DE102018107570B4

DE102018107570B4 - Anordnung zum Messen einer Kraft oder eines Momentes an einem Maschinenelement und Verfahren zum Prüfen der Anordnung

Info

Publication number: DE102018107570B4
Application number: DE102018107570.7A
Authority: DE
Inventors: Stephan Neuschaefer-Rube; Thomas Lindenmayr; Jan Matysik
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: DE102018107570A1; WO2019185095A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes (Mt) an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), wobei das Messen unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes erfolgt. Das Maschinenelement (01) weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) auf. Die Anordnung umfasst mindestens vier Magnetfeldsensoren (06) zum Messen einer axialen Komponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment (Mt) bewirkten Magnetfeldes. Es gibt mindestens zwei Kombinationen von jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren (06), die jeweils zur Messung der Kraft oder des Momentes (Mt) hinreichend sind. In einem Schritt des Verfahrens wird ein erster Messwert der Kraft oder des Momentes (Mt) mit einer ersten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren (06) bestimmt. Weiterhin wird ein zweiter Messwert der Kraft oder des Momentes (Mt) mit einer zweiten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren (06) bestimmt. Erfindungsgemäß werden der erster Messwert und der zweite Messwert verglichen, wodurch eine Fehlfunktion der Anordnung erkannt werden kann. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes (Mt) an einem Maschinenelement (01).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Prüfen einer Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement, wobei das Messen der Kraft bzw. des Momentes unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes erfolgt. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche auf, welche einen Primärsensor für die Messung bilden. Die Anordnung umfasst mindestens vier Magnetfeldsensoren als Sekundärsensoren. Das Verfahren erlaubt das Erkennen einer Fehlfunktion der Anordnung. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement.
Die US 6,490,934 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmomentes, welches auf ein Element mit einem ferromagnetischen, magnetostriktiven und magnetoelastisch aktiven Bereich wirkt. Dieser Bereich ist in einem Messwandler ausgebildet, der als zylindrische Hülse beispielsweise auf einer Welle sitzt. Der Drehmomentsensor steht dem Messwandler gegenüber.
Aus der EP 0 803 053 B1 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der einen magnetoelastischen Messwandler umfasst. Der Messwandler sitzt als zylindrische Hülse auf einer Welle.
Die US 8,893,562 B2 zeigt ein Verfahren zum Erkennen eines magnetischen Rauschens bei einem magnetoelastischen Drehmomentsensor. Der Drehmomentsensor umfasst einen Drehmomentwandler mit gegensätzlich polarisierten Magnetisierungen und mehrere Magnetfeldsensoren, zwischen denen umgeschaltet werden kann.
Die US 8,578,794 B2 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor mit einem sich longitudinal erstreckenden Element und mit mehreren magnetoelastisch aktiven Regionen sowie mit primären und sekundären Magnetfeldsensoren, die axial beabstandet sind.
Aus der US 8,087,304 B2 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, welcher ein sich longitudinal erstreckendes Element mit mehreren magnetoelastisch aktiven Regionen umfasst. Der Drehmomentsensor umfasst primäre und sekundäre Magnetfeldsensoren, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind.
Die US 2004/0154412 A1 zeigt einen Sensor zum Messen divergierender Magnetfelder, welche aus einer magnetoelastischen Welle austreten. Die Welle weist zwei Magnetisierungsbereiche auf, denen jeweils zwei Spulen zum Messen der Magnetfelder zugeordnet sind.
Die US 2014/0360285 A1 lehrt einen magnetoelastischen Drehmomentsensor, mit welchem ein auf eine Hohlwelle wirkendes Drehmoment messbar ist. Die Hohlwelle weist drei umfänglich magnetisierte Magnetisierungsbereiche mit abwechselnden Polaritäten auf. Gegenüber den Magnetisierungsbereichen sind vier sekundäre Magnetfeldsensoren angeordnet.
Aus der US 9,151,686 B2 ist ein magnetoelastischer Drehmomentsensor bekannt, welcher ein reduziertes Signalrauschen aufweisen soll. Der Drehmomentsensor umfasst eine Hohlwelle mit drei umfänglich magnetisierten Magnetisierungsbereichen, welche abwechselnde Polaritäten aufweisen. Gegenüber den Magnetisierungsbereichen sind bis zu acht Magnetfeldsensoren angeordnet.
Die DE 10 2015 209 286 A1 zeigt eine Anordnung und ein Verfahren zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem Maschinenelement unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes. Das Maschinenelement weist mindestens einen Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf. Mindestens zwei beabstandete Magnetfeldsensoren werden zum Messen eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes genutzt. Verfahrensgemäß werden die Messsignale der Magnetfeldsensoren einzeln verarbeitet.
DE 10 2015 202 239 B3 zeigt eine Anordnung zur Messung einer Kraft oder eines Momentes mit mindestens vier Magnetfeldsensoren. Das Maschinenelement weist einen sich in der Achse erstreckenden Hohlraum und mindestens einen sich in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereich für eine Magnetisierung auf. Zumindest zwei Magnetfeldsensor sind in dem Hohlraum des Maschinenelementes angeordnet.
DE 197 28 381 A1 offenbart eine symmetrische Sensorbrückenschaltung, sowie ein Verfahren zur Funktionsüberwachung der Sensorbrückenschaltung.
