DE102015102337A1

DE102015102337A1 - Redundanter Drehmomentsensor - Multiple Bandanordnung

Info

Publication number: DE102015102337A1
Application number: DE102015102337.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Giessibl
Original assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Current assignee: Methode Electronics Malta Ltd
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: DE102015102337B4

Abstract

Vorrichtung zur Feststellung eines externen magnetischen Einflusses.
Die Vorrichtung umfasst ein Bauteil (1), jedenfalls teilweise ferromagnetisches Material aufweisend und einen magnetisierbaren Bereich, der wenigstens drei gegenläufige Magnetspuren umfasst.
Die wenigstens drei gegenläufig magnetisierbaren Magnetspuren sind axial zum Bauteil in mindestens zwei Gruppen erfassbar und wenigstens eine der wenigstens drei magnetisierbaren Magnetspuren ist beiden Gruppen zuordenbar.
Im Bereich der ersten Gruppe ist ein erster Magnetfeldsensor zur Emittierung je eines Signals radial zum Bauteil angeordnet, wobei im Bereich der zweiten Gruppe ein zweiter Magnetfeldsensor radial zum Bauteil zur Emittierung eines Signals angeordnet ist.
Im Bereich der ersten Gruppe ist ein redundanter Magnetfeldsensor zur Emittierung eines Signals radial zum Bauteil angeordnet, wobei im Bereich der zweiten Gruppe ein zweiter redundanter Magnetfeldsensor zur Emittierung eines Signals radial zum Bauteil angeordnet ist.
Die Signale der ersten und zweiten Sensoren sind zueinander und in Verhältnis zu den Signalen der redundanten ersten und zweiten Sensoren setzbar;

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung eines magnetischen Einflusses, aufgrund eines Fehlers, einer Störeinwirkung oder sonstiger Einflüsse eines Produkts, umfassend ein Bauteil, jedenfalls teilweise ferromagnetisches Material umfassend, insbesondere eine Vorrichtung umfassend zwei Sensoren, um externe magnetische Einflüsse festzustellen.
Eine Vorrichtung zum Messen von Kräften oder Momenten geht bereits aus der DE 277 521 A1 hervor. Hiernach wird eine Messeinrichtung beschrieben, die auf Basis des magnetoelastischen Effekts das berührungslose Messen von Kräften oder Momenten an feststehenden oder rotierenden Verformungskörpern bewerkstelligt. Die Verformungskörper der Vorrichtung umfassen den Verformungskörper selbst, mindestens zwei auf die Oberfläche des Körpers applizierte Zonen aus dünnen, amorphen Metallschichten sowie diesen Zonen zugeordnete Sensorspulen. Die Messeinrichtung misst von Oberflächenspannungen als Folge von Kraft- oder Momenteinwirkungen auf Biegebalken, Kraftmeßbolzen, Torsionswellen, etc.
Dabei ist je einer Oberflächenzone des Verformungskörpers eine Sensorspule zugeordnet, die entweder den Verformungskörper im Bereich der beschichteten Oberflächenzone umgibt oder in Form einer Luftspule oder in möglichst kleinem Abstand zur Oberflächenzone angeordnet ist.
Ferner geht aus der DE 10 2005 002 966 A1 eine Vorrichtung zur Leistungsbestimmung von Betriebsmitteln hervor, die den Einsatz von zusätzlichen redundanten Sensoren zur Messung des an einem Wellenteil vorliegenden Drehmoments vorsieht.
EP 2 793 009 A1 beschreibt außerdem eine längliche Welle, die magnetisch-aktive Felder aufweist, die in gegenläufiger Richtung radial magnetisiert sind. Diesen magnetisierten Feldern sind magnetoelastische Sensoren zugeordnet. Die Welle einschließlich ihrer magnetoelastischen Felder unterliegt einer Zug- und/oder Druckbelastung.
Aus der US 8,578,794 A1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen länglichen Körper und magnetoelastisch aktive Felder aufweist, die direkt oder indirekt mit dem Körper verbunden sind oder einen Teil des Körpers bilden. Ein auf den Körper ausgeübtes Drehmoment wird proportional auf das aktive Feld übertragen, das mindestens ein magnetisch polarisiertes Feld beinhaltet. Signale des Magnetfeldsensors werden dabei in der Weise verarbeitet, dass Effekte eines magnetischen Nahfelds kompensiert werden.
Ferner offenbart die EP 2 799 827 A1 einen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einem wenigstens bereichsweise hohlen länglichen Körper und einem an der inneren Oberfläche des Körpers wirkenden magnetoelastisch aktiven Feld. Der Drehmomentsensor umfasst eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren, die im Inneren des bereichsweise hohlen Körpers angeordnet sind.
Aus der US 6,553,847 B2 geht ein Drehmomentsensor, insbesondere ein kontaktloser magnetoelastischer Drehmomentsensor zum Bereitstellen eines Maßes für das Drehmoment hervor, das auf eine Welle aufgebracht wird.
Ein Drehmomentsensor weist einen magnetoelastisch aktiven Bereich an einer, einem Drehmoment ausgesetzten Welle und einen Magnetfeldsensor auf.
Der Magnetfeldsensor ist in der Nähe des magnetoelastischen Bereichs angebracht und in Bezug auf diesen orientiert, um den Betrag des Magnetfelds an der Sensoreinrichtung zu erfassen und das Ausgangssignal als Reaktion darauf bereitzustellen.
Die US 2012/0074933 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung eines Feldgeräusches in einem Drehmomentsensor. Hierzu werden drei Sets von Magnetfeldsensoren und zugehörigen Spulen an einer Welle platziert. Das erste Set wird in einer zentralen Region der Welle angeordnet. Das zweite und das dritte Set der Feldsensoren sind jeweils auf der rechten und der linken Seite des Feldsensors des mittleren Bereichs angeordnet. Alle Spulen sind miteinander verbunden und geben gemeinsam ein Sensorsignal aus. Nach diesem Stand der Technik ist allerdings nur das Endergebnis erkennbar. Eine differenzierte Erkenntnismöglichkeit in Bezug auf die zugrundeliegenden Parameter, wie z. B. Drehmoment, Spannung, etc. besteht nicht. Es besteht keine Möglichkeit festzustellen, was überhaupt passiert.
Aus dem Stand der Technik sind bislang keine Vorrichtungen bekannt, die magnetische Einflüsse aufgrund von Fehlern, Störeinwirkungen oder sonstiger Einflüsse eines Produkts auf in Gruppen zusammengefassten Magnetspuren eines magnetisierten Bereichs und mittels der mathematischen Auswertung von Signalen dieser in Gruppen zusammengefassten Magnetspuren feststellen können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, seinen Nachteilen und Unzulänglichkeiten, und in dem Bestreben, industrielle Zielanforderungen, beispielsweise der Automobil und/oder Luft- und Raumfahrttechnik, erfüllen zu können, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sensoren, die insbesondere externe magnetische Felder, beispielsweise von zu überprüfenden Produkten, erkennen können, zu schaffen.
