DE102012022982A1 - Torque measuring device and method for measuring a torque - Google Patents
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- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
- G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
- G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmesseinrichtung, mit einem Stator, einem Rotor, einem an dem Rotor vorgesehenen Drehmomentmessaufnehmer, einer Signal-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Schaltsignals aus dem Drehmoment-Messsignal, wenigstens einer an dem Stator vorgesehenen Primärspule, die von einer Versorgungsspannungsquelle mit Wechselstrom bestrombar ist, wenigstens einer an dem Rotor vorgesehenen Sekundärspule zur Energieversorgung des Drehmomentmessaufnehmers und der Signal-Erzeugungseinrichtung, wobei die Sekundärspulen-Spannung von der durch die Versorgungsspannungsquelle bestromten Primärspule in der Sekundärspule induziert wird, wenigstens einer an dem Rotor vorgesehenen Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule, wenigstens einer an dem Stator vorgesehenen Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, die durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in der Primärspule induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments.The invention relates to a torque measuring device, comprising a stator, a rotor, a torque measuring transducer provided on the rotor, a signal generating device for generating a switching signal from the torque measuring signal, at least one provided on the stator primary coil which can be powered by a supply voltage source with alternating current at least one secondary coil provided to the rotor for energizing the torque transducer and the signal generator, the secondary coil voltage being induced by the primary coil energized by the supply voltage source in the secondary coil, at least one modulation device provided on the rotor for modulating the coil current in the secondary coil at least one evaluation device provided on the stator and configured to detect the coil current modulation induced by modulating the coil current of the secondary coil in the primary coil. The invention also relates to a method for measuring a torque.
Description
Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmesseinrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments.The invention relates to a torque measuring device and a method for measuring a torque.
Einen Stator und einen Rotor aufweisende Drehmomentmesseinrichtungen sind bekannt. Der Rotor wird zum Messen des jeweiligen Drehmoments drehfest auf der das zu messende Drehmoment übertragenden Einrichtung befestigt, wobei das auf den Rotor wirkende bzw. übertragene Drehmoment mittels eines Drehmomentmessaufnehmers gemessen wird, der an dem Rotor vorgesehen ist. Das gemessene Drehmomentmesssignal wird meist in ein Frequenz- oder Digitalsignal umgesetzt und anschließend berührungslos auf eine am dem Stator vorgesehene Signal-Empfangseinrichtung übertragen, welcher wenigstens abschnittsweise um den Rotor herum angeordnet ist.A stator and a rotor having torque measuring devices are known. The rotor is rotatably mounted on the torque transmitting device for measuring the respective torque, wherein the torque applied to the rotor is measured by means of a torque sensor provided on the rotor. The measured torque measurement signal is usually converted into a frequency or digital signal and then transferred without contact to a provided on the stator signal-receiving device, which is at least partially disposed around the rotor.
Die berührungslose Übertragung erfolgt beispielsweise bei einer aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentmesseinrichtung anzugeben, die im Vergleich zu den bekannten Lösungen wesentlich kostengünstiger herstellbar ist, und ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments anzugeben, welches im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit wesentlich geringerem Kosteneinsatz durchführbar ist.The invention is therefore based on the object to provide a torque measuring device, which is much cheaper to produce compared to the known solutions, and to provide a method for measuring a torque, which is feasible compared to the known solutions with significantly lower cost.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Drehmomentmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zum Messen eines Drehmoments mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved with a torque measuring device with the features of claim 1 and with a method for measuring a torque with the features of claim 9.
