DE102014205736A1 - Sensor auf magnetoelastischer Basis - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Bewegungs- und Kraftsensor angegeben, der eine Fassung zur Aufnahme einer Kugel oder Walze sowie eine in der Fassung aufgehängte Kugel oder Walze mit ferromagnetischem Material umfasst, wobei die Kugel oder Walze drehbar aufgehängt ist, der weiterhin wenigstens einen magnetoelastischen Sensorkopf zur Aufnahme der magnetischen Permeabilität der Oberfläche der Kugel oder Walze und eine Auswerteeinrichtung aufweist, ausgestaltet zur Ermittlung einer Drehbewegung der Kugel oder Walze anhand eines Vergleichs der vom Sensorkopf gemessenen Permeabilität mit in der Auswerteeinrichtung gespeicherten Daten zur Permeabilität der Oberfläche der Kugel oder Walze.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Sensor für wenigstens die Bewegung eines Messobjekts, der einen oder mehrere magnetoelastische Sensoren umfasst.
  • Die Rotationsbewegung eines Objekts wie beispielsweise einer Welle kann mittels magnetoelastischer Sensoren aufgenommen und gemessen werden. Dazu kann für die Rotationsbewegung ein Vergleich gemessener Werte der magnetischen Permeabilität der Oberfläche der Welle mit gespeicherten Daten durchgeführt werden.
  • Nachteilig ist dabei, dass die Welle aus ferromagnetischem Material bestehen muss oder zumindest im Bereich der magnetoelastischen Sensoren an der Oberfläche solches Material umfassen muss.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bewegungs- und Kraftsensor anzugeben, der den eingangs genannten Nachteil überwindet.
  • Die Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Sensor zur Aufnahme wenigstens der Bewegung eines Messobjekts umfasst eine Fassung zur Aufnahme einer Kugel oder Walze. In dieser Fassung ist eine Kugel oder Walze drehbar aufgehängt, so dass bei Berührung mit dem Messobjekt dessen Bewegungen auf die Kugel oder Walze übertragbar sind. Weiterhin umfasst die Kugel oder Walze ferromagnetisches Material.
  • Zusätzlich umfasst der Sensor wenigstens einen magnetoelastischen Sensorkopf zur Aufnahme der magnetischen Permeabilität der Oberfläche der Kugel oder Walze, wobei der Sensorkopf eine Sendespule zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Kugel oder Walze und wenigstens eine Empfangsspule zum Empfang eines vom Magnetfeld der Sendespule induzierten Antwortsignals umfasst.
  • Schließlich umfasst der Sensor eine Auswerteeinrichtung, ausgestaltet zur Ermittlung einer Drehbewegung der Kugel oder Walze anhand der vom Sensorkopf gemessenen Permeabilität und in der Auswerteeinrichtung gespeicherten Daten zur Permeabilität der Oberfläche der Kugel oder Walze.
  • Im Falle der Kugel ist die Fassung derart ausgestaltet, dass die Kugel frei in alle Richtungen drehbar ist. Dazu kann die Kugel beispielsweise mittels dreier Walzen gelagert sein, wobei eine der drei Walzen mittels einer Feder an die Kugel gedrückt wird. Im Falle der Walzer ist die Fassung derart ausgestaltet, dass die Walze um ihre Symmetrieachse drehbar ist. Dazu kann die Walze beispielsweise an zwei Stangen aufweisen, die entlang der Symmetrieachse aus der Walze hervorragen. Diese Stangen sind in der Fassung drehbar gelagert.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von Bewegungen eines Messobjekts wird eine Kugel oder Walze mit ferromagnetischem Material in einer Fassung drehbar aufgehängt, so dass bei Berührung mit dem Messobjekt dessen Bewegungen auf die Kugel oder Walze übertragen werden. Weiterhin wird ein magnetoelastischer Sensorkopf verwendet, um die magnetischen Permeabilität der Oberfläche der Kugel oder Walze aufzunehmen, wobei der Sensorkopf eine Sendespule zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Kugel oder Walze und eine Empfangsspule zum Empfang eines vom Magnetfeld der Sendespule induzierten Antwortsignals umfasst. Schließlich wird mittels einer Auswerteeinrichtung eine Drehbewegung der Kugel oder Walze anhand der vom Sensorkopf gemessenen Permeabilität und in der Auswerteeinrichtung gespeicherten Daten zur Permeabilität der Oberfläche der Kugel oder Walze ermittelt.
