DE102014205291A1

DE102014205291A1 - Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine rotierende Welle

Info

Publication number: DE102014205291A1
Application number: DE102014205291.2A
Authority: DE
Inventors: Carl Udo Maier; Jochen Ostermaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln der axialen Position (ΔL) des Sensorkopfes (5) eines magnetoelastischen Sensors (1) in Bezug auf eine mit einer bestimmten Drehzahl rotierende Welle (3) zur Verfügung gestellt. Die Welle (3) ist mit einer Markierung (9) versehen, welche wenigstens eine erste Markierungslinie (11) und eine zweite Markierungslinie (13) umfasst, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle (3) eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf (5) erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht. In dem Verfahren werden die erste Markierungslinie (11) und die zweite Markierungslinie (13) während einer Umdrehung der Welle (3) zeitaufgelöst detektiert. Die Zeitdauer (Δt) zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie (11) und der Detektion der zweiten Markierungslinie (13) wird ermittelt, und die axiale Position (ΔL) des Sensorkopfes (5) wird aus der ermittelten Zeitdauer (Δt) und der Drehzahl der Welle (3) ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine mit einer bestimmten Drehzahl rotierende Welle sowie einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten magnetoelastischen Sensor. Daneben betrifft die Erfindung eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Welle.
Magnetoelastische Sensoren kommen beispielsweise als Drehmomentsensoren zum Messen des Drehmoments rotierender Wellen zum Einsatz. Ein magnetoelastischer Drehmomentsensor beruht auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Suszeptibilität erfahren, wenn mechanische Spannungen auftreten. Da mechanische Spannungen außer durch Zugkräfte und Druckkräfte auch durch Torsion induziert werden, kann der inverse magnetostriktive Effekt zur Drehmomentmessung herangezogen werden, beispielsweise um das Drehmoment einer Welle berührungslos zu messen. Wenn ein Magnetfeld in einer ferromagnetischen Schicht bspw. einer Welle induziert wird, wird in der Schicht in Abhängigkeit von den auftretenden Spannungen ein Antwortsignal generiert, welches von den Empfangsspulen erfasst werden kann. Da das Antwortsignal von den im ferromagnetischen Material torsionsbedingt auftretenden Spannungen beeinflusst wird, welche wiederum durch das Drehmoment verursacht werden, kann aus dem Antwortsignal auf das Drehmoment der Welle geschlossen werden.
In das vom magnetoelastischen Drehmomentsensor detektierte Antwortsignal gehen jedoch nicht nur die torsionsbedingten Spannungen, sondern auch die im ferromagnetischen Material der rotierenden Welle vorhandenen Eigenspannungen am Ort der Messung ein. Diese Eigenspannungen werden durch eine Mittelung eliminiert, was die Messgenauigkeit bei hohen Drehzahlen verschlechtert. Eine erhöhte Messgenauigkeit bei der Drehmomentmessung kann durch die Kenntnis der axialen Position des Drehmomentsensors in Bezug auf die rotierende Welle erreicht werden. Die Position kann mit Hilfe von Positionssensoren zum Erfassen der Position des Sensorkopfes des magnetoelastischen Drehmomentsensors ermittelt werden, wofür jedoch neben den zusätzlichen Sensoren auch zusätzliche Signalleitungen nötig sind, was den konstruktiven Aufwand zum Messen des Drehmoments erhöht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine rotierende Welle zur Verfügung zu stellen, das ohne zusätzliche Sensoren auskommt. Darüber hinaus ist es eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln des an einer Welle anliegenden Drehmoments mittels eines magnetoelastischen Sensors zur Verfügung zu stellen. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Welle zur Verfügung zu stellen. Schließlich ist es eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften magnetoelastischen Sensor zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 durch ein Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine rotierende Welle gelöst, die zweite Aufgabe gemäß Anspruch 8 durch ein Verfahren zum Ermitteln des an einer rotierenden Welle anliegenden Drehmomentes. Die dritte Aufbau wird durch eine Welle nach Anspruch 9 gelöst und die vierte Aufgabe durch einen magnetoelastischen Sensor nach Anspruch 15.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine mit einer bestimmten Drehzahl rotierenden Welle ist die Welle mit einer Markierung versehen, die wenigstens eine erste Markierungslinie und eine zweite Markierungslinie umfasst, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht. Während einer Umdrehung der Welle werden die ersten Markierungslinie und die zweite Markierungslinie zeitaufgelöst detektiert, und es wird die Zeitdauer zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie und der Detektion der zweiten Markierungslinie ermittelt. Die axiale Position des Sensorkopfes wird dann aus der ermittelten Zeitdauer und der Drehzahl der Welle ermittelt. Die Markierungslinien können beispielsweise durch Verändern der magnetischen Eigenschaften des Materials der Welle am Ort der Markierungslinien, durch Aufbringen einer Erhebung auf die Oberfläche, durch Einbringen einer Nut in die Oberfläche, etc. erzeugt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine rotierende Welle kann Position des Sensorkopfes aus dem mit dem Sensorkopf erfassten Sensorsignal ermittelt werden. Zusätzliche Sensoren zum Detektieren der Position des Sensorkopfes sind dann nicht notwendig.
Die Markierungslinien können insbesondere wenigstens zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Markierungslinien umfassen. Aufgrund des Winkels verändert sich der Abstand der beiden Linien in Umfangsrichtung der Welle mit dem Ort in Axialrichtung, an dem der Abstand gemessen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es aber nicht nur, die axiale Position des Sensorkopfes zu ermitteln, sondern auch die Drehzahl der Welle. In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird aus der Frequenz der Detektion einer der Markierungslinien die Drehzahl der Welle ermittelt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn sich die zum Ermitteln der Drehzahl verwendete Markierungslinie in Axialrichtung der Welle erstreckt. In einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens sind die erste Markierungslinie und die zweite Markierungslinie symmetrisch um die Axialrichtung der rotierenden Welle herum angeordnet, und die Drehzahl der Welle wird dadurch bestimmt, dass bei jeder Umdrehung der Welle ein Referenzzeitpunkt ermittelt wird, indem dem Zeitpunkt der Detektion der ersten Markierungslinie die halbe Zeitdauer zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie und der Detektion der zweiten Markierungslinie hinzugefügt wird. Die Drehzahl der Welle kann dann aus der Zeitdifferenz zwischen zwei Referenzzeitpunkten ermittelt werden.
