WO1999061805A1 - Displacement determination system - Google Patents

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WO1999061805A1
WO1999061805A1 PCT/EP1999/002550 EP9902550W WO9961805A1 WO 1999061805 A1 WO1999061805 A1 WO 1999061805A1 EP 9902550 W EP9902550 W EP 9902550W WO 9961805 A1 WO9961805 A1 WO 9961805A1
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force
sensor
spring
control
fluid
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PCT/EP1999/002550
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German (de)
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Inventor
Reiner Bartholomäus
Original Assignee
Mannesmann Rexroth Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/003—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/0401—Valve members; Fluid interconnections therefor
    • F15B13/0402—Valve members; Fluid interconnections therefor for linearly sliding valves, e.g. spool valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/042—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor operated by fluid pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/0401—Valve members; Fluid interconnections therefor
    • F15B2013/0409—Position sensing or feedback of the valve member

Definitions

  • the invention relates generally to a system for determining the
  • a control piston in a valve for example a control piston in a valve, a piston in a hydraulic cylinder, an adjusting element in one
  • Hydraulic pump or the like To determine.
  • displacement sensors To determine the path of a measurement object, displacement sensors have so far been used which detect the path of the measurement object as the measured variable to be determined and convert it into an electrical measurement signal proportional to the path.
  • inductive displacement sensors are used to determine the stroke of control pistons in proportional and servo valves, which either directly or depending on the valve type indirectly detect and convert into an electrical measurement signal proportional to the stroke.
  • the control piston is actuated directly by means of a stroke-controlled proportional magnet. Activation of the proportional magnet results in a stroke of the control piston which is proportional to the measured variable of the electrical control signal.
  • the position of the control piston can be indirectly detected via the stroke of the magnet armature in the proportional magnet and can be fed back to an electronic control device as an electrical signal for position control.
  • the control piston is actuated hydraulically. In these cases, the stroke of the control piston is measured directly using an inductive displacement sensor.
  • Inductive displacement sensors For measuring the stroke of the magnet armature in the case of the single-stage, directly controlled proportional directional valve or the stroke of the Control pistons in the case of the pilot-controlled multi-stage proportional or servo valves, as mentioned above, mostly use inductive displacement sensors.
  • Inductive displacement sensors have an induction coil system excited by AC voltage and a plunger armature coupled to the magnet armature or the control piston. If the plunger is displaced relative to the coil system as a result of actuation of the magnet armature or control piston, the position of the control piston can be determined from the stroke-dependent influencing of the inductance of the AC-excited coil system.
  • a displacement sensor with a Hall generator can be used to measure the stroke of the magnet armature or the control piston, in which the magnet armature or the control piston displaces a control magnet relative to the Hall generator, as a result of which the flux density of the magnetic field which passes through the Hall generator changes.
  • the position of the control piston can be determined from the Hall voltage tapped on the Hall generator.
  • Hall generator sensors can, however, also use ohmic sensors with linear potentiometers, galvanomagnetic sensors with field plates and analog or digital optoelectronic sensors for displacement measurement. Since the functional principle of such sensors is known to the person skilled in the art, a detailed explanation of these sensors is omitted here.
  • the stroke of a test object which can be up to several 100 mm, but can be detected by means of one of the sensors listed above, it is necessary that the sensors are dimensioned at least so large that they the maximum stroke that the test object and thus which can experience moving plunger, control magnet or the like moving in the sensors.
  • the object of the invention is therefore to remedy this disadvantage by providing a system for determining the path of a measurement object which is movable in the system and which is distinguished by a small size compared to the conventional systems.
  • the system according to claim 1 is essentially based on the principle that to determine the position or the path of a movable object in the system, for example the path of a control piston of a valve, not the path actually to be determined, but the force that is detected during the movement of the measurement object is transmitted to a force sensor via a mechanically deformable coupling element.
  • the known relationship between the force applied to the coupling element and the resulting deformation of the coupling element, i.e. from the force-displacement characteristic of the coupling element, the distance covered by the measurement object can be determined.
  • the actual size to be determined i.e. the path, as was previously customary, for example with the sensors described above, but rather a variable arising as a result of the movement of the measurement object, i.e. the force that the test object exerts on the force sensor.
  • Force sensors can be used as the force sensor.
  • Force sensors based on the Hall generator principle have proven to be particularly advantageous.
  • the coupling element picks up the path of the measurement object due to its mechanical deformation, and conventional force sensors also have a smaller size than displacement sensors, the system according to the invention achieves a significant reduction in the size of the entire system compared to conventional systems with displacement sensors.
  • the mechanically deformable coupling element arranged between the measurement object and the force sensor is advantageously characterized by a linear force-displacement characteristic. This can be achieved in a simple manner, for example, by means of a spring body working in the Hooke range, such as a helical spring.
  • the deformation path of the coupling element and thus the path of the coupling element can be determined from the linear relationship between the force exerted by the measurement object on the coupling element during its movement and which is detected by the force sensor, and from the linear force-displacement characteristic curve specific for the coupling element Determine the test object according to Hooke's law.
  • the force detected by the force sensor during movement of the measurement object is converted by the sensor element into an electrical signal which is at the same time proportional to the path of the measurement object.
  • the deformation of the coupling element can be caused by both a compressive force and a tensile force.
  • the system according to the invention is particularly advantageous in fluid technology, ie in pneumatics or hydraulics.
  • the system includes a fluidic device with a fluid space in which a generally linearly movable measurement object, the force sensor and the mechanically deformable coupling element arranged between the force sensor and the measurement object are arranged.
  • the force sensor forms the link between the fluid space and one Non-fluid space, for example the external environment of the fluid power device.
  • the system according to the invention can be part of a control chain in which the position of the measurement object in the fluid technology device is determined.
  • the system according to the invention can also be part of a control loop in which the path of the measurement object in the fluid technology device is determined and returned to control electronics in order to make a target-actual comparison and, if necessary, to correct the position of the measurement object in the fluid technology device.
  • the path determined via the force is returned as an electrical signal to the control device of the fluid power device.
  • the principle according to the invention can even be applied to highly sensitive control loops, because the natural frequency range of the mechanical components of the fluid power device can be determined by a suitable coordination of the mechanical components of the fluid power device so that the natural vibration does not affect the control accuracy.
  • Fluid power devices in the sense of the invention include all valves, e.g. Directional control valves, pressure valves and flow control valves, but also control devices such as Hydraulic cylinder.
  • the stroke of the control piston can be determined via the force that the magnetic armature of the proportional magnet exerts on the force sensor through the coupling element.
  • the stroke of the control piston can be determined via the force which the control piston exerts on the force sensor through the coupling element.
  • the stroke of the control piston can be determined via the force which the control piston exerts on the force sensor through the coupling element.
  • the stroke of the control piston in the hydraulic cylinder can be determined via the force which the piston exerts on the force sensor through the coupling element.
  • a force sensor generally consists of an elastically deformable mechanical part that absorbs the force, ie one Sensor element, and an electrical part that converts the force absorbed into an electrical signal, ie a sensor element.
  • a fluid pressure-independent conversion of the force absorbed into an electrical signal proportional to the force it is advantageous not to expose the electrical part of the force sensor, ie the sensor element, which is sensitive to fluid pressure and fluid temperature fluctuations in the fluid space, to the fluid pressure.
  • This can be achieved in that the sensor element and the sensor element are separated from one another in a fluid-tight manner, so that the sensor element is arranged in the fluid space and the sensor element is arranged in the non-fluid space.
  • a suitable structural design of the transducer element can also ensure that the influence on the transducer element resulting from fluid pressure and fluid temperature fluctuations in the fluid space is minimized.
  • Fluid power devices often have a spring which exerts a compressive or tensile force on the measurement object, for example the control piston mentioned above, and thus determines the position of the measurement object in the fluid technology device.
  • This spring is usually referred to in the literature as the "control spring”.
  • the control spring which is already present in the fluid technology device, can take over the function of the mechanically deformable coupling element, as a result of which an additional coupling element is no longer required, so that the structure of the entire system and thus the costs related to production and manufacturing technology are reduced.
  • an additional force measuring spring can also take over the function of the coupling element if a control spring is already present.
  • This force measuring spring can for example be arranged coaxially within the control spring.
  • the accuracy of the force measurement i.e. adjust the sensitivity of the force sensor in a simple manner to the respective requirements and areas of application.
  • the spring body is supported, for example the Control spring or the force measuring spring, for the sake of simplicity via a spring plate on the sensor element of the force sensor.