Besonders wünschenswert ist es, neben den produktbezogenen magnetischen Feldern auch solche magnetische Felder als solche erkennen zu können, die nicht produktbezogen sind und etwa von Umwelteinflüssen herrühren, z. B. von Strom-, Schienenleitungen. Solche zusätzlichen Einflussgrößen können insbesondere dann von Relevanz sein, wenn Sensoren aufgrund von Fertigungstoleranzen solche an sich in der Erfassung nicht erwünschten Nebeneinflüsse detektieren. Ziel ist es also im Besonderen, zwischen den Quellen der auftretenden magnetischen Feldern unterscheiden zu können.
Die Erfindung stellt sich ferner die Aufgabe, eine Vorrichtung bereit zu stellen, die die Möglichkeit bietet, externe magnetische Einflüsse auf die Vorrichtung zu erkennen, ein dadurch abweichendes Signalverhalten aufzudecken und äußere Einflüsse auf die Magnetisierung festzustellen.
Damit stellt sich weiter die Aufgabe, mit Erfassung externer magnetischer Einflüsse mit der Vorrichtung weiter zu erkennen, ob mit der Vorrichtung in Zusammenhang stehende Produkte ihrerseits Einflüssen, z. B. Funktionsstörungen, unterworfen sind.
Durch die Feststellung derartiger Signalabweichungen sollen Sicherheitsstandards im Bereich der Automobil- und/oder Luft- und Raumfahrttechnik eingehalten werden können.
Die Vorrichtung soll eine Messung magnetischer Einwirkungen beispielsweise punktförmiger, externer Felder ermöglichen. Unter punktförmig ist jede vom Erdmagnetfeld abweichende Magnetfeldart zu verstehen. Das punktförmige Magnetfeld ist insbesondere im Nahbereich eines Sensors.
Es ist weiter wünschenswert, dass eine solche Vorrichtung präzise und wartungsfrei funktioniert. Die Vorrichtung soll einfach einzusetzen sein. Sie soll kostengünstig und einfach herstellbar sein.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Feststellung von magnetischen Einflüssen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die Vorrichtung ist ein Bestandteil eines magnetoelastischen Drehmomentsensors, der insbesondere Magnetfeldsensoren mit zugehörigen Spulen, einen Spulenhalter und eine Auswerteelektronik umfasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst danach ein Bauteil.
Das Bauteil besteht üblicherweise aus einem jedenfalls teilweise ferromagnetischen, magnetoelastisch verwendbaren Material.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet das Bauteil einen vorzugsweise länglichen Körper, zum Beispiel einen zylinderförmigen Körper, einen sich konisch verjüngenden Körper oder einen wellenförmigen Körper. Das Bauteil kann auch treppenförmig gestuft sein.
Der Körper kann jedenfalls teilweise mit einem ferromagnetischen Material versehen sein oder aus diesem bestehen. Als solch ferromagnetisches Material eignet sich vorzugsweise härtbarer Stahl mit einem Anteil an Nickel (Ni) oder Chrom (Cr). Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere ferromagnetische Materialien verwendet werden können.
Das Bauteil kann bevorzugt als Welle, insbesondere als Antriebswelle ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Bauteil in einem Luft-, einem Land- oder in einem Wasserfahrzeug angeordnet. Das Bauteil kann beispielsweise aber auch in einer industriellen Einrichtung oder einem Haushaltsgerät eingesetzt sein.
Das Bauteil weist einen magnetisierbaren Bereich auf.
Erfindungsgemäß weist das Bauteil im Falle der erfolgten Magnetisierung einen Bereich auf, der mindestens drei jeweils zueinander entgegengerichtete Magnetspuren, die nachfolgend beispielsweise vereinfachend auch als Tri-Band-Magnetisierung bezeichnet werden, umfasst. Innerhalb dieses Bereiches werden zwei Gruppen aufgetragen, die jeweils aus zwei zueinander entgegengerichteten Magnetspuren bestehen.
Die Anordnung der drei jeweils zueinander entgegengerichteten Magnetspuren, stellt eine vorteilhafte Vereinigung von zwei Dual-Band-Magnetspuren dar. Die Vereinigung der beiden Dual-Band-Spuren wird dadurch erreicht, dass die zweite Dual-Band-Anordnung gespiegelt und die mittlere Spur gemeinsam verwendet wird. Dies hat den Effekt, dass die jeweils innere Spur dieselbe positive oder negative Polarisierung aufweist.
Daraus entsteht der Vorteil, dass auf eine Magnetspur verzichtet werden kann und so auch für eine räumliche Zusammenlegung der Magnetspuren gesorgt werden kann, so dass hierdurch ein einheitlicheres Messbild erzeugt werden kann und weniger axialer Bauraum benötigt wird.
Das Bauteil hat mindestens drei umlaufende Magnetspuren (Tri-Band), die zueinander entgegengerichtete Magnetisierungen aufweisen.
Bei einer Tri-Band-Magnetisierung ist die räumlich links angeordnete Magnetspur beispielsweise positiv, die mittlere Magnetspur negativ und die rechte Magnetspur wieder positiv magnetisiert bzw. umgekehrt.
Die Anzahl der Magnetspuren mit einer jeweils zu den benachbarten Magnetspuren entgegengerichteter Magnetisierung kann aber auch erweitert werden.
Die Magnetisierung der einzelnen Magnetspuren kann dabei zeitgleich oder zeitlich versetzt erfolgen.
Die sich aus der entgegengerichteten Magnetisierung der Magnetspuren ergebende Differenz basiert auf dem magnetoelastischen Effekt der durch Stress in dem Bauteil entsteht und äußert sich in einer magnetischen Feldänderung, von welcher der axiale Anteil vom Magnetfeldsensor gemessen wird. Das Auftreten von Stress ist in diesem Zusammenhang im Stand der Technik hinlänglich bekannt und wird im Folgenden daher nicht mehr erläutert.
Der ersten äußeren und mittleren Magnetspur ist vorzugsweise jeweils wenigstens eine Spule eines ersten Magnetfeldsensors zur Emittierung je eines Signals radial zum Bauteil zuordenbar. Nachfolgend wird im Bezug auf die erste äußere Magnetspur vereinfachend auch nur von der ersten Magnetspur gesprochen. Der mittleren und dritten Magnetspur ist vorzugsweise jeweils wenigstens eine Spule eines zweiten Magnetfeldsensors zur Emittierung eines Signals radial zum Bauteil zuordenbar. Diese dritte Magnetspur wird bei der beschriebenen Tri-Band-Magnetisierung auch als zweite äußere Magnetspur bezeichnet.
Die sich aus der Auswertung der ersten äußeren und mittleren Magnetspur ergebenden Informationen, die ein spurenbezogenes Teilsignal sein können, können zueinander in Verhältnis gesetzt werden. Ebenso können die sich aus der Auswertung der mittleren und dritten Magnetspur ergebende Informationen, die ein spurenbezogenes Teilsignal sein können, ebenfalls zueinander in Verhältnis gesetzt werden.
Aus diesen beiden spurenbezogenen Informationen wertet der erste Sensor ein Signal aus. Ebenso wertet der zweite Sensor ein solches Signal aus den beiden spurenbezogenen Informationen aus.
Das Signal des ersten Sensors ist in Verhältnis zu dem Signal des zweiten Sensors setzbar.
