DE102016102866A1

DE102016102866A1 - System und Verfahren für einen Drehmomentsensor und Temperatursensor

Info

Publication number: DE102016102866A1
Application number: DE102016102866.5A
Authority: DE
Inventors: Dan Tho Lu; Pekka Tapani Sipila; Clifford James Uber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2016-09-01
Also published as: US10024742B2; US20160252415A1; US9618408B2; US20170211996A1

Abstract

Ein System enthält einen magnetostriktiven Sensor mit einem Sensorkopf, der einen Anregungspol enthält. Der Anregungspol enthält eine Anregungsspule, die einen Anregungsstrom empfangen kann und einen Magnetflussteil durch eine Drehstruktur hindurch aussenden kann. Der Sensorkopf enthält ferner einen Erfassungspol, der eine Erfassungsspule enthält, die den Magnetflussteil empfangen kann und ein Signal basierend wenigstens zum Teil auf dem empfangenen Magnetflussteil senden kann. Der empfangene Magnetflussteil basiert wenigstens zum Teil auf einer Kraft auf die Drehstruktur. Der Sensorkopf enthält ferner einen Temperatursensor, der an dem Sensorkopf angeordnet ist. Der Temperatursensor kann eine Temperatur der Drehstruktur messen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität von und den Nutzen aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/121,323 und dem Titel „System and Method for Torque Transducer and Temperature Sensor“ („System und Verfahren für Drehmomentsensor und Temperatursensor, die am 26. Februar 2015 eingereicht worden ist und die in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft allgemein Sensoren und insbesondere Temperatursensoren für magnetostriktive Sensoren.
Sensoren werden in vielfältigen Industriezweigen verwendet, um Schwingung, Drehmoment, Geschwindigkeit, Kraft, Position, Temperatur und andere Parameter zu erfassen. In manchen Anwendungen kann die Funktion des Sensors unter anderem aufgrund einer elektrischen und/oder magnetischen Interferenzstörung, aufgrund von Temperaturschwankungen und einer Belastung beeinträchtigt werden. Bedauerlicherweise können gesonderte Temperatursensoren elektrische Interferenzstörungen, magnetische Interferenzstörungen verursachen oder durch Temperaturgradienten beeinflusst sein.
KURZBESCHREIBUNG
Bestimmte Ausführungsformen, die dem Umfang der vorliegenden Offenbarung entsprechen, sind nachstehend kurz zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken, sondern sind lediglich dazu bestimmt, eine kurze Zusammenfassung bestimmter Ausführungsformen zu liefern. In der Tat können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vielfältige Formen einnehmen, die den nachstehend erläuterten Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.
In einer ersten Ausführungsform enthält ein System einen magnetostriktiven Sensor mit einem Sensorkopf, der einen Anregungspol enthält. Der Anregungspol enthält eine Anregungsspule, die einen Anregungsstrom empfangen kann und einen Magnetflussteil durch eine Drehstruktur aussenden kann. Der Sensorkopf enthält ferner einen Erfassungspol, der eine Erfassungsspule enthält, die den Magnetflussteil empfangen kann und ein Signal basierend wenigstens zum Teil auf dem empfangenen magnetischen Flussteil senden kann. Der empfangene Magnetflussteil basiert wenigstens zum Teil auf einer Kraft auf die Drehstruktur. Der Sensorkopf enthält ferner einen Temperatursensor, der an dem Sensorkopf angeordnet ist. Der Temperatursensor kann eine Temperatur der Drehstruktur messen.
In dem zuvor erwähnten System kann der Temperatursensor mit einem Temperaturerfassungspol des magnetostriktiven Sensors und der Drehstruktur gekoppelt sein.
Zusätzlich kann der Temperaturerfassungspol zwischen zwei Erfassungspolen angeordnet sein.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten System kann der Temperatursensor mit dem Anregungspol gekoppelt sein.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Temperatursensor zu der Drehstruktur versetzt angeordnet sein.
In einer Konfiguration kann der Temperatursensor einen Infrarotsensor aufweisen.
In einer weiteren Konfiguration kann der Temperatursensor eine induktive Spule aufweisen.
In bevorzugten Konfigurationen kann der magnetostriktive Sensor ein Drehmomentsensor sein.
Das System einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, um das Signal von der Erfassungsspule und ein Temperatursignal von dem Temperatursensor zu empfangen, wobei das Signal auf einem Drehmoment an der Drehstruktur basiert, und die Steuereinrichtung kann ein oder mehrere greifbare, nicht transitorische, maschinenlesbare Medien, die gemeinsam einen oder mehrere Sätze von Instruktionen speichern, und eine oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen aufweisen, die eingerichtet sind, um den einen oder die mehreren Sätze von Instruktionen auszuführen, um einen Betrieb des Systems zu überwachen oder zu steuern, wobei der eine oder die mehreren Sätze von Instruktionen eingerichtet sein können, um das Signal und das Temperatursignal zu kombinieren, um ein kompensiertes Drehmomentsignal zu generieren, wobei die eine oder mehreren Verarbeitungsvorrichtungen eingerichtet sein können, um das Drehmoment an der Drehstruktur auf der Basis des kompensierten Drehmomentsignals zu bestimmen.
In einer zweiten Ausführungsform enthält ein System einen magnetostriktiven Sensorkopf, der eine Anregungsspule, die mit einem sich von einem Sensorkopfkern erstreckenden Anregungspol gekoppelt ist, die einen Anregungsstrom empfangen kann und die einen Magnetflussteil über eine Drehstruktur aussenden kann, und eine Erfassungsspule enthält, die mit einem Erfassungspol gekoppelt ist, der sich von dem Sensorkopfkern erstreckt. Die Erfassungsspule kann den Magnetflussteil empfangen, wobei die Erfassungsspule ein erstes Signal basierend wenigstens zum Teil auf dem empfangenen Magnetflussteil senden kann und wobei der empfangene Magnetflussteil wenigstens zum Teil auf einer Kraft auf die Drehstruktur an einem Abschnitt der Drehstruktur, der dem magnetostriktiven Sensorkopf gegenüberliegt, basiert. Das System enthält ferner einen Temperatursensor, der mit dem magnetostriktiven Sensorkopf gekoppelt ist. Der Temperatursensor sendet ein zweites Signal auf der Basis der Temperatur des Abschnitts der Drehstruktur.
In dem zuvor erwähnten System gemäß der zweiten Ausführungsform kann der Temperatursensor innerhalb eines magnetisch neutralen Bereiches des magnetostriktiven Sensorkopfes angeordnet sein.
Der Temperatursensor kann mit der Drehstruktur nicht in Kontakt stehen.
In einer Konfiguration kann der Temperatursensor einen Infrarotsensor aufweisen, der auf den Abschnitt der Drehstruktur gerichtet ist.
In einer weiteren Konfiguration kann der Temperatursensor eine induktive Spule aufweisen.
In einer noch weiteren Konfiguration kann der Temperatursensor mit einem Temperaturpol gekoppelt sein, der zwischen zwei Erfassungspolen angeordnet ist, wobei der Temperaturpol sich innerhalb eines magnetisch neutralen Bereiches des magnetostriktiven Sensorkopfs befinden kann.
Der Temperatursensor kann an dem Anregungspol angeordnet sein.
In einem beliebigen vorstehend erwähnten System gemäß der zweiten Ausführungsform kann der Temperatursensor eingerichtet sein, um die Temperatur des Abschnitts der Drehstruktur zu messen, wenn die Drehstruktur gerade rotiert.
