DE102012201072A1

DE102012201072A1 - Drehmomentsensoranordnung

Info

Publication number: DE102012201072A1
Application number: DE201210201072
Authority: DE
Inventors: Dr. Maier Carl Udo; Jochen Ostermaier; Benjamin Waldmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2013-07-25

Abstract

Es wird eine Drehmomentsensoranordnung angegeben mit einer Radar-Sendeeinrichtung, ausgestaltet zur Aussendung von Radarwellen in Form eines ersten linear polarisierten Signals, einer Empfangseinrichtung zur Aufnahme reflektierter Anteile des ersten Signals sowie einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments in einem vom Signal getroffenen Objekt anhand der Amplitude der reflektierten Anteile des ersten Signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung mit einem berührungslos arbeitenden Drehmomentsensor.
Die Permeabilität ferromagnetischer Materialien wird durch mechanische Spannungen beeinflusst. Dieser physikalische Effekt, der als magnetoelastischer Effekt bekannt ist, kann zum Messen von Drehmomenten in einem rotierenden Objekt herangezogen werden, da ein Drehmoment Spannungen in dem rotierenden Objekt erzeugt. Es sind eine Reihe verschiedener Sensoren bekannt, die den magnetoelastischen Effekt verwenden, um kontaktlos Drehmomente bspw. von Wellen zu erfassen. Die magnetoelastischen Sensoren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus, wobei eine Nachkalibrierung ebenso wenig erforderlich ist, wie das Anfahren von Referenzmarken.
Ein magnetoelastischer Drehmomentssensor, der zum Messen des Drehmoments von Antriebswellen zum Einsatz kommen, ist beispielsweise aus DE 10 2009 008 074 A1 bekannt. In diesem Dokument ist eine Messanordnung zum Erfassen des Drehmoments einer Welle beschrieben, die einen mit einem vorbestimmten Spaltabstand von der Oberfläche der Welle positionierten Drehmomentsensor umfasst. Dabei wird zur Messung von Drehmomenten an Kraft übertragenden Wellen von Maschinen in einem geringen Abstand von der Oberfläche der Welle kontaktlos eine elektromagnetische Spule angeordnet, die auf die Veränderung der Permeabilität in einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer an sich ferromagnetischen Welle mit einer Signaländerung reagiert. Hierzu muss die Welle Torsionsspannungen ausgesetzt sein, d.h. der magnetoelastische Drehmomentsensor muss entlang der Welle zwischen einem antreibenden Drehmoment und dem ihm entgegengesetzt wirkenden Reaktionsdrehmoment angeordnet sein. Die aus dem ferromagnetischen Material gebildete Welle ist dadurch Teil der Messvorrichtung.
Nachteiligerweise ist es bei der beschriebenen Messmethode notwendig, den Sensor relativ nahe an der zu vermessenden Welle zu platzieren. Zusätzlich reagiert das Ergebnis der Messung empfindlich auf den Abstand zwischen dem Sensor und der Welle.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehmomentsensoreinrichtung anzugeben, die die oben genannten Nachteile verringert.
Diese Aufgabe wird durch eine Drehmomentsensoreinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Anordnung mit einer Welle anzugeben, bei der eine verbesserte Drehmomentmessung an der Welle ermöglicht ist.
Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung umfasst eine Radar-Sendeeinrichtung. Diese ist ausgestaltet zur Aussendung von Radar-Wellen in Form eines ersten linear polarisierten Signals. Weiterhin umfasst die Drehmomentsensoranordnung eine Empfangseinrichtung zur Aufnahme reflektierter Anteile des ersten Signals. Schließlich weist die Drehmomentsensoranordnung eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments in einem von den Signalen getroffenen Objekt anhand der Amplitude der reflektierten Anteile des ersten Signals auf.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass sich die Reflektivität eines magnetoelastischen Materials für elektromagnetische Wellen unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen ändert. Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung ermöglicht es vorteilhaft, diese Änderung mit Radar-Signalen auszulesen und so ein Drehmoment an einem Messobjekt zu bestimmen. Da elektromagnetische Wellen verwendet werden, ist der Einfluss des Abstands der Drehmomentsensoranordnung vom Messobjekt unproblematisch und kann wesentlich höher sein als bei bekannten magnetoelastischen Messeinrichtungen. Die Drehmomentsensoranordnung ermöglicht mit anderen Worten eine Fernauslesung des Drehmoments. Auch Schwankungen des Abstands sind wesentlich weniger problematisch.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Radar-Sendeeinrichtung ausgestaltet zusätzlich zum ersten Signal ein zweites, ebenfalls linear polarisiertes Signal auszusenden, wobei die die Polarisationsebenen des ersten und des zweiten Signals einen Winkel von wenigstens 10° einschließen. Besonders vorteilhaft für die Messungen des Drehmoments ist es, wenn die Polarisationsebenen einen Winkel von 45° einschließen.
Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren bei Wellen als Messobjekt einsetzen. Dabei ist die Radar-Sendeeinrichtung bevorzugt so ausgerichtet, dass die Aussendung des ersten und des zweiten Signals derart erfolgt, dass die Polarisationsebene beider Signale einen 45°-Winkel mit der Achse der Welle einschließt. Damit wird erreicht, dass die Kraftrichtungen der maximalen Kompression bzw. maximalen Dehnung bei einem auf die Welle wirkenden Drehmoment genau in den Polarisationsebenen liegen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung unter Bezugnahme auf die Figur.
Im Ausführungsbeispiel umfasst die Drehmomentsensoranordnung einen Radarsender 1 und einen Radarempfänger 3, die in einem gemeinsamen Aufbau angeordnet sind. In dem Aufbau ist weiterhin eine in der Figur nicht dargestellte Auswerteeinrichtung in Form eines Mikroprozessors vorgesehen, die mit dem Radarempfänger verbunden ist. Die genannten Elemente sind zweckmäßig in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet, welches sie vor Umgebungseinflüssen schützt. Das Gehäuse besitzt Öffnungen, die eine direkte Sicht auf ein zu vermessendes Objekt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Welle 2, die aus einem ferromagnetischen Material besteht, ermöglichen.
Die Auswerteeinrichtung kann in Abweichung von dem Ausführungsbeispiel auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, beispielsweise in einem Industrierechner. In diesem Fall ist die Sensoranordnung mit einem Datenerfassungsmodul ausgestattet, welches analoge Sensorsignale digitalisiert und an ein entfernt angeordnetes Datenverarbeitungsmodul, beispielsweise ein in dem Industrierechner angeordnetes Datenverarbeitungsmodul, weitergibt. Das Datenverarbeitungsmodul kann dabei als Hard- oder Software realisiert sein. In dem Datenverarbeitungsmodul werden die Daten mit den entsprechenden Algorithmen ausgewertet und die Ergebnisse an den Leitstand gesendet.
Der Drehmomentsensor arbeitet dabei mit dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Suszeptibilität erfahren, wenn sie mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Da mechanische Spannungen außer durch Zugkräfte und Druckkräfte auch durch Torsion induziert werden, kann der inverse magnetostriktive Effekt zur Drehmomentmessung herangezogen werden, um Drehmomente rotierender Objekte, die zumindest eine ferromagnetische Oberflächenschicht besitzen, berührungslos zu messen.
Dafür werden im Drehmomentsensor vom Radarsender 1 ein erstes Radarsignal 11a und ein zweites Radarsignal 11b erzeugt und zur Welle 2 hin ausgesendet. Die beiden Radarsignale 11a, b müssen dabei nicht zwangsläufig zeitgleich ausgesendet werden; es ist aber vorteilhaft, wenn der zeitliche Abstand der Signale klein ist gegenüber der Frequenz der Veränderung des wirkenden Drehmoments. Dabei sind die beiden Radarsignale 11a, b in zueinander senkrechten Ebenen linear polarisiert. Weiterhin schließen die Polarisationsebenen einen Winkel von 45° mit der Achse der Welle 2 ein.
Die Radarsignale 11a, b werden zum Teil an der Welle 2 reflektiert und die jeweiligen reflektierten Anteile 12a, 12b erreichen den Radarempfänger 3, wo sie in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Auswerteeinrichtung wertet die Amplitude der vom Empfänger 3 erfassten elektrischen Signale im Hinblick auf das Drehmoment der Welle 2 aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009008074 A1 [0003]

