Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Vertikalpositionen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung des vertikalen Abstands von Gegenständen während der Durchführung von Positionieraufgaben mit vertikalem Weganteil.

Eine typische Positionieraufgabe mit vertikalem Weganteil stellt beispielsweise die Positionierung der Aufzugskabine eines Aufzuges im Aufzugsschacht dar. Aufzüge müssen üblicherweise nahezu Millimeter genau positioniert werden, um keine Einstiegskanten oder -stufen am übergang zum Boden des jeweiligen Stockwerks zu erzeugen. Die Steuerung des Aufzuges muss insbesondere erkennen, in welchem Stockwerk der Aufzug sich befindet, um diesen entsprechend dem Steuerbefehl des Benutzers des Aufzuges zu steuern. Zur Positionsbestimmung wurden bisher unterschiedliche Systeme verwendet. So ist die Verwendung von binären Positionssensoren an jedem Stockwerk bekannt, welche dem Aufzug lediglich signalisieren, dass dieser ein Stockwerk erreicht hat und seine Abbremsfahrt beginnen kann. Diese Sensoren haben den Nachteil, dass insbesondere bei einem Stromausfall die Position des Aufzuges nicht mehr exakt bestimmt werden kann und eine lange Referenzfahrt notwendig ist. Des Weiteren ist bekannt, kodierte Schilder und die kodierten Schilder auswertende Lichtschranken an der Aufzugskabine vorzusehen. Diese ermöglichen zwar, dass nach einem Stromausfall nur eine relativ kurze Referenzfahrt notwenig ist, allerdings ist der Aufwand zur

Anbringung der kodierten Schilder im Aufzugsschacht relativ groß. Schließlich ist auch die Verwendung von Drehgebern bekannt, welche in Verbindung mit einem Zahnriemen anhand der Stellung des Antriebsaggregates die absolute Position des Aufzuges erkennen. Allerdings sind der Installationsaufwand, der Platzbedarf und die Kosten dieser Vorrichtung zur Bestimmung von vertikalen Abständen von Gegenständen hoch. Dies gilt auch für gattungsgemäße Vorrichtungen, welche über einen Signaldraht und Ultraschallimpulse die Position einer Aufzugskabine bestimmen .

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des vertikalen Abstands von Gegenständen während der Durchführung von Positionieraufgaben mit vertikalem Weganteil zur Verfügung zu stellen, welche bzw. mit welchem mit geringem apparativen Aufwand eine Vertikalabstandbestimmung auch nach einem Stromausfall auf einfache Weise erfolgen kann.

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens ein erster Drucksensor an einem ersten Gegenstand, mindestens ein zweiter Drucksensor an einem zweiten Gegenstand angeordnet sind und Auswertemittel vorgesehen sind, wobei die Gegenstände während der Durchführung der Positionierung ihre vertikale Position relativ zu einander verändern und über die Auswertemittel aus der Differenz der gemessenen Druckwerte des ersten und des zweiten Drucksensors der vertikale Weganteil zwischen den Positionen der Gegenstände bestimmbar ist.

üblicherweise wird mit den Drucksensoren der Luftdruck gemessen, so dass aus der Differenz der gemessenen Luftdruckwerte über die barometrische Höhenformel der vertikale Abstand zwischen den beiden Drucksensoren und damit der Abstand der Gegenstände zueinander ermittelt werden kann. Durch die Differenzbildung wird insbesondere der Einfluss von Wetter bedingten Luftdruckschwankungen unterdrückt, so dass eine genaue Abstandsbestimmung möglich ist. Darüber hinaus unterliegen beide Drucksensoren üblicherweise einer gleichen Temperaturdrift, so dass auch diese durch die Differenzbildung eliminiert wird. Prinzipiell ist auch denkbar, dass die Drucksensoren andere Differenzdrücke messen, beispielsweise den Druck einer Wassersäule messen, sofern die Positionierung der Gegenstände unter Wasser erfolgt. Im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung von Vertikalpositionen, beispielsweise den Steuervorrichtungen einer Aufzugskabine, führt ein Stromausfall bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zu einem Verlust der vertikalen Position der Aufzugskabine. Vielmehr kann die Vertikalposition der Aufzugskabine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung unmittelbar nach einem Stromausfall genau bestimmt werden, da die Druckdifferenz auch nach dem Stromausfall gleich bleibt. Insbesondere können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch extrem langsam ablaufende Veränderungen des vertikalen Abstandes der Gegenstände, beispielsweise ein langsames Absacken der Aufzugskabine, sicher erkannt werden. Zusätzlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen besonders geringen Platzbedarf und Installationsaufwand aus, da lediglich die Drucksensoren und die Auswertemittel montiert werden müssen.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind Mittel zur Temperaturmessung am ersten und/oder am zweiten Drucksensor vorgesehen. Durch diese Maßnahme kann die Luftdruckmessung über die Temperaturmessung unmittelbar korrigiert werden und die Genauigkeit verbessert werden.

