die Kenntnis des Ausbreitungsmaßes zur gewählten Frequenz und zum gewählten Ausbreitungsmode zu Grunde.
In einer Ausführungsform werden Messungen bei den selben Randbedingungen durchgeführt, da dann Fehler durch variierende Randbedingungen (Frequenz, Geometrie, Lage des Kolbens, Temperatur, Druck, dielektrische Eigenschaften des Gemischs) auf die
Messungen vermieden werden. In einer weiteren Ausführungsform werden dabei gleich- zeitig bei verschiedenen Moden Messungen durchgeführt. In noch einer Ausführungsform finden schnell nacheinander folgende Messungen statt.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Imp- lementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 eine Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 ; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1. Die Messvorrichtung 1 in Fig. 1 weist eine Einspeisevorrichtung 2 auf, welche dazu ausgebildet ist, eine elektromagnetische Welle 3 in einem passend gewählten Frequenzbe- reich in einen Zylinder 10 einzuspeisen. Ferner weist die Messvorrichtung 1 eine Ansteu- ereinrichtung 4 auf, welche dazu ausgebildet ist, die Einspeisevorrichtung 2 derart anzusteuern, dass in dem Hohlkörper 10 mindestens zwei unterschiedliche Moden der elektromagnetischen Welle 3 entstehen.
Zur Erregung einer bestimmten Mode bedarf es einer physikalischen Abstrahlanordnung, welche in dem Hohlleiter das elektrische oder magnetische Feld der gewünschten Wellenform teilweise oder vollständig nachahmt. Zu Erzeugung bestimmter Moden sind unterschiedliche Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann eine TM01 Mode in einem Hohlleiter durch das Einbringen eines einzelnen stabförmigen Leiters an einem Ende des Hohlleiters erzeugt werden.
Eine TM11 Mode kann beispielsweise durch das Einbringen zweier stabförmiger Leiter an einem Ende des Hohlleiters erzeugt werden.
Soll eine TE1 1 Mode erzeugt werden, kann diese durch das Einbringen eines stabförmigen Leiters durch die Seitenwand des Hohlleiters erzeugt werden. Weitere Möglichkeiten zum Erzeugen bestimmter Moden in einem Hohlleiter sind ebenfalls bekannt.
Die Ansteuereinrichtung 4 ist ferner dazu ausgebildet, die Einspeisevorrichtung 2 derart anzusteuern, dass die zwei unterschiedlichen Moden der elektromagnetischen Welle 3 sortenrein nacheinander in dem Hohlkörper entstehen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die die Ansteuereinrichtung 4 ferner dazu ausgebildet, die Einspeisevorrichtung 2 derart anzusteuern, dass die zwei unterschiedlichen Moden der elektromagnetischen Welle 3 jeweils sortenrein gleichzeitig in dem Hohlkörper entstehen.
Die Einspeisevorrichtung 2 ist in einer Ausführungsform als eine HF-Einspeisevorrichtung 2 (Hochfrequenz-Einspeisevorrichtung) ausgebildet, welche eine elektromagnetische Welle 3 mit einer Frequenz zwischen 50 MHz und 250 GHz, insbesondere auch mit einer Frequenz zwischen 350 MHz und 1GHz, und insbesondere auch mit einer Frequenz zwi- sehen 1 GHz und 6 GHz in den Hohlkörper 10 einspeist. Die elektromagnetische Welle wird dabei in der Ansteuereinrichtung 4 erzeugt.
Die Messvorrichtung 1 weist ferner eine Erfassungseinrichtung 5 auf, welche dazu ausge- bildet ist, eine in dem Hohlkörper 10 reflektierte elektromagnetische Welle 6 für jede der unterschiedlichen Moden zu erfassen.
Die Erfassungseinrichtung 5 ist als ein Teil eines HF-Sensors (Hochfrequenz-Sensor) ausgebildet, welcher die reflektierte elektromagnetische Welle 6 nach Bedarf verstärkt, filtert, heruntermischt, eine passende Signalkonditionierung für eine Analog- /Digitalwandlung vornimmt und somit die elektromagnetische Welle 6 erfasst.
In einer Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung 5 integral mit der Einspeisevorrichtung 2 als eine Einspeisung und Auskopplung ausgebildet. Dabei weist diese Einspei- sung und Auskopplung z.B. einen Richtkoppler auf, welcher dazu dient, die ausgesendete bzw. hinlaufende elektromagnetische Welle 3 von der empfangenen reflektierten elektromagnetischen Welle 6 zu trennen. Dies ermöglicht einen kompakten und einfachen Aufbau einer solchen Sende-/Empfangsvorrichtung. Schließlich weist die Messvorrichtung 1 eine Auswerteeinrichtung 7 auf, welche dazu ausgebildet ist, aus den zu den jeweils eingestellten Moden und Frequenzen gehörenden erfassten reflektierten elektromagnetischen Wellen 6 den Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers 10 zu bestimmen. Dabei kann die Auswerteeinrichtung 7 beispielsweise als Mikrocontroller 7 ausgebildet sein, welcher mit z.B. einem in der Erfassungseinrichtung 5 enthaltenen Analog-/Digital- Wandler kommuniziert oder welcher dazu ausgebildet ist, die reflektierten elektrischen in der in Einheit 5 bereits aufbereiteten elektromagnetischen Wellen 6 mittels des ana- log/digital-Wandlers zu erfassen und die notwendigen Berechnungen zur Bestimmung des Abstandes in dem Hohlkörper durchzuführen.