In einer dritten Ausführungsform enthält ein Verfahren ein Erzeugen eines Magnetflussteils mit einer Anregungsspule, die mit einem Anregungspol eines magnetostriktiven Drehmomentsensors gekoppelt ist, und Richten des Magnetflussteils durch die Drehstruktur und einen Erfassungspol des magnetostriktiven Drehmomentsensors. Die Drehstruktur weist ein ferromagnetisches Material auf. Das Verfahren enthält ferner ein Detektieren des Magnetflussteils mit einer Erfassungsspule, die mit dem Erfassungspol gekoppelt ist. Die Erfassungsspule kann ein Drehmomentsignal basierend wenigstens zum Teil auf einem Drehmoment an der Drehstruktur erzeugen. Das Verfahren enthält ferner ein Messen einer Temperatur der Drehstruktur mit einem Temperatursensor, der im Inneren des magnetostriktiven Drehmomentsensors angeordnet ist. Der Temperatursensor kann ein Temperatursignal generieren. Das Verfahren enthält ferner ein Bestimmen des Drehmoments an der Drehstruktur basierend wenigstens zum Teil auf dem Drehmomentsignal von der Erfassungsspule und dem Temperatursignal von dem Temperatursensor.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Drehmomentsignal wenigstens zum Teil auf dem Drehmoment auf einem Abschnitt der Drehstruktur, der dem magnetostriktiven Drehmomentsensor gegenüberliegt, basieren, und das Temperatursignal kann wenigstens zum Teil auf der Temperatur des Abschnitts der Drehstruktur basieren.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann der Temperatursensor mit der Drehstruktur nicht in Kontakt stehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese weiteren Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen, worin zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines magnetostriktiven Erfassungssystems, wobei das magnetostriktive Erfassungssystem einen Temperatursensor enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des magnetostriktiven Erfassungssystems nach 1, wobei das magnetostriktive Erfassungssystem eine Steuereinrichtung enthält, die bei einem Sensorkopf integriert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 eine Draufsicht einer Ausführungsform des magnetostriktiven Erfassungssystems nach 1, wobei das magnetostriktive Erfassungssystem einen Temperaturpol enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform des magnetostriktiven Erfassungssystems nach 3, wobei der Temperaturpol den Temperatursensor und eine Abschirmung enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform des magnetostriktiven Erfassungssystems nach 4, wobei der Temperaturpol den Temperatursensor gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält; und
6 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform des magnetostriktiven Erfassungssystems nach 3, wobei der Temperaturpol den Temperatursensor und eine Abschirmung enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nachstehend beschrieben. In dem Bemühen eine präzise Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können ggf. nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung beschrieben sein. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer jeden derartigen tatsächlichen Implementierung, wie in jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die speziellen Ziele der Entwickler, wie beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Randbedingungen, zu erreichen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte erkannt werden, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, jedoch für Fachleute auf dem Gebiet, die den Nutzen dieser Offenbarung haben, nichtsdestoweniger ein routinemäßiges Unterfangen zur Konstruktion, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen im einschließlichen Sinne gemeint sein und bedeuten, dass außer den aufgeführten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
In manchen Ausführungsformen, wie beispielsweise in Öl- und Gas- und Energieanwendungen, können magnetostriktive Sensoren verwendet werden, um das Drehmoment einer Welle zu messen. Magnetostriktive Drehmomentsensoren für derartige Anwendungen verwenden eine Erfassungsmethode, bei der ein Magnetfeld in dem Sensor durch Durchleitung eines elektrischen Stromes durch eine Anregungsspule generiert wird. In magnetostriktiven Drehmomentsensoren durchdringt dieses Magnetfeld die Welle, und es kehrt zu einer Erfassungsspule (z.B. einer Sondenspule) des Sensors zurück. Die Ausgabe der Sensorspule ist ein elektrisches Signal, das wenigstens zum Teil auf der gesamten magnetischen Reluktanz dieser Schleife durch die Welle abhängt. Ein Teil der gesamten Reluktanz ist durch den Luftspalt zwischen den Spulen und der Welle festgelegt, und ein Teil der gesamten Reluktanz ist durch die Welle selbst festgelegt, wobei die Reluktanz der Welle sich als Funktion des Drehmomentes an der Welle verändert.
Im Allgemeinen werden berührungslose magnetostriktive Drehmomentsensoren bei Wellen verwendet, die vormagnetisiert (z.B. behandelt) worden sind. Eine Vormagnetisierung der Welle kann Drehmomentmessungen durch Verstärkung der intrinsischen magnetostriktiven Eigenschaften der Welle unterstützen. An sich kann der aufgrund des Wellendrehmomentes erzeugte Magnetfluss durch den berührungslosen magnetostriktiven Drehmomentsensor detektiert werden. Jedoch enthalten nicht alle Ausrüstungen oder Systeme vormagnetisierte (z.B. behandelte) Wellen. Zum Beispiel können in mancher Ausrüstung Drehmomentmessungen zum Zeitpunkt der Herstellung der Ausrüstung nicht gewünscht worden sein, oder das Drehmoment kann durch andere Techniken gemessen worden sein, die keine magnetostriktiven Sensoren (z.B. berührungslose magnetostriktive Sensoren) verwendeten.
Ein Nachrüsten von Systemen, die unbehandelte Wellen aufweisen, mit berührungslosen magnetostriktiven Sensoren (z.B. wenn Drehmomentmessungen nach der Herstellung gewünscht werden) kann kostspielig und ineffizient sein. Zum Beispiel muss die behandelte Welle gegebenenfalls aus der Ausrüstung für eine Behandlung entfernt werden, um eine magnetisierte Welle (z.B. eine behandelte Welle) zu erzeugen. Demgemäß kann eine Wellenbehandlung nach der Herstellung der Ausrüstung oder nach einer Systemmontage Arbeits- und Ausrüstungskosten, die mit Systemen mit behandelten Wellen verbunden sind, erhöhen. Außerdem können in einer Ausrüstung, die behandelte Wellen (z.B. magnetisierte Wellen) verwendet, bestimmte Bedingungen (z.B. eine Überhitzung der Ausrüstung) die Magnetisierung der Welle im Laufe der Zeit verringern, wodurch die Verstärkung der magnetostriktiven Eigenschaften der Welle verringert werden, was das durch die Welle strömende Magnetfeld schwächt oder ungenaue Drehmomentmesswerte zur Folge hat oder eine beliebige Kombination von diesen ergibt. Folglich kann es von Vorteil sein, einen berührungslosen magnetostriktiven Sensor zu entwickeln, der bei unbehandelten (nicht magnetisierten) Drehwellen verwendet werden kann. Berührungslose magnetostriktive Sensoren, die bei unbehandelten Drehwellen verwendet werden können, können die Genauigkeit der Drehmomentmesswerte erhöhen und ein Nachrüsten bestehender Systeme, die keine behandelten Wellen aufweisen, mit einem berührungslosen magnetostriktiven Sensor ermöglichen. Auf diese Weise kann eine Ausrüstung mit berührungslosen magnetostriktiven Sensoren zur Drehmomentmessung ohne die mit der Behandlung (z.B. Magnetisierung) der Welle verbundenen Kosten hergestellt und/oder nachgerüstet werden. Zusätzlich kann die Produktionseffizienz für die Ausrüstung erhöht werden, was zum Teil auf eine Reduktion der Prozessschritte, die allgemein mit einer Magnetisierung der Welle verbunden sind, zurückzuführen ist.
Der magnetostriktive Drehmomentsensor kann eine Anregungsspule enthalten, um einen Magnetfluss (z.B. das Magnetfeld) zu erzeugen, der durch die Welle (z.B. ein ferromagnetisches Material) hindurchtritt und durch die Erfassungsspule erfasst wird. Veränderungen des gemessenen Magnetflusses hängen zum Teil von den Änderungen der magnetischen Permeabilität der Welle ab, die wiederum mit der Stärke der auf die Welle ausgeübten Kraft in Beziehung stehen. Folglich kann eine Messung des durch die Welle hindurchtretenden Magnetflusses dazu verwendet werden, den Wert der ausgeübten Kraft (z.B. eines Drehmomentes) zu erfassen und/oder zu berechnen. Jedoch können sich die magnetischen Eigenschaften der Welle infolge von Wärme und anderen Faktoren, die mit einem System in Zusammenhang stehen, das einen magnetostriktiven Sensor verwendet, verändern. An sich kann sich auch der durch die Welle (z.B. das ferromagnetische Material) hindurchtretende Magnetfluss verändern. Zum Beispiel können Temperaturschwankungen der Welle die elektromagnetischen Eigenschaften der Welle (z.B. elektrische Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität) beeinflussen (z.B. verändern). Die Änderungen der elektronmagnetischen Eigenschaften der Welle können Schwankungen des durch den magnetostriktiven Sensor empfangenen Signals hervorrufen. Folglich kann sich der Drehmomentmesswert, der von den Signalen abgeleitet wird, die durch die Erfassungsspule empfangen und übertragen werden, von dem tatsächlichen Drehmoment an der Welle unterscheiden. Außerdem können auch Schwankungen der elektromagnetischen Eigenschaften der Sensorspulen die Drehmomentmessungen beeinflussen. Folglich kann es wünschenswert sein, eine Temperatur der Welle an oder in der Nähe der Stelle zu messen, wo die Drehmomentmessung während eines Betriebs der Welle vorgenommen wird, und den Temperaturmesswert zur Kompensation von Veränderungen der magnetischen Permeabilität der Welle, die durch die Temperaturschwankungen verursacht sind, zu verwenden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Drehmomentmessungen erhöht werden. Entsprechend stellt die vorliegende Offenbarung einen berührungslosen magnetostriktiven Drehmomentsensor mit einem integrierten Temperatursensor bereit, der eine Temperatur der Welle oder anderer Zieloberflächen messen kann.
