专利名称：监测往复式活塞运动轨道的监视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监测往复式活塞相对于包围着它的气缸的运动轨道位置的监视器，该监视器包括一个相对于气缸在活塞运动的一个死点区域内固定设置的、与一计值装置相连的传感器，和一个在活塞端面的区域内设置的示踪装置。示踪装置在活塞运动的死点区域内位于离传感器一横向间隙处，该间隙可由传感器探测和可由计值装置计值以便确定活塞运动轨道的相对位置。
背景技术：
所述型式的装置应用于活塞式机械特别是活塞式压气机中，以便可靠地防止活塞和气缸壁的金属接触，其可能导致过早的失效和高代价的损伤。基本上为该目的借助于支承环或自身的活塞导轨提供的活塞的支承或导轨特别在于运行的活塞式压缩机中受到相当的磨损，该磨损决定运行时间。即使在润滑的活塞式机械中一相应的监测也是必要的，以便在润滑失效或磨料磨损的情况下避免由于固体磨损在活塞和气缸套上引起的高代价的损伤而长时间地停车。为了根据状态进行维护，导轨或支承环等的磨损的预测是必要的，借此可以判断有力地估计供使用的剩余运行时间。在活塞与气缸内壁之间的某一最小间隙降低时作为机械保护大多设置一断路。
活塞与气缸内壁的间隙的直接测定，例如由US 6,318,147 B1或US4,143,319 A是已知的，由于测点的易遭受性(压力、温度、污物、腐蚀和发火危险等)及由此带来的缺点至今实际上没有采用。例如由US 4,987,774 A已知，具有卧式气缸的活塞式压缩机的支承环磨损的测定或监测借助于涡流传感器通过活塞杆沉降的确定来进行。借助于在气缸外面的一较易接近的部位设置的传感器进行测定，其中通过测量值的三角测量法还进行对安装在活塞杆上的活塞与气缸内壁之间的关注的间隙的配位。由于必需的三角测量法的误差放大和十字头的运动、活塞杆因作用在活塞上的力矩产生的弯曲、活塞杆的摆动和根据涂层等活塞杆表面的不同的磁与电的特性产生的不利影响等，这种方法较不精确并只提供较不可信的判断，其不适合用于机械保护。为了精确的测定，也许还需要监测掠过的活塞杆的间隙的涡流传感器的测量信号之耗费很大的温度补偿，这在实际中造成进一步的困难。
此外由JP-62-151703A已知一种开头所述型式的方法或装置，其具有为此的原理性精确的优点，因为在活塞与气缸内壁之间的全部到期的接触在本文关注的型式的活塞式机械中一般首次在活塞的外部的气缸盖侧的端部进行测定。对此在运动轨道所属的死点的区域内在一基本上垂直于活塞轴线的平面中对活塞或一与其固定连接的构件(例如由活塞伸出的活塞杆)的径向位移的测定具有根本性优点。在由所述文件已知的装置中设有一光学传感器，其评价对准在活塞杆端面上的示踪装置的光线的反射，该光线根据示踪装置同心设置的凹凸在其位移时相应改变地反射。该已知的装置的缺点基本上在于，光反射的光学测定或由其导出的测量信号极易感受传感器和示踪装置上的污染，从而再次只提供关于活塞相对于气缸的运动轨道的真实位置的较不可信的判断。此外，传感器还直接遭受在测点支配的不利的环境条件(压力、温度、腐蚀等)的影响，这在实际中除在气缸盖中向外穿通的传感器安装孔的密封问题以外也大大降低这样的装置的使用寿命或大大限制其使用范围。
发明内容
本发明的目的是，改进开头所述类型的装置，使其避免已知装置的上述缺点并能以特别筒单而耐用的方式确定往复式活塞相对于气缸的运动轨道的位置或其空间上的变化，以便能够可靠地确定活塞相对于包围的气缸壁的间隙。
该目的按照本发明在开头所述型式的装置中这样来达到，即使传感器相对于气缸的内表面回缩地设置并借助于一盖向气缸盖那边密封并且将示踪装置构成为对污染不敏感的异形。
