DE102013000090A1

DE102013000090A1 - Telemetrisches Torsionsmesssystem zur Erfassung des Drehmoments am Wellenkörper mit kontaktloser Signalübertragung

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Publication number: DE102013000090A1
Application number: DE201310000090
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2014-07-10

Abstract

Für die Erfassung von Drehmomenten an drehenden Wellen werden heute häufig Telemetriesysteme mit Nachfeldübertragung eingesetzt. Die Erfassung des Drehmoments erfolgt in der Regel auf Dehnungsmessstreifenbasis. Sie haben sich über viele Jahrzehnte durch Ihre Präzision und Flexibilität ausgezeichnet. Leider ist Montage und Verschaltung von Dehnungsmessstreifen sehr zeitaufwendig und damit kostspielig. Andere Verfahren wie magnetoresistiv oder induktive Verfahren, Winkeldifferenzmessung, etc. sind zwar preiswerter in der Herstellung, jedoch störanfälliger und von niedriger Genauigkeit. Die hier gezeigte Technologie vereinigt die bewährten Eigenschaften der Dehnungsmessstreifentechnik mit einer extrem kostengünstigen Applikationstechnik durch den telemetrischen Torsionssensor. Der telemetrische Torsionssensor beinhaltet bereits die Drehmomenterfassung und ist besonders einfach wie eine Briefmarke zu applizieren. Dies wird erreicht, indem ein gemeinsamer Träger für den Torsionssensor auf Dehnungsmessstreifenbasis und der Signalerfassungseinheit mit integriertem Telemetrie Interface vorhanden ist. Das System arbeitet in vorteilhafter Weise berührungslos. Für die Montage ist kein Lötkolben erforderlich. Die Struktur kann an beliebiger Stelle auf den Wellenkörper geklebt werden. Hauptanwendungsbereich ist die kostengünstige Herstellung von Drehmomentsensoren für Serienanwendungen.

Description

Berührungslose Übertragungssysteme (Nachfeldtelemetrie) zum kontaktlosen Übertragen von Sensordaten von drehenden Wellen werden heute bereits mit großem Erfolg, wie im Patent DE3922556 beschrieben, eingesetzt. Die häufigste Anwendung ist die Erfassung des Drehmoments (11). Sie sind sehr modular aufgebaut, flexibel einsetzbar, erfordern jedoch in der Regel einen hohen Montage- und Verdrahtungsaufwand. Diese Systeme bestehen in der Regel aus einer Dehnungsmessstreifenbeklebung, einem Sensorsignalverstärker mit Digitalisierung, einer Telemetrieeinrichtung, einer Stromversorgung, einer Stator- und Rotorantenne und einer Auswerteeinheit, sowie die Verkabelung der Komponenten. Die Modularität bringt zwar Flexibilität aber auch hohe Applikationskosten.
Im Rahmen der zunehmenden Automatisierung besteht ein großer Wunsch nach kostengünstigen Drehmomentsensoren. Diese Anwendungen gibt es zur Prozessüberwachung und -steuerung, Produktionstechnik, Fahrzeugtechnik, Windkraftanlagen und der Konsumgüterindustrie. Magnetoresistive Verfahren scheinen die Lösung zu sein. Bei genauerer Betrachtung aber, benötigen magnetoresistive Verfahren für eine gute Auflösung gewisse Materialeigenschaften und eine gewisse Dehnung. Die Dehnung ist insbesondere bei Anlagen mit dimensionierter großer Lebensdauer von 40 Jahren (insbesondere bei Windkraftanlagen) ein großes Problem. Hier ist die max. zulässige Dehnung sehr gering, was bekanntlich auch ein geringes Nutzsignal bedingt. Magnetoresistive Verfahren für eine gute Auflösung bedingen gewisse Materialeigenschaften. Üblicher Weise werden heute im Wellenstrang befindliche hochfeste Bauteile mit sehr spezifischen Materialpaarungen produziert um gewisse Dämpfungseigenschaften für Torsionsschwingungen zu erreichen, welche in langen Erprobungsreihen gefunden wurden. Eine Veränderung dieser Materialpaarungen zu Gunsten besserer Dehnungsdetektionsmöglichkeiten, um eine gute Drehmomenterfassungsmöglichkeit mittels magnetoresistiven Verfahren zu erreichen, stößt in der Regel auf große Widerstände von seitens der Konstrukteure. Auch die Verfälschung der Messwerte durch parasitäre Wellenströme von elektrischen Antriebsmotoren oder externer Magnetfelder sind äußerst problematisch.