US 2016/0320462 A1 zeigt einen Magnetfeldsensor mit einer integrierten 3-Achsen Selbsttest-Vorrichtung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, Fehlfunktionen bei einer auf dem invers-magnetostriktiven Effekt beruhenden Messung von Kräften und/oder Momenten besser erkennen zu können, um beispielsweise höheren Anforderungen auf dem Gebiet der funktionalen Sicherheit gerecht werden zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Prüfen einer Anordnung, welche zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement ausgebildet ist. Mit dem Verfahren wird eine korrekte Funktion der Anordnung überwacht und es kann eine Fehlfunktion der Anordnung erkannt werden.
Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement der Anordnung, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement zumeist geringfügig verformt. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Die nachfolgend angegebenen Richtungen, nämlich die axiale Richtung, die radiale Richtung und die tangentiale bzw. umfängliche Richtung sind auf die genannte Achse bezogen. Die Anordnung ist bevorzugt zum Messen eines Momentes ausgebildet, welches in der Achse liegt, sodass es sich um ein Torsionsmoment handelt, durch welches das Maschinenelement belastet ist. Der Vektor des Momentes liegt in der Achse.
Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Es handelt sich somit um mindestens zwei die Achse umlaufende Magnetisierungsbereiche, d. h. um zirkuläre Magnetisierungsbereiche, wobei die Achse selbst bevorzugt nicht einen Teil der Magnetisierungsbereiche bildet. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt ausschließlich eine tangentiale Ausrichtung in Bezug auf eine sich um die Achse herum erstreckende Oberfläche des Maschinenelementes auf. Die Magnetisierungsbereiche erstrecken sich bevorzugt jeweils entlang eines geschlossenen Pfades um die Achse herum, wobei die Magnetisierungsbereiche kurze Lücken aufweisen dürfen. Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt eine gleiche räumliche Ausdehnung auf und sind axial beabstandet. Besonders bevorzugt sind die Magnetisierungsbereiche in Form von Magnetisierungsspuren ausgebildet. Die Magnetisierungsbereiche bilden jeweils einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes.
Das Maschinenelement weist bevorzugt weiterhin magnetisch neutrale Bereiche auf, die jeweils axial zwischen den Magnetisierungsbereichen und/oder axial neben den Magnetisierungsbereichen des Maschinenelementes angeordnet sind. Das Maschinenelement besitzt bevorzugt mindestens einen der magnetisch neutralen Bereiche. Die magnetisch neutralen Bereiche weisen weder eine Permanentmagnetisierung auf, noch ist die Anordnung dazu ausgebildet, die magnetisch neutralen Bereiche temporär zu magnetisieren. Die magnetisch neutralen Bereiche sind bevorzugt nicht magnetisiert. Die magnetisch neutralen Bereiche sind bevorzugt jeweils in einem axialen Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet.
Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens vier Magnetfeldsensoren, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Die Primärsensoren, d. h. die Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung einer axial ausgerichteten Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Das genannte Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Somit beruht die mit der Anordnung mögliche Messung auf dem invers-magnetostriktiven Effekt.
Es gibt mindestens zwei unterschiedliche Kombinationen von jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren, wobei jede dieser Kombinationen zur Messung der Kraft oder des Momentes hinreichend ist. Somit sind die mindestens zwei Kombinationen hinsichtlich ihrer Eignung zur Messung der Messung derselben Kraft bzw. desselben Momentes redundant. Die Kombinationen sind im Sinne der Kombinatorik zu verstehen und stellen jeweils eine Auswahl von mindestens zwei der Magnetfeldsensoren dar, wobei die Kombinationen unterschiedlich viele der Magnetfeldsensoren umfassen können und eine der Kombinationen durch sämtliche der Magnetfeldsensoren gebildet sein kann. Es lassen sich mindestens zwei unterschiedliche Kombinationen aus den mindestens vier Magnetfeldsensoren auswählen, die jeweils dazu geeignet sind, die Kraft bzw. das Moment zu messen. Besonders bevorzugt gibt es mindestens drei der Kombinationen von jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren, wobei jede dieser Kombinationen zur Messung der Kraft oder des Momentes hinreichend ist.
Die Magnetfeldsensoren sind gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen den Magnetfeldsensoren und einer inneren oder äußeren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse auf.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Bestimmen eines ersten Messwertes der Kraft bzw. des Momentes mit einer ersten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren, während die Kraft bzw. das Moment wirkt. Der erste Messwert wird aus Messsignalen der einzelnen zu der ersten Kombination gehörenden Magnetfeldsensoren bestimmt.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Bestimmen eines zweiten Messwertes der Kraft bzw. des Momentes mit einer zweiten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren, während die Kraft bzw. das Moment wirkt. Der zweite Messwert wird aus Messsignalen der einzelnen zu der zweiten Kombination gehörenden Magnetfeldsensoren bestimmt.
Das Bestimmen des ersten Messwertes und das Bestimmen des zweiten Messwertes erfolgen bevorzugt gleichzeitig oder zumindest innerhalb einer Zeitspanne, in welcher sich die Kraft bzw. das Moment nicht ändert. Die Messwerte repräsentieren qualitativ und quantitativ dieselbe Kraft bzw. dasselbe Moment.