这种构成现在按简单的方式保证，将传感器设置成不受气缸室中支配的不利的环境条件的影响并仍可提供关于活塞相对于气缸的运动轨道的位置的判断有力而精确的测量结果。在这方面其本身例如由DE 25 43 078A1已知一在气缸上横向安装的传感器的装置，该传感器相对于气缸的内表面回撤并借助于一盖向气缸室密封。该盖现在优选以对实际经常采用的传感器尽可能是中性的和不影响或只很小影响测量结果的方式构成，例如采用根据一相应的测量原理尽可能无影响的薄片式薄材料。在活塞端面相对于固定的气缸壁的区域内的一点的横向间隙的测定与耐用而免受环境影响的构成和传感器与示踪装置的设置一起可以提供活塞位置的判断有力而精确的测定，并满足开头所述型式的全部要求，特别是对机械保护的要求。
按照本发明的一特别优选的构造设定，设置多个垂直于活塞轴线间隔开的和/或与垂直于活塞轴线间隔开的各个示踪装置的示踪元件配合作用的、分别可由计值装置询问的传感器元件。借此现在可以按很简单的方式测定或监测活塞相对于包围它的气缸的运动轨道的终点的空间位置，从而不仅可以探测和监测活塞在卧式气缸中的沉降而且一般可以探测和监测活塞运动轨道在横向于行程轴线的任何方向的位移。这例如对于立式气缸、具有非接触迷宫式密封的活塞的气缸或类似的构造或装置是有利的。
在本发明的另一构造中设定，将各传感器元件构成按不同测量原理操作的。因此可以特别针对相应的目的实施监视器-其例如可以采用与感应或电容传感器相组合的涡流传感器，此时可以组合或补偿针对相应的使用目的的各个测量原理的优点或缺点。
在本发明的另一特别优选的构造中设定，将示踪装置在活塞端面的区域内构成为空间异形，其相对于至少两个优选构成为涡流传感器的传感器元件的横向间隙可由计值装置计值以确定活塞运动轨道的死点的空间位置。这得到监视器的特别简单而耐用的实施形式，其中所谓的空间异形例如可以在活塞的端面或在活塞杆通过活塞的端面上构成为凸出的轴颈、杯形凹槽等。
按照本发明的另一有利的实施形式，示踪装置还可以具有至少一个优选在形成平滑表面下插入活塞或活塞杆的端面区域的磁性元件，其中至少一个传感器元件构成为磁场传感器，其将探测的磁力线的倾斜转变成测量信号。该装置也能以简单和对支配的环境条件不敏感的方法精确而判断有力地测定活塞相对于气缸的运动轨道的终点的空间位置。
传感器元件或各传感器元件在本发明的特别优选的构造中安装于密封插入气缸盖的接头中。这使对传感器安装或甚至准备的专用材料或特别密封等的应用能够得到可简单监测和可更换的监视器装置。
按照本发明的另一有利的构造在活塞或活塞杆的端面区域内设置至少一个，优选单独安装的测量附件作为在空间上伸出的示踪装置，其在活塞运动轨道的死点区域内插入到至少一个向外密封地作为接头插入气缸盖的测量插件中，其中设置至少一个横向对准该测量附件的传感器元件。这得到监视器的结构简单而耐用的实施形式，其中很有效地保护测量插件中的传感器元件免受气缸内室或其中通常支配的不利的环境条件的影响并仍能通过基本上垂直于活塞行程方向实现横向间隙的测定得到很精确而判断有力的测定。所述测量附件在活塞运动轨道的死点区域内插入测量插件中，这还可以按最简单的方式将该监视器用作为死点传感器。由于例如在测量附件未插入测量插件中时(并且特别是当活塞处于运动轨道的另一下死点区域内时)涡流传感器的测量信号实际上相当于在传感器与测量附件之间的无限距离的情况，在这样的装置中也可以很简单地通过测量值与活塞处于下死点位置时的传感器信号的比较进行温度补偿。
测量附件至少在活塞运动轨道的死点区域内位于传感器/各传感器对面的区域构成具有平行于活塞轴线的母线的圆柱体的形式，其中传感器/各传感器基本上检测垂直于活塞轴线的平面内的径向间隙。这形成要求的装置的对称结构或能够构成简单而便于装配和维护的监控监视器。
在本发明的优选的进一步构造中，上述圆柱测量附件在其在活塞运动轨道的死点区域内面向传感器元件的侧面具有平坦的基本上垂直于连接线对准传感器元件的表面，其优点是，微小的沿该平整的表面方向变化的横向活塞位移对测量结果没有影响。
