DE102014204268A1

DE102014204268A1 - Verfahren zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück und Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102014204268A1
Application number: DE102014204268.2A
Authority: DE
Inventors: Carl Udo Maier; Jochen Ostermaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-09-24
Also published as: WO2015132123A1

Abstract

Verfahren zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) mittels mindestens vier magnetoelastischer Sensoren (7), wobei ein magnetisches Feld durch jeden der mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) in ein ferromagnetisches Werkstück (4) eingebracht wird, und die Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) durch Messung des Magnetflusses durch jeden der mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) an der Oberfläche eines ferromagnetischen Werkstücks (4) ermittelt bzw. berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung mit Sensoren nach dem magnetoelastischen Prinzip sowie eine Sensoranordnung zur Messung von mechanischen Spannungen an ferromagnetischen Werkstücken.
Ein magnetoelastischer Sensor beruht auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Permeabilität erfahren, wenn mechanische Spannungen auftreten. Da mechanische Spannungen durch Zug- und Druckkräfte sowie durch Torsion induziert werden, kann der inverse magnetostriktive Effekt zur Kraft- und zur Drehmomentmessung herangezogen werden und ist daher vielseitig einsetzbar.
Sensoren zur Messung des inversen magnetostriktiven Effekts umfassen eine Sende- oder Erregerspule, mit der in einem ferromagnetischen Bereich eines Werkstücks ein Magnetfeld induziert wird. Dabei wird in dem Bereich oder in einer Schicht ein Antwortsignal generiert, dessen magnetische Flussdichte von der Permeabilität des Materials abhängt. Diese wird wiederum von den in dem Bereich oder in der Schicht herrschenden mechanischen Spannungen bestimmt. Die magnetische Flussdichte des Antwortsignals bestimmt die Stromstärke des in einer Empfangsspule auf Grund der sie durchsetzenden magnetischen Flussdichte induzierten Stroms. Aus der Stromstärke können dann die mechanischen Spannungen in dem ferromagnetischen Bereich oder in der ferromagnetischen Schicht errechnet werden.
Bei der Bearbeitung und Belastung von Stahl oder anderen ferromagnetischen Werkstücken, wie beispielsweise bei einer Umformung oder eine Wärmebehandlung, entstehen unerwünschte mechanische Spannungen im Werkstück. Diese mechanischen Spannungen können die Lebensdauer von Werkstücken negativ beeinflussen. Die Erkennung dieser mechanischen Spannungen sollte daher frühzeitig angesetzt werden, so dass unter Umständen Prozessparameter oder Konstruktionsmerkmale angepasst werden können. Weiterhin kann die Lebensdauer von älteren Bauteilen variabel bestimmt werden, so dass diese erst bei Bedarf ausgewechselt werden.
Es besteht bisher die Notwendigkeit einen Sensor anfänglich entsprechend diesen mechanischen Spannungen grob zu orientieren.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen haben die Empfangsspulen eine begrenzte Reproduzierbarkeit in der Herstellung sowie eine begrenzte Genauigkeit in der Messung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung für einen oder mehrere magnetoelastische Sensoren zur Verfügung zu stellen, zur genauen Messung der Richtung von mechanischen Spannungen an einem ferromagnetischen Werkstück, wobei die Reproduzierbarkeit von Sensoren bzw. von Messungen optimiert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die jeweilige Merkmalskombination unabhängig formulierter Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Falls Sensoren zur Erkennung von mechanischen Spannungen nach dem magnetoelastischen Effekt arbeiten, wird ein magnetisches Feld durch eine Spule in eine ferromagnetische Schicht oder ein ferromagnetisches Werkstück eingebracht. Zur Detektion von mechanischen Spannungen werden Sensorspulen um eine Erregerspule herum angeordnet. Mit einer vorgegebenen Orientierung der äußeren Sensorspulen relativ zur Erregerspule wird die Ausrichtung der mechanischen Spannungen im ferromagnetischen Material detektiert.
Idealerweise werden entsprechend 4 acht Empfangsspulen auf einem Kreis um eine Erregerspule herum gleichmäßig verteilt. Es ist jedoch auch eine andere Anzahl an Spulen sowie eine modifizierte Anordnung derselben denkbar. Eine Erhöhung der Spulenanzahl hat dabei den Vorteil, dass eine erhöhte Auflösung der Daten möglich ist.
