WO2005003571A1 - Method for determining a current position of a piston movably accommodated in a cylinder - Google Patents

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WO2005003571A1
WO2005003571A1 PCT/EP2004/003434 EP2004003434W WO2005003571A1 WO 2005003571 A1 WO2005003571 A1 WO 2005003571A1 EP 2004003434 W EP2004003434 W EP 2004003434W WO 2005003571 A1 WO2005003571 A1 WO 2005003571A1
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piston
cylinder
sensor
current position
akt
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PCT/EP2004/003434
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Ernst Halder
Ernst Ehling
Bernd Büttner
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Horst Siedle Gmbh & Co. Kg
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/48—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
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    • G01S2007/52014—Means for monitoring or calibrating involving a reference reflector integrated in the sensor or transducer configuration

Definitions

  • the invention is based on a method for determining a current position of a piston, the piston being displaceably housed in a cylinder, and a sensor being assigned to the cylinder, with the aid of which the current position of the piston is determined. Furthermore, the invention relates to a corresponding device and a corresponding cylinder.
  • a hydraulic control device for a working cylinder in which a displacement sensor is assigned to a piston rod of the working cylinder. With the help of the displacement sensor, the stroke and thus the current position of the piston are recorded. The displacement sensor is always exposed to the current environmental influences, such as temperature. Furthermore, the entire arrangement is subject to aging. These boundary conditions can falsify the determined position of the piston.
  • the object of the invention is to provide a method in which environmental influences and aging effects do not lead to falsifications.
  • this object is achieved in that at least one signal is emitted in the direction of the piston by the sensor, that two reflected signals are generated by the piston, and that the two reflected signals are received by the sensor, that two reflected on the two Signals associated transit times are measured, and that the current position of the piston is determined as a function of the two measured transit times.
  • the object is achieved accordingly.
  • two signals which are reflected by the piston and therefore two transit times are generated for the determination of the current position of the piston.
  • the current conditions i.e. the current environmental influences and existing aging effects
  • the current position of the piston determined on the basis of the two running times is therefore not subject to falsifications due to environmental or aging factors, but represents an unadulterated value.
  • the way in which the two reflected signals are produced by the piston can be different.
  • the piston has an elevation that has a surface, that the piston has a piston surface, and that the surface of the elevation and the piston surface of the piston each produce one of the two reflected signals are provided.
  • this configuration it is thus possible to assign the two measured transit times to the two aforementioned areas.
  • these two surfaces in particular their distance from one another, are known and can be measured in advance. These areas and their spacing are also subject to each other no or only negligibly small changes due to environmental changes or aging.
  • the transit times are measured under known boundary conditions and under current conditions.
  • the running times measured under the known boundary conditions can thus be used as reference values together with the measured characteristics of the piston.
  • the runtimes measured under the current conditions can then be corrected for falsifications using these reference variables.
  • a correction factor is determined as a function of the running times measured under the known boundary conditions and under the current conditions. This results in the possibility of simply correcting a position of the piston, which has been determined under the current conditions but is not corrected, with the aid of the correction factor.
  • a signal speed determined under the known boundary conditions in Depending on the correction factor is converted into a current signal speed. It is furthermore expedient if the current position of the piston is determined as a function of the current signal speed and at least one of the two transit times measured under the current conditions. It is thus possible to determine an exact value for the position of the piston with little computation effort, which is not subject to falsifications due to the environment or aging.
  • an ultrasonic sensor is provided as the sensor.
  • an ultrasonic sensor allows extremely precise measurements of transit times and, on the other hand, it is a reliable and durable component.
  • the invention can be used in a particularly advantageous manner in a steering cylinder of a vehicle.
  • the steering angle of the vehicle can be derived from the current position of the piston.
  • the current position of the piston corresponds to the level of a liquid in a container.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of a cylinder with a piston that can be moved therein and with a device according to the invention for determining the current position of the piston
  • Figure 2 is a schematic representation of signals generated by the device of Figure 1 and
  • Figure 3 is a schematic timing diagram for the signals of Figure 2.
  • FIG. 1 shows a cylinder 10 which has a cylinder wall 11 and a cylinder end face 12.
  • a piston 13 is accommodated in the cylinder 10, the outer diameter of which is slightly smaller than the inner diameter of the cylinder wall 11.
  • the piston 13 is connected to a piston rod 14 approximately in the middle.
  • An opening 15, through which the piston rod 14 projects, is contained approximately centrally in the cylinder end face 12. The piston 13 can thus be displaced together with the piston rod 14 within the cylinder 10 in the longitudinal direction thereof. This is indicated by an arrow.
  • the cylinder wall 11, the cylinder end face 12 and the piston 13 delimit an interior space 17 which is filled with a liquid medium.
  • an inlet and outlet channel 18 is provided in the cylinder wall 11, via which the liquid medium can flow in and out, in particular when the piston 13 is displaced.
  • the cylinder 10 is provided with a device for determining the current position of the piston 13. This device will be explained in detail.
  • the piston 13 is sealed in the cylinder 10.
  • the piston rod 14 is sealingly guided in the opening 15.
  • no or almost no liquid medium can emerge from the interior 17 via the opening 15. It is thus possible to move the piston 13 by feeding or removing liquid medium within the cylinder 10.
  • a hydraulic fluid can in particular be provided as the liquid medium, which is supplied or extracted with an overpressure or underpressure via the inlet and outlet channel 18 into the interior 17 of the cylinder 10.
  • the cylinder 10 can be used in any position, that is to say horizontally or vertically or also obliquely, for example in a vehicle. With the aid of the mentioned device for determining the current position of the piston 13, the determined actual state of the cylinder 10 or, in particular, of the piston 13 can then be further processed.
  • a spring (not shown) or the like can be present on the side of the piston 13 facing away from the interior 17, which is only indicated schematically in FIG. 1.
  • the spring generates a force on the piston 13, which tries to move the piston 13 in the direction of the inlet and outlet anal 18.
  • the suction of the hydraulic fluid from the interior 17 via the inlet and outlet channel 18 can thus be supported or replaced by the spring.
  • a further liquid-tight interior 19 can be present on the side of the piston 13 facing away from the interior 17 is provided with a further (not shown) inlet and outlet channel. Hydraulic fluid can be supplied to the further interior 19 via the further inlet and outlet channel.
  • the piston 13 can be displaced in the cylinder 10 by appropriate pressurization of the two interior spaces 17, 19.
  • This so-called double-acting cylinder 10 can preferably be used as a steering cylinder in a vehicle. With the help of the mentioned device for determining the current position of the piston 13, the steering angle of the vehicle can ultimately be determined and processed.
  • a further piston rod (not shown) connected to the piston 13 can be present in the further interior 19 of the cylinder 10 and can be led out of the cylinder 10.
  • the cylinder 10 is aligned with its longitudinal direction in an approximately vertical position.
  • the piston 13 does not have to be sealingly guided within the cylinder 10. Accordingly, the piston rod 14 does not have to be sealingly guided in the opening 15.
  • the entire cylinder 10 is fixed within a container (not shown).
  • a liquid medium with a variable fill level is contained in the container.
  • the interior 17 is connected to this liquid medium via the inlet and outlet channel 18.
  • the piston 13 is designed to be floating. Thus, the piston 13 is displaced in its vertically oriented longitudinal direction when the fill level changes within the cylinder 10. With the help of the mentioned device for determining the current position of the piston 13, the filling level of the container can thus ultimately be indicated.
  • the device for determining the current position of the piston 13 has a sensor 21 which is provided in the vicinity of the cylinder face 12 in the cylinder wall 11.
  • the sensor 21 is preferably arranged approximately diagonally opposite the inlet and outlet channel 18 and thus with respect to the inlet and outlet channel 18 approximately in the shadow of the piston rod 14. Movements of the liquid medium through its inflow or outflow via the inlet and outlet channels 18 therefore have no or at least only a slight influence on the sensor 21.
  • the sensor 21 is provided to emit signals in a direction approximately transverse to the longitudinal direction of the cylinder 10 into the interior 17 thereof.
  • the sensor 21 is also provided to receive signals from the corresponding direction.
  • the signals mentioned are shown schematically in FIG. 1 by dashed lines.
  • the sensor 21 can preferably be an ultrasonic sensor. This can contain a piezo crystal, with the aid of which signals can be generated and emitted electrically.
  • the deflection device 22 is provided approximately between the cylinder wall 11 and the opening 15.