Der Verlauf der Markierungslinien kann insbesondere so gewählt sein, dass das Verhältnis aus der Zeitdauer zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie und der Detektion der zweiten Markierungslinie zu der für eine Umdrehung der Welle benötigten Zeitdauer einem axialen Abstand von einem axialen Referenzpunkt entspricht und die axiale Position aus dem Abstand vom axialen Referenzpunkt ermittelt wird. Dadurch lässt es sich beispielsweise realisieren, dass das Verhältnis der Zeitdauer zwischen der Detektion der beiden Linien zur Zeitdauer für eine Umdrehung direkt den axialen Abstand von der Referenzposition in einer geeigneten Maßeinheit angibt. Wenn beispielsweise das Verhältnis der Zeitdauer zwischen der Detektion der beiden Markierungslinien und der Zeitdauer für eine Umdrehung ein Viertel ist, kann dieses Verhältnis etwa einen Abstand von der Referenzposition von einem Viertel Zentimeter angeben.
Wenn sich der Abstand der Markierungslinien voneinander entlang der Axialrichtung immer weiter vergrößert, ist eine eindeutige Messung nur so lange möglich, wie der Abstand zwischen den Markierungslinien in Umfangsrichtung der Welle den Umfang der Welle nicht überschreitet. Wenn andererseits der Winkel zwischen den beiden Linien verringert wird, um einen Abstand zwischen den Markierungslinien, der dem Umfang der Welle entspricht, erst nach einer längeren axialen Strecke zu erreichen, leidet die Messgenauigkeit, sobald der Winkel zu klein wird, weil die Zeitmessung nur mit einer bestimmten Auflösung möglich ist. Die zeitliche Auflösung der Messung zu erhöhen erfordert dann einen relativ großen Aufwand. Um auch ohne ein Erhöhen der Genauigkeit der Zeitmessung die Position des Sensorkopfes in einem größeren axialen Bereich bestimmten zu können, ist die Welle in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit wenigstens zwei Markierungen versehen, welche jeweils wenigstens eine erste Markierungslinie und eine zweite Markierungslinie umfassen, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht. Diese Markierungen sind in Axialrichtung der Welle hintereinander angeordnet und durch eine wenigstens in einer der beiden Markierungen vorhandene Zusatzmarkierung voneinander unterscheidbar. Beim Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes wird dann berücksichtigt, anhand welcher Markierung die Zeitdauer zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie und der Detektion der zweiten Markierungslinie ermittelt wird. Wenn die Zeitdauer anhand der zweiten Markierung ermittelt wird, ist klar, dass der Abstand des Sensorkopfes von der axialen Referenzposition dem maximal mit der ersten Markierung messbaren Abstand zuzüglich des mit der zweiten Markierung ermittelten Abstandes entsprechen muss. Durch das Vorsehen von zwei oder mehr derartigen Markierungen kann daher ein großer axialer Bereich der Welle für die Positionsbestimmung des Sensorkopfes zugänglich gemacht werden, ohne die Messgenauigkeit zu reduzieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine rotierende Welle werden die ermittelten Positionen zeitaufgelöst aufgezeichnet. Aus den Fluktuationen der Positionen können dann Aussagen zur Belastbarkeit und zum Langzeitverhalten der Welle abgeleitet werden.
Gemäß der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Ermitteln des an einer wenigstens eine ferromagnetische Schicht mit bekannten mechanischen Eigenspannungen umfassenden rotierenden Welle anliegenden Drehmoments mittels eines magnetoelastischen Sensors zur Verfügung gestellt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

– Induzieren eines Magnetfeldes in der ferromagnetischen Schicht;
– Erfassen eines Antwortsignals mittels eines Sensorkopfes des magnetoelastischen Sensors;
– Ermitteln der mechanischen Spannungen in der ferromagnetischen Schicht aus dem Antwortsignal;
– Ermitteln der torsionsbedingten mechanischen Spannungen in der ferromagnetischen Schicht aus den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen und
– Ermitteln des Drehmoments aus den torsionsbedingten mechanischen Spannungen.

Dabei wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf die rotierende Welle die Position des Sensorkopfes ermittelt. Beim Ermitteln der torsionsbedingten Spannungen aus den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen werden dann die bekannten mechanischen Eigenspannungen der ferromagnetischen Schicht an der ermittelten Position des Sensorkopfes von den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen subtrahiert. Die mechanischen Eigenspannungen der ferromagnetischen Schicht der Welle können beispielsweise vorab anhand einer Referenzmessung an der Welle ermittelt werden.
In diesem Verfahren können aufgrund der Kenntnis über die genaue Position des Sensorkopfes die an der ermittelten Position vorliegenden Eigenspannungen, die beispielsweise in einer Karte abgespeichert sind, vom Messsignal abgezogen werden. Damit erhält man eine verbesserte Genauigkeit bei höheren Drehzahlen gegenüber einer Mittelung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zudem kann der Aufwand an Algorithmik reduziert werden, und die Kalibration des Sensorsystems vereinfacht sich.
