EP3004656A1 - Ultraschall-wegmesssystem und verfahren zur ultraschall-wegmessung - Google Patents

Ultraschall-wegmesssystem und verfahren zur ultraschall-wegmessung

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EP3004656A1
EP3004656A1 EP14722095.8A EP14722095A EP3004656A1 EP 3004656 A1 EP3004656 A1 EP 3004656A1 EP 14722095 A EP14722095 A EP 14722095A EP 3004656 A1 EP3004656 A1 EP 3004656A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
separating element
sensor
media
measuring system
Prior art date
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Granted
Application number
EP14722095.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3004656B1 (de
Inventor
Mathias Leo Jirgal
Jörg STEFFENSKY
Horst Mannebach
Thomas Hahn-Jose
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydac Electronic GmbH
Original Assignee
Hydac Electronic GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3004656A1 publication Critical patent/EP3004656A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3004656B1 publication Critical patent/EP3004656B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2884—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using sound, e.g. ultrasound
    • 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
    • F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators
    • F15B1/04—Accumulators
    • F15B1/08—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor
    • F15B1/24—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor with rigid separating means, e.g. pistons
    • 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
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/20—Accumulator cushioning means
    • F15B2201/205—Accumulator cushioning means using gas
    • 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
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/30—Accumulator separating means
    • F15B2201/31—Accumulator separating means having rigid separating means, e.g. pistons
    • 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
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/50—Monitoring, detection and testing means for accumulators
    • F15B2201/515—Position detection for separating means

Definitions

  • the invention relates to an ultrasound displacement measuring system, in particular applicable for hydraulic accumulators having at least one movable separating element, which preferably separates medium-density media from one another within a housing, wherein one media space is a compressible or an incompressible fluid and the other media space is an uncomfortable fluid. Pressibles Fl uid, in particular in the form of a working gas, receives, wherein by means of at least one U ltraschallsensors the jewei time position of the movable separating element within the housing can be detected.
  • the invention further relates to a method for ultrasound l-displacement measurement with such an ultrasonic displacement measuring system.
  • Such an ultrasound 1-channel system is provided by the company marco System analyses und Anlagen GmbH, Hans-Böckler-Str. 2, 85221 Dachau, Germany, under the name "ps / ul m / esd / a.” Sound signals are emitted by a ultrasonic transducer and reflected by a piston, and the reflected sound wave is then picked up again by the ultrasonic transducer
  • the scarf lsignal with a known propagation speed in the oil, so that from the signal transit time, the distance of the piston can be determined with the ultrasonic transducer.Advantage here is that the scarf lausbreitung depends significantly on the oil temperature and undesirable in oil gas bubbles which, for example, can cavitate in the oil due to cavitation, such gas bubbles considerably influence the propagation of the sound signal and thus falsify the measurement result.
  • the object of the invention is to provide a U ltraschal l-way measuring system and a method for l ltraschal l-way measurement with such a system, with which Path measurements can be made reliably, accurately and inexpensively.
  • a solution of the subject Tei ls this task is an ultrasonic l-way measuring system with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the ultrasonic displacement measuring system are evident from the subclaims 2 to 10.
  • the procedural part of the object is achieved by a method with the measures of claim 1 1.
  • the U ltraschal lsensor makes its position detection of the separating element on the side of the other media space with the compressible fluid.
  • the position of the separating element can be detected very accurately, because the ultrasonic signal must only propagate through a gaseous fluid, such as nitrogen gas. Regardless of the movement of the separating element and the ambient conditions, there are no phase transitions in this compressible gas, so that measuring errors that are inherent need not be taken into account. Due to the fact that the compressible fluid is a gas, the usually electrically controlled ultrasound sensor is always stored in a dry state so that no impairment due to moisture during operation of the sensor is to be feared. The ultrasonic measuring system is therefore durable and requires little maintenance. The components required for the ultrasonic sensor are also available at relatively low cost, so that overall a cost-effective ultrasonic distance measuring system is shown. The position detection for the preferably piston-like separating element is reliably carried out both in static and in highly dynamic movement processes with the separating element.
  • the ultrasound sensor is accommodated in a sensor chamber, the interior of which, by means of a media guide, leads with the other media in a media-guiding manner.
  • ren media space is connected to the compressible fluid.
  • the ultrasonic sensor is kept pressure balanced. No additional measures must be taken to support the sensor against the internal pressure in the other media space.
  • the sensor can be made easier and freely suspended, so that the scarf generation and propagation can be done advantageously unbehi changed.
  • the ultrasonic sensor is stationarily arranged on a lid part of the housing such that at least a portion of the sensor chamber projects with the media guide around a predeterminable projection into the other media space with the compressible fluid and in each displacement position of the separating element this held at a distance to the ultrasonic sensor.
  • the pressure compensation of the sensor chamber can be made very easy.
  • the sensor chamber can have at least one passage point between the support and the underside of the cover part facing the sensor element, which at least partially projects the media guide. Other fluid channels in the adjacent components are not required.
  • the position of the ultrasonic wall-mounted sensor in this arrangement is optimally suited to the sound propagation, in particular when a separating element is located particularly close to the sensor, no sound reflections on other components will falsify the measurement result.
  • the sensor chamber can advantageously be closed in the direction of the environment by a load, preferably in the form of a glass passage, whereby a cable connection is made from the ultrasound sensor to a control unit via the glass feedthrough.
  • a load preferably in the form of a glass passage
  • a cable connection is made from the ultrasound sensor to a control unit via the glass feedthrough.
  • the ultrasonic sensor has an ultrasonic transducer with a piezoceramic, preferably in the form of a disk, which is arranged on a carrier, which preferably terminates the sensor chamber in the direction of the other media chamber with the compressible fluid.
  • the piezoceramic can be arranged so that it expands or contracts in the radial direction depending on the annealing tension.
  • the carrier By a Vol lflambaige bonding of the piezoceramic with the carrier, the carrier is then placed under bending stresses, so that the carrier bulges.
  • By appropriate excitation of the piezoceramic can be generated in the compressible Fl uid of the other media space in this way an ultrasonic lwel le. Accordingly, the principle of action can be reversed when the wearer is vibrated by scarfs, causing bending thereof. These vibrations are then transmitted to the piezoelectric element in the form of expansions or contractions, which are converted into electrical voltages that can be evaluated with a suitable control electronics.
  • a reference measuring path which is bounded by two preferably stationary stationary reference points, one of which is formed by the Ltraschal sensor and the other is formed by a preferably stationary deflecting element for the sensor signal, preferably the shape has a boundary wall of the sensor chamber. Due to the reference distance, it is possible to measure simultaneously with the measurement of the transit time of the sound signal from the ultrasonic sensor to the separating element and back the running time of the same scarf lsignals on the Referenzmesumble. In this way, the sound propagation velocity in the fluid of the other media space can be measured on the reference measuring path, which can then be used to determine the position of the separating element on the basis of the signal propagation time and the current propagation speed.
