Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Signal- und/oder Energieübertragung über eine flexible fluidische

Schlauchleitung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Signal- und/oder Energieübertragung über eine flexible fluidische Schlauchleitung, deren Endbereiche mit fluidischen Anschlusselementen versehen sind beziehungsweise in solchen Anschlusselementen gehalten sind, und an oder in deren Leitungswandung wenigstens zwei elektrische Leiter integriert sind.

Eine aus der EP 1330610 Bl bekannte Vorrichtung dieser Art weist fluidische Anschlusselemente auf, die an den Enden solcher flexibler Schlauchleitungen angebracht werden. Diese Anschlusselemente besitzen zur endseitigen Stirnseite der einzusteckenden Schlauchleitung hin weisende Kontaktspitzen, die beim Einstecken der Schlauchleitung in das jeweilige Anschlusselement in die elektrischen Leiter eindringen und den elektrischen Kontakt herstellen. Bei diesen bekannten

Vorrichtungen hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass infolge der durch fluidische Druckstöße verursachten mechanischen Belastungen und Schwingungen die Kontaktspitzen Relativbewegungen zur Schlauchleitung erfahren, die zur Folge haben, dass die elektrische Verbindung mit der Zeit nicht mehr zuverlässig existiert .

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der auch nach längerem Gebrauch die elektrische Verbindung noch zuverlässig und sicher und unbeeinflusst s von mechanischen Belastungen und Schwingungen vorliegt .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst .

Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfin- lo dungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Signal- und/oder Energieübertragung zwischen der Schlauchleitung und deren elektrischen Leitern einerseits und dem jeweiligen Anschlusselement andererseits kontaktlos, nämlich induktiv, erfolgt . Bewegungen der Schlauchleitung im Anschlusselement i5 haben somit keinen Einfluss mehr auf die elektrische übertragung, sodass diese auch bei längerem Gebrauch noch sicher funktioniert. Die in den beiden Endbereichen der Schlauchleitung angeordneten und mit deren Leitern jeweils verbundenen induktiven Spulen bewegen sich bei eventuellen Druckstößen 20 oder fluidischen Schwingungen zusammen mit der Schlauchleitung, sodass die elektrischen Verbindungen keine Relativbewegungen erfahren, wenn sich die Schlauchleitung im Anschlusselement bewegt .

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind 25 vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 7 angegebenen Vorrichtung möglich.

Das elektrische Ein- und/oder Auskuppeln von zu übertragenden Signalen oder zu übertragender Energie erfolgt in vorteilhaf- o ter Weise transformatorisch, wozu vorzugsweise die Spule in

der Schlauchleitung zusammen mit einer im oder am entsprechenden Anschlusselement angeordneten weiteren Spule jeweils einen transformatorischen übertrager bildet.

Zur Erhöhung der Energieeffizienz und zur Miniaturisierung 5 der Steckverbindung werden Sende- und Empfängerspule, also die beiden Spulen in den Endbereichen der Schlauchleitung, mit hochpermeablen Kernen mit niedrigen Verlustfaktoren versehen. Die Kerne sind so gestaltet, dass sie im Fluidstrom einen möglichst geringen Strömungswiderstand darstellen und lo insbesondere als Flachkerne ausgebildet sind.

In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Anschlusselemente aus einem magnetisch permeablen Material hergestellt, wobei der Kern insbesondere mit einem sich zur Innenwandung des jeweiligen Anschlusselements erstreckenden Jochglied versehen i5 ist, sodass die jeweilige Spule beziehungsweise der jeweilige übertrager einen möglichst geschlossenen Kern mit möglichst geringen Luftspalten aufweist. Der Kern und das damit verbundene Jochglied sind dabei zur Verringerung des Strömungswiderstands als dünnes Plättchen oder Platine in Flachbauweise

20 ausgebildet .

In einer ersten Ausgestaltung der Signalübertragung wird an die weitere Spule des einen Anschlusselements ein jeweiliger Sensor angeschlossen, dessen Signal übertragen werden soll, und an die weitere Spule des anderen Anschlusselements wird 25 eine einen Innenwiderstand aufweisende Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen, wobei Mittel zur Erfassung und Auswertung des Spannungsabfalls an diesem Innenwiderstand vorgesehen sind.

Weist die Sensoreinrichtung einen sich bewegenden Permanent- 3o magneten auf, so kann in vorteilhafter Weise auch zur elek-

trischen Signaleinkopplung ein hochpermeabler Kern der induktiven Spule mittels des Magneten ganz oder teilweise in die Sättigung getrieben werden, bzw. der Kern weist in Anhängigkeit der sich verändernden Position des Magneten eine teil- s weise bis zu einer vollständigen Sättigung auf. Die weitere Spule kann dann auf dieser Seite der Schlauchleitung entfallen.