在本发的进一步优选的构造中，测量插件具有至少一个向气缸室那边开口的容纳体用以向气缸室密封地安装传感器/各传感器，该容纳体至少在总是位于传感器元件与插入的测量附件之间的区域内由不影响或很小影响传感器灵敏度的薄片式薄材料构成。在传感器元件作为涡流传感器的构成中容纳体或至少其薄片式部分由塑料，优选由纤维增强塑料构成。然后将该容纳体比较简单地插入气缸盖中并密封，这大大简化监视器的结构、装配和维护并且也大大简化这种监视器例如在一活塞式压缩机上的增装。
在本发明的特别优选的进一步构造中设定，将传感器元件/每一传感器元件基本上无间隙地安装于容纳体中并且将容纳体以此从内部朝气缸压力的方向支承地安装，这使构成的薄盖或薄片的应用可以作为传感器或传感器元件的保护而免受气缸内室支配的环境条件的影响，因为该盖本身不或至少不单独承受例如在活塞式压缩机的压缩室内支配的高压。
为了监测设置在活塞上的支承环的磨损，将用本发明的监视器在活塞运动轨道的死点区域内测定的传感器与示踪装置之间的横向间隙直接用作为磨损指示器，这使这种监视器也可以简单地用作为机械保护以触发断路。
本发明以下借助于附图中示意出的诸实施例加以说明。其中图1示出活塞式压缩机在气缸盖包括处于上死点的活塞的区域内的局部剖面，图2为沿图1中线II-II截取的局部剖面，图3为图1和2中的装置处于活塞上支承环的进一步磨损的状态，图4以相当于图1或3的视图示出按照本发明的另一实施例，图5为图4中剖面V-V，图6为按照本发明的另一实施例的详图，图7为沿图6中线VII-VII截取的细部剖面，图8以例如相当于图6的视图示出按照本发明的另一实施例以及图9为按照图1至3的装置的不同的活塞位置的示意图与监视器的示例性测量结果。
具体实施例方式
全部示出的装置用作为监视器以监测活塞1相对于包围它的气缸2的运动轨道的位置并且包括一相对于气缸2在活塞1运动的上死点的区域内固定设置的、经由外接电缆3与图中未示出的计值装置相连的传感器4和一在活塞1上或与其固定连接的构件如其中的活塞杆5上设置的示踪装置6，后者在活塞1运动的死点区域内位于离传感器4一横向间隙a处，该间隙由传感器4可探测并从而由计值装置可计值以便确定活塞1运动轨道的相对位置。在全部的实施方案中，传感器4相对于气缸2的内表面(或在这里气缸盖7)回缩地设置并借助于一薄片式盖8朝气缸内室9那边密封。示踪装置6在活塞1的端面11的区域内构成为对污染不敏感的异形10。
按照图1至3在活塞1或活塞杆5(其上借助于一锁紧螺母12固定活塞)的端面11的区域内设置一单独安装的测量附件13作为对污染不敏感的异形10或在空间上伸出的示踪装置6并用螺钉14进行固定。该测量附件13在所示活塞1运动轨道的上死点的区域内插入到一向外密封的作为接头插入气缸盖7的测量插件15中，其中，作为传感器4，设置一横向对准测量附件13的单个传感器元件16，例如构成为涡流传感器。测量附件13在其在活塞1运动轨道的死点区域内面向传感器元件16的侧面形成有平坦的基本上垂直于连接线对准传感器元件16的表面，如这特别由图2可显而易见的。
测量插件15具有一向气缸室9那边开口的容纳体17，用于相对于气缸室9密封地安装传感器元件16，该容纳体至少在位于传感器元件16与插入的测量附件13之间的区域内由不影响或很小影响传感器灵敏度的薄片式薄材料构成为盖8。从向气缸内室9那边开口的一侧插进测量插件15的容纳体17中的薄片载体18例如由纤维增强塑料构成并借助于一螺钉19固定于容纳体17中。从外面将一传感器载体20插入容纳体17或薄片载体18中，该传感器载体20与嵌入的传感器4或传感器元件16一起基本上无间隙地填满容纳体17并以此从内部朝气缸内压力方向支承，以此可以较薄地并从而不或只极小影响传感器4的测量信号地构成薄片式盖8。
测量插件15从气缸内侧插入气缸盖7的相应孔中并在外部用一螺母21固定。以此利用本发明的监视器会同测量附件13在活塞1或活塞杆5上的简单的构成和固定对例如一活塞式压缩机的增设也是可能的。
