DD248874A1

DD248874A1 - TOUCH-FREE TORQUE SENSOR, PREFERABLY TO ROTATING COMPONENTS

Info

Publication number: DD248874A1
Application number: DD28895986A
Authority: DD
Inventors: Michael Wagner; Hans-Hermann Seidel; Wolfgang Miehe; Andreas Hermann; Reinhard In Der Stroth; Guenther Eckhardt; Wilfried Banse
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1987-08-19

Abstract

Geschaffen wird ein beruehrungsfreier Drehmomentensensor, der fuer genaue Messungen unter Laborbedingungen ebenso geeignet ist, wie fuer relativ grosse Messbereiche im Maschinenbau, Fahrzeugbau, Schiffbau und aehnliche Einsatzfaelle. Der Sensor ermoeglicht eine genaue Messsignalerfassung und eine verschleissfreie Uebertragung des Signals vom rotierenden Bauteil, z. B. der drehmomentfuehrenden Welle. Die Erfindung loest die Aufgabe, dass der Sensor universell einsetzbar, gegenueber elektrischen, mechanischen und thermischen Umwelteinfluessen unempfindlich, hinreichend genau und wartungsarm ist. Das wird dadurch erreicht, dass mittels eines speziell gestalteten kapazitiven Primaerwandlers auf der drehmomentfuehrenden Welle hilfsenergiefrei ein Signal erzeugt wird, das ueber Uebertragungskondensatorringe schleifringfrei an ein Messgeraet uebertragen wird. Fig. 1The result is a non-contact torque sensor that is just as suitable for accurate measurements under laboratory conditions as it is for relatively large measuring ranges in mechanical engineering, vehicle construction, shipbuilding and similar applications. The sensor enables accurate measurement signal detection and a wear-free transmission of the signal from the rotating component, eg. B. the drehmomentfuehrenden shaft. The invention solves the problem that the sensor is universally applicable, insensitive to electrical, mechanical and thermal environmental influences, sufficiently accurate and low maintenance. This is achieved by generating a signal without auxiliary energy by means of a specially designed capacitive primary converter on the torque-conducting shaft, which signal is transmitted to a measuring device in a slip-free manner via transfer capacitor rings. Fig. 1

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer drehmomentenführenden Welle und eines umgebenden raumfesten Gehäuses dadurch gelöst, daß in die. Welle ein Segment mit definierten Durchmesser und Länge eingearbeitet ist. Über dieses Segment, das vorteilhaft ein definierter Wellenabschnitt ist, wird eine einseitig fest mit der Welle verbundene Elektrodenhalterung angeordnet, so daß sich somit mindestens eine isolierte Elektrode, die auf der Elektrodenhalterung befestigt ist, und eine auf der Welle befestigte Gegenelektrode gegenüberstehen und einen an sich bekannten kapazitiven Primärwandler bilden. Durch die vom Drehmoment bewirkte Torsion des Segmentes, das als eine an sich bekannte Torsionsfeder beliebigen Materials ausgelegt ist, wird im kapazitiven Primärwandler eine Kapazitätsänderung erreicht, indem je nach Gestaltung der Elektroden die direkte Winkeländeruhg oder die Verschiebung eines Abstandes ausgenutzt werden. Der überraschende Effekt dieses Drehmomentensensors wird dadurch erreicht, daß mit dem passiven kapazitiven Primärwandler elektrisch in Reihe ein Übertragungsringkondensator verbunden ist/der aus dem äußeren und dem inneren Übertragungskondensatorring besteht, die auf dem raumfesten Gehäuse bzw. der drehmomentführenden Welle gegenüberliegend angeordnet sind. Der äußere und der innere, vorzugsweise als Ring ausgebildete, Übertragungskondensatorring wirken mittels eines definierten Spaltes als berührungslose Übertragungsstecke, die an sich bekannt ist, jedoch in einer derartigen Verwendung eine für die Drehmomentenmessung überaschende Lösung dargestellt. Diese Kombination von hilfsenergiefreier Drehmomentenerfassung im Primärwandler und einer schleifringfreien Meßwertübertragung auf das Meßgerät bewirken die neuartigen Effekte des Sensors. Eine besonderer Vorteil ist, daß auf der drehmomentführenden Welle keine aktiven elektronischen Bauelemente angeordnet sind.This object is achieved by means of a torque-conducting shaft and a surrounding solid housing in that in the. Shaft is a segment with defined diameter and length incorporated. About this segment, which is advantageously a defined shaft portion, an unilaterally fixedly connected to the shaft electrode holder is arranged so that thus at least one insulated electrode, which is fixed to the electrode holder, and a counter electrode fixed on the shaft face and a per se form known capacitive primary converter. Due to the torque caused by the torsion of the segment, which is designed as a known torsion spring of any material, a capacitance change is achieved in the capacitive primary converter by the direct Winkeländeruhg or the displacement of a distance can be exploited depending on the design of the electrodes. The surprising effect of this torque sensor is achieved in that electrically connected in series with the passive capacitive primary transformer is a transfer ring capacitor / which consists of the outer and inner transfer capacitor ring, which are arranged on the stationary housing or the torque-carrying shaft opposite. The outer and inner, preferably designed as a ring, transfer capacitor ring act by means of a defined gap as non-contact transmission links, which is known per se, but in such a use an over-surprising solution for torque measurement solution. This combination of auxiliary energy-free torque detection in the primary converter and a slip ring-free measured value transmission to the meter cause the novel effects of the sensor. A particular advantage is that no active electronic components are arranged on the torque-carrying shaft.