  • the part of the force sensor located in the fluid space and the sensor element can be axially connected to the control spring or coaxially within the control spring be arranged. The latter arrangement allows the overall size of the system to be reduced even more.
  • a further advantageous embodiment of the system according to the invention results if the sensor element of the force sensor has a centrally arranged cone section, i.e. a conical recess or a conical projection, and the spring plate a conical section which is adapted to the conical section of the sensor element, i.e. has a conical projection or a conical recess. Since the force applied to the transducer element in this case takes place via this conical section, the measurement of the force can be carried out largely free of lateral forces or obliquely acting forces occurring in the fluid space.
  • the sensor element of the force sensor is designed like a membrane for the sake of simplicity.
  • constructive measures are provided on the membrane-like sensor element and / or on the force sensor, which enable fluid pressure compensation between the two sides of the membrane-like sensor.
  • the membrane-like sensor element can have one or more fluid openings through which the fluid can flow from one side to the other side of the membrane-like sensor element when the object to be measured moves, so that the same fluid pressure is present on both sides.
  • a fluid channel can be formed in the force sensor, which creates a fluid connection between the sides in front of the membrane-like sensor element, so that fluid pressure compensation is possible.
  • the transducer element can also be constructed in such a way that it only responds from a certain force, ie it remains largely unaffected by a weak change in fluid pressure in the fluid space.
  • any sensor that is based on an ohmic, inductive, optoelectronic or galvanomagnetic measuring principle can be used as the force sensor.
  • a force sensor is preferably used which has a control magnet which can be actuated by the pickup element and a Hall generator.
  • the membrane-like sensor element deforms under the influence of the force transmitted via the coupling element and displaces the control magnet connected to the sensor element relative to the Hall generator, as a result of which the flux density of the magnetic field which passes through the Hall generator changes.
  • the Hall voltage tapped on the Hall generator is proportional to the force absorbed.
  • the stroke of the test object can be determined from the measured force, which is output as the electrical signal, via the known force-deformation path relationship of the coupling element.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the system according to the invention with a 4/3-way proportional directional valve and a force sensor
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a Hall generator
  • Fig. 3 shows a modification of the system shown in Fig. 1;
  • Fig. 4 shows a further modification of the system shown in Fig. 1.
  • the system has a pilot-controlled 4/3-way proportional directional valve and a force sensor based on the Hall generator principle.
  • the system according to the invention is not restricted to this exemplary embodiment, but is generally used in cases in which it is fundamentally possible and expedient to determine the path of a measurement object by means of a force sensor.
  • the 4/3 proportional directional control valve shown schematically in FIG. 1 consists of a pilot valve 10 and a main valve 30 which can be actuated by the pilot valve 10.
  • the pilot valve 10 is used to control the main valve 30 and has a pilot valve housing 11, two proportional magnets 12 and 13 attached to the pilot valve housing, two pilot pistons 14 and 15 and two compression springs 16 and 17.
  • the proportional magnet 12 serves to actuate the pilot piston 14, which is axially displaceable in a housing recess of the pilot valve housing 11, against the spring force of the compression spring 16.
  • the proportional magnet 13 serves to actuate the axially displaceably arranged in a further housing projection of the pilot valve housing 11 Pilot piston 15 against the spring force of the compression spring 17.
  • Fluid channels 18, 19, 20 and 21 are formed in the pilot valve housing 11, as shown in FIG. 1.
  • a fluid channel 22 is formed in the pilot piston 14, which, depending on the position of the pilot piston 14, connects the fluid channel 20 either to the fluid channel 18 or to the fluid channel 19.
  • a fluid channel 23 is formed in the pilot piston 15 and, depending on the position of the pilot piston 15, connects the fluid channel 21 either to the pressure fluid channel 18 or to the fluid channel 19.
  • the main valve 30 has one in a housing recess
  • Main valve housing 31 arranged axially displaceable
  • Main control piston 32 a control spring 34 arranged in a spring chamber 33 on an end face of the main control piston 32, which the
  • a force sensor 41 is screwed into this bore 31a from the outside, on which the control spring 34 is supported.
  • the spring constants of the two control springs 34 and 36 are of the same size.
  • a pump connection P In the main valve housing 31 there are also a pump connection P, a fluid channel 37 connected to the pump connection P and the fluid channel 18 of the pilot valve 10, two tank connections Ti and T 2 , one with these tank connections Ti and T 2 and the fluid channel 19 of the pilot valve 10 connected fluid channel 38, two consumer ports A and B, which, depending on the position of the main control piston, can be connected to the pump port P or one of the two tank ports T- * and T 2 , a fluid channel 39 which connects the fluid channel 20 of the pilot valve 10 connects to the spring chamber 33, and a fluid channel 40, which connects the fluid channel 21 of the pilot valve 10 to the spring chamber 35, is formed.
  • the spring chamber 33 forms a fluid chamber in the invention
  • Proportional magnets 12 and 13 the pilot pistons 14 and 15 are in the position shown in FIG. 1.
  • the spring chambers 34 and 35 are relieved since the fluid supply from the pump connection P to the
  • the fluid pressure in the spring chamber 34 is proportional to the direct current fed into the proportional magnet and the magnetic force generated thereby.
  • the main control piston 32 is moved by a path proportional to these quantities, which in turn generates a fluid volume flow proportional to these quantities at the consumer connection A.
  • Reference numeral 41 denotes a force sensor which, as already mentioned above, is screwed into the bore 31a of the main control valve housing 31 in a fluid-tight manner.
  • the control spring 34 is supported on the sensor element 42 of the force sensor 41 via a spring plate 50.
  • the force sensor 41, the spring plate 50 and the control spring 34 are arranged one after the other in this order.
  • the force sensor 41 essentially consists of a housing 44, which has a housing cutout 45 coaxial with the control spring 34 on the right-hand end face according to FIG. 2 and a likewise coaxial with the control spring 34 on the left-hand end face according to FIG.
  • the housing cutout 45 and the housing cutout 48 are designed to be separate from one another in a fluid-tight manner, as shown in FIG. 2.
  • the sensor element 42 is attached to the housing 44 in a membrane-like manner above the housing recess 45.
  • the housing cutout 45 is dimensioned at least so large that the control magnet 47 can move unhindered in the case of an axial displacement in the housing cutout 45 caused by pressure loading of the sensor element 42.
  • the Hall generator 43 is produced from an essentially rectangular thin semiconductor plate 70 and generates a Hall voltage U H from a control current I and a magnetic field B perpendicularly passing through the control current I. If a voltage is applied to two opposite longitudinal sides 71, 72 of the semiconductor wafer, the so-called control current I flows between the two longitudinal sides 71, 72 of the semiconductor wafer 70. The magnetic field B produced by the control magnet 47 passes through the Hall generator 43 perpendicular to that between the two longitudinal sides 71, 72 of the semiconductor chip 70 flowing control current I, whereby the charge carriers are pushed due to the Lorenz force to one of the other two opposite sides 73, 74 of the semiconductor chip 70.
  • the so-called Hall voltage U H can thereby be tapped on the two other longitudinal sides 73, 74 of the semiconductor die 70. This increases with the strength of the control current I and the magnetic flux density B. If the proportional magnet on the right in accordance with FIG. 1 is now supplied with a direct current, then the main control piston 32 is displaced to the left in accordance with FIG. 1, as a result of which the control spring 34 is displaced by a distance which is proportional to the force exerted by the main control piston 32 on the control spring 34 , is squeezed. At the same time, the control magnet 47 is pushed towards the Hall generator as a result of a pressure load on the sensor element 42 caused by force transmission, as a result of which the magnetic flux density through the Hall generator 43 increases. The increased Hall voltage U H tapped thereby at the Hall generator 43, which acts as an electrical signal in the system according to the invention, is proportional to the force absorbed at the sensor element 42.
  • fluid openings 49 are formed in the transducer element, through which the fluid located in the fluid space can flow from the right side of the diaphragm-like transducer element in FIG. 2 to the left side, so that the same on both diaphragm sides Fluid pressure is present.
  • the transducer element 42 of the force sensor 41 has a centrally arranged conical projection 51 and the spring plate 50 has a conical depression 52 which is adapted to the conical projection 51 of the transducer element 42.
  • FIG. 3 shows a modification of the system described above for determining the path of the main control piston 32 of the 4/3-way proportional directional valve. 1 and FIG. 2, the force sensor 41, the spring plate 50 and the control spring 34 are arranged one after the other in this order, with this modification the part of the force sensor 41 in the fluid space and the spring plate 50 on which the Control spring 34 supports, partially arranged within the control spring 34, which reduces the overall length of the entire system.
  • FIG. 4 shows a further modification of the system according to the invention for determining the path of the main control piston 32.
  • the control spring 34 which acts on the main control piston 32 with a compressive force to the right in FIG. 4
  • Force measuring spring 60 is arranged, which in this case takes over the function of the mechanically deformable coupling element and which is supported via the spring plate 50 on the sensor element 42 of the force sensor 41.
  • the accuracy of the force measurement i.e. adapt the sensitivity of the force sensor to the respective requirements and areas of application.
  • the force sensor can only determine the stroke of the main control piston 32 which is caused as a result of actuation of the proportional magnet 13.
  • a second force sensor can be used, which is arranged opposite the force sensor 41 on the other side of the main control piston 32 and detects the pressure force transmitted via the control spring 36.
  • a single force sensor is basically sufficient to activate one or the other electromagnet to measure the path of the main control piston 32.
  • Both control springs 34 and 36 must then be preloaded in the neutral position of the main control piston 32 shown. Then, when the main control piston 32 is shifted from the neutral position shown in one direction, the control spring 34 is tensioned to a greater extent and when it is shifted in the other direction, it is relaxed more.
  • the force sensor 41 then senses a change in force.