双作用的活塞1具有两对活塞环22，其向气缸2的内壁那边密封并由此通过孔23中设置的图中未示出的吸入阀和压力阀可以控制工作介质的吸入和压缩。在各对活塞环22之间设置一支承环24，其由在运转时期逐渐磨损的材料(例如塑料布)构成，因此在以卧式气缸实施的装置的活塞1从图1中所示的原始位置降到图3中所示的位置。该活塞1运动轨迹的沉降借助于本发明的监视器以测量附件13与传感器元件16之间的间隙a(见图2)的形式监测。在低于间隙a或活塞1下面与邻接的气缸2内壁之间的间隙的一极限值时可以为此发出维护信号或为安全起见关闭压缩机。
图9中借助于示意示出的测量附件13与传感器元件16之间三个不同的相对位置(1)、(2)、(3)可将其相应的测量值采集于位于上面的信号图中，其中传感器元件16构成为涡流传感器。显然，在相对位置(1)时测量信号具有最小值，该最小值在活塞继续向测量附件13与传感器元件16之间更大距离的方向运动时(向下死点方向)基本上保持不变并相当于在测量附件13与传感器元件16之间的无限距离时的传感器信号。在相对位置(2)，测量附件13已处于传感器元件16的灵敏度范围内，这对应于一随后迅速升高的测量信号，该测量信号在测量附件13与传感器元件16完全覆盖的区域内(位置(3))达到一较平坦变化的最大值。借此可以可靠地测定或监测相当于测量附件13与传感器元件16之间的相对间隙之测量信号，在显示测量附件13与传感器元件16之间进一步接近时(如图3中所示)测量信号的最大值以易于觉察到的方式升高，这可以以很高的精度监测活塞运动轨道的位置。
由测量值图也显而易见的是，借此很易将活塞运动的上死点作为任何信号摆幅的中线来检测。
在按照图4和5的实施形式中，作为与按照图1至3的实施形式的唯一主要区别是，测量附件13构成为螺纹拧入活塞杆5的端面内的母线平行于活塞轴线25的圆柱体26，其中传感器元件16再次检测垂直于活塞轴线25的平面内的径向间隙。除图中所示利用一横向的传感器元件16的实施形式以外，当然也可以设置多个环绕圆柱体26分布的传感器16。同样，也可以在活塞1的端面上空间上间隔开设置多个与所属的传感器元件配合作用的测量附件13。关于图4和5的装置的其他的特征和功能参阅上述关于图1至3的实施形式。
在按照图6至8的实施形式中分别设置多个垂直于活塞轴线25间隔开的分别可由也未示出计值装置询问的传感器元件16、16’，这能够按简单而判断有力的方式测定或监测活塞1在任何方向相对于图中未示出的气缸的运动轨道的位置。按照图6和7设有三个绕活塞轴线25对称排列的相同的传感器元件16(例如涡流传感器)。其监测在活塞杆5的端面上的空间异形(以钻孔的形式)的位置。其中传感器元件16的信号优选经预先校准，使由其可以确定活塞轴线25相对于气缸2或其内壁的迁移大小和方向。
按照图8，示踪装置6具有一在形成平滑表面插入活塞杆5的端面区域的磁性元件27，其影响一构成为磁场传感器的传感器4的传感器元件16’，后者将探测的磁力线的倾斜转变成测量信号。另一传感器元件16可以例如构成为涡流传感器用以在活塞运动的上死点区域内测定活塞杆5的端面的间隙。同样借此可以确定活塞1相对于气缸2的运动轨道的空间位置。
权利要求
1.用于监测往复式活塞(1)相对于包围着它的气缸(2)的运动轨道位置的监视器，该监视器包括一个相对于气缸(2)在活塞运动的一个死点区域内固定设置的并与一计值装置相连的传感器(4)和一个在活塞(1)的端面(11)区域内设置的示踪装置(6)，所述示踪装置在活塞运动的死点区域内位于离传感器(4)有一横向间隙(a)处，该间隙可由传感器(4)探测并且可由计值装置计值，以便确定活塞(1)的运动轨道的相对位置；其特征在于，传感器(4)相对于气缸(2)的内表面回缩地设置并借助于一个盖(8)向气缸室(9)那边密封，并且示踪装置(6)构成为对污染不敏感的异形(10、27)。