Durch entsprechende Dimensionierung der Übertragungskondensatorringe bzw. deren Gestaltung als Segmente wird erreicht, daß die Kapazitätsänderung des Übertragungsringkondensators klein ist gegenüber der Meßkapazitätsänderung am Primärwandler. Die am Meßgerät, das eine entsprechende kapazitive Auswerteschaltung beinhaltet, wirksame Kapazität der Reihenschaltung von Primärwandler und Übertragungsringkondensator wird damit nur durch das Drehmoment verändert und somit können vorteilhafterweise beliebige Drehmomente schleifringfrei gemessen werden.By appropriate dimensioning of the transfer capacitor rings or their design as segments ensures that the change in capacitance of the transfer ring capacitor is small compared to Meßkapazitätsänderung the primary converter. The on the meter, which includes a corresponding capacitive evaluation, effective capacity of the series connection of primary and transfer ring capacitor is thus changed only by the torque and thus advantageously any torques can be measured slip ring free.

embodiment

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, wobei die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment, wherein the accompanying drawings show:

Fig. 1: Schnitt durch einen SensorFig. 1: section through a sensor

Fig. 2: Elektrodenanordnung bei WinkeländerungFig. 2: electrode arrangement with angle change

Fig. 3: Elektrodenanordnung bei Verschiebung eines AbstandesFig. 3: electrode arrangement with displacement of a distance

In Fig. 1 ist die Anordnung von Welle 1, Elektrodenhalterung 2 und Gehäuse 5 zueinander dargestellt, wobei die Lage der Elektroden 3 und der Gegenelektroden 4 zueinander den kapazitiven Primärwandler bildet. Die Elektrodenhalterung 2 wird an der Einspannstelle 6 fest mit der Welle 1 verbunden, so daß das Segment 14 mit der definierten Länge 9 und dem Durchmesser D die Gesamtgröße des Sensors entscheidend beeinflußt. Für den Übertragungsringkondensator sind die entsprechenden Übertragungskondensatorringe 7 und 8 an der Elektrodenhalterung 2 bzw. dem Gehäuse 5 gegenüberliegend und durch den Luftspalt 13 getrennt voneinander angebracht. Durch das eingeleitete Drehmoment auf die Welle 1 werden die Elektrode 3 und die Gegenelektrode 4 relativ zueinander verschoben. In Fig. 2 ist die Variante der Änderung des Winkels 11 dargestellt. Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Elektroden, wobei der Abstand 10 durch das zu messende Drehmoment verändert wird. Das damit passiv erzeugte Signal wird über die Übertragungskondensatorringe 7 und 8 an ein Meßgerät 12 übertragen, ohne daß es an einer Stelle des Sensors zu einer Berührung zwischen Gehäuse 5 und drehmomentführende Welle 1 bzw. daran angeordneten Elementen kommt. Diese hilfsenergiefreie Drehmomentenerfassung und insbesondere die damit verbundene schleifringfreie Meßwertübertragung stellen die bedeutenden Vorteile des Sensors dar.In Fig. 1, the arrangement of shaft 1, electrode holder 2 and housing 5 is shown to each other, wherein the position of the electrodes 3 and the counter electrodes 4 to each other forms the capacitive primary converter. The electrode holder 2 is connected to the clamping point 6 fixed to the shaft 1, so that the segment 14 with the defined length 9 and the diameter D decisively affects the overall size of the sensor. For the transfer ring capacitor, the respective transfer capacitor rings 7 and 8 are attached to the electrode holder 2 and the housing 5, respectively, and are separated from each other by the air gap 13. By the introduced torque on the shaft 1, the electrode 3 and the counter electrode 4 are shifted relative to each other. In Fig. 2, the variant of the change of the angle 11 is shown. Fig. 3 shows an embodiment of the electrodes, wherein the distance 10 is changed by the torque to be measured. The thus passively generated signal is transmitted via the transfer capacitor rings 7 and 8 to a measuring device 12, without coming to a point of the sensor to a contact between the housing 5 and torque-carrying shaft 1 and arranged thereon elements. This auxiliary energy-free torque detection and in particular the associated slip ring-free measured value transmission represent the significant advantages of the sensor.