  • the deflection device 22 is arranged and designed in such a way that signals which are emitted by the sensor 21 approximately transversely to the longitudinal direction of the cylinder 10 are deflected, in a direction approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10. Signals in FIG Directed to the sensor 21 deflected, which strike the deflection device 22 approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 21.
  • the approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10 aligned signals then run between the cylinder wall 11 and the piston rod 14 in the liquid medium.
  • the senor 21 can also be provided on the cylinder face 12.
  • the sensor 21 can in turn be arranged in the shadow of the piston rod 14. In these cases, no deflection device is required.
  • the piston 13 is provided with an elevation 23 on its side facing the interior 17 and thus the sensor 21.
  • the elevation 23 is arranged all around on the outer edge of the piston 13.
  • the elevation 23 has a surface 24 oriented approximately transversely to the longitudinal direction of the cylinder 10.
  • the piston 13 In the area of the piston 13 in which the elevation 23 is not present, the piston 13 has a piston surface 25 oriented approximately transversely to the longitudinal direction of the cylinder 10.
  • the height of the elevation in the longitudinal direction of the cylinder 10, that is to say the distance between the surface 24 and the piston surface 25, is identified in FIG. 2 by the reference symbol h.
  • the surface 24 and the piston surface 25 are arranged and aligned in such a way that signals which run approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10 strike the surface 24 of the elevation 23 and the piston surface 25 of the piston 13 and are reflected from there in a direction also approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10.
  • the components influencing the course of the signals ie the piston 13, the sensor 21, the deflection device 22 and the elevation 23, are arranged and aligned with respect to one another in such a way that signals emitted by the sensor 21 will, in any case, impinge on the surface 24 of the elevation 23 and also on the piston surface 25 of the piston 13. Accordingly, the components are arranged and aligned in such a way that signals reflected by the two aforementioned surfaces hit the sensor 21 again.
  • the sensor 21 is connected to an evaluation device 27 which is provided to cause the radiation of signals by the sensor 21 and to process signals received by the sensor 21.
  • a value representing the current position of the piston 13, which is identified by the reference symbol P, is generated by the evaluation device 27.
  • a signal 31 is also shown there, which is generated by the sensor 21 and extends from the sensor 21 to the surface 24.
  • a signal 32 is from the surface
  • a signal 33 is generated by the sensor 21 and goes to the piston surface 25.
  • a signal 34 is from the piston surface
  • signals s that are received by sensor 21 are plotted against time t. It is assumed that the sensor 21 is subjected to a rectangular pulse, for example, at a time TO. This rectangular pulse is generated by the evaluation device 27.
  • the square-wave pulse generated at time T0 has the result that signal 31 and signal 33 move in the direction of surface 24 and piston surface 25.
  • the signal 31 is reflected on the surface 24 and the signal 33 is reflected on the piston surface 25. From there, the reflected signal 32 and the reflected signal 34 then move back to the sensor 21.
  • the signals 31, 32, 33, 34 have a sinusoidal configuration.
  • the sensor 21 therefore receives the two reflected signals 32, 34 as sinusoidally decaying signals SI, S2.
  • the signals SI, S2 are each assigned a time T1, T2 which represents the time at which the respective signal was received by the sensor 21.
  • a running time t1 results from the difference between the two times Tl, T0 and characterizes the period of time that the signals 31, 32 need to get from the sensor 21 to the surface 24 of the elevation 23 and back to the sensor 21.
  • a running time t2 results from the difference between the two times T2, T0 and characterizes the period of time that the signals 33, 34 need to pass from the sensor 21 to the piston surface 25 of the piston 13 and. to get back to the sensor 21.
  • the transit time t2 is also greater than the transit time tl.
  • the difference between the two transit times t1, t2 is based on the height h of the elevation 23 and ultimately corresponds to twice the height h due to the outward and return journey.
  • the factor 2 in the numerator of the above equation results from the fact that the transit times always relate to the outward and return path of the signals 31, 32, 33, 34.
  • the running difference delta_t_kal determined during the calibration and the determined signal speed v_kal are stored in the evaluation device 27.
  • This current runtime difference delta_t_akt depends on the current boundary conditions to which the liquid medium and the sensor 21 are currently exposed. These include the temperature which the liquid medium has and / or the pressure which is exerted on the liquid medium and / or the consistency which the liquid medium has and which change, for example, due to aging can. Furthermore, it can also be temperature-dependent and / or age-related Act changes in the sensor 21 that have an influence on the transit time difference delta_t_akt.
  • K delta_t_kal / delta_t_akt.
  • the above correction factor K can be determined continuously or only at larger time intervals by the evaluation device 27.
  • the calibrated signal speed y_kal is converted in the above equation using the correction factor K to a current signal speed, which in turn is then multiplied by the transit time t2_akt / 2.
  • the product of the factors v_kal and K thus takes into account the current boundary conditions, in particular the current temperature and / or the currently acting pressure.
  • the determined current position P of the piston 13 is related to the piston surface 25 of the piston 13. By means of appropriate conversions or standardizations, this can also be adapted to other reference points or surfaces or to other units of measurement or the like. For this purpose, correction values can be linked additively and / or multiplicatively with the current position P.
  • the interior 17 or the interior 17, 19 of the cylinder 10 prefferably filled with a gas, for example with air, the gas being able to be pressurized.
  • the different transit times of the signals 31, 32 on the one hand and the signals 33, 34 on the other hand which arise in the described embodiments due to the height h, are generated differently.
  • the entire surface of the piston 13 facing the sensor 21 can be divided into two areas, in which the signals 31, 33 running in the direction of the piston 13 are reflected differently.
  • one of the two signals 31, 33 can be reflected such that it does not run back directly to the sensor 21, but indirectly, for example via a further reflection.
  • the material properties of the two areas mentioned can also be provided differently, so that different transit times of the signals 31, 32, 33, 34 arise. It is essential that the two reflected signals 32, 34 are generated by the piston 13, regardless of how this is achieved. The two transit times associated with these two reflected signals 32, 34 are then measured in order to finally determine the current position P of the piston 13.

Abstract

Disclosed is a method for determining a current position (P) of a piston (13) that is movably accommodated in a cylinder (10). A sensor (21), with the aid of which the current position (P) of the piston (13) is determined, is associated with the cylinder (10). Said sensor (21) delivers at least one signal in the direction of the piston (13). The piston (13) generates two reflected signals which are received by the sensor (21). Two propagation times that are associated with the two reflected signals are measured. The current position (P) of the piston (13) is determined in accordance with the two measured propagation times.

Description

Titel: Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Position eines in einem Zylinder verschiebbar untergebrachten KolbensTitle: Method for determining a current position of a piston displaceably housed in a cylinder
Beschreibungdescription
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Position eines Kolbens, wobei der Kolben in einem Zylinder verschiebbar untergebracht ist, und wobei dem Zylinder ein Sensor zugeordnet ist, mit dessen Hilfe die aktuelle Position des Kolbens ermittelt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung sowie einen entsprechenden Zylinder.The invention is based on a method for determining a current position of a piston, the piston being displaceably housed in a cylinder, and a sensor being assigned to the cylinder, with the aid of which the current position of the piston is determined. Furthermore, the invention relates to a corresponding device and a corresponding cylinder.
Aus der DE 42 12 184 AI ist eine hydraulische Steuereinrichtung für einen Arbeitszylinder bekannt, bei der ein Wegaufnehmer einer Kolbenstange des Arbeitszylinders zugeordnet ist. Mit Hilfe des Wegaufnehmers wird der Hub und damit die aktuelle Position des Kolbens erfasst. Der Wegaufnehmer ist dabei immer den momentanen Umwelteinflüssen ausgesetzt, wie beispielsweise der Temperatur. Weiterhin ist die gesamte Anordnung einer Alterung unterworfen. Diese Randbedingungen können die ermittelte Position des Kolbens verfälschen.From DE 42 12 184 AI a hydraulic control device for a working cylinder is known in which a displacement sensor is assigned to a piston rod of the working cylinder. With the help of the displacement sensor, the stroke and thus the current position of the piston are recorded. The displacement sensor is always exposed to the current environmental influences, such as temperature. Furthermore, the entire arrangement is subject to aging. These boundary conditions can falsify the determined position of the piston.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem Umwelteinflüsse und Alterungseffekte zu keinen Verfälschungen führen.The object of the invention is to provide a method in which environmental influences and aging effects do not lead to falsifications.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäS dadurch gelöst, dass von dem Sensor mindestens ein Signal in Richtung zu dem Kolben abgegeben wird, dass durch den Kolben zwei reflektierte Signale erzeugt werden, dass die beiden reflektierten Signale von dem Sensor empfangen werden, dass zwei zu den beiden reflektierten Signalen zugehörige Laufzeiten gemessen werden, und dass die aktuelle Position des Kolbens in Abhängigkeit von den beiden gemessenen Laufzeiten ermittelt wird. Bei einer Vorrichtung und einem Zylinder der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß entsprechend gelöst.In a method of the type mentioned at the outset, this object is achieved in that at least one signal is emitted in the direction of the piston by the sensor, that two reflected signals are generated by the piston, and that the two reflected signals are received by the sensor, that two reflected on the two Signals associated transit times are measured, and that the current position of the piston is determined as a function of the two measured transit times. In a device and a cylinder of the type mentioned in the introduction, the object is achieved accordingly.