In weiteren Ausführungsformen ist die Auswerteeinrichtung 7 nicht als Mikrocontroller 7 sondern als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder als konfigurierbarer Logikbaustein (FPGA) ausgebildet, welche ebenfalls über einen analog-/digital- Wandler oder analog an intern vorhandene ADCs mit der Erfassungseinrichtung 5 gekoppelt sind. Die in der Auswerteeinrichtung 7 vorliegenden digitalisierten komplexen Zeitsignalreihen werden in einem ersten Schritt in den über die Messdauer gemittelten Betrag und Phase umgewandelt. Für jede Messung ist nun ein solcher komplexer Wert (Spannungszeiger) vorhanden. Die Phasenlage eines Zeigers ist das nicht eindeutige Maß für die Lage des Kolbens bzw. des Abstands des Kolbens zum Zylinderboden, falls das Ausbreitungsmaß bekannt ist.
Daher wird beim klassischen Noniusverfahren hierbei die Differenz aus zwei Phasensig- nalen gebildet, wobei für den Fall, dass diese Differenz kleiner als Null ist, 2*PI addiert wird. Dieses Verfahren ist sehr einfach durchzuführen, hat aber Einschränkungen, da Messfehler in den Phasen voll auf das Endergebnis durchschlagen.
Daher wird auch ein modifiziertes Noniusverfahren eingesetzt, bei welchem aus zwei Phasensignalen durch gewichtete Addition und die weitere Addition einer winkelbereichs- abhängigen Konstanten der Wert einer zu messenden Größe bestimmt wird. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Messfehler in den Phasensignalen deutlich verringert wird. Ohne eine Kalibration des Systems würden weitere Reflexionsstellen, die durch Kontaktstellen und Übergänge entstehen, mit in die Rechnung eingehen, müssen jetzt diese komplexen Werte durch passende Faktoren korrigiert werden. Es sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt um die benötigten Faktoren zu bestimmen. Unter anderem kann dies durch Kalibration im Werk oder durch Kalibrationsnormale im Sensor zu passenden Zeit- punkten getan werden.
Zur weiteren Bestimmung des Abstands reichen bei bekannten Ausbreitungsmaß theoretisch 2 passende Frequenzen, die sich aus der gewünschten Messgenauigkeit und der maximalen abzudeckenden Messstrecke ergeben. In der Praxis werden jedoch mehr Frequenzpunkte benötigt, was wiederum durch die verfügbare Messzeit begrenzt ist.
Da das Ausbreitungsmaß jedoch nicht bekannt ist, muss ein weiterer Korrekturfaktor bestimmt werden, um den korrekten Abstand berechnen zu können. Dazu werden die Messungen bei verschiedenen, jedoch im Verhältnis zueinander bekannten Moden bei sonst gleichen Randbedingungen benötigt. Die so bestimmten Spannungszeiger weichen in ihrer Lage und Amplitude nach Korrektur der system-internen Fehler (Stoßstellen usw.) gemäß der Verhältnisse der verwendeten Moden zueinander ab. Es sind hier jedoch auch Mehrdeutigkeiten vorhanden, da die Phase nur über 360° eindeutig zu zuordnen ist. Diese Mehrdeutigkeiten werden jedoch durch die Messung bei verschiedenen Frequenzen behoben.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgenäßen Hohlkör- pers 10.
Der in Fig. 2 gezeigte Hohlkörper 10 weist einen Hohlkörperkörper 12 auf, welcher die Führung für einen beweglichen Kolben 11 bildet, welcher in dem Hohlkörperkörper 12 angeordnet ist. Schließlich weist der Hohlkörper 10 in Fig. 2 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 auf.
Der Hohlkörperkörper 12 in Fig. 2 weist einen runden Querschnitt (nicht explizit dargestellt) auf. In weiteren Ausführungsformen kann der Hohlkörperkörper 12 einen quadratischen, elliptischen oder ovalen Querschnitt oder dergleichen aufweisen.
In noch weiteren Ausführungsformen ist der Kolben 11 kein beweglicher Kolben 11 sondern ein starrer Kolben 1 1. In solchen Fällen gleitet der Hohlkörperkörper 12 als bewegliches Element über den starren Kolben 1 1 , welcher in diesem Fall als Führungselement für den Hohlkörperkörper 12 dient. In noch weiteren Ausführungsformen sind Kolben 11 und Hohlkörperkörper 12 starr miteinander gekoppelt und nicht gegeneinander beweglich angeordnet. In weiteren Ausführungsformen ist der Hohlkörper 10 ein geschlossener Hohlkörper 10 ohne bewegliche Elemente. In solchen Fällen
kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 beispielsweise lösbar mit dem Hohlkörper verbunden sein und dazu dienen, die Länge des Hohlkörpers in einem Qualitätssiche- rungsprozess zu überprüfen.