  • Der Sensor bzw. das Verfahren erlaubt, Bewegungen der Kugel bzw. Walze zu ermitteln. Wird der Sensor auf ein anderes Objekt aufgedrückt, so übertragen sich die Bewegungen des Objekts auf die Kugel bzw. Walze und es kann die Bewegung des Objekts ermittelt werden. Gleichzeitig ist es möglich, die Kraft zu ermitteln, mit der das Objekt auf die Kugel bzw. Walze aufgedrückt wird, da diese Kraft eine Gegenkraft in der Fassung findet.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass die Bewegung und die Kraft ermittelt werden können, ohne dass das Objekt dazu einen speziellen Aufbau haben muss. Insbesondere muss das Objekt nicht einmal teilweise ferromagnetische Materialien oder eine ferromagnetische Oberflächenbeschichtung aufweisen. Die nötigen ferromagnetischen Eigenschaften werden von der Kugel bzw. der Walze zur Verfügung gestellt.
  • Ebenfalls von besonderem Vorteil ist, dass somit ein Sensor auf magnetoelastischer Basis geschaffen wird, der von der Herstellung ab vollständig konfiguriert ist. Eine Einstellung auf das Objekt, das zu vermessen ist, ist also im Gegensatz zu solchen Sensoren, die kartierte ferromagnetische Oberflächen am Objekt nutzen, nicht nötig.
  • Schließlich besteht noch ein Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors darin, dass er eine absolute Information über die Position der Kugel oder Walze ermittelt. Im Gegensatz dazu können bekannte Verfahren wie beispielsweise dasjenige in älteren kugelbasierten Computermäusen nur relative Informationen zur Bewegung der Kugel ermitteln und ausgeben. Aus den relativen Bewegungen lässt sich per Integration eine absolute Position gewinnen. Die Genauigkeit dieser integrierten Position lässt jedoch mit der Zeit nach.
  • Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind:
    • – Die Kugel oder Walze kann im Wesentlichen vollständig aus dem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Eisen, Ferrite, Kobalt oder Nickel bestehen. Dadurch wird die Herstellung des Sensors vereinfacht.
    • – Alternativ kann die Kugel oder Walze mit dem ferromagnetischen Material beschichtet sein. Sie weist also lediglich an der Oberfläche eine Schicht des Materials auf, die beispielsweise 1 mm dick ist. Im Inneren ist besteht die Kugel oder Walze aus einem anderen Material, beispielsweise einem Gummi. Dadurch wird der Materialverbrauch bzgl. ferromagnetischer Materialien gesenkt, die Kugel oder Walze leichter und unter Umständen sogar die mechanischen Eigenschaften wie Stabilität der Kugel oder Walze verbessert.
    • – Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oberfläche der Kugel oder Walze gezielt eingebrachte Muster in den mechanischen Spannungen umfasst. Hierdurch erhält der Sensor bei Bewegungen der Kugel oder Walze zusätzlich zu den stets gemessenen natürlichen Mustern der mechanischen Spannungen immer wieder besonders leicht auszuwertende zusätzliche Informationen über die Bewegung der Kugel oder Walze. Beispielsweise können bei der Kugel Linienmarkierungen entlang von Meridianen vorgesehen sein.
