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Dokumentenidentifikation DE202006001807U1 12.07.2007
Titel Meßanordnung mit Magnet
Anmelder Sensor-Technik Wiedemann GmbH, 87600 Kaufbeuren, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Pfister & Pfister, 87700 Memmingen
DE-Aktenzeichen 202006001807
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 12.07.2007
Registration date 06.06.2007
Application date from patent application 02.02.2006
IPC-Hauptklasse G01B 7/02(2006.01)A, F, I, 20060202, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 7/14(2006.01)A, L, I, 20060202, B, H, DE   F15B 15/28(2006.01)A, L, I, 20060202, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zum Messen der aktuellen Position des Kolbens eines Hubzylinders. In vielen Fällen des Maschinenbaus ist es interessant, die Positionsmessung direkt mit dem Zylinder zu koppeln und keine zusätzlichen externen Meßgeräte einsetzen zu müssen. Ein häufiger Grund ist, daß externe Messgeräte bei den oft sehr rauhen Einsatzbedingungen leicht beschädigt werden könnten, ein anderer, daß eine serienmäßige Ausstattung von Hubzylindern mit der Meßtechnik typischerweise günstiger in der Herstellung sind, als die Herstellung und Verarbeitung von getrennten Komponenten.

Eine Schwierigkeit dabei ist insbesondere, daß in den Hydraulikzylindern relativ aggressive Öle und typischerweise große Drücke auftreten, die den Einsatz von Elektronik erschweren und, daß die Information über die Position durch eine druckfeste Wand durchgeführt werden muß. Auch muß die Elektronik im Inneren zudem irgendwie mit elektrischer Energie versorgt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Meßanordnung vorzuschlagen, die auch in abgeschlossenen Räumlichkeiten, wie zum Beispiel einem druckbeaufschlagbaren Innenraum eines Arbeitszylinders einsetzbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Meßanordnung, wobei sich ein Magnet aufgrund einer zu messenden Größe bewegt oder positioniert und diese Bewegung beziehungsweise Positionierung von einem Sensor erfaßt wird und zwischen Magnet und Sensor eine insbesondere nicht magnetisierbare Trennwand vorgesehen ist. Diese Trennwand ist dabei zum Beispiel die Begrenzungswand des abgeschlossenen Raumes, zum Beispiel eines mit Druck beaufschlagbaren Innenraumes eines Arbeitszylinders. Die Magnetfeldlinien durchdringen die Trennwand und eine Änderung der Magnetfeldliniendichte oder der Stärke des Magnetfeldes, zum Beispiel durch die Bewegung oder Positionierung des Magneten, wird von einem zum Beispiel auf der Außenseite der Trennwand angeordneten Sensor entsprechend aufgenommen. Dabei wird die zu messende Größe in geeigneter Weise in eine Bewegung beziehungsweise Positionierung des Magneten umgesetzt. Ein Vorteil der Anordnung ist dabei, daß für den im Innenraum angeordneten Magneten keine Stromversorgung notwendig ist. Das heißt, die Begrenzungswand des Innenraumes bleibt deswegen unversehrt. Günstigerweise wird ein nicht magnetisierbares Material für die Trennwand vorgesehen, damit nicht der Meßvorgang durch ein sich aufmagnetisierendes Trennwandmaterial verfälscht wird.