Zusätzlich zur Messung der Oberflächentemperatur der Welle kann es wünschenswert sein, Temperaturmesswerte zu generieren, während die Welle rotiert. Echtzeit-Temperaturmessungen (z.B. während einer Wellendrehung) können einen genaueren Temperaturmesswert im Vergleich zu Temperaturmesswerten generieren, die aufgenommen werden, nachdem die Welle aufgehört hat sich zu drehen. Zum Beispiel kann eine Temperatur der Welle, nachdem die Welle aufgehört hat zu rotieren, kleiner sein als eine Temperatur der Welle während der Rotation. Außerdem wird, wenn die Welle aufgehört hat zu rotieren, kein Drehmoment auf die Welle ausgeübt. Folglich kann eine Anpassung von Drehmomentmesswerten mittels einer Temperatur einer nicht rotierenden Welle ungenauere Ergebnisse erzeugen. Die Platzierung der Temperatursensoren kann ebenfalls die Drehmomentmessungen beeinflussen. Falls zum Beispiel ein eigenständiger oder sonstiger berührungsloser Temperatursensor in der Nähe eines drehmomentempfindlichen Bereiches (z.B. in der Nähe der Erfassungsspule) des Drehmomentsensors positioniert ist, können die Drehmomentmesswerte aufgrund der Interferenzstörung des Temperatursensors mit dem Magnetfeld weniger genau sein. Das heißt, der Temperatursensor kann den Magnetfluss durch den Drehmomentsensor beeinflussen, was weniger genaue Drehmomentwerte zur Folge hat. Ebenso können in dem Fall, dass der Temperatursensor von dem Drehmomentsensor entfernt positioniert ist, so dass der Temperatursensor Drehmomentmessungen nicht beeinflusst, die Temperaturmesswerte nicht der Temperatur der Welle an dem Drehmomentsensor oder in dessen Nähe entsprechen, was zum Teil auf einen Temperaturgradienten der Welle zwischen dem Drehmomentsensor und dem Temperatursensor zurückzuführen ist. Das heißt, die Wellentemperatur an dem Drehmomentsensor und die erfasste Temperatur können sich voneinander unterscheiden, weil Wärme von der Welle weg von der Welle abgeführt wird, wodurch ein Temperaturgradient mit einer höheren Temperatur in der Nähe der Welle und einer niedrigeren Temperatur in der Nähe des Temperatursensors hervorgerufen wird.
Zusätzlich kann eine Kombination von Signalen von zwei gesonderten Sensoren (z.B. einem Drehmomentsensor und einem entfernten Temperatursensor) schwer zu verarbeiten sein, und ein Signal-Rausch-Verhältnis kann aufgrund einer zusätzlichen Kabelführung, die zur Übertragung der Signale von den zwei eigenständigen Sensoren zu einem einzigen Prozessor verwendet wird, steigen. Eine Integration des Temperatursensors bei dem Drehmomentsensor kann das Signal-Rausch-Verhältnis reduzieren und kann es ermöglichen, dass die Drehmoment- und Temperaturmesswerte von demselben Abschnitt der Welle aufgenommen werden. Außerdem kann der integrierte Temperatursensor innerhalb eines für die Drehmomentmessung neutralen Bereichs des Drehmomentsensors positioniert werden, so dass der Temperatursensor den Magnetfluss durch den Drehmomentsensor und die Welle nicht stört. Zum Beispiel kann der für eine Drehmomentmessung neutrale Bereich ein magnetisch neutraler Bereich oder ein beliebiger sonstiger Bereich an dem Drehmomentsensor sein, der den Magnetfluss zwischen der Anregungsspule, der Welle und der Erfassungsspule nicht stört. Zusätzlich oder als eine Alternative kann der für die Drehmomentmessung neutrale Bereich ein beliebiger Bereich sein, in dem der Magnetfluss von mehreren Anregungsspulen ohne weiteres, beispielsweise über eine Hinzufügung oder Entfernung eines gemeinsamen magnetischen Feldflusses, kompensiert werden kann. Ferner können durch Integration des Temperatursensors bei dem Drehmomentsensor beide Sensoren dieselbe gedruckte Leiterplatte (PWB, Printed Wiring Board) oder gedruckte Schaltung (PCB, Printed Circuit Board) zur Signalverarbeitung nutzen, wodurch eine Signalintegration ermöglicht wird.
1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Drehmomenterfassungssystems 10, das einen Temperatursensor 12 gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält. Das Drehmomenterfassungssystem 10 kann zur Erfassung einer Kraft, die auf eine Welle 14 (z.B. eine rotierende Welle, einen Rotor oder eine beliebige Drehstruktur) einer Maschine oder Ausrüstung 13, wie beispielsweise einer Turbomaschine (z.B. eines Turbinentriebwerks, eines Verdichters, einer Pumpe oder einer Kombination von diesen), eines Generators, einer Verbrennungsmaschine oder einer Kombination von diesen ausgeübt wird. Die Maschine oder Ausrüstung enthält eine Antriebseinrichtung 15 (z.B. einen Kolbenmotor, Verbrennungsmotor, Turbinenmotor, Elektromotor), die eine Kraft auf die Welle 14 ausübt und der Welle 14 ermöglicht, zu rotieren und eine Last 16 (z.B. einen elektrischen Generator, einen Verdichter, eine Pumpe, etc.) der Maschine oder Ausrüstung anzutreiben. Die Welle 14 kann ferromagnetische Materialien, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt, Legierungen eines oder mehrerer dieser Materialien oder einer beliebigen Kombination von diesen, enthalten. In manchen Ausführungsformen ist die Welle unbehandelt (z.B. nicht magnetisiert). In anderen Ausführungsformen ist die Welle behandelt (z.B. magnetisiert). Das Drehmomenterfassungssystem 10 enthält einen Sensorkopf 20, der ein Gehäuse 21 für das Drehmomenterfassungssystem 10 bildet. Der Sensorkopf 20 ist in der Nähe der Welle 14 positioniert, wodurch ein Spalt 22 zwischen dem Sensorkopf 20 und einer Wellenoberfläche 24 gebildet ist. Zum Beispiel kann der Sensorkopf 20 benachbart zu einem Wellenabschnitt 23 angeordnet sein, der sich im Wesentlichen gegenüberliegend zu dem Drehmomenterfassungssystem 10 befindet. An sich kann das Drehmomenterfassungssystem 10 ein Drehmoment der Welle 14 an dem Wellenabschnitt 23 messen. Weil der Temperatursensor 12 bei dem Drehmomenterfassungssystem 10 integriert ist, kann der Temperatursensor 12 zusätzlich die Temperatur des Wellenabschnitts 23 messen. An sich werden sowohl das Drehmoment als auch die Temperatur der Welle 14 an dem Wellenabschnitt 23 gemessen. Der Sensorkopf 20 kann mit einem Rahmen oder einer Haltevorrichtung gekoppelt sein, um den Sensorkopf 20 in der richtigen Ausrichtung und/oder Position zu halten und ein Aufrechterhalten eines konstanten Spaltes 22 zu unterstützen.
