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EP3830895A1 - Connecting structure device between analysis electronics and probe in cylinder systems - Google Patents

Connecting structure device between analysis electronics and probe in cylinder systems

Info

Publication number
EP3830895A1
EP3830895A1 EP19752438.2A EP19752438A EP3830895A1 EP 3830895 A1 EP3830895 A1 EP 3830895A1 EP 19752438 A EP19752438 A EP 19752438A EP 3830895 A1 EP3830895 A1 EP 3830895A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
probe
evaluation electronics
signal
galvanic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19752438.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andre Giere
Sebastian LUETTICH
Sebastian Mann
Manuel Wolf
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.)
Astyx GmbH
Original Assignee
Astyx GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Astyx GmbH filed Critical Astyx GmbH
Publication of EP3830895A1 publication Critical patent/EP3830895A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/02—Coupling devices of the waveguide type with invariable factor of coupling
    • H01P5/022—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions
    • H01P5/026—Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions between coaxial lines
    • 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
    • F15B15/2869—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using electromagnetic radiation, e.g. radar or microwaves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/06—Movable joints, e.g. rotating joints
    • H01P1/061—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a translation along an axis common to at least two rectilinear parts, e.g. expansion joints
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/30—Auxiliary devices for compensation of, or protection against, temperature or moisture effects ; for improving power handling capability
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
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    • H01P5/085—Coaxial-line/strip-line transitions
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
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    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/183—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers at least one of the guides being a coaxial line
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
    • H01R12/50—Fixed connections
    • H01R12/51—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/55—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals
    • H01R12/58—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals terminals for insertion into holes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R24/00—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure
    • H01R24/38—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts
    • H01R24/40—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency
    • H01R24/50—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency mounted on a PCB [Printed Circuit Board]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/02—Soldered or welded connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/28—Clamped connections, spring connections
    • H01R4/48—Clamped connections, spring connections utilising a spring, clip, or other resilient member
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/56—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation one conductor screwing into another

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting the position of a reflection body in a cylinder system according to the features of claim 1.
  • Various systems are currently used to detect the piston position of linear drives with pneumatic or hydraulic cylinders.
  • the detection of the piston position can be discreet, i.e. at discrete locations, as well as continuously, i.e. constantly during operation.
  • Magnetoresistive sensors which are based on the evaluation of a position-giving permanent magnet and are therefore highly sensitive to external interference and high sensitivity to electromagnetic interference, in particular external magnetic fields, are predominantly used to detect discrete positions, such as the end positions.
  • sensors are necessarily attached outside the cylinder tube, are therefore not very robust against environmental influences and external influences and require additional installation space.
  • the device according to the application is in the context of sensor systems which, for example, determine the distance between a reflecting target and a probe in a waveguide structure.
  • ultrasonic sensors these are only suitable to a limited extent for displacement measurement in pneumatic and hydraulic cylinders, since the properties of the dielectric and thus the measurement accuracy change greatly with the cylinder pressure and the temperature of the medium.
  • Other causes of a change in the dielectric properties of the medium in the line structure can include contamination, air bubbles, water in the medium or changing the medium. Generally they have Ambient properties and contamination of the medium also influence the wave propagation in the centimeter and millimeter wave range, but the existing disadvantage can be compensated for here by taking suitable measures.
  • patent specification DE 10 2013 018 808 A1 describes a cylinder sensor with a sensor structure in the form of a transmission or reflection probe for a reference measurement of the propagation medium in the cylinder, which detects the necessary parameters for a correction of the distance value.
  • the radar sensors are usually installed at one end in the cylinder head.
  • the evaluation electronics can be integrated in the head or attached externally via a TEM line in the form of a coaxial line. The latter proves to be problematic in practice, since environmental influences have a negative effect on the properties of the coaxial line and nevertheless no arbitrary placement of the external electronics is possible.
  • the use of external evaluation electronics leads to an increasing complexity of the system, whereby if temperature effects are not observed, higher dispersion leads to errors in the system due to the increasing cable length.
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages present in the prior art or to improve them in such a way that the integration capability of electronics and probe is improved and greater freedom in the positioning of the evaluation electronics is achieved.
  • the invention relates to a device according to claim 1 for guiding an electromagnetic wave within a cylinder head of a cylinder system, the device comprising an electronic device arranged in or on the cylinder head and one in the Cylinder head located probe and a connection structure guiding the electromagnetic wave, arranged between the evaluation electronics and the probe for flexible positioning of the evaluation electronics, the connection structure having a first signal connection for connection to the probe and a second signal connection for connection to the evaluation electronics.
  • the invention enables both the use of evaluation electronics integrated in the cylinder head and the use of external evaluation electronics.
  • the invention achieves this by low-loss transmission of the electromagnetic wave, which is resistant to mechanical and electrical influences, on the connecting path between the evaluation electronics and the probe.
  • the probe serves as a low-loss waveguide transition, which converts the high-frequency signal into a mode that can propagate in the cylindrical cavity and / or back.
  • the probe either serves directly as a sensor component or is used for bidirectional / unidirectional transmission and / or reception of an electromagnetic wave in order to draw conclusions about properties of the measurement environment, in particular the piston position.
  • the probe enables the excitation and reception of a dedicated mode in the waveguide, the spreadability of which in turn depends in particular on the frequency of the high-frequency signal, the geometric sizes and environmental conditions, in particular the diameter of the cylindrical hollow body and, in the case of hydraulic cylinder systems, in particular on the dielectric properties of the im Medium located in the hollow body depends.
  • the probe thus allows an evaluation of the cylinder properties, in particular the piston position, or an evaluation of the medium in the cylinder, or both.
  • the flexible positioning of the evaluation electronics allows mechanical and / or spatial decoupling of the probe and evaluation electronics, which is particularly conducive to stability with regard to mechanical tolerances and temperature dependencies.
  • a separate and uncomplicated interchangeability of the evaluation electronics generates competitive advantages over other sensor systems, and the flexible positioning of the electronics reduces the space required in the cylinder system.
  • connection structure according to claim 2 is advantageously flexible or preferably partially flexible in order to simplify assembly and disassembly and to minimize temperature effects if necessary.
  • the connection structure is rigid in order to achieve a fixed positioning of the evaluation electronics.
  • a coaxial connection is used for the transmission of the electric shaft, which, due to its mechanical stability, enables flexible use in the cylinder system and prevents interference radiation.
  • the wall of the holes provided for the connection in the cylinder head can serve as the outer conductor of the coaxial line.
  • the connections of the probe and evaluation electronics are preferably but not exclusively realized in the form of a TEM line.
  • any angles are realized between the first and second signal connection. This allows all degrees of freedom in the mechanical design of the cylinder system.
  • the angle between the first and second signal connection is preferably 90 degrees.
  • the implementation can also be in the form of a mixture of different conductor structures in order to minimize the connection points between the assemblies and thus optimally utilize the installation space.
  • the combination of a coaxial line and a stripline type on a printed circuit board proves to be particularly advantageous for mechanical decoupling of the probe from the evaluation electronics.
  • Strip lines and preferably microstrip lines (MSL) are advantageously used, which are particularly suitable for internal operation in cylinder systems and are preferably used for short distances.
  • alternative stripline technologies can also be used, such as an MSL-like Grounded Coplanar Waveguide (gCPW).
  • a galvanic contact can be made between the first and second signal connections, the galvanic contact of the connection being able to take place in different ways depending on the prevailing framework conditions.
  • the following contacting methods can be used to establish a galvanic contact between the signal connections of the probe and the evaluation electronics: Elements with spring action, in the form of spring contacts,
  • spring contacts have the highest flexibility and screw connections, press connections as well as joint connections are to be considered as mechanically rigid.
  • the galvanic contacting can be achieved in the form of an element with spring action.
  • the contact between the probe and the evaluation electronics with spring contacts can be realized in coaxial systems, for example with so-called spring contact pins consisting of a sleeve with spring and a contact pin, spring contacts being particularly advantageous when high forces and mechanical tension occur.
  • spring contact pins consisting of a sleeve with spring and a contact pin
  • spring contacts being particularly advantageous when high forces and mechanical tension occur.
  • the realization is carried out by sheet metal parts with spring action or with contact pins suitable for the assembly.
  • such contacts also allow axial and radial movements of the signal line coming from the probe, in particular from its inner conductor, during operation.
  • plug or clamp connections allow tolerances during installation, but are to be regarded as less flexible in operation and are subject to wear in particular due to abrasion of the contact surfaces. Installation tolerances and any offset occurring between individual components can, however, be compensated for. Furthermore, these types of connections have good temperature resistance.
  • mechanically rigid connections between the electronic circuit and the probe can be achieved by the use of screw and press connections in the form of fits and pressings, which enable easy assembly and disassembly.
  • a pressure using conductive elastomers is used or, according to claim 15, a fetus connection.
  • Such connections can wear out or be irreversibly destroyed when high forces and mechanical tension occur, for example due to temperature gradients of the materials involved. When high forces and strong temperature gradients occur, spring contacts are therefore particularly preferred.