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Abstract

The invention relates to a system for determining displacement of a movable measuring object arranged in a system, e.g. a control piston (32) of a valve (10), using a stationary force sensor (41) arranged in the system. Said sensor detects a force resulting from the movement of the measuring object and passing Through a coupling element that can be mechanically deformed and that is arranged between the measuring object and the force sensor. Said coupling element has a determined force-displacement characteristic, for instance an adjusting spring (34) having a defined spring rate. The sensor converts said force into an electrical signal that is proportional to the displacement carried out by the measuring object, for instance the lifting of the control piston (32).

Description

Beschreibunq Description
WegbestimmunqssvstemRoute determination
Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein System zum Bestimmen desThe invention relates generally to a system for determining the
Wegs eines im System bewegbar angeordneten Meßobjekts. Ein derartigesPath of a test object movably arranged in the system. Such a thing
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 Verstellorgans in einerSystem can be found particularly in fluid technology, where it is a question of the path of a measurement object, for example a control piston in a valve, a piston in a hydraulic cylinder, an adjusting element in one
Hydropumpe oder dgl., zu bestimmen.Hydraulic pump or the like. To determine.
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 proportionales 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-Ventilen meist induktive Wegsensoren verwendet, die den Hub des Steuerkolbens je nach Ventiltyp entweder direkt oder indirekt erfassen und in ein dem Hub proportionales elektrisches Meßsignal umwandeln.To determine the path of a measurement object, displacement sensors have so far been used which detect the path of the measurement object as the measured variable to be determined and convert it into an electrical measurement signal proportional to the path. According to the book "Proportional and Servo Valve Technology", published by Mannesmann Rexroth GmbH, mostly inductive displacement sensors are used to determine the stroke of control pistons in proportional and servo valves, which either directly or depending on the valve type indirectly detect and convert into an electrical measurement signal proportional to the stroke.
Bei einem einstufigen direktgesteuerten Proportional-Wegeventil beispielsweise wird der Steuerkolben mittels eines hubgeregelten Proportional-Magneten direkt betätigt. Eine Ansteuerung des Proportional- Magneten hat einen zur Meßgröße des elektrischen Ansteuersignais proportionalen Hub des Steuerkolbens zur Folge. Mittels eines induktiven Wegsensors kann über den Hub des Magnetankers im Proportional- Magneten indirekt die Lage des Steuerkolbens erfaßt und als ein elektrisches Signal zur Lageregelung an eine elektronische 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.In the case of a single-stage, direct-controlled proportional directional valve, for example, the control piston is actuated directly by means of a stroke-controlled proportional magnet. Activation of the proportional magnet results in a stroke of the control piston which is proportional to the measured variable of the electrical control signal. By means of an inductive displacement sensor, the position of the control piston can be indirectly detected via the stroke of the magnet armature in the proportional magnet and can be fed back to an electronic control device as an electrical signal for position control. In the case of pilot-operated multi-stage proportional or servo valves, the control piston is actuated hydraulically. In these cases, the stroke of the control piston is measured directly using an inductive displacement sensor.
Zur Messung des Hubs des Magnetankers im Fall des einstufigen direktgesteuerten Proportional-Wegeventils oder des Hubs des Steuerkolbens im Fall der vorgesteuerten mehrstufigen Proportional- oder Servo-Ventilen werden, wie vorstehend erwähnt, meist induktive Wegsensoren verwendet. Induktive Wegsensoren weisen ein wechselspannungserregtes Induktionsspulensystem 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.For measuring the stroke of the magnet armature in the case of the single-stage, directly controlled proportional directional valve or the stroke of the Control pistons in the case of the pilot-controlled multi-stage proportional or servo valves, as mentioned above, mostly use inductive displacement sensors. Inductive displacement sensors have an induction coil system excited by AC voltage and a plunger armature coupled to the magnet armature or the control piston. If the plunger is displaced relative to the coil system as a result of actuation of the magnet armature or control piston, the position of the control piston can be determined from the stroke-dependent influencing of the inductance of the AC-excited coil system.
Ebenso kann zur Messung des Hubs des Magnetankers oder des Steuerkolbens ein Wegsensor mit einem Hallgenerator verwendet werden, bei dem der Magnetanker bzw. der Steuerkolben einen Steuermagneten relativ zum Hallgenerator verschiebt, 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.Likewise, a displacement sensor with a Hall generator can be used to measure the stroke of the magnet armature or the control piston, in which the magnet armature or the control piston displaces a control magnet relative to the Hall generator, as a result of which the flux density of the magnetic field which passes through the Hall generator changes. The position of the control piston can be determined from the Hall voltage tapped on the Hall generator.
Neben dem vorstehend erläuterten induktiven Sensor und demIn addition to the above-described inductive sensor and
Hallgenerator-Sensor können jedoch auch ohmsche Sensoren mit Linearpotentiometern, galvanomagnetische Sensoren mit Feldplatten sowie analoge oder digitale optoelektronische Sensoren zur Wegmessung herangezogen werden. Da das Funktionsprinizp derartiger Sensoren dem Fachmann bekannt ist, wird auf eine nähere Erläuterung dieser Sensoren hierin verzichtet.Hall generator sensors can, however, also use ohmic sensors with linear potentiometers, galvanomagnetic sensors with field plates and analog or digital optoelectronic sensors for displacement measurement. Since the functional principle of such sensors is known to the person skilled in the art, a detailed explanation of these sensors is omitted here.
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 erforderlich, 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 gesamten 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.So that the stroke of a test object, which can be up to several 100 mm, but can be detected by means of one of the sensors listed above, it is necessary that the sensors are dimensioned at least so large that they the maximum stroke that the test object and thus which can experience moving plunger, control magnet or the like moving in the sensors. This results in large sensor dimensions and thus large dimensions of the entire system in which the sensor is used, which affects the compactness and the production-related costs of the entire system. The object of the invention is therefore to remedy this disadvantage by providing a system for determining the path of a measurement object which is movable in the system and which is distinguished by a small size compared to the conventional systems.
Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a system according to the features of patent claim 1. Refinements according to the invention are the subject of the dependent claims.
Das System gemäß dem Patentanspruch 1 basiert im wesentlichen auf dem Prinzip, daß zur Bestimmung der Lage oder des Wegs eines im System bewegbaren Meßobjekts, beispielsweise des Wegs eines Steuerkolbens eines Ventils, nicht der eigentlich zu bestimmende Weg erfaßt wird, sondern 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 bedingten Verformung des Kopplungselements, d.h. aus der Kraft-Weg- Kennlinie des Kopplungselements, der vom Meßobjekt zurückgelegte Weg ermittelt werden. Gemäß der Erfindung wird demnach nicht unmittelbar die eigentlich zu bestimmende Größe, d.h. der Weg, erfaßt, wie es bislang, beispielsweise bei den vorstehend beschriebenen Sensoren, üblich war, sondern eine infolge der Bewegung des Meßobjekts entstehende Größe, d.h. die Kraft, die das Meßobjekt auf den Kraftsensor ausübt.The system according to claim 1 is essentially based on the principle that to determine the position or the path of a movable object in the system, for example the path of a control piston of a valve, not the path actually to be determined, but the force that is detected during the movement of the measurement object is transmitted to a force sensor via a mechanically deformable coupling element. With the help of the detected force, the known relationship between the force applied to the coupling element and the resulting deformation of the coupling element, i.e. from the force-displacement characteristic of the coupling element, the distance covered by the measurement object can be determined. According to the invention, the actual size to be determined, i.e. the path, as was previously customary, for example with the sensors described above, but rather a variable arising as a result of the movement of the measurement object, i.e. the force that the test object exerts on the force sensor.