Der Sensorkopf 20 weist einen Kern 26 auf, der aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet sein kann, das dem ferromagnetischen Material der Welle 14 ähnlich ist oder sich von diesem unterscheidet. Der Kern 26 weist wenigstens zwei Enden, beispielsweise einen Anregungspol 28 und einen Erfassungspol 30, auf. Wie in weiteren Einzelheiten nachstehend erläutert, kann der Kern 26 in manchen Ausführungsformen mehr als zwei Enden aufweisen. Eine Anregungsspule 32 und eine Erfassungsspule 36 sind um den Anregungspol 28 bzw. den Erfassungspol 30 herum angeordnet (z.B. um diesen herumgewickelt). Eine Energiequelle 38 (z.B. eine Netzsteckdose, ein elektrischer Generator, eine Batterie, etc.) liefert Energie zu einer Steuereinrichtung 42, und eine Anregungsquelle (ES) liefert einen Wechsel(AC)-Strom 39 (z.B. Anregungsstrom) zu der Anregungsspule 32. Der Anregungsstrom fließt durch die Anregungsspule 32, um einen Magnetflussanteil 50 zu induzieren, der von der Anregungsspule 32 ausgeht. In den veranschaulichten Ausführungsformen ist eine Steuereinrichtung 42 mit der Anregungsquelle 40 elektronisch verbunden und eingerichtet, um Eigenschaften des ersten Anregungsstroms, der zu der Anregungsspule 32 durch die Anregungsquelle 40 geliefert wird, zu steuern. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 42 die Frequenz, Amplitude oder dergleichen des ersten Anregungsstroms steuern. Die Steuereinrichtung 42 kann mit der Anregungsquelle 40 über drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen gekoppelt sein. Drahtlose Kommunikationsvorrichtungen, wie beispielsweise Hochfrequenz(HF)-Sender, können bei der Steuereinrichtung 42 integriert sein, um die Signale zu einem HF-Empfänger zu übertragen, der bei der Anregungsquelle 40 integriert ist. In manchen Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung 42 in dem Drehmomenterfassungssystem 10 integriert. Zum Beispiel veranschaulicht 2, dass die Steuereinrichtung 42 innerhalb des Kerns 26 des Sensorkopfes 20 angeordnet ist.
Die Steuereinrichtung 42 kann ein verteiltes Steuersystem (DCS) oder eine beliebige computerbasierte Arbeitsstation enthalten, die vollständig oder teilweise automatisiert ist. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 42 eine beliebige Vorrichtung sein, die einen Universalzweck- oder einen anwendungsspezifischen Prozessor 46 verwendet, die beide allgemein eine Speicherschaltung 48 zur Speicherung von Instruktionen, die zum Beispiel mit Frequenzen, Amplituden von Strömen im Zusammenhang stehen, enthalten können. Zusätzlich kann die Speicherschaltung 48 Instruktionen und Algorithmen zur Integration von Sensorsignalen (z.B. Drehmoment- und Temperatursignalen) und zur Kompensation von Drehmomentmesswerten basierend auf dem Temperatursignal (z.B. Temperatur der Welle 14) enthalten. Der Prozessor 46 kann eine oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen enthalten, und die Speicherschaltung 48 kann ein oder mehrere greifbare, nicht transitorische, maschinenlesbare Medien enthalten, die gemeinsam Instruktionen speichern, die durch den Prozessor 46 ausgeführt werden können, um die hierin beschriebenen Verfahren und Steuerungsaktionen durchzuführen.
Ein derartiges maschinenlesbares Medium kann ein beliebiges verfügbares Medium mit Ausnahme von Signalen sein, auf das mittels des Prozessors oder mittels eines beliebigen Universalzweck- oder Spezialzweckcomputers oder durch eine sonstige Maschine mit einem Prozessor zugegriffen werden kann. Als ein Beispiel kann ein derartiges maschinenlesbares Medium RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM oder einen anderen optischen Plattenspeicher, magnetischen Plattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder ein beliebiges sonstiges Medium enthalten, das verwendet werden kann, um einen gewünschten Programmcode in der Form von maschinenausführbaren Instruktionen oder Datenstrukturen zu tragen oder zu speichern, und auf das durch den Prozessor oder durch einen beliebigen Universalzweck- oder Spezialzweckcomputer oder eine andere Maschine mit einem Prozessor zugegriffen werden kann. Wenn Informationen über ein Netzwerk oder eine andere Kommunikationsverbindung (entweder festverdrahtet, drahtlos oder mit einer Kombination aus festverdrahteten oder drahtlosen Verbindungen) zu einer Maschine übertragen oder geliefert werden, sieht die Maschine die Verbindung richtigerweise als ein maschinenlesbares Medium an. Somit wird eine beliebige derartige Verbindung richtigerweise als ein maschinenlesbares Medium bezeichnet. Kombinationen der Vorstehenden sind ebenfalls innerhalb des Umfangs von maschinenlesbaren Medien enthalten. Maschinenausführbare Instruktionen umfassen z.B. Instruktionen und Daten, die den Prozessor oder einen beliebigen Universalzweckcomputer, Spezialzweckcomputer oder eine Spezialzweck-Verarbeitungsmaschine veranlassen, eine bestimmte Funktion oder Gruppe von Funktionen durchzuführen, wie beispielsweise die Drehmoment- und Temperatursignale zu kombinieren (z.B. zu integrieren), um die tatsächlichen Drehmomentmesswerte zu bestimmen.
Wie in 1 veranschaulicht, durchdringt ein Magnetflussteil 50 die Welle 14, er tritt durch die Erfassungsspule 36 hindurch und kehrt über den Kern 26 zu der Anregungsspule 32 zurück, wodurch eine Schleife durch den Drehmomentsensor 10 und die Welle 14 hindurch gebildet ist. Die Erfassungsspule 36 kann verwendet werden, um den Magnetflussteil 50, der die Welle 14 verlässt, zu messen. Eine auf die Welle 14 ausgeübte Kraft (z.B. Druckkraft, Zugkraft, Torsionskraft, etc.) kann die magnetische Permeabilität der Welle 14 verändern, wodurch eine Änderung des Magnetflussteils 50 bewirkt wird. An sich kann das auf die Welle 14 ausgeübte Drehmoment auf der Basis der Änderung des Magnetflussteils 50, der durch die Erfassungsspule 36 empfangen wird, im Vergleich zu dem Magnetflussteil 50, der durch die Anregungsspule 32 ausgesandt wird, bestimmt werden. Zum Beispiel ist die Erfassungsspule 36 eingerichtet, um ein Drehmomentsignal, das die Veränderungen (z.B. Differenz) des Magnetflussteils 50 kennzeichnet, zu der Steuereinrichtung 52 zu senden. Der Prozessor 46 der Steuereinrichtung 42 kann das von der Erfassungsspule 36 empfangene Drehmomentsignal verarbeiten, um die auf die Welle 14 ausgeübte Kraft zu berechnen. Das heißt, der Prozessor 46 kann vorgespeicherte und/oder benutzerdefinierte Algorithmen in dem Speicher 48 ausführen, um die Stärke der auf die Welle 14 ausgeübten Kraft auf der Basis der Eigenschaften der Welle 14, des Sensorkopfs 20 und des Anregungsstroms zu berechnen.
Das Drehmomentsignal von der Erfassungsspule 36 kann über drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen zu der Steuereinrichtung 42 übertragen werden. In einigen Ausführungsformen können drahtlose Kommunikationsverbindungen, wie beispielsweise HF-Sender, bei dem Sensorkopf 20 (z.B. in der Nähe der Erfassungsspule 36) integriert sein, um die Signale zu einem HF-Empfänger 52 zu senden, der bei der Steuereinrichtung 42 integriert ist. Zum Beispiel kann die Erfassungsspule 36 ein Drehmomentsignal 54 zu dem Empfänger 52 übertragen. Der Empfänger 52 kann elektronische Komponenten (z.B. einen Verstärker, ein Filter oder dergleichen) enthalten, die das Drehmomentsignal 54 vor einer Übertragung des Drehmomentsignals 54 zu dem Prozessor 46 konditionieren. In anderen Ausführungsformen wird das Drehmomentsignal 54 konditioniert, nachdem es durch den Prozessor 46 der Steuereinrichtung 42 verarbeitet worden ist.
