DE19823529A1 - Wegbestimmungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen des Wegs eines im System bewegbar angeordneten Meßobjekts, beispielsweise eines Steuerkolbens 32 eines Ventils 10, mittels eines im System stationär angeordneten Kraftsensors 41, der über ein zwischen dem Meßobjekt und dem Kraftsensor angeordnetes mechanisch verformbares Kopplungselement, das eine bestimmte Kraft-Weg-Kennlinie aufweist, beispielsweise eine Regelfeder 34 mit einer bestimmten Federkonstante, eine infolge einer Bewegung des Meßobjekts hervorgerufene Kraft erfaßt und in ein elektrisches Signal umwandelt, das dem vom Meßobjekt zurückgelegten Weg, beispielsweise dem Hub des Steuerkolbens 32, proportional ist.

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein System zum Bestimmen des Wegs eines im System bewegbar angeordneten Meßobjekts. Ein derartiges System ist insbesondere in der Fluidtechnik anzutreffen, wo es darum geht, den Weg eines Meßobjekts, beispielsweise eines Steuerkolbens in einem Ventil, eines Kolbens in einem Hydrozylinder, eines Ver­ stellorgans in einer Hydropumpe oder dgl., zu bestimmen.

Zur Bestimmung des Wegs eines Meßobjekts wurden bislang Wegsensoren verwendet, die den Weg des Meßobjekts als die zu bestimmende Meßgröße erfassen und in ein dem Weg propor­ tionales elektrisches Meßsignal umwandeln. Gemäß dem Buch "Proportional- und Servoventil-Technik", herausgegeben von der Firma Mannesmann Rexroth GmbH, werden zur Bestimmung des Hubs von Steuerkolben in Proportional- und Servo-Venti­ len meist induktive Wegsensoren verwendet, die den Hub des Steuerkolbens je nach Ventiltyp entweder direkt oder indi­ rekt erfassen und in ein dem Hub proportionales elektri­ sches Meßsignal umwandeln.

Bei einem einstufigen direktgesteuerten Proportional- Wegeventil beispielsweise wird der Steuerkolben mittels ei­ nes hubgeregelten Proportional-Magneten direkt betätigt. Eine Ansteuerung des Proportional-Magneten hat einen zur Meßgröße des elektrischen Ansteuersignals proportionalen Hub des Steuerkolbens zur Folge. Mittels eines induktiven Wegsensors kann über den Hub des Magnetankers im Proportio­ nal-Magneten indirekt die Lage des Steuerkolbens erfaßt und als ein elektrisches Signal zur Lageregelung an eine elek­ tronische Ansteuereinrichtung zurückgeführt werden. Bei vorgesteuerten mehrstufigen Proportional- oder Servo- Ventilen wird der Steuerkolben hydraulisch betätigt. In diesen Fällen wird der Hub des Steuerkolbens mittels eines induktiven Wegsensors direkt gemessen.

Zur Messung des Hubs des Magnetankers im Fall des ein­ stufigen direktgesteuerten Proportional-Wegeventils oder des Hubs des Steuerkolbens im Fall der vorgesteuerten mehr­ stufigen Proportional- oder Servo-Ventilen werden, wie vor­ stehend erwähnt, meist induktive Wegsensoren verwendet. In­ duktive Wegsensoren weisen ein wechselspannungserregtes In­ duktionsspulensystem und einen an den Magnetanker bzw. den Steuerkolben gekoppelten Tauchanker auf. Wenn der Tauchanker infolge einer Betätigung des Magnetankers bzw. Steuerkolbens relativ zum Spulensystem verschoben wird, kann aus der dabei auftretenden hubabhängigen Beinflussung der Induktivität des wechselspannungserregten Spulensystems die Lage des Steuerkolbens ermittelt werden.

Ebenso kann zur Messung des Hubs des Magnetankers oder des Steuerkolbens ein Wegsensor mit einem Hallgenerator verwendet werden, bei dem der Magnetanker bzw. der Steuer­ kolben einen Steuermagneten relativ zum Hallgenerator ver­ schiebt, wodurch sich die Flußdichte des Magnetfelds, das den Hallgenerator durchsetzt, ändert. Aus der dabei am Hallgenerator abgegriffenen Hallspannung kann die Lage des Steuerkolbens ermittelt werden.

Neben dem vorstehend erläuterten induktiven Sensor und dem Hallgenerator-Sensor können jedoch auch ohmsche Senso­ ren mit Linearpotentiometern, galvanomagnetische Sensoren mit Feldplatten sowie analoge oder digitale optoelektroni­ sche Sensoren zur Wegmessung herangezogen werden. Da das Funktionsprinizp derartiger Sensoren dem Fachmann bekannt ist, wird auf eine nähere Erläuterung dieser Sensoren hier­ in verzichtet.

