Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Zustands einer

Kolbendichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.

Eine Kolbendichtung eines Zylinders, insbesondere eines Arbeitszylinders ist aufgrund ihrer Lage zwischen einer Wand des Zylinders und dem Kolben des Zylinders schlecht zugänglich. Zum Überprüfen eines Zustands der

Kolbendichtung ist ein Ausbau des Kolbens erforderlich. Während des

Überprüfens ist der Zylinder nicht verfügbar.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Überwachen eines Zustands einer Kolbendichtung eines Zylinders, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Zylinder mit einer solchen Vorrichtung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen

Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Eine Kolbendichtung berührt eine Wandinnenfläche eines Zylinders. Durch die Berührung sind Schwingungseigenschaften der Wandinnenfläche an einer Kontaktfläche zwischen der Kolbendichtung und der Wandinnenfläche geändert. Eine Position eines Kolbens in einem Zylinder kann unter Verwendung einer in den Zylinder eingekoppelten Schwingung und der Reflexion der Schwingung an der Kontaktfläche erfasst werden. Eine Änderung der Schwingungseigenschaften ist von einem Zustand der Kolbendichtung abhängig. Somit wird der Zustand in der Reflexion und alternativ oder ergänzend in einer Transmission der

Schwingung an der Kolbendichtung vorbei abgebildet. Durch eine Auswertung der Reflexion und alternativ oder ergänzend der Transmission kann auf den Zustand geschlossen werden.

Es wird ein Verfahren zum Überwachen eines Zustands einer Kolbendichtung eines Zylinders vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Durchführen eines Vergleichs zwischen einem in den Zylinder eingekoppelten Schwingungssignal und einem aus dem Zylinder ausgekoppelten, an der

Kolbendichtung reflektierten Reflexionssignal des Schwingungssignals und/oder einem aus dem Zylinder ausgekoppelten, an der Kolbendichtung vorbei transmittierten Transmissionssignal des Schwingungssignals; und Ermitteln eines den Zustand repräsentierenden Zustandswerts unter

Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs.

Unter einem Zylinder kann ein durch eine Zylinderwand umschlossener

Druckraum mit einem darin linear beweglichen Kolben verstanden werden. Der Druckraum ist zumindest einseitig durch einen Zylinderboden verschlossen. Der

Druckraum weist Anschlüsse zum Einleiten und Ausleiten eines Fluids auf.

Beispielsweise kann als Fluid Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft ein- und ausgeleitet werden. Der Kolben weist eine Kolbendichtung zum Abdichten eines Spalts zwischen einer Wandinnenfläche der Zylinderwand und dem Kolben auf. Die Kolbendichtung kann ein Ring aus einem elastischen Material sein. Der Ring ist in der Regel in einer ringförmig um den Kolben umlaufenden Nut angeordnet. Die Kolbendichtung kann auch als Zylinderdichtung bezeichnet werden. Das Material der Kolbendichtung unterliegt einer Alterung. Beispielsweise kann das Material verspröden, abgenutzt werden oder rissig werden. Durch die Alterung ändert sich ein Kontakt zu der Wandinnenfläche. Damit ändern sich auch Reflexionseigenschaften der Kontaktfläche zu der Kolbendichtung. Mit anderen Worten verändert die Alterung einen Klang der Reflexion. Somit kann sich der Zustand beispielsweise auf eine Materialbeschaffenheit, Materialeigenschaft oder Materialform zumindest eines Abschnitts oder Elementes des Zylinders beziehen.

Das Verfahren kann einen Schritt des Beobachtens aufweisen, in dem ein zeitlicher Verlauf des Zustandswerts beobachtet wird, um eine Veränderung des Zustands zu erkennen. Das Material altert schleichend. Durch die Beobachtung über einen längeren Zeitraum kann die Veränderung und damit die Alterung erkannt werden.

Eine Steigung des Verlaufs kann beobachtet werden, um die Veränderung zu erkennen. Wenn der Zustandswert sich sprunghaft ändert, ist es wahrscheinlich, dass sich der Zustand der Kolbendichtung ebenso rasch verändert

beziehungsweise verschlechtert hat.

