DE102018212789A1 - Vorrichtung Verbindungsstruktur zwischen Auswerteelektronik und Sonde in Zylindersystemen - Google Patents

Vorrichtung Verbindungsstruktur zwischen Auswerteelektronik und Sonde in Zylindersystemen Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Welle innerhalb eines Zylinderkopfes eines Zylindersystems, wobei die Vorrichtung eine in oder an dem Zylinderkopf angeordnete Auswerteelektronik aufweist und eine in dem Zylinderkopf befindlichen Sonde sowie eine die elektromagnetische Welle führende, zwischen der Auswerteelektronik und der Sonde zur flexiblen Positionierung der Auswerteelektronik angeordnete Verbindungsstruktur, wobei die Verbindungstruktur einen ersten Signalanschluss (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) zum Anschluss an die Sonde und einen zweiten Signalanschluss (314, 514a, 514b, 714) zum Anschluss an der Auswerteelektronik aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Reflexionskörpers in einem Zylindersystem nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Zur Detektion der Kolbenposition von Linearantrieben mit pneumatischen oder hydraulischen Zylindern kommen gegenwärtig verschiedene Systeme zum Einsatz. Dabei kann die Erfassung der Kolbenposition diskret, d.h. an diskreten Stellen, als auch kontinuierlich, d.h. ständig während des Betriebs, erfolgen.
  • Zur Erfassung von diskreten Positionen wie zum Beispiel den Endpositionen kommen überwiegend magnetoresistive Sensoren zum Einsatz, welche auf der Basis der Auswertung eines positionsgebenden Permanentmagnetes beruhen und deshalb eine hohe Empfindlichkeit gegenüber externen Störem sowie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störern, insbesondere externen Magnetfeldern aufweisen. Darüber hinaus erfolgt die Anbringung derartiger Sensorik notwendigerweise außerhalb des Zylinderrohrs, ist somit wenig robust gegenüber Umwelteinflüssen und Fremdeinwirkung und erfordert zusätzlichen Bauraum. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung steht im Kontext von Sensorsystemen, welche beispielsweise den Abstand zwischen einem reflektierenden Ziel und einer Sonde in einer Wellenleiterstruktur ermitteln.
  • Für die kontinuierliche Erfassung der Kolbenposition hingegen kommen diverse Messprinzipien zum Einsatz. Neben potentiometrischen, magnetostriktiven und induktiven Sensoren beruhend auf dem LVDT-Prinzip (Linear Variable Differential Transformer) werden seit einiger Zeit auch berührungslose Sensoren basierend auf Ultraschall oder dem Radar-Prinzip eingesetzt. Die Druckschrift EP 1 040 316 beschreibt eine derartige Vorrichtung basierend auf dem Radar Prinzip. Der technische Vorteil derartiger Radar basierter Sensoren ergibt sich im Wesentlichen dadurch, dass an der Mehrzahl der relevanten Mechanik-Baugruppen wie Kolben, Endlagendämpfung, oder Kolbenstange keine Änderungen erforderlich sind. Ähnliches gilt auch für Ultraschallsensoren, jedoch sind diese nur bedingt für die Wegmessung in Pneumatik- und Hydraulikzylindern geeignet, da sich die Eigenschaften des Dielektrikums und somit die Messgenauigkeit mit dem Zylinderdruck und der Temperatur des Mediums stark ändert. Weitere Ursachen für eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften des Mediums in der Leitungsstruktur können u. a. Verschmutzung, Luftblasen, Wasser im Medium oder Wechsel des Mediums sein. Generell haben die Umgebungseigenschaften und Verunreinigungen des Mediums zwar auch Einfluss auf die Wellenausbreitung in Zentimeter- und Millimeterwellenbereich, jedoch kann hier der bestehende Nachteil mittels geeigneter Maßnahmen kompensiert werden. Beispielsweise ist in der Patentschrift DE 10 2013 018 808 A1 ein Zylindersensor mit einer in Form einer Transmissions- oder Reflexionssonde ausgeprägten Sensorstruktur für eine Referenzmessung des Ausbreitungs-Mediums im Zylinder beschrieben, welche die notwendigen Parameter für eine Korrektur des Abstandswertes erfasst. Darüber hinaus existieren weitere Möglichkeiten die Umgebungseigenschaften aus dem Messsignal zu bestimmen und entsprechend zu kompensieren. Die Montage der Radar-Sensorik erfolgt üblicherweise an einem Ende im Zylinderkopf. Dabei kann die Auswerteelektronik im Kopf integriert werden oder über eine TEM-Leitung in Form einer Koaxialleitung verbunden extern angebracht werden. Letzteres erweist sich in der Praxis als problematisch, da sich Umwelteinflüsse negativ auf die Eigenschaften der Koaxialleitung auswirken und dennoch keine beliebige Platzierung der externen Elektronik möglich ist. Weiterhin führt der Einsatz einer externen Auswerteelektronik zu einer zunehmenden Komplexität des Systems, wobei bei Nichtbeachtung Temperatureffekte aber auch höhere Dispersion durch zunehmende Leitungslänge zu Fehlern im System führen.