Damit der Hub eines Meßobjekts, der bis zu mehreren 100 mm betragen kann, jedoch mittels eines der vorstehend aufgeführten Sensoren erfaßt werden kann, ist es erforder­ lich, daß die Sensoren wenigstens so groß bemessen sind, daß sie den maximalen Hub, den das Meßobjekt und damit der sich in den Sensoren bewegende Tauchanker, Steuermagnet oder dgl. erfahren kann, aufnehmen können. Dies hat große Sensorabmessungen und damit große Abmessungen des gesamten Systems, in dem der Sensor eingesetzt ist, zur Folge, was die Kompaktheit und die produktionsbedingten Kosten des ge­ samten Systems beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesen Nachteil zu beheben, indem ein System zum Bestimmen des Wegs eines im System bewegbaren Meßobjekts bereitgestellt wird, das sich gegenüber den herkömmlichen Systemen durch eine geringe Baugröße auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäße Ausgestal­ tungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das System gemäß dem Patentanspruch 1 basiert im we­ sentlichen auf dem Prinzip, daß zur Bestimmung der Lage oder des Wegs eines im System bewegbaren Meßobjekts, bei­ spielsweise des Wegs eines Steuerkolbens eines Ventils, nicht der eigentlich zu bestimmende Weg erfaßt wird, son­ dern die Kraft, die während der Bewegung des Meßobjekts über ein mechanisch verformbares Kopplungselement auf einen Kraftsensor übertragen wird. Mit Hilfe der erfaßten Kraft kann aus dem bekannten Zusammenhang zwischen der auf das Kopplungselement aufgebrachten Kraft und der dadurch be­ dingten Verformung des Kopplungselements, d. h. aus der Kraft-Weg-Kennlinie des Kopplungselements, der vom Meßob­ jekt zurückgelegte Weg ermittelt werden. Gemäß der Erfin­ dung wird demnach nicht unmittelbar die eigentlich zu be­ stimmende Größe, d. h. der Weg, erfaßt, wie es bislang, bei­ spielsweise bei den vorstehend beschriebenen Sensoren, üb­ lich war, sondern eine infolge der Bewegung des Meßobjekts entstehende Größe, d. h. die Kraft, die das Meßobjekt auf den Kraftsensor ausübt.

Als Kraftsensor können herkömmliche Kraftsensoren ein­ gesetzt werden. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei Kraftsensoren erwiesen, die auf dem Hall-Generator-Prinzip basieren.

Da gemäß der Erfindung das Kopplungselement durch seine mechanische Verformung den Weg des Meßobjekts aufnimmt und herkömmliche Kraftsensoren zudem eine geringere Baugröße aufweisen als Wegsensoren wird mit dem erfindungsgemäßen System gegenüber den herkömmlichen Systemen mit Wegsensoren eine deutliche Reduzierung der Größe des gesamten Systems erzielt.

Das zwischen dem Meßobjekt und dem Kraftsensor angeord­ nete mechanisch verformbare Kopplungselement zeichnet sich vorteilhafterweise durch eine lineare Kraft-Weg-Kennlinie aus. Dies läßt sich in einfacher Weise beispielsweise durch einen im Hooke'schen Bereich arbeitenden Federkörper, wie z. B. eine Schraubenfeder, realisieren. Aus dem linearen Zu­ sammenhang zwischen der Kraft, die das Meßobjekt bei seiner Bewegung auf das Kopplungselement ausübt und die durch den Kraftsensor erfaßt wird, und aus der für das Kopplungsele­ ment spezifischen linearen Kraft-Weg-Kennlinie läßt sich der Verformungsweg des Kopplungselements und somit der Weg des Meßobjekts nach dem Hooke'schen Gesetz ermitteln. Die bei einer Bewegung des Meßobjekts vom Kraftsensor erfaßte Kraft wird durch das Sensorelement in ein elektrisches Si­ gnal umgewandelt, das zugleich dem Weg des Meßobjekts pro­ portional ist. Die Verformung des Kopplungselements kann dabei sowohl durch eine Druckkraft als auch durch eine Zug­ kraft verursacht werden. Je nachdem, wie das Kopplungsele­ ment mit dem Kraftsensor in Verbindung steht, läßt sich daher entweder der Weg eines Meßobjekts, das aus einer End­ stellung heraus bewegbar ist und auf das Kopplungselement eine Druckkraft oder eine Zugkraft ausüben kann, oder der Weg eines Meßobjekts, das aus einer Mittelstellung heraus bewegbar ist und auf das Kopplungselement sowohl eine Druckkraft als auch eine Zugkraft ausüben kann, bestimmt werden.

Anstelle des mechanisch verformbaren Kopplungselements mit einer linearen Kraft-Weg-Kennlinie wäre es auch mög­ lich, ein Kopplungselement mit beispielsweise einer quadra­ tischen Kraft-Weg-Kennlinie oder dgl. zu verwenden.

Das erfindungsgemäße System ist insbesondere in der Fluidtechnik, d. h. in der Pneumatik oder Hydraulik, von Vorteil. In diesem Fall, beinhaltet das System eine fluid­ technische Einrichtung mit einem Fluidraum, in dem ein im allgemeinen linear bewegbares Meßobjekt, der Kraftsensor und das zwischen dem Kraftsensor und dem Meßobjekt angeord­ nete mechanisch verformbare Kopplungselement angeordnet sind. Dabei bildet der Kraftsensor das Bindeglied zwischen dem Fluidraum und einem Nichtfluidraum, beispielsweise der Außenumgebung der fluidtechnischen Einrichtung.