Alternative Drehwinkelmessverfahren basierend auf Zahnkränzen und Abstand x montierten Induktivsensoren zur Abfrage des Verdrehwinkels haben bei mechanischen Resonanzen der Halterungen erhebliche Probleme, obwohl sie einfach erscheinen. Des Weiteren benötigen sie viel axialen Platz. Auch die Separierung von stationären Schwingungssignalen zu den eigentlichen gewünschten dynamischen Torsionssignalen ist schwierig. In der Regel ist eine Separation nur über Mittelung möglich. Das erhöht jedoch die Entscheidungszeiten zur Erkennung einer Überlast oder die Einschränkung der Auswertung von Torsionsschwingungen.
Auch Verdrehwinkelmesssensoren auf kapazitiver Basis, welche auf die rotierende Welle geklemmt werden und damit etwas abstehend sind, haben in der Regel nur eine begrenzte mechanische Kopplung zum Wellenkörper, was wiederum zu mechanischen Eigenresonanzen der Sensoren ermöglicht und damit zu einer verfälschten Wiedergabe der realen dynamischen Drehmomentsignale führt. Die üblicher Weise genutzten Klemmringe zur Befestigung des Sensors haben zusätzlich Langzeitsetzvorgänge, was sich in Nullpunktdriftvorgängen ausdrückt.
Die heutigen auf Dehnungsmessstreifentechnik aufgebauten Systeme haben diese Problematik nicht. Sie sind sofort nach der Montage stabil und haben kaum Langzeitdrift. Aber leider ist die Applikation dieser Technik sehr teuer und für Serienanwendungen nur bedingt geeignet.
Ziel ist es eine kostengünstige Lösung zu finden und die dennoch bewährten die positiven Eigenschaften der Dehnungsmessstreifentechnik besitzt und zu dem noch hohe Zuverlässigkeit und Langzeitfestigkeit aufweist. Ein wesentlicher Vorteil der Dehnungsmessstreifentechnik ist, dass sie für nahezu alle Materialien eingesetzt werden kann. So können auch vorteilhaft bereits existierende Bauteile eines Wellenstrangs gerade für Produktionsmaschinen preiswert mittels dieser Technik zu Drehmomentaufnehmern veredelt werden. Fakt ist außerdem, das die Messung des dynamischen Drehmoments direkt an der drehenden Welle den höchsten Isolationsgrad gegen Übersprechsignale liefert und am genauesten ist.
Aus diesem Grunde wurde nach einer Lösung gesucht, die keinerlei Lötarbeiten für die Montage bedingt und auch keine zusätzlichen Verdrahtungselemente benötigt. Auch die notwendigen Kenntnisse zur Montage des Elements sollten gering sein. Kerngedanke der Erfindung ist, das der telemetrische Torsionssensor (1) mit Rotorantenne (7) durch einen einfachen Klebeprozess kostengünstig auf den Wellenkörper (4) aufgebracht wird. Es sind keine weiteren Elemente notwendig. Damit entfällt auch der sonst übliche zeitaufwendige Verdrahtungsaufwand und das Sichern der Verdrahtung gegen Fliehkräfte bei Rotation. Des Weiteren ist der Montageprozess automatisierbar und kann ohne menschliche Handarbeit ausgeführt werden. Der Grundgedanke ist, das im telemetrischen Torsionssensor (1) die Sensorsignalerfassungseinheit (2) mit integriertem Telemetrie Interface (14) mit dem Torsionssensor (3) eine Einheit sind. Alle Funktionselemente sind auf ein gemeinsames Substrat (16) ausgeführt. Dabei ist mindestens ein Teil des Substrats auf das die Messgitter (7) aufgebracht sind flexibel ausgeführt. Damit kann es der Krümmung der Wellenoberfläche angepasst werden. Über die dünne Klebefuge (5) nehmen die Messgitter die Verformung des Wellenkörpers (4) unter Drehmomentlast auf.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Der zweite Teil des Substrats kann ebenfalls vorteilhaft auch als Flexsubstrat ausgeführt sein. Damit kann die Elektronik auf das Flexsubstrat buchstäblich um den Wellenkörper (4) gewickelt werden und ermöglicht somit geringste Aufbauhöhen. Prinzipiell ist auch eine Mischform zwischen Flex- und Starrelementen des zweiten Teils des gemeinsamen Substrats denkbar. Die Orientierung des telemetrischen Torsionssensors (1) kann dabei tangential oder axial sein.