Erfindungsgemäß werden also von dem Kolben zwei reflektierte Signale und damit zwei Laufzeiten für die Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens hervorgerufen. Mit Hilfe dieser beiden Laufzeiten ist es möglich, die momentan vorliegenden Bedingungen, also die aktuellen Umwelteinflüsse und vorhandenen Alterungseffekte, bei der Berechnung der aktuellen Position des Kolbens zu berücksichtigen. So ist es insbesondere möglich, die Einwirkung der aktuellen Temperatur auf die Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens mit Hilfe der beiden gemessenen Laufzeiten auszugleichen. Die auf der Grundlage der beiden Laufzeiten ermittelte aktuelle Position des Kolbens ist damit keinen umweit- oder alterungsbedingten Verfälschungen unterworfen, sondern stellt einen unverfälschten Wert dar.According to the invention, two signals which are reflected by the piston and therefore two transit times are generated for the determination of the current position of the piston. With the help of these two running times, it is possible to take into account the current conditions, i.e. the current environmental influences and existing aging effects, when calculating the current position of the piston. In particular, it is possible to compensate for the influence of the current temperature on the determination of the current position of the piston using the two measured transit times. The current position of the piston determined on the basis of the two running times is therefore not subject to falsifications due to environmental or aging factors, but represents an unadulterated value.
Die Art und Weise, wie die beiden reflektierten Signale von dem Kolben hervorgerufen werden, kann unterschiedlich sein.The way in which the two reflected signals are produced by the piston can be different.
So ist es beispielhaft bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Kolben eine Erhebung aufweist, die eine Oberfläche besitzt, dass der Kolben eine Kolbenfläche besitzt, und dass die Oberfläche der Erhebung und die Kolbenfläche des Kolbens zur Erzeugung von jeweils einem der beiden reflektierten Signale vorgesehen sind. Damit ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, die beiden gemessenen Laufzeiten den beiden vorgenannten Flächen zuzuordnen. Diese beiden Flächen, insbesondere ihr Abstand zueinander, sind jedoch bekannt und können vorab vermessen werden. Weiterhin unterliegen diese Flächen bzw. ihr Abstand zueinander keinen oder nur vernachlässigbar geringen umweit- oder alterungsbedingten Veränderungen.For example, in a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that the piston has an elevation that has a surface, that the piston has a piston surface, and that the surface of the elevation and the piston surface of the piston each produce one of the two reflected signals are provided. With this configuration, it is thus possible to assign the two measured transit times to the two aforementioned areas. However, these two surfaces, in particular their distance from one another, are known and can be measured in advance. These areas and their spacing are also subject to each other no or only negligibly small changes due to environmental changes or aging.
In entsprechender Weise ist es bei anderen Ausgestaltungen möglich, die beiden gemessenen Laufzeiten entsprechend anderen, vorher vermessenen und im wesentlichen unveränderlichen Merkmalen des Kolbens zuzuordnen. Damit ist es - unabhängig von der Art und Weise, wie die beiden reflektierten Signale von dem Kolben hervorgerufen werden - möglich, die aktuelle Position des Kolbens mit Hilfe dieser Merkmale und den gemessenen Laufzeiten zu ermitteln. Wie bereits erläutert wurde, können bei dieser Berechnung umweit- und alterungsbedingte Verfälschungen ausgeglichen werden.Correspondingly, in other configurations it is possible to assign the two measured transit times according to other, previously measured and essentially unchangeable characteristics of the piston. This makes it possible - regardless of the way in which the two reflected signals are caused by the piston - to determine the current position of the piston using these features and the measured transit times. As already explained, this calculation can compensate for falsifications caused by the environment and aging.
So ist es beispielhaft bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Laufzeiten unter bekannten Randbedingungen und unter aktuellen Bedingungen gemessen werden. Damit können die unter den bekannten Randbedingungen gemessenen Laufzeiten zusammen mit den vermessenen Merkmalen des Kolbens als Referenzgrößen verwendet werden. Die unter den aktuellen Bedingungen gemessenen Laufzeiten können dann mit Hilfe dieser Referenzgrößen im Hinblick auf Verfälschungen korrigiert werden.For example, in a particularly advantageous development of the invention, it is provided that the transit times are measured under known boundary conditions and under current conditions. The running times measured under the known boundary conditions can thus be used as reference values together with the measured characteristics of the piston. The runtimes measured under the current conditions can then be corrected for falsifications using these reference variables.
Bei dieser Weiterbildung ist es vorzugsweise möglich, dass ein Korrekturfaktor in Abhängigkeit von den unter den bekannten Randbedingungen und den unter den aktuellen Bedingungen gemessenen Laufzeiten ermittelt wird. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eine unter den aktuellen Bedingungen ermittelte, jedoch nicht-korrigierte Position des Kolbens in einfacher Weise mit Hilfe des Korrekturfaktors zu korrigieren.In this development, it is preferably possible for a correction factor to be determined as a function of the running times measured under the known boundary conditions and under the current conditions. This results in the possibility of simply correcting a position of the piston, which has been determined under the current conditions but is not corrected, with the aid of the correction factor.
Beispielhaft ist es zweckmäßig, wenn eine unter den bekannten Randbedingungen ermittelte Signalgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Korrekturfaktor in eine aktuelle Signalgeschwindigkeit umgerechnet wird. Dabei ist es weiterhin zweckmäßig, wenn die aktuelle Position des Kolbens in Abhängigkeit von der aktuellen Signalgeschwindigkeit und zumindest einer der beiden unter den aktuellen Bedingungen gemessenen Laufzeiten ermittelt wird. Damit ist es möglich, mit geringem Rechenaufwand einen genauen Wert für die Position des Kolbens zu ermitteln, der keinen umweit- oder alterungsbedingten Verfälschungen unterworfen ist.For example, it is useful if a signal speed determined under the known boundary conditions in Depending on the correction factor is converted into a current signal speed. It is furthermore expedient if the current position of the piston is determined as a function of the current signal speed and at least one of the two transit times measured under the current conditions. It is thus possible to determine an exact value for the position of the piston with little computation effort, which is not subject to falsifications due to the environment or aging.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Sensor ein Ultraschallsensor vorgesehen. Ein derartiger Ultraschallsensor erlaubt einerseits äußerst genaue Messungen von Laufzeiten und stellt andererseits ein zuverlässiges und langlebiges Bauteil dar.In a particularly advantageous embodiment of the invention, an ultrasonic sensor is provided as the sensor. On the one hand, such an ultrasonic sensor allows extremely precise measurements of transit times and, on the other hand, it is a reliable and durable component.
Die Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise bei einem Lenkzylinder eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Aus der aktuellen Position des Kolbens kann in diesem Fall der Lenkwinkel des Fahrzeugs abgeleitet werden.The invention can be used in a particularly advantageous manner in a steering cylinder of a vehicle. In this case, the steering angle of the vehicle can be derived from the current position of the piston.
