DE20205822U1

DE20205822U1 - Positionsmessvorrichtung für fluidische Zylinder

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Publication number: DE20205822U1
Application number: DE20205822U
Authority: DE
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2012-04-13

Description

G 22059 - rets 11. April 2002

FESTO Aft & Co, 737TA Tlssiingp.Ti Posi ti onsTnp.savorri chtiing für fHiidischf* Zylinder

Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung für fluidische Zylinder mit einer langgestreckten Messspule, die als Wirbelstrom-Langwegsensor ausgebildet ist.

Bei einer derartigen, aus der DE 4137881 C2 bekannten Positionsmessvorrichtung ist die Messspule innerhalb der Kolbenstange angeordnet und wird zusammen mit dieser bewegt. In nachteiliger Weise müssen dadurch die erforderlichen elektrischen Anschlüsse und Messsignalleitungen mitbewegt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine derartige Positionsmessvorrichtung so zu verbessern, dass die Messspule und damit auch die erforderlichen elektrischen Anschlüsjse und Sensorleitungen ortsfest angeordnet werden können .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionsmessvorrichtung für fluidische Zylinder mit einer an einer Zylinder-Stirnseite fixierten und in die hohle, sich durch die gegenüberliegende Zylinder-Stirnseite erstreckenden metallischen Kolbenstange hineinragende, langgestreckte Messspule gelöst, die einen weichmagnetischen Kern besitzt, wobei eine

mit der Messspule verbundene Auswerteeinrichtung zur Erfassung der Spulenspannung und/oder Spulenfrequenz der mit Wechselspannung beaufschlagten Messspule vorgesehen ist.

Die Vorteile dieser Positionsmessvorrichtung liegen vor allem darin, dass die Messspule fest am Zylinder fixiert ist, so dass elektrische Anschlüsse und Sensorleitungen problemlos und kostengünstig installiert werden können, insbesondere die Verbindungsleitungen zur Auswerteschaltung. Die Kolbenstange wirkt zusammen mit der darin eintauchenden Messspule als Messvorrichtung. Da die Messspule mit sehr geringem Spalt durch die Kolbenstange umgriffen wird, sind sehr exakte Messergebnisse zu erwarten im Gegensatz zur bekannten Anordnung, bei der die Wirbelstromverluste im radial relativ weit entfernten Zylinderrohr erzeugt werden. Zudem kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Kolbenstange aus ferromagnetischem Material hergestellt werden, so dass sich die überdekkende Kolbenstange als Verkürzung der magnetischen Feldlinien der Spule auswirkt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionsmessvorrichtung möglich.

In vorteilhafter Weise ist ein Frequenzgenerator, insbesondere ein Sinusgenerator, zur Beaufschlagung der Messspule mit einer festen Frequenz vorgesehen, wobei Mittel zum Abgriff der positionsabhängigen Spulenspannung vorgesehen sind. Hierdurch kann eine optimale Anpassung an die Messspule und das Kernmaterial erfolgen. Da kein Schwingkreis einschwingen

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muss, arbeitet dieses Messverfahren im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen analoger Annäherungsschalter nahezu verzögerungslos.

Der weichmagnetische Kern ist in vorteilhafter Weise an der die Messspule haltenden Zylinder-Stirnseite mit einem Topfkern versehen. Dieser ist vorzugsweise als einstückiger Ferritkern oder durch aufgefächerte und umgelenkte Drähte des daraus bestehenden weichmagnetischen Kerns gebildet. Mit Hilfe des Topfkerns wird das magnetische Feld umgelenkt und davon abgehalten, in den umliegenden Metallteilen des Zylinders Wirbelströme zu erzeugen.

Der Spulenkörper für die Messspule besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffrohr, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoffrohr, das den weichmagnetischen Kern enthält. Hierdurch wird die erforderliche Festigkeit für die freitragende Messspule erzielt.

Der Kern besteht in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus einer Vielzahl von Mumetall-Drähten, insbesondere spannungsfrei geglühten kristallinen Mumetall-Drähten. Die Mumetall-Drähte besitzen eine niedrige Koerzitivfeldstärke und verursachen deshalb niedrige Ummagnetisierungsverluste. Zur Minimierung der Wirbelstrombildung können Drahtstärke und Erregerfrequenz optimiert werden.