Die nachfolgend erörterte Anordnung von zwei Gruppen von wenigstens zwei Magnetspuren dient der besseren und differenzierteren Evaluierung eines Ist-Zustandes oder möglicher Abweichungen, z. B. infolge von Störungen und Fehlern, des zu überprüfenden Produktes, weil man hierdurch wenigstens zwei Vergleichsgrößen erhält, die sich aus der jeweiligen Spannung der ersten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren und der Spannung der zweiten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ableiten lassen.
Ferner wird durch die noch zu erörternde räumlich enge Anordnung der Magnetspuren ermöglicht, dass zwischen den Positionen der Magnetspurkanäle die externen Magnetfeldunterschiede möglichst gering sind.
Es wird im Folgenden auch von einer ersten Gruppe in Bezug auf die erste äußere und mittlere Magnetspur und von einer zweiten Gruppe in Bezug auf die mittlere und dritte, mithin zweite äußere Magnetspur gesprochen.
Die wenigstens drei jeweils zu einander entgegen gerichteten Magnetspuren werden erfindungsgemäß axial zum Bauteil jeweils in wenigstens zwei Gruppen von mindestens zwei Magnetspuren erfasst. Die beiden Gruppen teilen sich somit wenigstens eine Magnetspur, in der Regel die mittlere bei drei zueinander entgegengerichteten Magnetspuren, von denen die zueinander Benachbarten jeweils zueinander entgegengerichtet magnetisiert sind.
Jeder der mindestens zwei Magnetspuren der ersten Gruppe ist vorzugsweise jeweils wenigstens eine Spule, die den axialen Anteil des durch den magnetoelastischen Effekt entstehenden Magnetfeldes misst, zugeordnet.
Jeder der mindestens zwei Magnetspuren der zweiten Gruppe ist vorzugsweise jeweils wenigstens eine Spule eines Magnetfeldsensors radial zum Bauteil zugeordnet, der in Mantelumfangsrichtung des Bauteils beabstandet ist zu dem Sensor der ersten Gruppe.
Soweit im Rahmen der Erfindung von einer Spule gesprochen wird, handelt es sich auch hier vorzugsweise um eine Drahtwicklung mit amorphem Kern, die als Messspule eingesetzt wird. Vorzugsweise sind die Spulen axial (parallel) zum Bauteil angeordnet, um so einen von anderen Stressarten, im Speziellen: Zug- und Druckspannungen, weitgehend unbeeinflussten Messwert zu erhalten.
Ein Sensor weist bei der Tri-Band-Magnetisierung vorzugsweise jeweils wenigstens zwei Spulen auf.
Die Spulen des jeweiligen Sensors sind mit einer Auswerteelektronik verbunden, die in einem gesonderten Bauteil untergebracht sein kann.
Der Magnetfeldsensor stellt ein hochempfindliches Messgerät zur Detektion kleinster magnetischer Felder dar.
Die erste Spule jeden Sensors ist so angeordnet, dass sie eine Änderung des Magnetfeldes einer Magnetspur in einer ersten Richtung an der Oberfläche des Bauteils erfasst.
Die zweite Spule jeden Sensors ist so angeordnet, dass sie eine Änderung des Magnetfeldes einer Magnetspur in einer zweiten entgegengesetzten Richtung an der Oberfläche des Bauteils erfasst. Die Auswerteelektronik des Sensors emittiert ein Signal.
Die zweite Spule des ersten Sensors und die erste Spule des zweiten Sensors erfassen mithin bei einer Anordnung von drei Magnetspuren die mittlere Magnetspur.
Das Signal des Sensors der ersten Gruppe bestehend aus wenigstens zwei Magnetspuren wird als erstes Gruppensignal ausgewertet und gesendet. Das erste Gruppensignal ergibt sich aus einer ersten Differenzbewertung der aus den beiden gegenläufigen Magnetspuren folgenden Informationen. Beispielsweise kann das Gruppensignal eine Messgröße in Volt oder milliVolt, aber auch jegliche andere Messgröße sein.
Das Signal des Sensors der zweiten Gruppe bestehend aus wenigstens zwei Magnetspuren wird als zweites Gruppensignal ebenfalls ausgewertet und gesendet. Das zweite Gruppensignal ergibt sich ebenfalls aus einer ersten Differenzbewertung der aus den beiden gegenläufigen Magnetspuren folgenden Informationen. Beispielsweise kann das zweite Gruppensignal eine Messgröße in Volt oder milliVolt, aber auch jegliche andere Messgröße sein.
Die Ausgangssignale der jeweiligen Sensoren sind entgegengerichtet auf Grund der Tatsache, dass die eine Gruppe eine negative Polarisierung und die andere Gruppe eine positive Polarisierung misst.
Soweit vorstehend von zwei Sensoren und zwei Gruppensignalen die Rede ist, soll zur Verdeutlichung der zugrundeliegenden physikalischen Gegebenheiten die prinzipielle Funktionsweise der Erfindung zunächst anhand der Erläuterung der Vorgänge um den ersten Sensor dargestellt werden.
Im physikalisch übertragenen Sinn wird dazu der Sensor eine Magnetspur weiter versetzt, um eine inverse Reaktion in Form eines entgegengesetzten Signalwertes zu messen. Dieses „Versetzen” dient erfindungsgemäß u. a. nicht zuletzt dazu festzustellen, dass ein externer magnetischer Einfluss, also ein anderes als das magnetoelastische Magnetfeld vorliegt.
Diese inverse Reaktion besteht darin, dass der Sensor durch die vorerwähnte „Versetzung” um eine Magnetspur eine Umkehrung in der Magnetisierung der Magnetspuren erfasst, entsprechend der eingangs dargelegten Abfolge der Magnetisierung von positiv zu negativ bzw. von negativ zu positiv, je nach der Anordnung der Magnetisierung der Magnetspuren.
Bei dieser „Versetzung” des Sensors um eine Magnetspur im physikalischen Sinn nimmt dieser Sensor die Funktion eines redundanten differentiell messenden Sensors wahr.
Die Redundanz besteht einerseits insoweit in einer Zurverfügungsstellung eines doppelten Erfassungs- und Auswertungssystems mit Kompensationsfunktion im Falle des Ausfalls der Information eines Sensors.
Während Redundanz im herkömmlichen Sinne bedeuten würde, dass zwei Sensoren aufgrund der gleichen Anordnung der Magnetspuren in die gleiche Richtung messen, bedeutet Redundanz vorliegend, dass infolge der funktionellen Vereinigung von zwei Dual-Band-Systemen gemäß obiger Einleitung zusätzlich die beiden Sensoren in engegengesetzter Richtung messen. In diesem Fall stehen die Informationen beispielsweise aus der ersten äußeren und mittleren und der mittleren und dritten, mithin zweiten äußeren Magnetspur zur Verfügung bzw. umgekehrt und es kann aus diesen Informationen eine weitere, zweite Differenz gebildet werden. Durch die Tri-Band-Ausgestaltung spart man eine weitere Magnetspur.
Baulich wird das vorerwähnte „Versetzen” des Sensors um eine Magnetspur durch eine Anordnung eines zweiten Sensors mit dazu gehörigen Spulen erreicht, der im Vergleich zum ersten Sensor um eine Magnetspur axial versetzt ist.