Eine erfindungsgemäße Anordnung für mindestens vier magneto-elastische Sensoren umfasst mindestens einen Ferritkern, auf den mindestens eine ein Magnetfeld erzeugende Erregerspule, gleichbedeutend mit Sendespule, aufgebracht ist, und mindestens vier Empfangsspulen, so dass mindestens vier magneto elastische Sensoren gebildet werden.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung werden vier oder mehr magnetoelastische Sensoren zur Verfügung gestellt und in einer Messfläche angeordnet. Diese Anordnung von magnetoelastischen Sensoren weist beschriebene Eigenschaften und Vorteile auf.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren.
1 zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier Empfangsspulen 2,
2 zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier insgesamt drehbare Empfangsspulen 2,
3A zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier Empfangsspulen 2 in einer Ausgangsstellung,
3B zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier Empfangsspulen 2 wie in 1, jedoch um 45° gedreht,
4 zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und acht Empfangsspulen 2,
5 zeigt einen Magnetkreis mit Feldlinien B, entsprechend einem mit Erregerspule 1 und Empfangsspule 2 in der Seitenansicht,
6 zeigt einen Ferritkern 3 mit einer mittigen Erregerspule 1 und beiderseitigen Empfangsspulen 2, entsprechend zweier magnetoelastischer Sensoren 7.
Um die Richtung einer mechanischen Spannung festzustellen, wird eine Anordnung von Erregerspule 1 und Empfangsspulen 2 während einer Messung gedreht, wobei Daten bei jeder Einstellung aufgenommen werden. Mit einer Vierfach-Anordnung mit lediglich vier Magnetfeldsensoren reicht dazu eine Viertel-Umdrehung entsprechend 45°, bezogen auf eine Ausgangsstellung entsprechend 1. Muss ein Objekt gescannt werden, so kommt zu den eigentlichen Scanbewegungen die Drehbewegung der magnetoelastischen Sensoren aus Erregerspule 1 und Empfangsspulen 2 bzw. der Messflächen hinzu; siehe 2.
Eine weitere Möglichkeit, die Richtung der mechanischen Spannungen zuverlässig festzustellen, besteht darin, dass zwei Anordnungen von magnetoelastischen Sensoren benutzt werden, die benachbart zueinander positioniert sind und gegeneinander um 45° verdreht sind, entsprechend 3A und z.B. um ein Objekt zu prüfen, werden beide Sensoranordnungen über die Oberfläche eines Werkstückes geführt. Mit geeigneten Auswertealgorithmen erhält man die Richtung der mechanischen Spannungen.
Werden in der Anordnung zusätzliche Magnetfeldsensoren 7 angeordnet, insbesondere an einer Messfläche 5, so können die Richtungen der mechanischen Spannungen durch eine einzige Anordnung und ohne zusätzliche Drehbewegung detektiert werden, wie in 4 mit acht magnetoelastischen Sensoren 7 dargestellt ist.
Andere Geometrien für die Anordnung von magnetoelastischen Sensoren 7 sind denkbar. Beispiele für geometrische Orte zur Positionierung der äußeren Empfangsspulen 2 um die Erregerspule 1 herum sind beispielsweise ein Kreis, Quadrat, Doppelring, Dreifachring oder ähnliches.
Es ist wesentlich, dass die Richtungen der mechanischen Spannungen festgestellt werden. Dabei ist es entsprechend der Erfindung nicht notwendig, vorher die ungefähre Richtung der Spannungen zu kennen, um eine anfängliche Ausrichtung der Anordnung von magnetoelastischen Sensoren vorzunehmen. Insgesamt wird ein System zur Messung von mechanischen Spannungen mit einer Anordnung von Sensoren nach dem magnetoelastischen Prinzip wesentlich optimiert.
Es kann nach 1 die Anzahl der magnetoelastischen Sensoren 7 auf vier festgelegt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Messwertsicherheit besteht in der Drehung 6 einer Messfläche 5, in welcher die Erregerspule 1 und die Empfangsspulen 2 bzw. deren Wirkfläche angeordnet sind.
Um eine Drehung der Anordnung zu vermeiden, kann eine doppelte Ausführung verwendet werden, so dass die Anordnung doppelt ausgeführt ist, nebeneinander positioniert wird und zueinander um 45° verdreht wird.
Entsprechend 4 wird eine achtfache Ausführung der Empfangsspulen 2 bzw. in Kombination mit einer Erregerspule 1, der magnetoelastischen Sensoren 7 angeordnet, so dass keine Drehung 6 und keine doppelte Ausführung notwendig sind.