Das erfindungsgemäße System kann dabei Teil einer Steuer­ kette sein, in der die Lage des Meßobjekts in der fluid­ technischen Einrichtung ermittelt wird. Das erfindungsge­ mäße System kann jedoch auch Teil eines Regelkreises sein, in dem der Weg des Meßobjekts in der fluidtechnischen Ein­ richtung bestimmt und zu einer Ansteuerelektronik zurückge­ führt wird, um einen Soll-Ist-Vergleich vorzunehmen und ge­ gebenenfalls die Lage des Meßobjekts in der fluidtechni­ schen Einrichtung zu korrigieren. In diesem Fall wird der über die Kraft bestimmte Weg als ein elektrisches Signal zur Ansteuereinrichtung der fluidtechnischen Einrichtung zurückgeführt. Das erfindungsgemäße Prinzip ist sogar auf hochsensible Regelkreise anwendbar, weil durch eine geeig­ nete Abstimmung der mechanischen Komponenten der fluidtech­ nischen Einrichtung aufeinander, der Eigenfrequenzbereich der mechanischen Komponenten der fluidtechnischen Einrich­ tung so festgelegt werden kann, daß sich die Eigenschwin­ gung nicht auf die Regelgenauigkeit auswirkt.

Fluidtechnische Einrichtungen im Sinn der Erfindung um­ fassen sämtliche Ventile, wie z. B. Wegeventile, Druckventi­ le und Stromventile, aber auch Stelleinrichtungen, wie z. B. Hydrozylinder. Bei direktgesteuerten Proportional- Wegeventilen beispielsweise kann der Hub des Steuerkolbens über die Kraft, die der Magnetanker des Proportional- Magneten durch das Kopplungselement auf den Kraftsensor ausübt, bestimmt werden. Bei vorgesteuerten Proportional- Wegeventilen kann der Hub des Steuerkolbens über die Kraft, die der Steuerkolben durch das Kopplungselement auf den Kraftsensor ausübt, bestimmt werden. Bei ein- oder mehrstu­ figen Servoventilen läßt sich der Hub des Steuerkolbens über die Kraft, die der Steuerkolben durch das Kopplungs­ element auf den Kraftsensor ausübt, bestimmen. Bei einem Hy­ drozylinder kann der Hub des Kolbens im Hydrozylinder über die Kraft, die der Kolben durch das Kopplungselement auf den Kraftsensor ausübt, bestimmt werden.

Ein Kraftsensor besteht im allgemeinen aus einem ela­ stisch verformbaren mechanischen Teil, der die Kraft auf­ nimmt, d. h. einem Aufnehmerelement, und einem elektrischen Teil, der die aufgenommene Kraft in ein elektrisches Signal umwandelt, d. h. einem Sensorelement. Im Hinblick auf eine fluiddruckunabhängige Umwandlung der aufgenommenen Kraft in ein der Kraft proportionales elektrisches Signal ist es von Vorteil, den auf Fluiddruck- und Fluidtemperaturschwankun­ gen im Fluidraum im allgemeinen empfindlich reagierenden elektrischen Teil des Kraftsensors, d. h. das Sensorelement, nicht dem Fluiddruck auszusetzen. Dies kann dadurch reali­ siert werden, daß das Aufnehmerelement und das Sensorele­ ment fluiddicht voneinander getrennt sind, so daß das Auf­ nehmerelement im Fluidraum und das Sensorelement im Nicht­ fluidraum angeordnet ist. Durch eine geeignete konstruktive Gestaltung des Aufnehmerelements kann zudem erreicht wer­ den, daß der aus Fluiddruck- und Fluidtemperaturschwankun­ gen im Fluidraum resultierende Einfluß auf das Aufnehmer­ element minimiert wird.

Fluidtechnische Einrichtungen weisen oftmals eine Feder auf, die auf das Meßobjekt, beispielsweise den vorstehend erwähnten Steuerkolben, eine Druck- oder Zugkraft ausübt und damit die Lage des Meßobjekts in der fluidtechnischen Einrichtung bestimmt. Diese Feder wird in der Literatur meist als "Regelfeder" bezeichnet. In diesem Fall kann die in der fluidtechnischen Einrichtung ohnehin vorhandene Re­ gelfeder die Funktion des mechanisch verformbaren Kopplungs­ elements übernehmen, wodurch kein zusätzliches Kopplungs­ element mehr erforderlich ist, so daß sich der Aufbau des gesamten Systems und damit die produktions- und fertigungs­ technisch bedingten Kosten verringern.

Natürlich kann auch dann, wenn bereits eine Regelfeder vorhanden ist eine zusätzliche Kraftmeßfeder die Funktion des Kopplungselements übernehmen. Diese Kraftmeßfeder kann beispielsweise koaxial innerhalb der Regelfeder angeordnet sein. In Abhängigkeit von der Federkonstante der verwende­ ten Regelfeder und Kraftmeßfeder läßt sich die Genauigkeit der Kraftmessung, d. h. die Empfindlichkeit des Kraftsen­ sors, in einfacher Weise den jeweiligen Erfordernissen und Anwendungsgebieten anpassen.