  • a further advantage of the integration concept can result if the design is carried out in such a way that, for example, the assembly sequence of the probe and evaluation electronics can be freely designed. This also has a positive effect on the interchangeability of individual components. A separate and uncomplicated interchangeability of the evaluation electronics can, for example, generate a competitive advantage over other sensor systems. If the integration concept enables an impedance transformation between the evaluation electronics and the probe, this in turn can have a positive effect on the size of the sensor system. While the electronics are often based on a 50 ohm line impedance, the base impedance of the probe can then be selected almost freely. By shifting the impedance transformation stages from the probe to the supply line, the space required for the sensor can therefore be significantly reduced.
  • galvanically isolated signal connections are also used to connect the evaluation electronics and the probe, in order to reduce interference signals and to enable signal transmission without delay.
  • a connection is present according to claim 18 if, for example, the coupler for separating the transmit and receive signal is integrated in the connection.
  • the coupler can be implemented as a line structure or integrated in the form of a discrete component with electrical isolation on a circuit board.
  • the electrical isolation between the first signal connection and the evaluation electronics is expediently carried out, and the use of parallel cables leads to electrical isolation of the signal connections.
  • the device can avoid temperature effects and higher dispersion with increasing cable length.
  • switchable calibration structures or integrated in the signal connection are to be mentioned here, which, in combination with suitable methods, allow the properties of the electronic circuit and the connector to be eliminated up to the calibration level.
  • the use of one or more analog or digital temperature sensors also makes it possible to monitor the temperature response of the connection between the probe and the evaluation electronics in order to compensate for this by means of a suitable method in the signal evaluation.
  • an electromagnetic wave in the high frequency range between 10 MHz to 100 GHz is fed.
  • a suitable frequency is selected which lies above the lower limit frequency of the wave mode used. The use of multiple frequencies enables greater accuracy, since uncorrelated measurement errors can be averaged out.
  • FIG. 1A in a schematic sectional view of a cylinder system with an external
  • FIG. 1B in a schematic sectional view of a cylinder system with an internal
  • FIG. 2 shows a perspective view of an embodiment of the connection structure according to the application with a 90-degree connection between a coaxial line leading to the probe and a microstrip line leading to the evaluation electronics, using a spring contact plate on a printed circuit board.
  • Fig. 3 is a sectional view of an imple mentation form of the application
  • Connection structure with a connection between two coaxial lines using a spring contact pin.
  • Fig. 4 is a sectional view of an imple mentation form of the application
  • connection structure 5 shows a perspective representation of an embodiment of the connection structure according to the application with a screwed press connection between a coaxial line coming from the probe and a microstrip line with printed circuit board leading to the evaluation electronics.
  • FIG. 6A shows a perspective view of an embodiment of the connection structure according to the application with an L-shaped connection between two coaxial lines using a clamp connection with a spring-turned part.
  • FIG. 6B in a sectional view the embodiment according to FIG. 6A.
  • Fig. 8 is a sectional view of an imple mentation form of the application
  • Connection structure with a straight connection between two coaxial lines using a pressed plug contact on the inner conductor and a press connection on the outer conductor.
  • FIG. 1A shows schematically the sectional view of a cylinder system with the device according to the application in which the evaluation electronics (22a) of a sensor system are arranged externally.
  • a bore or milling in the cylinder wall of the cylinder head (24a) enables a connection between the probe (2la) and the evaluation electronics (22a).
  • a coaxial connection is preferably used to transmit the electromagnetic wave.
  • FIG. 1B schematically shows the sectional view of a cylinder system with the device according to the application in which the evaluation electronics (22b) of the sensor system are arranged internally.
  • the evaluation electronics (22b) are preferably in the cylinder head (24b) of the cylinder system in a cavity near the probe (2 lb) arranged.
  • a short coaxial line is preferably used to connect the evaluation electronics (22b).
  • connection structure shows in perspective an embodiment of the connection structure according to the application, in which a 90-degree connection is realized between a coaxial signal connection (101) leading to the probe and a signal connection leading to the evaluation electronics.
  • the signal connection leading to the evaluation electronics is a microstrip line, preferably a microstrip line of the Grounded Coplanar Waveguide (gCPW) type, which is routed in a borehole.
  • the galvanic contacting is achieved with the help of one or more spring contact plates (103), which can be made, for example, of copper beryllium or other conductive materials with corresponding spring properties.
  • the copper contact plate (103) is arranged on the signal path of the microstrip line (105).
  • Fig. 3 shows the sectional view of an embodiment of the connection structure according to the application, in which an L-shaped connection between the two signal connections is realized.
  • the first and second signal connections are each a coaxial connection, with a spring contact pin (208) being used as a mechanically flexible connecting element in order to produce a coaxial angled system.
  • Fig. 4 also shows the sectional view of an embodiment of the connection structure according to the application, in which a straight connection between the two signal connections (301, 314) is realized.
  • the first and second signal connections (301, 314) in FIG. 4 are each a coaxial connection, with a spring contact pin (308) being used as a mechanically flexible connecting element
  • 3 and 4 show spring contacts as a mechanically flexible connecting element in straight and angled coaxial systems.
  • the outer conductor (202, 302) of the coaxial line is formed by the wall of the drill holes (211) in the cylinder head.
  • the inner conductors of the lines to the probe (201, 301) or to the electronics (314) are produced in the illustration using spring contact pins (208, 308) which are resiliently mounted in a sleeve (210, 310).
  • the spring (209, 309) generates pressure in the axial direction on the contact point.
  • a dielectric sleeve (210, 310) ensures mechanical stability of the contact system in the radial direction and also serves to adjust the impedance of the diameter jump that occurs.
  • rigid connections in the form of a screw or press connection, a fit or a soldered connection are also used as an interface between the evaluation electronics and the probe.
  • connection structure shows a perspective representation of an embodiment of the connection structure according to the application with a screwed press connection between a coaxial line (401) coming from the probe and a microstrip line (405) leading to the evaluation electronics with printed circuit board.
  • a rigid press connection is shown, the electrical contact between the outer and inner conductor of the coaxial line being effected by a press connection on the circuit board, and the contact pressure being applied by a screw (413) tightened to a defined torque.
  • 6A and 6B show in perspective or in section a likewise flexible, galvanic connection with plug or clamp connection in coaxial form.
  • the connection of the inner conductor of the coaxial cable (50la, 50lb) leading to the probe and the connection of the electronics (514a, 514b) is realized by a spring-turned part (515a, 515b) or a bent sheet metal part made of brass or copper beryllium, for example, which is connected to one the two inner conductors are attached, for example by gluing or soldering.
  • the spring-turned part (515a, 515b) is partially slotted in the axial direction, so that the groove has a spring effect, on the one hand to allow the insertion of the counterpart and on the other hand to ensure reliable fixation in the locked state.
  • the design of the spring-turned part (515a, 515b) must be carried out from both a mechanical and electrical point of view.
  • the choice of material and a shape that allows direct current flow in the axial direction prove to be essential for the high-frequency properties of the connection.
  • attention must also be paid to low parasitic capacitances between the turned part (515a, 515b) and the cylinder wall (502a, 502b) serving as the outer conductor.
  • Fig. 7 shows a sectional view of an embodiment of the application
  • connection structure with a press connection in a coaxial system The coaxial conductors coming from the probe and the evaluation electronics are at right angles to one another and the walls of the drill holes (611) in the cylinder head form the outer conductors (602) of the connection.
  • the press contact is realized by a dielectric clamping wedge (616) with preferred direction, which defines the flexible inner conductor coming from the electronics and presses it onto the rigid inner conductor, which establishes the connection to the probe.
  • Fig. 8 shows a sectional view of an embodiment of the application
  • Connection structure with a straight connection of two coaxial lines, the connection of the inner conductors using a pressed-in contact element (718) and the outer conductors being electrically connected via a press connection (719).
  • FIG. 1A above
  • 1B below
  • a cylinder system with internal electronics 1B
  • 2 describes a connection of the evaluation electronics and the probe using a printed circuit board with a spring plate.
  • 3 describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and the probe using coaxial conductors with a spring contact PIN.
  • 4 describes a straight connection of the evaluation electronics and probe using a spring contact pin and coaxial conductors.
  • 5 describes a connection between the evaluation electronics and the probe using a screwed press connection with printed circuit board and coaxial line.
  • 6A (above) describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and the probe in a coaxial design using a clamp connection with a spring-turned part in a perspective view.
  • FIG. 6B (below) describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and probe in a coaxial design using a clamp connection with a spring-turned part in a sectional view.
  • FIG. 7 describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and the probe using a clamp connection.
  • FIG. 8 describes a straight connection between the evaluation electronics and the probe using a pressed-in plug contact on the inner conductor and a press connection of the outer conductor.

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Abstract

The invention relates to a device for guiding an electromagnetic wave within a cylinder head of a cylinder system, wherein the device comprises analysis electronics arranged in or on the cylinder head and a probe located in the cylinder head, as well as a connecting structure guiding the electromagnetic wave and arranged between the analysis electronics and the probe for versatile positioning of the analysis electronics, the connecting structure having a first signal connection (101, 201, 301, 401, 501a, 501b, 601, 701) for connection to the probe and a second signal connection (314, 514a, 514b, 714) for connection to the analysis electronics.

Description

Vorrichtung Verbindungsstruktur zwischen Auswerteelektronik und Sonde in  Device connection structure between evaluation electronics and probe in
Zylindersystemen  cylinder systems
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Reflexionskörpers in einem Zylindersystem nach den Merkmalen des Anspruchs 1. The present invention relates to a device for detecting the position of a reflection body in a cylinder system according to the features of claim 1.