Eine besonders einfache Vorrichtung zur Bestimmung des vertikalen Abstands von Gegenständen kann dadurch erreicht werden, dass der erste Drucksensor an einem ortsfesten Gegenstand angeordnet ist. Der zweite Drucksensor ist dann am relativ zum ersten Gegenstand bewegbar angeordneten zweiten Gegenstand vorgesehen. Beispielsweise kann der erste Drucksensor in der Steuerung eines Aufzuges ortsfest und der zweite Drucksensor in einer Aufzugskabine montiert sein, so dass die vertikale Position der Aufzugskabine relativ zum ersten Drucksensor über die Auswertemittel bestimmbar ist. Der zweite Drucksensor wird vorzugsweise im Inneren der Aufzugskabine angeordnet, um Druckschwankungen aufgrund von in den Aufzugsschacht ein- und ausströmender Luft, beispielsweise aufgrund der Bewegung der Aufzugskabine, zu verringern.

Um die Genauigkeit der Differenzdruckmessung zur Bestimmung von Vertikalpositionen zu verbessern, sind vorzugsweise kapazitive Silizium-Drucksensoren vorgesehen. Diese werden üblicherweise als CMOS-Bauteile ausgebildet, welche insbesondere in der Lage sind, besonders geringe Druckunterschiede zu messen. Vorzugsweise sind in den kapazitiven Silizium-Drucksensoren die Mittel zur Temperaturmessung bereits integriert.

Ist gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform mindestens ein zusätzlicher Positionssensor vorgesehen, dessen Messsignal die Auswertemittel zusätzlich zur Ermittlung des vertikalen Abstands der Gegenstände zueinander verwenden, kann die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Abstandsbestimmung sowie deren Dynamik weiter verbessert werden.

Vorzugsweise sind als zusätzliche Sensoren mindestens ein binärer Positionssensor, mindestens ein

Beschleunigungssensor, mindestens ein Inkrementalgeber und/oder mindestens ein optischer Wegmesssensor vorgesehen. Beispielsweise kann der binäre Positionssensor zur Kalibrierung der Druckmesswerte verwendet werden, sofern die Position des Positionssensors fest vorgegeben ist. Damit wird ermöglicht, beispielsweise mit binären Positionssensoren ausgestattete Aufzüge durch Nachrüstung von Drucksensoren dahingehend zu verbessern, dass diese auch nach einem Stromausfall in relativ kurzer Zeit wieder einsatzfähig sind und langwierige Referenzfahrten vermieden werden. Ein Beschleunigungssensor kann aus dem Beschleunigungssignal der Bewegung eines der Gegenstände über eine zweifache Integration eine Weglänge berechnen und kann daher mit einer höheren Dynamik auf die Bewegungen der Gegenstände reagieren. Gleiches gilt für einen Inkrementalgeber oder einen optischen Wegmesssensor. Letzterer kann den Weg entweder direkt aber auch indirekt über eine Geschwindigkeitsmessung bestimmen.

Vorzugsweise ermöglichen die Auswertemittel die Durchführung einer Selbstüberwachung, so dass die Vorrichtung beispielsweise bei abweichenden Werten des Differenzdrucks vom Wert des zusätzlichen Sensors ein Zustands- oder beispielsweise ein Störungssignal erzeugen

kann. Das Ergebnis der Selbstüberwachung kann beispielsweise auch für die Initiierung einer Korrektur der Messwerte der Drucksensoren verwendet werden.