Allerdings ist in bestimmten Anwendungsfällen die Rotorantenne (7) nicht als kompaktes Element, sondern als Induktionsschleife, welche gemäß 5 um den Wellenkörper (4) über eine Isolationslage gelegt wird, vorteilhaft. Dies trifft insbesondere bei großen Messkörpern (4) zu, da hier der Statorantennenaufbau sehr aufwendig und teuer wäre. In diesen Fall kann für eine drehwinkelunabhängige Drehmomenterfassung eine kompakte Statorantenne (8) in Form eines Zylinders, Quaders oder U-Profils genutzt werden. Im Gegensatz dazu bedingt das kompakte Rotorantennenelement für eine drehwinkelunabhängige Drehmomenterfassung eine komplett umschließende Statorantenne (8).
Bekanntermaßen tritt bei Drehmoment (11) eine Tordierung des Wellenkörpers (4) auf. Dies führt zu einer Verzerrung der Oberfläche. Über die äußerst dünne Klebefuge (5) ist der Torsionssensor (3) mit der Wellenoberfläche verbunden. Die Verzerrung der Wellenoberfläche auf das Messgitter (6) wird ohne Verluste übertragen. Das Messgitter (6) besteht bei der Drehmomenterfassung üblicher Weise aus 4 Messelementen (8), man spricht von einer Vollbrücke, welche zu einer Wheatstonebrücke zusammen geschaltet sind. Messgitter (6) auf Dehnungsstreifenbasis sind seit vielen Jahren bekannt und werden mit großem Erfolg bei der Drehmomenterfassung eingesetzt. Jedes der Messelemente (7) besteht aus einer mäanderförmigen Leiterbahnenanordnung, welche unter dem Winkel α zur horizontalen Achse x angeordnet sind. Optimale Ergebnisse werden beim Winkelwert α von 45° erzielt. Allerdings ist dieser Wert nicht zwingend. Bei anderen Winkelwerten α wird allerdings die Nutzsignalausbeute geringer. Die Funktion ist aber dennoch gegeben. Allerdings muss die Leiterbahnanordnung zur Auswertbarkeit einen gewissen elektrischen Widerstand R aufweisen. Dies kann durch Materialien mit höherem spez. Widerstand und geringer Leiterbahnbreite und -höhe erreicht werden. Aus Herstellungskostengründen sollte das Leiterbahnmaterial für das gemeinsame Substrat identisch sein. Üblicher Weise wünscht man sich jedoch sehr niederohmige Leiterbahnen für die Sensorsignalerfassungseinheit (2). Trotz dieser kontroverser Forderungen kann man einen gemeinsamen Nenner finden.
Prinzipiell könnte das Messgitter auch nur aus zwei oder nur einem Messelement (8) bestehen. In diesem Fall wird die Wheatstonebrücke immer mit Festwiderständen ergänzt. Das würde Platz und Kosten sparen. Leider sind die Messelemente (8) nicht nur dehnungssensitiv sondern auch in einem gewissen Maße temperatursensitiv. Diese im Messsignal befindliche Messwertdrift bei der Veränderung der Messkörpertemperatur ist äußerst störend. Bei Verwendung einer Vollbrücke, Aufbau gemäß 4a, wird die Temperaturdrift aus dem Messsignal (12) und andere parasitäre Größen, Biegemomenteinfluss, Axialkrafteinfluss, etc. weitgehend eliminiert. Darum ist diese die bevorzugte Ausführungsform. Auch die Ausführung mit zwei Messelementen (7), genannt Halbbrücke, bringt eine gewisse Temperaturdriftkompensation.