Ein Frequenzspektrum des Schwingungssignals kann mit einem

Frequenzspektrum des Reflexionssignals und/oder einem Frequenzspektrum des Transmissionssignals verglichen werden. Durch die Alterung können

Frequenzbereiche des Schwingungssignals nicht mehr reflektiert und/oder transmittiert werden. Diese Veränderung kann durch eine spektrale Analyse des Reflexionssignals und/oder des Transmissionssignals erkannt werden.

Eine Sendeleistung des Schwingungssignals kann mit einer Empfangsleistung des Reflexionssignals und/oder einer Empfangsleistung des

Transmissionssignals verglichen werden. Durch die Alterung kann sich der reflektierte Anteil und/oder der transmittierte Anteil der Schwingung verändern. Durch eine Betrachtung eines Verhältnisses von eingekoppelter Leistung zu ausgekoppelter Leistung kann auf den Zustand geschlossen werden.

Das Verfahren kann einen Schritt des Ausgebens aufweisen, in dem ein

Warnsignal ausgegeben wird, wenn der Zustandswert einen Toleranzbereich verlässt. Durch ein Warnsignal kann der Zylinder gewartet werden, bevor die Kolbendichtung versagt. Ebenso kann die Wartung aufgeschoben werden, wenn die Kolbendichtung noch gut ist.

Eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssignal und dem

Reflexionssignal und/oder dem Transmissionssignal kann kompensiert werden, um den Vergleich durchzuführen. Eine Signallaufzeit ist für die Überwachung des Zustands unwichtig. Durch einen phasenrichtigen Vergleich kann ein genaues Ergebnis erreicht werden.

Das Verfahren kann einen Schritt des Einkoppeins des Schwingungssignals in den Zylinder und einen Schritt des Auskoppeins des Reflexionssignals und/oder des Transmissionssignals aus dem Zylinder aufweisen. Zur Signaleinkoppelung kann zumindest ein Schwingungserzeuger und zur Signalauskoppelung zumindest ein Schwingungsaufnehmer verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest ein Schwingungserzeuger auch als

Schwingungsaufnehmer eingesetzt werden.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in

entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.

Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine

Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.

Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.

Weiterhin wird ein Zylinder mit einer Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend

beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Zylinders mit einer Vorrichtung zum

Überwachen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Zustands einer Kolbendichtung eines Zylinders gemäß einem Ausführungsbeispiel;

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren

dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche

Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Zylinders 100 mit einer Vorrichtung 102 zum Überwachen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 102 ist dazu ausgebildet, einen Zustand einer Kolbendichtung 104 des Zylinders 100 zu überwachen. Der Zylinder 100 ist hier ein Arbeitszylinder 100, bei dem eine lineare Bewegung eines Kolbens 106 in einem Innenraum des Zylinders 100 über eine Kolbenstange 108 nach außen übertragen wird. Die Kolbendichtung 104 ist eine ringförmige berührende Dichtung und dichtet durch direkten Kontakt zu einer Zylinderinnenwand 110 des Zylinders 100 und dem Kolben 108 eine erste Druckkammer des Zylinders von einer zweiten Druckkammer des Zylinders ab. Die Kolbendichtung 104 weist ein elastisches Dichtungsmaterial auf. Durch eine Verformung des Dichtungsmaterials zwischen der Zylinderinnenwand 110 und dem Kolben 106 resultiert ein Anpressdruck der Kolbendichtung 104. Die Kolbenstange 108 ist in einem den Innenraum abschließenden Zylinderkopf 112 des Zylinders beweglich gelagert und abgedichtet. Ein Zylinderboden 114 schließt den Innenraum auf der gegenüberliegenden Seite ab.

Der Zylinder 100 kann auch als Speicher ausgeführt sein. Dann ist in einer der Kammern des Zylinders 100 ein kompressibles Medium und/oder eine Feder angeordnet, die durch die aus der anderen Kammer ausgeübte Druckkraft auf den Kolben und/oder eine Zugkraft oder Druckkraft der Kolbenstange 108 komprimiert wird, um Energie zu speichern. Wenn die Druckkraft durch ein in die andere Kammer eingeleitetes Medium ausgeübt wird, kann die Kolbenstange 108 entfallen.

