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DE3116333A1 - Measuring system for contactlessly detecting positions of the piston rod of a piston/cylinder unit - Google Patents

Measuring system for contactlessly detecting positions of the piston rod of a piston/cylinder unit

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DE3116333A1
DE3116333A1 DE19813116333 DE3116333A DE3116333A1 DE 3116333 A1 DE3116333 A1 DE 3116333A1 DE 19813116333 DE19813116333 DE 19813116333 DE 3116333 A DE3116333 A DE 3116333A DE 3116333 A1 DE3116333 A1 DE 3116333A1
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piston
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Harald 2427 Malente Klocke
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H KUHNKE GmbH KG
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Kuhnke GmbH
H KUHNKE GmbH KG
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Abstract

The invention relates to a measuring system for contactlessly detecting positions of the piston rod of a piston/cylinder unit by means of a measuring sensor which plunges into an axial bore of the piston rod, which can be adjusted relative to it, and develops different output signals for representing the respective piston positions depending on the position of the piston rod. The system comprises a transmitter/receiver head as part of a measuring sensor at the free end of a measuring sensor holder protruding into the piston rod bore, the transmitter/receiver head being aligned towards the bottom of the piston rod bore which is used as reflection object. The transfer time of the signals transmitted pulse by pulse from the transmitter/receiver head, reflected from the above-mentioned bottom and received again is used as a measure of the instantaneous position of the piston rod.

Description

Meßsystem zum berührungslosen Erfassen von Measuring system for contactless acquisition of

Positionen der Kolbenstange einer Kolben-Zylinder-Einheit Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zum berührungslosen Erfassen von Positionen der Kolbenstange einer Kolben-Zylinder-Einheit mit Hilfe eines MeßfUhlers, der in eine Axialbohrung der relativ zu ihm verstellbaren Kolbenstange taucht rund je nach Stellung der Kolbenstange unterschiedliche Ausgangs--signale zur Darstellung der jeweiligen Kolbenpositionen entwickelt. Positions of the piston rod of a piston-cylinder unit The invention relates to a measuring system for the contactless detection of positions of the piston rod a piston-cylinder unit with the aid of a measuring sensor, which is inserted into an axial bore the piston rod, which can be adjusted relative to it, dips around depending on the position of the piston rod different output signals to represent the respective piston positions developed.

Zur Anzeige bestimmter Positionen der Kolbenstange bzw. des Kolbens in einem Zylinder gibt es bisher verschiedene Arten von Meßsystemen bzw. Positionsgebern. So kann beispielsweise mit dem Kolben ein Permanentmagnet verbunden sein und an den Orten, wo eine Positionsmeldung folgen soll, jeweils ein Reed-Relais vorgesehen sein, das betätigt wird und eine Signalgabe einleitet, sobald der Kolben den betreffenden Ort überfährt (DE-PS 1 590 157). Es gibt auch kontaktlos arbeitende Meßsysteme von im wesentlichen gleicher Bauart, bei denen dann anstelle von Reed-Relais Hallsonde verwendet werden, deren Hall spannung durch den an ihnen vorbeibewegten Permanentmagneten verändert wird, wobei diese Spannungsänderung zur Anzeige der Kolben-bzw Kolbenstangenposition ausgewertet werden kann.To display certain positions of the piston rod or piston Up to now there have been various types of measuring systems or position sensors in a cylinder. For example, a permanent magnet can be connected to the piston and on A reed relay is provided for each location where a position report is to follow be that is actuated and initiates a signal as soon as the piston reaches the relevant Runs over the place (DE-PS 1 590 157). There are also non-contact measuring systems from essentially the same design, in which then instead of reed relays Hall probes are used whose Hall voltage is generated by the permanent magnets moving past them changes is, with this voltage change to display the piston or Piston rod position can be evaluated.