Im Prinzip wäre auch die Verwendung von nur einem Messelement (7) ohne Ergänzung zur Wheatstonebrücke mittels Festwiderständen denkbar. In diesen Fall könnte die Auswertung der drehmomentabhängigen Widerstandsveränderung des Messelements (7) mittels eines Widerstandssignalkonverters (18) der Sensorsignalerfassungseinheit (2) zugeführt werden. Derartige Konverter werden heute in großer Zahl bei Multimetern eingesetzt.
Die Signalerfassungseinheit (2) besteht in der Regel aus einem Eingangsverstärker mit Antialiasingfilter und einer nachgeschalteten Digitalisierungseinrichtung. Derartige Schaltungen werden heute über den Produktnamen Sensortelemetrie auf dem Markt vertrieben und bedürfen keiner gesonderten Erklärung. Zweck dieser Einheit ist es aus dem Messsignal (12) ein digitales Ausgangssignal zu generieren, welches dem Telemetrie Interface (14) zugeführt wird. Natürlich sind auch neben der seriellen digitalen Signalform auch analoge Signalformen in von veränderbaren Frequenzen denkbar.
Eine wesentliche Problematik ist noch die Konditionierung der Signalerfassungseinheit (2) Leider treten beim Klebeprozess durch Andrücken Messgitterverzerrungen auf. Diese drücken sich in Widerstandsveränderung in den Messelementen (7) aus. Die Folge ist, dass die Balance in der Wheatstonebrücke verschoben sein kann und sich eine Nullpunktablage des Drehmomentsignals am Interface (9) einstellt, was den abbildbaren Messbereich einschränkt. Ein weiteres Problem ist die Signalgröße des Messsignals. Es hängt vom Wellendurchmesser des Messkörpers (4) und von dessen E-Modul ab. Des Weiteren gibt es auch gewisse Fertigungstoleranzen. Wünschenswert ist häufig bei Serienanwendungen eine Austauschbarkeit von Komponenten. Dies erfordert jedoch nicht nur normierte physikalische Schnittstellen, sondern auch eine normierte Messwertschnittstelle zwischen telemetrischem Torsionssensor (1) und Statorantenne (8). Die Abbildung des Drehmomentwertes sollte bei gleichem Wellenkörpertyp (4) unabhängig von Material-, Bauteil- und Montageschwankungen sein. Dies erfordert jedoch einen abgleichbaren telemetrischen Torsionssensor. Die Kalibrierung liegt im telemetrischen Torsionsmesssensor (1). Idealer Weise kann dieser Abgleichprozess ferngesteuert über den bestehenden telemetrischen Telemetriekanal (20) durchgeführt werden. Damit können Abgleich- und Setupvorgänge im fertigmontierten Zustand nach der Inbetriebnahme oder während des Kalibrierprozesses erfolgen ohne erneutes mechanisches Öffnen des telemetrischen Torsionssensors (1).
Die bereits im Markt befindliche Sensortelemetriesysteme weisen diese Merkmale mit einer Einstellbarkeit des Messbereiches mit 16 Bit Auflösung und die Möglichkeit der Autozerofunktion oder definierten Nullpunktversatzes auf. Diese Merkmale haben sich in der praktischen Anwendung sehr bewährt. In einer vorteilhaften Ausführung weist der telemetrische Torsionssensor (1) dieses Merkmal ebenfalls aus. Der klassische Abgleich des Messsignalverstärkers mittels Lötwiderständen würde nicht der Philosophie des telemetrischen Torsionssensor (1) entsprechen.
Des Weiteren sollten auch gewisse Monitoringfunktionen für den Servicefall verfügbar sein. Üblicherweise wird die Messwertweitergabe bei der Gefahr fehlerhafter Werte unterbunden. Dabei ist es oft schwierig bei einem gekapselten System die eigentliche Ursache zu ermitteln. Hier wäre ein Monitoringsystem sehr hilfreich. Ein häufiger Fehler ist die Unterversorgung des telemetrischen Torsionssensors (1). Es wäre sehr hilfreich dieses Problem zu erkennen, um zielgerichtete Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Eine andere Problematik ist die Überhitzung des Messkörpers. Auch hier werden üblicher Weise die Messwerte verfälscht. In kritischen Betriebszuständen ist es äußerst wichtig diese Betriebsbedingung klar zu erkennen, um Gegenmaßnahmen einleiten zu können.