Der Zylinder 100 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel mit

Schwingungserzeugern 116 und Schwingungsaufnehmern 118 ausgestattet. Die Schwingungserzeuger 116 sind dazu ausgebildet, ein elektrisches

Schwingungssignal 120 in eine mechanische Schwingung 122 umzuwandeln und in den Zylinder 100 einzukoppeln. Die Schwingungsaufnehmer 118 sind dazu ausgebildet, eine mechanische Schwingung aus dem Zylinder auszukoppeln und in einem elektrischen Signal 124, 126 abzubilden.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird zumindest ein

Schwingungserzeuger 116 verwendet, der nach entsprechender Ansteuerung nach der Schwingungserzeugung auch als Empfänger dient, sodass eine solche Anordnung auf einen dezidierten Empfänger 118 verzichten kann.

Die eingekoppelte mechanische Schwingung 122 breitet sich mit der

Schallgeschwindigkeit des Zylindermaterials entlang einer Oberfläche der Zylinderinnenwand 110 aus. Dabei wirkt der Schwingung 122 die Impedanz des Zylindermaterials entgegen. Die anliegende Kolbendichtung 104 verändert lokal die Impedanz des Zylindermaterials. Wenn die mechanische Schwingung 122 die Kolbendichtung 104 erreicht, wird ein Teil der Schwingung 122 durch den Impedanzsprung am Ort der Kolbendichtung 104 als Reflexionsschwingung 128 zurückreflektiert. Ein Teil der Schwingung 122 wird an der Kolbendichtung 104 vorbei als Transmissionsschwingung 130 transmittiert.

In einem Ausführungsbeispiel sind zumindest ein Schwingungserzeuger 116 und zumindest ein Schwingungsaufnehmer 118 auf der gleichen Seite des Kolbens 106 angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Reflexionsschwingung 128 an dem auf der Seite des Schwingungserzeugers 116 angeordneten

Schwingungsaufnehmer 118 in einem elektrischen Reflexionssignal 124 abgebildet werden.

In einem Ausführungsbeispiel sind zumindest ein Schwingungserzeuger 116 und zumindest ein Schwingungsaufnehmer 118 auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 106 angeordnet. Durch diese Anordnung kann die

Transmissionsschwingung 130 an einem dem Schwingungserzeuger 116 gegenüberliegenden Schwingungsaufnehmer 118 in einem elektrischen

Transmissionssignal 126 abgebildet werden. Der Schwingungserzeuger 116 und der Schwingungsaufnehmer 118 können weit entfernt voneinander angeordnet sein. Dadurch kann der Kolben 106 innerhalb eines großen Bewegungsbereichs zwischen dem Schwingungserzeuger 116 und dem Schwingungsaufnehmer 118 angeordnet sein.

Die Schwingungserzeuger 116 und/oder die Schwingungsaufnehmer 118 können piezoelektrische Elemente 116, 118 sein. Die piezoelektrischen Elemente 116, 118 wirken je nach Ansteuerung als Schwingungserzeuger 116 beziehungsweise Sender 116 oder als Schwingungsaufnehmer 118 beziehungsweise Empfänger 118. Dabei sind die piezoelektrischen Elemente 116, 118 insbesondere dazu ausgebildet, Schwingungen 122, 128, 130 im Ultraschallbereich zu erzeugen und aufzunehmen.

Die Schwingungserzeuger 116 und/oder die Schwingungsaufnehmer 118 können über je ein Koppelelement auf der Außenseite des Zylinders 100 angeordnet sein. Die Koppelelemente können eine Keilform aufweisen. Dann weisen die Koppelelemente auf einer dem Zylinder 100 zugewandten Seite eine

entsprechend der Zylinderwand 110 gekrümmte Fläche auf. Auf der

gegenüberliegenden Seite weisen die Koppelelemente eine plane Fläche für den Schwingungserzeuger 116 und/oder den Schwingungsaufnehmer 118 auf. Durch die Keilform erfolgt das Einkoppeln und Auskoppeln der Schwingungen 122, 128, 130 gerichtet. Die Koppelelemente können beispielsweise auf den Zylinder 100 geklebt sein.