Vor allem in der Ventiltechnik sind außerdem elektronisch arbeitende Positionsgeber bekannt. Dabei kann etwa am Arbeitszylinder mindestens eine Feldplatte als Geber angebracht sein, deren Widerstand durch einen am Kolben sitzenden Permanentmagneten verändert wird, sobald der Kolben durch die Geberposition fährt bzw. sich dieser annähert. Die hierbei auftretende Widerstandsänderung der Feldplatte wird zur Positionsmeldung ausgewertet (DE-OS 2 915 198). Gleichfalls gibt es in der Ventiltechnik Meßsysteme und Positionsgeber (DE-OSen 1 116 oo6 und 1 574 572), die aus zwei am Zylinderumfang angebrachten und mit Wechselstrom gespeisten Spulen als Meßfühler bestehen, deren Kopplungsfaktor durch den den Spulenort durchfahrenden Kolben verändert wird, wobei auch diese Änderung wieder zur Erzeugung eines Signales für die Kolbenstangenposition ausgewertet wird. Im übrigen können bei dieser Art Meßsystem die Spulen auch an einem länglichen Halter befestigt sein, der in eine axiale Bohrung der relativ zu ihm verstellbaren Kolbenstange taucht (DE-GM 72 Io 174), so daß je nach Stellung der Kolbenstange bzw. des Kolbens die magnetische Kopplung der beiden Spulen verändert wird und hieraus Ausgangssignale zur Darstellung der jeweiligen KolDenstangenposition entwickelt werden können.In valve technology in particular, there are also electronic ones Position transmitter known. At least one field plate can be installed on the working cylinder be attached as a transmitter, the resistance of which is provided by a permanent magnet located on the piston is changed as soon as the piston moves or moves through the encoder position approximates. The change in resistance of the field plate that occurs here becomes a position report evaluated (DE-OS 2 915 198). There are also measuring systems in valve technology and position sensor (DE-OSen 1 116 oo6 and 1 574 572), which consist of two on the cylinder circumference attached and fed with alternating current coils exist as sensors, their Coupling factor is changed by the piston passing through the coil location, wherein this change again to generate a signal for the piston rod position is evaluated. In addition, the coils can also be switched on in this type of measuring system be attached to an elongated holder, which is in an axial bore of the relative to him adjustable piston rod dives (DE-GM 72 Io 174), so that depending on the position the piston rod or the piston changes the magnetic coupling of the two coils becomes and from this output signals for the representation of the respective KolDenstangenposition can be developed.

Diese bekannten Meßsysteme und Positionsgeber haben im allgemeinen ein relativ großes Bauvolumen, so daß eine Kolben-Zylinder-Einheit meist nur mit einem bzw. wenigen Meßsystemen bestückt werden kann. Hieraus folgt auch, daß solche Meßsysteme in der Praxis eigentlich nur zur Erfassung der Endlagen und einiger weniger Zwischenstellungen der Kolbenstange eingesetzt werden können.These known measuring systems and position sensors generally have a relatively large volume, so that a piston-cylinder unit usually only with one or a few measuring systems can be fitted. It also follows from this that such measuring systems in practice actually only to record the end positions and a few intermediate positions the piston rod can be used.

Man ist also auf andere und bessere Lösungen angewiesen, wenn verlangt wird, daß in bezug auf den gesamten vorgegebenen Weg der Kolbenstange und des von ihr betätigten bzw. gesteuerten Bauelementes eine-Vielzahl von Positionsanzeigen möglich sein soll. Insofern gibt es bereits Lösungen (DE-OSen 2 348 o66 und 2 855 681), bei denen in der Oberfläche der Kolbenstange mit Abstand zueinander Vertiefunqen vorgesehen sind, die mit einem Material von im Vergleich zum Kolbenstangenmaterial verschiedener magnetischer Leitfähigkeit aufgefüllt sind. An einem der Zylinderköpfe ist ein Meßfühler, beispielsweise ein Feldplattenfühler, vorgesehen, der magnetisch vorgespannt ist und dessen Widerstand sich bei Bewegung der Kolbenstange periodisch ändert, und zwar in Abhängigkeit von der Lage der in die Kolbenstange eingebrachten Materialien und der Geschwindigkeit der Kolbenstangenbewegung. Auch diese Widerstandsänderungen werden dann geeignet zur Darstellung bestimmter Kolbenstangenpositionen ausgewertet.So you have to rely on other and better solutions if required is that with respect to the entire predetermined path of the piston rod and of your actuated or controlled component a-variety of position indicators should be possible. In this respect, there are already solutions (DE-OSs 2 348 066 and 2 855 681), in which there are indentations in the surface of the piston rod at a distance from one another are provided with a material of compared to the piston rod material different magnetic conductivity are filled. On one of the cylinder heads a measuring sensor, for example a field plate sensor, is provided which is magnetically is biased and its resistance increases periodically when the piston rod moves changes, depending on the position of the inserted into the piston rod Materials and the speed of the piston rod movement. These changes in resistance too are then evaluated in a suitable manner to represent certain piston rod positions.