Bei dieser Ausgestaltung erfassen beide Sensoren bei einer Tri-Band-Magnetisierung deren mittlere Magnetspur überlappend.
Da die die überlappte Magnetspur betreffende Spule des zweiten Sensors konstruktiv nicht an derselben Stelle wie die entsprechende Spule des ersten Sensors angeordnet werden kann, ist sie rotatorisch in Bezug auf die Mantelumfangsfläche des Bauteils versetzt angeordnet.
Die Magnetisierung dieses Bereichs des Bauteils wird beeinflusst, wenn zum Beispiel Drehmoment auf das Bauteil aufgebracht wird.
Der erste Sensor misst in diesem Beispielsfall aufgrund der Magnetisierung der Magnetspuren (der ersten Gruppe zueinander) in die eine Richtung. Das emittierende Signal erhält in diesem Fall der positiven (im Uhrzeigersinn) Drehmomentaufbringung einen erhöhten Wert.
Auch bei der Messung durch den zweiten Sensor steigt der Wert der Magnetisierung in diesem Beispielsfall der positiven (im Uhrzeigersinn) Drehmomentaufbringung. Aber, weil die Polarisierung der Magnetspuren invers ist, sinkt der Signalwert.
Je nach positiver oder negativer Ausrichtung der Magnetspuren der ersten Gruppe einer Tri-Band-Magnetisierung, wobei die erste Spur beispielsweise positiv und die mittlere Spur negativ ist, und je nach des angelegten Drehmoments, würde bei Darstellung in einem mathematischen Koordinatensystem, bei dem das Drehmoment in Nm auf der x-Achse wiedergegebenen ist, und bei dem die Spannung in V auf der y-Achse wiedergegeben ist, der lineare Graph also bei positiv zunehmenden Drehmoment zu steigenden Spannungswerten führen, während umgekehrt die umgekehrte Ausrichtung der Magnetisierung der Magnetspuren der zweiten Gruppe, wobei die mittlere Spur negativ und die dritte Spur positiv ist, bei zunehmendem positiven Drehmoment zu abnehmenden Spannungswerten führen würde.
Das Signal des ersten Sensors kann, wie bereits erwähnt, mit dem Signal des zweiten Sensors in Verhältnis gesetzt werden. Es ergibt sich in diesem Fall eine zweite Differenz.
Wann dieses In-Verhältnis-zueinander-Setzen erfolgt, ist erfindungsgemäß nicht erheblich; dies kann je nach Applikation insbesondere zu einem späteren Zeitpunkt durch den Anwender der Vorrichtung bzw. des Verfahrens erfolgen.
Diese Differenz kann sich insbesondere durch die gegenläufige Magnetisierung der beiden Magnetspuren jeder Gruppe ergeben.
Durch das separate Auslesen der Magnetspuren ist es auch möglich, diese eingangs beschriebenen externen etwa auf Umwelteinflüssen beruhenden Magnetfelder zu detektieren und von den produktbezogenen Magnetfeldern zu unterscheiden.
Aus den Gruppensignalen der ersten und/oder Sensoren wenigstens zweier benachbarten Gruppen ist eine Differenz ermittelbar. Dabei wird vorzugsweise eine Ermittlung eines Differenzwertes aus den beiden Signalwerten angestrebt.
Wie vorerwähnt, drückt die Differenz den Spannungsunterschied zwischen der ersten Gruppe der mindestens zwei Magnetspuren im Verhältnis zu der zweiten Gruppe bestehend aus mindestens zwei Magnetspuren aus.
Die auf diese Weise ermittelten Differenzen der beiden ersten Sensoren werden zueinander in Verhältnis gesetzt. So wird also die zweite Differenz zwischen den ersten Sensoren abgebildet.
Wenn eine Störung, externe oder sonstige Einflüsse oder Fehler auf das zu überprüfende Produkt einwirken, kann sich eine Differenz zwischen den beiden ersten Sensoren ergeben.
Das Vorhandensein der vorbeschriebenen Differenz ist also eine erste Grundlage zur Feststellung eines externen magnetischen Einflusses auf das Bauteil.
Durch die Erfindung ist es möglich, wenigstens drei Zustände des Bauteils und damit im Ergebnis auch des zu überprüfenden Produkts zu erfassen:
Durch die Erfindung ist es zunächst möglich, den Normalzustand eines zu überprüfenden Objekts festzustellen. Unter Normalzustand der vorliegenden Erfindung wird jeder Ausgangszustand, sei es ein vorbestimmter und/oder vorgegebener Zustand, insbesondere ein nicht durch Störeinwirkungen oder sonstiger Einflüsse, die bei dem betreffenden Drittprodukt eingetreten sein können, hervorgerufener Zustand, verstanden.
Der Normalzustand kann erfindungsgemäß beispielsweise wie folgt bestimmt werden: der sich aus der ersten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert, z. B. ein Volt-Wert X, und der sich aus der zweiten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert, ebenfalls z. B. ein Volt-Wert Y, werden zunächst addiert und dann durch die Anzahl der Gruppen, z. B. durch den Faktor zwei, geteilt.
Neben diesem vorerwähnten Normalzustand kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch davon abweichende Zustände des Bauteils und damit mittelbar des zu überprüfenden Produktes erfassen. Diese abweichenden Zustände können sich dabei wiederrum in solche unterteilen lassen, nämlich solche, die noch innerhalb einer vorgegebenen oder vorbestimmten Toleranzgrenze liegen und solche, die außerhalb einer solchen liegen.
Die Toleranzgrenzen können insbesondere auch von dem Anwender der Vorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt bestimmt werden.
Diese Situation tritt insbesondere bei externen magnetischen Einflüssen auf. Mit dem Auftreten von externen magnetischen Einflüssen ändert sich auch das vorbeschriebene Gesamtverhalten der Vorrichtung, wie nachfolgend beispielhaft aufgeführt wird.
Externe magnetische Einflüsse können zum Beispiel von Störwirkungen oder sonstigen Einflüssen des zu überprüfenden Produktes hervorgerufen werden. Derartige externe magnetische Einflüsse üben typischerweise auf die magnetischen Sensoren des Bauteils einen Einfluß aus und verfälschen das Messergebnis.
Während der Sensor bei dem vorher beschriebenen Normalzustand in Bezug auf die Magnetspuren plus oder minus misst, ist dies bei Vorliegen einer externen magnetischen Beeinflussung anders.
Bei Vorliegen einer externen magnetischen Beeinflussung tritt an beiden Sensoren im Wesentlichen die gleiche Reaktion auf. Der sich aus dem Signal ergebende Wert verändert sich entsprechend der magnetischen Beeinflussung im Wesentlichen parallel. Es findet im Wesentlichen eine Parallelverschiebung der linearen Graphen im mathematischen Koordinatensystem statt.
Erfolgt die externe magnetische Beeinflussung dergestalt, dass sie das Ergebnis einer Störeinwirkung oder eines Schadens des zu überprüfenden Produktes ist, so verändert sich der sich aus diesem Signal ergebende Wert zwar weiterhin im Wesentlichen parallel, jedoch mit unterschiedlichen Abständen zum Signalwert des Normalzustandes im Vergleich zueinander.