In einer alternativen Ausgestaltung ist der Kern als gesinterter Kern aus ferritischem Pulver ausgebildet, der vorzugsweise gießharzummantelt oder kunststoffumspritzt ist. Dies

führt zu einer besonders hohen Festigkeit und Stabilität der freitrcigenden Messspule.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kern als Stapel aus ferromagnetischen, insbesondere amorphen Metallbändern oder aus isolierten, glasummantelten Drähten ausgebildet, die auch zu einem Kern verschmolzen sein können. Das amorphe Kernmaterial hat besonders geringe Koerzitivfeldstärken und kann im Gegensatz zu den kristallinen Materialien magnetostriktionsfrei hergestellt werden, das heißt, die magnetischen Eigenschaften werden durch mechanische Spannungen nicht beeinflusst.

Schließlich kann der Kern in einer weiteren Ausbildung auch aus einer Aneinanderreihung von Ringkernen bestehen, die vorzugsweise aus amorphen Metallbändern gewickelt sind. Gewikkelte Ringkerne werden in großen Serien hergestellt und sind preiswert erhältlich, wobei magnetisch dieselben Vorteile vorliegen.

Bei den aufgezeigten Alternativen mit Ausnahme derjenigen mit kristallinem Kern ist der elektrisch isolierte Kern umfangsseitig mit der Messspule bewickelt, die von einer Kunststoffschicht umgeben ist, insbesondere einer Schicht aus faserverstärktem Kunststoff, die das Kunststoffrohr bildet. Diese Ausgestaltung führt ebenfalls zu einem mechanisch und festigkeitsmäßig sehr stabilen Verbund.

Um eine vorgefertigte lange Messspule auf die Gebrauchslänge ablängen zu können, wird sie an ihrem freien Ende mit dem

elektrisch leitfähigen Kern verbunden, insbesondere durch eine Quetsch-, Lot- oder Schweißverbindung, so dass der Kern als elektrischer Rückleiter für die Spule dient. Bei festen Spulenlängen können die Induktivität der Messspule, ihre Temperaturabhängigkeit und ihre optimale Betriebsfrequenz durch die Windungszahl, den Drahtquerschnitt und das Kernmaterial optimiert werden.

Die zur Erregung der Messspule verwendete Wechselspannung besitzt vorzugsweise eine Frequenz zwischen 50 und 300 kHz.

Die Messspule erstreckt sich zweckmäßigerweise nahezu über die gesamte Länge des Zylinder-Innenraums, um eine Positionserfassung entlang des gesamten Kolbenwegs zu ermöglichen. Die Messspule greift dabei am kolbenseitigen Endbereich der Kolbenstange in diese ein.

Die Kolbenstange besteht in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus f€>rromagnetischem Material, so dass sich die überdeckende Kolbenstange wie eine Verkürzung der magnetischen Feldlinien der Messspule auswirkt, das heißt, die Frequenz eines selbstschwingenden Oszillators wird erniedrigt mit wachsender Überdeckung. Allerdings muss vermieden werden, dass die Wirbelströme im ferromagnetischen Material überwiegen. Dies kann beispielsweise durch einen Schlitz in der Kolbenstange geschehen .

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem als einstückiger Ferritkern ausgebildeten Topfkern und einem gesinterten Kern aus ferritischem Pulver und

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem durch aufgefächerte und umgelenkte Drähte des weichmagnetischen Kerns gebildeten Topfkern, wobei der Kern aus einer Vielzahl von Mumetall-Drähten besteht.

Bei dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist ein mit einer rohrförmigen Kolbenstange 10 versehener Kolben 11 in einem Zylinder 12 verschiebbar geführt. Die Kolbenstange 10 erstreckt sich dabei durch eine Stirnfläche bzw. einen stirnseitigen Abschlussdeckel 13 des Zylinders 12. An der Innenseite des gegenüberliegenden stirnseitigen Abschlussdeckels 14 des Zylinders 12, in der Darstellung der rechte Abschlussdeckel, ist ein als einstückiger Ferritkern ausgebildeter Topfkern 15 fixiert. In einer zentralen Bohrung des Topfkerns 15 ist ein weichmagnetischer Kern 19 fixiert, der sich im Wesentlichen bis unmittelbar vor den gegenüberliegenden stirnseitigen Abschlussdeckel 13 erstreckt und beispielsweise als gesinterter Kern aus ferritischem Pulver ausgebildet ist, der gießharzummantelt oder kunststoffumspritzt ist und so einen mechanisch festen Kern bildet. Dieser Kern 19 ist mit einer Messspule 16 bewickelt, die sich noch entlang eines zentralen Vorsprungs 17 des Topfkerns 15 erstreckt. Der Kern 19 bildet dabei die elektrische Rückleitung der Messspule 16. Der mit der Messspule 16 bewickelte Kern erstreckt sich in den Längskanal der Kolbenstange 10 hinein.