Da die erste Kombination der Magnetfeldsensoren und die zweite Kombination der Magnetfeldsensoren jeweils zur Messung der Kraft bzw. des Momentes hinreichend sind, sind der erste Messwert und der zweite Messwert gleich, wenn die Anordnung fehlerfrei arbeitet. Erfindungsgemäß erfolgt ein Vergleichen des ersten Messwertes mit dem zweiten Messwert, sodass aus dem Ergebnis dieses Vergleiches auf eine fehlerfreie Funktion oder auf eine fehlerbehaftete Funktion der Anordnung geschlossen werden kann. Wird durch den Vergleich auf eine fehlerbehaftete Funktion der Anordnung geschlossen, so wird bevorzugt auch bestimmt, welcher der einzelnen Magnetfeldsensoren eine fehlerbehaftete Funktion aufweist.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass im Ergebnis des Vergleiches der Messwerte eine weitestgehend verlässliche Aussage darüber vorliegt, ob die Anordnung fehlerfrei oder fehlerhaft arbeitet.
Die mindestens zwei Magnetisierungsbereiche können permanent oder temporär magnetisiert sein. Bevorzugt sind die Magnetisierungsbereiche permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Alternativ bevorzugt weist die Anordnung weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren der Magnetisierungsbereiche auf, sodass die Magnetisierung der Magnetisierungsbereiche grundsätzlich temporär ist. Der mindestens eine Magnet kann durch einen Permanentmagneten oder bevorzugt durch einen Elektromagneten gebildet sein.
Die permanent bzw. temporär magnetisierten Magnetisierungsbereiche sind in einem von einer Kraft bzw. von einem Moment unbelasteten Zustand des Maschinenelementes nach außerhalb der Magnetisierungsbereiche bevorzugt magnetisch neutral, sodass kein technisch relevantes Magnetfeld außerhalb der Magnetisierungsbereiche messbar ist.
Die Magnetisierungsbereiche stellen jeweils einen Teil des Volumens des Maschinenelementes dar. Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt jeweils ringförmig ausgebildet, wobei die Achse des Maschinenelementes auch eine mittlere Achse der jeweiligen Ringform bildet. Besonders bevorzugt weisen die Magnetisierungsbereiche jeweils die Form eines zur Achse des Maschinenelementes koaxialen Hohlzylinders auf.
Die Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt jeweils eine hohe Magnetostriktivität auf.
Die Magnetisierungsbereiche sind bevorzugt axial beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen zwei benachbarten der Magnetisierungsbereiche jeweils einer der magnetisch neutralen Bereiche angeordnet sein kann. Insofern mehr als zwei der Magnetisierungsbereiche vorhanden sind, weisen diese bevorzugt jeweils einen gleichen Abstand zueinander auf.
Axial benachbarte der sich umfänglich um die Achse herum erstreckenden Magnetisierungsbereiche weisen bevorzugt entgegengesetzte Polaritäten auf, d. h. sie besitzen einen entgegengesetzten Umlaufsinn.
Das Maschinenelement besteht zumindest im Magnetisierungsbereich aus einem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das Maschinenelement vollständig aus dem magnetostriktiven bzw. magnetoelastischen Material. Bevorzugt besteht das Maschinenelement aus einem Stahl.
Das Maschinenelement weist bevorzugt die Form eines Prismas oder eines Zylinders auf, wobei das Prisma bzw. der Zylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Das Prisma bzw. der Zylinder ist bevorzugt gerade. Bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden Kreiszylinders auf, wobei der Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist. Bei besonderen Ausführungsformen ist das Prisma bzw. der Zylinder konisch ausgebildet. Das Prisma bzw. der Zylinder kann auch hohl sein. Besonders bevorzugt weist das Maschinenelement die Form eines geraden hohlen Kreiszylinders auf, wobei der hohle Kreiszylinder koaxial zu der Achse angeordnet ist.
Das Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle, durch eine Hohlwelle, durch eine Schaltgabel, durch einen Flansch oder durch einen Hohlflansch gebildet. Die Welle, die Schaltgabel bzw. der Flansch können für Belastungen durch unterschiedliche Kräfte und Momente ausgelegt sein und beispielsweise eine Komponente eines Sensortretlagers, eines Wankstabilisators oder eines Düngemittelstreuers sein. Grundsätzlich kann das Maschinenelement auch durch völlig andersartige Maschinenelementtypen gebildet sein.
Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt jeweils durch einen Halbleitersensor gebildet. Die mindestens zwei Magnetfeldsensoren sind alternativ bevorzugt jeweils durch einen MR-Sensor, durch einen Hall-Sensor, durch eine Feldplatte, durch einen SQUID, durch ein Spulenelement, durch eine Förstersonde oder durch ein Fluxgate-Magnetometer gebildet. Grundsätzlich können auch andere Sensortypen verwendet werden, insofern sie zur Messung der axialen Richtungskomponente des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet sind.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt einen gleichen Abstand zur Achse des Maschinenelementes auf. Grundsätzlich können die Magnetfeldsensoren außerhalb des Maschinenelementes oder bevorzugt auch innerhalb eines Hohlraumes des Maschinenelementes angeordnet sein; beispielsweise wenn das Maschinenelement durch eine Hohlwelle oder durch einen Hohlflansch gebildet ist.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position wie einer der Magnetisierungsbereiche auf. Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine axiale Position auf, die einer mittleren axialen Position einer der Magnetisierungsbereiche gleicht.
Die Magnetfeldsensoren weisen bevorzugt jeweils eine gleiche tangentiale bzw. gleiche umfängliche Position wie mindestens ein anderer der Magnetfeldsensoren auf. Diese mindestens zwei Magnetfeldsensoren liegen bevorzugt gemeinsam auf einer zur Achse parallelen Gerade. Diese mindestens zwei eine gleiche tangentiale bzw. gleiche umfängliche Position aufweisenden Magnetfeldsensoren sind axial benachbart und weisen bevorzugt jeweils eine gleiche axiale Position wie axial benachbarte der Magnetisierungsbereiche auf. Es können auch zwei eine gleiche tangentiale bzw. gleiche umfängliche Position aufweisende Magnetfeldsensoren eine gleiche axiale Position wie nur einer der Magnetisierungsbereiche aufweisen.