Die Schwingungserzeuger 116 und/oder die Schwingungsaufnehmer 118 können auch am Zylinderkopf 112 und/oder am Zylinderboden 114 angeordnet sein. Dann können die Schwingungserzeuger 116 und/oder die

Schwingungsaufnehmer 118 als radiale Scherplatten ausgebildet sein.

Da das Dichtungsmaterial der Kolbendichtung 104 altert und/oder beschädigt werden kann, verändert die Alterung und/oder Beschädigung Eigenschaften der Kolbendichtung 104, wie beispielsweise die Härte des Dichtungsmaterials oder eine Kontaktfläche zu der Zylinderwand 110. Die Eigenschaften beeinflussen den Impedanzsprung der Zylinderwand 110. Die Alterung und/oder Beschädigung wird damit in der Reflexionsschwingung 128 und/oder der

Transmissionsschwingung 130 abgebildet.

Die Vorrichtung 102 zum Überwachen des Zustands der Kolbendichtung 104 ist mit den Schwingungserzeugern 116 und den Schwingungsaufnehmern 118 verbunden. Eine Vergleichseinrichtung 132 liest das Schwingungssignal 120 und das Reflexionssignal 124 und/oder das Transmissionssignal 126 ein. In der

Vergleichseinrichtung 132 wird das Schwingungssignal 120 mit dem

Reflexionssignal 124 und/oder dem Transmissionssignal 126 verglichen. Das Schwingungssignal 120 dient dabei als Referenz. Eine Ermittlungseinrichtung 134 ermittelt einen den Zustand der Kolbendichtung 104 repräsentierenden Zustandswert 136 unter Verwendung eines Ergebnisses 138 des Vergleichs.

In einem Ausführungsbeispiel wird in der Vergleichseinrichtung 132 ein

Frequenzspektrum des Schwingungssignals 120 mit einem

Reflexionsfrequenzspektrum des Reflexionssignals 124 und/oder einem

Transmissionsfrequenzspektrum des Transmissionssignals 126 verglichen, um das Ergebnis 138 zu erhalten.

In einem Ausführungsbeispiel wird in der Vergleichseinrichtung 132 eine

Sendeleistung des Schwingungssignals 120 mit einer Empfangsleistung des Reflexionssignals 124 und/oder einer Empfangsleistung des

Transmissionssignals 126 verglichen, um das Ergebnis 138 zu erhalten.

Die Ermittlungseinrichtung 134 kann ein Warnsignal 140 ausgeben, wenn der Zustandswert 136 außerhalb eines Toleranzbereichs liegt.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 102 eine

Beobachtungseinrichtung 142 auf. Die Beobachtungseinrichtung 142 beobachtet einen Verlauf des Zustandswerts 136. Dabei wird der Verlauf über einen größeren Zeitraum beobachtet. Wenn der Zustandswert 136 sich schneller ändert, als ein erwarteter Verlauf, kann ebenfalls das Warnsignal 140 ausgegeben werden.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Zylinder eine Messeinrichtung 144 auf. Die Messeinrichtung 144 ist ebenfalls mit dem Schwingungserzeuger 116 und dem Schwingungsaufnehmer 118 verbunden.

Da sowohl die mechanische Schwingung 122, als auch die

Reflexionsschwingung 128 und die Transmissionsschwingung 130 als

Ausbreitungsgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit des Zylindermaterials der Zylinderwand 110 aufweisen, kann in der Messeinrichtung 144 unter Verwendung des Schwingungssignals 120 und des Transmissionssignals 126 eine Laufzeit zwischen dem Schwingungserzeuger 116 auf der einen Seite des Kolbens 106 und dem Schwingungsaufnehmer 118 auf der anderen Seite des Kolbens 106 bestimmt werden. Da der Abstand zwischen dem

Schwingungserzeuger 116 und dem Schwingungsaufnehmer 118 bekannt ist, können unter Verwendung der Laufzeit Schwankungen der

Schallgeschwindigkeit bestimmt werden.