Das Drehmoment hingegen verläuft mit seinen Signalen differentiell.
Die Erfindung kann zunächst einen von dem Normalzustand abweichenden Zustand innerhalb von Toleranzgrenzen feststellen.
Schließlich ist es möglich, Fehler, Störeinwirkungen oder sonstige Einflüsse eines Produkts festzustellen, die außerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen.
Ein solcher von dem Normalzustand abweichender Zustand, der sich noch innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen befindet, kann erfindungsgemäß beispielsweise wie folgt bestimmt werden: der sich aus der ersten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert, z. B. ein Volt-Wert X, und der sich aus der zweiten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert, ebenfalls z. B. ein Volt-Wert Y, werden beide mit einem identischen Fremdfeldeinfluss Z verändert; der X-Wert und der Y-Wert, jeweils um den Z-Wert erhöht, werden addiert und dann durch die Anzahl der Gruppen, z. B. durch den Faktor zwei, geteilt.
Der sich daraus ergebende Ergebniswert ist um den Wert Z erhöht, der den Fremdfeldeinfluss auf das Bauteil abbildet.
Ein Zustand, der sich außerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen bewegt, etwa ein Störzustand, kann erfindungsgemäß beispielsweise wie folgt bestimmt werden: der sich aus der ersten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert, z. B. ein Volt-Wert X, und der sich aus der zweiten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert, ebenfalls z. B. ein Volt-Wert Y, werden beide mit einem nichtidentischen Störwert S verändert oder es wird nur eine Gruppe mit einem Störwert S belastet; der X-Wert und der Y-Wert, jeweils um den S-Wert erhöht, werden addiert und dann durch die Anzahl der Gruppen, z. B. durch den Faktor zwei, geteilt. Der sich daraus ergebende Ergebniswert ist um einen anderen Wert als den Störwert S erhöht.
Dieses Ergebnis belegt einen aufgetretenen, nicht homogenen externen Einfluss auf das zu untersuchende Produkt mit der Folge, dass das Drehmoment nicht mehr zuverlässig ermittelt werden kann.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, das System in einen gesicherten Modus zu überführen.
Beispiel:
Die vorerwähnte Erläuterung der Bestimmung des Normalzustands, eines Zustands im Toleranzbereich und eines Zustands außerhalb des Toleranzbereichs wird im Folgenden anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht:
Der Normalzustand kann erfindungsgemäß beispielsweise wie folgt bestimmt werden: der sich aus der ersten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert mit einem Wert 3,0 V, und der sich aus der zweiten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert von 2,0 V, werden addiert und dann durch Gruppenanzahl-Faktor zwei, geteilt, sodass sich im Normalzustand ein Ergebnis von 2,5 V einstellt, welcher dem Offset der beiden Gruppen bei 0 Nm entspricht.
Ein Zustand, der sich noch innerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen befindet, kann erfindungsgemäß beispielsweise wie folgt bestimmt werden: der sich aus der ersten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert von 3,0 V, und der sich aus der zweiten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert von 2,0 V, werden beide mit dem identischen Fremdfeldeinfluss 0,2 V verändert; der sich daraus ergebenden Signalwert von 3,2 V und der sich daraus ergebende Signalwert von 2,2 V werden addiert und dann durch den Gruppenanzahl-Faktor zwei geteilt. Der sich daraus ergebende Wert beträgt 2,7 V und spiegelt damit die Erhöhung um den identischen Fremdfeldeinfluss von 0,2 V auf den Offset bei 0 Nm von 2,5 V für beide Gruppen wider.
Ein Störzustand, der sich außerhalb vorbestimmter Toleranzgrenzen bewegt, kann erfindungsgemäß beispielsweise wie folgt bestimmt werden: der sich aus der ersten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert von 3,0 V und der sich aus der zweiten Gruppe mindestens zweier Magnetspuren ergebende Signalwert von 2,0 V und es wird nur die erste Gruppe mit dem Störwert 0,2 V verändert; der sich daraus ergebende Signalwert von 3,2 V und der nicht veränderte Signalwert von 2,0 V werden addiert und dann durch den Gruppenanzahl-Faktor zwei, geteilt. Der sich daraus ergebende Ergebniswert von 2,6 V belegt einen nicht homogenen externen Einfluss auf das zu untersuchende Produkt im Vergleich zum Normalzustand, mit der Folge, dass das Drehmoment nicht mehr zuverlässig ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird weiter durch ein zugehöriges Verfahren und eine Verwendung der Vorrichtung gelöst.
Nach einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung sind die jeweils wenigstens zwei Magnetfeldsensoren berührungslos gegenüber dem Bauteil angeordnet. Hierdurch wird eine Messung mechanischer Einwirkungen auf das Bauteil ermöglicht, bei der das Bauteil durch den Magnetfeldsensor selbst mechanisch unbeeinflusst ist. Mithin berührt der Sensor das Bauteil nicht. Hierdurch wird die Genauigkeit der Messung erhöht. Verschleiß- und Reibungsfreiheit sind hierdurch ebenfalls gewährleistet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die jeweils wenigstens zwei Sensoren Magnetfeldsensoren auf Fluxgate-Basis sind. Der Fluxgate-Sensor stellt ein hochempfindliches Messgerät zur Detektion kleinster magnetischer Felder dar.
Als Magnetfeldsensoren können beispielsweise auch Hall-Sensoren eingesetzt werden.
Es ist aber festzuhalten, dass erfindungsgemäß jede geeignete Art von Magnetfeldsensoren eingesetzt werden kann.
Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung können neben den beiden vorerwähnten Sensoren weitere Spulen für dieselben Sensoren an einer anderen Stelle der Mantelumfangsfläche des Bauteils angeordnet sein. Vorzugsweise sind diese um 180 Grad versetzt angeordnet. Hierdurch können Sensorenmessungen an verschiedenen Stellen der Mantelumfangsfläche einer Spur vorgenommen werden und dadurch ein Durchschnittswert ermittelt werden, welcher eine höhere Genauigkeit zur Verfügung stellt.
Dadurch erhält man zusätzliche Messwerte, die eine Abnahme der des Einflusses der Magnetstärke auf den Sensor durch insbesondere radiale Entfernung des Bauteils, etwa durch seine rotatorische Bewegung oder etwa durch Herstellungstoleranzen, von den vorbeschriebenen Spulen des Magnetfeldsensors kompensieren können.
Zusätzliche Spulen der jeweiligen Sensoren können im Bereich der Mantelumfangsfläche so angeordnet sein, dass zuverlässige Messungen auch bei Querbewegungen des Bauteils in seiner radialen Ebene und bei damit einhergehenden Beeinflussungen der Magnetstärke möglich sind. Demgemäß können sie an jeder Position im Bereich der Mantelumfangsfläche des Bauteils 360 Grad umlaufend angeordnet sein.
Dabei wird darauf hingewiesen, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn vorzugsweise jeweils zwei Spulen unterschiedlicher Sensoren zu den nächsten vorzugsweise beiden Spulen jeweils unterschiedlicher Sensoren 90 Grad voneinander beabstandet sind. Dadurch ergibt sich eine Anordnung von vier Spulenpaaren, die jeweils unterschiedlichen Sensoren zugeordnet sind, im Abstand von 90 Grad, 360 Grad umlaufend.
