Verfahren und Messvorrichtung zur Erfassung der Kolbenposition eines Kolbens in einem fluidischen Zylinder mittels einer Mikrowellen-Koppelsonde

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Kolbenposition eines Kolbens in einem fluidischen Zylinder, bei dem eine Hohlleiterwelle durch eine in oder an einem Zylinderdeckel des Zylinders angeordnete Mikrowellen-Koppelsonde in den angrenzenden Zylinderraum eingekoppelt wird, sowie eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE 10205904 Al ist eine derartige Messvorrichtung bekannt, die zur Positionsbestimmung des Kolbens dient. Dies erfolgt über eine direkte oder indirekte Laufzeitmessung der abgesandten und reflektierten Hohlleiterwelle, insbesondere durch Erfassung der Phasenverschiebung. Ein Koaxial-Hohlleiter-übergang wandelt die koaxialen Leitungswellen und damit die Spannung in die Feldstärke der Hohlleiterwelle um. Dieser übergang besteht aus der eine Antenne bildenden Mikro- wellen-Koppelsonde mit umgebenden Kunststoffmaterialien, die die Antenne schützen und üblicherweise einen Kolbenanschlag bilden.

Der Nachteil des bekannten Messverfahrens besteht darin, dass sich die Transmissionseigenschaften des Koaxial-Hohlleiter- übergangs im Verlauf der Lebensdauer des Mikrowellen- Positionssensors ändern können, zum Beispiel durch eine

änderung des Feuchtigkeitsgehalts der verwendeten Kunststoff- materialien, durch die Anlagerung von Schmutz und/oder Fett und/oder durch eine Veränderung toleranzbedingter Luftspalte. Der Mikrowellensensor kann prinzipbedingt nicht unterschei- den, ob eine Phasenveränderung zwischen hin- und rücklaufender Welle tatsächlich durch eine Verschiebung des Kolbens oder aber durch eine änderung der Transmission des Koaxial- Hohlleiter-übergangs zustande gekommen ist. Dementsprechend können die Positionsmesswerte im Laufe der Zeit driften.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Positionsverfahren und eine Positionsmessvorrichtung für die Kolbenposition aufzuzeigen, bei dem beziehungsweise bei der eine Veränderung der Transmissionseigenschaften des Koaxial - Hohlleiter-übergangs, also eine Veränderung der die Mikrowel- len-Koppelsonde umgebenden KunststoffUmgebung, für die Mess- genauigkeit keine oder nur noch eine unwesentliche Rolle mehr spielt .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bestehen insbesondere darin, dass erfindungsgemäß keine Laufzeit- beziehungsweise Phasenverschiebung mehr gemessen wird, sondern die Feldstärke im Hohlleiter vor dem Kunststoffbereich, der üblicherweise als Kolbenanschlageinrichtung ausgebildet ist . Eine Veränderung dieses Kunststoffbereichs hat somit praktisch keinen Einfluss auf das Messergebnis mehr. Die Feldstärke im Innern des Hohlleiters ergibt sich aus der überlagerung zwischen hin- und rücklaufender Welle. Unmittelbar am Kolben ist die tangentiale elektrische Feldstärke Null, da der Kolben einen

Kurzschluss darstellt. Der Betrag der stehenden Welle an einem bestimmten Ort zwischen Koppelsonde und Kolben ist ein Maß für die Kolbenposition. Für eine Messung liegt dieser Ort bevorzugt in der Umgebung des übergangsbereiches zwischen der Kolbenanschlageinrichtung und dem Hohlleiterbereich. Für den Verlauf der Feldstärke sind vor allem die Reflexionseigenschaften des Kolbens und das Ausbreitungsverhalten im freien Hohlleiter verantwortlich. Beides verändert sich im Laufe der Lebensdauer praktisch nicht. Die eigentliche Bestimmung der Position aus den gemessenen Feldstärke-Beträgen erfolgt auf dieselbe Art und Weise wie die Positionsbestimmungen aus den Gleichspannungen am Mischerausgang beim herkömmlichen Verfahren, die den Kosinus aus der Phasenverschiebung zwischen hin- und rücklaufender Welle repräsentieren. Das bedeutet, dass hinsichtlich der Signalverarbeitung das bestehende Prinzip weiterverwendet werden kann. Dabei kann zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten eine Messung bei zwei oder mehr Frequenzen erforderlich sein, sofern der Messbereich größer als ¹ A Hohlleiterwellenlänge ist, also größer als ca. 60 % des Zylinder- durchmessers, wovon im Allgemeinen auszugehen ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 5 angegebenen Messvorrichtung möglich.