In den vorstehend genannten Fällen, in denen ein Feder­ körper das Kopplungslement bildet, stützt sich der Feder­ körper, beispielsweise die Regelfeder oder die Kraftmeßfe­ der, der Einfachheit halber über einen Federteller auf dem Aufnehmerelement des Kraftsensors ab. Bei einem System mit einer fluidtechnischen Einrichtung, in der die Lage des Meßobjekts durch eine Regelfeder bestimmt wird, kann in Ab­ hängigkeit von der konstruktiven Gestalt des Federtellers der im Fluidraum befindliche Teil des Kraftsensors und das Aufnehmerelement axial im Anschluß an die Regelfeder oder koaxial innerhalb der Regelfeder angeordnet sein. Durch letztere Anordnung kann die Baugröße des Systems insgesamt noch mehr reduziert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Systems ergibt sich, wenn das Aufnehmerelement des Kraftsensors einen zentrisch angeordneten Kegelabschnitt, d. h. eine kegelige Vertiefung oder einen kegeligen Vor­ sprung, und der Federteller einen an den Kegelabschnitt des Aufnehmerelements angepaßten Kegelabschnitt, d. h. einen ke­ geligen Vorsprung oder eine kegelige Vertiefung, aufweist. Da der Kraftangriff am Aufnehmerelement in diesem Fall über diesen Kegelabschnitt erfolgt, kann die Messung der Kraft weitgehend frei von im Fluidraum auftretenden Seitenkräften bzw. schräg angreifenden Kräften vorgenommen werden.

Das Aufnehmerelement des Kraftsensors ist der Einfach­ heit halber membranartig ausgebildet. Um in diesem Fall ei­ ne weitgehend fluiddruckunabhängige Messung der Kraft zu erreichen, sind konstruktive Maßnahmen an dem membranarti­ gen Aufnehmerelement und/oder am Kraftsensor vorgesehen, die einen Fluiddruckausgleich zwischen den beiden Seiten des membranartigen Aufnehmers ermöglichen. Beispielsweise kann das membranartige Aufnehmerelement eine oder mehrere Fluidöffnungen aufweisen, durch welche das Fluid bei einer Bewegung des Meßobjekts von einer Seite auf die andere Sei­ te des membranartigen Aufnehmerelements strömen kann, so daß auf beiden Seiten derselbe Fluiddruck vorliegt. Ebenso kann im Kraftsensor ein Fluidkanal ausgebildet sein, der eine Fluidverbindung zwischen den Seiten vor hinter dem membranartigen Aufnehmerelement schafft, so daß dadurch ein Fluiddruckausgleich möglich ist. Neben der konstruktiven Maßnahme, die einen Fluiddruckausgleich ermöglicht, kann das Aufnehmerelement zudem so konstruiert sein, daß es erst ab einer bestimmten Kraft anspricht, d. h. daß es von einer schwachen Fluiddruckänderung im Fluidraum weitgehend unbe­ einflußt bleibt.

Als Kraftsensor kann prinzipiell jeder Sensor verwendet werden, der auf einem ohmschen, induktiven, optoelektroni­ schen oder galvanomagnetischen Meßprinzip basiert. Im er­ findungsgemäßen System wird bevorzugt ein Kraftsensor ver­ wendet, der einen durch das Aufnehmerelement betätigbaren Steuermagneten und einen Hallgenerator aufweist. In diesem Fall verformt sich das membranartige Aufnehmerelement unter dem Einfluß der über das Kopplungselement übertragenen Kraft und verschiebt den mit dem Aufnehmerelement in Ver­ bindung stehenden Steuermagneten relativ zum Hallgenerator, wodurch sich die Flußdichte des Magnetfelds, das den Hall­ generator durchsetzt, ändert. Die dabei am Hallgenerator abgegriffene Hallspannung ist der aufgenommenen Kraft pro­ portional. Aus der gemessenen Kraft, die als das elektri­ sche Signal ausgegeben wird, läßt sich über den bekannten Kraft-Verformungsweg-Zusammenhang des Kopplungselements der Hub des Meßobjekts ermitteln.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Sy­ stems folgen aus der nachstehenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems mit einem 4/3-Wege-Proportional-Wegeventil und ei­ nem Kraftsensor;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kraftsensor;

Fig. 2a eine schematisierte Darstellung eines Hall- Generators;

Fig. 3 eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Sy­ stems; und

Fig. 4 eine weitere Abwandlung des in Fig. 1 darge­ stellten Systems.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße System zur Be­ stimmung des Wegs eines Meßobjekts an einem Ausführungsbei­ spiel beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel weist das System ein vorgesteuertes 4/3-Wege-Proportional-Wegeventil und einen auf dem Hall-Generator-Prinzip basierenden Kraftsensor auf. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hinge­ wiesen, daß das erfindungsgemäße System nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern generell in den Fällen Anwendung findet, in denen es grundsätzlich möglich und zweckmäßig ist, den Weg eines Meßobjekts mittels eines Kraftsensors zu bestimmen.

Zunächst wird der Aufbau und die Funktionsweise des 4/3-Wege-Proportional-Wegeventils erläutert. Das in Fig. 1 schematisiert dargestellte 4/3-Proportional-Wegeventil be­ steht aus einem Vorsteuerventil 10 und einem durch das Vor­ steuerventil 10 betätigbaren Hauptventil 30.