Es können hierbei auch Spulen für nicht nur dieselben, sondern für weitere Sensoren eingesetzt werden, was im Belieben des Fachmanns, insbesondere unter Berücksichtigung der eingesetzten Elektronik steht.
Während die vorbeschriebene Ausführungsform der Erfindung zwei Dual-Band-Sensoren umfasst, die auf drei Magnetspuren bezogen sind, bezieht sich eine andere Ausführungsform der Erfindung auf eine Erweiterung des dreispurigen Magnetfelds um wenigstens eine weitere vierte Spur. In dieser anderen Ausführungsform werden zwei auf die Tri-Band-Magnetisierung bezogene Sensoren eingesetzt, die auf insgesamt vier Magnetspuren bezogen sind. Hier sind die ersten 3 Spuren der Quad-Band Magnetisierung als erste Gruppe anzusehen, auf die sich der erste Sensor bezieht. Der zweite Sensor ist der um eine Magnetspur versetzten letzten 3 Spuren der Quad-Band Magnetisierung zugeordnet.
Diese sogenannte Quad-Band-Magnetisierung weist mithin eine erste äußere Magnetspur, zwei mittlere Magnetspuren sowie eine zweite äußere Magnetspur auf. Im Ergebnis werden zwei mittlere Magnetspuren von beiden Sensoren überlappend erfasst.
Ungeachtet dieser Besonderheit kann für diese Quad-Band-Magnetisierung auf die gesamten vorstehenden Erläuterungen verwiesen werden, die auch für diese Anordnung gelten. Insbesondere sind diese Magnetspuren ebenfalls abwechselnd entgegengerichtet magnetisiert.
Eine wiederum weitere Ausführungsform der Erfindung ist durch die Anordnung der Magnetspuren auf einem Bauteil mit unterschiedlichem Durchmesser gekennzeichnet. Bei dieser Anordnung hat sich gezeigt, dass die Auswertungsergebnisse noch deutlicher ausfallen.
Diese Ausführungsform kann zum einen so ausgestaltet sein, dass sich auf dem Bauteil mit dem dünneren Durchmesser beispielsweise die Tri-Band-Magnetisierung befindet, während auf dem Bauteil mit dem stärkeren Durchmesser eine zusätzliche Dual-Band-Magnetisierung angeordnet ist. Selbstverständlich kann dies auch umgekehrt ausgestaltet sein. Die Tri-Band-Magnetisierung wird bevorzugt in derselben Weise mit zwei Dual-Band-Sensoren gemessen wie in Bezug auf die erste Ausführungsform vorbeschrieben. Auf dem Bauteil mit dem größeren Durchmesser kann eine übliche Dual-Band-Magnetisierung, eine Tri-Band-Magnetisierung oder auch eine Quad-Band-Magnetisierung angeordnet sein, was spiegelbildlich auch für das Bauteil mit dem kleineren Durchmesser gelten kann.
Durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Durchmessern können die Ausgangssignale verglichen werden und ein externer Einfluss tritt stärker in Erscheinung als bei einer Ausführungsform, bei der das Bauteil einen einheitlichen Durchmesser aufweist. Der Vergleich der Signale stellt den externen Einfluss stärker in den Vordergrund.
Zusätzlich ermöglicht dieser Aufbau einen Vergleich der Hysterese, da der eine Sensor aufgrund der Hysterese ein signifikant unterschiedliches Verhalten gegenüber dem anderen zeigt.
Das Ausgangssignal auf dem kleineren Durchmesser wird eine stärkere Signalabweichung durch Hysterese zeigen, weist jedoch weniger Rotationsunförmigkeiten auf. Das Magnetfeld um die Welle ist kein perfekter Kreis. Neben der Kompensation von radialen Bewegungen ist die Verwendung von mehreren Spulen pro Spur auch diesbezüglich Vorteilhaft.
Weitere Aspekte und Charakteristiken der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gemäß den 1 bis 3.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Bauteil, insbesondere eine Welle mit drei wellenumlaufenden Magnetspuren,
2 zeigt den Querschnitt des Bauteils, insbesondere der Welle mit an der jeweiligen Ober- und Unterseite der Welle angeordneten Magnetfeldsensoren,
3 zeigt eine Darstellung vergleichbar mit 1, mit dem Unterschied, dass vier Magnetspuren vorgesehen sind,
4 zeigt ein Koordinatensystem mit einer ersten Kurve, die einem ersten Sensor zugeordnet ist und eine zweite Kurve, die einem zweiten Sensor zugeordnet ist,
5 zeigt ein Koordinatensystem mit einer Kurve, die einem ersten Sensor zugeordnet ist und einer zweiten, einem zweiten Sensor zugeordneten Kurve, wobei ein externes Magnetfeld auf die Kurven wirkt und
6 zeigt ein Bauteil mit der Anordnung der Magnetspuren in Bereichen unterschiedlichen Durchmessers.
1 zeigt ein Bauteil 1 mit einem magnetisierten Bereich 2. Der magnetisierte Bereich 2 umfasst drei Magnetspuren 3, 4, 5. Die zueinander benachbarten Magnetspuren 3, 4, 5 weisen jeweils eine gegenläufige umlaufende Magnetisierung 8, 9 auf. Die Magnetspur 3 und die Magnetspur 5 weisen eine umlaufende Magnetisierung 9 auf. Die gemeinsame Magnetspur 4 hat eine Magnetisierung 8 gegenläufig zu 9.
Der magnetisierte Bereich 2 ist in zwei Gruppen 6, 7 unterteilt.
Der ersten Gruppe 6 des magnetisierten Bereichs 2 sind die Magnetspuren 3 und 4 zugeordnet.
Der zweiten Gruppe 7 des magnetisierten Bereichs 2 sind die Magnetspuren 4 und 5 zugeordnet. Beide Gruppen 6, 7 der Magnetspuren 3, 4, 5 haben die Magnetspur 4 gemeinsam.
Den Magnetspuren 3 und 4 ist ein erster Sensor 10 zugeordnet. Der erste Sensor 10 umfasst die Spulen 11, 12 sowie die Spulen 13, 14, wenn eine Bewegung des Bauteils 1 in radialer Richtung erfasst werden können soll. Dadurch erfolgt eine Kompensation der Abstandsänderung. Mit anderen Worten: das Integral der Abstände der Spulen zur Bauteil-, insbesondere Wellenoberfläche, wird konstant gehalten.
Der zweite Sensor 15 der zweiten Gruppe 7 umfasst wenigstens die Spulen 16, 17, wobei 18, 19 benötigt, werden um radiale Bewegungen zu kompensieren und der Verbesserung von rotationsabhängigen Fehlern dienen.
Die Sensoren 10 und 15 sind derart angeordnet, dass sich das Bauteil 1, vorzugsweise die Welle zwischen den Spulen 11 bzw. 13, 12 bzw. 14, 16 bzw. 18 und 17 bzw. 19 erstreckt.