Neben einem genaueren Momentenmesswert kann man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren außerdem Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit der Welle, eine etwaige Beschleunigung der Welle sowie die Position des Sensors in axialer Richtung mit lediglich einem einzigen Sensor erhalten. Da auch der Abstand des Sensorkopfes von der rotierenden Welle aus dem Sensorsignal ermittelt werden kann, wie dies beispielsweise in EP 2 615 439 A1 beschrieben ist und auf die hierzu verwiesen wird, besteht die Möglichkeit, neben der axialen Position des Sensors auch die radiale Position des Sensors mit Bezug auf die Welle zu ermitteln.
Eine erfindungsgemäße Welle, die für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, weist wenigstens eine ferromagnetische Schicht auf, und ist mit einer Markierung versehen, welche wenigstens eine erste Markierungslinie und eine zweite Markierungslinie umfasst, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht. Die ferromagnetische Schicht kann dabei eine Oberflächenschicht einer vollständig aus ferromagnetischem Material bestehenden Welle sein oder eine auf eine nicht aus einem ferromagnetischen Material bestehende Welle aufgebrachte Schicht. Mit der erfindungsgemäßen Welle ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine rotierende Welle möglich.
Die Markierungslinien können wenigstens zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Markierungslinien umfassen. Hiermit verbundene Vorteile sind bereits mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden, worauf verwiesen wird.
Wenn sich die erste Markierungslinie oder die zweite Markierungslinie der Markierung in Axialrichtung der Welle erstreckt, lässt sich anhand der entsprechenden Markierungslinie die Drehzahl der Welle ermitteln, wie bereits mit Bezug auf das Verfahren beschrieben worden ist. Die Drehzahl der Welle kann aber auch bestimmt werden, wenn die erste Markierungslinie und die zweite Markierungslinie symmetrisch um die Axialrichtung der rotierenden Welle herum verlaufen, wie ebenfalls bereits beschrieben worden ist.
Wenn die Welle eine Bestimmung der Position eines Sensorkopfes in einem größeren axialen Bereich ermöglichen soll, ist es vorteilhaft, wenn sie mit wenigstens zwei Markierungen versehen ist, welche jeweils wenigstens eine erste Markierungslinie und eine zweite Markierungslinie umfassen, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht. Die Markierungen sind dann in Axialrichtung der Welle hintereinander angeordnet und durch eine wenigstens in einer der beiden Markierungen vorhandene Zusatzmarkierung voneinander unterscheidbar.
Wenn aus dem Verhältnis der Zeitdauer zwischen der Detektion der beiden Markierungslinien und der Zeitdauer für eine Umdrehung der Welle direkt auf die axiale Position eines Sensorkopfes geschlossen werden soll, kann auf der Welle ein axialer Referenzpunkt vorhanden sein. Die Markierungslinien verlaufen dann so, dass der Abstand der Markierungslinien voneinander in Umfangsrichtung mit dem axialen Abstand vom Referenzpunkt derart korreliert, dass das Verhältnis aus der Zeitdauer zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie und der Detektion der zweiten Markierungslinie zu der für eine Umdrehung der Welle benötigten Zeitdauer dem axialen Abstand von dem axialen Referenzpunkt in einer geeigneten Maßeinheit entspricht.
Ein erfindungsgemäßer magnetoelastischer Sensor ist mit einer Einheit zur Durchführung eines der erfindungsgemäßen Verfahren ausgestattet. Eine solche Einheit kann insbesondere in Form einer Software oder in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC, Application Specific Integrated Circuit) realisiert sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
1 zeigt stark schematisiert einen erfindungsgemäßen magnetoelastischen Sensor zusammen mit einer erfindungsgemäßen Welle.
2 zeigt ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes eines magnetoelastischen Sensors in Bezug auf eine rotierende Welle.
3 zeigt ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des an einer rotierenden Welle anliegenden Drehmoments.
4 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der axialen Position eines Drehmomentsensors in Bezug auf eine rotierende Welle.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Welle.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Welle.
7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Welle.
1 zeigt einen magnetoelastischen Sensor 1 sowie eine Welle 3 mit einer Markierung 9, mit deren Hilfe die Position des Sensorkopfes 5 des magnetoelastischen Sensors 1 in Bezug auf die Welle 3 ermittelt werden kann. Der Sensor 1 umfasst neben dem Sensorkopf 5 eine Datenverarbeitungseinheit 7, die entweder in Form von Software oder in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) realisiert sein kann.
Die Welle 3 ist aus einem ferromagnetischen Material hergestellt und weist eine Axialrichtung entlang einer Drehachse A sowie eine Umfangsrichtung auf. Die Welle 3 ist zudem mit einer Markierung 9 versehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer ersten Markierungslinie 11 und einer zweiten Markierungslinie 13 besteht, welche auf die Oberfläche der Welle aufgebracht sind und einen Winkel α zueinander aufweisen. Die erste Markierungslinie 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zur Drehachse A, um die sich die Welle 3 in Betrieb dreht, und somit parallel zur Axialrichtung der Welle 3 ausgerichtet.
Die Markierungslinien 11, 13 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel andere magnetische Eigenschaften als die restliche Oberfläche der Welle 3 auf, so dass eine Markierungslinie 11, 13 eine Änderung des mit dem Sensorkopf 5 aufgenommenen Signals hervorruft, wenn sie den Sensorkopf 5 während einer Umdrehung der Welle 3 passiert. Die Markierungslinien können beispielsweise durch Aufdampfen eines Materials mit anderen magnetischen Eigenschaften als das Material der Welle 3 erzeugt werden. Sie können aber auch erzeugt werden, indem das Material der Welle 3 zum Aufbringen oder Einbringen der Markierungslinien gezielt beeinflusst wird. Hierbei besteht beispielsweise die Möglichkeit, die magnetischen Eigenschaften des Materials der Welle 3 durch Entmagnetisierung mit einem Laser oder durch Aufprägen einer Magnetisierung lokal zu verändern. Da das mit dem Sensorkopf 5 erfasste Sensorsignal auch vom Abstand des Sensors von der Oberfläche der Welle abhängt, können die Markierungslinien auch in Form von Vertiefungen oder Erhöhungen im Material realisiert werden, ohne dass die magnetischen Eigenschaften des Wellenmaterials verändert werden müssen. Die beiden Markierungslinien können insbesondere auch voneinander unterscheidbar hergestellt werden, bspw. indem die Markierungslinien einer Markierung durch Aufbringen von Materialien mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften hergestellt werden oder indem die eine Markierungslinie von einer Erhebung und die andere Markierungslinie von einer Vertiefung gebildet ist.