In vorteilhafter Weise wird der Betrag der Feldstärke an wenigstens zwei Stellen im Bereich der Kolbenanschlageinrichtung gemessen, wobei durch Vergleich der Messwerte Diagnose- Informationen abgeleitet werden können, da die Signale von beiden Messstellen grundsätzlich gleich sein sollten. Zur Messung sind hierzu insbesondere zwei als Monopole ausgebildete Feldstärken-Messsonden an radial gegenüberliegenden Stellen im Bereich der Zylinderwandung angeordnet. Insbeson-

dere bei Verwendung von E01-Hohlleiter-Modes kann es ohnehin erforderlich sein, zur Vermeidung der Anregung unerwünschter Wellentypen, zum Beispiel des Hll-Wellentyps, zwei Monopole an gegenüberliegenden Stellen anzuordnen.

Zur Verminderung der Rückwirkung der rücklaufenden Welle auf den Mikrowellen-Sender beziehungsweise Mikrowellen-Generator empfiehlt sich die Verwendung eines Dämpfungsglieds zwischen der Koppelsonde und dem Mikrowellen-Generator.

Da die Ausgangsleistung des Mikrowellen-Generators einen Einfluss auf das Messergebnis hat, sollte diese Ausgangsleistung möglichst konstant sein, wozu der Mikrowellen- Generator eine HF-Leistungsregelung aufweisen sollte. Alternativ oder zusätzlich kann der Mikrowellen-Generator auch mit der Auswerteeinrichtung zur übermittlung einer Information über die tatsächliche Sendeleistung verbunden sein, wobei dann das Messergebnis in Abhängigkeit der Sendeleistung korrigiert werden kann.

Das mittels einer Antennenanordnung beziehungsweise wenigstens einer Feldstärken-Messsonde erfasste Feldstärke-Signal kann entweder als HF-Signal über eine HF-Leitung der Auswerteeinrichtung zugeführt werden oder aber es wird mittels eines Mischers in seiner Frequenz herabgesetzt und als ZF- Signal der Auswerteeinrichtung zugeführt. Durch diese niedrigere ZF-Frequenz müssen an die Leitung keine so hohen Anfor- derungen mehr gestellt werden. Andererseits wird ein zusätzlicher Mischer benötigt.

In einer anderen Art der Messsignalauswertung wird das mittels der Antennenanordnung beziehungsweise der Feldstärken- Messsonde erfasste Feldstärke-Signal gleichgerichtet und als Gleichspannungssignal der Auswerteeinrichtung zugeführt,

vorzugsweise über ein Tiefpassfilter . Hierzu ist die wenigstens eine Feldstärken-Messsonde in vorteilhafter Weise unmittelbar an eine insbesondere als Diode ausgebildete Gleichrichtereinrichtung angeschlossen, die mit der Auswerte- einrichtung direkt oder über das Tiefpassfilter verbunden ist. Dabei ist die Diode bevorzugt am Fußpunkt der als Monopol ausgebildeten Feldstärken-Messsonde angeordnet, das heißt, die empfangene Hochfrequenz-Spannung wird an Ort und Stelle gleichgerichtet, und die überführung als Gleichspan- nung zur Auswerteeinrichtung ist dann völlig unproblematisch.

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

Figur 1 einen fluidischen Zylinder mit einer Mikrowellen- Messvorrichtung, die zwei radial gegenüberliegend angeordnete Monopole zur Feldstärken-Messung aufweist,

Figur 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise bei Zuführung des Feldstärke-Signals als Gleichspannung zur Auswerteeinrichtung,

Figur 3 eine Zuführung des Feldstärke-Signals zur Auswerteeinrichtung als ZF-Signal und

Figur 4 eine Zuführung des Feldstärke-Signals zur Auswerteeinrichtung als HF-Signal.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein fluidischer Zylinder 10 dargestellt, in dem ein mit einer Kolbenstange Il versehener Kolben 12 verschiebbar geführt ist. Der Kolben 12 teilt den Innenraum des Zylinders 10 in

zwei Zylinderkammern 13, 14 auf, wobei die fluidischen Zuleitungen zu den beiden Zylinderkammern 13, 14 und eine entsprechende fluidische Steuerung zur Vereinfachung nicht dargestellt sind. Der von der Kolbenstange 11 entfernte Endbereich des Zylinders 10 ist durch einen Zylinderdeckel 15 abgeschlossen. Auf Seiten der Kolbenstange 11 kann der Zylinder 10 ebenfalls durch einen nicht näher dargestellten Zylinderdeckel abgeschlossen sein, durch den die Kolbenstange 11 hindurchgeführt ist.