  • the measuring section lies between the ultrasonic sensor and the separating element with respect to the ultrasonic sensor lies on the opposite side of the reference path. Consequently, the measuring sections do not influence each other. Also, no reference object must be arranged in the scarf path between the ultrasonic sensor and the separating element, which could falsify the measurement result due to interferences. Furthermore, there is also no risk that the Tei lelement abuts the reference object and damaged it in this way.
  • the boundary wall may be in the form of a shoulder in the sensor chamber. It has been shown here that an uneven boundary wall is also sufficient for determining the scarfing propagation speed.
  • the separating element is made of a rigid limiting piston, which is movably arranged within the housing in the direction of its longitudinal axis, and in that the ultrasonic sensor is arranged coaxially with respect to this longitudinal axis.
  • the separator can only move in one dimension, which makes the structure of the ultrasonic l-Wegmesssystems erhebl I simplified and sources of error are excluded. In addition, this improves the quality of the reflected sound signal.
  • the separating element preferably in the form of a limiting piston, a collecting device for incompressible fluid, which during operation of the U ltraschal l-way measuring system from the media space with the incompressible fluid through a gap between the limiting piston and the housing in the other media space with the compressible Fluid penetrates, and that the collecting device, preferably in the form of a collecting basin in the limiting piston, the ultrasonic lsensor in the direct scarf labstrahlraum adjacent is disposed opposite.
  • the incompressible fluid that has entered the other media space collects in the collector.
  • the operating frequency of the ultrasound sensor can be between a lowest possible frequency, in particular 100 kHz, at which a low wave-dependent amplitude modulation due to dispersion occurs, and a comparatively higher frequency, in particular 1 50 kHz, at the higher wavelength of the lesser wavelength Distance measurement is possible to be selected.
  • the sound signal has a wavelength of approximately 40 mm, so that the position of the separating element can be determined very precisely. At least the measuring accuracy is substantially higher than in the known displacement measuring systems.
  • a sound signal is transmitted by means of the ultrasonic sensor and the sound reflection is detected on the separating element and a reference point lying opposite the ultrasonic sensor.
  • the sound propagation velocity in the compressible fluid is determined from the transit time of the sound signal from the ultrasonic sensor to the reference position to be assigned and back. From this scarf lausbreitungs york and the duration of the scarf lsignals from U ltraschal l sensor to the separating element and back then the jewei time distance of the movable separating element from the stationarily arranged U ltraschal lsensor is determined.
  • the measurements of the transit times on the measuring section and the reference measuring section can be made with a time delay or simultaneously.
  • the measurement accuracy is improved in particular by a simultaneous measurement, since during a rapid movement of the separating element during one stroke, an adiabatic change of state of the compressible fluid in the other media space can occur. For example, its temperature may rise; whereby the scarf lausbreitungsgeschwi tmaschine changes and so the measurement accuracy can be affected.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an accumulator with an inventive ultrasonic displacement measuring system
  • Fig. 2 shows the ultrasonic sensor of Fig. 1 in an enlarged Thomasdarstell ung.
  • an ultrasound l-way measuring system 1 is shown, which is used in a hydraulic accumulator 3 with at least one movable separating element 5, which separates two media spaces 9, 1 1 from each other substantially media-tight within a housing 7.
  • the one media space 9 takes an incompressible fluid, in particular in the form of hydraulic oil and the other media space 1 1 a compressible fluid, in particular in the form of a working gas, here nitrogen (N_), on.
  • N_ nitrogen
  • U ltraschallsensors 1 3 By means of a U ltraschallsensors 1 3 is the jewei time position of the movable separating element 5 i within the housing 7 detected.
  • the housing 7 has a tubular housing part 1 5, in the end two Deckeltei le 1 7, 1 9 are screwed through threaded sections 21.
  • the cover parts 1 7, 19 are held in circumferential grooves 23.
  • the two cover parts 1 7, 1 9 have coaxial bores 27, 29, wherein in the lid part 1 7, which leads to the media space 9 with the incompressible fluid, a connection 31 for a fluid line of a hydraulic not shown in detail Circle is provided.
  • the separating element 5 is formed of a rigid limiting piston, which is arranged movable within the housing 7 in the direction of the longitudinal axis LA.
  • the limiting piston 5 is cup-shaped Annular end, with a bottom 33 in the direction of a media space 9 has.
  • On the limiting piston 5, two spaced-apart grooves 35 are provided on the outer peripheral side, in which guide rings 37 are arranged. Between the guide rings 37, a further circumferential groove 39 is provided, in which a sealing element 41 is arranged.
  • the separating element 5 is designed to increase the storage reservoir of gaseous and to that extent compressible fluid in the manner of a pot or trough and has on the bottom side a collecting device 43 for an incompressible fluid, which is optionally discharged from the oil side of the reservoir via the sealing device w ith the sealing element 41, it reaches the gas side unwholly.
  • the Sammeleinrich- device 43 is so far in the form of a longitudinal axis LA also coaxial collecting basin in the limiting piston 5 is formed. This collecting device 43 is thus arranged opposite the U ltraschal lsensor 1 3 in the di rect Schallab ⁇ beam direction adjacent.
  • a sleeve-shaped sensor holder 45 is inserted, in particular screwed.
  • the sensor holder 45 has adjacent to the outer side 47 of the Deckeleltei ls 1 9 a threaded section 49 and a widened head 51. Between the head 51 and the Deckelstei l 1 9 n ei annular sealing member 53 is seen ⁇ .
  • the sensor holder 45 is hollow to form a sensor chamber 57.
  • the interior 55 of the sensor chamber 57 is connected by means of a En arrangement 59 media leading to the other media space 1 ⁇ connected to the compressible fluid in the form of the working gas.
  • the sensor chamber 57 has for this purpose between a carrier 61 of the ultrasonic sensor 1 3 and the separator facing the bottom 63 of the cover part 1 9 more fürlassstel len 59 in the form of holes on.
  • the U ltraschal Isensor 1 3 is held in the sensor holder 45.
  • the ultrasonic sensor 13 performs its position detection of the separating element 5 on the side of the other media space 1 1 with the compressible fluid.
  • the ultrasound sensor 1 3 is arranged coaxially to the longitudinal axis LA of the housing 7. It is accommodated in the sensor chamber 57 at the end.
  • the ultrasonic sensor 1 3 is stationarily arranged on the cover plate 1 9 such that at least a portion of the sensor chamber 57 projects with the media guide 59 with a predeterminable projection U into the other media space 11 with the compressible flange and in each case Traversing position of the separating element 5 is kept at a distance therefrom.