Es ist jedoch ebenfalls in vorteilhafter Weise möglich, die Erfindung im Zusammenhang mit einer Füllstandsmessung einzusetzen. In diesem Fall entspricht die aktuelle Position des Kolbens dem Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter.However, it is also advantageously possible to use the invention in connection with a level measurement. In this case, the current position of the piston corresponds to the level of a liquid in a container.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Zylinders mit einem darin verfahrbaren Kolben und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens,Further features, possible applications and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, which are shown in the figures of the drawing. All of the described or illustrated features, alone or in any combination, form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the patent claims or their relationship, and regardless of their wording or representation in the description or in the drawing. FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of a cylinder with a piston that can be moved therein and with a device according to the invention for determining the current position of the piston,
Figur 2ist eine schematische Darstellung von Signalen, die von der Vorrichtung der Figur 1 erzeugt werden, undFigure 2 is a schematic representation of signals generated by the device of Figure 1 and
Figur 3ist ein schematisches Zeitdiagramm zu den Signalen der Figur 2.Figure 3 is a schematic timing diagram for the signals of Figure 2.
In der Figur 1 ist ein Zylinder 10 dargestellt, der eine Zylinderwand 11 und eine Zylinderstirnseite 12 aufweist. In dem Zylinder 10 ist ein Kolben 13 untergebracht, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Zylinderwand 11. Etwa mittig ist der Kolben 13 mit einer Kolbenstange 14 verbunden. In der Zylinderstirnseite 12 ist etwa mittig eine Öffnung 15 enthalten, durch die die Kolbenstange 14 hindurchragt. Der Kolben 13 ist damit zusammen mit der Kolbenstange 14 innerhalb des Zylinders 10 in dessen Längsrichtung verschiebbar. Dies ist durch einen Pfeil kenntlich gemacht.FIG. 1 shows a cylinder 10 which has a cylinder wall 11 and a cylinder end face 12. A piston 13 is accommodated in the cylinder 10, the outer diameter of which is slightly smaller than the inner diameter of the cylinder wall 11. The piston 13 is connected to a piston rod 14 approximately in the middle. An opening 15, through which the piston rod 14 projects, is contained approximately centrally in the cylinder end face 12. The piston 13 can thus be displaced together with the piston rod 14 within the cylinder 10 in the longitudinal direction thereof. This is indicated by an arrow.
Die Zylinderwand 11, die Zylinderstirnseite 12 und der Kolben 13 begrenzen einen Innenraum 17, der mit einem flüssigen Medium gefüllt ist. In der Nähe der Zylinderstirnseite 12 ist in der Zylinderwand 11 ein Zu- und Ablaufkanal 18 vorgesehen, über den das flüssige Medium insbesondere bei einer Verschiebung des Kolbens 13 zu- und ablaufen kann.The cylinder wall 11, the cylinder end face 12 and the piston 13 delimit an interior space 17 which is filled with a liquid medium. In the vicinity of the cylinder end face 12, an inlet and outlet channel 18 is provided in the cylinder wall 11, via which the liquid medium can flow in and out, in particular when the piston 13 is displaced.
Weiterhin ist der Zylinder 10 mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens 13 versehen. Diese Vorrichtung wird noch detailliert erläutert werden. Bei einer ersten Ausführungsform ist der Kolben 13 dichtend in dem Zylinder 10 untergebracht. Es kann somit kein oder nahezu kein flüssiges Medium an dem Kolben 13 vorbei aus dem Innenraum 17 des Zylinders 10 austreten. Weiterhin ist die Kolbenstange 14 dichtend in der Öffnung 15 geführt. Es kann somit auch kein oder nahezu kein flüssiges Medium über die Öffnung 15 aus dem Innenraum 17 austreten. Damit ist es möglich, den Kolben 13 durch ein Zuführen oder ein Wegnehmen von flüssigem Medium innerhalb des Zylinders 10 zu verschieben.Furthermore, the cylinder 10 is provided with a device for determining the current position of the piston 13. This device will be explained in detail. In a first embodiment, the piston 13 is sealed in the cylinder 10. Thus, no or almost no liquid medium can escape past the piston 13 from the interior 17 of the cylinder 10. Furthermore, the piston rod 14 is sealingly guided in the opening 15. Thus, no or almost no liquid medium can emerge from the interior 17 via the opening 15. It is thus possible to move the piston 13 by feeding or removing liquid medium within the cylinder 10.
Zu diesem Zweck kann als flüssiges Medium insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit vorgesehen sein, die mit einem Überoder Unterdruck über den Zu- und Ablaufkanal 18 in den Innenraum 17 des Zylinders 10 zugeführt oder abgesaugt wird. Der Zylinder 10 kann in diesem Fall in jeder beliebigen Lage, also horizontal oder vertikal oder auch schräg, beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Mit Hilfe der erwähnten Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens 13 kann dann der ermittelte Ist-Zustand des Zylinders 10 bzw. insbesondere des Kolbens 13 weiterverarbeitet werden.For this purpose, a hydraulic fluid can in particular be provided as the liquid medium, which is supplied or extracted with an overpressure or underpressure via the inlet and outlet channel 18 into the interior 17 of the cylinder 10. In this case, the cylinder 10 can be used in any position, that is to say horizontally or vertically or also obliquely, for example in a vehicle. With the aid of the mentioned device for determining the current position of the piston 13, the determined actual state of the cylinder 10 or, in particular, of the piston 13 can then be further processed.
In einer Abwandlung der ersten Ausführungsform kann auf der dem Innenraum 17 abgewandten Seite des Kolbens 13, die in der Figur 1 nur schematisch angedeutet ist, eine (nicht- dargestellte) Feder oder dergleichen vorhanden sein. Die Feder erzeugt eine Kraft auf den Kolben 13 , die den Kolben 13 in Richtung zu dem Zu- und Ablauf anal 18 zu verschieben versucht. Damit kann das Absaugen der Hydraulikflüssigkeit aus dem Innenraum 17 über den Zu- und Ablaufkanal 18 durch die Feder unterstützt oder ersetzt werden.In a modification of the first embodiment, a spring (not shown) or the like can be present on the side of the piston 13 facing away from the interior 17, which is only indicated schematically in FIG. 1. The spring generates a force on the piston 13, which tries to move the piston 13 in the direction of the inlet and outlet anal 18. The suction of the hydraulic fluid from the interior 17 via the inlet and outlet channel 18 can thus be supported or replaced by the spring.
In einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform kann auf der dem Innenraum 17 abgewandten Seite des Kolbens 13 ein weiterer flüssigkeitsdichter Innenraum 19 vorhanden sein, der mit einem weiteren (nicht-dargestellten) Zu- und Ablaufkanal versehen ist. Über den weiteren Zu- und Ablaufkanal kann Hydraulikflüssigkeit dem weiteren Innenraum 19 zugeführt werden. Durch eine entsprechende Beaufschlagung der beiden Innenräume 17, 19 mit einem Überdruck kann der Kolben 13 in dem Zylinder 10 verschoben werden.In a further modification of the first embodiment, a further liquid-tight interior 19 can be present on the side of the piston 13 facing away from the interior 17 is provided with a further (not shown) inlet and outlet channel. Hydraulic fluid can be supplied to the further interior 19 via the further inlet and outlet channel. The piston 13 can be displaced in the cylinder 10 by appropriate pressurization of the two interior spaces 17, 19.
Dieser sogenannte doppelt wirkende Zylinder 10 kann vorzugsweise als Lenkzylinder in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Mit Hilfe der erwähnten Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens 13 kann damit letztlich der Lenkwinkel des Fahrzeugs ermittelt und weiterverarbeitet werden.This so-called double-acting cylinder 10 can preferably be used as a steering cylinder in a vehicle. With the help of the mentioned device for determining the current position of the piston 13, the steering angle of the vehicle can ultimately be determined and processed.
Gegebenenfalls kann dabei in dem weiteren Innenraum 19 des Zylinders 10 eine weitere, mit dem Kolben 13 verbundene (nicht-dargestellte) Kolbenstange vorhanden und aus dem Zylinder 10 herausgeführt sein.If necessary, a further piston rod (not shown) connected to the piston 13 can be present in the further interior 19 of the cylinder 10 and can be led out of the cylinder 10.
In einer zweiten Ausführungsform wird der Zylinder 10 mit seiner Längsrichtung in eine etwa vertikale Lage ausgerichtet. Der Kolben 13 muss nicht dichtend innerhalb des Zylinders 10 geführt sein. Entsprechend muss auch die Kolbenstange 14 nicht dichtend in der Öffnung 15 geführt sein. Der gesamte Zylinder 10 ist innerhalb eines (nicht- dargestellten) Behälters fest angeordnet. In dem Behälter ist ein flüssiges Medium mit veränderlichem Füllstand enthalten. Über den Zu- und Ablaufkanal 18 ist der Innenraum 17 mit diesem flüssigen Medium verbunden.In a second embodiment, the cylinder 10 is aligned with its longitudinal direction in an approximately vertical position. The piston 13 does not have to be sealingly guided within the cylinder 10. Accordingly, the piston rod 14 does not have to be sealingly guided in the opening 15. The entire cylinder 10 is fixed within a container (not shown). A liquid medium with a variable fill level is contained in the container. The interior 17 is connected to this liquid medium via the inlet and outlet channel 18.