Wie vorstehend erläutert, kann eine Temperatur der Welle 14 während eines Betriebs der Ausrüstung 16 variieren. Diese Temperaturschwankung kann die Permeabilität des Magnetflussteiles 50 beeinflussen, wodurch die Drehmomentmesswerte beeinflusst werden. Folglich kann der für die Welle 14 bestimmte Drehmomentmesswert ohne die offenbarten Ausführungsformen nicht das tatsächliche Drehmoment sein. Deshalb kann die Temperatur der Welle 14 gemessen und als ein Kompensationsfaktor zur Kompensation der Drehmomentmesswerte basierend wenigstens zum Teil auf den Temperaturschwankungen verwendet werden. Jedoch kann, wie vorstehend erläutert, die Position des Temperatursensors 12 relativ zu der Welle 14 den Magnetflussteil 50 beeinflussen (falls z.B. der Temperatursensor zur nahe an der Welle 14 angeordnet ist) und/oder die Temperaturmesswerte beeinflussen (falls z.B. der Temperaturmesswerte beeinflussen (falls z.B. der Temperatursensor von der Welle 14 zu weit entfernt angeordnet ist). Folglich kann eine Integration des Temperatursensors 12 bei dem Drehmomentfassungssystem 10 dem Temperatursensor 12 ermöglichen, genaue Temperaturmesswerte der Welle 14 zu generieren, ohne den Magnetflussteil 50 zu stören. Zusätzlich kann der Temperatursensor 12 Echtzeit-Temperaturmesswerte während einer Drehung der Welle 14 liefern. An sich kann das Drehmomenterfassungssystem 10 sowohl genaue Drehmomentmesswerte als auch genaue Temperaturmesswerte während einer Rotation der Welle 14 generieren. Z.B. kann die erfasste Temperatur verwendet werden, um Auswirkungen zu kompensieren, die Temperaturveränderungen der Welle 14 während einer Rotation auf die magnetische Permeabilität der Welle 14 haben können. Auf diese Weise kann der Temperatursensor 12 die Genauigkeit von Drehmomentmesswerten verbessern und somit eine bessere Steuerung/Regelung der Maschine oder Ausrüstung 16, wie beispielsweise einer Turbomaschine (z.B. eines Turbinenmotors, eines Verdichters, einer Pumpe oder einer Kombination von diesen), eines Generators, einer Verbrennungsmaschine oder einer Kombination von diesen ermöglichen.
Um eine Magnetflussstörung zwischen dem Drehmomenterfassungssystem 10 und der Welle 14 zu reduzieren oder zu eliminieren, ist der Temperatursensor 12 in einem für die Drehmomentmessung neutralen Bereich 56, z.B. an dem Gehäuse 21, angeordnet. Der für eine Temperaturmessung neutrale Bereich 56 kann sich an einem beliebigen Bereich des Drehmomenterfassungssystems 10 befinden, der die Schleife des Magnetflussteils 50, der durch das Drehmomenterfassungssystem 10 und die Welle 14 strömt, nicht stört. Z.B. befindet sich in der veranschaulichten Ausführungsform der für eine Drehmomentmessung neutrale Bereich 56 an dem Gehäuse 21 von dem Polen 28, 30 entfernt. In einigen Ausführungsformen kann der für eine Temperaturmessung neutrale Bereich 56 eine Achse sein, die zwischen dem Anregungspol 28 und dem Erfassungspol 30 zentriert ist. Jedoch kann der für eine Temperaturmessung neutrale Bereich 56 sich zwischen zwei Erfassungspolen 30, in dem Kern 26 oder in einem beliebigen sonstigen magnetisch neutralen Bereich im Innern des Drehmomenterfassungssystems 10 befinden. In manchen Ausführungsformen kann der für eine Drehmomentmessung neutrale Bereich 56 sich innerhalb eines magnetisch neutralen Bereiches befinden. Z.B. kann der für eine Drehmomentmessung neutrale Bereich 56 eine verringerte magnetische Permeabilität im Vergleich zu den Polen 28, 30 haben. In anderen Ausführungsformen kann der für eine Drehmomentmessung neutrale Bereich 56 keine magnetische Permeabilität haben. Folglich kann durch eine Positionierung des Temperatursensors 12 innerhalb des für eine Temperaturmessung neutralen Bereiches 56 der Temperatursensor 12 nicht den Magnetflussteil 50 stören, der durch den Kern 26 (z.B. über die Pole 28, 30) strömt, der eine hohe magnetische Permeabilität im Vergleich zu dem für eine Drehmomentmessung neutralen Bereich 56 aufweist.
Es kann erwünscht sein, dass der Temperatursensor 12 ein berührungsloser Sensor ist. An sich kann der Temperatursensor 12 die Wellentemperatur messen, ohne in direktem Kontakt mit der Wellenoberfläche 24 stehen zu müssen. Auf diese Weise kann die Magnetflussstörung, die mit Berührungssensoren (z.B. Thermoelementen, Thermistoren, Widerstandstemperaturdetektoren oder einem beliebigen sonstigen Temperatursensor in direktem Kontakt mit der Wellenoberfläche 24) verbunden ist, abgeschwächt werden. Das System 10 kann einen oder mehrere Temperatursensoren 12 in dem für die Drehmomentmessung neutralen Bereich 56 enthalten. In manchen Ausführungsformen kann der Temperatursensor 12 ein Infrarot(IR)-Sensor oder ein anderer Wärmestrahlungs-/Temperatursensor sein. Der IR-Sensor kann auf einer integrierten Schaltung (IC) 57 angeordnet sein. Die mit dem Sensorkopf 20 gekoppelt ist. Z.B. kann der IR-Sensor an dem Kern 26, einem weiteren Pol oder einem beliebigen sonstigen Abschnitt des Sensorkopfes 20 angeordnet sein, der sich innerhalb eines magnetisch neutralen Bereiches befindet, wie nachstehend in Bezug auf die 4 und 5 erläutert. In anderen Ausführungsformen kann der Temperatursensor 12 ein pyroelektrischer Sensor oder ein Thermosäulensensor sein. Der pyroelektrische Sensor misst eine durch die Welle 14 generierte Temperaturspannung während einer Erwärmung und/oder Abkühlung. Die Steuereinrichtung 42 bestimmt die Temperatur der Welle 14 basierend auf der Temperaturspannung, die durch den pyroelektrischen Sensor erfasst wird. Falls der Temperatursensor 12 eine Thermosäule ist, erfasst die Thermosäule Wärmeenergie (z.B. eine Strahlung 58) von der Welle 14, und sie setzt die Wärmeenergie in ein elektrisches Signal um, das verwendet wird, um die Temperatur der Welle 14 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Temperatursensor 12 benachbart zu einer Drehmomentmessstelle (z.B. dem Wellenabschnitt 23) und in einem geeigneten Abstand von der Wellenoberfläche 24 entfernt angeordnet sein. An sich kann der Temperatursensor 12 die Temperatur der rotierenden Welle 14 genau messen, ohne den Magnetflussteil 50 zu stören.
Der Infrarotsensor kann Wärmestrahlung (z.B. die IR-Strahlung 58), die durch die Welle während einer Rotation ausgesandt wird, erfassen und die ausgesandte IR-Strahlung in ein elektrisches Temperatursignal 59 (z.B. eine Spannung) wandeln. Der Temperatursensor 12 überträgt das Temperatursignal 59 zu der Steuereinrichtung 42 für eine Verarbeitung. Z.B. kann das Temperatursignal 59 in dem Empfänger 52 mit dem Drehmomentsignal 54 kombiniert werden, wodurch ein kombiniertes Signal 61 generiert wird. Ähnlich dem Drehmomentsignal 54 von der Erfassungsspule 36 kann das Temperatursignal 59 ebenfalls mit elektronischen Komponenten, wie beispielsweise einem Verstärker, einem Filter oder dergleichen, konditioniert werden, bevor oder nachdem es mit dem Drehmomentsignal 54 kombiniert oder durch den Prozessor 46 der Steuereinrichtung 42 verarbeitet wird. Außerdem können die Signale 54, 59 in manchen Ausführungsformen in dem Prozessor 46 anstatt in dem Empfänger 52 kombiniert werden. Der Speicher 48 kann Instruktionen und Algorithmen enthalten, die durch den Prozessor 46 ausrührbar sind, um die Signale 54, 59 zu kombinieren und das gemessene Drehmoment basierend auf der gemessenen Temperatur (z.B. dem Signal 59) zu kompensieren. Das Temperatursignal 59 kann über drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen zu der Steuereinrichtung 42 übermittelt werden, wie vorstehend in Bezug auf das Drehmomentsignal 54 erläutert.