Als Kraftsensor können herkömmliche Kraftsensoren eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei Kraftsensoren erwiesen, die auf dem Hall-Generator-Prinzip basieren.Conventional force sensors can be used as the force sensor. Force sensors based on the Hall generator principle have proven to be particularly advantageous.
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 angeordnete 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 Zusammenhang 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 Kopplungselement 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 Signal umgewandelt, das zugleich dem Weg des Meßobjekts proportional ist. Die Verformung des Kopplungselements kann dabei sowohl durch eine Druckkraft als auch durch eine Zugkraft verursacht werden. Je nachdem, wie das Kopplungselement mit dem Kraftsensor in Verbindung steht, läßt sich daher entweder der Weg eines Meßobjekts, das aus einer Endstellung 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.Since, according to the invention, the coupling element picks up the path of the measurement object due to its mechanical deformation, and conventional force sensors also have a smaller size than displacement sensors, the system according to the invention achieves a significant reduction in the size of the entire system compared to conventional systems with displacement sensors. The mechanically deformable coupling element arranged between the measurement object and the force sensor is advantageously characterized by a linear force-displacement characteristic. This can be achieved in a simple manner, for example, by means of a spring body working in the Hooke range, such as a helical spring. The deformation path of the coupling element and thus the path of the coupling element can be determined from the linear relationship between the force exerted by the measurement object on the coupling element during its movement and which is detected by the force sensor, and from the linear force-displacement characteristic curve specific for the coupling element Determine the test object according to Hooke's law. The force detected by the force sensor during movement of the measurement object is converted by the sensor element into an electrical signal which is at the same time proportional to the path of the measurement object. The deformation of the coupling element can be caused by both a compressive force and a tensile force. Depending on how the coupling element is connected to the force sensor, either the path of a measurement object that can be moved from an end position and can exert a compressive force or a tensile force on the coupling element, or the path of a measurement object that consists of a The middle position can be moved out and both a compressive force and a tensile force can be exerted on the coupling element.
Anstelle des mechanisch verformbaren Kopplungselements mit einer linearen Kraft-Weg-Kennlinie wäre es auch möglich, ein Kopplungselement mit beispielsweise einer quadratischen Kraft-Weg-Kennlinie oder dgl. zu verwenden.Instead of the mechanically deformable coupling element with a linear force-displacement characteristic curve, it would also be possible to use a coupling element with, for example, a quadratic force-displacement characteristic curve or the like.
Das erfindungsgemäße System ist insbesondere in der Fluidtechnik, d.h. in der Pneumatik oder Hydraulik, von Vorteil. In diesem Fall, beinhaltet das System eine fluidtechnische Einrichtung mit einem Fluidraum, in dem ein im allgemeinen linear bewegbares Meßobjekt, der Kraftsensor und das zwischen dem Kraftsensor und dem Meßobjekt angeordnete mechanisch verformbare Kopplungselement angeordnet sind. Dabei bildet der Kraftsensor das Bindeglied zwischen dem Fluidraum und einem Nichtfluidraum, beispielsweise der Außenumgebung der fluidtechnischen Einrichtung.The system according to the invention is particularly advantageous in fluid technology, ie in pneumatics or hydraulics. In this case, the system includes a fluidic device with a fluid space in which a generally linearly movable measurement object, the force sensor and the mechanically deformable coupling element arranged between the force sensor and the measurement object are arranged. The force sensor forms the link between the fluid space and one Non-fluid space, for example the external environment of the fluid power device.
Das erfindungsgemäße System kann dabei Teil einer Steuerkette sein, in der die Lage des Meßobjekts in der fluidtechnischen Einrichtung ermittelt wird. Das erfindungsgemäße System kann jedoch auch Teil eines Regelkreises sein, in dem der Weg des Meßobjekts in der fluidtechnischen Einrichtung bestimmt und zu einer Ansteuerelektronik zurückgeführt wird, um einen Soll-Ist-Vergleich vorzunehmen und gegebenenfalls die Lage des Meßobjekts in der fluidtechnischen 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 geeignete Abstimmung der mechanischen Komponenten der fluidtechnischen Einrichtung aufeinander, der Eigenfrequenzbereich der mechanischen Komponenten der fluidtechnischen Einrichtung so festgelegt werden kann, daß sich die Eigenschwingung nicht auf die Regelgenauigkeit auswirkt.The system according to the invention can be part of a control chain in which the position of the measurement object in the fluid technology device is determined. However, the system according to the invention can also be part of a control loop in which the path of the measurement object in the fluid technology device is determined and returned to control electronics in order to make a target-actual comparison and, if necessary, to correct the position of the measurement object in the fluid technology device. In this case, the path determined via the force is returned as an electrical signal to the control device of the fluid power device. The principle according to the invention can even be applied to highly sensitive control loops, because the natural frequency range of the mechanical components of the fluid power device can be determined by a suitable coordination of the mechanical components of the fluid power device so that the natural vibration does not affect the control accuracy.
Fluidtechnische Einrichtungen im Sinn der Erfindung umfassen sämtliche Ventile, wie z.B. Wegeventile, Druckventile 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 mehrstufigen Servoventilen läßt sich der Hub des Steuerkolbens über die Kraft, die der Steuerkolben durch das Kopplungselement auf den Kraftsensor ausübt, bestimmen. Bei einem Hydrozylinder kann der Hub des Kolbens im Hydrozylinder über die Kraft, die der Kolben durch das Kopplungselement auf den Kraftsensor ausübt, bestimmt werden.Fluid power devices in the sense of the invention include all valves, e.g. Directional control valves, pressure valves and flow control valves, but also control devices such as Hydraulic cylinder. In the case of directly controlled proportional directional control valves, for example, the stroke of the control piston can be determined via the force that the magnetic armature of the proportional magnet exerts on the force sensor through the coupling element. In the case of pilot-controlled proportional directional control valves, the stroke of the control piston can be determined via the force which the control piston exerts on the force sensor through the coupling element. In the case of single-stage or multi-stage servo valves, the stroke of the control piston can be determined via the force which the control piston exerts on the force sensor through the coupling element. In the case of a hydraulic cylinder, the stroke of the piston in the hydraulic cylinder can be determined via the force which the piston exerts on the force sensor through the coupling element.
Ein Kraftsensor besteht im allgemeinen aus einem elastisch verformbaren mechanischen Teil, der die Kraft aufnimmt, 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 Fluidtemperaturschwankungen im Fluidraum im aligemeinen empfindlich reagierenden elektrischen Teil des Kraftsensors, d.h. das Sensorelement, nicht dem Fluiddruck auszusetzen. Dies kann dadurch realisiert werden, daß das Aufnehmerelement und das Sensorelement fluiddicht voneinander getrennt sind, so daß das Aufnehmerelement im Fluidraum und das Sensorelement im Nichtfluidraum angeordnet ist. Durch eine geeignete konstruktive Gestaltung des Aufnehmerelements kann zudem erreicht werden, daß der aus Fluiddruck- und Fluidtemperaturschwankungen im Fluidraum resultierende Einfluß auf das Aufnehmerelement minimiert wird.A force sensor generally consists of an elastically deformable mechanical part that absorbs the force, ie one Sensor element, and an electrical part that converts the force absorbed into an electrical signal, ie a sensor element. With regard to a fluid pressure-independent conversion of the force absorbed into an electrical signal proportional to the force, it is advantageous not to expose the electrical part of the force sensor, ie the sensor element, which is sensitive to fluid pressure and fluid temperature fluctuations in the fluid space, to the fluid pressure. This can be achieved in that the sensor element and the sensor element are separated from one another in a fluid-tight manner, so that the sensor element is arranged in the fluid space and the sensor element is arranged in the non-fluid space. A suitable structural design of the transducer element can also ensure that the influence on the transducer element resulting from fluid pressure and fluid temperature fluctuations in the fluid space is minimized.