  • Sowohl die kontinuierliche als auch die diskrete Kolbenpositionsbestimmung können nicht oder nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand und den dadurch verbundenen hohen Kosten in einen Zylinder integriert werden. Der erhebliche konstruktive Aufwand ist dadurch begründet, dass alle beschriebenen gängigen Sensorprinzipien auf die entsprechende Zylinderlänge angepasst werden müssen, da sie einen zu kurzen Erfassungsbereich besitzen. Ein kontaktloses auf Mikrowellen basierendes Sensorprinzip mit interner Elektronik wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt deshalb bevorzugt eingesetzt. Der wesentliche Nachteil eines Sensorkonzepts mit interner Elektronik ist der zusätzlich benötigte Bauraum, welcher sich in einer unerwünschten Überlänge des Zylinders bemerkbar macht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu vermeiden bzw. derart zu verbessern, dass die Integrationsfähigkeit von Elektronik und Sonde verbessert wird und größere Freiheiten in der Positionierung der Auswerteelektronik erreicht werden.
  • Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Führen einer elektromagnetischen Welle innerhalb eines Zylinderkopfes eines Zylindersystems, wobei die Vorrichtung eine in oder an dem Zylinderkopf angeordnete Auswerteelektronik und eine in dem Zylinderkopf befindlichen Sonde sowie eine die elektromagnetische Welle führende, zwischen der Auswerteelektronik und der Sonde zur flexiblen Positionierung der Auswerteelektronik angeordnete Verbindungsstruktur, wobei die Verbindungstruktur einen ersten Signalanschluss zum Anschluss an die Sonde und einen zweiten Signalanschluss zum Anschluss an der Auswerteelektronik aufweist.
  • Grundsätzlich ermöglicht die Erfindung sowohl den Einsatz einer im Zylinderkopf integrierten Auswerteelektronik, als auch die Nutzung einer externen Auswerteelektronik. Die Erfindung erreicht das durch eine verlustarme, gegen mechanische und elektrische Einflüsse resistente Übertragung der elektromagnetischen Welle auf der Verbindungsstrecke zwischen Auswerteelektronik und Sonde.
  • Grundsätzlich dient die Sonde als verlustarmer Wellenleiterübergang, welcher das hochfrequente Signal in einen im zylindrischen Hohlraum ausbreitungsfähigen Mode und/oder zurück konvertiert. Die Sonde dient entweder direkt als sensorische Komponente oder wird zum bidirektionalen/unidirektionalen Aussenden und/oder Empfangen einer elektromagnetischen Welle verwendet, um Rückschlüsse auf Eigenschaften der Messumgebung insbesondere der Kolbenposition zu ziehen. Die Sonde ermöglicht das Anregen und das Empfangen eines dedizierten Modes im Wellenleiter, dessen Ausbreitungsfähigkeit wiederum insbesondere von der Frequenz des hochfrequenten Signals, den geometrischen Größen und Umgebungsbedingungen, insbesondere dem Durchmesser des zylindrischen Hohlkörpers sowie insbesondere im Falle von hydraulischen Zylindersystemen von den dielektrischen Eigenschaften des im Hohlkörper befindlichen Mediums abhängt. Die Sonde erlaubt somit eine Auswertung der Zylindereigenschaften, insbesondere der Kolbenposition, oder aber eine Auswertung des im Zylinder befindlichen Mediums oder beides.