3 zeigt eine Draufsicht von oben auf einen Sensorkopf 60, der den Temperatursensor 12 aufweist, der an einem Pol des Drehmomenterfassungssystems 10 angeordnet ist. Ähnlich dem Sensorkopf 20 enthält der Sensorkopf 60 einen Kern 64, der aus einem beliebigen ferromagnetischen Material, z.B. Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt, oder einem sonstigen geeigneten magnetischen Material, gefertigt ist. Der Kern 64 enthält ein Kreuzachsenjoch 68 mit einem Kreuzjochabschnitt 70. Vier Glieder 74, 76, 78 und 79 des Kreuzachsenjochs 78 erstrecken sich radial nach außen in einer Ebene von dem Jochabschnitt 70 aus. Die vier Glieder 74, 76, 78 und 79 sind im Wesentlichen orthogonal zueinander um den Jochabschnitt 70 herum angeordnet. Jedes der vier Glieder 74, 76, 78 und 79 kann sich von dem Jochabschnitt 70 aus in einer beliebigen Konfiguration und über eine beliebige Länge hinweg erstrecken, die jedem Glied ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu wirken. In einigen Ausführungsformen kann das Joch 68 eine beliebige Anzahl von Gliedern, wie beispielsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Glieder, aufweisen, die von dem Jochabschnitt 70 aus in Radialrichtung vorragen. Z.B. enthält das Joch 68 in den veranschaulichten Ausführungsformen ein zusätzliches Glied 80. Die Glieder 74, 76, 78, 79 und 80 können um ungefähr 10, 20, 30, 40, 45, 60, 75, 90, 120 oder 135 Grad oder um eine beliebige Kombination von diesen winkelmäßig beabstandet sein. In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Glieder 74, 76, 78 und 79 um ungefähr 90 Grad winkelmäßig voneinander beabstandet, und das Glied 80 ist von den Gliedern 74, 79 um einen spitzen Winkel 81 winkelmäßig beabstandet.
4 zeigt eine Perspektivansicht des Sensorkopfes 60, der in 3 veranschaulicht ist. Wie in 4 veranschaulicht, erstreckt sich der Anregungspol 28 von dem Jochabschnitt 70 aus nach außen, senkrecht zu einer ebenen Oberfläche, die durch das Joch 68 definiert ist. Zusätzlich erstrecken sich die Glieder 74, 76, 78, 79 und 80 von dem Joch 68 aus nach außen, im Wesentlichen senkrecht zu der ebenen Oberfläche, die durch das Joch 68 definiert ist, und im Wesentlichen parallel zu dem Anregungspol 28. Die Erfassungspole 30 erstrecken sich von distalen Enden 82 eines jeden jeweiligen Gliedes 74, 76, 78 und 79 aus. In ähnlicher Weise erstreckt sich ein Temperaturpol 86 von einem distalen Ende 90 des Gliedes 80 aus. In manchen Ausführungsformen erstrecken sich die Pole 28, 30 und 86 jeweils über eine gleiche Strecke von dem jeweiligen Glied 74, 76, 78, 79 und 80 aus, so dass die Pole 28, 30 und 86 die gleiche Länge haben. Um Schwankungen des Spalts 22 (z.B. zwischen der Welle 14 und jedem jeweiligen Pol 28, 30 und 86) zu minimieren, kann der Sensorkopf 60 gerundet (z.B. domförmig) sein. Z.B. können die Glieder 74, 76, 78, 79 und 80 unter einem spitzen Winkel (von z.B. weniger als 90 Grad) gegenüber der ebenen Oberfläche ausgerichtet sein, die durch das Joch 68 definiert ist, wodurch ein gerundeter Sensorkopf 60 gebildet wird. Auf diese Weise können die eine gleiche Länge aufweisenden Pole 28, 30, 86 einer Kontur der Welle 14 folgen, und der Spalt 22 zwischen der Welle 14 und jedem jeweiligen Pol 28, 30, 86 ist gleich. In Ausführungsformen, in denen die Glieder 74, 76, 78, 79 und 80 im Wesentlichen senkrecht zu der ebenen Oberfläche ausgerichtet sind, die durch das Joch 68 definiert ist, können die Pole 28, 30 und 86 jeweils eine variable Länge haben. Die variable Länge für jedes Pol 28, 30, 86 kann ein Aufrechterhalten eines im Wesentlichen konstanten Spaltes 22 zwischen der Welle 14 und jedem jeweiligen Pol 28, 30, 86 unterstützen. Folglich kann, ähnlich den Ausführungsformen mit einem gerundeten Sensorkopf, ein Sensorkopf mit Polen 28, 30 und 86 variabler Länge der Kontur der Welle 14 folgen.
Der Temperaturpol 86 ist innerhalb des für eine Drehmomentmessung neutralen Bereichs 56 (z.B. zwischen den Gliedern 74, 76, 78 und 79) derart angeordnet, dass der Temperaturpol 86 den Magnetflussteil 50 nicht stört. Z.B. kann das Glied 80 im Wesentlichen parallel zu der Achse der Welle 14 angeordnet sein, so dass der Temperaturpol 86 entlang der Achse der Welle 14 angeordnet ist. In manchen Ausführungsformen ist der Temperaturpol 86 zwischen zwei Erfassungspolen 30 zentriert. Auf diese Weise kann der Temperatursensor 12 in das Drehmomenterfassungssystem 10 integriert sein und die Temperatur der Welle 14 während einer Rotation der Welle 14 messen, anstatt die Wellentemperatur zu messen, wenn die Welle 14 stationär ist (z.B. nicht rotiert).
In manchen Ausführungsformen ist der Temperaturpol 86 eingerichtet, um für den Magnetflussteil 50 im Wesentlichen oder vollständig unempfindlich zu sein. D.h., der Temperaturpol 86 erfasst (z.B. misst) das Drehmoment der Welle 14 nicht und/oder ist für den Magnetflussteil 50 undurchlässig. In einigen Ausführungsformen kann der Kern 64 eine beliebige Anzahl von Polen (einschließlich Anregungspole, Erfassungspole und Temperaturpole) aufweisen, die sich von dem Joch 68 aus erstrecken und die die dem Kern 64 ermöglichen, in der hierin beschriebenen Weise zu wirken. Z.B. kann der Kern einen einzigen Anregungspol und 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehrere Erfassungspole und Temperaturpole, die sich von dem Joch 68 aus erstrecken, aufweisen.
Wie vorstehend erläutert, enthält der Anregungspol 28 die Anregungsspule 32, um den Magnetflussteil 50 in die Welle 14 zu treiben. In ähnlicher Weise enthalten die Erfassungspole 30 Erfassungsspulen 36, die um jedes jeweilige Glied 74, 76, 78 und 79 herum gewickelt sind. Die Erfassungsspulen 36 detektieren den Magnetflussteil 50, nachdem der Magnetflussteil 50 durch die Welle 14 hindurchtritt. Der Temperatursensor 12 ist an dem Temperaturpol 86 angeordnet und erfasst die Wärme (z.B. IR-Wärme 58) von der rotierenden Welle 14. Z.B. kann der Temperatursensor 12 sich an einem distalen Ende 90 des Temperaturpols 86, in dem Joch 68 des Gliedes 80 oder an einer beliebigen sonstigen geeigneten Stelle entlang des Temperaturpols 86 befinden.
In manchen Ausführungsformen kann wenigstens ein Abschnitt des Temperaturpols 86 aus einem nicht ferromagnetischen Material hergestellt sein, so dass der Temperaturpol 86 eine geringe Permeabilität für den Magnetflussteil 50 aufweist. Z.B. kann der Temperaturpol 86 aus Keramik, einem Verbundwerkstoff, Kunststoff oder einem beliebigen sonstigen geeigneten nicht ferromagnetischen Material hergestellt sein. In anderen Ausführungsformen kann das distale Ende 90 des Temperaturpols 86 eine Abschirmung 94, wie in 5 veranschaulicht, aufweisen. Die Abschirmung 94 kann mit dem distalen Ende 90 des Temperaturpols 86 über ein oder mehrere Befestigungsmittel, ein Klebe- oder Bindematerial, eine Schnappverbindung, eine Schwalbenschwanzverbindung, eine Haken-Schlitz-Verbindung oder eine beliebige Kombination von diesen verbunden sein. In manchen Ausführungsformen ist die Abschirmung 94 auf dem distalen Ende 90 des Temperaturpols 86 beschichtet. In anderen Ausführungsformen kann die mit dem Temperatursensor 12 gekoppelte integrierte Schaltung einen Teil der Abschirmung 94 bilden. Die Abschirmung 94 kann eine elektromagnetische Abschirmung sein, die Materialien, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Kupfer, Aluminium, Phosphorbronze, Glas, Silikon, Verbundwerkstoffe, Polymere oder ein beliebiges sonstiges geeignetes Material, enthält, das die Übertragung des Magnetflussteils 50 durch den Temperaturpol 86 hindurch blockieren kann.