Zur Detektion der Kolbenposition von Linearantrieben mit pneumatischen oder hydraulischen Zylindern kommen gegenwärtig verschiedene Systeme zum Einsatz. Dabei kann die Erfassung der Kolbenposition diskret, d.h. an diskreten Stellen, als auch kontinuierlich, d.h. ständig während des Betriebs, erfolgen.  Various systems are currently used to detect the piston position of linear drives with pneumatic or hydraulic cylinders. The detection of the piston position can be discreet, i.e. at discrete locations, as well as continuously, i.e. constantly during operation.
Zur Erfassung von diskreten Positionen wie zum Beispiel den Endpositionen kommen überwiegend magnetoresistive Sensoren zum Einsatz, welche auf der Basis der Auswertung eines positionsgebenden Permanentmagnetes beruhen und deshalb eine hohe Empfindlichkeit gegenüber externen Störern sowie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störern, insbesondere externen Magnetfeldern aufweisen. Darüber hinaus erfolgt die Anbringung derartiger Sensorik notwendigerweise außerhalb des Zylinderrohrs, ist somit wenig robust gegenüber Umwelteinflüssen und Fremdeinwirkung und erfordert zusätzlichen Bauraum. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung steht im Kontext von Sensorsystemen, welche beispielsweise den Abstand zwischen einem reflektierenden Ziel und einer Sonde in einer Wellenleiterstruktur ermitteln. Magnetoresistive sensors, which are based on the evaluation of a position-giving permanent magnet and are therefore highly sensitive to external interference and high sensitivity to electromagnetic interference, in particular external magnetic fields, are predominantly used to detect discrete positions, such as the end positions. In addition, such sensors are necessarily attached outside the cylinder tube, are therefore not very robust against environmental influences and external influences and require additional installation space. The device according to the application is in the context of sensor systems which, for example, determine the distance between a reflecting target and a probe in a waveguide structure.
Für die kontinuierliche Erfassung der Kolbenposition hingegen kommen diverse Messprinzipien zum Einsatz. Neben potentiometrischen, magnetostriktiven und induktiven Sensoren beruhend auf dem LVDT-Prinzip (Linear Variable Differential Transformer) werden seit einiger Zeit auch berührungslose Sensoren basierend auf Ultraschall oder dem Radar- Prinzip eingesetzt. Die Druckschrift EP 1 040 316 beschreibt eine derartige Vorrichtung basierend auf dem Radar Prinzip. Der technische Vorteil derartiger Radar basierter Sensoren ergibt sich im Wesentlichen dadurch, dass an der Mehrzahl der relevanten Mechanik- Baugruppen wie Kolben, Endlagendämpfung, oder Kolbenstange keine Änderungen erforderlich sind. Ähnliches gilt auch für Ultraschallsensoren, jedoch sind diese nur bedingt für die Wegmessung in Pneumatik- und Hydraulikzylindern geeignet, da sich die Eigenschaften des Dielektrikums und somit die Messgenauigkeit mit dem Zylinderdruck und der Temperatur des Mediums stark ändert. Weitere Ursachen für eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften des Mediums in der Leitungsstruktur können u. a. Verschmutzung, Luftblasen, Wasser im Medium oder Wechsel des Mediums sein. Generell haben die Umgebungseigenschaften und Verunreinigungen des Mediums zwar auch Einfluss auf die Wellenausbreitung in Zentimeter- und Millimeterwellenbereich, jedoch kann hier der bestehende Nachteil mittels geeigneter Maßnahmen kompensiert werden. Beispielsweise ist in der Patentschrift DE 10 2013 018 808 Al ein Zylindersensor mit einer in Form einer Transmissions- oder Reflexionssonde ausgeprägten Sensorstruktur für eine Referenzmessung des Ausbreitungs-Mediums im Zylinder beschrieben, welche die notwendigen Parameter für eine Korrektur des Abstandswertes erfasst. Darüber hinaus existieren weitere Möglichkeiten die Umgebungseigenschaften aus dem Messsignal zu bestimmen und entsprechend zu kompensieren. Die Montage der Radar-Sensorik erfolgt üblicherweise an einem Ende im Zylinderkopf. Dabei kann die Auswerteelektronik im Kopf integriert werden oder über eine TEM-Leitung in Form einer Koaxialleitung verbunden extern angebracht werden. Letzteres erweist sich in der Praxis als problematisch, da sich Umwelteinflüsse negativ auf die Eigenschaften der Koaxialleitung auswirken und dennoch keine beliebige Platzierung der externen Elektronik möglich ist. Weiterhin führt der Einsatz einer externen Auswerteelektronik zu einer zunehmenden Komplexität des Systems, wobei bei Nichtbeachtung Temperatureffekte aber auch höhere Dispersion durch zunehmende Leitungslänge zu Fehlem im System führen.On the other hand, various measuring principles are used for the continuous recording of the piston position. In addition to potentiometric, magnetostrictive and inductive sensors based on the LVDT principle (Linear Variable Differential Transformer), non-contact sensors based on ultrasound or the radar principle have also been used for some time. The document EP 1 040 316 describes such a device based on the radar principle. The technical advantage of such radar-based sensors essentially results from the fact that no changes are required on the majority of the relevant mechanical assemblies such as pistons, end position damping or piston rod. The same applies to ultrasonic sensors, however, these are only suitable to a limited extent for displacement measurement in pneumatic and hydraulic cylinders, since the properties of the dielectric and thus the measurement accuracy change greatly with the cylinder pressure and the temperature of the medium. Other causes of a change in the dielectric properties of the medium in the line structure can include contamination, air bubbles, water in the medium or changing the medium. Generally they have Ambient properties and contamination of the medium also influence the wave propagation in the centimeter and millimeter wave range, but the existing disadvantage can be compensated for here by taking suitable measures. For example, patent specification DE 10 2013 018 808 A1 describes a cylinder sensor with a sensor structure in the form of a transmission or reflection probe for a reference measurement of the propagation medium in the cylinder, which detects the necessary parameters for a correction of the distance value. In addition, there are other options for determining the environmental properties from the measurement signal and compensating accordingly. The radar sensors are usually installed at one end in the cylinder head. The evaluation electronics can be integrated in the head or attached externally via a TEM line in the form of a coaxial line. The latter proves to be problematic in practice, since environmental influences have a negative effect on the properties of the coaxial line and nevertheless no arbitrary placement of the external electronics is possible. Furthermore, the use of external evaluation electronics leads to an increasing complexity of the system, whereby if temperature effects are not observed, higher dispersion leads to errors in the system due to the increasing cable length.
Sowohl die kontinuierliche als auch die diskrete Kolbenpositionsbestimmung können nicht oder nur mit erheblichem konstruktiven Aufwand und den dadurch verbundenen hohen Kosten in einen Zylinder integriert werden. Der erhebliche konstruktive Aufwand ist dadurch begründet, dass alle beschriebenen gängigen Sensorprinzipien auf die entsprechende Zylinderlänge angepasst werden müssen, da sie einen zu kurzen Erfassungsbereich besitzen. Ein kontaktloses auf Mikrowellen basierendes Sensorprinzip mit interner Elektronik wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt deshalb bevorzugt eingesetzt. Der wesentliche Nachteil eines Sensorkonzepts mit interner Elektronik ist der zusätzlich benötigte Bauraum, welcher sich in einer unerwünschten Überlänge des Zylinders bemerkbar macht. Both the continuous and the discrete piston position determination cannot be integrated into a cylinder or can only be integrated with considerable design effort and the associated high costs. The considerable design effort is due to the fact that all of the common sensor principles described have to be adapted to the corresponding cylinder length, since they have a detection area that is too short. A contactless microwave-based sensor principle with internal electronics is therefore preferred at the present time. The main disadvantage of a sensor concept with internal electronics is the additional space required, which is reflected in an undesirable excess length of the cylinder.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu vermeiden bzw. derart zu verbessern, dass die Integrationsfähigkeit von Elektronik und Sonde verbessert wird und größere Freiheiten in der Positionierung der Auswerteelektronik erreicht werden.  The object of the present invention is to avoid the disadvantages present in the prior art or to improve them in such a way that the integration capability of electronics and probe is improved and greater freedom in the positioning of the evaluation electronics is achieved.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst. This object is achieved on the device side by the features according to claim 1.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Führen einer elektromagnetischen Welle innerhalb eines Zylinderkopfes eines Zylindersystems, wobei die Vorrichtung eine in oder an dem Zylinderkopf angeordnete Aus Werteelektronik und eine in dem Zylinderkopf befindlichen Sonde sowie eine die elektromagnetische Welle führende, zwischen der Aus Werteelektronik und der Sonde zur flexiblen Positionierung der Auswerteelektronik angeordnete Verbindungsstruktur, wobei die Verbindungstruktur einen ersten Signalanschluss zum Anschluss an die Sonde und einen zweiten Signalanschluss zum Anschluss an der Auswerteelektronik aufweist. The invention relates to a device according to claim 1 for guiding an electromagnetic wave within a cylinder head of a cylinder system, the device comprising an electronic device arranged in or on the cylinder head and one in the Cylinder head located probe and a connection structure guiding the electromagnetic wave, arranged between the evaluation electronics and the probe for flexible positioning of the evaluation electronics, the connection structure having a first signal connection for connection to the probe and a second signal connection for connection to the evaluation electronics.