Es ist klar, daß bei solchen Meßsystemen, abgesehen von einem hohen Fertigungsaufwand, an die Meßgenauigkeit keine allzu großen Anforderungen gestellt werden können, da allein schon der mechanische Aufbau nur eine grobe Codierung und Auflösung des gesamten zu erfassenden Meßweges der Kolbenstange.It is clear that in such measuring systems, apart from a high Manufacturing effort, not too much in terms of the measurement accuracy great demands can be provided, since the mechanical structure alone is only a rough coding and resolution of the entire measuring path of the piston rod to be recorded.

zulassen wird. Nachteilig macht es sich außerdem bemerkbar, daß das eigentliche Kolbenstangenmaterial und das gesondert in die Kolbenstangenoberfläche eingebrachte Material verschiedene Reibwerte haben, die ein unerwünschtes, ruckartiges Gleiten der Kolbenstange in ihrer im Zylinderkopf vorgesehen Führung zur Folge haben werden.will allow. Another disadvantage is that the actual piston rod material and that separately in the piston rod surface introduced material have different coefficients of friction, which create an undesirable, jerky Sliding of the piston rod in its guide provided in the cylinder head result will.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung der aufgezeigten Nachteile. Insbesondere soll ein einfaches und sicher funktionierendes Meßsystem geschaffen werden, mit dem in bezug auf eine vorgegebene Bewegungsstrecke der Kolbenstange selbst kleinste Bewegungsabläufe bei unterschiedlichen Codierungen erfaßt werden können.The object of the invention is to eliminate the outlined Disadvantage. In particular, a simple and reliably functioning measuring system is intended be created with the relation to a predetermined distance of movement of the piston rod even the smallest movement sequences with different codings can be recorded can.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der anliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, das im Axialschnitt gezeigt ist.The invention is described below with reference to one in the accompanying drawing illustrated embodiment explained in more detail, which is shown in axial section is.

Der grundsätzliche Aufbau der Kolben-Zylinder-Einheit besteht aus dem Zylinder 1 mit seinen Zylinderkopf 2 und dem Zylinderfuß 3, aus der Kolbenstange 4 mit dem Kolben 5 und mit einer Axialbohrung 6 sowie aus einem stangenförmigen Meßfühlerha2-ter 7 mit einem Meßfühler 8, wobei der Halter 7 mit radialem Spiel in die Axialbohrung hineinragt. Die Axialbohrung 6 und der Meßfühlerhalter 7 mit dem Meßfühler 8 erstrecken sich bei vollständig eingefahrener Kolben stange 4 bis in den Bereich des Zylinderkopfes 2, so daß sich der Meßfühler 8 auch bei vollständig ausgefahrener Kolbenstange noch in der nach außen, das heißt zum Zylinderinnenraum hin mittels einer Dichtung 9 abgesperrten Axialbohrung befindet. Die Zeichnung zeigt die Kolbenstange in praktisch voll eingefahrener Stellung, bei der zwischen dem Meßfühler 8 und dem Innenende der Axialbohrung 6 noch ein Mindestabstand L besteht, der für den Hin- und Rücklauf von Signalen benötigt wird, die noch klar wird.The basic structure of the piston-cylinder unit consists of the cylinder 1 with its cylinder head 2 and the cylinder base 3, from the piston rod 4 with the piston 5 and with an axial bore 6 and a rod-shaped one Measuring sensor holder 7 with a measuring sensor 8, the holder 7 with radial play protrudes into the axial bore. The axial bore 6 and the probe holder 7 with the probe 8 extend rod when the piston is fully retracted 4 to the area of the cylinder head 2, so that the sensor 8 is also at with the fully extended piston rod still in the outward direction, i.e. towards the inside of the cylinder Axial bore closed off by means of a seal 9 is located. The drawing shows the piston rod in practically fully retracted position, in which between the There is still a minimum distance L between the sensor 8 and the inner end of the axial bore 6, which is needed for the outward and return of signals that is still clear.