  • Darüber hinaus erlaubt die flexible Positionierung der Auswerteelektronik eine mechanische und/oder räumliche Entkopplung von Sonde und Auswerteelektronik was insbesondere der Stabilität gegenüber mechanischen Toleranzen und Temperaturabhängigkeiten zuträglich ist. Zusätzlich werden durch eine separate und unkomplizierte Austauschbarkeit der Auswerteelektronik Wettbewerbsvorteile gegenüber anderen Sensorsystemen generiert und die flexible Positionierung der Elektronik reduziert den dafür notwenigen Bauraum im Zy lindersystem.
  • Weitergehende vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorteilhaft ist die Verbindungsstruktur nach Anspruch 2 flexibel oder vorzugsweise teilweise flexibel ausgebildet, um die Montage und Demontage zu vereinfachen und um gegebenenfalls Temperatureffekte zu minimieren. Gemäß Anspruch 3 ist die Verbindungsstruktur starr ausgebildet, um eine fixe Positionierung der Auswerteelektronik zu erreichen. Vorteilhafterweise wird gemäß Anspruch 4 eine Koaxialverbindung zur Übertragung der elektrischen Welle genutzt, wobei diese aufgrund ihrer mechanischen Stabilität einen flexiblen Einsatz im Zylindersystem ermöglicht und Störstrahlung verhindert wird. Als Außenleiter der Koaxialleitung kann dabei die Wand der für die Verbindung vorgesehenen Bohrungen im Zylinderkopf dienen. Die Anschlüsse von Sonde und Auswerteelektronik werden dabei bevorzugt aber nicht ausschließlich in Form einer TEM-Leitung realisiert. Gemäß Anspruch 5 werden zwischen dem ersten und zweiten Signalanschluss beliebige Winkel realisiert. Dadurch können sämtliche Freiheitsgrade im mechanischen Design des Zylindersystems zugelassen werden. Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen dem ersten und zweiten Signalanschluss 90-Grad.
  • Die Realisierung kann gemäß dem Anspruch 6 und 7 auch als Mischform verschiedener Leiterstrukturen vorliegen um eine Minimierung der Verbindungspunkte zwischen den Baugruppen zu erreichen und somit den Bauraum optimal auszunutzen. So erweist sich beispielsweise die Kombination einer Koaxialleitung und einem Streifenleitungstyp auf Leiterkarte als besonders vorteilhaft für eine mechanische Entkopplung der Sonde von der Auswerteelektronik. Generell spricht insbesondere bei Realisierung auf Leiterkarte nichts dagegen andere Leitungstypen, welche nicht notwendigerweise einen TEM-Feldtyp aufweisen für die Realisierung der Verbindung einzusetzen. Vorteilhafterweise kommen nach Anspruch 8 Streifenleitungen und vorzugsweise Mikrostreifenleitungen (MSL) zum Einsatz, wobei diese besonders für den internen Betrieb in Zylindersystemen geeignet sind und bevorzugt für kurze Entfernungen eingesetzt werden. Grundsätzlich können auch alternative Streifenleitungstechnologien verwendet werden, wie beispielsweise ein MSL-ähnlicher Grounded Coplanar Waveguide (gCPW).
  • Vorteilhafterweise kann nach Anspruch 9 eine galvanische Kontaktierung zwischen den ersten und zweiten Signalanschluss vorgenommen werden, wobei der galvanische Kontakt der Verbindung abhängig von den vorherrschenden Rahmenbedingungen auf verschiedene Arten erfolgen kann. Gemäß den Ansprüchen 10 bis 15 kommen zur Herstellung eines galvanischen Kontakts zwischen den Signalanschlüssen von Sonde und Auswerteelektronik folgende Kontaktierungsmethoden in Frage:
    • - Elemente mit Federwirkung, in Form von Federkontakten,
    • - Steck- oder Klemmverbindungen,
    • - Schraub- oder Pressverbindungen und
    • - Lötverbindungen,
    wobei Federkontakte die höchste Flexibilität aufweisen und Schraubverbindungen, Pressverbindungen sowie Lötverbindungen hingegen als mechanisch starr zu betrachten sind.