    • – Der Sensor kann drei oder mehr magnetoelastischen Sensorköpfe umfassen. Diese sind zweckmäßig so angeordnet, dass ihre Detektionsrichtungen nicht linear abhängig sind. Dann ermöglichen die Sensorköpfe neben der Detektion der Kraftwirkung durch das Messobjekt und seiner Bewegung die Detektion der Richtung der Kraft, die auf die Kugel oder Walze wirkt.
    • – Der Sensorkopf oder die Sensorköpfe können neben der Sendespule vier Empfangsspulen aufweisen. Diese sind beispielsweise gleichmäßig um die Sendespule verteilt angeordnet, indem die Empfangsspulen zwei die Sendespule umgebende Empfangsspulenpaare mit jeweils zwei an einander gegenüber liegenden Seiten des Umfangs der Sendespule angeordnete Empfangsspulen bilden. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung verbessert. Die Sendespule und die Empfangsspulen weisen eine Axialrichtung auf und eine von der Kugel oder Walze beabstandete axiale Spulenendfläche. Es ist möglich, dass alle Spulenendfläche in einer Ebene liegen. Vorteilhaft ist es aber, wenn die Spulenendfläche wenigstens einer der Empfangsspulen über die Spulenendfläche der Sendespule heraussteht. Im Falle der Kugel können beispielsweise alle Spulenendflächen der Empfangsspulen gleichmäßig über die Spulenendfläche der Sendespule hinausragen und so den gleichen Abstand zur Oberfläche der Kugel einhalten, den die Spulenendfläche der Sendespule hat. Hierdurch werden die Messsignale der Empfangsspulen verstärkt und damit die Genauigkeit der Messung verbessert.
    • – Der Sensor kann durch Ausgestaltung der Auswertung der gemessenen Daten auch als Sensor für die Absolutposition und absolute Winkelposition des Messobjekts und/oder als Sensor für die Winkelgeschwindigkeit oder Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts sowie auch als Sensor für die Kraft und Kraftrichtung ausgestaltet sein.
  • Die oben beschriebenen Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen schematisch
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Bewegungen eines Objekts unter Verwendung einer Kugel,
  • 2 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Bewegungen und Krafteinwirkungen eines Objekts unter Verwendung einer Kugel,
  • 3 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Bewegungen eines Objekts unter Verwendung einer Walze.
  • Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Oberfläche eines zu vermessenden Objekts 1. Das Objekt 1 soll in diesem Beispiel aus einem Harz bestehen, also kein ferromagnetisches Material umfassen. Eine direkte Messung von Eigenschaften des Objekts 1 mit magnetoelastischen Sensoren ist daher nicht ohne Weiteres möglich. Bei dem Objekt 1 kann es sich beispielsweise um eine Vergussmasse in einem Generator handeln.
  • Weiter zeigt 1 eine beispielhafte Sensorvorrichtung 10 gemäß der Erfindung. Die Sensorvorrichtung umfasst stiftartige eine Fassung 12, die zu einem Ende hin eine Öffnung zur Aufnahme einer Kugel 14 aufweist. Die Öffnung ist von armartigen Endstücken der Fassung 12 wenigstens teilweise so umschlossen, dass die Kugel 14 an einem Herausfallen gehindert wird. Die Endstücke weisen zur Kugel 14 hin Führungsrollen 13 auf. Dadurch wird die Kugel 14 so gelagert, dass ihr eine freie Drehung ermöglicht wird, aber nach Möglichkeit jede Verschiebung der Kugel 14 unterbunden wird. Dies kann beispielsweise durch zwei ortsfest gelagerte Führungsrollen 13 und eine zusätzliche, mittels einer Feder an die Kugel 14 gedrückte Führungsrolle 13 erreicht werden.