Gemessen wird an einer ferromagnetischen Schicht oder einem ferromagnetischen Werkstück 4, wobei Spannungen nach Betrag und Richtung gemessen werden. Dabei bildet sich ein Magnetkreis aus, wenn ein magnetoelastischer Sensor 7 auf eine ferromagnetische Oberfläche positioniert wird. Die Schicht kann dabei auf dem zu messenden Objekt aufgebracht sein. Alternativ kann das zu messende Objekt selbst aus einem ferromagnetischen Material bestehen. In diesem Fall fließt ein Magnetfeld durch den magnetoelastischen Sensor 7. Eine ferromagnetische Schicht, die auf einem Objekt angeordnet ist oder ein ferromagnetisches Werkstück 4 schließt den magnetischen Kreis.
Für den Messvorgang mit entsprechenden Sensoren wird mittels der Erregerspule 1 ein Magnetfeld erzeugt, dessen magnetische Flussdichte in 5 durch die Feldlinien B dargestellt ist. Die Feldlinien B verlaufen durch die ferromagnetische Schicht und werden über den Ferritkern 3 geschlossen. Mittels der Empfangsspule 2, beispielsweise ein Hall-Sensor, kann die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes gemessen werden. Der Messwert hängt dabei von der magnetischen Permeabilität in der ferromagnetischen Schicht ab, die wiederum von den in der ferromagnetischen Schicht herrschenden Spannungen beeinflusst wird. Aus dem mit der jeweiligen Empfangsspule 2 gewonnenen Messergebnis für die magnetische Flussdichte können daher die in der ferromagnetischen Schicht herrschenden Spannungen gemessen bzw. berechnet werden. Da die ferromagnetische Schicht entweder das Objekt selber darstellt oder mit dem Objekt verbunden ist, repräsentieren die in der ferromagnetischen Schicht herrschenden Spannungen auch die im Messobjekt herrschenden Spannungen.
Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung und einen magnetoelastischen Sensor 7 ist in 1 dargestellt.
Die Erregerspule 1 entsprechend 6 ist auf dem mittleren Schenkel des Ferritkerns 3 angeordnet. Auf den beiden äußeren Schenkeln des Ferritkerns 3 befinden sich die Empfangsspulen 2, die als Hall-Sensoren ausgebildet sein können. Die magnetische Flussdichte des von der Erregerspule 1 generierten Magnetfeldes wird in dieser Ausführungsvariante an zwei Stellen gemessen, die bezogen auf die Erregerspule 1 einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegen.
Die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels weist einen Ferritkern 3 mit einem mittleren Schenkel und vier den mittleren Schenkel umgebenden äußeren Schenkeln auf.
Entsprechend den 3A und 3B ist auf dem mittleren Schenkel eines Ferritkerns 3 die Erregerspule 1 angeordnet, und die Empfangsspulen 2 können im vorliegenden Ausführungsbeispiel als GMR-Sensoren oder AMR-Sensoren ausgebildet sein. Die Anordnung der Schenkelpaare auf der Messfläche 5 weist eine um 45° gegeneinander verdrehte Orientierung bzw. Winkellage auf und es liegt eine Punktsymmetrie in der Anordnung der äußeren Schenkel in Bezug auf den mittleren Schenkel vor. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine zweidimensionale Erfassung von Kräften, wie dies beispielsweise zum Messen von Torsionen in einer Welle oder zum Messen von Drehmomenten einer Welle vorteilhaft ist. Die Welle kann dabei entweder aus einem ferromagnetischen Material bestehen oder mit einem solchen beschichtet sein.
Bei einer Torsion herrschen in einer Richtung eine Zugkraft und in die dazu senkrechte Richtung eine Druckkraft vor. Dies bedeutet, dass die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Materials der Welle in die eine Richtung größer und in die andere Richtung kleiner wird. Bei bestimmten Anordnungen der magnetoelastischen Sensoren können die Permeabilitäten in beiden Richtungen getrennt voneinander erfasst werden, so dass sich die Torsion der Welle aus den erfassten Permeabilitäten und den daraus errechneten Zug- bzw. Druck-Spannungen ermitteln lässt.