Unter Verwendung des Schwingungssignals 120 und des Reflexionssignals 124 kann in der Messeinrichtung 144 eine Laufzeit der Schwingung 122 von dem Schwingungserzeuger 116 zu der Kolbendichtung 104 und die Laufzeit der Reflexionsschwingung 128 von der Kolbendichtung 104 zu dem

Schwingungsaufnehmer 118 bestimmt werden. Da die Schallgeschwindigkeit im Material der Zylinderwand 110 bekannt ist und/oder sie bestimmt werden kann, kann auf eine Position des Kolbens 106 im Innenraum des Zylinders 100 geschlossen werden.

Die Laufzeiten können in der Vergleichseinrichtung 132 berücksichtigt werden, um eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssignal 120 und dem Reflexionssignal 124 und/oder zwischen dem Schwingungssignal 120 und dem Transmissionssignal 126 zu kompensieren, um den Vergleich durchzuführen. Mit anderen Worten zeigt Fig. 1 eine beispielhafte Anordnung der Sensoren 116, 118, um sowohl den transmittierten Anteil 130 als auch den reflektierten Anteil 128 der Ultraschallwellen 122 messen und analysieren zu können. Alternativ kann die Messung der Position des Kolbens 106 in dem Zylinder 100 unter Verwendung von magnetostriktiven Sensoren erfolgen, die auf der

Interaktion zweier Magnetfelder zur Erregung einer mechanischen Welle auf einem dedizierten Stab 108 beruhen. Ein solcher Sensor kann bei Zylindern 100 mit einer Kolbenstange 108 verwendet werden. Bei Kolbenspeichern ohne Kolbenstange 108 kann der magnetostriktive Sensor nicht verwendet werden.

Ebenso können magnetische Encoder verwendet werden, die magnetische Strukturen auf der Kolbenstange 108 zählen. Solche Encoder können ebenfalls bei Kolbenspeichern ohne Kolbenstange 108 nicht verwendet werden. Unter Verwendung von Ultraschallsensoren kann die Ausbreitungszeit einer im

Hydraulikmedium eingeprägten Schallwelle gemessen werden. Solche Sensoren sind stark von den akustischen Eigenschaften des Mediums abhängig.

Beispielsweise ändert sich die Schallgeschwindigkeit stark mit der Temperatur. Weiterhin wird eine Funktion der Ultraschallsensoren bei einem Auftreten von Luftblasen beziehungsweise Kavitation in dem Medium eingeschränkt.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz kann die Kolbenposition in dem Zylinder 100 erfasst werden, unabhängig davon, ob eine Kolbenstange 108 vorhanden ist oder nicht, und unabhängig von den Mediumeigenschaften. Weiterhin ist keine dedizierte Bearbeitung des Zylinders 100 erforderlich, da die Sensoren 116, 118 an der äußeren Zylinderwand 110 beziehungsweise auf dem Zylinderkopf 112 oder auf dem Zylinderboden 114 eingebaut werden können.

Bei dem hier vorgestellten Messprinzip können mehrere Ultraschallsensoren 116, 118 in einer sogenannten„Array" Struktur verwendet werden.

Bei Ultraschallarrays können alle Sensoren 116, 118 zeitgleich verwendet werden. Alle Sensoren 116, 118 des Arrays können mit Wellen 120 angesteuert werden, die miteinander kohärent sind, und deren Phasenverschiebung gesteuert wird, um eine definierte Strahlrichtung zu erreichen. Dies erfolgt durch Interferenzbildung der einzelnen abgestrahlten Wellen 122. Dadurch ergeben sich nur in einer Vorzugsrichtung konstruktive Interferenzen, sodass nur Objekte in dieser Vorzugsrichtung detektiert werden.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird die Array Struktur anders angesteuert und ausgeführt. Durch die Art der Ansteuerung und die geometrische Ausführung des Arrays werden destruktive Interferenzen, die sich in der Zylinderwand 110 aufgrund von Mehrfachreflexionen und der Art der Schallausbreitung bilden, vermieden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit beziehungsweise die Reichweite und das Signalrauschverhältnis des Verfahrens erhöht werden.