  • Vorzugsweise kann gemäß Anspruch 10 die galvanische Kontaktierung in Form eines Elements mit Federwirkung erreicht werden. Die Kontaktierung zwischen Sonde und Auswerteelektronik mit Federkontakten kann in koaxialen Systemen beispielsweise mit sogenannten Feder-Kontakt-Stiften bestehend aus einer Hülse mit Feder und einem Kontakt-Pin realisiert werden, wobei beim Auftreten hoher Kräfte und mechanischen Verspannungen Federkontakte besonders vorteilhaft sind. Auf einer Leiterkarte erfolgt die Realisierung durch Blechbiegeteile mit Federwirkung oder mit für die Bestückung geeigneten Kontaktpins. Derartige Kontakte erlauben neben Einbautoleranzen bei der Fertigung auch während des Betriebs axiale und radiale Bewegungen der von der Sonde kommenden Signalleitung, insbesondere von deren Innenleiter. Dies kann sich insbesondere bei vorherrschenden hohen Kräften in Hochdruck-Systemen als Vorteil erweisen, da sich hier bekanntermaßen die Innenleiter gegenüber dem Zylinderkopf in Abhängigkeit des Drucks verschieben. Durch einen beweglichen Kontakt kann so mechanischem Verschleißen der Kontaktstelle entgegengewirkt werden. Ein alternativer Ansatz zur Realisierung von Kontakten mit Federwirkung sind gemäß Anspruch 11 leitfähige Elastomere oder Schäume, welche mit leitfähiger Folie überzogen sind. Diese folgen bei Montage unter Vorspannung der Bewegung des beweglichen Kontakts, wobei eine hohe mechanische Festigkeit und Elastizität der Verbindungsstruktur erreicht wird.
  • Gemäß Anspruch 12 erlauben Steck- oder Klemmverbindungen Toleranzen beim Einbau, sind jedoch im Betrieb als weniger flexibel anzusehen und unterliegen im Betrieb insbesondere Verschleiß durch Abrieb der Kontaktflächen. Einbautoleranzen und auftretender Versatz zwischen einzelnen Komponenten können jedoch kompensiert werden. Weiterhin weisen diese Verbindungstypen eine gute Temperaturbeständigkeit auf. Gemäß Anspruch 13 und Anspruch 14 können durch den Einsatz von Schraub- und Pressverbindungen in Form von Passungen und Pressungen mechanisch starre Verbindungen zwischen der elektronischen Schaltung und der Sonde erreicht werden, welche eine einfache Montage und Demontage ermöglichen. Vorzugsweise kommt gemäß Anspruch 14 eine Pressung unter Verwendung leitfähiger Elastomere zum Einsatz oder nach Anspruch 15 eine Lötverbindung. Derartige Verbindungen können beim Auftreten hoher Kräfte und mechanischen Verspannungen, beispielsweise aufgrund von Temperaturgradienten der beteiligten Materialien, stark verschleißen oder irreversibel zerstört werden. Beim Auftreten hoher Kräfte und starken Temperaturgradienten sind deshalb Federkontakte besonders zu bevorzugen.
  • Durch den Einsatz flexibler Verbindungen in Form von Federkontakten kann eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber auftretenden Toleranzen, in axialer und radialer Richtung des Zylinders, sowie gegenüber bei der Produktion auftretenden Fertigungstoleranzen erreicht werden. Dabei werden sowohl die Kontaktierungs- und Montage-Stellen im Zylinderkopf betrachtet, gleichzeitig wird aber auch dem Einfluss auf das Verbindungsstück selbst Beachtung geschenkt. Beispielsweise zeigen gezielt ausgewählte Leitungstechnologien eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber Bohrlochtoleranzen. Durch die Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde kann ein Integrationskonzept realisiert werden um Toleranzen wie zum Beispiel axiale, radiale und Fertigungstoleranzen der Kontaktierungs- und Montagestellen auszugleichen. Weiterhin wird es durch das Integrationskonzept möglich eine gröbere Tolerierung in der Fertigung der mechanischen Bauteile zuzulassen. Ein weiterer Vorteil des Integrationskonzepts kann sich ergeben, wenn die Auslegung derart erfolgt, dass beispielsweise die Montagereihenfolge von Sonde und Auswerteelektronik frei gestaltbar ist. Dies wirkt sich auch positiv auf die Austauschbarkeit einzelner Komponenten aus. Durch eine separate und unkomplizierte Austauschbarkeit der Auswerteelektronik lässt sich beispielsweise ein Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen Sensorsystemen generieren. Ermöglicht das Integrationskonzept eine Impedanztransformation zwischen Auswerteelektronik und Sonde kann sich das wiederum positiv auf die Größe des Sensorsystems auswirken. Während die Elektronik häufig auf Basis eines 50 Ohm Leitungswellenwiderstandes beruht, ist die Fußpunktimpedanz der Sonde dann nahezu frei wählbar. Durch die Verschiebung der Impedanztransformations-Stufen von der Sonde auf die Zuleitung kann deshalb der notwendige Bauraum für den Sensor signifikant verkleinert werden.