Die Auswerteeinheit 7 des magnetoelastischen Sensors 1 umfasst eine zum Empfang des Sensorsignals mit dem Sensorkopf 5 verbundene Zeitbestimmungseinheit 15, mit der die Zeitpunkte, zu denen die jeweiligen Markierungslinien 11, 13 den Sensorkopf 5 während einer Umdrehung der Welle 3 passieren, ermittelt werden. Mit dieser Zeitbestimmungseinheit ist eine Differenzbildungseinheit 17 verbunden, die von der Zeitbestimmungseinheit 15 die Zeitpunkte, an denen die Markierungslinien 11, 13 den Sensorkopf 5 passieren, empfängt und die die Zeitdifferenz Δt zwischen dem Zeitpunkt, an dem die erste Markierungslinie 11 den Sensorkopf 5 passiert hat, und dem Zeitpunkt, an dem die zweite Markierungslinie 13 den Sensorkopf 5 passiert hat, bildet. Diese Zeitdifferenz Δt wird dann an eine mit der Differenzbildungseinheit 17 verbundene Positionsbestimmungseinheit 19 ausgegeben, wie anhand der Zeitdifferenz Δt und der Drehzahl der Welle die axiale Entfernung ΔL des Sensorkopfes 5 von einer axialen Referenzposition R ermittelt. Aus der axialen Entfernung ΔL von der axialen Referenzposition R kann die Positionsbestimmungseinheit dann die aktuelle axiale Position des Sensorkopfes 5 ermitteln.
Obwohl der Sensor 1 die Drehzahl der Welle 3 mittels eines von einem externen Drehzahlsensor generierten Signals mitgeteilt bekommen kann, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein anderer Weg gewählt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nämlich die Drehzahl der Welle 3 ebenfalls aus dem Signal des Sensors 1 ermittelt. Zu diesem Zweck ist die erste Markierungslinie 11 parallel zur Rotationsachse A ausgerichtet, so dass sie in Axialrichtung der Welle 3 verläuft. Da der Zeitpunkt, zu dem die Markierungslinie 11 den Sensorkopf 5 passiert, nicht von dessen axialer Position abhängt, eignet sich die erste Markierungslinie 11 als Referenzlinie zum Ermitteln der Drehzahl der Welle 3. Zum Ermitteln der Drehzahl braucht dann lediglich die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, zu denen die erste Markierungslinie 11 den Sensorkopf 5 passiert, ermittelt zu werden. Der Kehrwert dieser Zeitdifferenz ist dann die Drehzahl der Welle 3. Da sich die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, zu denen die erste Markierungslinie 11 vom Sensor 1 erfasst wird, bei konstanter Drehzahl der Welle 3 im Unterschied zum Zeitpunkt, zu dem die zweite Markierungslinie 13 vom Sensor 1 erfasst wird, auch bei einer axialen Verschiebung des Sensorkopfes 5 nicht ändert, kann die erste Markierungslinie 11 immer aus dem durch sie hervorgerufenen periodisch wiederkehrenden Signal ermittelt werden.
Zum Ermitteln der Drehzahl der Welle 3 ist daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Drehzahlbestimmungseinheit 21 in der Auswerteeinheit 7 vorhanden, welche die Drehzahl der Welle 3 aus dem mit dem Sensorkopf 5 erfassten Signal ermittelt und an die Positionsbestimmungseinheit 19 ausgibt.
Die Auswerteeinheit 7 des vorliegenden Ausführungsbeispiels dient jedoch nicht nur dazu, die axiale Position des Sensorkopfes 5 in Bezug auf die rotierende Welle zu ermitteln, sondern auch dazu, das an der Welle anliegende Drehmoment zu ermitteln. Hierzu wird beispielsweise mittels einer in der Figur nicht dargestellten Sendespule des Sensorkopfes 5 ein Magnetfeld in der Oberflächenschicht der Welle 3 induziert und das Antwortsignal der Oberflächenschicht mittels eines Magnetfeldsensors des Sensorkopfes 5 erfasst. Der Magnetfeldsensor zum Erfassen des Antwortsignals kann dabei als einfache Spule ausgebildet sein oder als ein anderer Magnetfeldsensor, beispielsweise als Hall-Sensor.
Das erfasste Antwortsignal gibt der Sensorkopf 5 an eine Spannungsermittlungseinheit 23 aus, die aus dem Antwortsignal die mechanischen Spannungen in der Oberflächenschicht ermittelt. Die ermittelten mechanischen Spannungen werden dann an eine mit der Spannungsermittlungseinheit 23 verbundene Torsionsspannungsermittlungseinheit 25 weitergegeben, die außerdem auch mit der Positionsbestimmungseinheit 19 zum Empfang der aktuellen axialen Position des Sensorkopfes 5 und mit einem Speicher 27, welcher Informationen über die mechanischen Eigenspannungen der Oberflächenschicht in Abhängigkeit von der axialen Position enthält, verbunden ist. Anhand der von der Positionsbestimmungseinheit 19 empfangenen aktuellen axialen Position des Messkopfes 5 ruft die Torsionsspannungsermittlungseinheit 25 die mechanischen Eigenspannungen der Oberflächenschicht der Welle 3 an dieser Position ab und subtrahiert die mechanischen Eigenspannungen von den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen. Das Ergebnis repräsentiert dann die Torsionsspannungen, das heißt diejenigen Spannungen in der Oberflächenschicht der Welle 3, die auf die Torsion zurückzuführen ist. Diese Torsionsspannungen werden dann an eine mit der Torsionsspannungsermittlungseinheit 25 verbundene Drehmomentermittlungseinheit 29 weitergegeben, wo aus den Torsionsspannungen das zu den Torsionsspannungen führende, an der Welle 3 anliegende Drehmoment ermittelt wird. Der in 1 dargestellte Sensor 1 stellt somit einen Drehmomentsensor zum Ermitteln des an der Welle 3 anliegenden Drehmoments aus den vom Drehmoment hervorgerufenen Torsionsspannungen der Welle 3 dar.