Zudem ist denkbar, Mittel vorzusehen, welche einen redundanten Betrieb der Vorrichtung ermöglichen, in dem diese ein Umschalten der Abstandsbestimmung aus einer Druckdifferenzmessung unter Verwendung der Drucksensoren auf den zusätzlichen Sensor und umgekehrt durchführen.

Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines vertikalen Abstand von Gegenständen bei der Durchführung von Positionieraufgaben in einem Aufzug, Kran oder Hochregalsystem gelöst. Wie bereits zuvor ausgeführt, bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere in Bezug auf deren Verwendung in Aufzügen, Kränen-, Regaloder Handling-Systemen deutliche Vorteile sobald es zu einem Stromausfall kommt, da über die Differenzdruckmessung eine absolute Vertikalabstandsbestimmung erfolgt, ohne dass eine langwierige Referenzierung erforderlich wird. In Aufzügen kann beispielsweise, wie bereits ausgeführt, ein erster Drucksensor in der Aufzugskabine und ein zweiter standortfest an der Steuerung des Aufzugs vorgesehen sein, so dass über die Differenzdruckmessung die Absolutposition der Aufzugskabine zum Drucksensor an der Steuerung des Aufzuges bestimmt werden kann. Das Gleiche gilt bei Kränen, insbesondere für einen Kranhaken oder auch dessen Schaufel. Regal-Systeme und Handling-Systeme weisen häufig aufzugsähnliche Mittel zur Positionierung auf und müssen ähnliche Positionieraufgaben erfüllen, so dass auch hier der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft

ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet in den genannten technischen Bereichen aber auch in anderen Bereichen in denen Positionieraufgaben mit vertikalem Weganteil erforderlich sind, dass mit geringem apparativem Aufwand eine stromausfallsichere Bestimmung der vertikalen Abstände von Gegenständen ermöglicht wird. Gleichzeitig ist der Platzbedarf und der Installationsaufwand besonders gering.

Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass an einem ersten Gegenstand und an einem zweiten Gegenstand jeweils ein Drucksensor vorgesehen ist und über eine Differenzdruckmessung der vertikale Abstand zwischen beiden Positionen durch Auswertemittel ermittelt wird. Wie schon bereits ausgeführt, kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise der vertikale Abstand der Gegenstände zueinander stromausfallsicher ermittelt werden.

Um die Genauigkeit und die Dynamik der erfindungsgemäßen Bestimmung von vertikalen Abständen zu verbessern, wird zur Korrektur der Abstandsbestimmung zusätzlich ein Messsignal mindestens eines binären Positionssensors, mindestens eines Beschleunigungssensors, mindestens eines Inkrementalgebers und/oder eines optischen Wegmesssensors verwendet. Die genannten, konventionellen Sensoren zur Bestimmung von Vertikalpositionen weisen üblicherweise eine höhere Dynamik und eine bessere Genauigkeit in Bezug auf die vertikale Abstandsbestimmung auf. Allerdings ermöglichen diese erst in Kombination mit der differentiellen Druckmessung eine besonders komfortable, platzsparende und stromausfallsichere Bestimmung des vertikalen Abstands von Gegenständen, da aufgrund der

Druckdifferenzmessung die Position der Gegenstände relativ zueinander auch nach dem Stromausfall bekannt ist.

Eine weitere Erhöhung der Messsicherheit wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens dadurch erreicht, dass das die Auswertemittel unter Verwendung des zusätzlichen Messsignals eine Selbstüberwachung der Sensoren und/oder der gesamten Vorrichtung zur Bestimmung des vertikalen Abstandes von Objekten durchführen. Die Selbstüberwachung kann periodisch und/oder abhängig vom zusätzlichen Messsignal erfolgen.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren weiterzubilden und auszugestalten. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von vertikalen Abständen von Gegenständen am Beispiel eines Aufzuges .