  • Neben galvanischen Verbindungen kommen gemäß Anspruch 16 auch galvanisch getrennte Signalanschlüsse zur Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde zum Einsatz, um Störsignale zu reduzieren und eine verzögerungsfreie Signalübertragung zu ermöglichen. Eine derartige Verbindung liegt gemäß Anspruch 18 vor, wenn zum Beispiel der Koppler zur Trennung von Sende- und Empfangssignal in die Verbindung integriert wird. Dabei kann der Koppler sowohl als Leitungsstruktur realisiert werden oder in Form eines diskreten Bauelements mit galvanischer Trennung auf eine Leiterplatte integriert werden.
  • Zweckmäßigerweise wird gemäß Anspruch 17 die galvanische Trennung zwischen dem ersten Signalanschluss und der Auswerteelektronik ausgeführt und durch das Verwenden parallel geführter Leitungen wird dabei eine galvanische Trennung der Signalanschlüsse erreicht.
  • Durch die Bereitstellung zusätzlicher Funktionalitäten im Verbindungsstück zwischen Auswerteelektronik und Sonde kann die Vorrichtung Temperatureffekte und höhere Dispersion bei zunehmender Leitungslänge vermeiden. Gemäß Anspruch 19 sind hier zuschaltbare oder in dem Signalanschluss integrierte Kalibrationsstrukturen zu nennen, welche in Kombination mit geeigneten Verfahren erlauben die Eigenschaften der elektronischen Schaltung und des Verbindungsstücks bis zur Kalibrationsebene zu eliminieren. Gemäß Anspruch 20 ist es durch den Einsatz von einem oder mehreren analogen oder digitalen Temperatursensoren weiterhin möglich den Temperaturgang der Verbindung zwischen Sonde und Auswerteelektronik zu überwachen um diesen mittels eines geeigneten Verfahrens bei der Signalauswertung zu kompensieren.
  • Gemäß Anspruch 21 wird eine elektromagnetische Welle im Hochfrequenzbereich zwischen 10 MHz bis 100 GHz eingespeist. In der Abhängigkeit von den Dimensionen bzw. Ausmessungen des als Leitungsstruktur verwendeten Zylinders und Wellenmode wird eine geeignete Frequenz gewählt, die über der unteren Grenzfrequenz des verwendeten Wellenmodus liegt. Die Verwendung von mehreren Frequenzen ermöglicht dabei eine höhere Genauigkeit, da unkorrelierte Messfehler herausgemittelt werden können.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Dabei zeigen:
    • 1A in schematischer Schnittdarstellung ein Zylindersystem mit externer Auswerteelektronik in verallgemeinernder Form.
    • 1B in schematischer Schnittdarstellung ein Zylindersystem mit interner Auswerteelektronik in verallgemeinernder Form.
    • 2 in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer 90-Grad Verbindung zwischen einer zur Sonde führenden Koaxialleitung und einer zur Auswerteelektronik führenden Mikrostreifenleitung unter Verwendung eines Feder-Kontakt-Blechs auf einer Leiterkarte.
    • 3 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung eines Federkontaktpins.
    • 4 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer geraden Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung eines Federkontaktpins.
    • 5 in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer geschraubten Pressverbindung zwischen einer von der Sonde kommenden Koaxialleitung und einer zur Auswerteelektronik führenden Mikrostreifenleitung mit Leiterkarte.
    • 6A in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer L-förmigen Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung einer Klemmverbindung mit Feder-Drehteil.
    • 6B in Schnittdarstellung die Ausführungsform gemäß 6A.