2.按照权利要求1所述的监视器，其特征在于，设有多个垂直于活塞轴线(25)间隔开的和/或与垂直于活塞轴线(25)间隔开的各个示踪装置(6)的示踪元件配合作用的、分别可由计值装置询问的传感器元件(16)。
3.按照权利要求2所述的监视器，其特征在于，传感器元件(16、16’)是按不同测量原理操作的。
4.按照权利要求2或3所述的监视器，其特征在于，示踪装置(6)在活塞(1)的端面(11)的区域内构成为空间异形(10)，其相对于至少两个优选构成为涡流传感器的传感器元件(16)的横向间隙(a)可由计值装置计值，以确定活塞(1)的运动轨道的死点的空间位置。
5.按照权利要求2或3所述的监视器，其特征在于，示踪装置(6)具有至少一个优选在形成平滑表面情况下插入活塞(1)或活塞杆(5)的端面(11)区域的磁性元件(27)，并且至少一个传感器元件(16、16’)构成为磁场传感器，该磁场传感器将探测的磁力线的倾斜转变为测量信号。
6.按照权利要求1至5之一项所述的监视器，其特征在于，所述传感器元件(16、16’)安装于密封插入气缸盖(7)的接头中。
7.按照权利要求1至6之一项所述的监视器，其特征在于，在活塞(1)或活塞杆(5)的端面(11)区域内设置至少一个优选单独安装的测量附件(13)作为在空间上伸出的示踪装置(6)，该测量附件在活塞(1)运动轨道的死点区域内插入到至少一个向外密封地作为接头插入气缸盖(7)的测量插件(15)中，其中设置至少一个横向对准测量附件(13)的传感器(16)。
8.按照权利要求7所述的监视器，其特征在于，测量附件(13)至少在活塞(1)的运动轨道的死点区域内位于与所述传感器相对置的区域内构成为具有平行于活塞轴线(25)的母线的圆柱体(26)的形式，其中所述传感器基本上检测垂直于活塞轴线(25)的平面内的径向间隙。
9.按照权利要求7所述的监视器，其特征在于，测量附件(13)在其在活塞(1)的运动轨道的死点区域内面向传感器元件(16)的侧面具有平坦的基本上垂直于连接线对准传感器元件(16)的表面。
10.按照权利要求7至9之一项所述的监视器，其特征在于，测量插件(15)具有至少一个向气缸室(9)那边开口的容纳体(17)用以向气缸室(9)密封地安装所述传感器元件(16)，该容纳体至少在总是位于传感器元件(16)与插入的测量附件(13)之间的区域内由不影响或很小影响传感器灵敏度的薄片式薄材料构成。
11.按照权利要求10所述的监视器，其特征在于，在传感器元件(16)作为涡流传感器的构成中，容纳体(17)或至少其薄片式部分(8)由塑料，优选由纤维增强塑料构成。
12.按照权利要求10或11所述的监视器，其特征在于，所述每一传感器元件(16)基本上无间隙地安装于容纳体(17)中并且将容纳体以此朝气缸压力的方向支承地安装。
13.按照权利要求1至12之一项所述的监视器，其特征在于，为了监测设置在活塞(1)上的支承环(24)的磨损，在活塞(1)运动轨道的死点区域内传感器(4)与示踪装置(6)之间的横向间隙用作为磨损指示器。
全文摘要
本发明涉及一种监测活塞运动轨道的监视器。为了监测活塞(1)相对于气缸(2)的运动轨道的位置，在活塞运动的一个死点区域内设置一个固定安装的传感器(4)，该传感器测量相对于活塞(1)上设置的示踪装置(6)的横向间隙(a)。为了得到耐用而精确的装置，传感器(4)相对于气缸(2)的内表面回缩地设置并借助于一个盖(8)向气缸内室(9)那边密封并且示踪装置(6)在活塞(1)上构成为在活塞(1)的端面(11)区域内对污染不敏感的异形(10)。
文档编号G01B7/00GK1499169SQ20031010295
公开日2004年5月26日 申请日期2003年10月30日 优先权日2002年10月30日
发明者伯恩哈德·施皮格尔, 彼得·施泰因吕克, 于尔根·莫哈默, 莫哈默, 伯恩哈德 施皮格尔, 施泰因吕克 申请人:赫尔比格压缩机技术服务有限公司