Im Betrieb treibt der Sensorkopf 60 einen AC-Strom durch die Anregungsspule 32, um den Magnetflussteil 50 zu induzieren, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Der Magnetflussteil 50 strömt von dem Anregungspol 28 durch die Welle 14 zu den vier Erfassungspolen 30, wo die jeweiligen Erfassungsspulen 36 den Magnetflussteil 50 detektieren. Der Temperatursensor 12 kann die Temperatur der Welle 14 während einer Rotation durch Detektion der Strahlungswärme (z.B. der IR-Wärme 58), die von der Welle 14 ausgesandt wird, überwachen. Weil sich der Temperaturpol 86 in dem für eine Drehmomentmessung neutralen Bereich 56 befindet und/oder eine geringe magnetische Permeabilität aufweist, kann der durch die Pole 28, 30 strömende Magnetflussteil 50 durch den Temperaturpol 86 nicht gestört werden. Zusätzlich kann, weil der Temperatursensor 12 in der Nähe der Welle 14 an einer Stelle positioniert ist, an der auch das Drehmoment gemessen wird, eine genaue Wellentemperatur erhalten werden. Z.B. kann die gemessene Temperatur der Welle 14 im Vergleich zu einer Messung der Wellentemperatur in einem Bereich, der von der Drehmomentmessstelle entfernt liegt, zum Teil wegen eines Temperaturgradienten in Folge einer Ableitung der IR-Wärme 58 genauer sein. Weil die Temperatur der Welle 14 in Echtzeit (z.B. während einer Drehung der Welle 14) und an der Stelle der Drehmomentmessung gemessen werden kann, können folglich genaue Temperaturmesswerte generiert werden, und die Genauigkeit des kompensierten Drehmomentmesswertes kann erhöht werden.
Sowohl die Erfassungsspulen 36 als auch der Temperatursensor 12 übertragen elektrische Signale zu der Steuereinrichtung 42, die das Drehmoment bzw. die Wellentemperatur kennzeichnen. Der Prozessor 46 kann die Drehmoment- und Temperatursignale konditionieren und kombinieren, um den Drehmomentmesswert basierend wenigstens zum Teil auf Auswirkungen der Temperaturschwankungen auf die magnetische Permeabilität der Welle 14 zu kompensieren. An sich können die Drehmomentmesswerte, die durch das Drehmomenterfassungssystem 10 generiert werden, im Vergleich zu Drehmomenterfassungssystemen, die keinen integrierten Temperatursensor 12 aufweisen, genauer sein. Eine Integration des Temperatursensors 12 bei dem Drehmomenterfassungssystem 10 kann eine Temperaturüberwachung während einer Wellenrotation ermöglichen und kann eine Signalintegration (z.B. Kombination der Temperatur- und Drehmomentsignale) ermöglichen. Z.B. kann eine Integration von Signalen von zwei gesonderten Sensoren (z.B. über Verbindungskabel) ohne die offenbarten Ausführungsformen die Signal-Rausch-Verhältnisse der Systeme zum Teil wegen des Rauschens, das durch die Verbindungskabel während einer Übertragung des Signals erfasst wird, erhöhen. Außerdem kann eine Integration von Drehmoment- und Temperatursignalen, die in einem einzigen Erfassungssystem (z.B. dem Drehmomenterfassungssystem 10) generiert werden, ferner eine Signalverarbeitung erleichtern und die Genauigkeit von Sensormesswerten erhöhen. Zusätzlich kann ein vorhandenes Drehmomenterfassungssystem 10, das sowohl das Drehmoment als auch die Temperatur misst, die Anzahl der Erfassungseinrichtungen (z.B. eigenständige Temperatursensoren und ein Drehmomenterfassungssystem) zur Überwachung eines Betriebs der Ausrüstung 16 reduzieren, und die gesamten Kosten, die mit einer Herstellung von zwei gesonderten Sensoren (z.B. eines Temperatursensors und eines Drehmomentsensors) verbunden sind, können im Vergleich zu einem einzigen Sensor können verringert werden.
In bestimmten Ausführungsformen enthält der Temperatursensor 12 eine Temperaturspule (z.B. eine Induktionsspule oder eine beliebige sonstige geeignete Spule) anstatt eines berührungslosen IR-Temperatursensors. 6 zeigt eine Perspektivansicht eines Sensorkopfes 96, der eine Temperaturspule 98 aufweist. Ähnlich dem Sensorkopf 60 enthält der Sensorkopf 96 die Glieder 74, 76, 78, 79 und 80, die sich in planarer Weise von dem Jochabschnitt 70 aus nach außen erstrecken, und die Pole 30, 86 an Abschlussenden jedes jeweiligen Gliedes 74, 76, 78, 79 und 80. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Temperaturspule 98 um den Temperaturpol 80 herum gewickelt. In anderen Ausführungsformen kann die Temperaturspule 98 um den Anregungspol 28 herum gewickelt sein. Z.B. kann die Temperaturspule 98 oberhalb oder unterhalb der Anregungsspule 32 angeordnet sein.
Die Temperaturspule 98 kann ein elektrisches Signal zu der Steuereinrichtung 42 senden, das die Temperatur der Welle 14 kennzeichnet. Eine elektrische Leitfähigkeit der Temperaturspule 98 kann durch die Temperatur der Welle 14 beeinflusst sein. Z.B. kann die Temperatur der Strahlungswärme (z.B. der IR-Wärme 58), die von der Welle 14 emittiert wird, die Leitfähigkeit der Temperaturspule 98 erhöhen oder verringern. Diese Änderung der Leitfähigkeit kann verwendet werden, um die Temperatur der Welle 14 zu bestimmen. Der Prozessor 46 kann Algorithmen und/oder Nachschlagetabellen, die in dem Speicher 48 gespeichert sind, verwenden, um eine Temperatur der Welle 14 auf der Basis der Veränderung der Leitfähigkeit der Temperaturspule 98 zu bestimmen.
In manchen Ausführungsformen strömt der Magnetflussteil 50 durch den Temperaturpol 86. In dieser speziellen Ausführungsform ist der Temperaturpol 86 für den Magnetflussteil 50 durchlässig. D.h., der Temperaturpol 86 befindet sich innerhalb eines für eine Drehmomentmessung neutralen Bereiches, wie beispielsweise des für eine Drehmomentmessung neutralen Bereiches 56. Das Wellendrehmoment kann eine anisotrope Antwort in dem System 10 bewirken. Im Allgemeinen sind Temperatureffekte isotropisch, und sie werden durch die Spulen 32, 36 und 98 gleichmäßig erfasst. Folglich kann das System 10 in einer Ausführungsform in einer derartigen Weise ausgerichtet sein, das der Magnetflussteil 50, der durch den Temperaturpol 86 strömt, gegenüber den anisotropen Veränderungen in Folge des Drehmomentes unempfindlich (z.B. unbeeinflusst) ist. In anderen Ausführungsformen können die Pole 28, 30, 86 und die Spulen 32, 36, 98 jeweils eine andere Vektorausrichtung haben. Die anisotropen und isotropen Komponenten, die sich von dem Wellendrehmoment ergeben, können durch den Prozessor 46 (z.B. mit einer analogen Schaltung oder einer digitalen Signalverarbeitung) aufgelöst werden. In manchen Ausführungsformen enthält der Sensorkopf 96 den Temperaturpol 86 nicht. An sich wird die Wellentemperatur auf der Basis der durch die Spulen 32, 36 an den Polen 28 bzw. 30 erfassten Temperaturauswirkungen bestimmt.
