DE102016205069A1

DE102016205069A1 - Positionsbestimmungseinrichtung für Kolben-Zylinder-Anordnungen

Info

Publication number: DE102016205069A1
Application number: DE102016205069.9A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Reck
Original assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positionierungseinrichtung für eine Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der ein mindestens teilweise aus magnetischem Material ausgebildeter Kolben (2) in einem Zylinder (1) axial verschiebbar angeordnet ist und die Zylinderwandung (4) aus einem nicht magnetisierungsbaren Material ausgebildet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitgehend kontinuierliche Positionsbestimmung des Kolbens (2) mit kostengünstigen Bauteilen zu ermöglichen, die gegebenenfalls auch nachrüstbar ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Positionsbestimmungseinrichtung folgende Bauteile aufweist, nämlich – mindestens eine auf der Außenseite (3) der Zylinderwandung (4) angeordnete Leiterschleife (5), mittels derer ein magnetisches Feld (6) erzeugbar ist, wobei Kraftlinien (7) des Magnetfeldes (6) die Zylinderwandung (3, 4) durchdringen und – mindestens ein Magnetfeldsensor (10), mittels dessen sowohl Feldstärke als auch Richtung (11) der magnetischen Kraftlinien (7) des Magnetfeldes (6) im Innern des Zylinders (1) erfassbar sind. Da der Kolben (2) aus magnetisierbarem Material ausgebildet ist, bündelt er die Magnetfeldlinien (7) mindestens teilweise. Dadurch ist das Magnetfeld (6) verzerrbar. Die durch diese Verzerrung (8) bewirkten Veränderungen in der Richtung (11) und der Feldstärke des Magnetfeldes (6) sind mittels des mindestens einen Magnetfeldsensors (10) erfassbar. Aus den erfassten Messwerten des Magnetfeldsensors (19) ist dann die aktuelle Position des Kolbens (2) ermittelbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionierungseinrichtung für eine Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der ein mindestens teilweise aus magnetischem Material ausgebildeter Kolben in einem Zylinder axial verschiebbar angeordnet ist und die Zylinderwandung aus einem nicht magnetisierbaren Material ausgebildet ist.
Derartige Kolben-Zylinder-Anordnungen kommen in einer Vielzahl von technischen Anwendungsfällen zum Einsatz, beispielsweise als Betätigungszylinder in der Pneumatik, als Stoßdämpfer in Straßen- und Schienenfahrzeugen oder der Steuerungs- und Regelungstechnik. Die Bestimmung der Position des Kolbens im Zylinder ist dabei eine wichtige Aufgabe in der industriellen Steuerungstechnik.
Um die Position des Kolbens im Zylinder zu bestimmen, kommen nach dem Stand der Technik unterschiedliche Methoden infrage. So sind dabei herkömmliche analoge Näherungsschalter, Mikrowellen- oder magnetische Abstandssensoren bekannt. Diese sind jedoch aufgrund der meist hohen Genauigkeit für viele Anwendungen zu teuer und meist integraler Bestandteil der Kolben-Zylinder-Anordnungen.
Die EP 2 735 760 A1 beschreibt einen Höhensensor, insbesondere für eine Luftfeder, bei der mittels einer Anordnung von magnetischem Sensor und magnetischem Signalgeber ein Abstand zwischen dem Geber und dem Sensor erfassbar ist. Hier ist jedoch nur eine relative Positionsbestimmung zwischen dem Geber und dem Sensor möglich. Dementsprechend müssen derartige Systeme kalibrierbar sein, um eine korrekte Aussage über die reale, absolute Position des Kolbens zu erhalten.
In der EP 1 862 767 A2 ist ein Sicherheitspositionssensor offenbart, der auf der magnetischen Kraftwirkung des Kolbens beruht. Durch diese Kraftwirkung sind auf dem Mantel des Zylinders angeordnete Reed Kontakte betätigbar.
Diese Anordnung kann jedoch nur eine relativ genau vorbestimmte Lage des Kolbens detektieren, da nur in unmittelbarer Nähe der Reed Kontakte diese durch den Kolben ansprechbar sind. Außerhalb der Reichweite der Kontakte ist eine Positionserfassung nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitgehend kontinuierliche Positionsbestimmung des Kolbens mit kostengünstigen Bauteilen zu ermöglichen, die gegebenenfalls auch nachrüstbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Positionsbestimmungseinrichtung folgende Bauteile aufweist, nämlich

– mindestens eine auf der Außenseite der Zylinderwandung angeordnete Leiterschleife, mittels derer ein magnetisches Feld erzeugbar ist, wobei Kraftlinien des Magnetfeldes die Zylinderwandung durchdringen und
– mindestens ein Magnetfeldsensor, mittels dessen sowohl Feldstärke als auch Richtung der magnetischen Kraftlinien des Magnetfeldes im Innern des Zylinders erfassbar sind.

