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 ε _Γ und den Dimensionen des Zylinders. Die Dielektrizitätskonstante s _r 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 ε _Γ genau zu bestimmen. Daher kommen in bekannten kontaktlosen Messverfahren Schätzungen der Dielektrizitätskonstante s _r zum 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 ε _Γ in die Messung einfließt, in der Genauigkeit dadurch eingeschränkt wird, das die Dielektrizitätskonstante ε _Γ 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 ε _Γ 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 ε _Γ 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 s _r 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.