Die Anordnung des Bauteils 1 zwischen den Spulen 11, 12, 16, 17 und den Spulen 13, 14, 18, 19 ermöglicht, dass sich das Bauteil 1 bei einer radialen Bewegung 20 zwischen den Spulen 11, 12, 16, 17 und 13, 14, 18, 19 jeweils von den Spulen 11, 12, 16, 17 entfernt und sich gleichzeitig den Spulen 13, 14, 18, 19 annähert und umgekehrt.
Unabhängig von der radialen Bewegung 20 des Bauteils 1 bleiben die Magnetspuren 3, 4, 5 auf diese Weise stets im Wirkungsbereich entweder der Spulen 11, 12, 16, 17 oder der Spulen 13, 14, 18, 19 der zugehörigen Sensoren 10 bzw. 15. Die Funktionsfähigkeit der Sensoren 10 bzw. 15 bleibt somit unabhängig von der radialen Bewegung 20 des Bauteils 1 innerhalb der Spulen 11, 12, 16, 17 und 13, 14, 18, 19 erhalten.
Da die Magnetspur 4 der ersten Magnetspurengruppe 6 und der zweiten Magnetspurengruppe 7 gemeinsam zugeordnet ist, sind der Magnetspur 4 die beiden Spulen 12 und 14 des ersten Sensors 10 und die beiden Spulen 16 und 18 des Sensors 15 zugeordnet.
In 2 sind die Spulen 12, 16 einerseits und 14, 18 andererseits vertikal, das heißt übereinander und untereinander dargestellt. Diese mittleren Spulen sitzen in axialer Richtung genau auf der gleichen Stelle, nur werden sie entsprechend dem notwendigen Bauraum rotatorisch angeordnet. Der Abstand zum Bauteil, insbesondere zur Wellenoberfläche ist identisch.
In 1 nimmt der Sensor 15 die Funktion eines redundanten Sensors an.
2 zeigt im Querschnitt das Bauteil 1 mit dem oben angeordneten Sensor 10 mit seinen Spulen 11 und 12 und dem ebenfalls oben angeordneten zweiten Sensor 15 mit den Spulen 16, 17.
Relativ zum Bauteil 1 an dessen Unterseite versetzt angeordnet kann der zweite Sensor 15 mit extra Spulen 18 und 19 angeordnet werden. Gegenüberliegend ebenfalls an der Unterseite des Bauteils 1 ist der erste Sensor 10 mit Spulen 13 und 14 dargestellt.
In 2 ist die bauliche Versetzung der Sensoren derart dargestellt, dass die Spulen 11, 12 des ersten Sensors 10 an der Oberseite des Bauteils 1 diagonal gegenüber den Spulen 13 und 14 des ersten Sensors 10 an der Unterseite des Bauteils 1 angeordnet sind.
In gleicher Weise sind an der Oberseite des Bauteils 1 die Spulen 16, 17 des zweiten Sensors 15 diagonal 180° gegenüber den Spulen 18, 19 des zweiten Sensors 15 an der Unterseite des Bauteils angeordnet.
3 zeigt ein Bauteil 1, insbesondere eine Welle mit einem magnetisierten Bereich 2, der Magnetspuren 21, 22, 23, 24 umfasst. Die in 3 gezeigte sogenannte Quad-Band-Magnetisierung 59 weist mithin eine erste äußere Magnetspur 21, zwei mittlere Magnetspuren 22; 23 sowie eine zweite äußere 24 Magnetspur auf.
Die zueinander benachbart angeordneten Magnetspuren 21, 22, 23, 24 sind entgegengesetzt umlaufend magnetisiert 8, 9.
Der magnetisierte Bereich 2 des Bauteils 1 ist in eine Gruppe 25 von Magnetspuren 21, 22, 23 und in eine Gruppe 26 von Magnetspuren 22, 23, 24 unterteilt.
Die Magnetspuren 22 und 23 sind gemeinsame Magnetspuren der Gruppe 25 und der Gruppe 26. Bei der Anordnung der beiden Gruppen 25 und 26 am Bauteil 1 überlappen die gemeinsamen Magnetspuren 22 und 23 der Gruppe 25 die Gruppe 26 und umgekehrt.
In 3 ist der ersten Gruppe 25 der Magnetspuren 21, 22, 23 ein Sensor 27 zugeordnet.
Der zweiten Gruppe 26 der Magnetspuren 22, 23, 24 ist in 3 ein Sensor 29 zugeordnet.
Der Sensor 27 der ersten Gruppe 25 umfasst die Spulen 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38. Die Spulen 33, 34, 37, 38 dienen zu der Erfassung von Radialbewegungen und einer rotatorischen Signal-Uniformität (sog. Rotational Signal Uniformity).
Der Sensor 29 der zweiten Gruppe 26 der Magnetspuren 22, 23, 24 umfasst die Spulen 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46. Die Spulen 41, 42, 45, 46 dienen zu der Erfassung von Radialbewegungen und einer rotatorischen Signal-Uniformität (sog. Rotational Signal Uniformity).
Hierbei sind die Spulen 39, 40, 43 und 44 relativ zum Bauteil 1 an deren Oberseite angeordnet und die Spulen 41, 42, 45 und 46 an der gegenüberliegenden Unterseite.
Bewegt sich das Bauteil 1, vorzugsweise eine Welle in radialer Richtung 20 zwischen den Spulen 31, 32, 35, 39, 36, 40, 43, 44 auf der einen Seite und den Spulen 33, 34, 37, 41, 38, 42, 45, 46 auf der anderen Seite so gelangen die Magnetspuren 21, 22, 23, 24 mit zunehmender Entfernung von den Spulen 31, 32, 35, 36, 39, 40, 43, 44 in den Wirkungsbereich der Spulen 33, 34, 37, 38, 41, 42, 45, 46 und umgekehrt.
4 zeigt einen Quadranten eines kartesischen Koordinatensystems mit einer x-Achse, auf der Drehmomentwerte in Nm abgetragen sind.
Auf der zugehörigen y-Achse sind dagegen Spannungswerte in Volt (V) abgetragen.
In das Koordinatensystem sind je eine Kurve 48 und eine Kurve 49 eingezeichnet.
Beide Kurven 48, 49 beziehen sich auf ein Magnetfeld 2 eines Bauteils 1 mit drei Magnetspuren 3, 4, 5 entsprechend der Darstellung aus 1.
Hierbei ist die Kurve 48 dem Sensor 10, 27 zugeordnet und die Kurve 49 dem Sensor 15, 29 zugeordnet.
Beide Kurven 48 und 49 haben ihren Ausgangspunkt bei 0 Nm auf der x-Achse und bei einem Wert in V mit der Bezugsziffer 50 auf der y-Achse.
Aufgrund der Magnetisierung 9, 8 der Magnetspuren 3, 4 der ersten Gruppe 6 weist die Kurve 48 bei zunehmenden Nm-Werten auf der x-Achse zunehmende V-Werte auf der y-Achse aus.
Wegen der umgekehrten Magnetisierung 8, 9 der Magnetspuren 4, 5 der zweiten Gruppe 7 des magnetisierten Bereichs 2 weist die Kurve 49 bei zunehmenden Nm-Werten auf der x-Achse des Koordinatensystems fallende V-Werte auf der y-Achse aus.
5 zeigt ein kartesisches Koordinatensystem mit einem ersten Quadranten 51 und einem zweiten Quadranten 52.