Zumindest einer der Magnetisierungsbereiche weist bevorzugt die gleiche axiale Position wie mindestens zwei der Magnetfeldsensoren auf, sodass diesem Magnetisierungsbereich zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet sind. Diese beiden die gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren sind bevorzugt in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet, sodass sie einen Mittelpunktswinkel von 180° zueinander besitzen und eine die beiden Magnetfeldsensoren schneidende Gerade die Achse senkrecht schneidet. Weiter bevorzugt weist jeder der Magnetisierungsbereiche die gleiche axiale Position wie zwei der Magnetfeldsensoren auf, sodass jedem der Magnetisierungsbereiche mindestens zwei der Magnetfeldsensoren zugeordnet sind.
Die Anordnung umfasst bevorzugt weiterhin eine Messsignalverarbeitungseinheit, welche zum Bestimmen und Vergleichen der Messwerte ausgebildet ist. Die Magnetfeldsensoren sind bevorzugt einzeln mit der Messsignalverarbeitungseinheit elektrisch verbunden, sodass jeweils ein einzelnes Messsignal von jedem der Magnetfeldsensoren zu der Messsignalverarbeitungseinheit geleitet wird. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen einen Schritt, bei welchem die Magnetfeldsensoren einzeln kalibriert werden. Dadurch kann ein Offset kompensiert und die Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren aufeinander abgeglichen werden, sodass die Zuverlässigkeit der Fehlererkennung nochmals erhöht ist.
Besonders bevorzugt werden mindestens drei der Messwerte bestimmt und miteinander verglichen. Entsprechend gibt es bevorzugt mindestens drei der Kombinationen von jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren, wobei jede dieser Kombinationen zur Messung der Kraft oder des Momentes hinreichend ist. Es erfolgt ein Bestimmen eines dritten Messwertes der Kraft oder des Momentes mit einer dritten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren, während die Kraft oder das Moment wirkt. Es werden der erste Messwert, der zweite Messwert und der dritte Messwert miteinander verglichen. Weiter bevorzugt werden mindestens vier der Messwerte bestimmt und miteinander verglichen. Diejenigen Ausführungsformen, bei denen drei oder mehr der Messwerte bestimmt und verglichen werden, umfassen bevorzugt einen weiteren Schritt, bei welchem im Falle von Abweichungen zwischen den Messwerten der oder diejenigen der Magnetfeldsensoren ermittelt werden, die nicht korrekt arbeiten. Zudem kann ermittelt werden, wenn einer der Magnetisierungsbereiche eine fehlerhafte Funktion besitzt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum Vergleichen der Messwerte absolute Beträge der Differenzen zwischen den Messwerten oder Quadrate der Differenzen zwischen den Messwerten gebildet. Es wird bevorzugt eine Summe der absoluten Beträge der Differenzen zwischen den Messwerten bzw. eine Summe der Quadrate der Differenzen zwischen den Messwerten gebildet. Die entsprechende Summe wird bevorzugt als ein Testsignal verwendet.
Bevorzugt wird ein Fehlersignal ausgegeben, wenn die Summe der absoluten Beträge der Differenzen zwischen den Messwerten bzw. die Summe der Quadrate der Differenzen der Differenzen zwischen den Messwerten ein vorab definiertes Höchstmaß übersteigt. Durch das Höchstmaß wird vorab definiert, bis zu welcher Unterschiedlichkeit zwischen den Messwerten die Anordnung als fehlerfrei arbeitend angesehen wird. Das Fehlersignal wird bevorzugt an eine übergeordnete Steuerung oder an einen Bediener der Anordnung gemeldet, sodass der übergeordneten Steuerung bzw. dem Bediener bekannt wird, dass die Anordnung nicht mehr fehlerfrei misst.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anordnung zur Messung eines auf das Maschinenelement wirkenden und in der Achse liegenden Momentes, d. h. eines Torsionsmomentes ausgebildet. Das Maschinenelement weist zwei der Magnetisierungsbereiche mit entgegengesetzten Polaritäten auf. Jeder der Magnetisierungsbereiche weist die gleiche axiale Position wie zwei der Magnetfeldsensoren auf, wobei diese beiden eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Jeweils zwei der vier Magnetfeldsensoren weisen eine gleiche tangentiale Position auf und sind axial benachbart. Ein erster der vier Magnetfeldsensoren gibt ein Messsignal a₁ aus. Der dem ersten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen zweiten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal a₂ ausgibt. Die Messsignale a₁ und a₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale a₁ und a₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Der zu dem ersten Magnetfeldsensor axial benachbarte und eine gleiche umfängliche Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen dritten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₁ ausgibt. Die Messsignale a₁ und b₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale a₁ und b₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Der dem dritten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der dritte Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen vierten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₂ ausgibt. Die Messsignale b₁ und b₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₁ und b₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Mindestens zwei der Messwerte des Momentes werden jeweils nach einer der folgenden mathematischen Vorschriften bestimmt: $M_{1} = \frac{a_{1} - a_{2} - b_{1} + b_{2}}{4}$
$M_{2} = \frac{a_{1} + b_{2}}{2}$
$M_{3} = - \frac{a_{2} + b_{1}}{2}$
Aus den mathematischen Vorschriften geht hervor, dass es mindestens drei der Kombinationen der Magnetfeldsensoren gibt, die jeweils zur Messung des Momentes hinreichend sind. Die erste Kombination umfasst den ersten, den zweiten, den dritten und den vierten Magnetfeldsensor. Die zweite Kombination umfasst den ersten und den vierten Magnetfeldsensor. Die dritte Kombination umfasst den zweiten und den dritten Magnetfeldsensor.