Schließlich kann zur elektrischen Signalübertragung auch das Signal, insbesondere ein Sensor- oder Steuersignal, mittels lo Amplituden-, Phasen-, Frequenz- oder Pulsmodulation an einem Anschlusselement aufmoduliert und am anderen Anschlusselement demoduliert werden.

Zur elektrischen Signal- und/oder Energieübertragung wird bevorzugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen i5 10 kHz und 100 kHz verwendet. Dies dient ebenfalls zur Erhöhung der Energieeffizienz. Geringere Frequenzen hätten unverhältnismäßig große Spulen mit niedriger Güte zur Folge, während höhere Frequenzen wegen der Ummagnetisierungsverluste und der Abstrahlung elektromagnetischer Energie zu vermeiden

20 sind. Außerdem liegen höhere Frequenzen im Radiofrequenzbereich und würden zu unzulässigen Funkstδrungen führen. Darüber hinaus führt die Verwendung von Frequenzen im vorgeschlagenen Frequenzbereich zu einem relativ geringen Aufwand, da die erforderlichen elektronischen Schaltkreise millionen-

25 fach in Schaltnetzteilen für Computer und ähnlichem verwendet werden.

Die Verbindung der elektrischen Spule in der Schlauchleitung mit deren Leitern erfolgt über mit der Spule verbundene Kontaktelemente, zum Beispiel Kontaktspitzen oder Kontakt- 0 zungen. Da sich die Spule zusammen mit der Schlauchleitung im Falle von fluidischen Stößen oder Vibrationen bewegt, besteht

keine Gefahr von sich verschlechternden elektrischen Kontakten.

Zur Stromversorgung von angeschlossenen Aktoren oder Sensoren wird die insbesondere transformatorisch übertragene Wechsels- s pannung gleichgerichtet, wozu vorzugsweise ohnehin vorhandene Verpolschutzdioden dienen können. Die Speicherung der gewonnenen Gleichspannung kann ebenfalls in ohnehin vorhandenen Siebkondensatoren erfolgen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung lo dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Vorrichtung zur elektrischen Signal- und/oder Energieübertragung über eine flexible Schlauchleitung mit endseitig angebrachten Anschlusselementen i5 als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 einen mit einem fluidischen Anschlusselement versehenen fluidischen Zylinder mit einer Spule im Anschlusselement zur magnetischen Sensierung der Kolbenposition,

20 Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines fluidischen

Anschlusselements, wobei die Spule über Kontakt- spitzen mit den elektrischen Leitern der Schlauchleitung verbunden ist, im Längsschnitt,

Figur 4 die in Figur 3 dargestellte Schlauchleitung im 25 Querschnitt im Bereich der Kontaktspitzen,

Figur 5 den Endbereich einer Schlauchleitung mit über

Kontaktzungen kontaktierter Spule im Längsschnitt und

Figur 6 die in Figur 5 dargestellte Schlauchleitung im Querschnitt im Bereich der Kontaktzungen.

Bei dem in Figur l dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden freien Endbereiche einer flexiblen fluidischen Schlauchleitung 10 mit fluidischen Anschlusselementen 11 versehen, von denen eines in Figur 3 vergrößert dargestellt ist. Fluidische Anschlusselemente, wie sie beispielsweise aus dem eingangs angegebenen Stand der Technik bekannt sind, dienen dazu, die Schlauchleitung 10 zum einen fluidisch mit einer Druckquelle und zum anderen mit einem fluidischen Verbraucher, wie einem Ventil, einem Linearantrieb, einem Arbeitszylinder und dergleichen, zu verbinden. Hierzu werden die Anschlusselemente 11 in entsprechende fluidische Steckaufnahmen eingesteckt oder - falls sie mit einem Außengewinde versehen sind - eingeschraubt. Derartige Steck- und Schraubverbindungen sind in vielen Variationen bekannt.