Gemäß der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß sowohl eine Drehwie auch eine Linearbewegung des Magneten einsetzbar ist. Die zu messende Größe wird dabei günstigerweise durch ein entsprechendes Getriebe in eine Dreh- beziehungsweise Longitudinal- oder Linearbewegung des Magneten umgesetzt. Der Vorteil des Einsatzes einer Drehbewegung liegt insbesondere darin, daß eine solche Ausgestaltung platzsparender ist, da bei einer Mehrfachdrehung des Magneten kein zusätzlicher Platzbedarf notwendig ist, aber ein großer Meßbereich besteht.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird ein sogenannter Seilzugsensor eingesetzt. Dieser Seilzugsensor besteht dabei aus einer Seilzuganordnung, wobei das Seil dieser Seilzuganordnung mit einem Ende mit dem Gegenstand, dessen Lage zu bestimmen ist, verbunden ist, und das zweite Seilende den Magnet bewegt beziehungsweise positioniert. Zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes ist es natürlich auch möglich, den Abstand oder die Distanz dieses Gegenstandes von einem Referenzpunkt zu bestimmen. Die Änderung der wirksamen Seillänge wird direkt oder unter Einschaltung eines Unter- oder Übersetzungsgetriebes auf die Bewegung des Magneten umgesetzt. Ohne den zugehörigen mechanisch-elektronischen Signalwandler ist deren Einsatz im Inneren von Hydraulikzylindern möglich, weil sie aus Materialien hergestellt werden können, die genügend beständig sind gegen die Öle und gegen den Druck und weil sie keine zusätzliche Energie für ihren Betrieb brauchen. Um die Positionsinformation nun aus dem druckbeaufschlagten Raum nach außen zu übertragen, wird auf die Signalachse des Seilzugsensors, die normalerweise direkt den mechanisch-elektronischen Signalwandler betätigt, ein Magnet befestigt und dessen Feld durch ein entsprechend dünnes, aber druckdichtes Wandstück der Trennwand aus nicht-magnetisierbarem Material von außerhalb des druckbeaufschlagten Raumes erfasst und ausgewertet.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß sie die Positionsinformation ohne eine druckdichte Drehdurchführung oder eine druckdichte Kabeldurchführung oder eine berührungslose elektromagnetische Energie- und Signalübertragung aus dem druckbeaufschlagten Raum nach außen überträgt, daß die genaue Erfassung der Magnetdrehposition mit am Markt verfügbaren Magnetfeldsensoren problemlos möglich ist und daß die Komponenten im Inneren den besonderen Bedingungen der Hydraulik leicht standhalten.

Um bei diesem Verfahren die Messauflösung zu erhöhen, können Seilzugsensoren mit mehreren Umdrehungen der Achse für die gesamte Messlänge benutzt werden und die Umdrehungen mit gezählt werden. Dies hat den Nachteil, dass die absolute Position nicht direkt erfasst werden kann, sondern nur Änderungen, die aber mit wenig Aufwand. Statt Seilzugsensoren mit einer Achse können solche mit mehreren Achsen, entsprechend mehreren Magneten und entsprechend mehreren Magnetdrehpositionssensoren verwendet werden, so daß die Stellung der einzelnen Achsen der Untersetzung der Aufrollmechanik jede für sich absolut erfasst werden kann und damit, wie bei einer konventionellen mechanischen Uhr, eine sehr hohe Auflösung für eine große Messspanne möglich ist.

Die Erfindung umfaßt nicht nur eine Meßanordnung, wie beschrieben, sondern umfaßt in gleicher Weise auch einen Arbeitszylinder, insbesondere einen Hubzylinder, der eine solche Meßanordnung, wie beschrieben, besitzt. Dabei wird günstigerweise vorgesehen, daß der Arbeitszylinder als hydraulisch oder pneumatisch wirkender Arbeitszylinder realisiert ist, wobei die im Inneren des Arbeitszylinders vorgesehenen Teile der Meßanordnung vorteilhafterweise auch resistent sind gegen hohe Drücke oder Temperaturen oder aggressive Druckmedien.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

1 und 4: je in einer Seitenansicht eine Variante des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders unter Verwendung der erfindungsgemäßen Meßanordnung;

2 und 3: je in einem Detail verschiedene Realisierungsvarianten der erfindungsgemäßen Meßanordnung.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung ist exemplarisch an einem ebenfalls die Erfindung umfassenden Arbeitszylinder 3 gezeigt. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Meßanordnung 1 ist aber auf diesen Anwendungsfall nicht beschränkt.