Heute erwartet man von Sensoren, das bei Problemen auch eine gewisse Situationsanalyse ermöglicht wird.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die mechanische Robustheit des telemetrischen Torsionssensors (1). Gerade für Investitionsgüter ist eine hohe Betriebsfestigkeit und lange Lebensdauer von besonderer Bedeutung. In häufigen Anwendungen wird er im Getriebe unter Ölbedingungen betrieben. Das Öl peitscht periodisch gegen den telemetrischen Torsionssensor (1) führt zu einer gewissen Erosion und führt zu einer Langzeitschädigung. Hier wäre ein Schutz in Form einer Folie sehr von Bedeutung. Eine Metallfolie hat den großen Vorteil welche auf den Wellenkörper (4) mittels Mikroschweißung (21) befestigt werden kann. Jede Klebung ist der Mikroschweißtechnik unterlegen.
Die Erfindung wird an Hand folgender Figuren beschrieben.
1a zeigt die Seitenansicht einer typischen Anordnung zur kontaktlosen Erfassung von Drehmomentsignalen an drehenden oder bewegten Wellen. Die Anordnung besteht aus dem telemetrischen Torsionssensor (1), welcher auf den Wellenkörper (4) montiert ist. Der telemetrische Torsionssensor (1) bestehend aus den Torsionssensorteil (3) der Sensorsignalerfassungseinheit (2) und der Rotorantenne (7). Dabei ist der Torsionssensor (3) aus klebbarer Folie ausgeführt.
1b zeigt die axiale Ansicht einer typischen Anordnung zur kontaktlosen Erfassung von Drehmomentsignalen an drehenden oder bewegten Wellen. Der telemetrische Torsionssensor (1) ist mit der Klebefuge (5) auf den Wellenkörper (4) aufgebracht. Die auf der Sensorsignalerfassungseinheit (2) integrierte Rotorantenne (7) ist von der Wellenoberfläche abstehend angeordnet.
2a zeigt eine besondere Ausführungsform des telemetrischen Torsionssensors (1). Hierbei ist die Sensorsignalerfassungseinheit (2) als Flex-Leiterplatte ausgeführt. Sie wird als schmales Streifenelement inklusive Torsionssensor (3) um den Wellenkörper (4) in Umfangsrichtung montiert.
2b zeigt die axiale Ansicht der besonderen Ausführungsform des telemetrischen Torsionssensors (1) montiert auf den Wellenkörper (4)
3a zeigt den typischen Aufbau des Torsionssensors (1). Er besteht aus 4 Messgitter (6), welche zu einer Torsionsmessbrücke verschaltet sind. Bei Aufbringung eines Drehmoments (11) wird der Wellenkörper (4) verformt. Die Messgitter (6) sind fest mit dem Wellenkörper (4) verbunden und unterliegen ebenfalls der Verformung. Die Verformung führt zu einer Widerstandsänderung ΔR der einzelnen Messgitter (6). Sie ist je nach Winkelrichtung positiv oder negativ.
3b zeigt die Verschaltung des Messgitters (6) mit dem Widerstand R ohne Drehmoment. Mit Drehmoment verändert sich der Messgitterwiderstand R um ΔR. Alle 4 Messgitter sind zu einer Wheatstonebrücke (8) verschaltet. Die Wheaton-Brücke (8) wird von der Sensorsignalerfassungseinheit (2) mit Spannung oder Strom zwischen dem Anschluss Vc und Anschluss Gnd gespeist. Das drehmomentproportionale Messsignal (12) entsteht durch Änderung der Widerstände der Messgitter (6) und zwischen den Sensorsignalerfassungseinheiteingängen I+ und I– wird diese der Sensorsignalerfassungseinheit (2) zugeführt.