Die Messspule 16 ist elektrisch mit einer Auswerteschaltung bzw. Auswerteeinrichtung 18 verbunden. Diese enthält einen Frequenzgenerator, beispielsweise einen Sinusgenerator, der die Messspule 16 mit einer an die Länge und an das Kernmaterial optimal angepassten, festen Frequenz speist und der Messspule einen Wechselstrom einprägt. Zur Wegmessung wird die sich einstellende Spulenspannung verlustfrei abgegriffen und verstärkt. Durch die in der Kolbenstange 10 erzeugten Wirbelströme erniedrigt sich die abgegriffene Spulenspannung auf Grund der Wirbelstromverluste proportional zur Überdekkungslänge Kolbenstange 10 / Messspule 16. Da kein Schwingkreis einschwingen muss, arbeitet das beschriebene Messverfahren nahezu verzögerungslos.

Alternativ hierzu könnte die Messspule 16 auch Bestandteil eines Schwingkreises bildet, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit der Überdeckung ändert. Beim Messeffekt überlagern sich prinzipiell drei mögliche Wirkungen der umgebenden Kolbenstange 10 auf die Messspule 16:

1. In der umgebenden Kolbenstange 10 entstehen Wirbelstromverluste, die die Güte der Messspule 16 verschlechtern. Wird die Messspule 16 in dem Schwingkreis eines selbstschwingenden Oszillators betrieben, so wirkt sich die Güteverschlechterung in einer Verringerung der Schwingkreisamplitude aus.

2. Die Messspule 16 wirkt zusammen mit der umgebenden Kolbenstange 10 wie ein Transformator mit Kurzschlusswin-

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dung. Mit zunehmender Überdeckung von Kolbenstange 10 und Messspule 16 führt dies zu einer Verringerung der wirksamen Induktivität, so dass sich die Frequenz eines selbstschwingenden Oszillators erhöht.

3. Wenn die metallische Kolbenstange 10 aus ferromagnetischem Material besteht, so wirkt sich die überdeckende Kolbenstange 10 wie eine Verkürzung der magnetischen Feldlinien der Messspule 16 aus, das heißt, die Frequenz eines selbstschwingenden Oszillators wird erniedrigt mit wachsender Überdeckung. Allerdings muss vermieden werden, dass die Wirbelströme im ferromagnetischen Material überwiegen. Dies kann beispielsweise durch einen nicht dargestellten Schlitz in der Kolbenstange 10 geschehen.

Die Herstellung des mit der Messspule 16 versehenen Kerns 19 erfolgt beispielsweise dadurch, dass zunächst auf den außen elektrisch isolierten weichmagnetischen Kern 19 eine Kupferspule als Messspule 16 aufgewickelt wird, bevor diese Messspule 16 dann mit einem faserverstärkten Kunststoff umgeben wird, der ein stabilisierendes und nach außen gleichzeitig elektrisch isolierendes Kunststoffrohr bildet .

Um eine Anpassung an unterschiedliche Zylinderlängen vornehmen zu können, wird eine vorgefertigte, mit einem Kern 19 versehene Messspule 16 auf die Gebrauchslänge abgelängt und am freien Ende dann über eine Quetsch-, Lot- oder Schweißverbindung mit dem Kern 19 verbunden, der als Rückleiter für den Spulenstrom fungiert. Auf diese Weise kann

die Messspule 16 einseitig am stirnseitigen Abschlussdekkel 14 fixiert werden.

In einer alternativen Ausgestaltung kann der Kern 19 auch als Stapel aus ferromagnetischen, vorzugsweise amorphen Metallbändern oder isolierten, glasummantelten Drähten bestehen, die auch zu einem Kern verschmolzen sein können. Dieser Stapel wird dann in ein faserverstärktes Kunststoffrohr eingeschoben und fixiert, wobei das Kunststoffrohr die Messspule 16 trägt.