Das Vorsteuerventil 10 dient zur Ansteuerung des Haupt­ ventils 30 und weist ein Vorsteuerventil-Gehäuse 11, zwei am Vorsteuerventil-Gehäuse angebrachte Proportional- Magneten 12 und 13, zwei Vorsteuerkolben 14 und 15 sowie zwei Druckfedern 16 und 17 auf. Der Proportional-Magnet 12 dient zur Betätigung des in einer Gehäuseaussparung des Vorsteuerventil-Gehäuses 11 axial verschiebbar angeordneten Vorsteuerkolbens 14 gegen die Federkraft der Druckfeder 16. Der Proportional-Magnet 13 dient zur Betätigung des in ei­ ner weiteren Gehäuseaussparung des Vorsteuerventil-Gehäuses 11 axial verschiebbar angeordneten Vorsteuerkolbens 15 ge­ gen die Federkraft der Druckfeder 17. Im Vorsteuerventil- Gehäuse 11 sind Fluidkanäle 18, 19, 20 und 21 ausgebildet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Im Vorsteuerkolben 14 ist ein Fluidkanal 22 ausgebildet, der je nach Stellung des Vor­ steuerkolbens 14 den Fluidkanal 20 entweder mit dem Fluid­ kanal 18 oder mit dem Fluidkanal 19 verbindet. Im Vorsteuer­ kolben 15 ist ein Fluidkanal 23 ausgebildet, der je nach Stellung des Vorsteuerkolbens 15 den Fluidkanal 21 entweder mit dem Druckfluidkanal 18 oder mit dem Fluidkanal 19 ver­ bindet.

Das Hauptventil 30 weist einen in einer Gehäuseausspa­ rung eines Hauptventil-Gehäuses 31 axial verschiebbar ange­ ordneten Hauptsteuerkolben 32, eine in einem Federraum 33 an einer Stirnseite des Hauptsteuerkolbens 32 angeordnete Regelfeder 34, die den Hauptsteuerkolben 32 mit einer in Fig. 1 nach rechts wirkenden Druckkraft beaufschlagt und eine bestimmte Federkonstante aufweist, eine in einem wei­ teren Federraum 35 an der anderen Stirnseite des Hauptsteuer­ kolbens 32 angeordnete Regelfeder 36, die den Hauptsteuer­ kolben 32 mit einer in Fig. 1 nach links wirkenden Druck­ kraft beaufschlagt und eine bestimmte Federkonstante auf­ weist, sowie eine an dem gemäß Fig. 1 linken Ende des Hauptventil-Gehäuses 31 ausgebildete Bohrung 31a mit Innen­ gewinde auf, die mit dem Federraum 33 in Verbindung steht. Wie es nachstehend beschrieben wird, ist in diese Bohrung 31a von außen ein Kraftsensor 41 geschraubt, auf den sich die Regelfeder 34 abstützt. Die Federkonstanten der beiden Regelfedern 34 und 36 sind gleich groß. Der Hauptsteuerkol­ ben 32 wird demnach, sofern keiner der beiden Proportional- Magneten mit Gleichstrom gespeist wird, durch die beiden Regelfedern 34 und 36 in einer Mittelstellung gehalten. Im Hauptventil-Gehäuse 31 sind ferner ein Pumpenanschluß P, ein mit dem Pumpenanschluß P sowie dem Fluidkanal 18 des Vorsteuerventils 10 in Verbindung stehender Fluidkanal 37, zwei Tankanschlüsse T₁ und T₂, ein mit diesen Tankanschlüs­ sen T₁ und T₂ sowie dem Fluidkanal 19 des Vorsteuerventils 10 in Verbindung stehender Fluidkanal 38, zwei Verbraucher­ anschlüsse A und B, die je nach Stellung des Hauptsteuer­ kolbens mit dem Pumpenanschluß P oder einem der beiden Tankanschlüsse T₁ und T₂ in Verbindung bringbar sind, ein Fluidkanal 39, der den Fluidkanal 20 des Vorsteuerventils 10 mit dem Federraum 33 verbindet, und ein Fluidkanal 40, der den Fluidkanal 21 des Vorsteuerventils 10 mit dem Fe­ derraum 35 verbindet, ausgebildet.

Der Federraum 33 bildet einen Fluidraum in dem erfin­ dungsgemäßen System.

In Ruhestellung, d. h. im Zustand ohne Stromzuführung zu den Proportional-Magneten 12 und 13, befinden sich die Vor­ steuerkolben 14 und 15 in der in Fig. 1 gezeigten Stellung. Dabei sind die Federräume 34 und 35 entlastet, da die Fluidversorgung vom Pumpenanschluß P zu den Federräumen 33 und 35 unterbrochen und das Fluid aus den Federräumen 33 und 35 über die Fluidkanäle 39, 20, 22, 19 und 38 bzw. über die Fluidkanäle 40, 21, 23, 19 und 38 und den Tankanschlüs­ sen T₁ und T₂ in den Tank zurückströmen kann. Da auf die Stirnseiten des Hauptsteuerkolbens 32 in diesem Zustand nur die Druckkräfte der Regelfedern 34 bzw. 36 wirken, die gleich groß sind, bleibt der Hauptsteuerkolben 32 in der in Fig. 1 gezeigten Mittelstellung.