Der Kolben 13 ist schwimmend ausgeführt. Damit wird der Kolben 13 bei einem sich veränderndem Füllstand innerhalb des Zylinders 10 in seiner vertikal ausgerichteten Längsrichtung verschoben. Mit Hilfe der erwähnten Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens 13 kann damit letztlich der Füllstand des Behälters angegeben werden. Die Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens 13 weist einen Sensor 21 auf, der in der Nähe der Zylinderstirnseite 12 in der Zylinderwand 11 vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Sensor 21 etwa diagonal gegenüber dem Zu- und Ablaufkanal 18 und damit im Hinblick auf den Zu- und Ablaufkanal 18 etwa im Schatten der Kolbenstange 14 angeordnet. Bewegungen des flüssigen Mediums durch dessen Ein- oder Ausströmen über den Zu- und Ablaufkanal 18 haben damit keinen oder zumindest nur einen geringen Einfluss auf den Sensor 21.The piston 13 is designed to be floating. Thus, the piston 13 is displaced in its vertically oriented longitudinal direction when the fill level changes within the cylinder 10. With the help of the mentioned device for determining the current position of the piston 13, the filling level of the container can thus ultimately be indicated. The device for determining the current position of the piston 13 has a sensor 21 which is provided in the vicinity of the cylinder face 12 in the cylinder wall 11. The sensor 21 is preferably arranged approximately diagonally opposite the inlet and outlet channel 18 and thus with respect to the inlet and outlet channel 18 approximately in the shadow of the piston rod 14. Movements of the liquid medium through its inflow or outflow via the inlet and outlet channels 18 therefore have no or at least only a slight influence on the sensor 21.
Der Sensor 21 ist dazu vorgesehen, Signale in eine Richtung etwa quer zur Längsrichtung des Zylinders 10 in den Innenraum 17 desselben abzugeben. Ebenfalls ist der Sensor 21 dazu vorgesehen, Signale aus der entsprechenden Richtung zu empfangen. Die genannten Signale sind in der Figur 1 in schematischer Weise durch gestrichelte Linien dargestellt.The sensor 21 is provided to emit signals in a direction approximately transverse to the longitudinal direction of the cylinder 10 into the interior 17 thereof. The sensor 21 is also provided to receive signals from the corresponding direction. The signals mentioned are shown schematically in FIG. 1 by dashed lines.
Bei dem Sensor 21 kann es sich vorzugsweise um einen Ultraschallsensor handeln. Dieser kann einen Piezokristall enthalten, mit dessen Hilfe Signale elektrisch erzeugt und abgestrahlt werden können.The sensor 21 can preferably be an ultrasonic sensor. This can contain a piezo crystal, with the aid of which signals can be generated and emitted electrically.
Dem Sensor 21 ist eine Umlenkeinrichtung 22 zugeordnet, die an der Zylinderstirnseite 12 angebracht ist. Die Umlenkeinrichtung 22 ist etwa zwischen der Zylinderwand 11 und der Öffnung 15 vorgesehen. Die Umlenkeinrichtung 22 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass Signale, die von dem Sensor 21 etwa quer zur Längsrichtung des Zylinders 10 abgestrahlt werden, umgelenkt werden, und zwar in eine Richtung etwa parallel zur Längsrichtung des Zylinders 10. In entsprechender Weise werden auch Signale in Richtung zu dem Sensor 21 umgelenkt, die etwa parallel zur Längsrichtung des Zylinders 21 auf die Umlenkeinrichtung 22 auftreffen. Die etwa parallel zur Längsrichtung des Zylinders 10 ausgerichteten Signale verlaufen dann zwischen der Zylinderwand 11 und der Kolbenstange 14 in dem flüssigen Mediu .A deflection device 22, which is attached to the cylinder end face 12, is assigned to the sensor 21. The deflection device 22 is provided approximately between the cylinder wall 11 and the opening 15. The deflection device 22 is arranged and designed in such a way that signals which are emitted by the sensor 21 approximately transversely to the longitudinal direction of the cylinder 10 are deflected, in a direction approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10. Signals in FIG Directed to the sensor 21 deflected, which strike the deflection device 22 approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 21. The approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10 aligned signals then run between the cylinder wall 11 and the piston rod 14 in the liquid medium.
Es versteht sich, dass der Sensor 21 auch an der Zylinderstirnseite 12 vorgesehen sein kann. Insbesondere kann der Sensor 21 wiederum im Schatten der Kolbenstange 14 angeordnet sein. In diesen Fällen ist keine Umlenkeinrichtung erforderlich.It goes without saying that the sensor 21 can also be provided on the cylinder face 12. In particular, the sensor 21 can in turn be arranged in the shadow of the piston rod 14. In these cases, no deflection device is required.
Der Kolben 13 ist auf seiner dem Innenraum 17 und damit dem Sensor 21 zugewandten Seite mit einer Erhebung 23 versehen. Die Erhebung 23 ist umlaufend am Außenrand des Kolbens 13 angeordnet. Die Erhebung 23 weist eine etwa quer zur Längsrichtung des Zylinders 10 ausgerichtete Oberfläche 24 auf .The piston 13 is provided with an elevation 23 on its side facing the interior 17 and thus the sensor 21. The elevation 23 is arranged all around on the outer edge of the piston 13. The elevation 23 has a surface 24 oriented approximately transversely to the longitudinal direction of the cylinder 10.
In demjenigen Bereich des Kolbens 13, in dem die Erhebung 23 nicht vorhanden ist, weist der Kolben 13 eine etwa quer zur Längsrichtung des Zylinders 10 ausgerichtete Kolbenfläche 25 auf . Die Höhe der Erhebung in Längsrichtung des Zylinders 10 , also der Abstand der Oberfläche 24 von der Kolbenfläche 25, ist in der Figur 2 mit dem Bezugszeichen h gekennzeichnet.In the area of the piston 13 in which the elevation 23 is not present, the piston 13 has a piston surface 25 oriented approximately transversely to the longitudinal direction of the cylinder 10. The height of the elevation in the longitudinal direction of the cylinder 10, that is to say the distance between the surface 24 and the piston surface 25, is identified in FIG. 2 by the reference symbol h.
Die Oberfläche 24 und die Kolbenfläche 25 sind derart angeordnet und ausgerichtet, dass Signale, die etwa parallel zur Längsrichtung des Zylinders 10 verlaufen, auf die Oberfläche 24 der Erhebung 23 und auf die Kolbenfläche 25 des Kolbens 13 auftreffen und von dort reflektiert werden, und zwar in eine ebenfalls etwa parallel zur Längsrichtung des Zylinders 10 verlaufende Richtung.The surface 24 and the piston surface 25 are arranged and aligned in such a way that signals which run approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10 strike the surface 24 of the elevation 23 and the piston surface 25 of the piston 13 and are reflected from there in a direction also approximately parallel to the longitudinal direction of the cylinder 10.
Die den Verlauf der Signale beeinflussenden Bauteile, also der Kolben 13, der Sensor 21, die Umlenkeinrichtung 22 und die Erhebung 23, sind dabei derart zueinander angeordnet und ausgerichtet, dass Signale, die von dem Sensor 21 abgegeben werden, in jedem Fall auf der Oberfläche 24 der Erhebung 23 sowie auch auf der Kolbenfläche 25 des Kolbens 13 auftreffen. Entsprechend sind die Bauteile derart angeordnet und ausgerichtet, dass von den beiden vorgenannten Flächen reflektierte Signale wieder auf den Sensor 21 auftreffen.The components influencing the course of the signals, ie the piston 13, the sensor 21, the deflection device 22 and the elevation 23, are arranged and aligned with respect to one another in such a way that signals emitted by the sensor 21 will, in any case, impinge on the surface 24 of the elevation 23 and also on the piston surface 25 of the piston 13. Accordingly, the components are arranged and aligned in such a way that signals reflected by the two aforementioned surfaces hit the sensor 21 again.