3c zeigt die Verschaltung des Messelements (7) mit der Sensorsignalerfassungseinheit. Die drehmomentabhängige Widerstandsänderung (2) R + ΔR wird über den Widerstandssignalkonverter (18) in ein für die Sensorsignalerfassungseinheit (2) verarbeitbares Signal umgesetzt.
4a zeigt die Ausführung des Messgitters (7). Das Messgitter (7) ist auf einer isolierenden Trägerfolie (13) aufgebracht und besteht aus 4 Messelementen (8). Die Messelemente in 4b dargestellt, sind mäanderförmig. Die Struktur ist jeweils unter dem Winkel α gegenüber der horizontalen Achse angeordnet. Es gibt jeweils in der Mitte der Seitenkanten Signalpunkte.
4b zeigt die Ausführung des Messelements (8). Die Messelemente selbst sind mäanderförmige widerstandsbehaftete Leiterbahnen mit dem Gesamtwiderstand R. Bei Anliegen einer Kraft F wird das Messelement (8) gestreckt und der Widerstand ändert sich um ΔR. Bei einer negativen Kraft wird es gestaucht.
5 zeigt den telemetrischen Torsionssensor (1) mit integriertem Telemetrie Interface (14) montiert auf den Wellenkörper (4). Das Telemetrie Interface (14) ist mit der um den Wellenkörper (4) geschlungenen Rotorantenne (7) verbunden. Die Übertragung erfolgt berührungslos zwischen Rotorantenne (7) und Statorantenne (8) über das Koppelfeld (15). Die Statorantenne (8) kann als kompaktes Element oder als Schleifenstruktur ausgeführt sein.
6a zeigt die Seitenansicht des telemetrischen Torsionssensor (1) mit integriertem Telemetrie Interface (14) montiert auf den Wellenkörper (4). Das Telemetrie Interface (14) ist mit einer kompakten miniaturisierenden Rotorantenne (7) verbunden, welche Bestandteil des telemetrischen Torsionssensors (1) ist. Die Übertragung erfolgt berührungslos zwischen Rotorantenne (7) und schleifenförmiger Statorantenne (8) über das Koppelfeld (15).
6b zeigt die axiale Ansicht des telemetrischen Torsionssensor (1) mit integriertem Telemetrie Interface (14) montiert auf den Wellenkörper (4). Das Koppelfeld wirkt radial.
7a zeigt den mit einer Metallfolie (22) abgedeckten telemetrischen Torsionssensor (1). Die Metallfolie wird mit dem Wellenkörper (4) mittels der Mikroschweißnaht (21) hermetisch verschweißt. Nur die Rotorantenne (7) ragt zwecks Signalübertragung heraus.
7b zeigt die axiale Ansicht einer Variante des eingeschweißten telemetrischen Torsionssensors (1).
8 zeigt die Gesamtanordnung des telemetrischen Torsionssensormesssystems (0). Es besteht aus dem telemetrischen Torsionssensor (1), der Statorantenne (8) dem Interface (9) welches über die Kabelverbindung (10) mit der Statorantenne (8) verbunden ist.
Der wesentliche Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass die selbstabgleichende Rotorantenne (29) ohne manuellen Eingriff stets eine optionale Leistungsübertragungsbedingung über das adaptive Anpassungsnetzwerk (4) herstellt und somit optimale Reichweiten zwischen Statorantenne (3) und Rotorantenne (29) garantiert. Damit entfällt der sonst obligatorisch notwendige manuelle Abgleich der Rotorantenne (29) beim Einbau einer Sensortelemetrieanlage in Fahrzeugen oder Maschinen.
Ein weiterer wesentlicher Grundgedanke ist die Versorgung der Anpassungselektronik (35) aus der indizierten HF-Spannung (22). In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die notwendige Energie für die Versorgung der Logik oder des Prozessors (7) über ein Netzteil (10) direkt durch Gleichrichtung der HF-Spannung (22) gewonnen. Im Gegensatz zu Batterie- oder Akkuversorgten Systemen ist diese Technik absolut wartungsfrei. Auch Systeme mit Stützkondensatoren mit großer Kapazität haben Leck Ströme. Die Stützkondensatoren entladen sich nach einiger Zeit und die Anlage ist nicht mehr startfähig.