Der als Rohrkörper ausgebildete Meßfühlerhalter 7 ist an seinem einen Endbereich koaxial zur Axialbohrung 6 der Kolben stange 4 verlaufend starr im Zylinderfuß 3 befestigt und trägt an seinem anderen, freien Ende den Meßfühler 8. Vom Meßfühler führen elektrische Meßleitungen 1o und 11 durch das hohle Innere des Meßfühlerhalters hindurch und aus dem nach außen abgedichteten Halter heraus zu einer externen elektrischen oder elektronischen Steuereinrichtung (nicht gezeigt), die die vom Meßfühler weiterzuleitenden Signale verarbeitet. Der Meßfühler besitzt auf seiner dem Boden der Axialbohrung 6 der Kolbenstange 4 zugekehrten Seite einen Sender/Empfängerkopf 8a, der auf den Boden der Bohrung 6 ausgerichtet ist. Ferner ist der Boden der Bohrung -durch ein gesondert in die Bohrung eingesetztes Bauteil 12 gebildet, das auf seiner dem Sender/Empfängerkopf 8a zugekehreen, ebenen oder parabolischen Fläche vorzugsweise poliert oder mit einem stark reflektierenden Belag 13 versehen ist.The probe holder 7, designed as a tubular body, is at its one End coaxial with the axial bore 6 of the piston rod 4 extending rigidly in the cylinder base 3 fastened and carries at its other, free end the probe 8. From the probe lead electrical test leads 1o and 11 through the hollow interior of the probe holder through and out of the outwardly sealed holder to an external electrical or electronic control device (not shown) which transmit the signals from the sensor Signals processed. The probe has an axial bore on its bottom 6 of the piston rod 4 facing side a transmitter / receiver head 8a, which is on the Bottom of the bore 6 is aligned. Furthermore, the bottom of the bore -through a separately inserted into the bore component 12 formed on its the transmitter / receiver head 8a zugekehreen, flat or parabolic surface preferably polished or with a highly reflective covering 13 is provided.

Soweit die Axialbohrung 6 nicht durch den Meßfühlerhalter 7 und den Meßfühler 8 besetzt ist, ist das übrige Volumen der Bohrung 6 evakuiert oder mit einem die Ausbreitung der Meßwellen fördernden Medium, z.B. Silikonöl, Glyzerin usw., gefüllt. Hierzu sind im Meßfühlerhalter Durchgänge 14 und 15 vorgesehen, mit deren Hilfe der Fluß das betreffenden Mediums gesteuert wird bzw. die dem Volumenausgleich bei der Hin- und Herbewegung der Kolbenstange dienen.As far as the axial bore 6 not through the probe holder 7 and the Sensor 8 is occupied, the remaining volume of the bore 6 is evacuated or with a medium that promotes the propagation of the measuring waves, e.g. silicone oil, glycerine etc., filled. For this purpose, passages 14 and 15 are provided in the sensor holder, with whose help the flow of the medium in question is controlled or that of the volume compensation serve in the reciprocating motion of the piston rod.

Der Sender/Empfängerkopf 8a ist zum Senden und Empfangen von Schallwellen, Lichtwellen oder elektromagnetischen Wellen ausgelegt. Diese Wellen werden impulsweise in Richtung auf den Boden 12 der Axialbohrung 7 bzw. den Belag 13 ausgesendet, von den Teilen 12 bzw. 13 reflektiert und vom Kopf 8a wieder empfangen. Die Laufzeit für den Hin- und Rückweg der gesendeten und empfangenen Signale bildet ein Maß für die augenblickliche Position der Kolbenstange. Dieser Position ist bzw. den betreffenden Positionen sind entsprechende Codierungen in der erwähnten Steuereinrichtung zugeordnet. Es ist verständlich, daß auf diese Weise kleinste Wegeinheiten des Kolbenstangenhubes ermittelt und festgelegt werden können, die kleiner als Zehntelmillimeter sein können. Somit ist es möglich, die Kolbenstange durch entsprechende Beaufschlagung des Kolbens 5 über die entsprechenden Anschlüsse A und B mit sehr hoher Genauigkeit in die jeweils gewünschte Position zu verfahren.The transmitter / receiver head 8a is for transmitting and receiving sound waves, Light waves or electromagnetic waves. These waves become impulsive sent in the direction of the bottom 12 of the axial bore 7 or the lining 13, from the parts 12 and 13 reflected and received again by the head 8a. the period for the outward and return path of the sent and received signals forms a measure for the current position of the piston rod. This position is or the relevant Corresponding codes are assigned to positions in the control device mentioned. It is understandable that in this way the smallest travel units of the piston rod stroke can be determined and determined, which can be smaller than tenths of a millimeter. It is thus possible to move the piston rod by applying appropriate pressure to the piston 5 via the corresponding connections A and B with very high accuracy in the respective to move to the desired position.