Weiterhin ist der Sensor 21 mit einem Auswerteeinrichtung 27 verbunden, die dazu vorgesehen ist, die Abstrahlung von Signalen durch den Sensor 21 zu veranlassen sowie von dem Sensor 21 empfangene Signale zu verarbeiten. Von der Auswerteeinrichtung 27 wird ein die aktuelle Position des Kolbens 13 repräsentierender Wert erzeugt, der mit dem Bezugszeichen P gekennzeichnet ist.Furthermore, the sensor 21 is connected to an evaluation device 27 which is provided to cause the radiation of signals by the sensor 21 and to process signals received by the sensor 21. A value representing the current position of the piston 13, which is identified by the reference symbol P, is generated by the evaluation device 27.
In der Figur 2 sind der Kolben 13, der Sensor 21, die Umlenkeinrichtung 22 und die Erhebung 23 sowie die Oberfläche 24 und die Kolbenfläche 25 nochmals vergrößert dargestellt.In FIG. 2, the piston 13, the sensor 21, the deflection device 22 and the elevation 23 as well as the surface 24 and the piston surface 25 are shown enlarged again.
Weiterhin ist dort ein Signal 31 dargestellt, das von dem Sensor 21 erzeugt wird und von dem Sensor 21 zu der Oberfläche 24 verläuft. Ein Signal 32 wird von der OberflächeA signal 31 is also shown there, which is generated by the sensor 21 and extends from the sensor 21 to the surface 24. A signal 32 is from the surface
24 reflektiert und verläuft zurück zu dem Sensor 21. Ein Signal 33 wird von dem Sensor 21 erzeugt und verläuft zu der Kolbenfläche 25. Und ein Signal 34 wird von der Kolbenfläche24 reflects and goes back to the sensor 21. A signal 33 is generated by the sensor 21 and goes to the piston surface 25. And a signal 34 is from the piston surface
25 reflektiert und verläuft zurück zu dem Sensor 21.25 reflects and runs back to the sensor 21.
In der Figur 3 sind Signale s, die von dem Sensor 21 empfangen werden, über der Zeit t aufgetragen. Dabei wird davon ausgegangen, dass in einem Zeitpunkt TO der Sensor 21 beispielsweise mit einem Rechteckimpuls beaufschlagt wird. Dieser Rechteckimpuls wird von der Auswerteeinrichtung 27 erzeugt .In FIG. 3, signals s that are received by sensor 21 are plotted against time t. It is assumed that the sensor 21 is subjected to a rectangular pulse, for example, at a time TO. This rectangular pulse is generated by the evaluation device 27.
Der im Zeitpunkt T0 erzeugte Rechteckimpuls hat zur Folge, dass das Signal 31 und das Signal 33 sich in Richtung zu der Oberfläche 24 und der Kolbenfläche 25 bewegen. Das Signal 31 wird an der Oberfläche 24 und das Signal 33 wird an der Kolbenfläche- 25 reflektiert. Von dort bewegen sich dann das reflektierte Signal 32 und das reflektierte Signal 34 wieder zurück zu dem Sensor 21.The square-wave pulse generated at time T0 has the result that signal 31 and signal 33 move in the direction of surface 24 and piston surface 25. The signal 31 is reflected on the surface 24 and the signal 33 is reflected on the piston surface 25. From there, the reflected signal 32 and the reflected signal 34 then move back to the sensor 21.
Die Signale 31, 32, 33, 34 haben eine sinusförmige Ausbildung. Bei dem Sensor 21 werden daher die beiden reflektierten Signale 32, 34 als sinusförmig abklingende Signale SI, S2 empfangen. Beispielsweise jeweils bei deren Maxima wird den Signalen SI, S2 jeweils ein Zeitpunkt Tl, T2 zugeordnet, der den Empfangszeitpunkt des jeweiligen Signals durch den Sensor 21 darstellt.The signals 31, 32, 33, 34 have a sinusoidal configuration. The sensor 21 therefore receives the two reflected signals 32, 34 as sinusoidally decaying signals SI, S2. For example, at their maxima, the signals SI, S2 are each assigned a time T1, T2 which represents the time at which the respective signal was received by the sensor 21.
Eine Laufzeit tl ergibt sich aus der Differenz der beiden Zeitpunkte Tl, T0 und kennzeichnet diejenige Zeitdauer, die die Signale 31, 32 benötigen, um von dem Sensor 21 zu der Oberfläche 24 der Erhebung 23 und wieder zurück zu dem Sensor 21 zu gelangen. Eine Laufzeit t2 ergibt sich aus der Differenz der beiden Zeitpunkte T2 , T0 und kennzeichnet diejenige Zeitdauer, die die Signale 33, 34 benötigen, um von dem Sensor 21 zu der Kolbenfläche 25 des Kolbens 13 und . wieder zurück zu dem Sensor 21 zu gelangen.A running time t1 results from the difference between the two times Tl, T0 and characterizes the period of time that the signals 31, 32 need to get from the sensor 21 to the surface 24 of the elevation 23 and back to the sensor 21. A running time t2 results from the difference between the two times T2, T0 and characterizes the period of time that the signals 33, 34 need to pass from the sensor 21 to the piston surface 25 of the piston 13 and. to get back to the sensor 21.
Da der Weg zu der Kolbenfläche 25 länger ist als der Weg zu der Oberfläche 24, ist auch die Laufzeit t2 größer als die Laufzeit tl . Der Unterschied der beiden Laufzeiten tl, t2 beruht auf der Höhe h der Erhebung 23 und entspricht aufgrund des Hin- und Rückwegs letztlich der doppelten Höhe h.Since the path to the piston surface 25 is longer than the path to the surface 24, the transit time t2 is also greater than the transit time tl. The difference between the two transit times t1, t2 is based on the height h of the elevation 23 and ultimately corresponds to twice the height h due to the outward and return journey.
Vor einem Betrieb der beschriebenen Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Position des Kolbens 13 wird dieselbe kalibriert. Zu diesem Zweck wird unter vorgegebenen, bekannten Randbedingungen, insbesondere bei einer bekannten Temperatur, beispielsweise bei 22 Grad Celsius, und in einem druckfreien Zustand, also ohne dass über den Zu- und Ablaufkanal 18 ein flüssiges Medium zu- oder abgeführt wird, eine Messung von Laufzeiten tl_kal, t2_kal durchgeführt. Aus der Differenz dieser beiden Laufzeiten ergibt sich eine Laufzeitdifferenz delta_t_kal für die Kalibrierung wie folgt: delta_t_kal = tl_kal - t2_kal.Before the described device for operating the current position of the piston 13 is operated, the same is calibrated. For this purpose, under predetermined, known boundary conditions, in particular at a known temperature, for example at 22 degrees Celsius, and in a pressure-free state, that is to say without a liquid medium being supplied or removed via the inlet and outlet channel 18, a measurement of running times tl_kal, t2_kal carried out. The difference between these two running times results in a running time difference delta_t_kal for the calibration as follows: delta_t_kal = tl_kal - t2_kal.
Weiterhin wird bei dieser Kalibrierung die Geschwindigkeit der Signale in dem flüssigen Medium gemessen, und zwar mit Hilfe der bekannten Höhe h. Hierzu wird folgende Gleichung als Signalgeschwindigkeit v_kal bei der Kalibrierung verwendet : v_kal = 2 x h / delta_t_kal .Furthermore, the speed of the signals in the liquid medium is measured during this calibration, with the aid of the known height h. The following equation is used as the signal speed v_kal in the calibration: v_kal = 2 x h / delta_t_kal.
Der Faktor 2 im Zähler der vorstehenden Gleichung ergibt sich dabei aus der Tatsache, dass sich die Laufzeiten immer auf den Hin- und den Rückweg der Signale 31, 32, 33, 34 beziehen.The factor 2 in the numerator of the above equation results from the fact that the transit times always relate to the outward and return path of the signals 31, 32, 33, 34.
Die bei der Kalibrierung ermittelte Lauf eitdifferenz delta_t_kal und die ermittelte Signalgeschwindigkeit v_kal werden in der Auswerteeinrichtung 27 abgespeichert.The running difference delta_t_kal determined during the calibration and the determined signal speed v_kal are stored in the evaluation device 27.