  • the U ltraschal lsensor 1 3 druckausgegl is kept in the other media space 1 1.
  • the sensor 1 3 without having to fear a shock to be included in the cup-like depression of the separating element 5 with collector 43 and thereby perform sensor measurements.
  • the ultrasonic sensor 1 which is shown in more detail in Fig. 2, has a U ltraschal lwandler 65 with a disk-shaped piezoceramic 66, which is arranged on the ebenfal ls disk-shaped support 61 by vol lflambaige bonding.
  • the carrier 61 closes the sensor chamber 57 in the direction of the other media space 11 with the compressible fluid.
  • the carrier 61 has a circumferential groove 67, so that it is held securely over egg nen O-ring 69 in an inner circumferential groove 71 of the sensor chamber 57.
  • the piezoceramic 66 can expand or contract radially and this change in length on the carrier ger 61 so that the carrier 61 is deflected periodically, in particular bulges and generated in this way the desired scarf lwel le.
  • a reference measuring distance i is present within the sensor chamber.
  • the reference measuring section is bounded by two reference points 1 3, 73 which are arranged stationary relative to one another.
  • the ei ne reference point is the ultrasonic sensor 13 itself and the other reference point is a deflection point 73 for the sensor signal.
  • This deflection lever 73 is bounded by a boundary wall, in this case a shoulder of the inner wall of the sensor chamber 57.
  • the deflection point 73 and the separating element 5 are thus arranged vortei lly on counsell lying sides of the U ltraschal lsensors 1 3.
  • the measuring section and the reference path are therefore independent of each other.
  • the Umlenkstel le 73 is provided at a protected position, so that they can not be influenced by the separating element 5 usst.
  • the sensor chamber 57 is in the direction of the environment of a G lasteil 79, preferably in the form of a G las trim arrangement covered.
  • a G lasteil 79 of the ultrasonic lsensor 1 3 with egg ner control unit 85 via a Jardinverbi tion 83 is connected.
  • the ultrasonic sensor 1 3 is operated at a predetermined operating frequency. This frequency can be chosen between a low frequency and a higher frequency. The extent lower frequency is chosen so that a small wave-dependent Ampl itudenmodulation and thus little dispersion occurs and is in particular 100 kHz. At the higher frequency, a higher resolution is possible in the distance measurement due to the shorter wavelength.
  • the higher frequency is preferably 1 50 kHz.
  • the U ltraschal l-displacement measuring system 1 is arranged in a hydropneumatic pressure accumulator 3.
  • the separating element 5 is moved within the pressure accumulator 3 in order to produce pressure equalization between the fluids in the two media spaces 9, 11.
  • the position of the separating element 5 can be determined meanwhile with the ultrasonic displacement measuring system 1.
  • a sound signal with the U ltraschall- sensor 1 3 emitted and the scarf I reflections on the separating element 5 and on the ultrasound lsensor 1 3 opposite utilise Referenzstel le 73 are detected, so that the maturities the reflected scarf lwel len with the control unit 85 can be determined. From the duration of the scarf lsignals from U ltraschal lsensor 1 3 to the assignable reference point 73 and back the scarf lausbreitungs york in the compressible fluid of the other media space 1 1 is determined.
  • the invention thus provides a particularly advantageous ultrasonic transmission measuring system 1.
  • the position of the separating element 5 can be detected very accurately, because the ultrasonic signal only has to propagate through a fluid. Regardless of the movement of the separating element 5 and the ambient conditions, no phase transitions take place in this compressible fluid, so that the measurement errors involved need not be taken into account. Due to the fact that it is usually a gas in the compressible fluid, the electrically controlled U ltraschallsensor 1 3 is always stored dry, so that during operation no impairment of the U ltraschal lsensors 1 3 is to be feared by moisture. The ultrasonic 1-way measuring system 1 is therefore durable and low maintenance.
  • the components required for the ultrasound sensor 1 3 are also available relatively inexpensively.
  • the minimum path measuring distance for the sensor 1 3 is formed by the bottom dead center of the piston-like separator 5, as soon as this comes into contact with the separator 5 facing the top of the lower lid part 1 9.
  • the solution of the invention can be the G round after also for pneumatic Anlagenl indians (not dargestel lt) use, in which the two media chambers 9, 1 1 are separated from each other by a piston-rod unit, wherein the rod of the pertinent unit to egg ner Cover side for articulation to Drittbautei le is led out and the two media chambers 9, 1 1 are alternately to reciprocate the piston-rod unit to a pneumatic supply anschliessbar.

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Abstract

Ein Ultraschall-Wegmesssystem (1), insbesondere einsetzbar für Hydrospeicher (3) mit mindestens einem bewegbaren Trennelement (5), das innerhalb eines Gehäuses (7) zwei Medienräume (9, 11) vorzugsweise mediendicht voneinander trennt, wobei der eine Medienraum (9) ein kompressibles oder ein inkompressibles Fluid und der andere Medienraum (11) ein kompressibles Fluid, insbesondere in Form eines Arbeitsgases, aufnimmt, wobei mittels mindestens eines Ultraschallsensors (13) die jeweilige Position des bewegbaren Trennelementes (5) innerhalb des Gehäuses (7) erfassbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Ultraschal lsensor (13) seine Positionserfassung des Trennelementes (5) auf der Seite des anderen Medienraumes (11) mit dem kompressiblen Fluid vornimmt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ultraschall-Wegmessung mit einem solchen System.

Description

Ultraschal l-Wegmesssystem und Verfahren zur Ultraschal l-Wegmessung
Die Erfindung betrifft ein U ltraschall-Wegmesssystem, insbesondere einsetzbar für Hydrospeicher mit mindestens einem bewegbaren Trennelement, das innerhalb eines Gehäuses zwei Medienräume vorzugsweise mediendicht voneinander trennt, wobei der eine Medienraum ein kompressib- les oder ein inkompressibles Fl uid und der andere Medienraum ein kom- pressibles Fl uid, insbesondere i n Form eines Arbeitsgases, aufnimmt, wobei mittels mindestens eines U ltraschallsensors die jewei l ige Position des bewegbaren Trennelementes innerhalb des Gehäuses erfassbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur U ltraschal l-Wegmessung mit einem solchen Ultraschall-Wegmesssystem.