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 Regelfeder die Funktion des mechanisch verformbaren Kopplungselements übernehmen, wodurch kein zusätzliches Kopplungselement mehr erforderlich ist, so daß sich der Aufbau des gesamten Systems und damit die produktions- und fertigungstechnisch bedingten Kosten verringern.Fluid power devices often have a spring which exerts a compressive or tensile force on the measurement object, for example the control piston mentioned above, and thus determines the position of the measurement object in the fluid technology device. This spring is usually referred to in the literature as the "control spring". In this case, the control spring, which is already present in the fluid technology device, can take over the function of the mechanically deformable coupling element, as a result of which an additional coupling element is no longer required, so that the structure of the entire system and thus the costs related to production and manufacturing technology are reduced.
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 verwendeten Regelfeder und Kraftmeßfeder läßt sich die Genauigkeit der Kraftmessung, d.h. die Empfindlichkeit des Kraftsensors, in einfacher Weise den jeweiligen Erfordernissen und Anwendungsgebieten anpassen.Of course, an additional force measuring spring can also take over the function of the coupling element if a control spring is already present. This force measuring spring can for example be arranged coaxially within the control spring. Depending on the spring constant of the control spring and force measuring spring used, the accuracy of the force measurement, i.e. adjust the sensitivity of the force sensor in a simple manner to the respective requirements and areas of application.
In den vorstehend genannten Fällen, in denen ein Federkörper dasIn the cases mentioned above, in which a spring body
Kopplungslement bildet, stützt sich der Federkörper, beispielsweise die Regelfeder oder die Kraftmeßfeder, 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 Abhängigkeit 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.Forms coupling element, the spring body is supported, for example the Control spring or the force measuring spring, for the sake of simplicity via a spring plate on the sensor element of the force sensor. In a system with a fluidic device in which the position of the measurement object is determined by a control spring, depending on the design of the spring plate, the part of the force sensor located in the fluid space and the sensor element can be axially connected to the control spring or coaxially within the control spring be arranged. The latter arrangement allows the overall size of the system to be reduced even more.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ergibt sich, wenn das Aufnehmerelement des Kraftsensors einen zentrisch angeordneten Kegelabschnitt, d.h. eine kegelige Vertiefung oder einen kegeligen Vorsprung, und der Federteller einen an den Kegelabschnitt des Aufnehmerelements angepaßten Kegelabschnitt, d.h. einen kegeligen 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.A further advantageous embodiment of the system according to the invention results if the sensor element of the force sensor has a centrally arranged cone section, i.e. a conical recess or a conical projection, and the spring plate a conical section which is adapted to the conical section of the sensor element, i.e. has a conical projection or a conical recess. Since the force applied to the transducer element in this case takes place via this conical section, the measurement of the force can be carried out largely free of lateral forces or obliquely acting forces occurring in the fluid space.
Das Aufnehmerelement des Kraftsensors ist der Einfachheit halber membranartig ausgebildet. Um in diesem Fall eine weitgehend fluiddruckunabhängige Messung der Kraft zu erreichen, sind konstruktive Maßnahmen an dem membranartigen 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 Seite 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 unbeeinflußt bleibt.The sensor element of the force sensor is designed like a membrane for the sake of simplicity. In order to achieve a largely fluid pressure-independent measurement of the force in this case, constructive measures are provided on the membrane-like sensor element and / or on the force sensor, which enable fluid pressure compensation between the two sides of the membrane-like sensor. For example, the membrane-like sensor element can have one or more fluid openings through which the fluid can flow from one side to the other side of the membrane-like sensor element when the object to be measured moves, so that the same fluid pressure is present on both sides. Likewise, a fluid channel can be formed in the force sensor, which creates a fluid connection between the sides in front of the membrane-like sensor element, so that fluid pressure compensation is possible. In addition to the constructive measure, which enables fluid pressure compensation, the transducer element can also be constructed in such a way that it only responds from a certain force, ie it remains largely unaffected by a weak change in fluid pressure in the fluid space.
Als Kraftsensor kann prinzipiell jeder Sensor verwendet werden, der auf einem ohmschen, induktiven, optoelektronischen oder galvanomagnetischen Meßprinzip basiert. Im erfindungsgemäßen System wird bevorzugt ein Kraftsensor verwendet, 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 Verbindung stehenden Steuermagneten relativ zum Hallgenerator, wodurch sich die Flußdichte des Magnetfelds, das den Hallgenerator durchsetzt, ändert. Die dabei am Hallgenerator abgegriffene Hallspannung ist der aufgenommenen Kraft proportional. Aus der gemessenen Kraft, die als das elektrische Signal ausgegeben wird, läßt sich über den bekannten Kraft-Verformungsweg- Zusammenhang des Kopplungselements der Hub des Meßobjekts ermitteln.In principle, any sensor that is based on an ohmic, inductive, optoelectronic or galvanomagnetic measuring principle can be used as the force sensor. In the system according to the invention, a force sensor is preferably used which has a control magnet which can be actuated by the pickup element and a Hall generator. In this case, the membrane-like sensor element deforms under the influence of the force transmitted via the coupling element and displaces the control magnet connected to the sensor element relative to the Hall generator, as a result of which the flux density of the magnetic field which passes through the Hall generator changes. The Hall voltage tapped on the Hall generator is proportional to the force absorbed. The stroke of the test object can be determined from the measured force, which is output as the electrical signal, via the known force-deformation path relationship of the coupling element.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Systems folgen aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigtFurther features and advantages of the system according to the invention follow from the description below of a preferred exemplary embodiment, reference being made to the attached drawing. It shows
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems mit einem 4/3-Wege-Proportional-Wegeventil und einem Kraftsensor;1 shows an embodiment of the system according to the invention with a 4/3-way proportional directional valve and a force sensor;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Kraftsensor;2 shows a section through the force sensor;
Fig. 2a eine schematisierte Darstellung eines Hall-Generators;2a shows a schematic representation of a Hall generator;
Fig. 3 eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Systems; undFig. 3 shows a modification of the system shown in Fig. 1; and
Fig. 4 eine weitere Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Systems.Fig. 4 shows a further modification of the system shown in Fig. 1.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße System zur Bestimmung desThe system according to the invention for determining the
Wegs eines Meßobjekts an einem Ausführungsbeispiel 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 hingewiesen, 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.Way of a measurement object described in an embodiment. In In this exemplary embodiment, the system has a pilot-controlled 4/3-way proportional directional valve and a force sensor based on the Hall generator principle. However, it is expressly pointed out that the system according to the invention is not restricted to this exemplary embodiment, but is generally used in cases in which it is fundamentally possible and expedient to determine the path of a measurement object by means of a force sensor.
Zunächst wird der Aufbau und die Funktionsweise des 4/3-Wege- Proportional-Wegeventils erläutert. Das in Fig. 1 schematisiert dargestellte 4/3-Proportional-Wegeventil besteht aus einem Vorsteuerventil 10 und einem durch das Vorsteuerventil 10 betätigbaren Hauptventil 30.First of all, the structure and operation of the 4/3-way proportional directional valve is explained. The 4/3 proportional directional control valve shown schematically in FIG. 1 consists of a pilot valve 10 and a main valve 30 which can be actuated by the pilot valve 10.