Entsprechend der 4 ist in 5 eine Kurve 48 abgetragen, die dem Sensor 10 zugeordnet ist und eine Kurve 49, die dem Sensor 15 zugeordnet ist.
Entgegen der Darstellung in 4 haben die beiden Kurven 48 und 49 ihren Ausgangspunkt jeweils bei 0 Nm auf der x-Achse und bei 0 V auf der y-Achse.
Der weitere Verlauf der Kurven 48 und 49 entspricht der zugehörigen Beschreibung beider Kurven in 4.
Aufgrund eines externen magnetischen Feldes wird die Magnetisierung 8, 9 der Magnetspuren 3, 4, 5 derartig beeinflusst, dass es zu einer gleichgerichteten Parallelverschiebung der Kurven 48 und 49 kommt.
Aufgrund der Parallelverschiebung wird der Kurve 48 eine Kurve 53 zugeordnet und einer Kurve 49 wird eine parallele Kurve 54 zugeordnet.
Aus 5 ist darüber hinaus erkennbar, dass die parallele Verschiebung der Kurven 48 des Sensors 10 und der Kurve 49 des Sensors 15 in unterschiedlichem Umfang erfolgt.
Die Kurve 48 des Sensors 10 wird um einen Abstand 55 verschoben, wogegen die Kurve 49 des Sensors 15 um einen geringeren Abstand 56 parallel verschoben wird, was bedeutet, dass die beiden Sensoren unterschiedlichen externen Magnetfeldeinflüßen ausgesetzt sind.
6 zeigt ein Bauteil 1 mit einem Bereich 57 mit kleinerem Durchmesser und einem Bereich 58 mit großerem Durchmesser. Im Bereich 57 ist ein magnetisierter Bereich 2 mit einer Quad-Band-Magnetisierung 59 dargestellt. Im Bereich 58 ist dagegen ein magnetisierter Bereich 2 gezeigt, der zwei Magnetspuren 3; 5 umfasst. Die benachbarten Magnetspuren weisen jeweils zueinander entgegengerichtete Magnetisierungen 8 bzw. 9 auf.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: magnetisierter Bereich
3: Magnetspur
4: gemeinsame Magnetspur
5: Magnetspur
6: Gruppe
7: Gruppe
8: Magnetisierung
9: Magnetisierung
10: erster Sensor; erste Gruppe
11: Spule
12: Spule
13: Spule
14: Spule
15: erster Sensor; zweite Gruppe
16: Spule
17: Spule
18: Spule
19: Spule
20: radiale Bewegung
21: Magnetspur
22: Magnetspur
23: Magnetspur
24: Magnetspur
25: Gruppe
26: Gruppe
27: Sensor; erste Gruppe
28: bleibt frei
29: Sensor; zweite Gruppe
30: bleibt frei
31: Spule
32: Spule
33: Spule
34: Spule
35: Spule
36: Spule
37: Spule
38: Spule
39: Spule
40: Spule
41: Spule
42: Spule
43: Spule
44: Spule
45: Spule
46: Spule
47: Wert bei 0 Nm
48: Kurve; Sensor 10
49: Kurve; Sensor 15
50: V-Wert; y-Achse
51: erster Quadrant
52: zweiter Quadrant
53: parallele Kurve; Sensor 10
54: parallele Kurve; Sensor 15
55: Abstand; Kurve Sensor 10
56: Abstand; Kurve Sensor 15
57: Bereich
58: Bereich
59: Quad-Band-Magnetisierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 277521 A1 [0002]
DE 102005002966 A1 [0004]
EP 2793009 A1 [0005]
US 8578794 A1 [0006]
EP 2799827 A1 [0007]
US 6553847 B2 [0008]
US 2012/0074933 A1 [0011]

Claims

Vorrichtung zur Feststellung eines externen magnetischen Einflusses umfassend: – ein Bauteil, – jedenfalls teilweise ferromagnetisches Material aufweisend, – einen magnetisierbaren Bereich, der wenigstens drei Magnetspuren umfasst, von denen die zueinander Benachbarten jeweils zueinander entgegengerichtet magnetisiert sind und – die wenigstens drei Magnetspuren axial zum Bauteil angeordnet sind, wobei – der ersten äußeren und mindestens einer mittleren Magnetspur jeweils wenigstens eine Spule eines ersten Magnetfeldsensors zur Emittierung je eines Signals radial zum Bauteil zuordenbar ist und – der mindestens einer mittleren und zweiten äußeren Magnetspur jeweils wenigstens eine Spule eines zweiten Magnetfeldsensors zur Emittierung eines Signals radial zum Bauteil zuordenbar ist, wobei – das Signal des ersten Sensors in Verhältnis zu dem Signal des zweiten Sensors setzbar ist;
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Sensoren als redundanter Sensor ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Welle ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten und mittleren Magnetspur radial zum Bauteil angeordnet mindestens jeweils wenigstens eine weitere Spule und der mittleren und dritten Magnetspur radial zum Bauteil angeordnet mindestens jeweils wenigstens eine weitere Spule zuordenbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Magnetfeldsensor berührungslos gegenüber dem Bauteil (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Magnetfeldsensor Magnetfeldsensoren auf Fluxgate-Basis sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Bauteil ein Drehmoment einwirkt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Bauteils im Bereich des mindestens ersten Sensors vom Durchmesser der Welle im Bereich des weiteren Sensors abweicht.
Verfahren zur Feststellung eines externen magnetischen Einflusses, das folgende Schritte umfasst: – Magnetisierung eines Bauteils, jedenfalls teilweise ferromagnetisches Material aufweisend, – Erzeugung von wenigstens drei gegenläufigen Magnetspuren eines magnetisierbaren Bereichs, – Erfassung der wenigstens drei gegenläufig magnetisierbaren Magnetspuren in mindestens zwei Gruppen welche überlappend, aber axial versetzt auf dem Bauteil angeordnet sind, – Zuordnung eines ersten Magnetfeldsensors zu der ersten und mittleren Magnetspur zur Emittierung je eines Signals radial zum Bauteil, – Zuordnung eines zweiten Magnetfeldsensors zur mittleren und dritten Magnetspur zur Emittierung je eines Signals radial zum Bauteil, – Stellen des Signals des ersten Sensors in Verhältnis zu dem Signal des zweiten Sensors;
Verwendung einer Vorrichtung zur Feststellung eines externen magnetischen Einflusses, umfassend: – ein Bauteil, – jedenfalls teilweise ferromagnetisches Material aufweisend, – einen magnetisierbaren Bereich, der wenigstens drei gegenläufige Magnetspuren umfasst, wobei – die wenigstens drei Magnetspuren axial zum Bauteil angeordnet sind, wobei – der ersten und mittleren Magnetspur ein erster Magnetfeldsensor mit mindestens zwei Spulen zur Emittierung je eines Signals radial zum Bauteil zuordenbar ist und – der mittleren und dritten Magnetspur ein zweiter Magnetfeldsensor mit mindestens zwei Spulen zur Emittierung eines Signals radial zum Bauteil zuordenbar ist, wobei – das Signal des ersten Sensors in Verhältnis zu dem Signal des zweiten Sensors setzbar ist;