DE102006020602A1

DE102006020602A1 - Induktiver Sensor

Info

Publication number: DE102006020602A1
Application number: DE200610020602
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. Lück
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2007-11-08

Abstract

Ein induktiver Sensor (1) zum Erfassen der Bewegung eines Bauteils auf der Basis einer durch dieses bewirkten periodischen Magnetflussänderung, beispielsweise zur Drehzahl-, Torsions- oder Bruchmessung einer Welle mit einem phonischen Rad mit am Umfang ausgebildeten Zähnen (7), weist einen im Wesentlichen geschlossenen magnetischen Pfad mit einem Luftspalt (12) auf, in dem sich das Bauteil bewegt. Durch andere Bauteile oder durch Vibrationen bedingte Störeinflüsse auf das Magnetfeld und die Magnetflussänderung werden weitgehend eliminiert, so dass exaktere Messergebnisse erzielt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor zum Erfassen der Bewegung eines Bauteils, insbesondere zum Messen der Verdrehung einer Welle mit Hilfe eines mit dieser verbundenen phonisches Rades, der einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie einen Kern mit einer auf diesen gewickelten, an ein Messgerät angeschlossenen Spule zum Erfassen von durch das Bauteil bewirkten Magnetflussänderungen umfasst.
Sensoren auf induktiver Basis der eingangs erwähnten Art arbeiten auf der Grundlage einer Änderung des Magnetflusses eines Magnetfeldes infolge eines durch das Magnetfeld bewegten magnetisch leitenden oder magnetischen Objektes und eines durch die Magnetflussänderung von der in dem Magnetfeld befindlichen Spule bewirkten Spannungsimpulses. Die Messung der Verdrehung einer Welle kann bekanntermaßen mit einem zweiteiligen mit ineinander verschachtelten Zähnen versehenen phonischen Rad erfolgen, wobei ein Teil des phonischen Rades auf einer Seite und der andere Teil auf der anderen Seite der betreffenden Welle befestigt ist. Dem so ausgebildeten zweiteiligen phonischen Rad ist ein einziger induktiver Sensor zugeordnet, durch dessen Magnetfeld die ineinander verschachtelten Zähne der beiden Teile des phonischen Rades bei der Rotation der Welle bewegt werden. Bei jedem Durchgang eines Zahns durch das von dem Magneten des Sensors erzeugte Magnetfeld wird durch die Magnetflussänderung in der Spule eine Spannung induziert. Diese Spannungsimpulse bzw. deren zeitliche Aufeinanderfolge wird gemessen. Wenn sich die Welle aufgrund einer hohen Torsionsbelastung verdreht, kommt es zu einer Phasenverschiebung der Spannungsimpulse, die ein Maß für die Torsion der Welle ist.
Die bekannten induktiven Sensoren sind insofern nachteilig, als andere metallische Objekte, die unmittelbar nichts mit dem zu untersuchenden rotierenden Bauteil zu tun haben, Magnetflussänderungen und damit Störspannungsimpulse erzeugen und dadurch die hochsensible Messung erheblich beeinflussen und verfälschen können. Nachteilig auf das Messergebnis wirken sich weiterhin periodische Änderungen der Weite des Luftspaltes zwischen dem rotierenden Objekt (zum Beispiel dem phonischen Rad) und dem Sensor aus, die beispielsweise bei Vibrationen auftreten und ebenfalls zu Magnetflussänderungen führen und damit eine genaue Messung verhindern.
Zur Vermeidung von Störspannungsimpulsen durch von außen bewirkte Magnetflussänderungen beschreibt die GB 13 86 035 einen E-förmigen Magnetkern mit drei parallelen Schenkeln. Der mittlere Schenkel ist ein Permanentmagnet, während die beiden seitlichen Schenkel als Kerne dienen und entsprechende Wicklungen tragen. Die FR 22 88 313 offenbart einen induktiven Sensor, der einen Magneten und ein Paar Kerne mit entsprechenden Spulen aufweist, die sich koaxial eines Zahnrades erstrecken. Die oben aufgrund von vibrationsbedingten Spaltänderungen und äußeren Magnetfeldeinflüssen bedingten Nachteile werden mit diesen Sensoren nicht ausgeräumt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen von äußeren Einwirkungen unbeeinflussten induktiven Sensor zu entwickeln, der exakte, fehlerfreie Messungen an dem rotierenden Objekt ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten induktiven Sensor gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht bei dem eingangs erwähnten induktiven Sensor in der Zuordnung eines aus magnetischem oder magnetisch leitfähigem Material gebildeten magnetischen Pfades mit einem zwischen dessen beiderseitigen Schenkeln verbleibenden Luftspalt von auf das rotierende Bauteil abgestimmter, begrenzter Weite. In dem Luftspalt rotiert das betreffende Bauteil bzw. das mit diesem verbundene zweiteilige phonische Rad zur periodischen Änderung des Magnetflusses. Durch den so gebildeten magnetischen Pfad für die Feldlinien des Magnetfeldes