Der Hohlkörper 10 kann in einer Ausführungsform insbesondere als Zylinder 10 ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist der Hohlkörper 10 als hydraulischer Zylinder 10 ausgebildet, welcher mittels eines Hydrauliksystems angetrieben wird. Dabei kann durch hydraulischen Druck die Länge des Zylinders 10 variiert werden, indem der bewegliche
Kolben 11 des Zylinders 10 in dem Zylinder 10 bewegt wird. Beispielsweise kann solch ein Zylinder 10 als Aktorelement einer Industrieanlage dienen und z.B. einen Roboterarm oder eine Positioniervorrichtung antreiben. Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird eine elektromagnetische Welle in den Hohlkörper 10, derart eingespeist, dass in dem Hohlkörper 10 mindestens zwei unterschiedliche Moden der elektromagnetischen Welle 10 entstehen. In einem zweiten Schritt S2 wird eine in dem 5 Hohlkörper 10 reflektierte elektromagnetische Welle 6 für jede der unterschiedlichen Moden erfasst. In einem letzten Schritt S3 wird der Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers 10 aus den erfassten reflektierten elektromagnetischen Welle 6 bestimmt.
Der erste Schritt besteht in einer Ausführungsform aus mindestens zwei Teil-Schritten, in l o denen die elektromagnetische Welle 3 derart eingespeist wird, dass jeweils eine der mindestens zwei Moden in dem Hohlkörper 10 entsteht.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh-rungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise 15 modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Messvorrichtung (1) zum Messen eines Abstands in einem Hohlkörper (10), insbesondere in einem hydraulischen Zylinder (10), mit einer Einspeisevorrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, eine elektromagnetische Welle (3) in dem Hohlkörper (10) anzuregen; mit einer Ansteuereinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist, die Einspeisevor- richtung (2) derart anzusteuern, dass in dem Hohlkörper (10) mindestens zwei unterschiedliche Moden entstehen; und mit einer Erfassungseinrichtung (5), welche dazu ausgebildet ist, eine in dem Hohlkörper (10) reflektierte elektromagnetische Welle (6) für jede der unterschied- liehen Moden zu erfassen; mit einer Auswerteeinrichtung (7), welche dazu ausgebildet ist, aus den erfassten reflektierten elektromagnetischen Wellen (6) den Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers (10) zu bestimmen.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Einspeisevorrichtung (2) dazu ausgebildet ist, die elektromagnetische Welle (3) in den Hohlkörper (10) bei mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen einzuspeisen; und wobei die Ansteuereinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, die Einspeisevorrichtung (2) derart anzusteuern, dass in dem Hohlkörper (10) mindestens zwei unterschiedliche Moden bei jeder der unterschiedlichen Frequenzen entstehen.
3. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Auswerteeinrichtung (7) dazu ausgebildet ist, eine reflektierte komplexe Spannung in dem Hohlkörper (10) bei jeder der Moden zu erfassen und basierend auf den erfassten Spannungen den Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers (10) zu bestimmen.
4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinrichtung (7) dazu ausgebildet ist basierend auf der Phasenlage der erfassten Spannungen den Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers (10) zu bestimmen.
5. Hohlkörper (10), insbesondere hydraulischer Zylinder (10), mit einem Hohlkörperkörper (12); mit einem beweglichen Kolben (1 1), welcher in dem Hohlkörperkörper (12) angeordnet ist; und mit einer Messvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
6. Verfahren zum Messen eines Abstands in einem Hohlkörper (10), insbesondere in einem hydraulischen Zylinder (10), mit den folgenden Schritten:
Einspeisen (S1) einer elektromagnetischen Welle in den Hohlkörper (10), derart, dass in dem Hohlkörper (10) mindestens zwei unterschiedliche Moden entstehen;
Erfassen (S2) einer in dem Hohlkörper (10) reflektierten elektromagnetischen Welle (6) für jede der unterschiedlichen Moden;
Bestimmen (S3) des Abstands zwischen den Enden des Hohlkörpers (10) aus den erfassten reflektierten elektromagnetischen Wellen (6).
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei die elektromagnetische Welle (3) in den Hohlkörper (10) bei mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen derart eingespeist wird, dass in dem Hohlkörper (10) mindestens zwei unterschiedliche Moden bei jeder der unterschiedlichen Frequenzen entstehen.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 6 und 7,
wobei beim Erfassen der in dem Hohlkörper (10) reflektierten elektromagnetischen Welle (6) eine reflektierte komplexe Spannung in dem Hohlkörper (10) bei jeder der Moden erfasst wird und basierend auf den erfassten reflektierten komplexen Spannungen der Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers (10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8,
wobei der Abstand zwischen den Enden des Hohlkörpers (10) basierend auf der Phasenlage der erfassten komplexen Spannungen bestimmt wird.
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