Die Position des Kolbens 106 in dem Zylinder 100 kann mittels

Ultraschallplattenwellen 122, 128, 130 gemessen werden. Plattenwellen sind geführte Wellen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie sich an der

Schnittstelle zwischen Festkörper 110 und Luft beziehungsweise Fluid ausbreiten, und dass die Wellenenergie in dem Festkörper 110 stark abklingt. Beim Einspeisen einer solchen Welle 122 an der inneren Zylinderwand 110 wird diese Welle 122 an der Kolbendichtung 104 reflektiert. Die Laufzeit der reflektierten Welle 128 dient als Maß für die Kolbenposition. Durch Kenntnis der Gruppengeschwindigkeit der Schallwelle 122, 128 kann die Kolbenposition durch Multiplikation mit der Laufzeit berechnet werden.

Die Ausbreitung einer Plattenwelle 122, 128, 130 in einem Zylinder 100 ist komplex, da die Schallerzeugung nur eine begrenzte Apertur besitzt. Das heißt, dass die Welle 122, 128, 130, die in der Wand 110 entsteht, sich nicht geradeaus linienförmig parallel zur Zylinderachse ausbreitet, sondern verteilt auf der Zylinderwand 110 in verschiedenen Richtungen. Dadurch, dass der Zylinder 100 einen geschlossenen Querschnitt hat, bilden sich Interferenzen, die je nach Position beziehungsweise Laufzeit der Welle 122, 128, 130 konstruktiv oder destruktiv sein können. Insbesondere wenn der Kolben 106 an einem Ort von destruktiven Interferenzen angeordnet ist, kann die Position nicht erfasst werden, da die Kolbendichtung 104 keine Reflexion 128 verursacht, da die Amplitude der Schallwelle 122 an der Stelle null ist. Eine erste Methode, um das Problem der destruktiven Interferenzen zu umgehen, ist die Reichweite des Sensors 116, 118 soweit zu begrenzen, dass in seinem Messbereich keine destruktiven Interferenzen auftreten. Bei einer Erweiterung des Messbereichs können abhängig von der

Zylindergeometrie und von der Ausbreitungscharakteristik der Schallwelle 122 zusätzliche Kosten entstehen, da die Begrenzung der Reichweite nicht aus der verfügbaren Schallleistung resultiert, sondern aus der Lage der destruktiven Interferenzen.

Weiterhin besitzt die Schallwelle 122 in der Umgebung einer destruktiven Interferenz eine geringe Amplitude. Dadurch besitzt die von der Kolbendichtung 104 reflektierte Schallwelle 128 auch eine geringe Amplitude, sodass das Messsignal 124 stark verrauscht ist. Somit sind destruktive Interferenzen nachteilig für ein hohes Signalrauschverhältnis.

Um diese Probleme zu beheben, ist der Einsatz mehrerer Ultraschallsensoren 116, 118 von Vorteil, die eine sogenannte Array- Struktur bilden. Bei einer derartigen Array-Struktur sind die Sensoren 116, 118 nicht entlang der

Zylinderachse verteilt, sondern auf einem Zylinderquerschnitt. Die Sensoren 116.

118 erzeugen kohärente Schallwellen 122, deren Phasenbeziehung derart gewählt ist, dass destruktive Interferenzen vermieden werden. Die Ermittlung dieser Phasenbeziehung ist analytisch und simulativ komplex, sodass

theoretische Berechnungen sinnvollerweise von Messungen ergänzt oder gar ersetzt werden können. Der Ort der zu kompensierenden destruktiven

Interferenzen ist deterministischer Natur und über Temperatur und Alterung weitestgehend stabil. Damit kann die Phasenbeziehung während der Kalibrierung der Sensoren 116, 118 ermittelt werden. Da aber durch den Einsatz zusätzlicher kohärenter Schallsensoren 116, 118 weitere Stellen mit destruktiven