Bei hydropneumatischen Speicheranordnungen oder auch bei Kolben- Zyl inder-Anordnungen wie beispielsweise pneumatischen Arbeitszyl indern ist es in vielen Fällen wünschenswert oder erforderl ich, die genaue Position des Kolbens im Zyl inder zu kennen, um eine Vorrichtung steuern zu kön- nen. Darüber hinaus ist es bei hydropneumatischen Speicheranordnungen wichtig zu wissen, wie viel Gas zum Aufbau eines Gegendrucks im Speicherelement zur Verfügung steht, da das Gas die Tendenz hat, sich im Lau¬ fe der Zeit in Richtung der Ölseite zu verfl üchtigen, so dass es von Zeit zu Zeit nachgefül lt werden muss, was regelmäßig einen Wartungsvorgang aus- löst. Zur Positionsfeststel l ung des Kolbens wurden in der Vergangenheit verschiedene Lösungen vorgeschlagen. So ist es beispielsweise bekannt, auf der Ölseite eines Druckspeichers ein Ultraschall-Wegmesssystem zu install ieren. Ein solches Ultraschal l-Einkanal-System wird von der Fi rma marco Systemanalyse und Entwickl ung GmbH, Hans-Böckler-Str. 2, 85221 Dachau, Deutschland, unter der Bezeichnung„ps/ul m/esd/a" angeboten. Von einem U ltraschal lwandler werden Schallsignale ausgesendet und von einem Kolben reflektiert. Die reflektierte Schallwelle wird dann wieder vom Ultraschal lwandler aufgenommen. Dabei breitet sich das Schal lsignal mit einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit im Öl aus, so dass aus der Signal laufzeit die Entfernung des Kolbens mit dem Ultraschallwandler ermittelt werden kann. Nachtei l ig ist hierbei, dass die Schal lausbreitung wesentlich von der Öltemperatur sowie von im Öl unerwünscht auftretenden Gasblasen abhängig ist, die sich beispielsweise durch Kavitation im Öl bi l- den können. Derartige Gasblasen beeinfl ussen die Ausbreitung des Schal lsignals erheblich und verfälschen so das Messergebnis.
Weiterhin ist es Stand der Technik, außen an einer hydraul ischen Kolben- Zyl inder-Anordnung ei nen oder mehrere U ltraschal lwandler anzuordnen, um auf diese Weise erkennen zu können, ob sich ein Kolben in unmittelba- rer Nähe des U ltraschallwandlers befindet. Eine solche Vorrichtung wi rd von der Firma Sonotec Ultraschallsensorik Hal le GmbH, Nauendorfer Str. 2, 061 1 2 Halle (Saale), Deutschland, unter der Bezeichnung„Sonocontrol 14" angeboten. Derartige Vorrichtungen eignen sich insbesondere für Endlagenschalter. Eine kontinuierl iche Positionsmessung des Kolbens ist hierbei nicht mögl ich, auch dann, wenn mehrere Sensoren eingesetzt werden, die im Abstand voneinander angeordnet sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein U ltraschal l-Wegmesssystem und ein Verfahren zur U ltraschal l-Wegmessung mit einem solchen System aufzuzeigen, mit denen Wegmessungen zuverlässig, genau und kostengünstig vorgenommen werden können.
Eine Lösung des gegenständl ichen Tei ls dieser Aufgabe besteht in einem Ultraschal l-Wegmesssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 . Vortei l- hafte Ausführungsformen des Ultraschall-Wegmesssystems gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 10 hervor. Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Maßnahmen von Anspruch 1 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der U ltraschal lsensor seine Positionserfassung des Trennelementes auf der Seite des anderen Medienraums mit dem kompressiblen Fluid vornimmt.
Auf diese Weise kann die Position des Trennelementes sehr genau erfasst werden, wei l sich das Ultraschal lsignal lediglich durch ein gasförmiges Fl uid, wie Stickstoffgas, ausbreiten muss. Unabhängig von der Bewegung des Trennelementes sowie den Umgebungsbedingungen fi nden keine Phasen- Übergänge in diesem kompressiblen Gas statt, so dass dah ingehende Messfehler nicht berücksichtigt werden müssen. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem kompressiblen Fluid um ein Gas handelt, ist der in der Regel elektrisch angesteuerte Ultraschal lsensor stets trocken gelagert, so dass keine Beeinträchtigung durch Feuchtigkeit beim Betrieb des Sensors zu be- fürchten ist. Das Ultraschal lwegmesssystem ist daher langlebig und wartungsarm. Die für den Ultraschal lsensor erforderl ichen Komponenten sind zudem relativ kostengünstig erhältl ich, so dass i nsgesamt ein kostengünstiges Ultraschal l-Wegmesssystem aufgezeigt wird. Die Positionserfassung für das vorzugsweise kolbenartig ausgebildete Trennelement erfolgt verlässlich sowohl bei statischen als auch bei hochdynamischen Bewegungsvorgängen mit dem Trennelement.
Vortei lhaft ist der Ultraschal lsensor in einer Sensorkammer aufgenommen, deren Inneres mittels einer Medienführung medienführend mit dem ande- ren Medienraum mit dem kompressiblen Fluid verbunden ist. Auf diese Weise ist der U ltraschallsensor druckausgegl ichen gehalten. Es müssen keine zusätzl ichen Maßnahmen ergriffen werden, um den Sensor gegenüber dem Innendruck im anderen Medienraum abzustützen. Somit kann der Sensor leichter ausgeführt und frei aufgehängt werden, so dass die Schal Erzeugung und -ausbreitung vorteil haft unbehi ndert erfolgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ultraschallsensor stationär an einem Deckeltei l des Gehäuses derart angeordnet, dass zumindest ein Tei l der Sensorkammer mit der Medienführung um einen vorgebbaren Überstand in den anderen Medienraum mit dem kompressiblen Fl uid hineinragt, und in jeder Verfahrstel lung des Trennelementes ist dieses auf Abstand zu dem Ultraschallsensor gehalten. Mithin kann der Druckausgleich der Sensorkammer besonders einfach vorgenommen werden. Die Sensorkammer kann dazu zwischen dem Träger und der dem Sensorelement zu- gewandten Unterseite des Deckelteiles mindestens eine Durchlassstelle aufweisen, die zumindest tei lweise die Medienführung bi ldet. Weitere Fl uidkanäle i n den angrenzenden Bautei len sind nicht erforderl ich. Darüber hi naus ist die Position des Ultraschal lwandsensors bei dieser Anordnung hi nsichtl ich der Schal lausbreitung optimal, wei l, i nsbesondere bei einem besonders nahe am Sensor befindl ichen Trennelement, keine Schal lreflektionen an anderen Bautei len das Messergebnis verfälschen.