Claims (5)

Ansprüche 0 Meßsystem zum berührungslosen Erfassen von Positionen der Kolbenstange einer Kolhen-Zylinder-Einheit mit Hilfe eines Meßfühlers, der in eine Axialbohrung der relativ zu ihm verstellbaren Kolbenstange taucht und je nach Stellung der Kolbenstange unterschiedliche Ausgangssignale zur Darstellung der jeweiligen Kolbenpositionen entwickelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender/Empfängerkopf (8a) als Teil eines Meßfühlers (8) am freien Ende eines in die Kolbenstangenbohrung (6) ragenden Meßfühlerhalters (7) angeordnet ist, daß der Sender/EmpfEngerkopf auf den als Reflektionsobjekt dienenden Boden der Kolbenstangenbohrung (6) ausgerichtet ist und daß die Laufzeit der impulsweise vom Sender/Empfängerkopf gesendeten, vom erwähnten Boden (13) reflektierten und wieder empfangenen Signale als Maß für die augenblickliche Position der Kolbenstange :54) ausgewertet wird. Claims 0 measuring system for the contactless detection of positions of the piston rod of a piston-cylinder unit with the aid of a sensor, which is in an axial bore of the piston rod that can be adjusted relative to it plunges and depending on Position of the piston rod different output signals to represent the respective Piston positions developed, characterized in that a transmitter / receiver head (8a) as part of a measuring sensor (8) at the free end of one in the piston rod bore (6) protruding probe holder (7) is arranged that the transmitter / receiver head on aligned with the bottom of the piston rod bore (6) serving as a reflection object is and that the running time of the pulse sent by the transmitter / receiver head, from mentioned ground (13) reflected and received again signals as a measure of the Current position of the piston rod: 54) is evaluated. 2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender/Empfängerkopf (8a) zum Senden und Empfangen von Schallwellen, Lichtwellen oder elektromagnetischen Wellen ausgelegt ist. 2. Measuring system according to claim 1, characterized in that the transmitter / receiver head (8a) for sending and receiving sound waves, light waves or electromagnetic waves Waves is designed. 3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Kolbenstangenbohrung (6) durch ein gesondert in die Kolbenstangenbohrung eingesetztes Bauteil (12) gebildet ist, das auf seiner dem Sender/Empfängerkopf zugekehrten Fläche vorzugsweise poliert oder mit einem stark reflektierenden Belag (13) versehen ist.3. Measuring system according to claim 1 or 2, characterized in that the Bottom of the piston rod bore (6) through a separate one into the piston rod bore inserted component (12) is formed on its the transmitter / receiver head facing surface preferably polished or with a highly reflective coating (13) is provided. 4. Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß:die dem Sender/Empfängerkopf (8a) zugekehrte Fläche des Bauteils (12) eben oder parabolisch ausgebildet ist.4. Measuring system according to claim 3, characterized in that: the transmitter / receiver head (8a) facing surface of the component (12) is flat or parabolic. 5. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Kolbenstangenbohrung (6) und dem Meßfühlerhalter (7) nach außen hin abgedichtet und evakuiert oder mit einem die Wellenausbreitung fördernden Medium gefüllt ist und daß die zum Sender/Empfängerkopf (8a) führenden Meßleitungen (10, 11) innerhalb des als Rohrkörper ausgebildeten Maßfühlerhalters (7) verlaufen.5. Measuring system according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the space between the piston rod bore (6) and the sensor holder (7) after sealed on the outside and evacuated or with one that promotes wave propagation Medium is filled and that the measuring lines leading to the transmitter / receiver head (8a) (10, 11) run inside the probe holder (7) designed as a tubular body.
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