Interferenzen entstehen werden, können die Zusatzsensoren 116, 118 in

Abhängigkeit der erwarteten Kolbenposition eingesetzt beziehungsweise ausgeschaltet werden. Diese Art der Ansteuerung unterscheidet sich maßgeblich von der üblichen Ansteuerung von Array Strukturen. Alternativ dazu können die Zusatzsensoren 116, 118 in nicht jedem Messzyklus angesteuert werden, sondern nur bei Bedarf, wenn der Hauptsensor 116, 118 nur ein schwaches Messsignal 124 empfängt. Eine Entscheidung zur Nutzung der Array Struktur kann durch das Unterschreiten einer Schwelle durch das Messsignal 124 des Hauptsensors 116, 118 erfolgen. Die Rolle des Hauptsensors 116, 118 in der Array Struktur kann veränderbar sein, und kann adaptiv festgelegt werden. Beispielsweise kann der Hauptsensor 116, 118 durch zyklisches, sequenzielles Ansteuern jedes Sensors 116, 118 in dem Array und einer Auswahl des Sensors 116, 118 mit dem stärksten Messsignal bestimmt werden.

Alternativ dazu kann die Array Struktur dafür verwendet werden, mehr

Schallleistung in die Zylinderwand 110 einzuprägen, was bei hohen Dämpfungen vorteilhaft ist. Nur die Erhöhung der Schallleistung erreicht jedoch keine

Auflösung von destruktiven Interferenzen.

Da der geometrische Umfang eines Zylinders 100 je nach Applikation stark variiert, kann die Platzierung mehrerer Sensoren 116, 118 auf einem

Zylinderquerschnitt unmöglich werden. Dann können die Sensoren 116, 118 leicht versetzt entlang der Zylinderachse eingebaut werden. Dies stört die vorgeschlagene Methode nicht, da ein Versatz entlang der Zylinderachse durch eine Anpassung der Phasenbeziehung zwischen den Schallwellen 122 aus den einzelnen Sensoren 116, 118 erfolgen kann.

Weiterhin bietet die Array Struktur Vorteile für die Sensorsicherheit, da die Array Struktur intrinsisch eine Redundanz bietet.

Innerhalb der Array Struktur können die Rollen der Sensoren 116, 118 zwischen Sender 116 und Empfänger 118 im Betrieb gewechselt werden, sodass die Anzahl der Empfänger 118 beziehungsweise der Sender 116 an die Stärke des Messsignals 124 angepasst werden kann.

Die Array Struktur kann nicht nur an der Zylinderwand 110 platzierte Sensoren 116, 118 aufweisen. Auch Sensoren 116, 118, die auf dem Zylinderboden 114 und/oder dem Zylinderkopf 112 platziert sind können verwendet werden.

Eine indirekte Überwachung der Zylinderdichtung 104 ist alternativ über einen Leckagenachweis möglich. Dafür kann das Wegmesssystem 144 und/oder Drucksensoren verwendet werden, die ein Driften der Zylinderposition nachweisen oder Druckveränderungen im eigentlich stationären Zustand erfassen können. Dichtungen 104 können auch direkt durch integrierte

Elektroden-Arrays überwacht werden, was es erlaubt, über eine

frequenzabhängige dielektrische Messung den Zustand des Dichtungsmaterials selbst zu überwachen. Die Kabelführung und die Kontaktierung zur Dichtung 104 sind dabei jedoch sehr schwierig, da vom Zylinderkopf 112 über die

Kolbenstange 108 eine Verbindung nach außen erforderlich ist.

Der hier vorgestellte Ansatz kann zum Condition Monitoring von Zylindern 100 inklusive der Dichtung 104 verwendet werden.

Die Kolbenposition eines hydraulischen oder pneumatischen Zylinders 100 kann ohne weitere Bearbeitung des Zylinders 100 erfasst werden. Dies geschieht über auf die Zylinderwandung 110 angebrachte Ultraschallsender 116 und Empfänger 118, die Oberflächenwellen 122 auf der Zylinderinnenwand 110 erzeugen. Diese Wellen 122 werden an der Dichtung 104 aufgrund eines Impedanzsprunges reflektiert und über die Laufzeit lässt sich die Position bestimmen.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird der Zustand der Zylinderdichtung 104, wie beispielsweise Materialversprödung, Risse oder Fehlstellen durch Einsatz der gleichen Sensortechnik 116, 118 bestimmt.