Bevorzugt wird das Testsignal T nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt: $T = | M_{1} - M_{2} |$
$T = | M_{1} - M_{3} |$
$T = | M_{2} - M_{3} |$
$T = {(M_{1} - M_{2})}^{2}$
$T = {(M_{1} - M_{3})}^{2}$
$T = {(M_{2} - M_{3})}^{2}$
Bevorzugt werden nicht lediglich zwei, sondern sämtliche der drei Messwerte M₁, M₂ und M₃ bestimmt. Bevorzugt wird das Testsignal T nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt: $T = | M_{1} - M_{2} | + | M_{1} - M_{3} | + | M_{2} - M_{3} |$
$T = {(M_{1} - M_{2})}^{2} + {(M_{1} - M_{3})}^{2} + {(M_{2} - M_{3})}^{2}$
Bei einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anordnung ebenfalls zur Messung eines auf das Maschinenelement wirkenden und in der Achse liegenden Momentes, d. h. eines Torsionsmomentes ausgebildet. Das Maschinenelement weist drei der Magnetisierungsbereiche mit abwechselnden Polaritäten auf. Der axial mittlere der Magnetisierungsbereiche weist die gleiche axiale Position wie zwei der Magnetfeldsensoren auf, wobei diese beiden eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Jeweils zwei der vier Magnetfeldsensoren weisen eine gleiche tangentiale Position auf und sind axial benachbart. Die axial außen angeordneten Magnetisierungsbereiche weisen jeweils die gleiche axiale Position wie einer der vier Magnetfeldsensoren auf. Ein erster der vier Magnetfeldsensoren weist eine gleiche axiale Position wie einer der axial außen angeordneten Magnetisierungsbereiche auf. Der erste Magnetfeldsensor gibt ein Messsignal a₁ aus. Der zu dem ersten Magnetfeldsensor axial benachbarte und eine gleiche umfängliche Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen zweiten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₁ ausgibt. Die Messsignale a₁ und b₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale a₁ und b₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Der dem zweiten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der zweite Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen dritten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₂ ausgibt. Die Messsignale b₁ und b₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₁ und b₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Der zu dem dritten Magnetfeldsensor axial benachbarte und eine gleiche umfängliche Position wie der dritte Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen vierten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal c₂ ausgibt. Die Messsignale b₂ und c₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₂ und c₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Mindestens zwei der Messwerte des Momentes werden jeweils nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt: $M_{1} = \frac{a_{1} - b_{1} + b_{2} - c_{2}}{4}$
$M_{2} = \frac{a_{1} + b_{2}}{2}$
$M_{3} = - \frac{b_{1} + c_{2}}{2}$
Aus den mathematischen Vorschriften geht hervor, dass es mindestens drei der Kombinationen der Magnetfeldsensoren gibt, die jeweils zur Messung des Momentes hinreichend sind. Die erste Kombination umfasst den ersten, den zweiten, den dritten und den vierten Magnetfeldsensor. Die zweite Kombination umfasst den ersten und den vierten Magnetfeldsensor. Die dritte Kombination umfasst den zweiten und den dritten Magnetfeldsensor.
Bevorzugt wird das Testsignal T nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt: $T = | M_{1} - M_{2} |$
$T = | M_{1} - M_{3} |$
$T = | M_{2} - M_{3} |$
$T = {(M_{1} - M_{2})}^{2}$
$T = {(M_{1} - M_{3})}^{2}$
$T = {(M_{2} - M_{3})}^{2}$
Bevorzugt werden nicht lediglich zwei, sondern sämtliche der drei Messwerte M₁, M₂ und M₃ bestimmt. Bevorzugt wird das Testsignal T nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt: $T = | M_{1} - M_{2} | + | M_{1} - M_{3} | + | M_{2} - M_{3} |$
$T = {(M_{1} - M_{2})}^{2} + {(M_{1} - M_{3})}^{2} + {(M_{2} - M_{3})}^{2}$
Bei einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anordnung wiederum zur Messung eines auf das Maschinenelement wirkenden und in der Achse liegenden Momentes, d. h. eines Torsionsmomentes ausgebildet. Das Maschinenelement weist drei der Magnetisierungsbereiche mit abwechselnden Polaritäten auf. Jeder der Magnetisierungsbereiche weist die gleiche axiale Position wie zwei der Magnetfeldsensoren auf, wobei diese beiden eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Jeweils drei der sechs Magnetfeldsensoren weisen eine gleiche tangentiale Position auf und sind axial benachbart. Ein erster der sechs Magnetfeldsensoren weist eine gleiche axiale Position wie einer der axial außen angeordneten Magnetisierungsbereiche auf. Der erste Magnetfeldsensor gibt ein Messsignal a₁ aus. Der dem ersten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen zweiten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal a₂ ausgibt. Die Messsignale a₁ und a₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale a₁ und a₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Der zu dem ersten Magnetfeldsensor axial benachbarte und eine gleiche umfängliche Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen dritten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₁ ausgibt. Der dritte Magnetfeldsensor weist die gleiche axiale Position wie der mittlere Magnetisierungsbereich auf. Die Messsignale a₁ und b₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale a₁ und b₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Der dem dritten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der dritte Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen vierten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₂ ausgibt. Die Messsignale b₁ und b₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₁ und b₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Der zu dem dritten Magnetfeldsensor axial benachbarte und eine gleiche umfängliche Position wie der erste Magnetfeldsensor und der dritte Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen fünften der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal c₁ ausgibt. Die Messsignale b₁ und c₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₁ und c₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Der dem fünften Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der fünfte Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen sechsten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal c₂ ausgibt. Die Messsignale c₁ und c₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale c₁ und c₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Mindestens zwei der Messwerte des Momentes werden jeweils nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt: $M_{1} = \frac{a_{1} - 2 \cdot b_{1} + c_{1} - a_{2} + 2 \cdot b_{2} - c_{2}}{8}$
$M_{2} = \frac{a_{1} - b_{1} + b_{2} - c_{2}}{4}$
$M_{3} = \frac{- a_{2} - b_{1} + b_{2} + c_{1}}{4}$
$M_{4} = \frac{a_{1} - a_{2} - b_{1} + b_{2}}{4}$
$M_{5} = \frac{- b_{1} + b_{2} + c_{1} - c_{2}}{4}$
$M_{6} = \frac{a_{1} + b_{2}}{2}$
$M_{7} = - \frac{b_{1} + a_{2}}{2}$
$M_{8} = - \frac{b_{1} + c_{2}}{2}$
$M_{9} = \frac{b_{2} + c_{1}}{2}$
Aus den mathematischen Vorschriften geht hervor, dass es mindestens neun der Kombinationen der Magnetfeldsensoren gibt, die jeweils zur Messung des Momentes hinreichend sind. Die erste Kombination umfasst den ersten, den zweiten, den dritten, den vierten, den fünften und den sechsten Magnetfeldsensor. Die zweite Kombination umfasst den ersten, den dritten, den vierten und den sechsten Magnetfeldsensor. Die dritte Kombination umfasst den zweiten, den dritten, den vierten und den fünften Magnetfeldsensor. Die vierte Kombination umfasst den ersten, den zweiten, den dritten und den vierten Magnetfeldsensor. Die fünfte Kombination umfasst den dritten, den vierten, den fünften und den sechsten Magnetfeldsensor. Die sechste Kombination umfasst den ersten und den vierten Magnetfeldsensor. Die siebente Kombination umfasst den dritten und den zweiten Magnetfeldsensor. Die achte Kombination umfasst den dritten und den sechsten Magnetfeldsensor. Die neunte Kombination umfasst den vierten und den fünften Magnetfeldsensor.
Bevorzugt werden nicht lediglich zwei, sondern mindestens vier oder weiter bevorzugt sämtliche der neun Messwerte M₁ bis M₉ bestimmt. Bevorzugt wird das Testsignal T entsprechend wie bei der ersten und zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform bestimmt.
Bei einer vierten besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anordnung wiederum zur Messung eines auf das Maschinenelement wirkenden und in der Achse liegenden Momentes, d. h. eines Torsionsmomentes ausgebildet. Das Maschinenelement weist drei der Magnetisierungsbereiche mit abwechselnden Polaritäten auf. Die beiden axial außen angeordneten Magnetisierungsbereiche weisen jeweils die gleiche axiale Position wie zwei der Magnetfeldsensoren auf, wobei diese beiden eine gleiche axiale Position aufweisenden Magnetfeldsensoren in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet sind. Der axial mittlere Magnetisierungsbereich weist die gleiche axiale Position wie vier der Magnetfeldsensoren auf, wobei jeweils zwei dieser Magnetfeldsensoren unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und ein Paar bilden. Wegen dieser unmittelbar benachbarten Anordnung weisen die Magnetfeldsensoren eines jeden der beiden Paare im Wesentlichen die gleiche Position auf. Die beiden eine gleiche axiale Position aufweisenden Paare sind in Bezug auf die Achse gegenüberliegend angeordnet. Jeweils vier der acht Magnetfeldsensoren weisen eine gleiche tangentiale Position auf und sind axial benachbart. Ein erster der acht Magnetfeldsensoren weist eine gleiche axiale Position wie einer der axial außen angeordneten Magnetisierungsbereiche auf. Der erste Magnetfeldsensor gibt ein Messsignal a₁ aus. Der dem ersten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen zweiten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal a₂ ausgibt. Die Messsignale a₁ und a₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale a₁ und a₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Dasjenige Paar der Magnetfeldsensoren, welches zu dem ersten Magnetfeldsensor axial benachbart ist und eine gleiche umfängliche Position wie der erste Magnetfeldsensor aufweist, umfasst einen dritten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₁₁ ausgibt, und einen vierten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₁₂ ausgibt. Der dritte Magnetfeldsensor und der vierte Magnetfeldsensor weisen die gleiche axiale Position wie der axial mittlere Magnetisierungsbereich auf. Die Messsignale a₁, b₁₁, und b₁₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale a₁, b₁₁ und b₁₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Das dem dritten und vierten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der dritte und vierte Magnetfeldsensor aufweisende Paar umfasst einen fünften der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₂₁ ausgibt, und einen sechsten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal b₂₂ ausgibt. Die Messsignale b₁₁ und b₂₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₁₁ und b₂₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Die Messsignale b₂₁ und b₂₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₂₁ und b₂₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Der zu dem dritten Magnetfeldsensor axial benachbarte und eine gleiche umfängliche Position wie der