Grundsätzlich ermöglicht die Erfindung sowohl den Einsatz einer im Zylinderkopf integrierten Auswerteelektronik, als auch die Nutzung einer externen Auswerteelektronik. Die Erfindung erreicht das durch eine verlustarme, gegen mechanische und elektrische Einflüsse resistente Übertragung der elektromagnetischen Welle auf der Verbindungsstrecke zwischen Auswerteelektronik und Sonde.  In principle, the invention enables both the use of evaluation electronics integrated in the cylinder head and the use of external evaluation electronics. The invention achieves this by low-loss transmission of the electromagnetic wave, which is resistant to mechanical and electrical influences, on the connecting path between the evaluation electronics and the probe.
Grundsätzlich dient die Sonde als verlustarmer Wellenleiterübergang, welcher das hochfrequente Signal in einen im zylindrischen Hohlraum ausbreitungsfähigen Mode und/oder zurück konvertiert. Die Sonde dient entweder direkt als sensorische Komponente oder wird zum bidirektionalen/unidirektionalen Aussenden und/oder Empfangen einer elektromagnetischen Welle verwendet, um Rückschlüsse auf Eigenschaften der Messumgebung insbesondere der Kolbenposition zu ziehen. Die Sonde ermöglicht das Anregen und das Empfangen eines dedizierten Modes im Wellenleiter, dessen Ausbreitungsfähigkeit wiederum insbesondere von der Frequenz des hochfrequenten Signals, den geometrischen Größen und Umgebungsbedingungen, insbesondere dem Durchmesser des zylindrischen Hohlkörpers sowie insbesondere im Falle von hydraulischen Zylindersystemen von den dielektrischen Eigenschaften des im Hohlkörper befindlichen Mediums abhängt. Die Sonde erlaubt somit eine Auswertung der Zylindereigenschaften, insbesondere der Kolbenposition, oder aber eine Auswertung des im Zylinder befindlichen Mediums oder beides.  Basically, the probe serves as a low-loss waveguide transition, which converts the high-frequency signal into a mode that can propagate in the cylindrical cavity and / or back. The probe either serves directly as a sensor component or is used for bidirectional / unidirectional transmission and / or reception of an electromagnetic wave in order to draw conclusions about properties of the measurement environment, in particular the piston position. The probe enables the excitation and reception of a dedicated mode in the waveguide, the spreadability of which in turn depends in particular on the frequency of the high-frequency signal, the geometric sizes and environmental conditions, in particular the diameter of the cylindrical hollow body and, in the case of hydraulic cylinder systems, in particular on the dielectric properties of the im Medium located in the hollow body depends. The probe thus allows an evaluation of the cylinder properties, in particular the piston position, or an evaluation of the medium in the cylinder, or both.
Darüber hinaus erlaubt die flexible Positionierung der Auswerteelektronik eine mechanische und/oder räumliche Entkopplung von Sonde und Auswerteelektronik was insbesondere der Stabilität gegenüber mechanischen Toleranzen und Temperaturabhängigkeiten zuträglich ist. Zusätzlich werden durch eine separate und unkomplizierte Austauschbarkeit der Auswerteelektronik Wettbewerbsvorteile gegenüber anderen Sensorsystemen generiert und die flexible Positionierung der Elektronik reduziert den dafür notwenigen Bauraum im Zylindersystem.  In addition, the flexible positioning of the evaluation electronics allows mechanical and / or spatial decoupling of the probe and evaluation electronics, which is particularly conducive to stability with regard to mechanical tolerances and temperature dependencies. In addition, a separate and uncomplicated interchangeability of the evaluation electronics generates competitive advantages over other sensor systems, and the flexible positioning of the electronics reduces the space required in the cylinder system.
Weitergehende vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Vorteilhaft ist die Verbindungsstruktur nach Anspruch 2 flexibel oder vorzugsweise teilweise flexibel ausgebildet, um die Montage und Demontage zu vereinfachen und um gegebenenfalls Temperatureffekte zu minimieren. Gemäß Anspruch 3 ist die Verbindungsstruktur starr ausgebildet, um eine fixe Positionierung der Auswerteelektronik zu erreichen. Vorteilhafterweise wird gemäß Anspruch 4 eine Koaxialverbindung zur Übertragung der elektrischen Welle genutzt, wobei diese aufgrund ihrer mechanischen Stabilität einen flexiblen Einsatz im Zylindersystem ermöglicht und Störstrahlung verhindert wird. Als Außenleiter der Koaxialleitung kann dabei die Wand der für die Verbindung vorgesehenen Bohrungen im Zylinderkopf dienen. Die Anschlüsse von Sonde und Auswerteelektronik werden dabei bevorzugt aber nicht ausschließlich in Form einer TEM-Leitung realisiert. Gemäß Anspruch 5 werden zwischen dem ersten und zweiten Signalanschluss beliebige Winkel realisiert. Dadurch können sämtliche Freiheits grade im mechanischen Design des Zylindersystems zugelassen werden. Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen dem ersten und zweiten Signalanschluss 90-Grad. Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. The connecting structure according to claim 2 is advantageously flexible or preferably partially flexible in order to simplify assembly and disassembly and to minimize temperature effects if necessary. According to claim 3, the connection structure is rigid in order to achieve a fixed positioning of the evaluation electronics. Advantageously, according to claim 4, a coaxial connection is used for the transmission of the electric shaft, which, due to its mechanical stability, enables flexible use in the cylinder system and prevents interference radiation. The wall of the holes provided for the connection in the cylinder head can serve as the outer conductor of the coaxial line. The connections of the probe and evaluation electronics are preferably but not exclusively realized in the form of a TEM line. According to claim 5, any angles are realized between the first and second signal connection. This allows all degrees of freedom in the mechanical design of the cylinder system. The angle between the first and second signal connection is preferably 90 degrees.
Die Realisierung kann gemäß dem Anspruch 6 und 7 auch als Mischform verschiedener Leiterstrukturen vorliegen um eine Minimierung der Verbindungspunkte zwischen den Baugruppen zu erreichen und somit den Bauraum optimal auszunutzen. So erweist sich beispielsweise die Kombination einer Koaxialleitung und einem Streifenleitungstyp auf Leiterkarte als besonders vorteilhaft für eine mechanische Entkopplung der Sonde von der Auswerteelektronik. Generell spricht insbesondere bei Realisierung auf Leiterkarte nichts dagegen andere Leitungstypen, welche nicht notwendigerweise einen TEM-Feldtyp aufweisen für die Realisierung der Verbindung einzusetzen. Vorteilhafterweise kommen nach Anspruch 8 Streifenleitungen und vorzugsweise Mikrostreifenleitungen (MSL) zum Einsatz, wobei diese besonders für den internen Betrieb in Zylindersystemen geeignet sind und bevorzugt für kurze Entfernungen eingesetzt werden. Grundsätzlich können auch alternative Streifenleitungstechnologien verwendet werden, wie beispielsweise ein MSL-ähnlicher Grounded Coplanar Waveguide (gCPW). According to claims 6 and 7, the implementation can also be in the form of a mixture of different conductor structures in order to minimize the connection points between the assemblies and thus optimally utilize the installation space. For example, the combination of a coaxial line and a stripline type on a printed circuit board proves to be particularly advantageous for mechanical decoupling of the probe from the evaluation electronics. In general, especially when implemented on a printed circuit board, there is nothing to be said against using other line types which do not necessarily have a TEM field type to implement the connection. Strip lines and preferably microstrip lines (MSL) are advantageously used, which are particularly suitable for internal operation in cylinder systems and are preferably used for short distances. In principle, alternative stripline technologies can also be used, such as an MSL-like Grounded Coplanar Waveguide (gCPW).
Vorteilhafterweise kann nach Anspruch 9 eine galvanische Kontaktierung zwischen den ersten und zweiten Signalanschluss vorgenommen werden, wobei der galvanische Kontakt der Verbindung abhängig von den vorherrschenden Rahmenbedingungen auf verschiedene Arten erfolgen kann. Gemäß den Ansprüchen 10 bis 15 kommen zur Herstellung eines galvanischen Kontakts zwischen den Signalanschlüssen von Sonde und Auswerteelektronik folgende Kontaktierungsmethoden in Frage: Elemente mit Federwirkung, in Form von Federkontakten, Advantageously, a galvanic contact can be made between the first and second signal connections, the galvanic contact of the connection being able to take place in different ways depending on the prevailing framework conditions. According to claims 10 to 15, the following contacting methods can be used to establish a galvanic contact between the signal connections of the probe and the evaluation electronics: Elements with spring action, in the form of spring contacts,
Steck- oder Klemmverbindungen,  Plug or clamp connections,
Schraub- oder Pressverbindungen und  Screw or press connections and
Fötverbindungen,  Fötverbindungen,
wobei Federkontakte die höchste Flexibilität aufweisen und Schraubverbindungen, Pressverbindungen sowie Fötverbindungen hingegen als mechanisch starr zu betrachten sind.spring contacts have the highest flexibility and screw connections, press connections as well as joint connections are to be considered as mechanically rigid.