In einem nachfolgenden Betrieb der beschriebenen Vorrichtung werden Laufzeiten tl_akt, t2_akt unter den aktuell vorliegenden Bedingungen gemessen und es wird daraus eine aktuelle Laufzeitdifferenz delta_t_akt wie folgt ermittelt: delta_t_akt = tl_akt - t2_akt.In a subsequent operation of the device described, runtimes tl_akt, t2_akt are measured under the current conditions and a current runtime difference delta_t_akt is determined as follows: delta_t_akt = tl_akt - t2_akt.
Diese aktuelle Laufzeitdifferenz delta_t_akt hängt von den aktuellen Randbedingungen ab, denen insbesondere das flüssige Medium und der Sensor 21 momentan ausgesetzt sind. Dabei handelt es sich unter anderem um die Temperatur, die das flüssige Medium aufweist, und/oder um den Druck, der auf das flüssige Medium ausgeübt wird, und/oder um die Konsistenz, die das flüssige Medium besitzt, und die sich beispielsweise alterungsbedingt verändern kann. Weiterhin kann es sich auch um temperaturabhängige und/oder alterungsbedingte Veränderungen des Sensors 21 handeln, die einen Einfluss auf die Laufzeitdifferenz delta_t_akt haben.This current runtime difference delta_t_akt depends on the current boundary conditions to which the liquid medium and the sensor 21 are currently exposed. These include the temperature which the liquid medium has and / or the pressure which is exerted on the liquid medium and / or the consistency which the liquid medium has and which change, for example, due to aging can. Furthermore, it can also be temperature-dependent and / or age-related Act changes in the sensor 21 that have an influence on the transit time difference delta_t_akt.
Das Verhältnis der Laufzeitdifferenz bei der Kalibrierung und der aktuellen Laufzeitdifferenz ergibt einen Korrekturfaktor K gemäß der folgenden Gleichung: K = delta_t_kal / delta_t_akt.The ratio of the transit time difference during calibration and the current transit time difference results in a correction factor K according to the following equation: K = delta_t_kal / delta_t_akt.
Der vorstehende Korrekturfaktor K kann fortlaufend oder auch nur in größeren Zeitabständen von der Auswerteeinrichtung 27 ermittelt werden.The above correction factor K can be determined continuously or only at larger time intervals by the evaluation device 27.
Soll nunmehr die aktuelle Position P des Kolbens 13 ermittelt werden, so wird dies mit Hilfe der folgenden Gleichung durchgeführt : P = v_kal x K x t2_akt / 2.If the current position P of the piston 13 is now to be determined, this is carried out using the following equation: P = v_kal x K x t2_akt / 2.
Die kalibrierte Signalgeschwindigkeit y_kal wird in der vorstehenden Gleichung mit Hilfe des Korrekturfaktors K auf eine aktuelle Signalgeschwindigkeit umgerechnet, die dann ihrerseits mit der Laufzeit t2_akt / 2 multipliziert wird. Das Produkt aus den Faktoren v_kal und K berücksichtigt damit die aktuellen Randbedingungen, insbesondere die aktuelle Temperatur und/oder den aktuell einwirkenden Druck. Bei der Laufzeit t2_akt muss wiederum beachtet werden, dass sich dieselbe immer auf den Hin- und den Rückweg der Signale 33, 34 bezieht.The calibrated signal speed y_kal is converted in the above equation using the correction factor K to a current signal speed, which in turn is then multiplied by the transit time t2_akt / 2. The product of the factors v_kal and K thus takes into account the current boundary conditions, in particular the current temperature and / or the currently acting pressure. With the running time t2_akt, it must again be noted that the same always relates to the outward and return path of the signals 33, 34.
Bei der vorstehend beschriebenen Ermittlung der aktuellen Position P des Kolbens 13 ist es nicht erforderlich, dass die Höhe h der Erhebung 23 tatsächlich bekannt ist. Es ist also nicht erforderlich, die Höhe h bei jedem hergestellten Kolben 13 tatsächlich zu vermessen. Dies wird letztlich durch die erläuterte Kalibrierung ersetzt. Alternativ ist es möglich, die Höhe h tatsächlich zu vermessen. In diesem Fall ist keine Kalibrierung erforderlich. Statt dessen ergibt sich die aktuelle PositionWhen determining the current position P of the piston 13 as described above, it is not necessary that the height h of the elevation 23 is actually known. It is therefore not necessary to actually measure the height h for each piston 13 manufactured. This is ultimately replaced by the calibration described. Alternatively, it is possible to actually measure the height h. In this case no calibration is required. Instead, the current position results
P des Kolbens 13 in diesem Fall gemäß der folgendenP of the piston 13 in this case according to the following
Gleichung:Equation:
P = h x (t2_akt / delta_t_akt) .P = h x (t2_akt / delta_t_akt).
Die ermittelte aktuelle Position P des Kolbens 13 ist auf die Kolbenfläche 25 des Kolbens 13 bezogen. Durch entsprechende Umrechnungen oder Normierungen kann dies auch auf andere Bezugspunkte oder -flächen oder an andere Maßeinheiten oder dergleichen angepasst werden. Hierzu können Korrekturwerte additiv und/oder multiplikativ mit der aktuellen Position P verknüpft werden.The determined current position P of the piston 13 is related to the piston surface 25 of the piston 13. By means of appropriate conversions or standardizations, this can also be adapted to other reference points or surfaces or to other units of measurement or the like. For this purpose, correction values can be linked additively and / or multiplicatively with the current position P.
Es ist möglich, dass der Innenraum 17 bzw. die Innenräume 17, 19 des Zylinders 10 mit einem Gas gefüllt sind, beispielsweise mit Luft, wobei das Gas druckbeaufschlagt sein kann.It is possible for the interior 17 or the interior 17, 19 of the cylinder 10 to be filled with a gas, for example with air, the gas being able to be pressurized.
Ebenfalls ist möglich, dass die unterschiedlichen Laufzeiten der Signale 31, 32 einerseits und der Signale 33, 34 andererseits, die bei den beschriebenen Ausführungsformen aufgrund der Höhe h entstehen, andersartig erzeugt werden. Beispielsweise kann anstelle der Erhebung 23 die gesamte, dem Sensor 21 zugewandte Oberfläche des Kolbens 13 in zwei Bereiche unterteilt sein, in denen die in Richtung zu dem Kolben 13 verlaufenden Signale 31, 33 unterschiedlich reflektiert werden. So kann beispielsweise eines der beiden Signale 31, 33 derart reflektiert werden, dass es nicht direkt zu dem Sensor 21 zurückläuft, sondern indirekt beispielsweise über eine weitere Reflektion. Auch kann die Materialbeschaffenheit der beiden genannten Bereiche unterschiedlich vorgesehen sein, so dass unterschiedliche Laufzeiten der Signale 31, 32, 33, 34 entstehen. Wesentlich ist, dass durch den Kolben 13 die beiden reflektierten Signale 32, 34 erzeugt werden, unabhängig davon, wie dies erreicht wird. Die zu diesen beiden reflektierten Signalen 32, 34 zugehörigen beiden Laufzeiten werden dann gemessen, um daraus schließlich die aktuelle Position P des Kolbens 13 zu ermitteln. It is also possible that the different transit times of the signals 31, 32 on the one hand and the signals 33, 34 on the other hand, which arise in the described embodiments due to the height h, are generated differently. For example, instead of the elevation 23, the entire surface of the piston 13 facing the sensor 21 can be divided into two areas, in which the signals 31, 33 running in the direction of the piston 13 are reflected differently. For example, one of the two signals 31, 33 can be reflected such that it does not run back directly to the sensor 21, but indirectly, for example via a further reflection. The material properties of the two areas mentioned can also be provided differently, so that different transit times of the signals 31, 32, 33, 34 arise. It is essential that the two reflected signals 32, 34 are generated by the piston 13, regardless of how this is achieved. The two transit times associated with these two reflected signals 32, 34 are then measured in order to finally determine the current position P of the piston 13.