Claims

1. Non-contact torque sensor, preferably on rotating components, using a particular torque-carrying shaft and a surrounding space-fixed housing, characterized in that in the shaft (1) a segment (14) having a preferably reduced diameter (D) and a defined length (9), and on the shaft (1) both an electrode holder (2) which is connected at one end of the segment (14) in a clamping point (6) fixed to the WeIIe (I) and at the other free end at least one, insulated electrode (3) of a per se known capacitive primary transducer carries, as well as at least one counter electrode (4), in particular with respect to the insulated electrode (3) by an angle (11) is displaceable, and the isolated electrode ( 3) with at least one inner transfer capacitor ring (7), which is preferably secured isolated on the electrode holder (2) electrically conductively connected is, so that by means of a defined gap (13), which is preferably filled with air, and at least one insulated outer transfer capacitor ring (8) which is arranged on the fixed housing (5), a power-free torque detection and a slip ring-free data transmission to a meter (12) is possible.

2. Non-contact torque sensor according to item 1, characterized in that the segment (14) is designed as a specially inserted, known per se torsion spring of any material.

3. Non-contact torque sensor according to item 1 and 2, characterized in that the electrode holder (2) consists entirely of an insulating material.

4. Non-contact torque sensor according to item 1, 2 and 3, characterized in that the counter electrode (4) with respect to the insulated electrode (3) by a variable distance (10) is displaceable.

5. Non-contact torque sensor according to item 1, 2, 3 and 4, characterized in that the transfer capacitor rings (7) and (8) are formed as segments.

For this 1 page drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a non-contact torque sensor, preferably on rotating components, whereby the torque measurement in mechanical engineering, vehicle construction, shipbuilding u. Ä. Can be realized on any components as well as in a separate torque transducer under laboratory conditions.

Characteristic of the known technical solutions

Various principles are known for converting the torque via mechanical deformation into an electrical signal. For example, strain gauges in the direction of the principal stresses (45 ° to the longitudinal axis) are applied to the torque-carrying shafts for measuring these measuring devices, which are important for mechanical engineering, or reflection marks are glued on both sides of a torsion-wave shaft piece whose rotation is optically tapped relative to one another. Disadvantageous and prone to failure in the first case, the signal transmission from the rotating shaft strand to the space and fixed to the housing receiver by means of slip ring or telemetry transmission. The optical digital measuring system impedes the operation within machines due to the necessary oil seal. These disadvantages seek to circumvent a non-contact method in which the voltage-dependent permeability change in the near-surface boundary layer is detected (EP 0087002, 31.8.1983). The complex construction of the measuring head, the dependence of the measuring sensitivity on the magnetostrictive properties of the shaft material and the error influences of surface inhomogeneities are the disadvantages of this measuring principle.

Object of the invention

The invention aims to provide a non-contact torque sensor which can be produced with little effort, works as wear-free as possible and allows low-cost interference-free transmission of an accurate measurement signal, even of rotating components.

Essence of the invention

The invention has for its object to develop a non-contact torque sensor, preferably on rotating components, which is either built directly into the rotating component or constructed as a self-contained torque measuring, with a touch-safe and interference-proof transmission allows minimal maintenance and universal use. It should be swept over a large range and the influence of the environment, eg. B. by temperature, interference fields u. Like. Be largely excluded.