Die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung weist einen an dem Rotor vorgesehenen Drehmomentmessaufnehmer zum Messen eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments und zur Ausgabe eines Drehmoment-Messsignals auf. Des weiteren umfasst die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung eine Signal-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Schaltsignals aus dem Drehmoment-Messsignal, wenigstens eine an dem Stator vorgesehene Primärspule, die von einer Versorgungsspannungsquelle mit Wechselstrom bestrombar ist, wenigstens eine an dem Rotor vorgesehenen Sekundärspule, die zur Energieversorgung des Drehmomentmessaufnehmers und der Signal-Erzeugungseinrichtung durch eine Sekundärspulen-Spannung der Sekundärspule vorgesehen ist, wobei die Sekundärspulen-Spannung von der durch die Versorgungsspannungsquelle bestromten Primärspule in der Sekundärspule induziert wird, wenigstens eine an dem Rotor vorgesehene Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule, wobei die Modulationsvorrichtung zum Modulieren des Spulenstroms gemäß dem Schaltsignal von diesem ansteuerbar ist, und wenigstens eine an dem Stator vorgesehene Auswerteeinrichtung, die eingerichtet ist, die durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in der Primärspule induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen.The torque measuring device according to the invention has a torque measuring transducer provided on the rotor for measuring a torque acting on the rotor and for outputting a torque measuring signal. Furthermore, the torque measuring device according to the invention comprises a signal generating device for generating a switching signal from the torque measurement signal, at least one provided on the stator primary coil, which is powered by a supply voltage source with alternating current, at least one provided on the rotor secondary coil, which is used to power the torque sensor and the signal generating means is provided by a secondary coil voltage of the secondary coil, wherein the secondary coil voltage is induced by the supplied by the supply voltage source primary coil in the secondary coil, at least one provided on the rotor modulation device for modulating the coil current in the secondary coil, said Modulation device for modulating the coil current in accordance with the switching signal from this can be controlled, and at least one provided on the stator evaluation, which is set by the da s modulating the coil current of the secondary coil in the primary coil induced coil current modulation to detect.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert auf dem Modulieren des Spulenstroms in der Sekundärspule gemäß dem Schaltsignal mittels der Modulationsvorrichtung und dem Erfassen der durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in der Primärspule induzierten Spulenstrom-Modulation mittels der Auswerteeinrichtung. Die Modulation des Spulenstroms in der Sekundärspule bzw. die Spulenstrom-Modulation in der Primärspule hängt von dem zeitlichen Signalverlauf des Drehmoment-Messsignals ab, da auch das durch die Signal-Erzeugungseinreichung erzeugte Schaltsignal bzw. Modulationssignal von dem zeitlichen Signalverlauf bzw. dem zeitlichen Verlauf des Drehmoment-Messsignals abhängt. Diese Funktionsweise ermöglicht es also durch eine auf einfache und praktische Weise vornehmbare Modulation des Spulenstroms in der Sekundärspule die in dem Drehmoment-Messsignal enthaltene Information über das auf den Rotor einwirkende bzw. übertragene Drehmoment berührungslos auf den Stator bzw. die Auswerteeinheit zu übertragen. Die zur Realisierung dieser Übertragung insbesondere erforderliche Signal-Erzeugungseinrichtung und Modulationsvorrichtung, können vorteilhaft auf einfache und praktische Weise z. B. aus kostengünstigen elektronischen Bauteilen aufgebaut bzw. gebildet werden, einhergehend mit einer wesentlichen Reduzierung des Herstellungsaufwands und der Herstellungskosten gegenüber den bekannten Lösungen.The operation of the device according to the invention is based on the modulating of the coil current in the secondary coil according to the switching signal by means of the modulation device and the detection of the current induced by modulating the coil current of the secondary coil in the primary coil coil current modulation by means of the evaluation. The modulation of the coil current in the secondary coil or the coil current modulation in the primary coil depends on the time characteristic of the torque measurement signal since the switching signal or modulation signal generated by the signal generation input is also dependent on the temporal progression of the signal Torque measuring signal depends. This mode of operation therefore makes it possible to transmit the information contained in the torque measurement signal contactlessly to the stator or the evaluation unit by means of a modulation of the coil current in the secondary coil which can be carried out in a simple and practical manner via the torque acting or transmitted to the rotor. The particularly necessary for the realization of this transmission signal generating device and modulation device, can advantageously in a simple and practical way z. B. are constructed or formed from inexpensive electronic components, along with a significant reduction of the manufacturing cost and manufacturing costs over the known solutions.