Der Ablauf des Verfahrens zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes 5 in Bezug auf die rotierende Welle 3 ist schematisch in 2 dargestellt. Im Schritt S1 werden die Zeitpunkte, zu denen die erste Markierungslinie 11 und die zweite Markierungslinie 13 den Sensorkopf 5 passieren, ermittelt. Anhand dieser Zeitpunkte wird in Schritt S3 die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, zu denen die erste Markierungslinie und die zweite Markierungslinie den Sensorkopf passieren, ermittelt, und in einem Schritt S5 wird schließlich anhand dieser Zeitdifferenz und der bekannten Drehzahl der Welle 3 die axiale Position des Sensorkopfes 5 ermittelt, wie weiter oben beschrieben worden ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zudem in einem Schritt S7 die Drehzahl der Welle 3 ermittelt. Das Ermitteln der Drehzahl kann, wie in 2 dargestellt, parallel zum Ermitteln der Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, an denen die beiden Markierungslinien 11, 13 den Sensorkopf 5 passieren, erfolgen. Insbesondere wenn die Drehzahl über einen hinreichend langen Zeitraum konstant ist, kann das Ermitteln der Zeitdifferenz und das Ermitteln der Drehzahl jedoch auch nacheinander erfolgen. Wenn die Drehzahl über einen längeren Zeitraum konstant ist, kann das Ermitteln der Drehzahl auch mit einer deutlichen geringeren Frequenz als das Ermitteln der Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, an denen die beiden Markierungslinien 11, 13, den Sensorkopf 5 passieren, erfolgen. Andererseits sollte das Ermitteln der Drehzahl jedes Mal erfolgen, wenn die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, zu denen die erste Markierungslinie 11 und die zweite Markierungslinie 13 den Sensorkopf 5 passieren, ermittelt wird, wenn eine Beschleunigung oder Abbremsung der Welle 3 erfolgt oder wenn hochfrequente Drehzahlschwankungen zu erwarten sind.
3 zeigt ein Ablaufschema für das Verfahren zum Ermitteln des an der rotierenden Welle 3 anliegenden Drehmoments. In einem Schritt S10 wird ein Magnetfeld in der Oberflächenschicht der ferromagnetischen Welle 3 induziert. Im nachfolgenden Schritt S12 wird dann das vom induzierten Magnetfeld hervorgerufene Antwortsignal mittels des Sensorkopfes 5 erfasst. Im Schritt S14 erfolgt ein Ermitteln der mechanischen Spannungen in der Oberflächenschicht aus dem Antwortsignal, und in Schritt S16 erfolgt ein Ermitteln der torsionsbedingten mechanischen Spannungen in der Oberflächenschicht aus den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen. Das Verfahren schließt dabei das in 2 dargestellte Verfahren ein, so dass in Schritt S16 die torsionsbedingten Spannungen ermittelt werden können, indem von den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen die mechanischen Eigenspannungen der Oberflächenschicht am Ort des Sensorkopfes 5 subtrahiert werden. Aus den so erhaltenen torsionsbedingten mechanischen Spannungen wird in Schritt S18 das an der Welle 3 anliegende Drehmoment ermittelt.
4 zeigt eine Erweiterung des Verfahrens zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes 5 in Bezug auf die rotierende Welle 3. In dieser Erweiterung wird der axiale Abstand ΔL des Sensorkopfes 5 von der axialen Referenzposition R in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Damit wird es möglich, Fluktuationen in der axialen Position des Messkopfes 5 in Bezug auf die rotierende Welle 3 zu erfassen. Da diese Fluktuationen der axialen Position des Messkopfes 5 in der Regel nicht auf Verschiebungen des Messkopfes 5, sondern auf axiale Verschiebungen der rotierenden Welle zurückgehen, ist es möglich, auf der Basis der erfassten Fluktuationen bei Verwendung entsprechender Algorithmen Aussagen über die Belastbarkeit und das Langzeitverhalten der Welle 3 abzuleiten.