Die Schlauchleitung 10, wie sie in Figur 4 im Querschnitt dargestellt ist, besitzt zwei integrierte elektrische Leiter 12, die in sich radial nach innen erstreckenden leistenförmi- gen Erhebungen 13 verlaufen. Ein T-förmiges flaches Plättchen 14 dient als Spulenträger und Kernträger und ist beispiels- weise nach Art einer Leiterplatte ausgebildet. Der leisten- förmige lineare Bereich des Plättchens 14 trägt eine induktive Spule 15, und ein quer dazu verlaufender Querzweig 16 liegt jeweils mit seinen Enden an der Stirnfläche der Schlauchleitung 10 so an, dass zwei Kontaktspitzen 17 in die leistenförmigen Erhebungen 13 eingreifen und den elektrischen Kontakt mit den elektrischen Leitern 12 herstellen. Die

beiden Enden der Spule 15 sind über beispielsweise als Leiterbahnen ausgebildete Leiter mit den beiden Kontaktspitzen 17 verbunden.

Das Plättchen 14, das heißt der die Spule 15 tragende lineare Bereich und der Querzweig 16, sind mit einem hochpermeablen Kernmaterial mit niedrigem Verlustfaktor versehen. Dieses Kernmaterial ist entweder in Form einer Beschichtung oder Laminierung aufgebracht oder das Plättchen 14 besteht insgesamt aus einem solchen Kernmaterial. Dieses Kernmaterial kann ein amorphes, kristallines oder nanokristallines Magnetmaterial sein, wobei auch ein Ferritmaterial oder ein kunststoffgebundenes Ferritmaterial möglich ist . Die Anschlusselemente 11 selbst bestehen ebenfalls aus einem hochpermeablen Kernmaterial beziehungsweise aus einem Material mit guter magne- tischer Permeabilität, sodass die Spule 15 von einem möglichst geschlossenen Kern bei möglichst geringen Luftspalten umschlossen ist .

Das T-förmige Plättchen 14 ist so flach ausgebildet, dass es einen möglichst geringen Strömungswiderstand für das durch- strömende Fluid bildet.

Jedes Anschlusselement 11 besitzt einen rohrförmigen Anschlussbereich 18 zum Einstecken und zum Verbinden mit einer nicht dargestellten fluidischen Einrichtung. Falls der Anschlussbereich 18 mit einem Außengewinde versehen ist, er- folgt die Verbindung durch Einschrauben. Eventuell erforderliche Abdichtungen sind zur Vereinfachung nicht dargestellt . An den Anschlussbereich 18 schließt sich einstückig ein Aufnahmebereich 19 zur Aufnahme des Endbereichs der Schlauchleitung 10 an. Die mit dem Plättchen 14 und der Spule 15 versehene und kontaktierte Schlauchleitung 10 wird in den Aufnahmebereich 19 eingesteckt und dichtend verklemmt . Hierzu

können bekannte Klemmvorrichtungen dienen, wie sie beispielsweise im eingangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben sind. Bei geringem Druck kann auch ein einfaches Einstecken und Fixieren durch Reibung oder eventuelle Klebe- mittel ausreichen.

Der Aufnahmebereich 19 ist außen mit einer weiteren induktiven Spule 20 versehen, die zusammen mit der inneren Spule 15 einen induktiven übertrager nach Art eines Transformators bildet. Dieser übertrager funktioniert prinzipiell auch ohne Kern bzw. Kernmaterial mit reinen Luftspulen.

Die übertrager an den beiden Anschlusselementen 11 dienen zusammen mit den elektrischen Leitern 12 in der Schlauchleitung 10 zur übertragung von Energie beziehungsweise Versorgungsspannungen und/oder zur übertragung von Signalen, wie Sensorsignalen und Steuersignalen. Dies wird gemäß Figur 1 in Verbindung mit einem beispielsweise als Zweidrahtsensor ausgebildeten Sensor 21 erläutert. Es gilt in gleicher Weise für andere Sensoren und Aktoren.

Eine Spannungsversorgungseinrichtung 22 erzeugt eine Wech- selspannung im Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 100 kHz. Diese Wechselspannung wird transformatorisch von der äußeren Spule 12 des linken Anschlusselements 11 auf die innere Spule 15 übertragen und gelangt über die elektrischen Leiter 12 in der Schlauchleitung 10 zur inneren Spule 15 des rechten Anschlusselements 11, von wo aus eine übertragung auf dessen äußere Spule 20 erfolgt. Die dann am Sensor 21 anliegende Wechselspannung wird mittels der üblicherweise in einem Zweidrahtsensor integrierten Verpolschutzdiode gleichgerichtet, um die ebenfalls dort regelmäßig vorhandenen Siebkonden- satoren aufzuladen, die dann zur Spannungsversorgung des Sensors 21 dienen. Falls ein Sensor ohne Verpolschutzdiode

und ohne Siebkondensatoren vorliegen sollte, so müssten diese Elemente noch zusätzlich vorgesehen werden, wobei auch andere Energiespeicher, wie Akkus, dienen können. Ein zusätzlicher Kondensator 23 ist parallel zur äußeren Spule 20 geschaltet, der allerdings optional ist.