Es wird eine Zustandsüberwachung der Dichtung 104 ermöglicht, um

beispielsweise rechtzeitige und geplante Wartungen durchführen zu können, Sicherheit zu gewährleisten, beispielsweise bei Leckage bei Druckspeichern, oder autonomen Betrieb zu ermöglichen. Dabei ist die Lösung ohne Bearbeitung von Zylinder 100, Kolben 106 oder Kolbenstange 108 nachrüstbar.

Die Oberflächenwellen 122 werden an der Dichtung 104 teilweise reflektiert, andere Anteile 130 transmittiert. Diese Anteile 128, 130 sind abhängig vom Impedanzsprung beim Übergang zum Dichtungsmaterial. Die Impedanz des Materials ist wiederum abhängig vom Zustand des Materials.

Zustandsänderungen des Materials, die sich beispielsweise durch Versprödung, Risse und Fehlstellen ergeben, werden im reflektierten Anteil 128 und transmittierten Anteil 130 der Ultraschallwellen 122 abgebildet. Durch eine Datenanalyse, die langfristige (Versprödung) und kurzfristige (Fehlstellenbildung) Änderungsprozesse berücksichtigt, können so Aussagen über eine

Zustandsänderung der Dichtung 104 gemacht werden. Bei starken Änderungen kann beispielsweise eine Warnung 140 an das System gegeben werden, das System zu stoppen und eine Inspektion durchzuführen.

Die Auswertung kann durch eine Messung der Energien im reflektierten Signal 124 und/oder transmittierten Signal 126 im Vergleich zum emittierten Signal 120 erfolgen. Auch Änderungen im Frequenzspektrum der erfassten Signale 124, 126 können Rückschlüsse zulassen. Die Auswertung kann über längere Zeiträume mittein, da die Änderungsvorgänge in der Regel langsam sind.

Bezüglich des Sensoraufbaus sind verschiedenen Anordnungen möglich. Zudem können Sensoren 116 und Empfänger 118 auch so angeordnet sein, dass im Betrieb immer wieder Sender 116 und Empfänger 118 beidseitig der Dichtung 104 vorhanden sind. Mit dieser Anordnung lässt sich auch der transmittierte Anteil 130 messen und analysieren. Auch die Positionsanalyse in der

Messeinrichtung 144 wird dadurch verbessert.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Überwachen eines Zustands einer Kolbendichtung eines Zylinders gemäß einem

Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann auf einer Vorrichtung zum

Überwachen, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren weist einen Schritt 200 des Durchführens und einen Schritt 202 des Ermitteins auf. Im Schritt 200 des Durchführens wird ein Vergleich zwischen einem in den Zylinder eingekoppelten Schwingungssignal und einem aus dem Zylinder ausgekoppelten, an der Kolbendichtung reflektierten Reflexionssignal des Schwingungssignals und/oder einem aus dem Zylinder ausgekoppelten, an der Kolbendichtung vorbei transmittierten Transmissionssignal des

Schwingungssignals durchgeführt. Im Schritt 202 des Ermitteins wird ein den Zustand repräsentierender Zustandswert unter Verwendung eines Ergebnisses des Vergleichs ermittelt. In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren einen Schritt 204 des Einkoppeins und einen Schritt 206 des Auskoppeins aus, wobei im Schritt 204 des Einkoppeins eine durch das Schwingungssignal angeregte mechanische Schwingung in den Zylinder eingekoppelt wird und im Schritt 206 des

Auskoppeins eine an der Kolbendichtung reflektierte Reflexionsschwingung in dem Reflexionssignal und/oder eine an der Kolbendichtung vorbei transmittierte Transmissionsschwingung in dem Transmissionssignal ausgekoppelt wird.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das

Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.