Der Arbeitszylinder 3 besteht aus einer Zylinderwand 36, auf deren Innenseite ein Kolben 2 bewegbar geführt ist. Der Kolben 2 trägt an seinem vorderen Ende eine Kolbenstange 20, die durch eine Bohrung im Deckel 32 aus dem Arbeitszylinder 3 herausragt und hier auch geführt ist. Auf der der Kolbenstange 20 abgewandten Seite des Kolbens 2 befindet sich der druckbeaufschlagbare Raum 30. Der Anschlußstutzen für das Einleiten des unter Druck setzbaren Mediums, aufgrund dessen der Kolben 2 bewegt wird, ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.

Die Erfindung ist hier an einem einseitig wirkenden Arbeitszylinder 3 gezeigt. Dies beschränkt die Erfindung nicht auf diesen Anwendungsfall. Die Erfindung ist in gleicher Weise natürlich auch bei zweiseitig betriebenen Arbeitszylindern einsetzbar.

An der Unterseite ist der Arbeitszylinder 3 durch den Zylinderabschluß, der auch den Zylinderboden 34 bildet, verschlossen. Es ist klar, daß in dem Raum 30 ein erheblicher Druck aufgebaut wird, weswegen auf eine entsprechende Dichtheit des Zylinders zu achten ist.

In verschiedenen Anwendungen interessiert jetzt zum Beispiel die tatsächliche Position des Kolbens 2, also seine Lage h. Aus Kenntnis der Länge der Kolbenstange 20 läßt sich dann auch zum Beispiel auf die Stellung eines entsprechenden, durch den Arbeitszylinder betätigten Elementes schließen.

Zur Ermittlung dieser Länge, oder des Abstandes des Kolbens 2 von dem oberen Rand des Zylinderbodens 34 wird nun vorgeschlagen, daß ein Magnet 10 aufgrund der zu messenden Größe bewegt beziehungsweise positioniert wird und diese Bewegung beziehungsweise Positionierung von einem Sensor 11 erfaßt wird. Dadurch ist es möglich, wenn sich zum Beispiel der Kolben 2 bei einer Startstellung am oberen Rand des Zylinderbodens 34 befindet, den Hub h des Kolbens 2 zu messen. Dies kann zum Beispiel durch Zählen der Rotationen des Magneten (wie bei einem Schrittmotor) oder durch Bestimmung der Magnetfeldstärke erfolgen. Es ist dabei möglich, sowohl die relative Lageveränderung, zum Beispiel durch Bewegung des Magneten (Drehen oder Linearbewegung), als auch die absolute Position durch Messung des Magnetfeldes zu bestimmen. Hierzu ist an dem Kolben 2 das Ende eines Seiles 40 angeschlossen. Das Seil 40 ist Teil einer Seilzuganordnung, das andere Seilende wird auf eine Welle 41 auf- oder abgewickelt, je nach Bewegungsrichtung des Kolbens 2. Die Welle 41 ist um ihre Achse drehbar in einem Getriebe 4 gelagert. Das Getriebe 4 trägt an seiner Abtriebsseite einen Magneten 10, der aufgrund der Bewegung des Kolbens 2 in eine Rotation versetzt wird. Die Rotation des Magneten 10 führt zu einer Änderung der Magnetfeldlinien, die von einem auf der Außenseite des Arbeitszylinders 3 angeordneten Sensor 11 aufgenommen werden. Auch befindet sich auf der Außenseite die zusätzliche Auswertelektronik, die zum Beispiel die anguläre Stellung des Magneten 10 oder auch die Anzahl der Umdrehungen des Magneten 10 bestimmt und auswertet. Hieraus wird dann zurückgerechnet, welcher Hublänge h dies entspricht.

Dabei ist die Erfindung nicht darauf festgelegt, daß diese nur im dynamischen Bereich funktioniert. Bei entsprechend sensitiver Ausgestaltung ist es auch möglich, eine absolute Messung, also nicht durch ein Zurückfahren des Kolbens 2 auf seine Ausgangslage, am Zylinderboden 34 vorzunehmen.