Weiterhin können in ein solches Kunststoffrohr auch je nach Spulenlänge kleine, aus amorphen Metallbändern gewikkelte Ringkerne eingeschoben werden, so dass beliebige Kernlängen erzeugbar sind.

Bei dem in Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht ein Kern 20 für die Messspule 16 aus einer Vielzahl von dünnen Einzeldrähten 21, beispielsweise spannungsfrei geglühten kristallinen Mumetall-Drähten, die entsprechend den vorherigen Ausführungen in ein solches faserverstärktes Kunststoffrohr eingeschoben werden. Die an der Befestigungsseite aus dem mit der Messspule 16 versehenen Kunststoffrohr 22 herausragenden Drahtenden werden durch Auffächern und Umbiegen nach Art eines Topfkerns 23 geformt. Dieser Topfkern 23 besitzt die gleichen magnetischen Eigenschaften wie der Topfkern 15, das heißt, das

Magnetfeld wird entsprechend in Richtung Zylinder-Innenrauia / Kolben 11 umgelenkt und davon abgehalten, in den umliegenden Metallteilen des Zylinders 12 Wirbelströme zu erzeugen. Der Kern 20 bzw. Topfkern 23 wird ebenfalls am stirnseitigen Abschlussdeckel 14 fixiert. Die Messspule wird in entsprechender Weise an die nicht dargestellte Auswerteeinrichtung 18 oder an eine andere Auswerteeinrichtung angeschlossen, die gemäß den oben beschriebenen Messprinzipien arbeitet.

Claims

1. Positionsmessvorrichtung für fluidische Zylinder, mit einer an einer Zylinder-Stirnseite (14) fixierten und in die hohle, sich durch die gegenüberliegende Zylinder-Stirnseite (13) erstreckenden metallischen Kolbenstange (10) hineinragenden, langgestreckten Messspule (16), die einen weichmagnetischen Kern (19, 20) besitzt, und mit einer mit der Messspule (16) verbundenen Auswerteeinrichtung (18) zur Erfassung der Spulenspannung und/oder Spulenfrequenz der mit Wechselspannung beaufschlagbaren Messspule (16).

2. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzgenerator, insbesondere ein Sinusgenerator, zur Beaufschlagung der Messspule (16) mit einer festen Frequenz vorgesehen ist, und dass Mittel zum Abgriff der positionsabhängigen Spulenspannung vorgesehen sind.

3. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weichmagnetische Kern (19, 20) an der die Messspule (16) haltenden Zylinder-Stirnseite (14) mit einem Topfkern (15, 23) versehen ist.

4. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Topfkern (15, 23) als einstückiger Ferritkern oder durch aufgefächerte und umgelenkte Drähte (21) des daraus bestehenden weichmagnetischen Kerns (20) gebildet ist.

5. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spulenkörper für die Messspule (16) aus einem Kunststoffrohr (22), insbesondere einem faserverstärkten Kunststoffrohr, besteht, das den weichmagnetischen Kern (19, 20) enthält.

6. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (20) aus einer Vielzahl von als Mumetall-Drähte ausgebildeten Drähten (21) besteht, insbesondere spannungsfrei geglühten kristallinen MuLmetall-Drähten.

7. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (19) als gesinterter Kern aus ferritischem Pulver ausgebildet ist, der vorzugsweise gießharzummantelt oder kunststoffumspritzt ist.

8. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern als Stapel aus ferromagnetischen, insbesondere amorphen Metallbändern ausgebildet ist oder aus isolierten, glasummantelten Drähten besteht.

9. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einer Aneinanderreihung von Ringkernen besteht, die vorzugsweise aus amorphen Metallbändern gewickelt sind.

10. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umfangsseitig elektrisch isolierte Kern (19, 20) mit der Messspule (16) bewickelt ist, die von einer Kunststoffschicht umgeben ist, insbesondere einer Schicht aus faserverstärktem Kunststoff.

11. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ablängbare Messspule (16) an ihrem freien Ende mit dem elektrisch leitfähigen Kern (19, 20) verbunden ist, insbesondere durch eine Quetsch-, Löt- oder Schweißverbindung.

12. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine Frequenz zwischen 50 kHz und 300 kHz besitzt.

13. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Messspule (16) nahezu über die gesamte Länge des Zylinder-Innenraums erstreckt.

14. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (16) am kolbenseitigen Endbereich der Kolbenstange (10) in diese eingreift.

15. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (10) aus ferromagnetischem Material besteht.