erste Magnetfeldsensor, der dritte Magnetfeldsensor und der vierte Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen siebenten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal c₁ ausgibt. Die Messsignale b₁₁ und c₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten des wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn; d. h. die Messsignale b₁₁ und c₁ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit gleichen Vorzeichen. Der dem siebenten Magnetfeldsensor in Bezug auf die Achse gegenüberliegende und eine gleiche axiale Position wie der siebente Magnetfeldsensor aufweisende Magnetfeldsensor bildet einen achten der Magnetfeldsensoren, welcher ein Messsignal c₂ ausgibt. Die Messsignale c₁ und c₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten wegen des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn; d. h. die Messsignale c₁ und c₂ repräsentieren die axialen Richtungskomponenten mit unterschiedlichen Vorzeichen. Mindestens zwei der Messwerte des Momentes werden jeweils nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt: $M_{1} = \frac{a_{1} - b_{11} - b_{12} + c_{1} - a_{2} + b_{21} + b_{22} - c_{2}}{8}$
$M_{2} = \frac{a_{1} - 2 \cdot b_{11} + c_{1} - a_{2} + 2 \cdot b_{21} - c_{2}}{8}$
$M_{3} = \frac{a_{1} - b_{11} + b_{21} - c_{2}}{4}$
$M_{4} = \frac{- b_{11} + c_{1} + b_{21} - c_{2}}{4}$
$M_{5} = \frac{a_{1} + b_{21}}{2}$
$M_{6} = - \frac{b_{11} + a_{2}}{2}$
$M_{7} = - \frac{b_{11} + c_{2}}{2}$
$M_{8} = \frac{b_{21} + c_{1}}{2}$
Aus den mathematischen Vorschriften geht hervor, dass es mindestens acht der Kombinationen der Magnetfeldsensoren gibt, die jeweils zur Messung des Momentes hinreichend sind. Die erste Kombination umfasst den ersten, den zweiten, den dritten, den vierten, den fünften, den sechsten, den siebenten und den achten Magnetfeldsensor. Die zweite Kombination umfasst den ersten, den zweiten, den dritten, den fünften, den siebenten und den achten Magnetfeldsensor. Die dritte Kombination umfasst den ersten, den dritten, den fünften und den achten Magnetfeldsensor. Die vierte Kombination umfasst den dritten, den fünften, den siebenten und den achten Magnetfeldsensor. Die fünfte Kombination umfasst den ersten und den fünften Magnetfeldsensor. Die sechste Kombination umfasst den dritten und den zweiten Magnetfeldsensor. Die siebente Kombination umfasst den dritten und den achten Magnetfeldsensor. Die achte Kombination umfasst den fünften und den siebenten Magnetfeldsensor.
Bevorzugt werden nicht lediglich zwei, sondern mindestens vier oder weiter bevorzugt sämtliche der acht Messwerte M₁ bis M₈ bestimmt. Bevorzugt wird das Testsignal T entsprechend wie bei der ersten und zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform bestimmt.
Die beschriebenen vier besonders bevorzugten Ausführungsformen weisen bevorzugt auch Merkmale auf, die oben als bevorzugt beschrieben sind.
Die erfindungsgemäße Anordnung dient zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für jeweils eine Magnetisierung auf. Die Anordnung umfasst mindestens vier Magnetfeldsensoren jeweils zum Messen einer axialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment bewirkten Magnetfeldes. Es gibt mindestens zwei Kombinationen von jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren. Jede dieser Kombinationen ist zur Messung der Kraft oder des Momentes hinreichend. Die Anordnung umfasst weiterhin eine Messsignalverarbeitungseinheit, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Messsignalverarbeitungseinheit ist bevorzugt zur Ausführung einer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Im Übrigen weist die Anordnung bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben sind.
Die Messsignalverarbeitungseinheit ist bevorzugt durch einen Mikrokontroller gebildet. Im weiteren Sinne ist die Messsignalverarbeitungseinheit bevorzugt durch eine Recheneinheit gebildet.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten;
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten;
3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten; und
4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten.

1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Die Anordnung umfasst ein Maschinenelement aus einem Stahl in Form eines Hohlflansches 01, welcher sich in einer Achse 03 erstreckt. Auf den Hohlflansch 01 wirkt ein Torsionsmoment Mt, welches mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemessen werden kann.
Der Hohlflansch 01 weist zwei Magnetisierungsbereiche 04 in Form von umlaufenden Spuren auf. Die beiden Magnetisierungsbereiche 04 sind permanentmagnetisiert und entgegengesetzt gepolt, was jeweils durch einen den Umlaufsinn veranschaulichenden Pfeil 05 dargestellt ist. Die beiden Magnetisierungsbereiche 04 bilden einen Primärsensor für die Messung des Torsionsmomentes Mt unter Nutzung des invers-magnetostriktiven Effektes.
Die Anordnung umfasst weiterhin vier Magnetfeldsensoren 06, die sich im Inneren des Hohlflansches 01 befinden. Die vier Magnetfeldsensoren 06 weisen einen gleichen Abstand zur Achse 03 auf.
Die vier Magnetfeldsensoren 06 dienen jeweils zur Messung einer axialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung der Magnetisierungsbereiche 04 und durch das Torsionsmoment Mt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auftretenden Magnetfeldes. Eine Magnetfeldrichtung dieses Magnetfeldes ist jeweils an den Positionen der Magnetfeldsensoren 06 durch einen die jeweilige Magnetfeldrichtung veranschaulichenden Pfeil 07 dargestellt. Eine positive Messrichtung der Magnetfeldsensoren 06 ist durch das für die Magnetfeldsensoren 06 verwendete Symbol mit einem eingezeichneten Pfeil veranschaulicht.