Die Sensorkammer kann vorteilhaft in Richtung der Umgebung von einem G lastei l, vorzugsweise in Form einer Glasdurchführunng, abgeschlossen sein, wobei über die Glasdurchführung ei ne Kabelverbindung vom Ultra- schal lsensor zu einer Steuereinheit hergestellt wird. Ein solches G lastei l lässt sich einfach herstel len und gewährt auch bei höchsten Drücken im jewei l igen Medienraum einen sicheren Abschluss dieses Medienraumes gegenüber der Umgebung. Mithin kann das Sensorsignal auf kürzestem Wege und mit nur einer Kabelverbindung vom Ultraschal lsensor zur Steu- ereinheit transportiert werden. Daher sind die Signalverluste gering. Mit besonderem Vorteil weist der Ultraschal lsensor einen Ultraschal lwandler mit einer Piezokeramik, vorzugsweise in Scheibenform, auf, die auf einem Träger angeordnet ist, der vorzugsweise die Sensorkammer i n Richtung des anderen Medienraumes mit dem kompressiblen Fluid abschließt. Die Piezokeramik kann dabei so angeordnet werden, dass es sich abhängig von der anl iegenden Spannung in radialer Richtung ausdehnt oder zusammenzieht. Durch eine vol lflächige Verklebung der Piezokeramik mit dem Träger wird dann der Träger unter Biegespannungen gesetzt, so dass der Träger beult. Durch entsprechende Anregung der Piezokeramik kann auf diese Weise eine Ultraschal lwel le im kompressiblen Fl uid des anderen Medienraums erzeugt werden. Entsprechend kann das Wirkprinzip umgekehrt werden, wenn der Träger durch Schal lwel len in Schwingungen versetzt wi rd, die zu Verbiegungen desselben führen. Diese Schwingungen werden dann auf das Piezoelement in Form von Ausdehnungen bzw. Kontraktionen übertragen, welche in elektrische Spannungen umgesetzt werden, die mit einer geeigneten Steuerelektronik ausgewertet werden können.
Vorteilhafterweise ist i nnerhalb des kompressiblen Mediums eine Referenzmessstrecke vorhanden, die von zwei vorzugsweise stationär zueinander angeordneten Referenzstellen begrenzt ist, von denen die eine aus dem U ltraschal lsensor und die andere aus einer vorzugsweise feststehenden Umlenkstel le für das Sensorsignal gebildet ist, die bevorzugt die Form einer Begrenzungswand der Sensorkammer hat. Aufgrund der Referenzstrecke ist es möglich, zeitgleich mit der Messung der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor zum Trennelement und zurück die Laufzeit des gleichen Schal lsignals auf der Referenzmesstrecke zu messen. Auf diese Weise kann auf der Referenzmessstrecke die Schal lausbreitungsgeschwi ndigkeit im Fl uid des anderen Medienraums gemessen werden, die dann zur Ermittlung der Position des Trennelements auf Basis der Signal laufzeit und der aktuellen Ausbreitungsgeschwindigkeit verwendet werden kann. Besonders vor- tei lhaft ist hierbei, dass die Messstrecke zwischen dem U ltraschal lsensor und dem Trennelement bezogen auf den Ultraschal lsensor auf der gegenüberl iegenden Seite der Referenzstrecke liegt. Mithin beeinflussen sich die Messstrecken nicht gegenseitig. Es muss auch kein Referenzobjekt im Schal lweg zwischen dem Ultraschal lsensor und dem Trennelement ange- ordnet werden, welches das Messergebnis durch Interferenzen verfälschen könnte. Weiterhin besteht auch nicht die Gefahr, dass das Tei lelement an das Referenzobjekt anschlägt und es auf diese Weise beschädigt. Die Begrenzungswand kann die Form eines Absatzes in der Sensorkammer haben. Es hat sich hierbei gezeigt, dass auch eine ungleichmäßige Begrenzungs- wand für die Ermittlung der Schal lausbreitungsgeschwindigkeit ausreichend ist.
Besonders vortei lhaft ist es, wenn das Trennelement aus einem starren Begrenzungskolben gebi ldet ist, der innerhalb des Gehäuses in Richtung von dessen Längsachse verfahrbar angeordnet ist, und dass der Ultraschal lsensor koaxial zu dieser Längsachse angeordnet ist. Mithin kann sich das Trennelement nur in einer Dimension bewegen, wodurch sich der Aufbau des Ultraschal l-Wegmesssystems erhebl ich vereinfacht und Fehlerquellen ausgeschlossen werden. Außerdem wird hierdurch die Qual ität des reflektierten Schal lsignals verbessert. Vortei lhaft weist das Trennelement, vorzugsweise in Form eines Begrenzungskolbens, eine Sammeleinrichtung für inkompressibles Fluid auf, das beim Betrieb des U ltraschal l-Wegmesssystems vom Medienraum mit dem inkompressiblen Fluid durch einen Spalt zwischen dem Begrenzungskolben und dem Gehäuse in den anderen Medienraum mit dem kompressiblen Fluid eindringt, und dass die Sammeleinrichtung, vorzugsweise in Form eines Sammelbeckens im Begrenzungskolben, dem Ultraschal lsensor in dessen direkter Schal labstrahlrichtung benachbart gegenüberliegend angeordnet ist. Auf diese Weise sammelt sich das inkompressible Fl uid, das in den anderen Medienraum eingedrungen ist, in der Sammeleinrichtung. Dort verkürzt es die Messstrecke zwischen dem Ultraschallsensor und dem Trennelement, da das inkompressible Fl uid aufgrund der Phasenänderung eine erste Reflektionsfläche ausbi ldet. Ein Teil der U ltraschal lwel le dringt dabei aber weiterhin in das inkompressible Fluid ein und wird weiterhin am Boden des Trennelements reflektiert. Auf diese Weise kann im Verlauf der Zeit festgestellt werden, wie viel Fl üssigkeit sich im Sammelbecken angesammelt hat. Somit kann zuverlässig erkannt werden, ob eine Wartung des Ultraschal l-Wegmesssystems bzw. des Druckspeichers, in dem das U ltraschal-Wegmesssystem angeordnet ist, vorzunehmen ist.
Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors kann zwischen einer möglichst niedrigen Frequenz, insbesondere 100 kHz, bei der eine geringe wel lenab- hängige Amplitudenmodulation aufgrund von Dispersion auftritt, und einer demgegenüber höheren Frequenz, insbesondere 1 50 kHz, bei der bei geringerer Wel lenlänge eine höhere Auflösung der Entfernungsmessung möglich ist, gewählt werden. Bei diesen Frequenzen hat das Schallsignal eine Wel lenlänge von zirka 40 mm, so dass sich die Position des Trennelements bereits sehr genau bestimmen lässt. Zumindest ist die Messgenauigkeit wesentl ich höher als bei den bekannten Wegmesssystemen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Schal lsignal mittels des Ultraschal lsensors ausgesendet und die Schal lreflektion an dem Trennele- ment und einer dem Ultraschallsensor gegenüber liegenden Referenzstel le erfasst. Aus der Laufzeit des Schal lsignals vom U ltraschal lsensor zu der zu- ordenbaren Referenzstel le und zurück wird die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im kompressiblen Fl uid ermittelt. Aus dieser Schal lausbreitungsgeschwindigkeit und der Laufzeit des Schal lsignals vom U ltraschal l- sensor zum Trennelement und zurück wird dann der jewei lige Abstand des bewegbaren Trennelementes vom stationär angeordneten U ltraschal lsensor ermittelt.