Vorzugsweise kann gemäß Anspruch 10 die galvanische Kontaktierung in Form eines Elements mit Federwirkung erreicht werden. Die Kontaktierung zwischen Sonde und Auswerteelektronik mit Federkontakten kann in koaxialen Systemen beispielsweise mit sogenannten Feder- Kontakt- Stiften bestehend aus einer Hülse mit Feder und einem Kontakt-Pin realisiert werden, wobei beim Auftreten hoher Kräfte und mechanischen Verspannungen Federkontakte besonders vorteilhaft sind. Auf einer Feiterkarte erfolgt die Realisierung durch Blechbiegeteile mit Federwirkung oder mit für die Bestückung geeigneten Kontaktpins. Derartige Kontakte erlauben neben Einbautoleranzen bei der Fertigung auch während des Betriebs axiale und radiale Bewegungen der von der Sonde kommenden Signalleitung, insbesondere von deren Innenleiter. Dies kann sich insbesondere bei vorherrschenden hohen Kräften in Hochdruck- Systemen als Vorteil erweisen, da sich hier bekanntermaßen die Innenleiter gegenüber dem Zylinderkopf in Abhängigkeit des Drucks verschieben. Durch einen beweglichen Kontakt kann so mechanischem Verschleißen der Kontaktstelle entgegengewirkt werden. Ein alternativer Ansatz zur Realisierung von Kontakten mit Federwirkung sind gemäß Anspruch 11 leitfähige Elastomere oder Schäume, welche mit leitfähiger Folie überzogen sind. Diese folgen bei Montage unter Vorspannung der Bewegung des beweglichen Kontakts, wobei eine hohe mechanische Festigkeit und Elastizität der Verbindungsstruktur erreicht wird. Preferably, the galvanic contacting can be achieved in the form of an element with spring action. The contact between the probe and the evaluation electronics with spring contacts can be realized in coaxial systems, for example with so-called spring contact pins consisting of a sleeve with spring and a contact pin, spring contacts being particularly advantageous when high forces and mechanical tension occur. On a Feiterkarte the realization is carried out by sheet metal parts with spring action or with contact pins suitable for the assembly. In addition to installation tolerances during manufacture, such contacts also allow axial and radial movements of the signal line coming from the probe, in particular from its inner conductor, during operation. This can prove to be an advantage, particularly in the presence of high forces in high-pressure systems, since it is known that the inner conductors shift relative to the cylinder head depending on the pressure. Mechanical contact wear can thus be counteracted by means of a movable contact. An alternative approach to realizing contacts with spring action are, according to claim 11, conductive elastomers or foams which are covered with conductive foil. These follow the movement of the movable contact during assembly under pretension, with a high mechanical strength and elasticity of the connecting structure being achieved.
Gemäß Anspruch 12 erlauben Steck- oder Klemmverbindungen Toleranzen beim Einbau, sind jedoch im Betrieb als weniger flexibel anzusehen und unterliegen im Betrieb insbesondere Verschleiß durch Abrieb der Kontaktflächen. Einbautoleranzen und auftretender Versatz zwischen einzelnen Komponenten können jedoch kompensiert werden. Weiterhin weisen diese Verbindungstypen eine gute Temperaturbeständigkeit auf. Gemäß Anspruch 13 und Anspruch 14 können durch den Einsatz von Schraub- und Pressverbindungen in Form von Passungen und Pressungen mechanisch starre Verbindungen zwischen der elektronischen Schaltung und der Sonde erreicht werden, welche eine einfache Montage und Demontage ermöglichen. Vorzugsweise kommt gemäß Anspruch 14 eine Pressung unter Verwendung leitfähiger Elastomere zum Einsatz oder nach Anspruch 15 eine Fötverbindung. Derartige Verbindungen können beim Auftreten hoher Kräfte und mechanischen Verspannungen, beispielsweise aufgrund von Temperaturgradienten der beteiligten Materialien, stark verschleißen oder irreversibel zerstört werden. Beim Auftreten hoher Kräfte und starken Temperaturgradienten sind deshalb Federkontakte besonders zu bevorzugen. According to claim 12 plug or clamp connections allow tolerances during installation, but are to be regarded as less flexible in operation and are subject to wear in particular due to abrasion of the contact surfaces. Installation tolerances and any offset occurring between individual components can, however, be compensated for. Furthermore, these types of connections have good temperature resistance. According to claim 13 and claim 14 mechanically rigid connections between the electronic circuit and the probe can be achieved by the use of screw and press connections in the form of fits and pressings, which enable easy assembly and disassembly. Preferably, according to claim 14, a pressure using conductive elastomers is used or, according to claim 15, a fetus connection. Such connections can wear out or be irreversibly destroyed when high forces and mechanical tension occur, for example due to temperature gradients of the materials involved. When high forces and strong temperature gradients occur, spring contacts are therefore particularly preferred.
Durch den Einsatz flexibler Verbindungen in Form von Federkontakten kann eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber auftretenden Toleranzen, in axialer und radialer Richtung des Zylinders, sowie gegenüber bei der Produktion auftretenden Fertigungstoleranzen erreicht werden. Dabei werden sowohl die Kontaktierungs- und Montage- Stellen im Zylinderkopf betrachtet, gleichzeitig wird aber auch dem Einfluss auf das Verbindungsstück selbst Beachtung geschenkt. Beispielsweise zeigen gezielt ausgewählte Leitungstechnologien eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber Bohrlochtoleranzen. Durch die Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde kann ein Integrationskonzept realisiert werden um Toleranzen wie zum Beispiel axiale, radiale und Fertigungstoleranzen der Kontaktierungs- und Montagestellen auszugleichen. Weiterhin wird es durch das Integrationskonzept möglich eine gröbere Tolerierung in der Fertigung der mechanischen Bauteile zuzulassen. Ein weiterer Vorteil des Integrationskonzepts kann sich ergeben, wenn die Auslegung derart erfolgt, dass beispielsweise die Montagereihenfolge von Sonde und Auswerteelektronik frei gestaltbar ist. Dies wirkt sich auch positiv auf die Austauschbarkeit einzelner Komponenten aus. Durch eine separate und unkomplizierte Austauschbarkeit der Auswerteelektronik lässt sich beispielsweise ein Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen Sensorsystemen generieren. Ermöglicht das Integrationskonzept eine Impedanztransformation zwischen Auswerteelektronik und Sonde kann sich das wiederum positiv auf die Größe des Sensorsystems auswirken. Während die Elektronik häufig auf Basis eines 50 Ohm Leitungswellenwiderstandes beruht, ist die Fußpunktimpedanz der Sonde dann nahezu frei wählbar. Durch die Verschiebung der Impedanztransformations-Stufen von der Sonde auf die Zuleitung kann deshalb der notwendige Bauraum für den Sensor signifikant verkleinert werden. By using flexible connections in the form of spring contacts, greater insensitivity to tolerances that occur, in the axial and radial direction of the cylinder, and to manufacturing tolerances that occur during production can be achieved. Both the contacting and assembly points in the cylinder head are considered, but at the same time attention is paid to the influence on the connector itself. For example, selectively selected line technologies are more insensitive to borehole tolerances. By connecting the evaluation electronics and the probe, an integration concept can be implemented to compensate for tolerances such as axial, radial and manufacturing tolerances of the contacting and assembly points. Furthermore, the integration concept makes it possible to allow a coarse tolerance in the manufacture of the mechanical components. A further advantage of the integration concept can result if the design is carried out in such a way that, for example, the assembly sequence of the probe and evaluation electronics can be freely designed. This also has a positive effect on the interchangeability of individual components. A separate and uncomplicated interchangeability of the evaluation electronics can, for example, generate a competitive advantage over other sensor systems. If the integration concept enables an impedance transformation between the evaluation electronics and the probe, this in turn can have a positive effect on the size of the sensor system. While the electronics are often based on a 50 ohm line impedance, the base impedance of the probe can then be selected almost freely. By shifting the impedance transformation stages from the probe to the supply line, the space required for the sensor can therefore be significantly reduced.
Neben galvanischen Verbindungen kommen gemäß Anspruch 16 auch galvanisch getrennte Signalanschlüsse zur Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde zum Einsatz, um Störsignale zu reduzieren und eine verzögerungsfreie Signalübertragung zu ermöglichen. Eine derartige Verbindung liegt gemäß Anspruch 18 vor, wenn zum Beispiel der Koppler zur Trennung von Sende- und Empfangssignal in die Verbindung integriert wird. Dabei kann der Koppler sowohl als Leitungs Struktur realisiert werden oder in Form eines diskreten Bauelements mit galvanischer Trennung auf eine Leiterplatte integriert werden. Zweckmäßigerweise wird gemäß Anspruch 17 die galvanische Trennung zwischen dem ersten Signalanschluss und der Auswerteelektronik ausgeführt und durch das Verwenden parallel geführter Leitungen wird dabei eine galvanische Trennung der Signalanschlüsse erreicht.In addition to galvanic connections, galvanically isolated signal connections are also used to connect the evaluation electronics and the probe, in order to reduce interference signals and to enable signal transmission without delay. Such a connection is present according to claim 18 if, for example, the coupler for separating the transmit and receive signal is integrated in the connection. The coupler can be implemented as a line structure or integrated in the form of a discrete component with electrical isolation on a circuit board. The electrical isolation between the first signal connection and the evaluation electronics is expediently carried out, and the use of parallel cables leads to electrical isolation of the signal connections.