Der Zylinderdeckel 15 besteht aus einem metallischen, topfförmigen Außenbereich 16, in den ein ebenfalls topfförmiger Einsatz 17 aus einem dielektrischen Material, beispielsweise aus Kunststoff, eingesetzt ist. Zur Einkopplung von Mikrowellen in die als Hohlleiter wirkende Zylinderkammer 13 dient eine Koppelsonde 18, die konzentrisch am Zylinderdeckel 15 angeordnet ist und die in den Einsatz 17 aus Kunststoff hineinreicht. Die im Ausführungsbeispiel als Antenne dienende Koppelsonde 18 ist als konzentrischer Monopol mit Dachkapazität dargestellt und koppelt eine EOl-Welle in den Zylinder 10 ein. Andere Ausführungen von Koppelsonden 18, die auch aus mehreren Einzelantennen beziehungsweise Monopolen bestehen können, sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich, wobei auch unterschiedliche Hohlleiter-Moden erzeugt werden können.

Die Koppelsonde 18 bildet zusammen mit dem umgebenden Kunst- stoff des Einsatzes 17 einen Koaxial-Hohlleiter-übergang zur Umwandlung der koaxialen Leitungswellen und damit der Spannung in die Feldstärke der Hohlleiterwelle. Dieser Einsatz 17 schützt die Koppelsonde 18 und bildet einen Kolbenanschlag für den Kolben 12. Ein zylindrischer, konzentrischer, zum Kolben 12 hin offener Hohlraum 19 im Einsatz 17 aus Kunststoff dient zum einen zur Optimierung der Einkoppelbedingungen für die Mikrowelle und kann auch zur Aufnahme eines nicht

dargestellten Pufferkolbens dienen, der in an sich bekannter Weise am Kolben 12 angebracht sein kann und eine Endlagendämpfung bewirkt .

Zwei als Feldstärke-Sonden dienende Monopole 20, 21 sind radial entgegengesetzt an der freien endseitigen Ringfläche des Einsatzes 17 aus Kunststoff angebracht und erstrecken sich bis zum metallischen Außenbereich 16 des Zylinderdeckels 15 oder nahezu bis zu diesem. Diese Monopole 20, 21 werden durch die Mikrowellen bezüglich der als Masse dienenden metallischen Rohrwandung des Außenbereichs 16 erregt, wobei das erzeugte Hochfrequenzsignal (HF-Signal) ein Maß für die Feldstärke im Innern des Hohlleiters ist, die sich aus der überlagerung zwischen der zum Kolben 12 hinlaufenden und von dort rücklaufenden Welle ergibt. Unmittelbar am Kolben ist die tangentiale elektrische Feldstärke Null, da der Kolben einen Kurzschluss darstellt.

Die in den Monopolen 20, 21 erzeugten Feldstärke-Signale werden einer elektronischen Auswerteeinrichtung 22 zugeführt, die auch einen Mikrowellen-Generator 23 enthalten kann, der zur Erzeugung der Mikrowelle mit der Koppelsonde 18 verbunden ist.

Die elektronische Auswerteeinrichtung 22 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel an der Stirnseite des Zylinderdeckels 15 angeordnet. Sie kann selbstverständlich auch im Zylinder- deckel 15 integriert oder extern angeordnet sein, wobei Auswerteeinrichtung 22 und Mikrowellen-Generator 23 auch separate Module sein können, die an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Monopole 20, 21 über externe Kabel 24, 25 mit der Auswerteeinrichtung 22

verbunden, die durch Durchführungen 26 in der Umfangswandung des Zylinderdeckels 15 hindurchgeführt sind. Diese Kabel 24, 25 können auch intern im Zylinderdeckel 15 verlaufen.