Die Fig. 1 zeigt einen Aufzugschacht 1 mit einer darin enthaltenen Aufzugskabine 2, welche über einen Antrieb 3 in ihrer vertikalen Position verändert wird. Zur Bestimmung der Vertikalposition der Aufzugskabine 2 im Aufzugsschacht ist nun ein erster Drucksensor 4 beispielsweise an der Decke des Aufzugsschachtes vorgesehen und ein zweiter Drucksensor 5 in der Aufzugskabine. über nicht dargestellte Auswertemittel werden die Druckmesswerte der Drucksensoren 4, 5 voneinander subtrahiert. über den Differenzdruck kann der

Abstand aus dem barometrischen Zusammenhang des Luftdruckunterschiedes zwischen der vertikalen Position des ersten Drucksensors 4 und dem in der Auszugskabine 2 angeordneten Drucksensor 5 ermittelt werden. Die Drucksensoren sind üblicherweise als CMOS-Bauteile ausgeführt und können eine Auflösung von bis zu 8 cm in der vertikalen Positionsbestimmung aufweisen. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionierung der Aufzugskabine einerseits binäre Positionssensoren 6 und andererseits ein optischer Wegmesssensor 7 vorgesehen. Die binären Positionssensoren 6 geben ein Steuersignal aus, sobald die Aufzugskabine das Niveau des Positionssensors 6 erreicht. Durch Lichtschranken aber auch durch Näherungssensoren können die binären Positionssensoren realisiert werden.

Das Signal des binären Positionssensors 6 und insbesondere eines optischen Wegmesssensors 7 kann unter Verwendung der nicht dargestellten Auswertemittel zur Durchführung einer Selbstüberwachung genutzt werden, um die Messsicherheit bei der Differenzdruckmessung zu erhöhen. Auch ein Umschalten zwischen den verwendeten Signalen zur Abstandsbestimmung ist zur Durchführung der Redundanz möglich .

Im Falle eines Stromausfalls ist die Position der Aufzugskabine 2 innerhalb des Aufzugsschachtes 1 ohne weiteres schnell wieder bestimmbar, da durch die Differenzmessung zwischen den Drucksensoren 4 und 5 der Abstand beispielsweise zur Decke des Aufzugschachtes 1 einfach ermittelt werden kann. Aufgrund der Positionsangabe nach einem Stromausfall kann über den Antrieb 3 die Aufzugskabine kontrolliert bis zu dem

nächsten Positionssensor 6 gefahren werden, um die genaue Position des Aufzuges zu referenzieren . Eine lang andauernde Referenzfahrt des Aufzuges entfällt insofern. Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte Position des ersten Drucksensors 4 ist hier nur der Einfachheit halber im Schacht des Aufzuges 1 dargestellt. üblicherweise ist dieser Standort nicht optimal, weil es im Aufzugsschacht 1 zu Druckschwankungen aufgrund ein- und ausströmender Luft kommen kann. Der Drucksensor 4 ist daher vorzugsweise in der Nähe der Aufzugssteuerung aber in nicht von Druckschwankungen betroffenen Orten angebracht .

Sind keine binären Positionssensoren 6 vorgesehen, kann auch mit einem optischen Wegmesssensor 7, welcher die Bewegung der Aufzugskabine relativ zur Aufzugsschachtwand misst, eine genaue Position der Aufzugskabine 2 bestimmt werden. Der optische Wegmesssensor 7 kann die Genauigkeit und die Dynamik der Bestimmung der Vertikalposition der Aufzugskabine 2 aufgrund der Druckdifferenzmessung verbessern, wobei dieser beispielsweise die Bewegung der Aufzugskabine 2 relativ zu einer in der Figur nicht dargestellten Führungsschiene des Aufzuges misst. Hierzu können an der Führungsschiene angebrachte Markierungen und/oder Merkmale der Oberfläche der Führungsschiene selbst zur Weglängenbestimmung verwendet werden. Eine Verbesserung der Dynamik der Messung und der Genauigkeit der Abstandsbestimmung kann aber auch mit einem beispielsweise im Antrieb 3 des Aufzuges vorgesehenen, in der Figur nicht dargestellten, Inkrementalgebers in Verbindung mit der Abstandsbestimmung durch die Druckdifferenzmessung zwischen den beiden Drucksensoren 4, 5 erzielt werden.