Durch die Bereitstellung zusätzlicher Funktionalitäten im Verbindungsstück zwischen Auswerteelektronik und Sonde kann die Vorrichtung Temperatureffekte und höhere Dispersion bei zunehmender Leitungslänge vermeiden. Gemäß Anspruch 19 sind hier zuschaltbare oder in dem Signalanschluss integrierte Kalibrations Strukturen zu nennen, welche in Kombination mit geeigneten Verfahren erlauben die Eigenschaften der elektronischen Schaltung und des Verbindungsstücks bis zur Kalibrationsebene zu eliminieren. Gemäß Anspruch 20 ist es durch den Einsatz von einem oder mehreren analogen oder digitalen Temperatursensoren weiterhin möglich den Temperaturgang der Verbindung zwischen Sonde und Auswerteelektronik zu überwachen um diesen mittels eines geeigneten Verfahrens bei der Signalauswertung zu kompensieren. By providing additional functionalities in the connector between the evaluation electronics and the probe, the device can avoid temperature effects and higher dispersion with increasing cable length. According to claim 19, switchable calibration structures or integrated in the signal connection are to be mentioned here, which, in combination with suitable methods, allow the properties of the electronic circuit and the connector to be eliminated up to the calibration level. According to claim 20, the use of one or more analog or digital temperature sensors also makes it possible to monitor the temperature response of the connection between the probe and the evaluation electronics in order to compensate for this by means of a suitable method in the signal evaluation.
Gemäß Anspruch 21 wird eine elektromagnetische Welle im Hochfrequenzbereich zwischen 10 MHz bis 100 GHz eingespeist. In der Abhängigkeit von den Dimensionen bzw. Ausmessungen des als Leitungs Struktur verwendeten Zylinders und Wellenmode wird eine geeignete Frequenz gewählt, die über der unteren Grenzfrequenz des verwendeten Wellenmodus liegt. Die Verwendung von mehreren Frequenzen ermöglicht dabei eine höhere Genauigkeit, da unkorrelierte Messfehler herausgemittelt werden können.  According to claim 21, an electromagnetic wave in the high frequency range between 10 MHz to 100 GHz is fed. Depending on the dimensions or dimensions of the cylinder and wave mode used as the line structure, a suitable frequency is selected which lies above the lower limit frequency of the wave mode used. The use of multiple frequencies enables greater accuracy, since uncorrelated measurement errors can be averaged out.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Dabei zeigen:  Further advantages, features and possible uses of the present invention result from the following description of preferred exemplary embodiments in conjunction with the drawing. Show:
Fig. 1A in schematischer Schnittdarstellung ein Zylindersystem mit externer Fig. 1A in a schematic sectional view of a cylinder system with an external
Auswerteelektronik in verallgemeinernder Form. Evaluation electronics in a generalized form.
Fig. 1B in schematischer Schnittdarstellung ein Zylindersystem mit interner Fig. 1B in a schematic sectional view of a cylinder system with an internal
Aus Werteelektronik in verallgemeinernder Form. From value electronics in a generalized form.
Fig. 2 in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer 90-Grad Verbindung zwischen einer zur Sonde führenden Koaxialleitung und einer zur Auswerteelektronik führenden Mikrostreifenleitung unter Verwendung eines Feder-Kontakt-Blechs auf einer Leiterkarte. Fig. 3 in Schnittdarstellung eine Aus führungs form der anmeldungsgemäßen2 shows a perspective view of an embodiment of the connection structure according to the application with a 90-degree connection between a coaxial line leading to the probe and a microstrip line leading to the evaluation electronics, using a spring contact plate on a printed circuit board. Fig. 3 is a sectional view of an imple mentation form of the application
Verbindungsstruktur mit einer Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung eines Federkontaktpins. Connection structure with a connection between two coaxial lines using a spring contact pin.
Fig. 4 in Schnittdarstellung eine Aus führungs form der anmeldungsgemäßen Fig. 4 is a sectional view of an imple mentation form of the application
Verbindungsstruktur mit einer geraden Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung eines Federkontaktpins. Connection structure with a straight connection between two coaxial lines using a spring contact pin.
Fig. 5 in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer geschraubten Pressverbindung zwischen einer von der Sonde kommenden Koaxialleitung und einer zur Auswerteelektronik führenden Mikrostreifenleitung mit Leiterkarte.  5 shows a perspective representation of an embodiment of the connection structure according to the application with a screwed press connection between a coaxial line coming from the probe and a microstrip line with printed circuit board leading to the evaluation electronics.
Fig. 6A in perspektivischer Darstellung eine Aus führungs form der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer L-förmigen Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung einer Klemmverbindung mit Feder-Drehteil.  6A shows a perspective view of an embodiment of the connection structure according to the application with an L-shaped connection between two coaxial lines using a clamp connection with a spring-turned part.
Fig. 6B in Schnittdarstellung die Ausführungsform gemäß Fig. 6A.  6B in a sectional view the embodiment according to FIG. 6A.
Fig. 7 in Schnittdarstellung eine Aus führungs form der anmeldungsgemäßen Fig. 7 in a sectional view of an imple mentation form of the application
Verbindungsstruktur mit einer L-förmigen Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung einer Klemmverbindung. Connection structure with an L-shaped connection between two coaxial lines using a clamp connection.
Fig. 8 in Schnittdarstellung eine Aus führungs form der anmeldungsgemäßen Fig. 8 is a sectional view of an imple mentation form of the application
Verbindungsstruktur mit gerader Verbindung zwischen zwei Koaxialleitungen unter Verwendung eines gepressten Steckkontakts am lnnenleiter und einer Pressverbindung am Außenleiter. Connection structure with a straight connection between two coaxial lines using a pressed plug contact on the inner conductor and a press connection on the outer conductor.
Fig. 1A zeigt schematisch die Schnittdarstellung eines Zylindersystems mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung bei der die Auswerteelektronik (22a) eines Sensorsystems extern angeordnet ist. Bei der externen Realisierung wird durch eine Bohrung oder Fräsung in der Zylinderwand des Zylinderkopfs (24a) eine Verbindung zwischen Sonde (2la) und Auswerteelektronik (22a) ermöglicht. Bevorzugt wird eine Koaxialverbindung zur Übertragung der elektromagnetischen Welle genutzt.  1A shows schematically the sectional view of a cylinder system with the device according to the application in which the evaluation electronics (22a) of a sensor system are arranged externally. In the external implementation, a bore or milling in the cylinder wall of the cylinder head (24a) enables a connection between the probe (2la) and the evaluation electronics (22a). A coaxial connection is preferably used to transmit the electromagnetic wave.
Fig. 1B zeigt schematisch die Schnittdarstellung eines Zylindersystems mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung bei der die Auswerteelektronik (22b) des Sensorsystems intern angeordnet ist. Bei der internen Realisierung ist die Auswerteelektronik (22b) vorzugsweise im Zylinderkopf (24b) des Zylindersystems in einer Kavität nahe der Sonde (2 lb) angeordnet. Bevorzugt wird eine kurze Koaxialleitung zum Anschluss der Auswerteelektronik (22b) verwendet. 1B schematically shows the sectional view of a cylinder system with the device according to the application in which the evaluation electronics (22b) of the sensor system are arranged internally. In the internal implementation, the evaluation electronics (22b) are preferably in the cylinder head (24b) of the cylinder system in a cavity near the probe (2 lb) arranged. A short coaxial line is preferably used to connect the evaluation electronics (22b).
Fig. 2 zeigt perspektivisch eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur, bei der eine 90-Grad Verbindung zwischen einem zur Sonde führenden koaxialen Signalanschluss (101) und einem zur Auswerteelektronik führenden Signalanschluss realisiert wird. Bei dem zur Auswertelektronik führenden Signalanschluss handelt es sich um eine Mikrostreifenleitung, vorzugsweise um eine Mikrostreifenleitung vom Typ Grounded Coplanar Waveguide (gCPW), welche in einem Bohrloch geführt wird. Die galvanische Kontaktierung wird mit Hilfe eines oder mehrerer Federkontaktbleche (103) erreicht, welche beispielsweise aus Kupfer-Beryllium oder anderen leitfähigen Materialien mit entsprechenden Federeigenschaften gefertigt werden können. Das Kupferkontaktblech (103) ist auf dem Signalpfad der Mikrostreifenleitung (105) angeordnet. Im Signalpfad ist bei der Auslegung insbesondere die Stromverteilung an der Kontaktstelle und der induktive Einfluss des Federkontaktblechs (103) zu beachten. Die Verwendung eines dedizierten Netzwerks zur Impedanz-Anpassung bevorzugt auf der Leiterkarte (104) und/oder im koaxialen System kann sich als sinnvoll erweisen, ist bei korrekter Auslegung des Federkontaktblechs (103) jedoch nicht zwingend erforderlich. Weiterhin sind auf der Leiterkarte (104) ein oder mehrere analoge und/oder digitale Temperatursensoren (106) angeordnet, die den Temperaturgang der Verbindung zwischen Sonde und Auswerteelektronik überwachen um diesen mittels eines geeigneten Verfahrens bei der Signalauswertung zu kompensieren.  2 shows in perspective an embodiment of the connection structure according to the application, in which a 90-degree connection is realized between a coaxial signal connection (101) leading to the probe and a signal connection leading to the evaluation electronics. The signal connection leading to the evaluation electronics is a microstrip line, preferably a microstrip line of the Grounded Coplanar Waveguide (gCPW) type, which is routed in a borehole. The galvanic contacting is achieved with the help of one or more spring contact plates (103), which can be made, for example, of copper beryllium or other conductive materials with corresponding spring properties. The copper contact plate (103) is arranged on the signal path of the microstrip line (105). When designing the signal path, pay particular attention to the current distribution at the contact point and the inductive influence of the spring contact plate (103). The use of a dedicated network for impedance matching, preferably on the printed circuit board (104) and / or in the coaxial system, may prove useful, but is not absolutely necessary if the spring contact plate (103) is correctly designed. Furthermore, one or more analog and / or digital temperature sensors (106) are arranged on the circuit board (104), which monitor the temperature response of the connection between the probe and the evaluation electronics in order to compensate for this by means of a suitable method in the signal evaluation.