Im ersten Ausführungsbeispiel war die Welle 3 mit einer Markierung versehen, die aus zwei unter einem Winkel α zueinander verlaufenden Linien 11, 13 gebildet ist. Eine solche Markierung besitzt jedoch in Umfangsrichtung einen maximalen Abstand zwischen der zweiten Markierungslinie 13 und der ersten Markierungslinie 11, so dass nur eine maximale Zeitdifferenz Δt eindeutig erfasst werden kann. Diese maximale Zeitdifferenz entspricht einer Rotationsperiode der Welle 3. Diese maximale Zeitdifferenz beschränkt auch den maximal erfassbaren axialen Abstand ΔL von der axialen Referenzposition R. Zwar kann der erfassbare axiale Abstand ΔL vergrößert werden, indem der Winkel α zwischen der ersten Markierungslinie 11 und der zweiten Markierungslinie 13 verringert wird, jedoch geht mit einer Verringerung des Winkels α auch eine Verringerung der axialen Auflösung in der Positionsbestimmung des Sensorkopfes 5 einher, da die Länge der für benachbarten Positionen ermittelten Zeitdifferenzen sich immer mehr angleicht, je geringer der Winkel wird, und dadurch irgendwann die Unterschiede in den ermittelten Zeitdifferenzen nicht mehr aufgelöst werden können. Für den zwischen der ersten Markierungslinie 11 und der zweiten Markierungslinie 13 eingeschlossenen Winkel α existiert daher ein Mindestwinkel, der für eine vorgegebene Auflösung in der Bestimmung der axialen Position des Sensorkopfes 5 nicht unterschritten werden darf. Aus diesem Mindestwinkel ergibt sich dann ein maximaler axialer Abstand ΔL von der axialen Referenzposition R, der mit Hilfe der Markierung 9 noch erfasst werden kann.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Welle 103, die auch das Erfassen von Abständen ΔL von der Referenzposition R ermöglicht, die größer sind als der für einen Winkel α maximal ermittelbare Abstand ΔL. Hierzu ist die Welle 103 mit einer ersten Markierung 109 versehen, die der Markierung 9 aus 1 entspricht, also eine erste Markierungslinie 111 und eine zweite Markierungslinie 113 aufweist, die einen Winkel α einschließen. An diese Markierung 109 schließt sich unmittelbar eine zweite Markierung 119 an, die ebenfalls eine erste Markierungslinie 121 und eine zweite Markierungslinie 123 umfasst, welche einen Winkel α zwischen sich einschließen. Darüber hinaus weist die zweite Markierung 119 noch eine zusätzliche Markierungslinie 125 auf, die parallel zur ersten Markierungslinie 121 verläuft. Wenn nun eine Zeitdifferenz Δt zwischen den Zeitpunkten zu denen eine erste Markierungslinie 111, 121 den Sensorkopf 5 passiert und zu denen eine zweite Markierungslinie 113, 123 den Sensorkopf passiert, erfasst wird, kann die Erfassung entweder an der ersten Markierung 103 oder an der zweiten Markierung 113 erfolgen. Die zusätzliche Markierungslinie 125 ermöglicht es jedoch, anhand der von den Markierungslinien im Antwortsignal generierten Signalfolge zu unterscheiden, ob die Messung an der ersten Markierung 109 oder der zweiten Markierung 119 erfolgt ist. Wenn die Messung an der zweiten Markierung 119 erfolgt ist, wird zu dem anhand der zweiten Markierung ermittelten axialen Abstand noch der maximale mit der ersten Markierung 109 ermittelbare Abstand addiert, um den tatsächlichen axialen Abstand des Sensorkopfes von der axialen Referenzposition R zu ermitteln. Ein Fachmann erkennt ohne weiteres, dass der mit der Markierungsanordnung aus 5 maximal erfassbare Abstand ΔL vom Referenzpunkt R dem Doppelten des mit einer einzelnen Markierung messbaren Abstands entspricht. Ein Fachmann erkennt außerdem, dass er durch Hinzufügen weiterer Markierungen den maximal erfassbaren Abstand auf das Dreifache, das Vierfache, etc. des mit einer einzigen Markierung maximal ermittelbaren Abstandes vergrößern kann. Zum Unterscheiden der hintereinander angeordneten Markierungen können dann bspw. weitere zur ersten Markierungslinie parallele Markierungslinien vorhanden sein. Insbesondere kann die dritte Markierung mit zwei zur ersten Markierungslinie parallelen zusätzlichen Markierungslinien versehen sein, die vierte Markierung mit drei zur ersten Markierungslinie parallelen zusätzlichen Markierungslinien und so weiter. Alternativ besteht bspw. auch die Möglichkeit, die Markierungen durch unterschiedliche magnetische Eigenschaften oder unterschiedliche geometrische Eigenschaften, etwa unterschiedliche Breiten, Tiefen, etc. ihrer Markierungslinien, unterscheidbar zu machen Auf diese Weise kann aus den mit dem Sensorkopf 5 erfassten Antwortsignal eindeutig auf die Markierung rückgeschlossen werden.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Welle 203. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Markierung 209 statt aus zwei Markierungslinien aus einer Vielzahl von Markierungslinien aufgebaut. Die erste Markierungslinie 211 entspricht dabei der ersten Markierungslinie 11 aus dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind statt einer einen Winkel α mit der ersten Markierungslinie 11 einschließenden zweiten Markierungslinie 13 eine Vielzahl von kurzen zweiten Markierungslinien 213 vorhanden, die jeweils parallel zur ersten Markierungslinie 211 verlaufen und eine Länge aufweisen, die der maximal erforderlichen Auflösung bei der Bestimmung der axialen Position des Messkopfes entsprechen. Diese kurzen Markierungslinien 213 sind in Axialrichtung der Welle 203 unmittelbar hintereinander angeordnet, weisen jedoch mit zunehmenden Abstand von der Referenzposition R in Umfangsrichtung der Welle 203 einen immer größer werdenden Abstand von der ersten Referenzlinie 211 auf. Das Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes kann mit der in 6 dargestellten Markierung 209 auf dieselbe Weise wie mit der in 1 dargestellten Markierung 9 erfolgen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Welle ist in 7 dargestellt. Die Markierung 309 aus 7 weist eine erste Markierungslinie 311 und eine zweite Markierungslinie 313 auf, die beide einen Winkel α zu einer gedachten und zur Axialrichtung der Welle 303 parallelen Linie 310 aufweisen. Die Winkel α weisen dabei jeweils denselben Betrag aber unterschiedliche Vorzeichen auf, so dass die erste Markierungslinie 311 und die zweite Markierungslinie 313 auf der Oberfläche der Welle 303 symmetrisch bezüglich der gedachten Linie 310 verlaufen. Das Ermitteln des zeitlichen Abstandes zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die erste Markierungslinie 311 den Sensorkopf 5 passiert und dem Zeitpunkt, zu dem die zweite Markierungslinie 313 den Sensorkopf 5 passiert kann wie im ersten Ausführungsbeispiel erfolgen. Wenn die Drehzahl der Welle 303 von einem externen Sensor erfasst und an die Auswerteeinheit des magnetoelastischen Sensors weitergegeben wird, entspricht das mit der Markierung 309 durchzuführende Verfahren zum Ermitteln der axialen Position des Sensorkopfes bezüglich der rotierenden Welle 303 dem mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Verfahren.