Die übertragung des Sensorsignals des Sensors 21 erfolgt in umgekehrter Richtung in entsprechender Weise. Die Spannungs- versorgungseinrichtung 22 weist einen Innenwiderstand auf, der merklich vom Wert Null verschieden ist . An diesem Wider- stand fällt eine messbare Spannung ab, sobald der Sensor 21 schaltet oder seinen Innenwiderstand erniedrigt, was selbstverständlich auch in umgekehrter Weise erfolgen kann. Dieser Spannungsabfall oder diese Spannungsveränderung am Innenwiderstand der Spannungsversorgungseinrichtung 22 wird in der Auswerteeinrichtung 24 erfasst und in ein entsprechendes

Sensorsignal umgewandelt und gegebenenfalls weitergeleitet .

Alternativ hierzu kann die übertragung von Sensorsignalen und Steuersignalen auch durch Amplituden-, Phasen-, Frequenzoder Pulsmodulation erfolgen, wobei die jeweiligen Signale auf die übertragungsfrequenz aufmoduliert und auf der jeweils anderen Seite demoduliert werden. Die Auswerteeinrichtung 24 ist bei dieser Ausführung als Modulations- und/oder Demodula- tionsstufe ausgebildet.

Gemäß Figur 2 wird ein besonders einfaches und kostengünsti- ges übertragungsverfahren für Sensorsignale verwendet, das dort zur Erfassung der Endlagenposition eines Kolbens 25 in einem fluidischen Zylinder 26 dient. Ein Anschlusselement 11 ist an einem Endbereich des Zylinders 26 über eine Anschlussaufnahme 27 mit dem einen Zylinderraum 28 verbunden und dient zunächst der fluidischen Zuleitung. Das Anschlusselement 11 benötigt bei dieser Ausführung keine äußere induktive Spule

20, sondern lediglich die innere, mit der Schlauchleitung 10 verbundene Spule 15. Der Kolben 25 ist mit einem Permanentmagneten 29 versehen. Der Kern der Spule 15 wird durch das Magnetfeld des Permanentmagneten 29 bei entsprechender Annä- herung ganz oder teilweise in die Sättigung getrieben. Als Folge davon wird der Innenwiderstand der Spule 15 erniedrigt. Wie bereits beschrieben, führt diese Widerstandsveränderung zu einem Spannungsabfall in der Spannungsversorgungseinrichtung 22, der als Sensorsignal ausgewertet werden kann.

Die beschriebenen Verfahren zur Signalübertragung und Energieübertragung lassen sich auch zur kontaktlosen übertragung an drehenden Wellen oder zur kontaktlosen übertragung von Positionssensorsignalen in der Zylindernut eines Arbeitszylinders einsetzen. Der Sensor besteht dabei lediglich aus der beschriebenen Spule mit ferromagnetischem Kern, während die Senderspule aus einer langen Spule besteht, die in die Zylindernut eingelegt ist.

Anstelle der gemäß den Figuren 3 und 4 beschriebenen Kontak- tierung der inneren Spule 15 mit den elektrischen Leitern 12 in der Schlauchleitung 10 kann diese Kontaktierung auch gemäß der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführung erfolgen. Ein modifiziertes T-förmiges flaches Plättchen 30 trägt wiederum die Spule 15 und besitzt einen entsprechenden Querzweig 31 als Jochglied. Von diesem Querzweig 31 aus erstrek- ken sich parallel zum linearen Trägerbereich für die Spule 15 verlaufende, einander gegenüberliegende Kontaktzungen 32, die jeweils gegenüberliegend an der Innenseite der Schlauchleitung 10 verlaufende flächige Kontaktbereiche als elektrische Leiter 33 aufweisen, an denen die Kontaktzungen 32 anliegen. Zur besseren Kontaktierung können diese noch mit nicht dargestellten Kontaktzahnen oder Kontaktkanten versehen sein.

Es gibt auch Ausführungen von Schlauchleitungen 10, bei denen ein flächiger elektrischer Leiter an der Innenseite und ein flächiger elektrischer Leiter an der Außenseite angebracht ist. Die Kontaktelemente des jeweiligen Plättchens müssen entsprechend der jeweiligen Anordnung und Form der elektrischen Leiter ausgestaltet werden.