Fig. 3 zeigt die Schnittdarstellung einer Aus führungs form der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur, bei der eine L-förmige Verbindung zwischen den beiden Signalanschlüssen realisiert wird. Bei dem ersten und zweiten Signalanschluss handelt es sich jeweils um eine Koaxialverbindung wobei ein Federkontakt-Pin (208) als mechanisch flexibles Verbindungselement eingesetzt wird, um ein koaxiales abgewinkeltes System zu erzeugen. Fig. 3 shows the sectional view of an embodiment of the connection structure according to the application, in which an L-shaped connection between the two signal connections is realized. The first and second signal connections are each a coaxial connection, with a spring contact pin (208) being used as a mechanically flexible connecting element in order to produce a coaxial angled system.
Fig. 4 zeigt ebenfalls die Schnittdarstellung einer Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur, bei der eine gerade Verbindung zwischen den beiden Signalanschlüssen (301, 314) realisiert wird. Wie bei der Fig. 3 handelt es sich bei dem ersten und zweiten Signalanschluss (301, 314) in Fig. 4 jeweils um eine Koaxialverbindung wobei ein Federkontakt-Pin (308) als mechanisch flexibles Verbindungselement eingesetzt wird Fig. 4 also shows the sectional view of an embodiment of the connection structure according to the application, in which a straight connection between the two signal connections (301, 314) is realized. As in FIG. 3, the first and second signal connections (301, 314) in FIG. 4 are each a coaxial connection, with a spring contact pin (308) being used as a mechanically flexible connecting element
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Federkontakte als mechanisch flexibles Verbindungselement in geraden und abgewinkelten koaxialen Systemen. In beiden Darstellungen wird der Außenleiter (202, 302) der Koaxialleitung durch die Wand der Bohrlöcher (211) im Zylinderkopf gebildet. Die Innenleiter der Leitungen zur Sonde (201, 301) beziehungsweise zur Elektronik (314) werden in der Darstellung unter Verwendung von Federkontakt-Pins (208, 308) bewerkstelligt, welche in einer Hülse (210, 310) federnd gelagert sind. Die Feder (209, 309) erzeugt dabei Druck in axialer Richtung auf den Kontaktpunkt. Eine dielektrische Hülse (210, 310) sorgt für mechanische Stabilität des Kontaktsystems in radialer Richtung und dient weiterhin der Impedanz-Anpassung des auftretenden Durchmessersprungs. 3 and 4 show spring contacts as a mechanically flexible connecting element in straight and angled coaxial systems. In both representations, the outer conductor (202, 302) of the coaxial line is formed by the wall of the drill holes (211) in the cylinder head. The inner conductors of the lines to the probe (201, 301) or to the electronics (314) are produced in the illustration using spring contact pins (208, 308) which are resiliently mounted in a sleeve (210, 310). The spring (209, 309) generates pressure in the axial direction on the contact point. A dielectric sleeve (210, 310) ensures mechanical stability of the contact system in the radial direction and also serves to adjust the impedance of the diameter jump that occurs.
Neben teilweise oder komplett flexiblen Verbindungen kommen auch starre Verbindungen in Form einer Schraub- oder Pressverbindung, einer Passung oder auch einer Lötverbindung als Interface zwischen Auswerteelektronik und Sonde zum Einsatz.  In addition to partially or completely flexible connections, rigid connections in the form of a screw or press connection, a fit or a soldered connection are also used as an interface between the evaluation electronics and the probe.
Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Aus führungs form der anmeldungsgemäßen Verbindungsstruktur mit einer geschraubten Pressverbindung zwischen einer von der Sonde kommenden Koaxialleitung (401) und einer zur Auswerteelektronik führenden Mikrostreifenleitung (405) mit Leiterkarte. Gezeigt wird eine starre Pressverbindung wobei der elektrische Kontakt von Außen- und Innenleiter der Koaxialleitung durch eine Pressverbindung auf der Platine erfolgt und wobei der Anpressdruck durch eine mit definierten Drehmoment angezogene Schraube (413) aufgebracht wird. 5 shows a perspective representation of an embodiment of the connection structure according to the application with a screwed press connection between a coaxial line (401) coming from the probe and a microstrip line (405) leading to the evaluation electronics with printed circuit board. A rigid press connection is shown, the electrical contact between the outer and inner conductor of the coaxial line being effected by a press connection on the circuit board, and the contact pressure being applied by a screw (413) tightened to a defined torque.
Fig. 6A und 6B zeigen in perspektivischer Darstellung bzw. in Schnittdarstellung eine ebenfalls flexible, galvanische Verbindung mit Steck- oder Klemmverbindung in koaxialer Form. Die Verbindung des Innenleiters der zur Sonde führenden koaxialen Leitung (50la, 50lb) und dem Anschluss der Elektronik (514a, 514b) wird durch ein Feder-Drehteil (515a, 515b) oder Blechbiegeteil beispielsweise aus Messing oder Kupfer-Beryllium realisiert, welches auf einen der beiden Innenleiter beispielsweise durch Kleben oder Löten angebracht wird. Das Feder- Drehteil (515a, 515b) ist in axialer Richtung teilweise geschlitzt aus geformt, so dass die Nut eine Federwirkung aufweist um einerseits das Einführen des Gegenstücks zu ermöglichen und andererseits im eingerasteten Zustand für eine zuverlässige Fixierung zu sorgen. Um den Anforderungen der Übertragungs strecke gerecht zu werden, muss die Auslegung des Feder- Drehteils (515a, 515b) sowohl unter mechanischen als auch elektrischen Gesichtspunkten erfolgen. Insbesondere die Wahl des Materials sowie eine Form, welche in axialer Richtung direkten Stromfluss zulässt, erweist sich als wesentlich für die hochfrequenten Eigenschaften der Verbindung. Darüber hinaus ist bei der Gestaltung des Feder-Drehteils (5l5a, 5 l5b) mit Löt- und Klemmverbindung auch auf geringe parasitäre Kapazitäten zwischen dem Drehteil (515a, 515b) und der als Außenleiter dienenden Zylinderwand (502a, 502b) zu achten. Fig. 7 zeigt in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen6A and 6B show in perspective or in section a likewise flexible, galvanic connection with plug or clamp connection in coaxial form. The connection of the inner conductor of the coaxial cable (50la, 50lb) leading to the probe and the connection of the electronics (514a, 514b) is realized by a spring-turned part (515a, 515b) or a bent sheet metal part made of brass or copper beryllium, for example, which is connected to one the two inner conductors are attached, for example by gluing or soldering. The spring-turned part (515a, 515b) is partially slotted in the axial direction, so that the groove has a spring effect, on the one hand to allow the insertion of the counterpart and on the other hand to ensure reliable fixation in the locked state. In order to meet the requirements of the transmission line, the design of the spring-turned part (515a, 515b) must be carried out from both a mechanical and electrical point of view. In particular, the choice of material and a shape that allows direct current flow in the axial direction prove to be essential for the high-frequency properties of the connection. In addition, when designing the spring-turned part (5l5a, 5l5b) with a soldered and clamped connection, attention must also be paid to low parasitic capacitances between the turned part (515a, 515b) and the cylinder wall (502a, 502b) serving as the outer conductor. Fig. 7 shows a sectional view of an embodiment of the application
Verbindungsstruktur mit einer Pressverbindung in einem koaxialen System. Die von Sonde und Auswerteelektronik kommenden Koaxialleiter stehen im rechtem Winkel zueinander und die Wände der Bohrlöcher (611) im Zylinderkopf bilden die Außenleiter (602) der Verbindung. Der Presskontakt wird durch einen dielektrischen Klemmkeil (616) mit Vorzugsrichtung realisiert, welcher den von der Elektronik kommenden flexiblen Innenleiter definiert und auf den starren Innenleiter presst, welcher die Verbindung zur Sonde herstellt. Connection structure with a press connection in a coaxial system. The coaxial conductors coming from the probe and the evaluation electronics are at right angles to one another and the walls of the drill holes (611) in the cylinder head form the outer conductors (602) of the connection. The press contact is realized by a dielectric clamping wedge (616) with preferred direction, which defines the flexible inner conductor coming from the electronics and presses it onto the rigid inner conductor, which establishes the connection to the probe.
