[发明专利]用于确定汽缸中活塞的位置的装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于通过利用超声波信号来确定汽缸中活塞的位置的装置。

背景技术

根据DE 10322718A1已知以下超声波位置测量系统，在该超声波位置测量系统中，超声波变换器沿活塞的前表面的方向向汽缸发送超声波信号，并接收从该活塞的前表面反射来的超声波信号。假定已知介质中的声速，则可以基于超声波信号的传输时间来确定从超声波变换器到活塞的前表面的距离，并由此确定该汽缸内活塞的位置。

US 4,543,649说明了类似的系统，其中，在活塞的相关前表面处设置台阶，并且与汽缸的前表面相对，向所述台阶分配分腔室，其中，紧挨活塞到达末端位置之前该台阶可以进入该分腔室内。这实现活塞运动的末端位置缓冲，从而防止活塞过于猛烈地撞击前侧止动件。

图1示出已知的活塞汽缸单元的结构原理，其中，利用超声波信号来检测活塞的位置。

在汽缸1的内部，活塞2可以沿轴向移动，另外，利用在前侧从汽缸1引出的活塞杆3来引导活塞2。与活塞2的前表面4相对，在汽缸1的前侧端配置有包括超声波变换器6的超声波设备5。超声波变换器6用于沿前表面4的方向发送超声波信号，并用于接收从前表面4反射来的超声波信号。

超声波变换器6连接至分析设备7，分析设备7基于超声波信号的传输时间、并且利用超声波在填充由汽缸1和活塞2所封闭的主腔室8的介质中的声速，确定从超声波变换器6到前表面4的距离，并由此确定汽缸1中活塞2的位置。

声速依赖于介质、温度和压力，并且在活塞汽缸单元的工作期间变化。为了该目的，如还在DE 10322718A1所述，在超声波变换器6上游配置离超声波变换器6预定距离10的基准面9。分析设备7基于超声波信号在超声波变换器6和基准面9之间的传输时间并利用已知的距离10，始终能够确定实际的声速。例如，该介质可以是液压油或者例如液体或气体等的其它任何适当的流体。

可以利用管道11向主腔室8供给流体并且/或者从主腔室8除去流体，从而改变活塞2的位置。

另外，可以在活塞2的前表面4的背侧，即在活塞杆3侧设置第二主腔室12，并且还可以利用管道13向第二主腔室12供给介质。这允许作用于活塞2的力增大，并且/或者可以生成使活塞2例如朝向图1中的左侧移动的返回力。

显然，有时由于干涉或散射效应超声波信号可能被干扰，这使得更难以精确确定活塞2的位置。

期望由超声波变换器6发射的超声波信号沿与汽缸1的主轴相对应的主方向14在汽缸1中前进，并且垂直撞击到活塞2的前表面4上。由于例如散射效果，不可避免还生成了相对于主方向14倾斜地前进、即例如沿副方向15前进的超声波信号部分。这些信号部分生成可能叠加在从前表面4直接反射来的超声波信号上的干涉信号。因此，特别在超声波变换器6的位置处，信号沿汽缸1的内壁和活塞2的前表面4所采用的不同的路径14、15的信号部分可能呈现干涉。这导致超声波变换器6处接收到的信号的失真、放大或部分衰减。由于信号以多种可能的方式在汽缸1的筒中路径长度不同的筒壁上传播，因此接收到的信号还被延长和/或被偏移。接收到的信号之间的差异使得更难以精确测量超声波信号沿主方向14的传输时间。

图2示出以回声信号的形式到达超声波变换器6的接收信号的典型振幅。这里，图2A示出近似理想的接收信号，而图2B示出在存在干涉的情况下的接收信号。

由于超声波变换器6的物理性质，在几个振荡周期过程中，例如在3～5个周期和/或半波的过程中，发送脉冲的振幅增加。图2中未示出发送信号，并且如果要示出发送信号，则在时间轴的最左侧示出该发送信号。该接收信号包括振幅正在增加的相应数量的半波，例如，图2A中为5个半波。信号上升的特征是曲线16。由附图标记17来标记信号上升的起点。图2A所示的并且以曲线16为特征的主信号之后是可能由于干扰而产生的不太强烈的信号回声。

为了确定超声波脉冲的传输时间，使接收信号的振幅记录成和/或标准化为预定的恒定振幅值18。利用位于分析设备7中的阈值比较器来监视该信号，并且识别是否超出被标记为阈值19的预定第二水平。在图2A中，由附图标记20A来标记超过阈值19的时间点。

在阈值比较器的针对时间的下游，存在用于精确检测信号的到该信号的例如从负到正的下一连续过零21A的传输时间的过零比较器。