Wird der gemäß Fig. 1 rechte Proportional-Magnet 13 mit einem Gleichstrom angesteuert, schiebt eine mit dem Magnet­ anker verbundene Führungsstange den Vorsteuerkolben 15 nach links. Das über den Pumpenanschluß P in den Fluidkanal 37 strömende Fluid gelangt dann über die Fluidkanäle 18, 23, 21 und 40 in den gemäß Fig. 1 rechten Federraum 35, wodurch der Hauptsteuerkolben 32 nach links verschoben wird. Der Hauptsteuerkolben 32 wird aus der in Fig. 1 gezeigten Mit­ telstellung heraus so lange verschoben, bis der gemäß Fig. 1 auf die rechte Stirnseite des Hauptsteuerkolbens 32 wir­ kende Fluiddruck im Federraum 35 und die gemäß Fig. 1 auf die linke Stirnseite des Hauptsteuerkolbens 32 wirkende Fe­ derkraft der Regelfeder 34 im Gleichgewicht stehen. Der Fluiddruck im Federraum 34 ist dem in den Proportional- Magneten eingespeisten Gleichstrom und der dadurch erzeug­ ten Magnetkraft proportional. Der Hauptsteuerkolben 32 wird um einen diesen Größen proportionalen Weg bewegt, wodurch wiederum ein diesen Größen proportionaler Fluidvolumenstrom am Verbraucheranschluß A erzeugt wird.

Eine Ansteuerung des gemäß Fig. 1 linken Proportional- Magneten 12 mit Gleichstrom resultiert dementsprechend in einer dem eingespeisten Gleichstrom und der dadurch erzeug­ ten Magnetkraft proportionalen Verschiebung des Hauptsteuer­ kolbens 32 gemäß Fig. 1 nach rechts, wodurch am Verbrau­ cheranschluß B ein diesen Größen proportionaler Fluidvolu­ menstrom erzeugt wird.

Das Bezugszeichen 41 bezeichnet einen Kraftsensor, der wie es vorstehend bereits erwähnt wurde, fluiddicht in die Bohrung 31a des Hauptsteuerventil-Gehäuses 31 geschraubt ist. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, stützt sich die Regel­ feder 34 über einen Federteller 50 auf dem Aufnehmerelement 42 des Kraftsensors 41 ab. Der Kraftsensor 41, der Feder­ teller 50 und die Regelfeder 34 sind in dieser Reihenfolge nacheinander angeordnet.

Gemäß der schematisierten Darstellung in Fig. 2 besteht der Kraftsensor 41 im wesentlichen aus einem Gehäuse 44, das an der gemäß Fig. 2 rechten Stirnseite eine zur Regel­ feder 34 koaxiale Gehäuseaussparung 45 und an der gemäß Fig. 2 linken Stirnseite eine ebenfalls zur Regelfeder 34 koaxiale Gehäuseaussparung 48 aufweist, dem Aufnehmerele­ ment 42, einem Bolzen 46, der sich vom Aufnehmerelement 42 weg in die Gehäuseaussparung 45 erstreckt und an seinem freistehenden Ende einen Steuermagneten 47 trägt, und dem in der Gehäuseaussparung 48 befestigten Hall-Generator 43.

Die Gehäuseaussparung 45 und die Gehäuseaussparung 48 sind gemäß der Darstellung in Fig. 2 fluiddicht voneinander getrennt ausgebildet. Wie es in Fig. 2 weiterhin gezeigt ist, ist das Aufnehmerelement 42 membranartig über der Ge­ häuseaussparung 45 am Gehäuse 44 angebracht. Die Gehäuse­ aussparung 45 ist wenigstens so groß dimensioniert, daß sich der Steuermagnet 47 bei einer durch Druckbeanspruchung des Aufnehmerelements 42 hervorgerufenen Axialverschiebung in der Gehäuseaussparung 45 ungehindert bewegen kann.

Der Hall-Generator 43 ist, wie es in Fig. 2a schemati­ siert dargestellt ist, aus einem im wesentlichen rechtecki­ gen dünnen Halbleiterplättchen 70 hergestellt und erzeugt aus einem Steuerstrom I und einem den Steuerstrom I senk­ recht durchsetzenden Magnetfeld B eine Hall-Spannung U_H. Wird an zwei gegenüberliegende Längsseiten 71, 72 des Halb­ leiterplättchens eine Spannung angelegt, fließt der soge­ nannte Steuerstrom I zwischen den beiden Längsseiten 71, 72 des Halbleiterplättchens 70. Das vom Steuermagneten 47 pro­ duzierte Magnetfeld B durchsetzt den Hall-Generator 43 senkrecht zu dem zwischen den beiden Längsseiten 71, 72 des Halbleiterplättchens 70 fließenden Steuerstrom I, wodurch die Ladungsträger infolge der Lorenzkraft zu einer der bei­ den anderen gegenüberliegenden Seiten 73, 74 des Halblei­ terplättchens 70 gedrängt werden. An den beiden anderen Längsseiten 73, 74 des Halbleiterplättchens 70 kann dadurch die sogenannte Hall-Spannung U_H abgegriffen werden. Diese wächst mit der Stärke des Steuerstroms I und der magneti­ schen Flußdichte B.