  • Ebenfalls im Inneren der Öffnung und der Kugel 14 zugewandt umfasst die Fassung 12 einen magnetoelastisch arbeitenden Sensorkopf 15. Der Sensorkopf 15 umfasst zwei in 1 nicht dargestellte Sensorspulen, nämlich eine Erregerspule und eine Sekundärspule oder Induktionsspule. In der Erregerspule wird ein magnetisches Feld erzeugt, das die Kugel 14 zumindest teilweise durchdringt. In Folge dessen wird in der Sekundärspule eine elektrische Spannung induziert. Dabei bestimmt die mechanische Spannung in der Kugel 14 in dem Bereich, der vom Magnetfeld durchdrungen wird, die Form und Stärke des Magnetfeldes, so dass in der Sekundärspule eine elektrische Spannung induziert wird, die proportional zu der mechanischen Spannung in dem untersuchten, also von dem Magnetfeld durchdrungenen Bereich der Kugel 14 ist. Der Sensorkopf 15 ist dabei so angeordnet, dass ein kleiner, aber möglichst konstanter Abstand 16 zur Oberfläche der Kugel 14 eingehalten wird.
  • Um die Messung des Sensorkopfes 15 an der Kugel 14 zu ermöglichen, umfasst diese zweckmäßig insbesondere Eisen, Ferrite, Kobalt oder Nickel. Die Kugel 14 kann beispielsweise vollständig aus einem der Materialien bestehen. Alternativ kann das Material auch als Oberflächenschicht vorliegen. Beispielsweise kann es sich bei der Kugel 14 um eine Kunststoffkugel handeln, die mit einer Schicht aus dem Material bedeckt ist. Wie bereits ausgeführt, spielt das Material des zu vermessenden Objekts 1 hingegen keine Rolle.
  • Der Sensorkopf 15 ist elektrisch mit einer Steuerelektronik 11 verbunden, die auch die Aufnahme und Auswertung der Signale des Sensorkopfs 15 ausführt. Die Steuerelektronik kann dabei separat realisiert sein, beispielsweise als Computerprogramm oder direkt in der Fassung 12 als Mikroprozessor implementiert sein. Die Steuerelektronik 11 steuert für die Durchführung einer Messung die Erregerspule an und nimmt die in der Sekundärspule induzierte Spannung auf.
  • Die Steuerelektronik ermittelt aus der induzierten Spannung, die ein Maß für die inneren Spannungen im ferromagnetischen Material der Kugel 14 ist, Bewegungen der Kugel 14. Steht die Kugel 14 in direktem mechanischem Kontakt mit dem zu vermessenden Objekt 1 wie in 1 gezeigt, so entspricht die Bewegung der Kugel 14 direkt der Bewegung des Objekts 1 relativ zur Sensorvorrichtung 10. Zur Ermittlung der Bewegung wird ein Vergleich der Veränderungen der induzierten Spannung, d.h. der mechanischen Spannungen im Bereich der Oberfläche der Kugel 14 mit einer gespeicherten Karte der eingefrorenen mechanischen Spannungen in der Oberfläche der Kugel 14 durchgeführt.
  • Zusätzlich zur Bewegung der Kugel 14 kann aus den gemessenen mechanischen Spannungen auch eine Kraftwirkung des Objekts 1 auf die Kugel 14 ermittelt werden, sofern die Sensorvorrichtung 10 beispielsweise ortsfest angebracht ist, d.h. sofern die Sensorvorrichtung 10 durch eine Kraftwirkung vom Objekt 1 nicht einfach verschoben wird. Dann bewirkt eine Kraftwirkung vom Objekt 1 zusätzliche mechanische Spannungen in der Kugel 14, die sich in der gemessenen induzierten Spannung bemerkbar machen.
  • Eine konkrete Anwendung erfährt die beispielhafte Sensorvorrichtung 10 an einer Welle von beispielsweise einem Gasturbinenkraftwerk. Bei diesen kann neben der Drehzahl der Welle auch ihre axiale Verschiebung, d.h. die Verschiebung der Welle parallel zu ihrer Achse eine wichtige Größe für die Regelung der Gasturbine sein.