Der Stator ist vorzugsweise wenigstens abschnittsweise oder zur Gänze um den Rotor herum angeordnet.The stator is preferably arranged at least in sections or entirely around the rotor.
Bei einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung ist das Drehmoment-Messsignal ein analoges Drehmoment-Messsignal bzw. der Drehmomentmessaufnehmer ist eingerichtet, dass Messergebnis als analoges Drehmoment-Messsignal auszugeben. Vorzugsweise ist bei dieser praktischen Ausführungsform die Signal-Erzeugungseinrichtung eingerichtet, aus dem analogem Drehmoment-Messsignal ein von dem zeitlichen Signalverlauf des analogen Drehmoment-Messsignals abhängiges Schaltsignal bzw. Modulationssignal zu erzeugen, wobei das Schaltsignal bzw. Modulationssignal bevorzugt ein durch das analoge Drehmoment-Messsignal frequenzmoduliertes Trägersignal oder bevorzugt ein durch das analoge Drehmoment-Messsignal pulsbreitenmoduliertes Trägersignal ist. Durch die vorgesehene Frequenzmodulation oder Pulsbreitenmodulation können vorteilhaft Verfälschungen durch Amplitudenänderungen, die durch Umgebungseinflüsse auftreten können, beim Übertragen vermieden werden.In a practical embodiment of the invention Torque measuring device, the torque measurement signal is an analog torque measurement signal or the torque transducer is set up to output the measurement result as an analog torque measurement signal. Preferably, in this practical embodiment, the signal generating device is adapted to generate from the analog torque measurement signal dependent on the temporal waveform of the analog torque measurement signal switching signal or modulation signal, wherein the switching signal or modulation signal preferably by the analog torque measurement signal frequency-modulated carrier signal or preferably a pulse width modulated by the analog torque measurement signal carrier signal. Due to the intended frequency modulation or pulse width modulation, distortions due to amplitude changes, which can occur due to environmental influences, can advantageously be avoided during transmission.
Bei der obigen praktischen Ausführungsform kann die Signal-Erzeugungseinrichtung auch einen Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln des analogen Drehmoment-Messsignals in ein von dem zeitlichen Signalverlauf abhängiges digitales Schaltsignal aufweisen. Auch durch eine Digitalisierung des analogen Drehmoment-Messsignals können vorteilhaft Verfälschungen durch Amplitudenänderungen beim Übertragen, die durch Umgebungseinflüsse auftreten können, vermieden werden.In the above practical embodiment, the signal generating means may also comprise a digital-to-analog converter for converting the analog torque measurement signal into a timing signal dependent digital switching signal. Even by digitizing the analog torque measurement signal, it is advantageously possible to avoid distortions due to amplitude changes during transmission, which can occur as a result of environmental influences.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Modulationsvorrichtung eine an dem Rotor vorgesehene Schaltvorrichtung zum Kurzschließen der Sekundärspule, die von dem Schaltsignal zum zeitlich aufeinanderfolgenden Kurzschließen der Sekundärspule ansteuerbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, die durch das zeitlich aufeinander folgende Kurzschließen in der Primärspule induzierte Spulenstrom-Modulation zu erfassen. Die Modulation des Spulenstroms der Sekundärspule durch Kurzschließen mittels einer an dem Rotor vorgesehenen Schaltvorrichtung kann auf sehr einfache und praktische Weise mittels eines oder mehrerer elektronischer Bauteile, wie insbesondere mittels eines Transistors, realisiert werden.In a preferred embodiment, the modulation device comprises a switching device provided on the rotor for short-circuiting the secondary coil, which can be controlled by the switching signal for temporally successive short-circuiting of the secondary coil, wherein the evaluation device is set up, which by the temporally successive short-circuiting induced in the primary coil Spulenstrom- Capture modulation. The modulation of the coil current of the secondary coil by short-circuiting by means of a switching device provided on the rotor can be realized in a very simple and practical manner by means of one or more electronic components, such as in particular by means of a transistor.