    • 7 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer L-förmigen Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung einer Klemmverbindung.
    • 8 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit gerader Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung eines gepressten Steckkontakts am Innenleiter und einer Pressverbindung am Außenleiter.
  • 1A zeigt schematisch die Schnittdarstellung eines Zylindersystems mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung bei der die Auswerteelektronik (22a) eines Sensorsystems extern angeordnet ist. Bei der externen Realisierung wird durch eine Bohrung oder Fräsung in der Zylinderwand des Zylinderkopfs (24a) eine Verbindung zwischen Sonde (21a) und Auswerteelektronik (22a) ermöglicht. Bevorzugt wird eine Koaxialverbindung zur Übertragung der elektromagnetischen Welle genutzt.
  • 1B zeigt schematisch die Schnittdarstellung eines Zylindersystems mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung bei der die Auswerteelektronik (22b) des Sensorsystems intern angeordnet ist. Bei der internen Realisierung ist die Auswerteelektronik (22b) vorzugsweise im Zylinderkopf (24b) des Zylindersystems in einer Kavität nahe der Sonde (21b) angeordnet. Bevorzugt wird eine kurze Koaxialleitung zum Anschluss der Auswerteelektronik (22b) verwendet.
  • 2 zeigt perspektivisch eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur, bei der eine 90-Grad Verbindung zwischen einem zur Sonde führenden koaxialen Signalanschluss (101) und einem zur Auswerteelektronik führenden Signalanschluss realisiert wird. Bei dem zur Auswertelektronik führenden Signalanschluss handelt es sich um eine Mikrostreifenleitung, vorzugsweise um eine Mikrostreifenleitung vom Typ Grounded Coplanar Waveguide (gCPW), welche in einem Bohrloch geführt wird. Die galvanische Kontaktierung wird mit Hilfe eines oder mehrerer Federkontaktbleche (103) erreicht, welche beispielsweise aus Kupfer-Beryllium oder anderen leitfähigen Materialien mit entsprechenden Federeigenschaften gefertigt werden können. Das Kupferkontaktblech (103) ist auf dem Signalpfad der Mikrostreifenleitung (105) angeordnet. Im Signalpfad ist bei der Auslegung insbesondere die Stromverteilung an der Kontaktstelle und der induktive Einfluss des Federkontaktblechs (103) zu beachten. Die Verwendung eines dedizierten Netzwerks zur Impedanz-Anpassung bevorzugt auf der Leiterkarte (104) und/oder im koaxialen System kann sich als sinnvoll erweisen, ist bei korrekter Auslegung des Federkontaktblechs (103) jedoch nicht zwingend erforderlich. Weiterhin sind auf der Leiterkarte (104) ein oder mehrere analoge und/oder digitale Temperatursensoren (106) angeordnet, die den Temperaturgang der Verbindung zwischen Sonde und Auswerteelektronik überwachen um diesen mittels eines geeigneten Verfahrens bei der Signalauswertung zu kompensieren.
  • 3 zeigt die Schnittdarstellung einer Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur, bei der eine L-förmige Verbindung zwischen den beiden Signalanschlüssen realisiert wird. Bei dem ersten und zweiten Signalanschluss handelt es sich jeweils um eine Koaxialverbindung wobei ein Federkontakt-Pin (208) als mechanisch flexibles Verbindungselement eingesetzt wird, um ein koaxiales abgewinkeltes System zu erzeugen.
  • 4 zeigt ebenfalls die Schnittdarstellung einer Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur, bei der eine gerade Verbindung zwischen den beiden Signalanschlüssen (301, 314) realisiert wird. Wie bei der 3 handelt es sich bei dem ersten und zweiten Signalanschluss (301, 314) in 4 jeweils um eine Koaxialverbindung wobei ein Federkontakt-Pin (308) als mechanisch flexibles Verbindungselement eingesetzt wird
  • 3 und 4 zeigen Federkontakte als mechanisch flexibles Verbindungselement in geraden und abgewinkelten koaxialen Systemen. In beiden Darstellungen wird der Außenleiter (202, 302) der Koaxialleitung durch die Wand der Bohrlöcher (211) im Zylinderkopf gebildet.