Das Vorsteuerventil 10 dient zur Ansteuerung des Hauptventils 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 einer weiteren Gehäuseaussprung des Vorsteuerventil- Gehäuses 11 axial verschiebbar angeordneten Vorsteuerkolbens 15 gegen 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 Vorsteuerkolbens 14 den Fluidkanal 20 entweder mit dem Fluidkanal 18 oder mit dem Fluidkanal 19 verbindet. Im Vorsteuerkolben 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 verbindet.The pilot valve 10 is used to control the main valve 30 and has a pilot valve housing 11, two proportional magnets 12 and 13 attached to the pilot valve housing, two pilot pistons 14 and 15 and two compression springs 16 and 17. The proportional magnet 12 serves to actuate the pilot piston 14, which is axially displaceable in a housing recess of the pilot valve housing 11, against the spring force of the compression spring 16. The proportional magnet 13 serves to actuate the axially displaceably arranged in a further housing projection of the pilot valve housing 11 Pilot piston 15 against the spring force of the compression spring 17. Fluid channels 18, 19, 20 and 21 are formed in the pilot valve housing 11, as shown in FIG. 1. A fluid channel 22 is formed in the pilot piston 14, which, depending on the position of the pilot piston 14, connects the fluid channel 20 either to the fluid channel 18 or to the fluid channel 19. A fluid channel 23 is formed in the pilot piston 15 and, depending on the position of the pilot piston 15, connects the fluid channel 21 either to the pressure fluid channel 18 or to the fluid channel 19.
Das Hauptventil 30 weist einen in einer Gehäuseaussparung einesThe main valve 30 has one in a housing recess
Hauptventil-Gehäuses 31 axial verschiebbar angeordnetenMain valve housing 31 arranged axially displaceable
Hauptsteuerkolben 32, eine in einem Federraum 33 an einer Stirnseite des Hauptsteuerkolbens 32 angeordnete Regelfeder 34, die denMain control piston 32, a control spring 34 arranged in a spring chamber 33 on an end face of the main control piston 32, which the
Hauptsteuerkolben 32 mit einer in Fig. 1 nach rechts wirkenden Druckkraft beaufschlagt und eine bestimmte Federkonstante aufweist, eine in einem weiteren Federraum 35 an der anderen Stirnseite des Hauptsteuerkolbens 32 angeordnete Regelfeder 36, die den Hauptsteuerkolben 32 mit einer in Fig. 1 nach links wirkenden Druckkraft beaufschlagt und eine bestimmte Federkonstante aufweist, sowie eine an dem gemäß Fig. 1 linken Ende des Hauptventil-Gehäuses 31 ausgebildete Bohrung 31a mit Innengewinde 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 HauptsteuerkolbenMain control piston 32 with a compressive force acting to the right in FIG. 1 acted upon and has a certain spring constant, a control spring 36 arranged in a further spring chamber 35 on the other end face of the main control piston 32, which acts on the main control piston 32 with a compressive force acting to the left in FIG. 1 and has a certain spring constant, and one on the Fig. 1 left end of the main valve housing 31 formed bore 31a with an internal thread, which is in communication with the spring chamber 33. As will be described below, a force sensor 41 is screwed into this bore 31a from the outside, on which the control spring 34 is supported. The spring constants of the two control springs 34 and 36 are of the same size. The main spool
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 Ti und T2, ein mit diesen Tankanschlüssen Ti und T2 sowie dem Fluidkanal 19 des Vorsteuerventils 10 in Verbindung stehender Fluidkanal 38, zwei Verbraucheranschlüsse A und B, die je nach Stellung des Hauptsteuerkolbens mit dem Pumpenanschluß P oder einem der beiden Tankanschlüsse T-* 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 Federraum 35 verbindet, ausgebildet.Accordingly, if neither of the two proportional magnets is supplied with direct current, 32 is held in a central position by the two control springs 34 and 36. In the main valve housing 31 there are also a pump connection P, a fluid channel 37 connected to the pump connection P and the fluid channel 18 of the pilot valve 10, two tank connections Ti and T 2 , one with these tank connections Ti and T 2 and the fluid channel 19 of the pilot valve 10 connected fluid channel 38, two consumer ports A and B, which, depending on the position of the main control piston, can be connected to the pump port P or one of the two tank ports T- * and T 2 , a fluid channel 39 which connects the fluid channel 20 of the pilot valve 10 connects to the spring chamber 33, and a fluid channel 40, which connects the fluid channel 21 of the pilot valve 10 to the spring chamber 35, is formed.
Der Federraum 33 bildet einen Fluidraum in dem erfindungsgemäßenThe spring chamber 33 forms a fluid chamber in the invention
System.System.
In Ruhestellung, d.h. im Zustand ohne Stromzuführung zu denAt rest, i.e. in the state without power supply to the
Proportional-Magneten 12 und 13, befinden sich die Vorsteuerkolben 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 denProportional magnets 12 and 13, the pilot pistons 14 and 15 are in the position shown in FIG. 1. The spring chambers 34 and 35 are relieved since the fluid supply from the pump connection P to the
Federräumen 33 und 35 unterbrochen und das Fluid aus den FederräumenSpring spaces 33 and 35 interrupted and the fluid from the spring spaces
33 und 35 über die Fluidkanäle 39, 20, 22, 19 und 38 bzw. über die Fluidkanäle 40, 21 , 23, 19 und 38 und den Tankanschlüssen Ti 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.33 and 35 can flow back into the tank via the fluid channels 39, 20, 22, 19 and 38 or via the fluid channels 40, 21, 23, 19 and 38 and the tank connections Ti and T 2 . Since on the end faces of the main control piston 32 in this state only the compressive forces of the Actuate control springs 34 and 36, which are the same size, the main control piston 32 remains in the central position shown in FIG. 1.
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 Mittelstellung heraus so lange verschoben, bis der gemäß Fig. 1 auf die rechte Stirnseite des Hauptsteuerkolbens 32 wirkende Fluiddruck im Federraum 35 und die gemäß Fig. 1 auf die linke Stirnseite des Hauptsteuerkolbens 32 wirkende Federkraft der Regelfeder 34 im Gleichgewicht stehen. Der Fluiddruck im Federraum 34 ist dem in den Proportional-Magneten eingespeisten Gleichstrom und der dadurch erzeugten 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.If the proportional magnet 13 on the right in accordance with FIG. 1 is driven with a direct current, a guide rod connected to the magnet armature pushes the pilot piston 15 to the left. The fluid flowing through the pump connection P into the fluid channel 37 then passes via the fluid channels 18, 23, 21 and 40 into the right spring space 35 according to FIG. 1, whereby the main control piston 32 is shifted to the left. The main control piston 32 is shifted out of the central position shown in FIG. 1 until the fluid pressure in the spring chamber 35 acting on the right end face of the main control piston 32 according to FIG. 1 and the spring force acting on the left end face of the main control piston 32 according to FIG. 1 the control spring 34 are in balance. The fluid pressure in the spring chamber 34 is proportional to the direct current fed into the proportional magnet and the magnetic force generated thereby. The main control piston 32 is moved by a path proportional to these quantities, which in turn generates a fluid volume flow proportional to these quantities at the consumer connection A.
Eine Ansteuerung des gemäß Fig. 1 linken Proportional-Magneten 12 mit Gleichstrom resultiert dementsprechend in einer dem eingespeisten Gleichstrom und der dadurch erzeugten Magnetkraft proportionalen Verschiebung des Hauptsteuerkolbens 32 gemäß Fig. 1 nach rechts, wodurch am Verbraucherannschluß B ein diesen Größen proportionaler Fluidvolumenstrom erzeugt wird.Activation of the proportional magnet 12 on the left in accordance with FIG. 1 accordingly results in a displacement of the main control piston 32 according to FIG. 1 to the right which is proportional to the supplied direct current and the magnetic force generated thereby, as a result of which a fluid volume flow proportional to these variables is generated at the consumer connection B.
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 Regelfeder 34 über einen Federteller 50 auf dem Aufnehmerelement 42 des Kraftsensors 41 ab. Der Kraftsensor 41 , der Federteller 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 Regelfeder 34 koaxiale Gehäuseaussparung 45 und an der gemäß Fig. 2 linken Stirnseite eine ebenfalls zur Regelfeder 34 koaxiale Gehäuseaussparung 48 aufweist, dem Aufnehmerelement 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.Reference numeral 41 denotes a force sensor which, as already mentioned above, is screwed into the bore 31a of the main control valve housing 31 in a fluid-tight manner. As shown in FIG. 1, the control spring 34 is supported on the sensor element 42 of the force sensor 41 via a spring plate 50. The force sensor 41, the spring plate 50 and the control spring 34 are arranged one after the other in this order. According to the schematic representation in FIG. 2, the force sensor 41 essentially consists of a housing 44, which has a housing cutout 45 coaxial with the control spring 34 on the right-hand end face according to FIG. 2 and a likewise coaxial with the control spring 34 on the left-hand end face according to FIG. 2 Has housing recess 48, the transducer element 42, a bolt 46 which extends away from the transducer element 42 into the housing recess 45 and carries a control magnet 47 at its free end, and the Hall generator 43 fastened in the housing recess 48.
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 Gehäuseaussparung 45 am Gehäuse 44 angebracht. Die Gehäuseaussparung 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.The housing cutout 45 and the housing cutout 48 are designed to be separate from one another in a fluid-tight manner, as shown in FIG. 2. As is further shown in FIG. 2, the sensor element 42 is attached to the housing 44 in a membrane-like manner above the housing recess 45. The housing cutout 45 is dimensioned at least so large that the control magnet 47 can move unhindered in the case of an axial displacement in the housing cutout 45 caused by pressure loading of the sensor element 42.