Die Wirkungsweise des in Figur 1 dargestellten Ausführungs- beispiels wird im Folgenden anhand des in Figur 2 dargestellten Blockschaltbilds erläutert, wobei in den Figuren 3 und 4 Alternativen zur Signalübertragung zwischen den Monopolen 20, 21 und der Auswerteeinrichtung 22 dargestellt sind.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Laufzeitmessung durch Phasen- vergleich zwischen der zum Kolben 12 hinlaufenden und von dort zurücklaufenden Welle wird gemäß der vorliegenden Erfindung kein Richtkoppler zur Trennung von hin- und rücklaufender Welle mehr benötigt. Zur Verminderung der Rückwirkung der rücklaufenden Welle auf den Mikrowellen-Generator 23 kann dieser mit einem entsprechenden Dämpfungsglied 27 versehen sein oder ein entsprechendes Dämpfungsglied 27 ist ihm vorgeschaltet. Der aus der Koppelsonde 18 und dem Einsatz 17 aus Kunststoff bestehende Koaxial-Hohlleiter-übergang wandelt die koaxialen Leitungswellen und damit die Spannung U in die Feldstärke der Hohlleiterwelle E um. Dabei ergibt sich die

Spannung jeweils als Summe der Spannung der hinlaufenden und der rücklaufenden Leitungswelle. Entsprechend ergibt sich die Feldstärke der Hohlleiterwelle aus der Summe der Feldstärken der hinlaufenden und rücklaufenden Hohlleiterwelle. Der Kolben 12 stellt einen positionsveränderlichen Kurzschluss dar, an dem die Hohlleiterwelle reflektiert wird, sodass sich im Hohlleiter eine stehende Welle ergibt, deren Feldstärke mittels der Monopole 20, 21 gemessen wird.

Zur Erfassung der Feldstärke ist prinzipiell nur eine FeId- stärke-Sonde beziehungsweise ein Monopol 20 beziehungsweise 21 erforderlich. Insbesondere bei Verwendung des EOl-

Hohlleiter-Modes kann es jedoch erforderlich sein, zur Vermeidung der Anregung unerwünschter Wellentypen, zum Beispiel des Hll-Wellentyps, zwei symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten angeordnete Feldstärke-Sonden beziehungsweise Monopole 20, 21 vorzusehen. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, dass in der Auswerteeinrichtung 22 die beiden Signale miteinander verglichen werden können, sodass eine gegenseitige überprüfung beziehungsweise Diagnose erreicht wird. Weiterhin haben zwei symmetrische Monopole den Vorteil, dass sie für den Empfang verschiedener Hohlleiterwellentypen, zum Beispiel des E01-Wellentyps und des Hll-Wellentyps, geeignet sind.

Am Fußpunkt der Monopole 20, 21, also am der Umfangswandung des Zylinderdeckels 15 zugewandten Endbereich, ist je eine Diode 28, 29 angeordnet, durch die die empfangene Hochfre- quenz-Spannung unmittelbar an der Empfangsstelle gleichgerichtet wird, sodass sie als Gleichspannung der Auswerteeinrichtung 22 zugeführt werden kann. Dies kann bevorzugt über ein Tiefpassfilter 30 erfolgen.

Die Ausgangsleistung des Mikrowellen-Generators 23 sollte möglichst konstant sein, um einen leistungsabhängigen Ein- fluss auf das Messergebnis zu vermeiden. Die Leistung des Mikrowellen-Generators 23 sollte daher geregelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Information über die tatsächliche Sendeleistung der Auswerteeinrichtung 22 zugeführt werden, damit dort bei sich verändernder Sendeleistung eine entsprechende Kompensation des Messergebnisses durchgeführt werden kann.

Beeinflusst werden kann das Messergebnis auch durch Verunreinigungen, zum Beispiel Fettablagerungen oder Wassertropfen an den Monopolen 20, 21. Da es unwahrscheinlich ist, dass an beiden Monopolen genau dieselbe Menge und Art von Verunreini-

gungen angelagert wird, kann eine Diskrepanz zwischen den beiden Messwerten eine überprüfung einleiten. Im Falle von Kondenswasser könnte auch eine Heizung des Bereichs um die Monopole 20, 21 vorgesehen sein.

Bei der in Figur 3 dargestellten Variante für eine Signalzuführung von den Monopolen 20, 21 zur Auswerteeinrichtung 22 ist anstelle einer Diode 28 beziehungsweise 29 jeweils ein Mischer 31 am Monopolfußpunkt angebracht, durch den die erfasste Hochfrequenz-Spannung auf eine Zwischenfrequenz (ZF) heruntergesetzt wird. Die Zuführung dieser Zwischenfrequenz zur Auswerteeinrichtung 22 kann infolge der niedrigeren Frequenz mit geringeren Kosten und geringerem Aufwand erfolgen.

Eine dritte Variante ist in Figur 4 dargestellt. Dort wird die erfasste Hochfrequenz (HF) direkt als solche über eine Hochfrequenz-Leitung der Auswerteeinrichtung 22 zugeführt. Eine solche Hochfrequenz-Leitung ist beispielsweise eine Koaxial- oder Microstrip-Leitung.