  • Die Innenleiter der Leitungen zur Sonde (201, 301) beziehungsweise zur Elektronik (314) werden in der Darstellung unter Verwendung von Federkontakt-Pins (208, 308) bewerkstelligt, welche in einer Hülse (210, 310) federnd gelagert sind. Die Feder (209, 309) erzeugt dabei Druck in axialer Richtung auf den Kontaktpunkt. Eine dielektrische Hülse (210, 310) sorgt für mechanische Stabilität des Kontaktsystems in radialer Richtung und dient weiterhin der Impedanz-Anpassung des auftretenden Durchmessersprungs.
  • Neben teilweise oder komplett flexiblen Verbindungen kommen auch starre Verbindungen in Form einer Schraub- oder Pressverbindung, einer Passung oder auch einer Lötverbindung als Interface zwischen Auswerteelektronik und Sonde zum Einsatz.
  • 5 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer geschraubten Pressverbindung zwischen einer von der Sonde kommenden Koaxialleitung (401) und einer zur Auswerteelektronik führenden Mikrostreifenleitung (405) mit Leiterkarte. Gezeigt wird eine starre Pressverbindung wobei der elektrische Kontakt von Außen- und Innenleiter der Koaxialleitung durch eine Pressverbindung auf der Platine erfolgt und wobei der Anpressdruck durch eine mit definierten Drehmoment angezogene Schraube (413) aufgebracht wird.
  • 6A und 6B zeigen in perspektivischer Darstellung bzw. in Schnittdarstellung eine ebenfalls flexible, galvanische Verbindung mit Steck- oder Klemmverbindung in koaxialer Form. Die Verbindung des Innenleiters der zur Sonde führenden koaxialen Leitung (501a, 501b) und dem Anschluss der Elektronik (514a, 514b) wird durch ein Feder-Drehteil (515a, 515b) oder Blechbiegeteil beispielsweise aus Messing oder Kupfer-Beryllium realisiert, welches auf einen der beiden Innenleiter beispielsweise durch Kleben oder Löten angebracht wird. Das Feder-Drehteil (515a, 515b) ist in axialer Richtung teilweise geschlitzt ausgeformt, so dass die Nut eine Federwirkung aufweist um einerseits das Einführen des Gegenstücks zu ermöglichen und andererseits im eingerasteten Zustand für eine zuverlässige Fixierung zu sorgen. Um den Anforderungen der Übertragungsstrecke gerecht zu werden, muss die Auslegung des Feder-Drehteils (515a, 515b) sowohl unter mechanischen als auch elektrischen Gesichtspunkten erfolgen. Insbesondere die Wahl des Materials sowie eine Form, welche in axialer Richtung direkten Stromfluss zulässt, erweist sich als wesentlich für die hochfrequenten Eigenschaften der Verbindung. Darüber hinaus ist bei der Gestaltung des Feder-Drehteils (515a, 515b) mit Löt- und Klemmverbindung auch auf geringe parasitäre Kapazitäten zwischen dem Drehteil (515a, 515b) und der als Außenleiter dienenden Zylinderwand (502a, 502b) zu achten.
  • 7 zeigt in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer Pressverbindung in einem koaxialen System. Die von Sonde und Auswerteelektronik kommenden Koaxialleiter stehen im rechtem Winkel zueinander und die Wände der Bohrlöcher (611) im Zylinderkopf bilden die Außenleiter (602) der Verbindung. Der Presskontakt wird durch einen dielektrischen Klemmkeil (616) mit Vorzugsrichtung realisiert, welcher den von der Elektronik kommenden flexiblen Innenleiter definiert und auf den starren Innenleiter presst, welcher die Verbindung zur Sonde herstellt.
  • 8 zeigt in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer geraden Verbindung zweier Koaxialleitungen, wobei die Verbindung der Innenleiter mittels eines eingepressten Kontaktelements (718) erfolgt und die Außenleiter über eine Pressverbindung (719) elektrisch verbunden werden.