Der Hall-Generator 43 ist, wie es in Fig. 2a schematisiert dargestellt ist, aus einem im wesentlichen rechteckigen dünnen Halbleiterplättchen 70 hergestellt und erzeugt aus einem Steuerstrom I und einem den Steuerstrom I senkrecht durchsetzenden Magnetfeld B eine Hall-Spannung UH. Wird an zwei gegenüberliegende Längsseiten 71 , 72 des Halbleiterplättchens eine Spannung angelegt, fließt der sogenannte Steuerstrom I zwischen den beiden Längsseiten 71, 72 des Halbleiterplättchens 70. Das vom Steuermagneten 47 produzierte 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 beiden anderen gegenüberliegenden Seiten 73, 74 des Halbleiterplättchens 70 gedrängt werden. An den beiden anderen Längsseiten 73, 74 des Halbleiterplättchens 70 kann dadurch die sogenannte Hall-Spannung UH abgegriffen werden. Diese wächst mit der Stärke des Steuerstroms I und der magnetischen Flußdichte B. Wird nun der gemäß Fig. 1 rechte Proportional-Magnet mit einem Gleichstrom versorgt, so wird der Hauptsteuerkolben 32 gemäß Fig. 1 nach links verschoben, wodurch die Regelfeder 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 Druckbeanspruchung 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 UH, die als ein elektrisches Signal im erfindungsgemäßen System fungiert, ist der am Aufnehmerelement 42 aufgenommenen Kraft proportional.As is shown schematically in FIG. 2a, the Hall generator 43 is produced from an essentially rectangular thin semiconductor plate 70 and generates a Hall voltage U H from a control current I and a magnetic field B perpendicularly passing through the control current I. If a voltage is applied to two opposite longitudinal sides 71, 72 of the semiconductor wafer, the so-called control current I flows between the two longitudinal sides 71, 72 of the semiconductor wafer 70. The magnetic field B produced by the control magnet 47 passes through the Hall generator 43 perpendicular to that between the two longitudinal sides 71, 72 of the semiconductor chip 70 flowing control current I, whereby the charge carriers are pushed due to the Lorenz force to one of the other two opposite sides 73, 74 of the semiconductor chip 70. The so-called Hall voltage U H can thereby be tapped on the two other longitudinal sides 73, 74 of the semiconductor die 70. This increases with the strength of the control current I and the magnetic flux density B. If the proportional magnet on the right in accordance with FIG. 1 is now supplied with a direct current, then the main control piston 32 is displaced to the left in accordance with FIG. 1, as a result of which the control spring 34 is displaced by a distance which is proportional to the force exerted by the main control piston 32 on the control spring 34 , is squeezed. At the same time, the control magnet 47 is pushed towards the Hall generator as a result of a pressure load on the sensor element 42 caused by force transmission, as a result of which the magnetic flux density through the Hall generator 43 increases. The increased Hall voltage U H tapped thereby at the Hall generator 43, which acts as an electrical signal in the system according to the invention, is proportional to the force absorbed at the sensor element 42.
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 Federkonstante 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.The force sensor 41 accordingly detects the force exerted by the main control piston 32, which acts as a measurement object, via the control spring 34, which acts as a mechanically deformable coupling element and has a specific force-displacement characteristic. From this force and from the known linear force-displacement characteristic of the control spring, the deformation travel of the control spring 34 can be determined according to Hooke's law "F = c * s", "c" being the spring constant of the control spring 34 and "s" the deformation path of the control spring 34 is. The path of deformation of the control spring 34 is also the path that the main control piston 32 travels during its movement.
Um eine weitgehend fluiddruckunabhängige Messung der Kraft zu ermöglichen, sind in dem Aufnehmerelement Fluid-öffnungen 49 ausgebildet, durch welche das im Fluidraum befindliche Fluid von der in Fig. 2 rechten Seite des membranartigen Aufnehmerelements zur linken Seite strömen kann, so daß auf beiden Membranseiten derselbe Fluiddruck vorliegt.In order to allow a largely fluid pressure-independent measurement of the force, fluid openings 49 are formed in the transducer element, through which the fluid located in the fluid space can flow from the right side of the diaphragm-like transducer element in FIG. 2 to the left side, so that the same on both diaphragm sides Fluid pressure is present.
Wie es in Fig. 2 weiter zu sehen ist, weist das Aufnehmerelement 42 des Kraftsensors 41 einen zentrisch angeordneten kegeligen Vorsprung 51 und der Federteller 50 eine an den kegeligen Vorsprung 51 des Aufnehmerelements 42 angepaßte kegelige Vertiefung 52 auf. Infolge desAs can also be seen in FIG. 2, the transducer element 42 of the force sensor 41 has a centrally arranged conical projection 51 and the spring plate 50 has a conical depression 52 which is adapted to the conical projection 51 of the transducer element 42. As a result of
Kraftangriffs am Aufnehmerelement 42 über diese Kegelabschnitte 51 , 52 wird eine Kraftmessung erreicht, die von im Fluidraum auftretenden Seitenkräften bzw. schräg angreifenden Kräften weitgehend unbeeinflußt bleibt.Force application to the sensor element 42 via these cone sections 51, 52 a force measurement is achieved which remains largely unaffected by lateral forces or obliquely acting forces occurring in the fluid space.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des vorstehend beschriebenen 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- räum befindliche Teil des Kraftsensors 41 und der Federteller 50, auf dem sich die Regelfeder 34 abstützt, teilweise innerhalb der Regelfeder 34 angeordnet, wodurch sich die Baulänge des gesamten Systems reduziert.3 shows a modification of the system described above for determining the path of the main control piston 32 of the 4/3-way proportional directional valve. 1 and FIG. 2, the force sensor 41, the spring plate 50 and the control spring 34 are arranged one after the other in this order, with this modification the part of the force sensor 41 in the fluid space and the spring plate 50 on which the Control spring 34 supports, partially arranged within the control spring 34, which reduces the overall length of the entire system.
Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung des Wegs des Hauptsteuerkolbens 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 Kraftmeßfeder 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 Anwendungsgebieten anpassen.FIG. 4 shows a further modification of the system according to the invention for determining the path of the main control piston 32. As can be seen in FIG. 4, there is one within the control spring 34, which acts on the main control piston 32 with a compressive force to the right in FIG. 4 Force measuring spring 60 is arranged, which in this case takes over the function of the mechanically deformable coupling element and which is supported via the spring plate 50 on the sensor element 42 of the force sensor 41. Depending on the spring constant of the control spring and force measuring spring used, the accuracy of the force measurement, i.e. adapt the sensitivity of the force sensor to the respective requirements and areas of application.
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 Regelfeder 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 eine 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 Elektromagneten 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 Hauptsteuerkolbens 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. In the system described above, the force sensor can only determine the stroke of the main control piston 32 which is caused as a result of actuation of the proportional magnet 13. In order to determine the stroke of the main control piston 32 caused by actuation of the proportional magnet 12, a second force sensor can be used, which is arranged opposite the force sensor 41 on the other side of the main control piston 32 and detects the pressure force transmitted via the control spring 36. Alternatively, it would also be possible to connect the control spring 34 to the main control piston 32 and the sensor element 42 of the force sensor 41 in such a way that the control spring can exert both a compressive and a tensile force on the sensor element 42, so that the force sensor 41 a pressure how a tensile force can also detect. Even without such a connection of the control spring 34 to the main control piston 32 and the sensor element 42 of the force sensor 41, in the system described above with the 4/3-way directional control valve, a single force sensor is basically sufficient to activate one or the other electromagnet to measure the path of the main control piston 32. Both control springs 34 and 36 must then be preloaded in the neutral position of the main control piston 32 shown. Then, when the main control piston 32 is shifted from the neutral position shown in one direction, the control spring 34 is tensioned to a greater extent and when it is shifted in the other direction, it is relaxed more. The force sensor 41 then senses a change in force.

