Anwendungsbeschreibung:

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionsbestimmung mittels Ultraschall beruht auf der Unterbrechung des Ultraschallweges seitlich durch den Hydraulikkolben. Die Stellung des Kolbens in der Position zwischen zwei Sensorfolien kann durch Berechnung (Bewertung) aus den unterschiedlichen Amplituden der Schallfelder der Reflexion gebildet werden. Eine PVDF-Folie (Ultraschallsensor-Array) liegt (klebt) vollflächig auf der Zylinderwand. Die Einzelsensoren des Arrays werden über Multiplexer angeregt und abgefragt. Eine grobe Ortsauflösung erfolgt schon mit der 1.Auswertung (Wandecho oder kein Wandecho/d.h. Kolben steht dahinter). In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Ultraschallamplituden zweier (oder mehrerer) Sensoren bewertet. Damit können 10 bis 20 Quantifizierungen (mit jeweils 5 dB) gemacht werden. Durch die relative Bewertung der Amplituden, stören Dämpfungseinflüsse, Temperatur-abhängigkeiten usw. nicht. Die Messung längerer Verfahrstrecken des Kolbens ist durch Aneinanderreihung mehrer Sensorarrays möglich. Die Auswerteelektronik (z.B. AD-Wandler mit Mikroprozessor und Multiplexer) ist hochintegriert. Der Aufwand an diskreten Bauelementen ist sehr gering.
Kostengünstige Endlagenschalter mit Redundanz lassen sich mit einem einfachen Sensorarray (2-4 Sensorbereiche) aufbauen. Ersatz bisheriger mechanischer Endlagenschalter in Hydraulikanwendungen. Die Aufbauhöhe des Sensors beträgt nur wenige Millimeter (wird vom Kabelanschluss bestimmt).

Verfahrensprinzip:

In Fig.1 ist die Anordnung der Ultraschallsensoren in zwei Reihen A und B auf der Zylinder-wand des Hydraulikzylinders dargestellt. Die Ultraschallsensoren sind innerhalb der
Sensorreihen A und B in der Bewegungsrichtung des Kolbens in gleichmäßigen Abständen
angeordnet. Die Position des Kolbens im Zylinder kann durch die Unterbrechung oder Schwächung des Ultraschallsignals, zum Beispiel des Echos der Zylinderwand beim Signaldurchgang durch den Zylinder, festgestellt werden. Die im Impuls-Echo-Betrieb
arbeitenden Ultraschallsensoren empfangen das Echo der gegenüberliegenden Zylinderwand. Der Kolben und die Kolbenstange unterbrechen den Schalldurchgang durch das
Hydraulikmedium. Mögliche Kolbenpositionen sind in Fig.1 und 2 dargestellt.
Beide Sensorreihen A und B können einzeln oder gemeinsam mit dem Sendetakt angesteuert werden. Je nach Art der Ansteuerung, ist der Abstand zwischen beiden Reihen zu wählen.
Die Leitungen für die Signalzuführung und die Signalabgriffe sind hier nicht mit dargestellt.
Diese Leitungen können auf dem Trägermaterial der Sensorstreifen angebracht werden. Sollen mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen in Längsrichtung aneinander gereiht werden, kann die Zusammenschaltung dieser Vorrichtungen mit bekannten und üblichen Kontaktierungen (z.B. wie in der Montage von SMDBauteilen ) erfolgen.
Für die weitere Signalverarbeitung sind die notwendigen Multiplexer und Demultiplexer nicht mit dargestellt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem ersten Schritt die Kolbenposition festgestellt. Befindet sich zum Beispiel der Hydraulikkolben in der Kolbenposition nach Fig.2, ermittelt der erste Verfahrensschritt, dass in Sensorreihe A alle weiteren Sensoren nach (z.B. A.10) alle zu 100 % bedeckt sind (Schallweg zur gegenüberliegenden Zylinderwand ist nicht frei). Für die Sensorreihe B wird festgestellt, dass bis zum Sensor (z.B. B.10) alle Sensoren zu 0 % bedeckt sind.
Die logische Abfrage ist hier nur Beispielhaft dargelegt . Es können natürlich mehrere Kriterien zur Abfrage herangezogen werden. So zum Beispiel: Bedeckung 0 %oder größer, Bedeckung 100 % oder kleiner, Bedeckung 0 % oder 100 %.
Auch die logische Verknüpfung mehrerer Kriterien (zum Beispiel: UND, ODER) ist geeignet die (grobe) Sensorposition auf ein oder zwischen zwei Sensoren festzulegen.
In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Signalamplituden der Sensoren an der Kolbenposition ausgewertet.
Die Auswertung kann zum Beispiel nur als Wertepaar, Tripel oder auch als Quadrupel erfolgen.

Die Anregung und Auswertung der Ultraschallsignale unterscheidet sich nicht wesentlich von der bisherigen Technik mit Keramikwandlern. Die Impulsanregung für die Sensoren ist Stand der Technik. Die Hauptarbeit liegt bei der Gestaltung der Sensorapplikation. D.h. wie erfolgt die Montage der Auswerteelektronik ( entweder auf dem PVDF-Foliesensor oder auf einem Keramikträger ). Die Umhausung wird dem jeweiligem Anwendungszweck bzw. Hydraulikzylinder angepasst werden müssen. Diese Fragen des Designs sind weniger Entwicklungsaufgaben, sondern resultieren aus den Anforderungen und Wünschen der Hauptabnehmer.

Unterschiedliche Linearsensoren (bezüglich Länge des Sensorarrays) werden im Wesentlichen mit einer gleichen ,zentralen Auswerteeinheit ausgestattet. Die Anpassung der Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit auf die jeweiligen Wandstärken, Zylinderdurchmesser und unterschiedliche Hydraulikflüssigkeiten kann im Programm abgelegt sein.

Über eine Schnittstellenkommunikation, die bei den modernen Mikroprozessoren üblich ist, wird der Einsatzfall ausgewählt. Die Anzahl der angeschlossenen Sensorzellen wird ebenso mitgeteilt. Damit ist die Anzahl der Adressleitungen und die Ansteuerung der Multiplexer festgelegt. Auch über eine Teach-in-Funktion kann die Anpassung an den Hydraulikzylinder erfolgen. Da der Vergleich der Sensoramplituden relativ gegeneinander erfolgt und keine Absolutmessung ausgewertet wird, haben Schwankungen der Einflussfaktoren auf die Signalamplitude, keine Auswirkung auf die berechnete Ortsauflösung zwischen den Sensoren.

Applikationen:

Wasserstandsensor für weiße Ware

Das in der Patentschrift DE 10 2004 042 725 beschriebene Verfahren zur Überwachung von Hydraulikzylindern eignet sich in hervorragend zur Wasserstand-messung und Standkontrolle. Dabei wird der Hydraulikzylinder als senkrecht stehendes Rohr betrachtet, dessen oberes Ende offen ist bzw. stellt ein kommunizierendes System mit dem zu überwachendem Behälter dar.
Ohne Flüssigkeit hinter dem PVDF-Sensor erfolgt keine Schalltransmission zur Rohrrückwand und damit auch kein Echo.