Da der Kolben aus magnetisierbarem Material ausgebildet ist, bündelt er die Magnetfeldlinien mindestens teilweise. Dadurch ist das Magnetfeld verzerrbar. Die durch diese Verzerrung bewirkten Veränderungen in der Richtung und der Feldstärke des Magnetfeldes sind mittels des mindestens einen Magnetfeldsensors erfassbar. Aus den erfassten Messwerten des Magnetfeldsensors ist dann die aktuelle Position des Kolbens ermittelbar.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist aus preisgünstigen Bauteilen aufbaubar. Da alle wesentlichen Bauteile außerhalb der Kolben-Zylinder-Anordnung angeordnet sind, ist eine erfindungsgemäße Positionsbestimmungseinheit auch nachträglich nachrüstbar.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Magnetfeldsensor ein Kompass-Sensor.
Derartig Kompasssensoren sind als Massenprodukt in Mobiltelefonen im Einsatz. Mittels dieser Sensoren sind die magnetische Flussdichte mit einer Auflösung von 2 Milli-Gauss und die Richtung der Feldlinien im Raum mit einer Winkelauflösung von 2 Grad messbar.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Leiterschleife mit einem alternierenden Strom beaufschlagbar.
Einerseits ist durch den alternierenden Strom in der oder den Leiterschleifen der Einfluss externer statischer Magnetfelder eliminierbar, andererseits ist eine gegebenenfalls unerwünschte dauerhafte Magnetisierung des Kolbens dadurch vermeidbar.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Frequenz des alternierenden Stromes so gering, dass in dem Kolben keine nennenswerten Wirbelströme auftreten.
In einer Weiterbildung der Erfindung liegt die Frequenz des alternierenden Stromes im Frequenzband zwischen 10 Hz und 500 Hertz.
Bei diesen Frequenzen ist die Eindringtiefe in das Material des Kolbens kleiner als die Wandstärke, so dass sich im Kolben noch ein hinreichend starkes Magnetfeld ausbilden kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Positionsbestimmungseinrichtung eine intelligente Elektronik zur Auswertung der Messwerte des Magnetfeldsensors auf, die einen Synchrongleichrichter mit einer zu dem alternierenden Strom in der Leiterschleife korrespondierenden Frequenz umfasst.
Bei der Auswertung durch die intelligente Elektronik sind die Messwertsignale durch den Synchrongleichrichter mit der entsprechenden Frequenz filterbar. Auf diese Weise sind auch Störungen durch magnetische Wechselfelder ausblendbar.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Lage und Größe der Leiterschleife auf zu erwartende extreme Positionen des Kolbens derart abstimmbar, dass die Kolbenposition stets innerhalb der Leiterschleife liegt.
Auf diese Weise ist eine besonders genaue Messung der Kolbenposition möglich.
Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Beispiel der Erfindung näher erläutert. Die 1 zeigt eine Zylinder 1 mit einem aus magnetischem Material ausgebildeten Kolben 2 in einer Prinzipskizze. Der Zylinder 1 ist in einem Längsschnitt dargestellt. Auf der Außenwand 3 der nicht magnetisierbaren Zylinderwandung 4 ist eine Leiterschleife 5 angeordnet. Die Leiterschleife 5 ist in einem Querschnitt dargestellt. Durch die Leiterschleife 5 fließt ein hier nicht dargestellter alternierender Strom. Durch den Strom ist ein Magnetfeld 6 mit Magnetfeldlinien 7 erzeugbar.
Durch den Kolben 2 ist das Magnetfeld 6 bündelbar, so dass auf die Magnetfeldlinien 7 eine Verzerrung 8 einprägbar ist. Die Lage der Verzerrung 8 ist abhängig von der Position des Kolbens 2.
Bei einer Axialbewegung 9 des Kolbens 2 wird die Verzerrung 8 entsprechend mit wandern. 2 Magnetfeldsensoren 10 erfassen die hier durch Pfeile 11 dargestellte Richtung und die Stärke des Magnetfeldes 6. Damit ist auch die Verzerrung der Magnetfeldlinien 7 durch die Magnetfeldsensoren 10 erfassbar.
Durch eine hier nicht dargestellte intelligente Auswerteelektronik ist aus den Messwerten der Magnetfeldsensoren 10 die jeweilige Lage des Kolbens 2 im Zylinder 1 relativ genau berechenbar. Damit ist eine Überwachung des Kolbenwegs 9 über dessen gesamte Länge möglich.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Kolben
3: Außenwand des Kolbens 2
4: Zylinderwandung
5: Leiterschleife
6: Magnetfeld
7: Magnetfeldlinien
8: Verzerrung der Magnetfeldlinien 7
9: Axialbewegung des Kolbens 2
10: Magnetfeldsensoren
11: Richtung der Magnetfeldlinien 7

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2735760 A1 [0004]
EP 1862767 A2 [0005]

Claims

Positionierungseinrichtung für eine Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der ein mindestens teilweise aus magnetischem Material ausgebildeter Kolben (2) in einem Zylinder (1) axial verschiebbar angeordnet ist und die Zylinderwandung (4) aus einem nicht magnetisierungsbaren Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmungseinrichtung folgende Bauteile aufweist, nämlich – mindestens eine auf der Außenseite (3) der Zylinderwandung (4) angeordnete Leiterschleife (5), mittels derer ein magnetisches Feld (6) erzeugbar ist, wobei Kraftlinien (7) des Magnetfeldes (6) die Zylinderwandung (3, 4) durchdringen und – mindestens ein Magnetfeldsensor (10), mittels dessen sowohl Feldstärke als auch Richtung (11) der magnetischen Kraftlinien (7) des Magnetfeldes (6) im Innern des Zylinders (1) erfassbar sind.
Positionierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (10) ein Kompass-Sensor ist.
Positionierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterschleife (5) mit einem alternierenden Strom beaufschlagbar ist.
Positionierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des alternierenden Stromes so gering ist, dass in dem Kolben (2) keine nennenswerten Wirbelströme auftreten.
Positionierungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des alternierenden Stromes im Frequenzband zwischen 10 Hz und 500 Hertz liegt.
Positionierungseinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des alternierenden Stromes im Frequenzband zwischen 10 Hz und 500 Hertz liegt.
Positionierungseinrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und Größe der Leiterschleife (5) auf zu erwartende extreme Positionen des Kolbens (2) derart abstimmbar ist, dass die Kolbenposition (9) stets innerhalb der Leiterschleife (5) liegt.