Claims

Drehmomentsensoranordnung mit – einer Radar-Sendeeinrichtung (1), ausgestaltet zur Aussendung von Radarwellen in Form eines ersten linear polarisierten Signals (11a), – einer Empfangseinrichtung (3) zur Aufnahme reflektierter Anteile (12a) des ersten Signals (11a), – einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments in einem vom Signal getroffenen Objekt (2) anhand der Amplitude der reflektierten Anteile (12a) des ersten Signals (11a).
Drehmomentsensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Radar-Sendeeinrichtung (1) ausgestaltet ist zur Aussendung eines zweiten linear polarisierten Signals (11b) derart, dass die Polarisationsebenen des ersten und des zweiten Signals (11a, 11b) einen Winkel von wenigstens 10° einschließen.
Drehmomentsensoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Polarisationsebenen des ersten und des zweiten Signals (11a, 11b) einen Winkel von 45° einschließen.
Anordnung aus einem Messobjekt (2), das ein magnetostriktives Material aufweist und einer zum Messobjekt beabstandet angeordneten Drehmomentsensoreinrichtung gemäß Anspruch 1.
Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der das Messobjekt (2) eine Welle (2) ist.
Anordnung gemäß Anspruch 5, bei der die Radar-Sendeeinrichtung (1) so zur Welle ausgerichtet ist, dass die Polarisationsebenen des ersten und zweiten Signals (11a, 11b) einen 45°-Winkel mit der Achse der Welle (2) einschließen.