Vorteilhaft ist dabei, daß zwischen dem Magnet 10 und dem Sensor 11 eine druckdichte und bevorzugt nicht magnetisierbare Trennwand 33 vorgesehen ist. Die Trennwand 33 ist dabei zum Beispiel einstückig aus der Zylinderseitenwand oder dem Zylinderboden herausgearbeitet oder aber als separates Bauteil in eine entsprechende Ausnehmung eingesetzt und zum Beispiel dicht verschweißt oder verklebt oder sonst in geeigneter Weise verbunden.

Der Zylinderboden 34 weist in der hier dargestellten Variante eine gewisse Höhe auf. Es ist eine Tasche 37 in dem Zylinderboden 34 vorgesehen, in welche das Getriebe 4, welches die das Seil 40 aufnehmende Welle 41 trägt, hineinragt. Das Getriebe 4 ist in der Zylinderseitenwand 35, auf der Innenseite, welche zur Tasche 37 hin gerichtet ist, eingesetzt. Diese Ausnehmung 38 wird begrenzt durch die Trennwand 33. In geeigneter Weise ist zwischen Getriebe 4 und Trennwand 33 der Magnet 10 angeordnet und zwar derart, daß dieser aufgrund der Stellung des Kolbens 2 im Arbeitszylinder 3 zunächst bewegt beziehungsweise hernach positioniert wird und diese Bewegung beziehungsweise Positionierung von dem auf der Außenseite, der Tasche 37 abgewandten Seite, der Trennwand 33 angeordneten Sensor 11 aufgenommen und detektiert wird.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Achse der Welle 41 rechtwinklig orientiert zur Kolbenstange 20. Dadurch entstehen keine wesentlichen Probleme beim Auf- und Abwickeln des Seiles 40 auf die Welle 41, günstigerweise wird das Seil 40 beim Herausdrücken des Kolbens 2 gegen die Kraft einer nicht dargestellten Feder von der Welle 41 abgezogen.

Anstelle der Ausgestaltung wie hier gezeigt, wo das Getriebe 4 in einen entsprechend dickeren Zylinderabschluß 34 eingebaut ist, ist es natürlich auch möglich, die Trennwand 33 tatsächlich in der Zylinderwand 36 anzuordnen. Die eine wie die andere Variante haben Vorteile bei der Herstellung eines solchen Zylinders.

Die Variante nach 4 ist so ausgebildet, daß die Welle des Getriebes 4 parallel angeordnet ist zur Längserstreckung der Kolbenstange 20. während sich bei 1 der Sensor an der Seite, in der Verlängerung der Zylinderwand 36 befindet, ist er in der Ausgestaltung nach 4 auf der Unterseite des Zylinderabschlusses 31 beziehungsweise im Zylinderboden 34 vorgesehen.

In 2 ist die Variante nach 1 in einem vergrößerten Detail gezeigt. Das Seil 40 wird auf die zur Kolbenstange rechtwinklig orientierte Welle 41 auf- und abgewickelt. Dadurch wird die Welle 41 in Rotation versetzt und auch die Lage des Magneten 10 verändert sich. Dies wird von dem Sensor 11 detektiert. Die ganze Anordnung ist in der Zylinderseitenwand 35 eingebaut.

Die in 3 gezeigte Variante ist mit der in 2 weitestgehend identisch. Allerdings wird hier abtriebsseitig in dem Getriebe 4 nicht ein Magnet 10, sondern insgesamt drei Magneten 10', 10' und 10''' entsprechend bewegt beziehungsweise positioniert. Die Magnete 10', 10'' und 10''' wirken dabei zusammen mit insgesamt drei Magnetdreh-Positionssensoren 11', 11'' und 11''', so daß die Stellung der einzelnen Achsen der Untersetzung der Aufrollmechanik jede für sich absolut erfaßt werden können und so eine sehr hohe Auflösung für einen großen Meßbereich möglich ist.

Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.

Sollte sich hier bei näherer Prüfung, insbesondere auch des einschlägigen Standes der Technik, ergeben, daß das eine oder andere Merkmal für das Ziel der Erfindung zwar günstig, nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist.

Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

Merkmale, die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden, können im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung, zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.