wird deren Verlauf in Luft damit auf einen in der Summe konstanten Luftspalt begrenzt. Unabhängig von Vibrationen in horizontaler oder vertikaler Richtung bleibt der somit kleine Luftspalt in der Summe unverändert, so dass üblicherweise die Magnetflussänderung beeinflussende Störgrößen, die durch Vibration oder durch in der Nähe des Sensors vorhandene andere leitende Bauteile verursacht werden können, hier deutlich weniger wirksam sind und letztlich eine deutlich genauere Erfassung der mit dem rotierenden Bauteil bewusst herbeigeführten Magnetflussänderungen und damit eine exakte Messung der Rotationsgeschwindigkeit oder der Torsion eines rotierenden Bauteils möglich ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird – zum besseren Verständnis im Vergleich mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Sensor – anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 die Grundstruktur eines aus dem Stand der Technik bekannten induktiven Sensors, der in einem bestimmten Spaltabstand oberhalb der Zähne eines phonischen Rades angeordnet ist; und
2 in schematischer Darstellung einen auf der Basis der vorliegenden Erfindung ausgebildeten, gegenüber äußeren Einflüssen deutlich weniger empfindlichen induktiven Sensor mit in der Summe gleichbleibendem Spaltabstand zu den Zähnen eines phonischen Rades.
Die in 1 gezeigte Grundstruktur eines gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten induktiven Sensors 1 umfasst einen Permanentmagneten 2 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 11 sowie ein an den Permanentmagneten anschließendes T-Stück 3, dessen Kern 5 mit einer Spule 6 umwickelt ist. Die auf Verdrehung zu prüfende Welle eines Triebwerks ist mit einem zweiteiligen phonischen Rad 4 verbunden, von dem hier nur ein einzelner Zahn 7 von einer Mehrzahl am Umfang der beiden Teile des zweiteiligen phonisches Rades in regelmäßigem Abstand angeordneter, ineinander verschachtelten Zähne dargestellt ist. Mit der strich-punktierten Linie ist die Mittelachse 8 der Welle und des zweiteiligen phonischen Rades angedeutet. Die Spule 6 ist mit einer Mess- und Auswerteeinheit (nicht dargestellt) verbunden, um die beim Durchgang des jeweiligen Zahns 7 durch das Magnetfeld 11 bewirkte Änderung des Magnetflusses und die mit der Magnetflussänderung – dφ/dt induzierte Spannung U_L sowie eine infolge einer Torsion der Welle auftretende Phasenverschiebung der Spannungsimpulse zu erfassen und anzuzeigen. Zwischen der Oberkante des Zahnes 7 und der freien Stirnseite des Kerns ist ein Luftspalt 9 gebildet, dessen Weite sich infolge von Vibrationen verändern kann und somit die Änderung des Magnetflusses und die induzierten Spannungsimpulse beeinflussen kann. Des Weiteren können andere, in der näheren Umgebung des Sensors angeordnete, magnetisch leitende Objekte das Magnetfeld 11 und damit die vom Sensor erfassten Daten verändern, so dass eine exakte Messung der Torsion der Welle nicht möglich ist.
Bei der auf der Basis der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Ausführungsform eines induktiven Sensors 1 gemäß 2 werden für mit dem Sensor nach 1 übereinstimmende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. An den Kern 5 mit der Spule 6 sowie an den Permanentmagneten 2, die hier in einer waagerechten Lage angeordnet sind, schließt sich in der vorliegenden Ausführungsform ein aus magnetischem Material bestehendes, den magnetischen Pfad bildendes magnetisches Joch 10 an. Das Joch 10 umfasst zwei Schenkel 10a, 10b, zwischen deren freien Enden ein Luftspalt 12 verbleibt, in dem sich die Zähne 7 des mit der Mittelachse 8 angedeuteten phonischen Rades 4 bewegen können. Mit Hilfe des Jochs 10 wird der Verlauf der magnetischen Feldlinien des Magnetfeldes in Luft auf ein Minimum beschränkt. Die beiden Schenkel 10a, 10b des magnetischen Jochs 10 bilden einen weitgehend geschlossenen magnetischen Pfad, in dem die magnetischen Feldlinien in dem magnetischen Material verlaufen. Dadurch wird das Magnetfeld bzw. der Magnetfluss gegenüber störenden Einflüssen von anderen magnetischen Bauteilen in der Umge bung des Sensors 1 abgeschirmt und somit die Genauigkeit des Sensors 1 wesentlich verbessert. Die beiden freien Enden des Jochs 10 können (wie in 2) nach innen abgekröpft sein und deren den Luftspalt 12 begrenzende Stirnseiten liegen gegenüber den Flanken der Zähne 7 des phonischen Rades, so dass die zwischen den Zähnen 7 und dem Sensor 1 bzw. dem Joch 10 verbleibende Summe des Luftspaltes 12 auch bei Vibrationen nicht verändert und der Magnetfluss im Magnetfeld 11 durch sich ändernde Weiten des verbleibenden Luftspaltes 13a, 13b im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.