Diese Übertragungstechnik könnte auch bei rotierenden wartungsfreien Drehmomentmesssystemen oder sonstigen „Plug and Play”-Rotormesssystemen eingesetzt werden. Auch bei diesen Systemen gibt es ebenfalls eine Rotorantenne (29), welche üblicherweise abgeglichen werden muss. Hier wird der Abgleich im Rahmen des Fertigungsprozesses durchgeführt. Dennoch müssen diese Rotorantennen (29) im Rahmen der Produktion zeitaufwendig manuell abgeglichen werden. Die Ursache liegt an den Toleranzen der verwendeten Bauteile. Die vorliegende Erfindung korrigiert auch diese Toleranzen bei Standardanpassungsnetzwerken automatisch, welche wegen der Umweltbedingungen aus Festkondensatoren aufbaut sind. Festkondensatoren haben in der Regel eine Fertigungstoleranz von bis zu 10%. Dies bedingt immer, das der notwendige Gesamtkondensatorwert immer aus einer Vielzahl von manuell gemessenen Teilkapazitäten zusammengesetzt werden muss. Dies ist beim Fertigungsprozess sehr zeitaufwendig und kostenintensiv. Die Funktion der selbstabgleichenden Rotorantenne (29) ist deshalb ein enormer Produktionskostenvorteil.
In einer besonders kostengünstigen Ausführung wie in 5 dargestellt, kann das Anpassungsnetzwerk ohne seriellen Zweig (16) und nur der parallele Zweig (17) selbstabgleichend ausgeführt sein. Dadurch wird eine sehr kostengünstige Lösung ermöglicht. Allerdings ist diese Lösung nur bei begrenzten Anpassungsnotwendigkeiten nutzbar. Dennoch ist dies in einer Vielzahl von Anwendungen ausreichend.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird der Abgleich der Rotorantenne (29) automatisch bei einer bestimmten Verstimmung des Abgleichs gegenüber dem Ausgangswert durch Temperatur, Drehzahl oder mechanischer Verformung automatisch nachgeführt. Dies garantiert, das bei sich ändernden Bedingungen z. B. bei Änderung geometrischen Verhältnissen immer optimale Übertragungsbedingungen hergestellt werden. Bei extrem erhöhter Drehzahl wächst der Wellendurchmesser und damit auch die Rotorspuleninduktivität. Ebenfalls können temperaturbedingte oder alterungsbedingte Bauteilwerteänderungen kompensiert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung wird die Anpassungselektronik (35) mit der Rotorelektronik (28) zu einer Einheit zusammengefasst. Damit entfällt die Zwischenverkabelung und die gesamten Rotorelemente können platzsparender aufgebaut werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung wird nach dem Abgleichprozess nicht der Zustand max. Energieübertragung zur Rotorelektronik (28) eingestellt, sondern ein Zustand der gerade ausreichende Versorgungsspannung (34) für die Rotorelektronik (28) sicherstellt, und somit eine thermische Überlastung der Rotorelektronik (28) verhindert. Dazu werden beispielhaft die Abgleichprozessergebnisse, welche sich in unterschiedlichen Versorgungsspannungen ausdrücken, zwischengespeichert. Anschließend eine geeignete Einstellung um die Wunschversorgungsspannung zu erreichen ausgewählt und eingestellt. Dies verhindert eine Überlastung der Rotorelektronik. Des Weiteren wird die Verlustleistung in der Rotorelektronik begrenzt. Es tritt keine Temperaturerhöhung in der Rotorelektronik (28) durch notwendige Vernichtung der überschüssigen Energie auf. Damit kann die Umgebungstemperaturfestigkeit der Bauelemente in der Rotorelektronik (28) komplett ausgeschöpft werden, so dass kaum Eigenerwärmung auftritt.