Merkmale, die nur in der Beschreibung offenbart wurden, oder auch Einzelmerkmale aus Ansprüchen, die eine Mehrzahl von Merkmalen umfassen, können jederzeit zur Abgrenzung vom Stande der Technik in den ersten Anspruch übernommen werden, und zwar auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merkmalen erwähnt wurden beziehungsweise im Zusammenhang mit anderen Merkmalen besonders günstige Ergebnisse erreichen.


Anspruch[de]
Meßanordnung, wobei sich ein Magnet aufgrund einer zu messenden Größe bewegt beziehungsweise positioniert und diese Bewegung beziehungsweise Positionierung von einem Sensor erfaßt wird und zwischen Magnet und Sensor insbesondere eine nicht magnetisierbare Trennwand vorgesehen ist. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zum Messen einer Länge, einer Distanz oder eines Abstandes dient. Meßanordnung nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen magnetfeldrichtungsempfindlichen Sensor, insbesondere einem Hall-Sensor. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dreh- oder Linearbewegung des Magneten. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung eine Seilzuganordnung aufweist und ein Ende des Seiles der Seilzuganordnung mit dem Gegenstand, dessen Lage zu bestimmen ist, verbunden ist und das zweite Seilende den Magnet bewegt beziehungsweise positioniert. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bewegung des Magnetes ein Getriebe vorgesehen ist. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe eine Welle aufweist, auf welcher das zweite Seilende aufliegt und auf- beziehungsweise abrollt. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle und somit auch das Seil unter Federspannung steht. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Hub mittels des Getriebes weniger als eine ganze Umdrehung des Magneten erzeugt und dadurch jederzeit eine eindeutige Zuordnung zwischen Magnetfeldrichtung und Kolbenposition gegeben ist. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Hub mittels des Getriebes mehrere Umdrehungen erzeugt, dass mit dem Sensor die Anzahl und Richtung der Umdrehungen erfasst werden und dadurch die Kolbenposition durch Zählen erfasst werden kann. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldrichtung innerhalb einer Umdrehung zusätzlich ausgewertet wird und dadurch Zwischenwerte für die durch Zählen von Umdrehungen bestimmten Kolbenpositionen erfasst werden können. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe mehrere gekoppelte Achsen aufweist, die für den zu messenden Hub jeweils eine vorzugsweise deutlich unterschiedliche Anzahl von Umdrehungen aufweisen und die jeweils einen Magneten bewegen, dessen Richtung wiederum mit jeweils einem Sensor erfasst werden kann und deren gemeinsame Auswertung unter Kenntnis der Getriebestufen zu einer höheren Auflösung des zu messenden Hubes führt. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Position des Kolbens in einem Hubzylinder, bestehend aus einem Getriebes im Inneren des druckbeaufschlagten Raumes, das eine Änderung der Position der Kolbens im Hubzylinder in die Drehbewegung eines Magneten umsetzt, eines ausserhalb des druckbeaufschlagten Raumes befindlichen, magnetfeldrichtungsempfindlichen Sensors und einer nicht magnetisierbaren, druckfesten Trennwand zwischen Magnet und Sensor, wobei Magnet, Trennwand und Sensor so angeordnet sind, dass die Drehbewegung des Magnets innerhalb des druckbeaufschlagten Raumes vom Sensor ausserhalb des druckbeaufschlagten Raumes erfasst werden kann. Arbeitszylinder, insbesondere Hubzylinder mit einer Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche. Arbeitszylinder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder als hydraulisch oder pneumatisch wirkender Arbeitszylinder ausgebildet ist. Arbeitszylinder nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung im Inneren des druckbeaufschlagbaren Raumes des Arbeitszylinders angeordnet ist. Arbeitszylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand Teil des Zylinders des Arbeitszylinders ist. Arbeitszylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 14 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand im Zylinderboden angeordnet ist. Arbeitszylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 14 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand in der Zylinderseitenwand angeordnet ist. Arbeitszylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 14 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Welle parallel, winkelig oder rechtwinkelig zur Längserstreckung der Kolbenstange orientiert ist.






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