1: induktiver Sensor
2: Permanentmagnet
3: T-Stück
4: rotierendes Bauteil/phonisches Rad
5: Kern (Teil des T-Stückes)
6: Spule
7: Zähne am Umfang von 4
8: Mittelachse v. 4
9: Luftspalt
10: Joch, magnetischer Pfad
10a, 10b: Schenkel v. 10
11: Magnetfeld
12: Luftspalt
13a, 13b: Luftspalt

Claims

Induktiver Sensor zum Erfassen der Bewegung eines Bauteils, insbesondere zum Messen der Verdrehung einer Welle mit Hilfe eines mit dieser verbundenen phonischen Rades, der einen Permanentmagneten (2) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (11) sowie einen Kern (5) mit einer auf diesen gewickelten, an ein Messgerät angeschlossenen Spule (6) zum Erfassen von durch das rotierende Bauteil bewirkten Magnetflussänderungen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zur Verringerung von durch andere magnetische Bauteile oder Vibrationen bedingten Einflüssen einen im Wesentlichen geschlossenen, aus magnetischem Material (10a, 10b) gebildeten magnetischen Pfad der Magnetflusslinien mit einem in der Summe gleich bleibenden Luftspalt (12), in den das rotierende Bauteil eingreift, aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Pfad von mit dem Kern (5) bzw. dem Permanentmagneten (2) verbundenen Schenkeln beliebiger Form (10a, 10b) eines magnetischen Jochs (10) gebildet ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (12) zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen der Schenkelenden gebildet ist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (12) so ausgebildet ist, dass die Stirnflächen den Seitenflächen des Bauteils oder der Zähne (7) des phonischen Rades gegenüberliegen.