Die Messungen der Laufzeiten auf der Messstrecke und der Referenzmessstrecke können zeitversetzt oder simultan vorgenommen werden. Insbe- sondere durch eine simultane Messung wird die Messgenauigkeit verbessert, da bei einer schnellen Bewegung des Trennelements während eines H ubes ei ne adiabatische Zustandsänderung des kompressiblen Fl uids im anderen Medienraum auftreten kann. Beispielsweise kann dessen Tempera- tur ansteigen; wodurch sich die Schal lausbreitungsgeschwi ndigkeit ändert und so die Messgenauigkeit beeinträchtigt sein kann.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von einem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Druckspeicher m it einem erfin- dungsgemäßen U ltraschal l-Wegmesssystem; und
Fig. 2 den Ultraschallsensor der Fig. 1 in einer vergrößerten Schnittdarstell ung.
I n der Fig. 1 ist ein Ultraschal l-Wegmesssystem 1 gezeigt, das bei einem Hydrospeicher 3 mit mindestens einem bewegbaren Trennelement 5 einge- setzt ist, das innerhalb eines Gehäuses 7 zwei Medienräume 9, 1 1 im Wesentlichen mediendicht voneinander trennt. Der eine Medienraum 9 nimmt ein inkompressibles Fluid, insbesondere in Form von Hydrauliköl und der andere Medienraum 1 1 ein kompressibles Fluid, insbesondere in Form eines Arbeitsgases, hier Stickstoff (N_), auf. Es wäre aber auch mögl ich, in den Medienraum 9 ein weiteres kompressibles Fl uid einzubringen, beispielsweise in Form von Methan oder Edelgasen, aber auch andere inkompressib- le Fl uide, wie Alkohole oder gar pastöse Fluidmedien. Mittels eines U ltraschallsensors 1 3 ist die jewei lige Position des bewegbaren Trennelementes 5 i nnerhalb des Gehäuses 7 erfassbar. In der Fig. 1 weist das Gehäuse 7 ein rohrförmiges Gehäuseteil 1 5 auf, in das endseitig zwei Deckeltei le 1 7, 1 9 über Gewindestrecken 21 eingeschraubt sind. Die Deckelteile 1 7, 19 sind über in Umfangsnuten 23 gehal- tene Dichtringe 25 gegenüber dem rohrförmigen Gehäuseteil 1 5 abgedichtet. Die beiden Deckelteile 1 7, 1 9 weisen koaxiale Bohrungen 27, 29 auf, wobei in dem Deckeltei l 1 7, das zum Medienraum 9 mit dem inkompres- siblen Fluid führt, ein Anschluss 31 für eine nicht näher gezeigte Fluidlei- tung eines hydraul ischen Kreises vorgesehen ist.
Zwischen den Deckelteilen 1 7, 1 9 befindet sich das Trennelement 5. Das Trennelement 5 ist aus einem starren Begrenzungskolben gebildet, der innerhalb des Gehäuses 7 in Richtung von dessen Längsachse LA verfahrbar angeordnet ist. Der Begrenzungskolben 5 ist topfförmig ausgebi ldet, wobei ein Boden 33 in Richtung des einen Medienraums 9 weist. Am Begrenzungskolben 5 sind außenumfangsseitig zwei voneinander beabstandete Nuten 35 vorgesehen, in denen Führungsringe 37 angeordnet sind. Zwischen den Führungsringen 37 ist eine weitere Umfangsnut 39 vorgesehen, in der ein Dichtelement 41 angeordnet ist. Das Trennelement 5 ist zur Er- höhung des Speichervorrats an gasförmigem und insoweit kompressiblem Fl uid in der Art eines Topfes oder Troges ausgebi ldet und weist bodenseitig eine Sammeleinrichtung 43 für i nkompressibles Fl uid auf, das gegebenenfal ls von der Ölseite des Speichers über die Dichtungseinrichtung m it Dichtelement 41 ungewol lt auf die Gasseite gelangt. Die Sammeleinrich- tung 43 ist insoweit in Form eines zur Längsachse LA ebenfalls koaxialen Sammelbeckens im Begrenzungskolben 5 ausgebildet. Diese Sammeleinrichtung 43 ist damit dem U ltraschal lsensor 1 3 in dessen di rekter Schallab¬ strahlrichtung benachbart gegenüberliegend angeordnet.
In das Deckeltei l 1 9, das an den anderen Medienraum 1 1 angrenzt, ist ein hülsenförmiger Sensorhalter 45 eingesetzt, insbesondere eingeschraubt. Der Sensorhalter 45 weist benachbart zur Außenseite 47 des Deckeltei ls 1 9 eine Gewindestrecke 49 und einen verbreiterten Kopf 51 auf. Zwischen dem Kopf 51 und dem Deckelstei l 1 9 ist ei n ringförmiges Dichtelement 53 vor¬ gesehen. Im Innern 55 ist der Sensorhalter 45 hohl, um eine Sensorkammer 57 auszubilden. Das Innere 55 der Sensorkammer 57 ist mittels einer Medi- enführung 59 medienführend mit dem anderen Medienraum 1 Ί mit dem kompressiblen Fluid in Form des Arbeitsgases verbunden. Die Sensorkammer 57 weist dazu zwischen einem Träger 61 des Ultraschallsensors 1 3 und der dem Trennelement zugewandten Unterseite 63 des Deckelteiles 1 9 mehrere Durchlassstel len 59 in Form von Bohrungen auf.
Im Deckelteil 1 9, das an den anderen Medienraum 1 1 angrenzt, ist der U ltraschal Isensor 1 3 im Sensorhalter 45 gehalten. Der Ultraschallsensor 13 nimmt seine Positionserfassung des Trennelements 5 auf der Seite des anderen Medienraums 1 1 mit dem kompressiblen Fluid vor. Der U ltraschal l- sensor 1 3 ist koaxial zur Längsachse LA des Gehäuses 7 angeordnet. Er ist endseitig in der Sensorkammer 57 aufgenommen. Der Ultraschal lsensor 1 3 ist stationär am Deckeltei l 1 9 derart angeordnet, dass zumindest ein Tei l der Sensorkammer 57 mit der Medienführung 59 mit einem vorgebbaren Überstand U in den anderen Medienraum 1 1 mit dem kompressiblen Fl u id hin- einragt und in jeder Verfahrstellung des Trennelementes 5 auf Abstand zu diesem gehalten ist. H ierdurch ist der U ltraschal lsensor 1 3 druckausgegl ichen im anderen Medienraum 1 1 gehalten. Insbesondere kann auch in der obersten Totpunktlage des kolbenartigen Trennelements 5 der Sensor 1 3, ohne einen Stoß befürchten zu müssen, in der topfartigen Vertiefung des Trennelements 5 mit Sammeleinrichtung 43 aufgenommen werden und dabei Sensormessungen durchführen.