Zusätzlich zu einer Bestimmung der Wellentemperatur mit dem Temperatursensor 12 kann die Temperatur der Welle 14 in induktiver Weise ohne eine Notwendigkeit, gesonderte Temperaturerfassungsvorrichtungen zu haben, erfasst werden. Dieses Verfahren beruht auf den Änderungen des spezifischen Widerstands und/oder der Permeabilität von Stahl unter variierender Temperatur. Die Änderungen der elektromagnetischen Eigenschaften des Sensorkopfes 98 beeinflussen die Eindringtiefe des Magnetflussteiles 50, der in die Welle 14 eintritt. Diese Änderungen werden durch die Erfassungsspulen 36 und durch die Anregungsspule 32 beobachtet. Dies rührt zum Teil von dem Magnetflussteil 50 her, der durch die Welle 14, die Anregungsspule 32 und wenigstens eine der mehreren Erfassungsspulen 36 hindurchgeht. Die Signalveränderungen in den Spulen 32, 36 werden parallel zu den Signalveränderungen aufgrund des Drehmomentes analysiert. Die Temperatur kann aufgrund einer Beziehung zwischen der Temperatur der Welle und dem in all den Spulen 32, 36 gemeinsamen Blockeffekt, der von der durch das Wellendrehmoment hervorgerufenen Anisotropie in der (z.B. durch die Spulen 32, 36) gemessenen Signale herrührt, aufgelöst werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann einer oder können mehrere berührungslose Temperatursensoren 12 in die Drehmomenterfassungsvorrichtung 10 derart integriert werden, dass die Temperatur der Welle 14 während einer Rotation gemessen werden kann. Der Temperatursensor 12 ist in einem magnetisch neutralen Bereich (z.B. dem für eine Drehmomentmessung neutralen Bereich 56) des Drehmomenterfassungssystems 10 positioniert, so dass der Temperatursensor 12 Drehmomenterfassungsbereiche des Drehmomenterfassungssystems 10 nicht stört. Auf diese Weise kann der Temperatursensor 12 an einer Drehmomentmessstelle positioniert werden, ohne den Magnetflussteil 50 zu stören. Folglich können genaue Temperaturmesswerte erhalten werden, was eine genaue Kompensation der Drehmomentmesswerte ermöglichen. Zusätzlich kann eine Integration des Temperatursensors 12 in den Sensorkopf (z.B. die Sensorköpfe 20, 60 und 96) eine Integration von Drehmoment- und Temperatursignalen, die durch die Erfassungsspulen 36 bzw. den Temperatursensor 12 generiert werden, ermöglichen und Verhältnisse zwischen dem Signal und Rauschen reduzieren, das ansonsten während einer Integration von Signalen aus gesonderten Drehmoment- und Temperatursensoren eingebracht werden kann.
Technische Effekte des hierin offenbarten Gegenstands umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Integration eines berührungslosen Temperatursensors bei einem Drehmomentsensor, so dass eine Temperatur einer rotierenden Welle genau gemessen werden kann. Vorteilhafterweise kann das resultierende Drehmomenterfassungssystem Drehmomentmesswerte basierend wenigstens zum Teil auf Wellentemperaturschwankungen kompensieren, wodurch die Genauigkeit der Drehmomentmesswerte erhöht wird.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Ein System enthält einen magnetostriktiven Sensor mit einem Sensorkopf, der einen Anregungspol enthält. Der Anregungspol enthält eine Anregungsspule, die einen Anregungsstrom empfangen kann und einen Magnetflussteil durch eine Drehstruktur hindurch aussenden kann. Der Sensorkopf enthält ferner einen Erfassungspol, der eine Erfassungsspule enthält, die den Magnetflussteil empfangen kann und ein Signal basierend wenigstens zum Teil auf dem empfangenen Magnetflussteil senden kann. Der empfangene Magnetflussteil basiert wenigstens zum Teil auf einer Kraft auf die Drehstruktur. Der Sensorkopf enthält ferner einen Temperatursensor, der an dem Sensorkopf angeordnet ist. Der Temperatursensor kann eine Temperatur der Drehstruktur messen.

Claims

System, das aufweist: einen magnetostriktiven Sensor mit einem Sensorkopf, der aufweist: einen Anregungspol, wobei der Anregungspol eine Anregungsspule aufweist, die eingerichtet ist, um einen Anregungsstrom zu empfangen und einen Magnetflussteil durch eine Drehstruktur auszusenden; einen Erfassungspol, der eine Erfassungsspule aufweist, die eingerichtet ist, um den Magnetflussteil zu empfangen und ein Signal basierend wenigstens zum Teil auf dem empfangenen Magnetflussteil zu senden, wobei der empfangene Magnetflussteil wenigstens zum Teil auf einer Kraft an der Drehstruktur basiert; und einen Temperatursensor, der an dem Sensorkopf angeordnet ist, wobei der Temperatursensor eingerichtet ist, um eine Temperatur der Drehstruktur zu messen.
System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor mit einem Temperaturerfassungspol des magnetostriktiven Sensors und der Drehstruktur gekoppelt ist; wobei der Temperaturerfassungspol vorzugsweise zwischen zwei Erfassungspolen angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Temperatursensor mit dem Anregungspol gekoppelt ist; und/oder wobei der Temperatursensor zu der Drehstruktur versetzt angeordnet ist.
System nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor einen Infrarotsensor oder eine Induktionsspule aufweist; und/oder wobei der magnetostriktive Sensor ein Drehmomentsensor ist.
System nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, das eine Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um das Signal von der Erfassungsspule und ein Temperatursignal von dem Temperatursensor zu empfangen, wobei das Signal auf einem Drehmoment an der Drehstruktur basiert, und die Steuereinrichtung aufweist: ein oder mehrere greifbare, nicht transitorische, maschinenlesbare Medien, die gemeinsam einen oder mehrere Sätze Instruktionen speichern; und eine oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen, die eingerichtet sind, um den einen oder die mehreren Sätze Instruktionen auszuführen, um einen Betrieb des Systems zu überwachen oder zu steuern, wobei der eine oder die mehreren Sätze Instruktionen eingerichtet ist bzw. sind, um das Signal und das Temperatursignal zu kombinieren, um ein kompensiertes Drehmomentsignal zu generieren, wobei die eine oder die mehreren Verarbeitungsvorrichtungen eingerichtet ist bzw. sind, um das Drehmoment an der Drehstruktur basierend auf dem kompensierten Drehmomentsignal zu bestimmen.
System, das aufweist: einen magnetostriktiven Sensorkopf, der aufweist: eine Anregungsspule, die mit einem Anregungspol gekoppelt ist, der sich von einem Sensorkopfkern erstreckt, die eingerichtet ist, um einen Anregungsstrom zu empfangen, und eingerichtet ist, um einen Magnetflussteil durch eine Drehstruktur hindurch auszusenden; eine Erfassungsspule, die mit einem Erfassungspol gekoppelt ist, der sich von dem Sensorkopfkern erstreckt, wobei die Erfassungsspule eingerichtet ist, um den Magnetflussteil zu empfangen, wobei die Erfassungsspule ein erstes Signal basierend wenigstens zum Teil auf dem empfangenen Magnetflussteil sendet, wobei der empfangene Magnetflussteil wenigstens zum Teil auf einer Kraft an die Drehstruktur an einem Abschnitt der Drehstruktur, der dem magnetostriktiven Sensorkopf gegenüberliegt, basiert; und einen Temperatursensor, der mit dem magnetostriktiven Sensorkopf gekoppelt ist, wobei der Temperatursensor ein zweites Signal basierend auf einer von dem Abschnitt der Drehstruktur ausgesandten Wärme überträgt.
System nach Anspruch 6, wobei der Temperatursensor innerhalb eines magnetisch neutralen Bereiches des magnetostriktiven Sensorkopfes angeordnet ist; und/oder wobei der Temperatursensor mit der Drehstruktur nicht in Kontakt steht.
System nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Temperatursensor mit einem Temperaturpol gekoppelt ist, der zwischen zwei Erfassungspolen angeordnet ist, und wobei der Temperaturpol sich innerhalb eines magnetisch neutralen Bereiches des magnetostriktiven Sensorkopfes befindet; und/oder wobei der Temperatursensor an dem Anregungspol angeordnet ist.
System nach einem beliebigen der Ansprüche 6–8, wobei der Temperatursensor eingerichtet ist, um die Temperatur des Abschnitts der Drehstruktur zu messen, wenn die Drehstruktur rotiert.
Verfahren, das aufweist: Erzeugen eines Magnetflussteils mit einer Anregungsspule, die mit einem Anregungspol eines magnetostriktiven Drehmomentsensors gekoppelt ist; Richten des Magnetflussteils durch eine Drehstruktur und einen Erfassungspol des magnetostriktiven Drehmomentsensors hindurch, wobei die Drehstruktur ein ferromagnetisches Material aufweist; Detektieren des Magnetflussteils mit einer Erfassungsspule, die mit dem Erfassungspol gekoppelt ist, wobei die Erfassungsspule eingerichtet ist, um ein Drehmomentsignal basierend wenigstens zum Teil auf einem Drehmoment an der Drehstruktur zu generieren; Messen einer Temperatur der Drehstruktur mit einem Temperatursensor, der im Innern des magnetostriktiven Drehmomentsensors angeordnet ist, wobei der Temperatursensor eingerichtet ist, um ein Temperatursignal zu generieren; und Bestimmen des Drehmomentes an der Drehstruktur basierend wenigstens zum Teil auf dem Drehmomentsignal von der Erfassungsspule und dem Temperatursignal von dem Temperatursensor.