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur Ermittlung einer aktuellen Position (P) eines Kolbens (13) , wobei der Kolben (13) in einem Zylinder (10) verschiebbar untergebracht ist, und wobei dem Zylinder (10) ein Sensor (21) zugeordnet ist, mit dessen Hilfe die aktuelle Position (P) des Kolbens (13) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Sensor (21) mindestens ein Signal (31, 33) in Richtung zu dem Kolben (13) abgegeben wird, dass durch den Kolben (13) zwei reflektierte Signale (32, 34) erzeugt werden, dass die beiden reflektierten Signale (32, 34) von dem Sensor (21) empfangen werden, dass zwei zu den beiden reflektierten Signalen (32, 34) zugehörige Laufzeiten gemessen werden, und dass die aktuelle Position (P) des Kolbens (13) in Abhängigkeit von den beiden gemessenen Laufzeiten ermittelt wird.Method for determining a current position (P) of a piston (13), the piston (13) being displaceably housed in a cylinder (10), and wherein a sensor (21) is assigned to the cylinder (10), with the aid of which the Current position (P) of the piston (13) is determined, characterized in that at least one signal (31, 33) is emitted in the direction of the piston (13) by the sensor (21), that two by the piston (13) reflected signals (32, 34) are generated, that the two reflected signals (32, 34) are received by the sensor (21), that two transit times associated with the two reflected signals (32, 34) are measured, and that the current one Position (P) of the piston (13) is determined as a function of the two measured transit times.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Laufzeiten (tl_kal, t2_kal) unter bekannten Randbedingungen und Laufzeiten (tl_akt, t2_akt) unter aktuellen Bedingungen gemessen werden.A method according to claim 1, characterized in that transit times (tl_kal, t2_akt) are measured under known boundary conditions and transit times (tl_akt, t2_akt) under current conditions.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Laufzeiten (tl_kal, t2_kal, tl_akt, t2_akt) LaufZeitdifferenzen (delta_t_kal, delta_t_akt) für die bekannten Randbedingungen und für die aktuellen Bedingungen ermittelt werden.Method according to claim 2, characterized in that running time differences (delta_t_kal, delta_t_akt) are determined from the running times (tl_kal, t2_kal, tl_akt, t2_akt) for the known boundary conditions and for the current conditions.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturfaktor (K) in Abhängigkeit von den unter den bekannten Randbedingungen und den unter den aktuellen Bedingungen gemessenen Laufzeiten (tl_kal, t2 kal, tl akt, t2 akt) ermittelt wird. Method according to Claim 2 or 3, characterized in that a correction factor (K) is determined as a function of the running times measured under the known boundary conditions and under the current conditions (tl_kal, t2 kal, tl akt, t2 akt).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine unter den bekannten Randbedingungen ermittelte Signalgeschwindigkeit (v_kal) in Abhängigkeit von dem Korrekturfaktor (K) in eine aktuelle Signalgeschwindigkeit umgerechnet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that a signal speed (v_kal) determined under the known boundary conditions is converted into a current signal speed as a function of the correction factor (K).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unter den bekannten Randbedingungen ermittelte Signalgeschwindigkeit (v_kal) in Abhängigkeit von den unter den bekannten Randbedingungen gemessenen Laufzeiten (tl_kal, t2_kal) ermittelt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the signal speed (v_kal) determined under the known boundary conditions is determined as a function of the transit times (tl_kal, t2_kal) measured under the known boundary conditions.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position (P) des Kolbens (13) in Abhängigkeit von der aktuellen Signalgeschwindigkeit und zumindest einer der beiden unter den aktuellen Bedingungen gemessenen Laufzeiten (tl_akt, t2_akt) ermittelt wird.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the current position (P) of the piston (13) is determined as a function of the current signal speed and at least one of the two transit times (tl_akt, t2_akt) measured under the current conditions.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein die beiden Laufzeiten' hervorrufendes Merkmal des Kolbens (13) vermessen wird, und dass die aktuelle Position (P) des Kolbens (13) in Abhängigkeit von diesem Merkmal und zumindest einer der beiden unter aktuellen Bedingungen gemessenen Laufzeiten (tl_akt, t2_akt) ermittelt wird.8. The method according to claim 1, characterized in that the two running times' most evocative feature is measured the piston (13), and that the current position (P) of the piston (13) in dependence on this characteristic and at least one of the two under current conditions measured run times (tl_akt, t2_akt) is determined.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte aktuelle Position (P) des Kolbens mit einem Korrekturwert additiv und/oder multiplikativ verknüpft wird.9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the determined current position (P) of the piston is linked additively and / or multiplicatively with a correction value.
10. Vorrichtung zur Ermittlung einer aktuellen Position (P) eines Kolbens (10) , wobei der Kolben (13) in einem Zylinder (10) verschiebbar untergebracht ist, mit einem dem Zylinder (10) zugeordneten Sensor (21) , mit dessen Hilfe die aktuelle Position (P) des Kolbens (13) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor. (21) zur Abgabe von mindestens einem Signal (31, 33) vorgesehen ist, dass der Kolben (13) derart ausgebildet ist, dass zwei reflektierte Signale (32, 34) vorhanden sind, dass der Sensor (21) zum Empfangen der beiden reflektierten Signale (32, 34) vorgesehen ist, und dass eine Auswerteeinrichtung (27) vorgesehen ist, die zur Messung von zwei zu den beiden reflektierten Signalen (32, 34) zugehörigen Laufzeiten sowie zur Ermittlung der aktuellen Position (P) des Kolbens (13) in Abhängigkeit von den beiden gemessenen Laufzeiten vorgesehen ist.10. Device for determining a current position (P) of a piston (10), the piston (13) being displaceably housed in a cylinder (10), with a sensor (21) assigned to the cylinder (10), with its sensor Help the current position (P) of the piston (13) can be determined, characterized in that the sensor. (21) for emitting at least one signal (31, 33) is provided such that the piston (13) is designed such that two reflected signals (32, 34) are present so that the sensor (21) for receiving the two reflected Signals (32, 34) are provided, and an evaluation device (27) is provided, which is used to measure two transit times associated with the two reflected signals (32, 34) and to determine the current position (P) of the piston (13) is provided depending on the two measured transit times.
11. Zylinder (10) mit einem Kolben (10), der in dem Zylinder (10) verschiebbar untergebracht ist, und mit einem Sensor (21) , mit dessen Hilfe die aktuelle Position (P) des Kolbens (13) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (21) zur Abgabe von mindestens einem Signal (31, 33) vorgesehen ist, dass der Kolben (13) derart ausgebildet ist, dass zwei reflektierte Signale (32, 34) vorhanden sind, dass der Sensor (21) zum empfangen der beiden reflektierten Signale (32, 34) vorgesehen ist, und dass eine Auswerteeinrichtung (27) vorgesehen ist, die zur Messung von zwei zu den beiden reflektierten Signalen (32, 34) zugehörigen Laufzeiten sowie zur Ermittlung einer aktuellen Position (P) des Kolbens (13) in Abhängigkeit von den beiden gemessenen Laufzeiten vorgesehen ist.11. Cylinder (10) with a piston (10) which is displaceably housed in the cylinder (10), and with a sensor (21), by means of which the current position (P) of the piston (13) can be determined characterized in that the sensor (21) is provided for emitting at least one signal (31, 33), that the piston (13) is designed such that two reflected signals (32, 34) are present that the sensor (21) is provided for receiving the two reflected signals (32, 34) and that an evaluation device (27) is provided which is used to measure two transit times associated with the two reflected signals (32, 34) and to determine a current position (P) of the piston (13) is provided as a function of the two measured transit times.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Zylinder (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) eine Erhebung (23) aufweist, die eine Oberfläche (25) besitzt, dass der Kolben (13) eine Kolbenfläche (25) besitzt, und dass die Oberfläche (24) der Erhebung (23) und die Kolbenfläche (25) des Kolbens (13) zur Erzeugung von jeweils einem der beiden reflektierten Signale (32, 34) vorgesehen sind.12. The device according to claim 10 or cylinder (10) according to claim 11, characterized in that the piston (13) has an elevation (23) which has a surface (25), that the piston (13) has a piston surface (25) and that the surface (24) of the elevation (23) and the piston surface (25) of the piston (13) for production of one of the two reflected signals (32, 34) are provided.
13. Vorrichtung oder Zylinder (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (21) in der Nähe einer Zylinderstirnseite (12) in einer Zylinderwand (11) vorgesehen ist, und dass eine ebenfalls in der Nähe der Zylinderstirnseite (12) vorhandene Umlenkeinrichtung (22) vorgesehen ist.13. The device or cylinder (10) according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the sensor (21) is provided in the vicinity of a cylinder end face (12) in a cylinder wall (11), and that also in the vicinity of the Deflection device (22) provided on the cylinder end face (12).
14. Vorrichtung oder Zylinder (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (21) ein Ultraschallsensor vorgesehen ist. 14. Device or cylinder (10) according to one of claims 10 to 13, characterized in that an ultrasonic sensor is provided as the sensor (21).
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