  • Die Sensorvorrichtung 10 wird in einer solchen Gasturbine im Bereich der Welle angeordnet, so dass die Kugel 14 mit einem geeigneten Anpressdruck auf die Welle aufgesetzt ist. Dadurch rotiert die Kugel 14 synchron mit der Welle mit und folgt durch Drehung auch eventuellen axialen Verschiebungen der Welle. Die Lage der Kugel 14 erlaubt einen direkten Rückschluss auf die Bewegungen und die Winkelposition der Welle.
  • Hier ist eine Vorkodierung der Kugel 14 mit einem in die mechanischen Spannungen eingebrachten Muster vorteilhaft. Bei dem Beispiel der Welle einer Gasturbine können beispielsweise Meridianartige Muster auf der Oberfläche der Kugel 14 eingebracht werden, die eine bessere Erkennung der Drehbewegung und Winkelposition der Welle erlauben. Ein Muster für die axiale Bewegung ist unnötig, da diese nur kleine Amplituden um ihren Bewegungsursprung herum aufweisen kann.
  • Um die Richtung einer auf die Kugel 14 wirkenden Kraft ebenfalls ermitteln zu können, kann eine zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, die anhand von 2 erläutert wird. 2 zeigt eine zweite Sensorvorrichtung 20 gemäß der Erfindung. Diese unterscheidet sich von der anhand 1 beschriebenen Sensorvorrichtung 10 dadurch, dass zusätzlich zu dem Sensorkopf 15 zwei weitere magnetoelastische Sensorköpfe 23, 24 an der Fassung 12 vorgesehen sind. Die weiteren magnetoelastischen Sensorköpfe 23, 24 sind dabei zusammen mit dem Sensorkopf 15 in einer Ebene angeordnet. Die weiteren magnetoelastischen Sensorköpfe 23, 24 sind allerdings zum Sensorkopf 15 um beispielsweise 100° gedreht angeordnet.
  • Durch die Anordnung der Sensorköpfe 15, 23, 24 ergeben sich drei Signale von drei Induktionsspulen. Diese werden von der zweiten Steuerelektronik 21 zusammen ausgewertet. Durch die versetzte Anordnung der Sensorköpfe 15, 23, 24 lässt sich aus den Signalen neben der Bewegung der Kugel 14 nun auch die Richtung einer Kraftwirkung auf die Kugel 14 ermitteln. Hierzu wird wie bei der anhand 1 beschriebenen Sensorvorrichtung 10 eine gespeicherte Karte der mechanischen Vorspannungen auf der Oberfläche der Kugel 14 verwendet.
  • 3 zeigt einen dritte Sensorvorrichtung 30 gemäß der Erfindung. Die ebenfalls vorhandene Auswerteeinrichtung ist in 3 nicht sichtbar. In dieser dritten Sensorvorrichtung 30 ist statt der Kugel 14 eine Walze 32 in der Fassung 31 vorgesehen. Die Walze 32 ist an ihren Seiten drehbar gelagert, so dass eine Bewegung des zu vermessenden Objektes 1 senkrecht zur Symmetrieachse auf die Walze 32 übertragen wird und dort eine Drehung bewirkt.
  • In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensorvorrichtung 30 zwei nebeneinander angeordnete magnetoelastische Sensorköpfe 33, 34. Diese tasten die Oberfläche der Walze 32 ab und ermitteln daraus ihre absolute Position und ihre Drehbewegung. Eine Auslesung der Drehung ist im Prinzip auch mit einem einzelnen magnetoelastischen Sensorkopf möglich. Die Verwendung von zwei Sensorköpfen ermöglicht jedoch eine genauere und sicherere Auslesung der Winkel-Position der Walze 32.