Wird nun der gemäß Fig. 1 rechte Proportional-Magnet mit einem Gleichstrom versorgt, so wird der Hauptsteuerkol­ ben 32 gemäß Fig. 1 nach links verschoben, wodurch die Re­ gelfeder 34 um eine Weggröße, die der vom Hauptsteuerkolben 32 auf die Regelfeder 34 ausgeübten Kraft proportional ist, zusammengedrückt wird. Gleichzeitig wird der Steuermagnet 47 infolge einer durch Kraftübertragung bewirkten Druckbe­ anspruchung des Aufnehmerelements 42 zum Hall-Generator hin geschoben, wodurch sich die magnetische Flußdichte durch den Hallgenerator 43 erhöht. Die dadurch am Hallgenerator 43 abgegriffene angestiegene Hallspannung U_H, die als ein elektrisches Signal im erfindungsgemäßen System fungiert, ist der am Aufnehmerelement 42 aufgenommenen Kraft propor­ tional.

Der Kraftsensor 41 erfaßt demnach die Kraft, die vom Hauptsteuerkolben 32, der als ein Meßobjekt fungiert, über die Regelfeder 34, die als ein mechanisch verformbares Kopplungselement fungiert und eine bestimmte Kraft-Weg- Kennlinie aufweist, ausgeübt wird. Aus dieser Kraft und aus der bekannten linearen Kraft-Weg-Kennlinie der Regelfeder läßt sich der Verformungsweg der Regelfeder 34 nach dem Hooke'schen Gesetz "F = c.s" ermitteln, wobei "c" die Feder­ konstante der Regelfeder 34 und "s" der Verformungsweg der Regelfeder 34 ist. Der Verformungsweg der Regelfeder 34 ist zugleich der Weg, den der Hauptsteuerkolben 32 bei seiner Bewegung zurücklegt.

Um eine weitgehend fluiddruckunabhängige Messung der Kraft zu ermöglichen, sind in dem Aufnehmerelement Fluid­ öffnungen 49 ausgebildet, durch welche das im Fluidraum be­ findliche Fluid von der in Fig. 2 rechten Seite des mem­ branartigen Aufnehmerelements zur linken Seite strömen kann, so daß auf beiden Membranseiten derselbe Fluiddruck vorliegt.

Wie es in Fig. 2 weiter zu sehen ist, weist das Aufneh­ merelement 42 des Kraftsensors 41 einen zentrisch angeord­ neten kegeligen Vorsprung 51 und der Federteller 50 eine an den kegeligen Vorsprung 51 des Aufnehmerelements 42 ange­ paßte kegelige Vertiefung 52 auf. Infolge des Kraftangriffs am Aufnehmerelement 42 über diese Kegelabschnitte 51, 52 wird eine Kraftmessung erreicht, die von im Fluidraum auf­ tretenden Seitenkräften bzw. schräg angreifenden Kräften weitgehend unbeeinflußt bleibt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des vorstehend beschriebe­ nen Systems zur Bestimmung des Wegs des Hauptsteuerkolbens 32 des 4/3-Wege-Proportional-Wegeventils. Während gemäß Fig. 1 und Fig. 2 der Kraftsensor 41, der Federteller 50 und die Regelfeder 34 in dieser Reihenfolge hintereinander angeordnet sind, sind bei dieser Abwandlung der im Fluid­ raum befindliche Teil des Kraftsensors 41 und der Federtel­ ler 50, auf dem sich die Regelfeder 34 abstützt, teilweise innerhalb der Regelfeder 34 angeordnet, wodurch sich die Baulänge des gesamten Systems reduziert.

Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung des erfindungsge­ mäßen Systems zur Bestimmung des Wegs des Hauptsteuerkol­ bens 32. Wie es in Fig. 4 zu sehen ist, ist innerhalb der Regelfeder 34, die den Hauptsteuerkolben 32 mit einer Druckkraft in Fig. 4 nach rechts beaufschlagt, eine Kraft­ meßfeder 60 angeordnet, die in diesem Fall die Funktion des mechanisch verformbaren Kopplungselements übernimmt und die sich über den Federteller 50 auf dem Aufnehmerelement 42 des Kraftsensors 41 abstützt. Je nach Federkonstante der verwendeten Regelfeder und Kraftmeßfeder läßt sich dabei die Genauigkeit der Kraftmessung, d. h. die Empfindlichkeit des Kraftsensors, den jeweiligen Erfordernissen und Anwen­ dungsgebieten anpassen.

Im vorstehend beschriebenen System kann der Kraftsensor nur den infolge einer Ansteuerung des Proportional-Magneten 13 verursachten Hub des Hauptsteuerkolbens 32 bestimmen. Um den durch eine Ansteuerung des Proportional-Magneten 12 verursachten Hub des Hauptsteuerkolbens 32 zu bestimmen, kann ein zweiter Kraftsensor herangezogen werden, der dem Kraftsensor 41 gegenüberliegend an der anderen Seite des Hauptsteuerkolbens 32 angeordnet ist und die über die Re­ gelfeder 36 übertragende Druckkraft erfaßt. Alternativ dazu wäre es auch möglich, die Regelfeder 34 in der Weise mit dem Hauptsteuerkolben 32 und dem Aufnehmerelement 42 des Kraftsensors 41 zu verbinden, daß die Regelfeder sowohl ei­ ne Druck- wie auch eine Zugkraft auf das Aufnehmerelement 42 ausüben kann, so daß der Kraftsensor 41 eine Druck- wie auch eine Zugkraft erfassen kann. Auch ohne eine derartige Verbindung der Regelfeder 34 mit dem Hauptsteuerkolben 32 und dem Aufnehmerelement 42 des Kraftsensors 41 genügt in dem vorstehend beschriebenen System mit dem 4/3- Proportional-Wegeventil im Grunde ein einziger Kraftsensor, um bei einer Ansteuerung des einen oder des anderen Elek­ tromagneten den Weg des Hauptsteuerkolbens 32 zu messen. Es müssen dann beide Regelfedern 34 und 36 in der gezeigten Neutralstellung des Hauptsteuerkolbens 32 vorgespannt sein. Dann wird nämlich bei einer Verschiebung des Hauptsteuer­ kolbens 32 aus der gezeigten Neutralstellung in die eine Richtung die Regelfeder 34 stärker gespannt und bei einer Verschiebung in die andere Richtung stärker entspannt. Der Kraftsensor 41 nimmt dabei dann jeweils eine Kraftänderung wahr.