Der Ultraschallsensor 1 3, der in Fig. 2 näher gezeigt ist, weist einen U ltraschal lwandler 65 mit einer scheibenförmigen Piezokeramik 66 auf, die auf dem ebenfal ls scheibenförmigen Träger 61 durch vol lflächige Verklebung angeordnet ist. Der Träger 61 schließt die Sensorkammer 57 in Richtung des anderen Medienraumes 1 1 mit dem kompressiblen Fl uid ab. Hierzu weist der Träger 61 eine Umfangsnut 67 auf, so dass er über ei nen O-Ring 69 in einer Innenumfangsnut 71 der Sensorkammer 57 sicher gehalten ist. Aufgrund von elektrischer Anregung kann sich die Piezokeramik 66 radial ausdehnen oder zusammenziehen und diese Längenänderung auf den Trä- ger 61 übertragen, so dass sich der Träger 61 periodisch ausgelenkt wird, insbesondere beult und auf diese Weise die gewünschte Schal lwel le erzeugt.
Im anderen Medienraum 1 1 ist eine Referenzmesstrecke i nnerhalb der Sen- sorkammer vorhanden. Die Referenzmesstrecke wird von zwei stationär zueinander angeordneten Referenzstellen 1 3, 73 begrenzt. Die ei ne Referenzstelle ist der Ultraschallsensor 13 selbst und die andere Referenzstelle ist eine Umlenkstelle 73 für das Sensorsignal. Diese Umlenkstel le 73 ist durch eine Begrenzungswand, hier einen Absatz der Innenwand der Sen- sorkammer 57, gebi ldet. Die Umlenkstelle 73 und das Trennelement 5 sind damit vortei lhaft auf gegenüberl iegenden Seiten des U ltraschal lsensors 1 3 angeordnet. Die Messstrecke und die Referenzstrecke si nd daher unabhängig voneinander. Zudem ist die Umlenkstel le 73 an einer geschützten Position vorgesehen, so dass sie nicht vom Trennelement 5 beeinfl usst werden kann.
Die Sensorkammer 57 ist in der Richtung der Umgebung von einem G lasteil 79, vorzugsweise in Form einer G lasdurchführung, abgedeckt. Über das G lasteil 79 ist der Ultraschal lsensor 1 3 mit ei ner Steuereinheit 85 über eine Kabelverbi ndung 83 verbunden. Der Ultraschal lsensor 1 3 wird bei einer vorgebbaren Arbeitsfrequenz betrieben. Diese Frequenz kann zwischen einer niedrigen Frequenz und einer demgegenüber höheren Frequenz gewählt sein. Die insoweit niedrigere Frequenz ist so gewählt, dass eine geringe wellenabhängige Ampl itudenmodulation und damit wenig Dispersion auftritt und beträgt insbesondere 100 kHz. Bei der höheren Frequenz ist aufgrund der kürzeren Wel lenlänge eine höhere Auflösung bei der Entfernungsmessung möglich. Die höhere Frequenz beträgt vorzugsweise 1 50 kHz. Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen U ltraschal l- Wegmesssystems 1 erläutert. Das U ltraschal l-Wegmesssystem 1 ist in einem hydropneumatischen Druckspeicher 3 angeordnet. Durch das Einspeichern eines inkompressiblen oder kompressiblen Mediums in den ersten Medien- räum 9 wi rd das Trennelement 5 innerhalb des Druckspeichers 3 bewegt, um einen Druckausgleich zwischen den Fl uiden in den beiden Medienräumen 9, 1 1 herzustel len. Die Position des Trennelementes 5 ist währenddessen mit dem Ultraschal-Wegmesssystem 1 ermittelbar. Hierzu wird, gesteuert durch die Steuereinheit 85, ein Schallsignal mit dem U ltraschall- sensor 1 3 ausgesendet und die Schal I reflektionen an dem Trennelement 5 und an der dem Ultraschal lsensor 1 3 gegenüber l iegenden Referenzstel le 73 werden erfasst, so dass die Laufzeiten der reflektierten Schal lwel len mit der Steuereinheit 85 ermittelbar sind. Aus der Laufzeit des Schal lsignals vom U ltraschal lsensor 1 3 zu der zuordenbaren Referenzstelle 73 und zu- rück wird die Schal lausbreitungsgeschwindigkeit im kompressiblen Fluid des anderen Medienraums 1 1 ermittelt. Auf Basis dieser Schallausbreitungsgeschwi ndigkeit und der Laufzeit des Schal lsignals vom Ultraschal lsensor 1 3 zum Trennelement 5 und zurück kann dann der jewei lige Abstand A des bewegbaren Trennelementes 5 vom stationär angeordneten Ultraschal I- sensor 1 3 ermittelt werden.
Sol lte aus dem einen Medienraum 9 mit dem inkompressiblen Fl uid durch einen Spalt 87 zwischen Trennelement 5 und Gehäuse 7 Fl üssigkeit in den anderen Medienraum 1 1 eindringen, so würde diese in die Sammeleinrichtung 43 fließen. Dort verkürzt sie die Messstrecke zwischen dem Ultra- schal lsensor 1 3 und dem Trennelement 5. Da jedoch ein Teil der U ltraschal lwel le weiterhin am Boden des Trennelements reflektiert wird, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen U ltraschal l-Wegmesssystem 1 vortei lhaft feststellen, ob und wie viel Fl üssigkeit in den anderen Medienraum eingedrungen ist, was einen H inweis auf die nicht mehr hinreichende Dichtheit des Dichtsystems 41 des Trennkolbens 5 gibt und insoweit regelmäßig ei- nen Wartungs Vorgang für den Speicher oder gar dessen Austausch im angeschlossenen hydraul ischen Kreis (nicht dargestel lt) auslöst.