Claims (9)

  1. Sensor (10, 20, 30) zur Aufnahme wenigstens der Bewegung eines Messobjekts (1), umfassend: – eine Fassung (12, 22, 31) zur Aufnahme einer Kugel (14) oder Walze (32) sowie eine in der Fassung (12, 22, 31) aufgehängte Kugel (14) oder Walze (32) mit ferromagnetischem Material, derart ausgestaltet, dass die Kugel (14) oder Walze (32) drehbar aufgehängt ist, so dass bei Berührung mit dem Messobjekt (1) dessen Bewegungen auf die Kugel (14) oder Walze (32) übertragbar sind, – wenigstens einen magnetoelastischen Sensorkopf (15, 23, 24, 33, 34) zur Aufnahme der magnetischen Permeabilität der Oberfläche der Kugel (14) oder Walze (32), wobei der Sensorkopf (15, 23, 24, 33, 34) eine Sendespule zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Kugel (14) oder Walze (32) und eine Empfangsspule zum Empfang eines vom Magnetfeld der Sendespule induzierten Antwortsignals umfasst, – eine Auswerteeinrichtung (11, 21), ausgestaltet zur Ermittlung einer Drehbewegung der Kugel (14) oder Walze (32) anhand der vom Sensorkopf (15, 23, 24, 33, 34) gemessenen Permeabilität und in der Auswerteeinrichtung (11, 21) gespeicherten Daten zur Permeabilität der Oberfläche der Kugel (14) oder Walze (32).
  2. Sensor (10, 20, 30) gemäß Anspruch 1, bei dem die Kugel (14) oder Walze (32) aus ferromagnetischem Material besteht.
  3. Sensor (10, 20, 30) gemäß Anspruch 1, bei dem die Kugel (14) oder Walze (32) mit ferromagnetischem Material beschichtet ist.
  4. Sensor (10, 20, 30) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche der Kugel (14) oder Walze (32) gezielt eingebrachte Muster in der Permeabilität umfasst.
  5. Sensor (10, 20, 30) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit wenigstens drei magnetoelastischen Sensorköpfen (15, 23, 24, 33, 34).
  6. Sensor (10, 20, 30) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der magnetoelastische Sensorkopf (15, 23, 24, 33, 34) vier Empfangsspulen umfasst.
  7. Sensor (10, 20, 30) gemäß Anspruch 6, bei dem die Sendespule und die Empfangsspulen eine Axialrichtung aufweisen und eine von der Kugel (14) oder Walze (32) beabstandete axiale Spulenendfläche, wobei die Spulenendfläche wenigstens einer der Empfangsspulen über die Spulenendfläche der Sendespule heraussteht.
  8. Sensor (10, 20, 30) gemäß Anspruch 6 oder 7, in dem die Empfangsspulen zwei die Sendespule umgebende Empfangsspulenpaare mit jeweils zwei an einander gegenüber liegenden Seiten des Umfangs der Sendespule angeordnete Empfangsspulen bilden.
  9. Verfahren zur Ermittlung von Bewegungen eines Messobjekts (1), bei dem – eine Kugel (14) oder Walze (32) mit ferromagnetischem Material in einer Fassung (12, 22, 31) drehbar aufgehängt wird, so dass bei Berührung mit dem Messobjekt (1) dessen Bewegungen auf die Kugel (14) oder Walze (32) übertragen werden, – ein magnetoelastischer Sensorkopf (15, 23, 24, 33, 34) verwendet wird, die magnetischen Permeabilität der Oberfläche der Kugel (14) oder Walze (32) aufzunehmen, wobei der Sensorkopf (15, 23, 24, 33, 34) eine Sendespule zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Kugel (14) oder Walze (32) und eine Empfangsspule zum Empfang eines vom Magnetfeld der Sendespule induzierten Antwortsignals umfasst, – mittels einer Auswerteeinrichtung (11, 21) eine Drehbewegung der Kugel (14) oder Walze (32) anhand der vom Sensorkopf (15, 23, 24, 33, 34) gemessenen Permeabilität und in der Auswerteeinrichtung (11, 21) gespeicherten Daten zur Permeabilität der Oberfläche der Kugel (14) oder Walze (32) ermittelt wird.
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