Claims (17)

1. System zum Bestimmen des Wegs eines im System bewegbar angeordneten Meßobjekts (32) mittels eines im System stationär angeordneten Kraftsensors (41), der über ein zwischen dem Meßobjekt (32) und dem Kraftsensor (41) angeordnetes, mechanisch verformbares Kopplungselement (34, 60), das eine bestimmte Kraft-Weg-Kennlinie auf­ weist, eine infolge einer Bewegung des Meßobjekts (32) hervorgerufene Kraft erfaßt und in ein elektrisches Si­ gnal umwandelt, das dem vom Meßobjekt (32) zurückgeleg­ ten Weg proportional ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement (34, 60) ein Kopplungselement mit ei­ ner linearen Kraft-Weg-Kennlinie, insbesondere ein ela­ stischer Federkörper, ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine fluidtechnische Einrichtung (10, 30) mit einem Fluidraum (33) aufweist, in dem das Meß­ objekt (32) linear bewegbar angeordnet ist, und daß der Kraftsensor (41) den Fluidraum (33) von einem Nicht­ fluidraum (48) trennt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Ansteuerelektronik zur Ansteuerung der fluidtechnischen Einrichtung (10, 30) aufweist, und daß die fluidtechnische Einrichtung (10, 30), der Kraftsensor (41) und die Ansteuerelektronik einen Re­ gelkreis bilden.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (41) ein elastisch verformbares Aufnehmerelement (42) zum Aufnehmen der Kraft und ein gegenüber dem Aufnehmerelement (42) fluiddicht abge­ trenntes Sensorelement (43) zum Umwandeln der Kraft in das elektrische Signal aufweist, wobei das Aufnehmere­ lement (42) im Fluidraum (33) und das Sensorelement (43) im Nichtfluidraum (48) angeordnet ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement (34, 60) eine das Meßobjekt (32) axial mit einer Kraft beaufschlagende Regelfeder (34) ist, wobei der Kraftsensor (41) auf eine vom Meßobjekt (32) über die Regelfeder (34) auf das Aufnehmerelement (42) übertragene Druck- und/oder Zugkraft anspricht.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelfeder (34) sich über einen Federteller (50) auf dem Aufnehmerelement (42) des Kraftsensors (41) ab­ stützt.

8. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement (34, 60) eine Kraftmeßfeder (60) ist, die innerhalb einer das Meßobjekt (32) axial mit einer Kraft beaufschlagenden Regelfeder (34) angeordnet ist, wobei der Kraftsensor (41) auf eine vom Meßobjekt (32) über die Kraftmeßfeder (60) auf das Aufnehmerelement (42) übertragene Druck- und/oder Zugkraft anspricht.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfeder (60) sich über einen Federteller (50) auf dem Aufnehmerelement (42) des Kraftsensors (41) ab­ stützt.

10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der im Fluidraum (33) befindliche Teil des Kraftsensors (41) und das Aufnehmerelement (42) wenigstens teilweise koaxial innerhalb der Regel­ feder (34) angeordnet sind.

11. System nach einem der Ansprüch 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der im Fluidraum (33) befindliche Teil des Kraftsensors (41) und das Aufnehmerelement (42) axial im Anschluß an die Regelfeder (34) angeord­ net sind.

12. System nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Aufnehmerelement (42) einen ge­ rundeten Kegelabschnitt (51) aufweist, auf dem der Fe­ derteller (50) sitzt.

13. System nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Aufnehmerelement (42) membranar­ tig ausgebildet ist und einen Fluiddruckausgleich zwi­ schen beiden Membranseiten ermöglicht.

14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kraftsensor (41) ein ohmscher, induktiver, optoelektronischer oder galvanomagnetischer Kraftsensor ist.

15. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (41) einen durch das Aufnehmerelement (42) bewegbaren Steuermagneten (47) und einen gegenüber dem Steuermagneten (47) stationär angeordneten Hallge­ nerator (43) aufweist.

16. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfeder (60) eine im Vergleich zur Regelfeder (34) niedrigere Federkonstante aufweist.

17. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fluidtechnische Einrichtung (10, 20) ein Ventil, das Meßobjekt (32) ein Steuerkolben und das Kopplungsele­ ment (34, 60) eine die axiale Lage des Steuerkolbens im Ventil bestimmende Regelfeder ist.