  • Ferner wird allgemein in 1A (oben) ein Zylindersystem mit externer Elektronik beschrieben. Die 1B (unten) beschreibt ein Zylindersystem mit interner Elektronik. Die 2 beschreibt eine Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung einer Leiterkarte mit Federblech. Die 3 beschreibt eine L-förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung von Koaxialleitern mit Federkontakt-PIN. Die 4 beschreibt eine gerade Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung von einem Federkontaktpin und Koaxialleitern. Die 5 beschreibt eine Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung einer geschraubten Pressverbindung mit Leiterkarte und Koaxialleitung. Die 6A (oben) beschreibt eine L-förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde in koaxialer Bauform unter Verwendung einer Klemmverbindung mit Feder-Drehteil in perspektivischer Darstellung. Die 6B (unten) beschreibt eine L-förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde in koaxialer Bauform unter Verwendung einer Klemmverbindung mit Feder-Drehteil in Schnittdarstellung. Die 7 beschreibt eine L-förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung einer Klemmverbindung. Die 8 beschreibt eine gerade Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung eines eingepressten Steckkontakts am Innenleiter und einer Pressverbindung der Außenleiter.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1040316 [0004]
    • DE 102013018808 A1 [0004]

Claims (21)

  1. Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Welle innerhalb eines Zylinderkopfes eines Zylindersystems, wobei die Vorrichtung aufweist: - eine in oder an dem Zylinderkopf angeordnete Auswerteelektronik; und - eine in dem Zylinderkopf befindlichen Sonde; sowie - eine die elektromagnetische Welle führende, zwischen der Auswerteelektronik und der Sonde zur flexiblen Positionierung der Auswerteelektronik angeordnete Verbindungsstruktur, wobei die Verbindungstruktur einen ersten Signalanschluss (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) zum Anschluss an die Sonde und einen zweiten Signalanschluss (314, 514a, 514b, 714) zum Anschluss an der Auswerteelektronik aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsstruktur flexibel, vorzugsweise teilweise flexibel, ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsstruktur starr ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Koaxialverbindung zur Übertragung der elektromagnetischen Welle genutzt wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem ersten (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) und zweiten Signalanschluss (314, 514a, 514b, 714) beliebige Winkel realisierbar sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, wobei der erste (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) und/oder zweite (314, 514a, 514b, 714) Signalanschluss auf einer Leiterkarte (104, 404) vorgesehen sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, wobei der erste (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) und/oder zweite (314, 514a, 514b, 714) Signalanschluss als Koaxialverbindung, vorzugsweise mit einem beliebigen Leitungstyp auf einer Leiterkarte (104, 404), ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, wobei Streifenleitungen, vorzugsweise Mikrostreifenleitungen vorgesehen sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine galvanische Kontaktierung zwischen dem ersten (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) und dem zweiten Signalanschluss (314, 514a, 514b, 714) vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form eines Elements mit Federwirkung erreicht wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Federwirkung der galvanischen Verbindung in Form eines Federkontakts oder durch Verwendung von leitfähigen Elastomeren oder von leitfähigen Folie-über-Schaum Kontakten realisiert wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form einer Steck- oder Klemmverbindung realisiert wird, vorzugsweise in Form eines Feder-Drehteils (515a, 515b, 615).
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form einer Schraub- oder Pressverbindung realisiert wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schraub- oder Pressverbindung in Form: - einer Passung; oder - einer Pressung, vorzugsweise unter Verwendung leitfähiger Elastomere oder vorzugsweise mit leitfähiger Folie-über-Schaum Kontakten erreicht wird.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form einer Lötverbindung erreicht wird.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der erste (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) und/oder zweite (314, 514a, 514b, 714) Signalanschluss eine galvanische Trennung herstellt, wobei vorzugsweise Koppelstrukturen, vorzugsweise in Form parallel geführter Signalleitungen, verwendet werden.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die galvanische Trennung zwischen dem ersten Signalanschluss (101, 201, 301,401, 501a, 501b, 601, 701) und der Auswerteelektronik ausgeführt wird.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei Richtkoppler in die Signalleitung integriert werden.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei Kalibrationsstrukturen vorgesehen sind und/oder in die Signalleitung integrierbar sind.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei analoge oder digitale Temperatursensoren (106) zur Überwachung der Temperatur am Ort der Verbindungstruktur vorgesehen sind.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 10 MHz bis 100 GHz aufweisen; und wobei bevorzugt die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 100 MHz bis 25 GHz aufweisen; und wobei besonders bevorzugt die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 500 MHz bis 6 GHz aufweisen.
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