Claims

Ansprüche Expectations
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 aufweist, eine infolge einer Bewegung des Meßobjekts (32) hervorgerufene Kraft erfaßt und in ein elektrisches Signal umwandelt, das dem vom Meßobjekt (32) zurückgelegten Weg proportional ist.1. System for determining the path of a measurement object (32) movably arranged in the system by means of a force sensor (41) arranged stationary in the system, which via a mechanically deformable coupling element (34,) arranged between the measurement object (32) and the force sensor (41). 60), which has a certain force-displacement characteristic, detects a force caused by a movement of the measurement object (32) and converts it into an electrical signal which is proportional to the distance traveled by the measurement object (32).
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement (34, 60) ein Kopplungselement mit einer linearen Kraft-Weg-Kennlinie, insbesondere ein elastischer Federkörper, ist.2. System according to claim 1, characterized in that the coupling element (34, 60) is a coupling element with a linear force-displacement characteristic, in particular an elastic spring body.
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 Meßobjekt (32) linear bewegbar angeordnet ist, und daß der Kraftsensor (41) den Fluidraum (33) von einem Nichtfluidraum (48) trennt.3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the system has a fluidic device (10, 30) with a fluid space (33) in which the test object (32) is arranged to be linearly movable, and in that the force sensor (41) separates the fluid space (33) from a non-fluid space (48).
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 Regelkreis bilden. 4. System according to claim 3, characterized in that the system has control electronics for controlling the fluid power device (10, 30), and that the fluid power device (10, 30), the force sensor (41) and the control electronics form a control loop.
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 abgetrenntes Sensorelement (43) zum Umwandeln der Kraft in das elektrische Signal aufweist, wobei das Aufnehmerelement (42) im Fluidraum (33) und das Sensorelement (43) im Nichtfluidraum (48) angeordnet ist. System according to Claim 3 or 4, characterized in that the force sensor (41) has an elastically deformable sensor element (42) for receiving the force and a sensor element (43) which is separated from the sensor element (42) in a fluid-tight manner for converting the force into the electrical signal , wherein the sensor element (42) is arranged in the fluid space (33) and the sensor element (43) in the non-fluid space (48).
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 .6. System according to claim 5, characterized in that the coupling element (34, 60) is a test object (32) axially with a force acting control spring (34), the force sensor (41) on one of the test object (32) via the Control spring (34) responsive to the transducer element (42) transmitted pressure and / or tensile force.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelfeder (34) sich über einen Federteller (50) auf dem Aufnehmerelement (42) des Kraftsensors (41) abstützt .7. System according to claim 6, characterized in that the control spring (34) is supported via a spring plate (50) on the sensor element (42) of the force sensor (41).
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.8. System according to claim 5, characterized in that the coupling element (34, 60) is a force measuring spring (60) which is arranged within a control object (34) axially acting with a force on the measurement object (32), the force sensor (41 ) responds to a pressure and / or tensile force transmitted from the measurement object (32) via the force measuring spring (60) to the transducer element (42).
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfeder (60) sich über einen Federteller (50) auf dem Aufnehmerelement (42) des Kraftsensors (41) abstützt. 9. System according to claim 8, characterized in that the force measuring spring (60) is supported via a spring plate (50) on the sensor element (42) of the force sensor (41).
10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der im Fluidraum (33) befindliche Teil des Kraftsensors (41) und das Aufnehmerelement (42) wenigstens teilweise koaxial innerhalb der Regelfeder (34) angeordnet sind.10. System according to one of claims 6 to 9, characterized in that the part of the force sensor (41) located in the fluid space (33) and the sensor element (42) are arranged at least partially coaxially within the control spring (34).
11. System nach einem der Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der im Fluidraum (33) befindliche Teil des Kraftsensors (41) und das Aufnehmerelement (42) axial im Anschluß an die Regelfeder (34) angeordnet sind.11. System according to any one of claims 6 to 9, characterized in that the part of the force sensor (41) located in the fluid space (33) and the sensor element (42) are arranged axially following the control spring (34).
12. System nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnehmerelement (42) einen gerundeten Kegelabschnitt (51) aufweist, auf dem der Federteller (50) sitzt.12. System according to any one of claims 7 to 11, characterized in that the sensor element (42) has a rounded cone section (51) on which the spring plate (50) sits.
13. System nach einem der Ansprüche 5 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnehmerelement (42) membranartig ausgebildet ist und einen Fluiddruckausgleich zwischen beiden Membranseiten ermöglicht.13. System according to one of claims 5 to 12, characterized in that the transducer element (42) is membrane-like and enables fluid pressure compensation between the two membrane sides.
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (41) ein ohmscher, induktiver, optoelektronischer oder galvanomagnetischer Kraftsensor ist.14. System according to one of claims 1 to 13, characterized in that the force sensor (41) is an ohmic, inductive, optoelectronic or galvanomagnetic force sensor.
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 Hallgenerator (43) aufweist. 15. System according to claim 13, characterized in that the force sensor (41) has a through the pickup element (42) movable control magnet (47) and one with respect to the control magnet (47) stationary Hall generator (43).
16. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßfeder (60) eine im Vergleich zur Regelfeder (34) niedrigere Federkonstante aufweist.16. System according to claim 8, characterized in that the force measuring spring (60) has a lower spring constant than the control spring (34).
17. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fluidtechnische Einrichtung (10, 20) ein Ventil, das Meßobjekt (32) ein Steuerkolben und das Kopplungselement (34, 60) eine die axiale Lage des Steuerkolbens im Ventil bestimmende Regelfeder ist. 17. System according to claim 3, characterized in that the fluidic device (10, 20) is a valve, the measurement object (32) is a control piston and the coupling element (34, 60) is a control spring determining the axial position of the control piston in the valve.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2837281A1 (en) * 2013-08-14 2015-02-18 Usines CLAAS France Knotter for a baling press

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19936832A1 (en) 1999-08-05 2001-02-08 Mannesmann Rexroth Ag Electromagnetically operated control or switching valve
DE102005041030B4 (en) * 2005-08-23 2008-01-03 Prettl, Rolf Seat occupancy sensor assembly and method for measuring a force
DE202006001807U1 (en) 2006-02-02 2007-06-06 Sensor-Technik Wiedemann Gmbh Measuring arrangement with magnet

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3752189A (en) * 1971-09-15 1973-08-14 Moog Inc Electrical feedback servovalve
DE3036485A1 (en) * 1980-09-27 1982-05-19 Bergwerksverband Gmbh, 4300 Essen Hydraulic ram for mining machinery - has internal detector for length-measurement device between fixed and moving members
WO1987005389A2 (en) * 1986-03-10 1987-09-11 Rheinmetall Gmbh Process and device for checking and/or acquiring the dimensions, changes in dimension, the position and changes in position of wo rkpieces, regulating elements and the similar
DD252427A1 (en) * 1986-09-04 1987-12-16 Nagema Veb K PISTON PATCH PROCESS AND DEVICE HEREFUER
DE4228307A1 (en) * 1992-08-26 1994-03-03 Rexroth Mannesmann Gmbh Proportional magnetic valve for hydraulic appts. e.g. regulating valve, pump or positioning motor - has strain gauge on leaf spring, one end of which is connected to housing, and other end of which is deflected according to position of control piston
US5323142A (en) * 1991-07-17 1994-06-21 Dresser Industries, Inc. Accessory for detecting leaking of safety valves

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE529843C (en) * 1927-04-28 1931-07-17 Richard Ambronn Dr Process for measuring and recording the temporal course of rapid changes in length or torsional vibrations
DE1130201B (en) * 1960-03-05 1962-05-24 Franz Pilny Dr Ing Force measuring device
DE2808041A1 (en) * 1978-02-24 1979-08-30 Isetron Gmbh Tensile and compressive stress data pick=up - has strain gauge carrier converting pure bending stresses calibrated via clamping nuts
DE3142051C2 (en) * 1981-10-23 1985-06-27 Metzeler Kautschuk GmbH, 8000 München Device for determining the force / displacement diagram of deformable bodies
DE3212099C2 (en) * 1982-04-01 1986-02-20 Pfister Gmbh, 8900 Augsburg Device for measuring a force
DE3339077A1 (en) * 1983-04-15 1984-10-18 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Displacement sensor for detecting an actuator
DE3331720A1 (en) * 1983-09-02 1985-03-21 Wabco Westinghouse Steuerungstechnik GmbH & Co, 3000 Hannover DEVICE FOR DETECTING THE POSITION OF A SECOND POINT CHANGEABLE RELATIVELY TO A FIRST POINT
DE4124140C2 (en) * 1991-07-20 1995-04-13 Orenstein & Koppel Ag Device for the correct positioning of the main piston of an electro-hydraulic actuator
DE4304117C2 (en) * 1993-02-12 1997-01-09 Parker Hannifin Nmf Gmbh Pressure reducing valve in piston spool design
DE9319668U1 (en) * 1993-12-21 1995-04-13 Robert Bosch Gmbh, 70469 Stuttgart Device for measuring spring forces
US5566463A (en) * 1994-06-15 1996-10-22 Waysia Industrial Co., Ltd. Servo system
DE4445122A1 (en) * 1994-12-17 1996-06-20 Kemptener Gmbh Maschf Piston cylinder appts. with e.g. magnet activated sensor
DE19513967A1 (en) * 1995-04-13 1996-10-17 Kemptener Gmbh Maschf Piston cylinder unit
DE29704877U1 (en) * 1997-03-19 1997-04-30 Otto Nußbaum GmbH & Co KG, 77694 Kehl Position measuring system for cylinder piston units
DE29804604U1 (en) * 1998-03-14 1998-05-20 Festo AG & Co, 73734 Esslingen Detection device for relative positions

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3752189A (en) * 1971-09-15 1973-08-14 Moog Inc Electrical feedback servovalve
DE3036485A1 (en) * 1980-09-27 1982-05-19 Bergwerksverband Gmbh, 4300 Essen Hydraulic ram for mining machinery - has internal detector for length-measurement device between fixed and moving members
WO1987005389A2 (en) * 1986-03-10 1987-09-11 Rheinmetall Gmbh Process and device for checking and/or acquiring the dimensions, changes in dimension, the position and changes in position of wo rkpieces, regulating elements and the similar
DD252427A1 (en) * 1986-09-04 1987-12-16 Nagema Veb K PISTON PATCH PROCESS AND DEVICE HEREFUER
US5323142A (en) * 1991-07-17 1994-06-21 Dresser Industries, Inc. Accessory for detecting leaking of safety valves
DE4228307A1 (en) * 1992-08-26 1994-03-03 Rexroth Mannesmann Gmbh Proportional magnetic valve for hydraulic appts. e.g. regulating valve, pump or positioning motor - has strain gauge on leaf spring, one end of which is connected to housing, and other end of which is deflected according to position of control piston

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2837281A1 (en) * 2013-08-14 2015-02-18 Usines CLAAS France Knotter for a baling press

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Publication number Publication date
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