Durch die Erfindung wird somit ein besonders vortei lhaftes Ultraschal l- Wegmesssystem 1 aufgezeigt. Durch die Messung auf der Gasseite 1 1 kann die Position des Trennelementes 5 sehr genau erfasst werden, wei l sich das Ultraschallsignal lediglich durch ein Fl uid hindurch ausbreiten muss. Unabhängig von der Bewegung des Trennelementes 5 sowie der Umgebungsbedingungen finden keine Phasenübergänge in diesem kompressiblen Fl uid statt, so dass dahingehende Messfehler nicht berücksichtigt werden müssen. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem kompressiblen Fluid in der Regel um ein Gas handelt, ist der elektrisch angesteuerte U ltraschallsensor 1 3 stets trocken gelagert, so dass beim Betrieb keine Beeinträchtigung des U ltraschal lsensors 1 3 durch Feuchtigkeit zu befürchten ist. Das Ultraschal l- Wegmesssystem 1 ist daher langlebig und wartungsarm. Die für den U ltra- schallsensor 1 3 erforderlichen Komponenten sind zudem relativ kostengünstig erhältl ich. Die minimale Wegmessstrecke für den Sensor 1 3 ist durch die untere Totpunktlage des kolbenartigen Trennelementes 5 gebildet, sobald dieses in Anlage mit der dem Trennelemente 5 zugewandten Oberseite des unteren Deckelteils 1 9 kommt. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich dem G runde nach auch für pneumatische Arbeitszyl inder (nicht dargestel lt) einsetzen, bei denen die beiden Medienräume 9, 1 1 von einer Kolben-Stangen-Einheit voneinander separiert sind, wobei die Stange der dahingehenden Einheit auf ei ner Deckelseite zur Anlenkung an Drittbautei le herausgeführt ist und die beiden Medienräume 9, 1 1 sind wechselweise zum Hin- und Herbewegen der Kolben-Stangen- Einheit an eine Pneumatikversorgung anschl ießbar.

Claims

Patentansprüche
Ultraschall-Wegmesssystem, insbesondere einsetzbar für Hydrospei- cher (3) mit mindestens einem bewegbaren Trennelement (5), das innerhalb eines Gehäuses (7) zwei Medienräume (9, 11) vorzugsweise mediendicht voneinander trennt, wobei der eine Medienraum (9) ein kompressibles oder ein inkompressibles Fluid und der andere Medienraum (11) ein kompressibles Fluid, insbesondere in Form eines Arbeitsgases, aufnimmt, wobei mittels mindestens eines Ultraschallsensors (13) die jeweilige Position des bewegbaren Trennelementes (5) innerhalb des Gehäuses (7) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Ultraschallsensor (13) seine Positionserfassung des Trennelementes (5) auf der Seite des anderen Medienraumes (11) mit dem kompressiblen Fluid vornimmt.
Ultraschall-Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1) in einer Sensorkammer (57) aufgenommen ist, deren Inneres (55) mittels einer Medienführung (59) medienführend mit dem anderen Medienraum (11) mit dem kompressiblen Fluid verbunden ist.
Ultraschall-Wegmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Sensorkammer (57) in Richtung der Umgebung von einem Glasteil (79), vorzugsweise in der Form einer Glasdurchführung, abgetrennt ist, an die eine Kabelverbindung (83) vom Ultraschallsensor (13) zu einer Steuereinheit (85) angebracht ist.
Ultraschall-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (13) stationär an einem Deckelteil (19) des Gehäuses (7) derart angeordnet ist, dass zumindest ein Tei l der Sensorkammer (57) mit der Medienführung (59) um einen vorgebbaren Überstand (U) in den anderen Medienraum (1 1 ) mit dem kompressiblen Fl uid hineinragt und dass in jeder Verfahrstellung des Trennelementes (5) dieses auf Abstand (A) zu dem Ultraschal lsensor (1 3) gehalten ist.
U ltraschal l-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (1 3) einen U ltraschal lwandler (65) mit einer Piezokeramik (66), vorzugsweise i n Scheibenform, aufweist, die auf einem Träger (61 ) angeordnet ist, der vorzugsweise die Sensorkammer (57) in Richtung des anderen Medienraumes (1 1 ) mit dem kompressiblen Fluid abschließt.
U ltraschal l-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (57) zwischen dem Träger (61 ) und dem Glasteil (79) mindestens eine Durchlassstelle (59) aufweist, die zumindest tei lweise die Medienführung bi ldet.
Ultraschal l-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des kompressiblen Fl uids eine Referenzmessstrecke vorhanden ist, die von zwei, Vorzugs weise stationär zueinander angeordneten Referenzstel len (1 3, 73) begrenzt ist, von denen die eine aus dem U ltraschallsensor (1 3) und die andere aus einer vorzugsweise feststehenden Umlenkstelle (73) für das Sensorsignal gebildet ist, die bevorzugt die Form einer Begrenzungswand der Sensorkammer (57) hat.
Ultraschal l-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (5) aus einem starren Begrenzungskolben gebi ldet ist, der innerhalb des Gehäuses (7) in Richtung von dessen Längsachse (LA) verfahrbar angeordnet ist, und dass der U ltraschal lsensor (1 3) koaxial zu dieser Längsachse (LA) angeordnet ist.
U ltraschal l-Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (5), vorzugsweise in Form des Begrenzungskolbens, eine Sammelei nrichtung (43) für inkompressibles Fluid aufweist, das beim Betrieb des Ultraschal l-Wegmesssystems (1 ) vom Medienraum (9) mit dem inkompressiblen Fluid durch einen Spalt (87) zwischen dem Begrenzungskolben (5) und dem Gehäuse (7) in den anderen Medienraum (1 1 ) mit dem kompressiblen Fluid eindringt, und dass die Sammeleinrichtung (43) vorzugsweise i n Form eines Sammelbeckens im Begrenzungskolben (5), dem U ltraschal lsensor (1 3) in dessen di rekter Schal labstrahl richtung benachbart gegenüberl iegend angeordnet ist.
U ltraschal l-Wegmesssystem nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz des U ltraschal lsensors (1 3) zwischen einer mögl ichst niedrigen Frequenz, insbesondere 100 kHz, bei der eine geringe wel lenabhängige Amplitudenmodulation durch Dispersion auftritt, und einer demgegenüber höheren Frequenz, insbesondere 1 50 kHz, bei der bei geringer Wellenlänge eine höhere Auflösung der Entfernungsmessung möglich ist, gewählt ist.
Verfahren zur U ltraschall-Wegmessung mit einem Ultraschal l-Wegmesssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallsignal mittels des Ultraschallsensors (1 3) ausgesendet und die Schal lreflektion an dem Trennelement (5) und der dem Ultraschal lsensor (1 3) gegenüberl iegenden Referenzstelle (73) erfasst wi rd, dass aus der Laufzeit des Schal lsignals vom U ltraschal lsensor (1 3) zu der zuordenbaren Referenzstelle (73) und zurück die Schal lausbreitungsgeschwindigkeit im kompressiblen Fl uid ermit- telt wird, und dass aus der Schallausbreitungsgeschwindigkeit und der Laufzeit des Schallsignals vom Ultraschallsensor (13) zum Trennelement (5) und zurück der jeweilige Abstand (A) des bewegbaren Trennelementes (5) vom stationär angeordneten Ultraschallsensor (13) er- mitteltwird.
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