Ein Ferritkern 3 kann einen mittleren Schenkel und wenigstens zwei den mittleren Schenkel umgebende und mit diesem verbundene äußere Schenkel aufweisen, wobei sich die Enden des Ferritkerns an den Schenkeln befinden. Die Erregerspule 1 ist in dieser Ausgestaltung auf dem mittleren Schenkel des Ferritkerns angeordnet, die Magnetfeldsensoren/Empfangsspulen 2 auf den äußeren Schenkeln des Ferritkerns. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die äußeren Schenkel den mittleren Schenkel in jeweils gleichem Abstand umgeben, was gleichen Abstand zwischen Erregerspule 1 und Magnetfeldsensor 2 bedeutet. In diesem Fall können die von den Empfangsspulen 2 empfangenen Signale nicht durch unterschiedliche Abstände der jeweiligen Schenkel von der Erregerspule beeinflusst werden.
Im Falle von zwei äußeren Schenkeln kann der Ferritkern insbesondere eine E-Form aufweisen. Dadurch kann die Strecke durch das zu messende ferromagnetische Material im Vergleich zur U-Form vergrößert werden, woraus eine verbesserte Empfindlichkeit der Anordnung resultiert. In dieser Ausgestaltung liegen die Empfangsspulen 2 einander in Bezug auf die Erregerspule 1 vorzugsweise spiegelsymmetrisch gegenüber, um Einflüsse auf die Messung, die ausschließlich auf den unterschiedlichen Abständen zur Erregerspule 1 beruhen, auszuschließen.
Wenn der Ferritkern 3 mehr als zwei äußere Schenkel aufweist, können die Empfangsspulen 2 insbesondere punktsymmetrisch oder rotationssymmetrisch um den Ferritkern 3 herum angeordnet sein. Insbesondere beim Vorhandensein von vier äußeren Schenkeln können so Spannungen, die in zueinander senkrechten Richtungen in der ferromagnetischen Schicht verlaufen, gut erfasst werden. Eine solche Anordnung kann besonders vorteilhaft zum Messen von Torsionen und Drehmomenten, beispielsweise an Wellen, zum Einsatz kommen.

Claims

Verfahren zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) mittels mindestens vier magnetoelastischer Sensoren (7), wobei – ein magnetisches Feld durch jeden der mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) in ein ferromagnetisches Werkstück (4) eingebracht wird, und – die Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) durch Messung des Magnetflusses durch jeden der mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) an der Oberfläche eines ferromagnetischen Werkstücks (4) ermittelt bzw. berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ferromagnetische Werkstück (4) an der Oberfläche durch mindestens vier magnetoelastische Sensoren (7) abgetastet wird, welche jeweils durch eine Kombination mindestens einer zentralen Erregerspule (1) mit einer der mindestens vier Empfangsspulen (2) am Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) dargestellt werden, wobei Empfangsspulen (2) gleichmäßig relativ zum Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt werden und einen Abstand zu dieser aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zur Ermittlung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4), dessen Oberfläche mittels mindestens vier auf einer Messfläche (5) angeordneter magnetoelastischer Sensoren abgetastet wird, wobei die Messfläche (5), zum Messen in unterschiedlichen Winkellagen, drehbar gelagert ist und während einer Messung angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Ermittlung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) mindestens zwei Messflächen (5) mit jeweils mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) benachbart positioniert werden und zum oberflächlichen Abtasten gemeinsam bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferromagnetischen Werkstück (4) mindestens acht Empfangsspulen (2), entsprechend acht magnetoelastischen Sensoren (7), eingesetzt werden, welche gleichmäßig relativ zum Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt sind und zu dieser mit Abstand positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Ermittlung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) dessen Oberfläche scannend abgetastet wird.
Anordnung von magnetoelastischen Sensoren, zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4), umfassend: – mindestens eine zentrale Erregerspule (1) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, – mindestens vier Empfangsspulen (2), die mit der mindestens einen Erregerspule (1) über einen Ferritkern (3) magnetisch gekoppelt sind und jeweils einen magnetoelastischen Sensor (7) darstellen, wobei – die mindestens eine zentrale Erregerspule (1) in der Anordnung zentral positioniert ist und die mindestens vier Empfangsspulen (2) gleichmäßig am Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt sind und einen Abstand zu dieser aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferromagnetischen Werkstück (4) die mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) um eine annähernd senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtete Achse der mindestens einen Erregerspule (1) drehbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferromagnetischen Werkstück (4) mindestens zwei Messflächen (5) mit magnetoelastischen Sensoren nebeneinander positioniert sind und um 45° gegeneinander gedreht sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, welche zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferromagnetischen Werkstück (4) mindestens acht Empfangsspulen (2) aufweisen, welche gleichmäßig am Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt sind.