Zum Messen bzw. Erfassen des von einer Welle übertragenen Drehmoments kann der Rotor vorzugsweise in Form eines drehfest auf einer Welle befestigbaren Flansches ausgebildet sein.For measuring or detecting the torque transmitted by a shaft, the rotor may preferably be designed in the form of a flange which can be fastened rotationally fixed on a shaft.
Aufgrund des oben dargelegten einfachen und kostengünstigen Aufbaus der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung eignet sich diese insbesondere für die Drehmomentmessung bzw. Drehmomenterfassung von rotierbaren Teilen an Vorrichtungen, die im Alltagsgebrauch zum Einsatz kommen – also insbesondere für solche Vorrichtungen, die in einer großen Vielzahl hergestellt werden und bei denen eine kostenoptimierte Herstellung im Vordergrund steht. Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung zur Drehmomentmessung bzw. Drehmomenterfassung an einer Pedale eines Fahrrads bzw. zur Drehmomentmessung bzw. Drehmomenterfassung im Bereich der Pedale eines Fahrrads vorgesehen sein.Due to the above-described simple and inexpensive construction of the torque measuring device according to the invention, this is particularly suitable for torque measurement or torque detection of rotatable parts of devices that are used in everyday life - ie in particular for such devices that are produced in a large variety and in which a cost-optimized production is in the foreground. The torque measuring device according to the invention may be particularly preferably provided for torque measurement or torque detection on a pedal of a bicycle or for torque measurement or torque detection in the region of the pedals of a bicycle.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen eines Drehmoments umfasst die folgenden Schritte: (A) Messen eines auf einen Rotor einwirkenden Drehmoments, (B) Erzeugen eines von dem zeitlichen Verlauf bzw. dem zeitlichen Signalverlauf des gemessenen Drehmoments abhängigen Schaltsignals, (C) Modulieren eines Spulenstroms in einer Sekundärspule gemäß dem Schaltsignal, und (D) Erfassen der durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule in einer Primärspule induzierten Spulenstrom-Modulation.The method according to the invention for measuring a torque comprises the following steps: (A) measuring a torque acting on a rotor, (B) generating a switching signal dependent on the time course or the time profile of the measured torque, (C) modulating a coil current in a secondary coil according to the switching signal, and (D) detecting the coil current modulation induced by modulating the coil current of the secondary coil in a primary coil.
Durch die Bennennung der Schritte mit den Buchstaben A bis D wird keine ausschließliche Bindung an eine zeitliche Reihenfolge verfolgt. Die Buchstaben dienen lediglich der Bennennung bzw. Kennzeichnung der Schritte. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere derart durchführbar, dass Schritte A bis D zeitgleich bzw. im Wesentlichen zeitgleich durchgeführt werden.By naming the steps with the letters A to D, no exclusive binding to a chronological order is pursued. The letters serve only for naming or marking the steps. In particular, the method according to the invention can be carried out in such a way that steps A to D are carried out at the same time or substantially simultaneously.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung durchführbar. Wie dem bereits oben für die erfindungsgemäße Drehmomentmesseinrichtung Dargelegten zu entnehmen, ist das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit wesentlich geringerem Kosteneinsatz durchführbar. Insbesondere Schritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf sehr einfache und praktische Weise mittels einer an dem Rotor vorgesehenen Modulationsvorrichtung realisiert werden.The inventive method can be carried out in particular using the torque measuring device according to the invention. As can be seen from the above for the torque measuring device according to the invention, the method according to the invention can be carried out in comparison to the known solutions with significantly lower cost usage. In particular, step C of the method according to the invention can be realized in a very simple and practical manner by means of a modulation device provided on the rotor.
Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der in Schritt D erfassten Spulenstrom-Modulation ein Signal erzeugt, aus welchem der zeitliche Verlauf des gemessenen Drehmoments durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor bereitstellbar ist. Da die Spulenstrom-Modulation in der Primärspule – infolge der Abhängigkeit des Schaltsignals von dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments bzw. dem zeitlichen Signalverlauf des gemessenen Drehmoments – von dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments abhängt, kann vorteilhaft durch Umrechnung bzw. Signalverarbeitung ein Signal erzeugt werden, aus welchem der zeitliche Verlauf des gemessenen Drehmoments durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor bereitstellbar ist.In a practical embodiment of the method according to the invention, a signal is generated from the coil current modulation detected in step D, from which the time profile of the measured torque can be provided by multiplication by a constant factor. Since the coil current modulation in the primary coil-as a result of the dependence of the switching signal on the time profile of the measured torque or the time waveform of the measured torque-depends on the time profile of the measured torque, advantageously a signal can be generated by conversion or signal processing from which the time profile of the measured torque can be provided by multiplication by a constant factor.
Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen dargestellten Lösungen sowohl einzeln als auch gemeinsam zur Anwendung kommen können, wobei letzteres entsprechend eine Kumulation der Vorteile der entsprechenden Merkmale bedingt. It is understood that the features of the solutions presented above or in the claims can be used both individually and jointly, the latter correspondingly causing an accumulation of the advantages of the corresponding features.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:Further advantages, objects and characteristics of the present invention will be explained with reference to the following description of appended drawings. In the drawings show:
Das in
Der feststehende bzw. unbewegliche Stator
Anhand der
Der an dem Rotor
Die Signal-Erzeugungseinrichtung
Alternativ kann der Controller
Die am Stator
Die an dem Rotor
Die an dem Rotor
Die Gleichrichtfunktion der obigen elektronischen Einrichtung
Eine an dem Stator
Das in den
-
(A) Messen des auf den Rotor
14 einwirkenden Drehmoments,(A) Measure the on therotor 14 acting torque, -
(B) Erzeugen eines von dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Drehmoments abhängigen Schaltsignals durch die Signal-Erzeugungseinrichtung
28 ,(B) generating a dependent of the time course of the measured torque switching signal by the signal generating means28 . -
(C) Modulieren eines Spulenstroms in der Sekundärspule
22 gemäß dem Schaltsignal durch die Modulationsvorrichtung42 , und(C) modulating a coil current in thesecondary coil 22 in accordance with the switching signal by the modulation device42 , and -
(D) Erfassen der durch das Modulieren des Spulenstroms der Sekundärspule
22 in der Primärspule20 induzierten Spulenstrom-Modulation durch die Auswerteeinrichtung46 .(D) Detecting by modulating the coil current of thesecondary coil 22 in theprimary coil 20 induced coil current modulation by theevaluation 46 ,
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- DrehmomentmesseinrichtungTorque measuring device
- 1212
- Statorstator
- 1414
- Rotorrotor
- 1616
- DrehmomentmessaufnehmerDrehmomentmessaufnehmer
- 1818
- DehnungsmessstreifenStrain gauges
- 2020
- Primärspuleprimary coil
- 2222
- Sekundärspulesecondary coil
- 2424
- Elektronikelectronics
- 2626
- Dehnungsmessstreifen-BrückeStrain gauge bridge
- 2828
- Signal-ErzeugungseinrichtungSignal generator
- 3030
- Verstärkeramplifier
- 3232
- Controllercontroller
- 3434
- VersorgungsspannungsquelleSupply voltage source
- 3636
- Controllercontroller
- 3838
- Transistortransistor
- 4040
- elektronische Einrichtungelectronic device
- 4242
- Modulationsvorrichtungmodulation device
- 4444
- Transistortransistor
- 4646
- Auswerteeinrichtungevaluation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified | ||
R118 | Application deemed withdrawn due to claim for domestic priority |