Bezugszeichenliste

0: Telemetrische Torsionssensormesssystem
1: Telemetrischer Torsionssensor
2: Sensorsignalerfassungseinheit
3: Torsionssensor
4: Wellenkörper
5: Klebefuge
6: Messgitter
7: Messelement
8: Wheatstonebrücke
7: Rotorantenne
8: Statorantenne
9: Interface
10: Kabelverbindung
11: Drehmoment
12: Messsignal
13: Trägerfolie
14: Telemetrie Interface
15: Koppelfeld
16: gemeinsames Substrat
17: Leiterbahnen
18: Widerstandssignalkonverter
19: telemetrisches Signal
20: Telemetriekanal
21: Mikroschweißung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3922556 [0001]

Claims

Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) zur Erfassung des Drehmoments (11) am Wellenkörper (4) mit kontaktloser Signalübertragung bestehend – aus Torsionssensor (1) – aus Sensorsignalerfassungseinheit (2) mit integriertem Telemetrie Interface (14) – aus Rotorantenne (7) – aus Statorantenne (8) – und Interface (9) gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) das der Torsionssensor (1) die Sensorsignalerfassungseinheit (2) mit integriertem Telemetrie Interface (14) auf einem gemeinsamen Substrat (15) sind b) und das Substrat (15) zumindest in einem Teil flexibel ausgeführt ist c) und im flexiblen Teil des Torsionssensors (1) aufgebracht ist d) und der Torsionssensor (1) mit Hilfe eines auf das Substrat aufgebrachte Messgitter (6) realisiert ist e) und das Messgitter aus widerstandsbehafteten mäanderförmigen Leiterbahnen (16) besteht f) und die widerstandsbehafteten Leiterbahnen (16) über die mechanische Dehnung bei Drehmoment (11) eine Widerstandsänderung erfahren g) und diese Widerstandsänderung mit der Sensorsignalerfassungseinheit (2) in ein telemetrisches dem Drehmoment (11) proportionales Signal gewandelt wird h) und dieses Signal mittels Statorantenne (8) und Interface (9) ausgegeben wird.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das neben dem aus flexiblem Material ausgeführten Torsionssensorteil (3) auch der restliche Teil des Substrats flexibel oder zumindest teilweise flexibel ausgeführt ist.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, das der telemetrische Torsionssensor (1) axial oder radial in Umfangsrichtung angeordnet wird
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, das das Messgitter (6) bestehend aus den Messelementen (7) als Wheatstonebrücke (8) verschaltet und die Wheatstonebrücke (8) mit einem Spannungs- oder Stromsignal Vc gespeist wird und das resultierende Messsignal (12) resultierend aus der Drehmomentbeaufschlagung (11) der Sensorsignalerfassungseinheit (2) zugeführt wird und in ein telemetrisches Signal umgesetzt wird.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, das das Messgitter (6) nur mit 2 oder 1 Messelement (7) und die restlichen Elemente der Wheatstonebrücke (8) als Festwiderstände realisiert werden.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgitter (6) nur Messelement (7) besitzt und dessen drehmomentabhängige Widerstandsänderung ΔR mittels eines Widerstands-Signaltransformers (18) und der Sensorsignalerfassungseinheit (2) in ein telemetrisches Signal (19) umgesetzt wird.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, das Konditionierung des Eingangs der Sensorsignalerfassungseinheit (2) bezüglich Drehmomentmessbereich und Drehmomentnullpunkt remote über den Telemetriekanal (20) von dem Interface (9) eingestellt werden kann.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierparameter dauerfest im telemetrischen Torsionssensor (1) abspeichert werden können.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, das die Rotorantenne (7) als kompaktes Element auf dem gemeinsamen Substrat (16) fest integriert ist.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, das die Rotorantenne (7) als Induktionsschleife um den Wellenkörper ausgeführt ist.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, das der Torsionssensor (1) Monitoring Funktionen beinhaltet und die elektrische Funktion des Torsionssensors (3) abgefragt werden kann und/oder die Versorgungsspannung für die Signalerfassungseinheit (2) und/oder Umgebungstemperatur abgefragt werden kann.
Telemetrisches Torsionsmesssystem (0) nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, das der telemetrische Torsionssensor (1) in einer dünnen komplett umhüllenden Metallfolie auf den Wellenkörper (4) geschweißt wird und nur die Rotorantenne (7) an der Koppelseite frei ist.