Sofern mit der in 7 dargestellten Markierung 309 auch die Drehzahl der Welle 303 ermittelt werden soll, unterscheidet sich das Verfahren von dem mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Verfahren. Die in 7 dargestellte Markierung 309 ermöglicht es nämlich nicht mehr, den Zeitpunkt, zu dem die erste Markierungslinie den Sensorkopf 5 passiert ohne weiteres zu ermitteln. Dies liegt daran, dass sich bei einer axialen Verschiebung des Sensorkopfes nicht nur der Zeitpunkt, zu dem die zweite Markierungslinie 313 den Sensorkopf passiert, verändert, sondern auch der Zeitpunkt, zu dem die erste Markierungslinie 311 den Sensorkopf 5 passiert. Dennoch kann mit der in 7 dargestellten Markierung die Drehzahl der Welle ermittelt werden. Hierzu wird der zeitliche Abstand ΔT zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die erste Markierungslinie 311 den Sensorkopf 5 passiert und dem Zeitpunkt, zu dem die zweite Markierungslinie 313 den Sensorkopf 5 passiert, halbiert und die daraus resultierende Zeitspanne zu dem Zeitpunkt, zu dem die erste Markierungslinie 311 den Sensorkopf 5 passiert hinzuaddiert. Der so gewonnene Zeitpunkt entspricht dem Zeitpunkt, zu dem die gedachte Linie 310, zu der die Markierungslinien 311, 313 symmetrisch sind, den Sensorkopf 5 passiert. Da diese gedachte Linie 310 parallel zur Axialrichtung der Welle 303 verläuft, kann sie entsprechend der Markierungslinie 11 aus 1 als Referenz zum Ermitteln der Drehzahl herangezogen werden. Hierzu wird die zeitliche Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, zu denen die gedachte Linie 310 den Sensorkopf 5 passiert, ermittelt und der Kehrwert von dieser zeitlichen Differenz gebildet. Der Kehrwert stellt dann die Drehzahl der Welle 303 dar. Selbstverständlich kann auch der Kehrwert aus der zeitlichen Differenz zwischen dem Zeitpunkt zu dem die gedachte Linie 310 ein erstes Mal den Sensorkopf passiert und dem Zeitpunkt, zu dem die gedachte Linie 310 ein N-tes Mal den Sensorkopf 5 passiert, gebildet werden, wobei der Kehrwert dann dem N-ten Teil der Drehzahl entspricht. Die Drehzahl kann dann ermittelt werden, indem die so ermittelte Zahl durch N geteilt wird. Auf diese Weise erhält man eine über N Perioden gemittelte Drehzahl. Selbstverständlich kann diese Art und Weise des Ermittelns der Drehzahl auch dann herangezogen werden, wenn die Drehzahl gemäß dem mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Verfahren anhand der ersten Markierungslinie 11 ermittelt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele beschreiben Variationen ein und derselben Erfindung, und der Fachmann erkennt, dass weitere Variationen möglich sind. Beispielsweise braucht die Welle nicht vollständig aus einem ferromagnetischen Material zu bestehen. Es genügt, wenn die Oberfläche der Welle eine ferromagnetische Schicht ist, die beispielsweise auf ein nicht ferromagnetisches Material aufgebracht ist. Ebenso besteht die Möglichkeit, bei zwei hintereinander angeordneten Markierungen die erwähnte zusätzliche Markierung nicht parallel zu der zur Axialrichtung der Welle parallelen ersten Markierungslinie verlaufen zu lassen, sondern beispielsweise parallel zur zweiten Markierungslinie. Die Erfindung wird daher nicht durch Merkmalskombinationen einzelner Ausführungsbeispiele der Erfindung beschränkt, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2615439 A1 [0016]

Claims

Verfahren zum Ermitteln der axialen Position (ΔL) des Sensorkopfes (5) eines magnetoelastischen Sensors (1) in Bezug auf eine mit einer bestimmten Drehzahl rotierende Welle (3, 103, 203, 303), wobei die Welle (3, 103, 203, 303) mit einer Markierung (9, 109, 209, 309) versehen ist, welche wenigstens eine erste Markierungslinie (11, 111, 211, 311) und eine zweite Markierungslinie (13, 113, 213, 313) umfasst, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle (3, 103, 203, 303) eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf (5) erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht, wobei – die erste Markierungslinie (11, 111, 211, 311) und die zweite Markierungslinie (13, 113, 213, 313) während einer Umdrehung der Welle (3, 103, 203, 303) zeitaufgelöst detektiert werden, – die Zeitdauer (Δt) zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie (11, 111, 211, 311) und der Detektion der zweiten Markierungslinie (13, 113, 213, 313) ermittelt wird, und – die axiale Position (ΔL) des Sensorkopfes (5) aus der ermittelten Zeitdauer (Δt) und der Drehzahl der Welle (3, 103, 203, 303) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Markierungslinien wenigstens zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Markierungslinien (11, 13, 211, 213, 311, 313) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem aus der Frequenz der Detektion einer der Markierungslinien (11, 13 111, 113, 211, 213) die Drehzahl der Welle (3, 103, 203) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem die erste Markierungslinie (311) und die zweite Markierungslinie (313) symmetrisch um die Axialrichtung der rotierenden Welle (303) herum angeordnet sind und die Drehzahl der Welle (303) dadurch bestimmt wird, dass bei jeder Umdrehung der Welle (303) ein Referenzzeitpunkt ermittelt wird, indem dem Zeitpunkt der Detektion der ersten Markierungslinie (311) die halbe Zeitdauer zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie (311) und der Detektion der zweiten Markierungslinie (313) hinzugefügt wird und die Drehzahl der Welle (303) aus der Zeitdifferenz zwischen zwei Referenzzeitpunkten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem der Verlauf der Markierungslinien (11, 111, 211, 311) so gewählt ist, dass das Verhältnis aus der Zeitdauer (Δt) zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie (11, 111, 211, 311) und der Detektion der zweiten Markierungslinie (13, 113, 213, 313) zu der für eine Umdrehung der Welle (3, 103, 203, 303) benötigten Zeitdauer (Δt) einem axialen Abstand (ΔL) von einem axialen Referenzpunkt (R) entspricht und die axiale Position aus dem Abstand (ΔL) vom axialen Referenzpunkt (R) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem die Welle (103) mit wenigstens zwei Markierungen (109, 119) versehen ist, welche jeweils wenigstens eine erste Markierungslinie (111, 121) und eine zweite Markierungslinie (113, 123) umfassen, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle (103) eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt, und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht, wobei die Markierungen (109, 119) in Axialrichtung der Welle (103) hintereinander angeordnet sind und durch eine wenigstens in einer der beiden Markierungen (109, 119) vorhandene Zusatzmarkierung (125) voneinander unterscheidbar sind, und wobei bei dem Ermitteln der axialen Position (ΔL) des Sensorkopfes (5) berücksichtigt wird, anhand welcher Markierung (109, 119) die Zeitdauer (Δt) zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie (111, 121) und der Detektion der zweiten Markierungslinie (113, 2013) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem die ermittelten axialen Positionen des Sensorkopfes (5) zeitaufgelöst aufgezeichnet werden.
Verfahren zum Ermitteln des an einer wenigstens eine ferromagnetische Schicht mit bekannten mechanischen Eigenspannungen umfassenden rotierenden Welle (3) anliegenden Drehmoments mittels eines magnetoelastischen Sensors (1), mit den Schritten: – Induzieren eines Magnetfeldes in der ferromagnetischen Schicht; – Erfassen eines Antwortsignals mittels eines Sensorkopfes (6) des magnetoelastischen Sensors (1); – Ermitteln der mechanischen Spannungen in der ferromagnetischen Schicht aus dem Antwortsignal; – Ermitteln der torsionsbedingten mechanischen Spannungen in der ferromagnetischen Schicht aus den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen und – Ermitteln des Drehmoments aus den torsionsbedingten mechanischen Spannungen, wobei mit Hilfe des Verfahrens aus einem der Ansprüche 1 bis 6 die Position des Sensorkopfes (5) ermittelt wird und beim Ermitteln der torsionsbedingten Spannungen aus den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen die mechanischen Eigenspannungen der ferromagnetischen Schicht an der ermittelten Position des Sensorkopfes (5) von den aus dem Antwortsignal ermittelten mechanischen Spannungen subtrahiert werden.
Welle (3, 103, 203, 303) für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die wenigstens eine ferromagnetische Schicht aufweist und mit einer Markierung (9, 109, 209, 309) versehen ist, welche wenigstens eine erste Markierungslinie (11, 111, 211, 311) und eine zweite Markierungslinie (13, 113, 213, 313) umfasst, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle (3, 103, 203, 303) eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt, und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf (5) erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht.
Welle (3, 103, 303) nach Anspruch 9, in der die Markierungslinien wenigstens zwei in einem Winkel (α) zueinander verlaufende Markierungslinien (11, 13, 111, 113, 311, 313) umfassen.
Welle (3, 103, 203) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, in der sich die erste Markierungslinie (11, 111, 211) oder die zweite Markierungslinie (13, 113, 213) in Axialrichtung der Welle (3, 103, 203) erstreckt.
Welle (303) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, in dem die erste Markierungslinie (311) und die zweite Markierungslinie (313) symmetrisch zur Axialrichtung der rotierenden Welle (303) verlaufen.
Welle (103) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die mit wenigstens zwei Markierungen (109, 119) versehen ist, welche jeweils wenigstens eine erste Markierungslinie (111, 121) und eine zweite Markierungslinie (113, 123) umfassen, deren Abstand voneinander in Umfangsrichtung der Welle (103) eindeutig vom Ort in Axialrichtung abhängt und deren Eigenschaften so gewählt sind, dass sie dem vom Sensorkopf (5) erfassten Signal jeweils ein Markierungssignal aufprägen, das eine Detektion der Markierungslinien ermöglicht, wobei die Markierungen (109, 119) in Axialrichtung der Welle (103) hintereinander angeordnet sind und durch eine wenigstens in einer der beiden Markierungen (109, 119) vorhandene Zusatzmarkierung (125) voneinander unterscheidbar sind.
Welle (3, 103, 203, 303) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, in der ein axialer Referenzpunkt (R) auf der Welle vorhanden ist und die Markierungslinien (11, 13, 111, 113, 211, 213, 311, 313) derart verlaufen, dass der Abstand der Markierungslinien (11, 13, 111, 113, 211, 213, 311, 313) voneinander in Umfangsrichtung der Welle (3, 103, 203, 303) mit dem axialen Abstand (ΔL) vom Referenzpunkt (12) derart korreliert, dass das Verhältnis aus der Zeitdauer (Δt) zwischen der Detektion der ersten Markierungslinie (11, 111, 211, 311) und der Detektion der zweiten Markierungslinie (13, 113, 213, 313) zu der für eine Umdrehung der Welle (3, 103, 203, 303) benötigten Zeitdauer dem axialen Abstand (ΔL) vom axialen Referenzpunkt (12) entspricht.
Magnetoelastischer Sensor (1) mit einer Einheit (7) zur Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.