Fig. 8 zeigt in Schnittdarstellung eine Ausführungsform der anmeldungsgemäßen Fig. 8 shows a sectional view of an embodiment of the application
Verbindungsstruktur mit einer geraden Verbindung zweier Koaxialleitungen, wobei die Verbindung der Innenleiter mittels eines eingepressten Kontaktelements (718) erfolgt und die Außenleiter über eine Pressverbindung (719) elektrisch verbunden werden. Connection structure with a straight connection of two coaxial lines, the connection of the inner conductors using a pressed-in contact element (718) and the outer conductors being electrically connected via a press connection (719).
Ferner wird allgemein in Fig. 1A (oben) ein Zylindersystem mit externer Elektronik beschrieben. Die Fig. 1B (unten) beschreibt ein Zylindersystem mit interner Elektronik. Die Fig. 2 beschreibt eine Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung einer Leiterkarte mit Federblech. Die Fig. 3 beschreibt eine L-förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung von Koaxialleitem mit Federkontakt-PIN. Die Fig. 4 beschreibt eine gerade Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung von einem Federkontaktpin und Koaxialleitern. Die Fig. 5 beschreibt eine Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung einer geschraubten Pressverbindung mit Leiterkarte und Koaxialleitung. Die Fig. 6A (oben) beschreibt eine L- förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde in koaxialer Bauform unter Verwendung einer Klemmverbindung mit Feder-Drehteil in perspektivischer Darstellung. Die Fig. 6B (unten) beschreibt eine L-förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde in koaxialer Bauform unter Verwendung einer Klemmverbindung mit Feder-Drehteil in Schnittdarstellung. Die Fig. 7 beschreibt eine L-förmige Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung einer Klemmverbindung. Die Fig. 8 beschreibt eine gerade Verbindung von Auswerteelektronik und Sonde unter Verwendung eines eingepressten Steckkontakts am Innenleiter und einer Pressverbindung der Außenleiter. Furthermore, a cylinder system with external electronics is generally described in FIG. 1A (above). 1B (below) describes a cylinder system with internal electronics. 2 describes a connection of the evaluation electronics and the probe using a printed circuit board with a spring plate. 3 describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and the probe using coaxial conductors with a spring contact PIN. 4 describes a straight connection of the evaluation electronics and probe using a spring contact pin and coaxial conductors. 5 describes a connection between the evaluation electronics and the probe using a screwed press connection with printed circuit board and coaxial line. 6A (above) describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and the probe in a coaxial design using a clamp connection with a spring-turned part in a perspective view. 6B (below) describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and probe in a coaxial design using a clamp connection with a spring-turned part in a sectional view. FIG. 7 describes an L-shaped connection of the evaluation electronics and the probe using a clamp connection. FIG. 8 describes a straight connection between the evaluation electronics and the probe using a pressed-in plug contact on the inner conductor and a press connection of the outer conductor.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Welle innerhalb eines Zylinderkopfes eines Zylindersystems, wobei die Vorrichtung aufweist: 1. Device for guiding an electromagnetic wave within a cylinder head of a cylinder system, the device comprising:
- eine in oder an dem Zylinderkopf angeordnete Auswerteelektronik; und evaluation electronics arranged in or on the cylinder head; and
- eine in dem Zylinderkopf befindlichen Sonde; sowie - a probe located in the cylinder head; such as
- eine die elektromagnetische Welle führende, zwischen der Auswerteelektronik und der Sonde zur flexiblen Positionierung der Auswerteelektronik angeordnete Verbindungs Struktur, wobei die Verbindungstruktur einen ersten Signalanschluss (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) zum Anschluss an die Sonde und einen zweiten Signalanschluss (314, 514a, 514b, 714) zum Anschluss an der Auswerteelektronik aufweist.  - A connection structure which leads the electromagnetic wave and is arranged between the evaluation electronics and the probe for flexible positioning of the evaluation electronics, the connection structure having a first signal connection (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) for connection to the probe and has a second signal connection (314, 514a, 514b, 714) for connection to the evaluation electronics.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs Struktur flexibel, vorzugsweise teilweise flexibel, ausgebildet ist.  2. Device according to claim 1, wherein the connection structure is flexible, preferably partially flexible.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsstruktur starr ausgebildet ist. 3. The device according to claim 1, wherein the connecting structure is rigid.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Koaxialverbindung zur Übertragung der elektromagnetischen Welle genutzt wird. 4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein a coaxial connection is used for transmitting the electromagnetic wave.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem ersten (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) und zweiten Signalanschluss (314, 5 l4a, 5l4b, 714) beliebige Winkel realisierbar sind.  5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein between the first (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) and second signal connection (314, 5 l4a, 5l4b, 714) any angle can be realized.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, wobei der erste (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) und/oder zweite (314, 5 l4a, 5 l4b, 714) Signalanschluss auf einer Leiterkarte (104, 404) vorgesehen sind.  6. The device according to claim 1 to 5, wherein the first (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) and / or second (314, 5 l4a, 5 l4b, 714) signal connection on a circuit board (104 , 404) are provided.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, wobei der erste (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) und/oder zweite (314, 5 l4a, 5 l4b, 714) Signalanschluss als Koaxialverbindung, vorzugsweise mit einem beliebigen Leitungstyp auf einer Leiterkarte (104, 404), ausgebildet ist.  7. The device according to claim 1 to 6, wherein the first (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) and / or second (314, 5 l4a, 5 l4b, 714) signal connection as a coaxial connection, preferably with any type of line is formed on a circuit board (104, 404).
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, wobei Streifenleitungen, vorzugsweise Mikrostreifenleitungen vorgesehen sind. 8. The device according to claim 1 to 7, wherein strip lines, preferably microstrip lines are provided.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine galvanische Kontaktierung zwischen dem ersten (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) und dem zweiten Signalanschluss (314, 514a, 514b, 714) vorgesehen ist. 9. Device according to one of claims 1 to 8, wherein a galvanic contact between the first (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) and the second signal connection (314, 514a, 514b, 714) is provided ,
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form eines Elements mit Federwirkung erreicht wird.  10. The device according to claim 9, wherein the galvanic contacting is achieved in the form of an element with spring action.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Federwirkung der galvanischen Verbindung in Form eines Federkontakts oder durch Verwendung von leitfähigen Elastomeren oder von leitfähigen Folie-über-Schaum Kontakten realisiert wird.  11. The device according to claim 10, wherein the spring action of the galvanic connection is realized in the form of a spring contact or by using conductive elastomers or conductive foil-over-foam contacts.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form einer Steck- oder Klemmverbindung realisiert wird, vorzugsweise in Form eines Feder- Drehteils (515a, 515b, 615).  12. The apparatus of claim 9, wherein the galvanic contacting is realized in the form of a plug or clamp connection, preferably in the form of a spring-turned part (515a, 515b, 615).
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form einer Schraub- oder Pressverbindung realisiert wird.  13. The apparatus of claim 9, wherein the galvanic contacting is realized in the form of a screw or press connection.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schraub- oder Pressverbindung in Form:  14. The apparatus of claim 13, wherein the screw or press connection in the form:
- einer Passung; oder  - a fit; or
- einer Pressung, vorzugsweise unter Verwendung leitfähiger Elastomere oder vorzugsweise mit leitfähiger Folie-über-Schaum Kontakten erreicht wird. - A pressing, preferably using conductive elastomers or preferably with conductive foil-over-foam contacts.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die galvanische Kontaktierung in Form einer Lötverbindung erreicht wird. 15. The apparatus of claim 9, wherein the galvanic contacting is achieved in the form of a solder connection.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der erste (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) und/oder zweite (314, 5 l4a, 5 l4b, 714) Signalanschluss eine galvanische Trennung herstellt, wobei vorzugsweise Koppelstrukturen, vorzugsweise in Form parallel geführter Signalleitungen, verwendet werden.  16. Device according to one of claims 1 to 15, wherein the first (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) and / or second (314, 5 l4a, 5 l4b, 714) signal connection a galvanic isolation manufactures, preferably using coupling structures, preferably in the form of parallel signal lines.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die galvanische Trennung zwischen dem ersten Signalanschluss (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) und der Auswerteelektronik ausgeführt wird.  17. The apparatus of claim 16, wherein the electrical isolation between the first signal connection (101, 201, 301, 401, 50la, 50lb, 601, 701) and the evaluation electronics is carried out.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei Richtkoppler in die Signalleitung integriert werden.  18. The apparatus of claim 16, wherein directional couplers are integrated in the signal line.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei Kalibrationsstrukturen vorgesehen sind und/oder in die Signalleitung integrierbar sind. 19. Device according to one of claims 1 to 18, wherein calibration structures are provided and / or can be integrated into the signal line.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei analoge oder digitale Temperatursensoren (106) zur Überwachung der Temperatur am Ort der Verbindungstruktur vorgesehen sind. 20. Device according to one of claims 1 to 19, wherein analog or digital temperature sensors (106) are provided for monitoring the temperature at the location of the connection structure.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 10 MHz bis 100 GHz aufweisen; und wobei bevorzugt die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 100 MHz bis 25 GHz aufweisen; und wobei besonders bevorzugt die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz von 500 MHz bis 6 GHz aufweisen.  21. Device according to one of claims 1 to 20, wherein the electromagnetic waves have a frequency of 10 MHz to 100 GHz; and preferably the electromagnetic waves have a frequency of 100 MHz to 25 GHz; and the electromagnetic waves particularly preferably have a frequency of 500 MHz to 6 GHz.
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