Zwei der vier Magnetfeldsensoren 06 weisen eine gleiche axiale Position wie ein erster der Magnetisierungsbereiche 04 auf. Zwei weitere der vier Magnetfeldsensoren 06 weisen eine gleiche axiale Position wie ein zweiter der Magnetisierungsbereiche 06 auf.
Ein erster Magnetfeldsensor 11 der vier Magnetfeldsensoren 06 gibt ein Signal a₁ aus. Der dem ersten Magnetfeldsensor 11 in Bezug auf die Achse 03 gegenüberliegende Magnetfeldsensor 06 bildet einen zweiten Magnetfeldsensor 12, welcher ein Signal a₂ ausgibt. Der zu dem ersten Magnetfeldsensor 11 axial benachbarte Magnetfeldsensor 06 bildet einen dritten Magnetfeldsensor 13, welcher ein Signal b₁ ausgibt. Der dem dritten Magnetfeldsensor 13 in Bezug auf die Achse 03 gegenüberliegende Magnetfeldsensor 06 bildet einen vierten Magnetfeldsensor 14, welcher ein Signal b₂ ausgibt.
Die Anordnung umfasst weiterhin einen Mikrokontroller (nicht gezeigt), welcher zur Messsignalverarbeitung dient und zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Prüfen der Anordnung konfiguriert ist.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform weist der Hohlflansch 01 drei der Magnetisierungsbereiche 04 auf, die abwechselnd gepolt sind. Der erste Magnetfeldsensor 11 der vier Magnetfeldsensoren 06 gibt wiederum das Signal a₁ aus. Der zweite Magnetfeldsensor 12 ist zu dem ersten Magnetfeldsensor 11 axial benachbart und gibt das Signal b₁ aus. Der dritte Magnetfeldsensor 13 ist in Bezug auf die Achse 03 dem ersten Magnetfeldsensor 11 gegenüberliegend angeordnet und gibt das Signal b₂ aus. Der vierte Magnetfeldsensor 14 ist zu dem dritten Magnetfeldsensor 13 axial benachbart und gibt das Signal c₂ aus.
3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 2 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform umfasst die Anordnung sechs der Magnetfeldsensoren 06. Der erste Magnetfeldsensor 11 der sechs Magnetfeldsensoren 06 gibt wiederum das Signal a₁ aus. Der zweite Magnetfeldsensor 12 ist in Bezug auf die Achse 03 dem ersten Magnetfeldsensor 11 gegenüberliegend angeordnet und gibt das Signal a₂ aus. Der dritte Magnetfeldsensor 13 ist zu dem ersten Magnetfeldsensor 11 axial benachbart und gibt das Signal b₁ aus. Der vierte Magnetfeldsensor 14 ist in Bezug auf die Achse 03 dem dritten Magnetfeldsensor 13 gegenüberliegend angeordnet und gibt das Signal b₂ aus. Ein fünfter Magnetfeldsensor 15 der sechs Magnetfeldsensoren 06 ist zu dem dritten Magnetfeldsensor 13 axial benachbart und gibt das Signal c₁ aus. Ein sechster Magnetfeldsensor 16 der sechs Magnetfeldsensoren 06 ist in Bezug auf die Achse 03 dem fünften Magnetfeldsensor 15 gegenüberliegend angeordnet und gibt das Signal c₂ aus.
4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Querschnittsansicht und in einer Längsschnittansicht. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in 3 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform umfasst die Anordnung acht der Magnetfeldsensoren 06. Der erste Magnetfeldsensor 11 der sechs Magnetfeldsensoren 06 gibt wiederum das Signal a₁ aus. Der zweite Magnetfeldsensor 12 ist in Bezug auf die Achse 03 dem ersten Magnetfeldsensor 11 gegenüberliegend angeordnet und gibt das Signal a₂ aus. Der dritte Magnetfeldsensor 13 ist zu dem ersten Magnetfeldsensor 11 axial benachbart und gibt das Signal b₁₁ aus. Der vierte Magnetfeldsensor 14 befindet sich unmittelbar neben dem dritten Magnetfeldsensor 13 gibt das Signal b₁₂ aus. Der fünfte Magnetfeldsensor 15 ist in Bezug auf die Achse 03 dem dritten Magnetfeldsensor 13 gegenüberliegend angeordnet und gibt das Signal b₂₁ aus. Der sechste Magnetfeldsensor 16 befindet sich unmittelbar neben dem fünften Magnetfeldsensor 13 gibt das Signal b₂₂ aus. Ein siebenter Magnetfeldsensor 17 der acht Magnetfeldsensoren 06 ist zu dem dritten Magnetfeldsensor 13 axial benachbart und gibt das Signal c₁ aus. Ein achter Magnetfeldsensor 18 der sechs Magnetfeldsensoren 06 ist in Bezug auf die Achse 03 dem siebenten Magnetfeldsensor 17 gegenüberliegend angeordnet und gibt das Signal c₂ aus.
Bezugszeichenliste

01: Maschinenelement in Form eines Hohlflansches
02: -
03: Achse
04: Magnetisierungsbereich
05: Umlaufsinn
06: Magnetfeldsensor
07: Magnetfeldrichtung
08: -
09: -
10: -
11: erster Magnetfeldsensor
12: zweiter Magnetfeldsensor
13: dritter Magnetfeldsensor
14: vierter Magnetfeldsensor
15: fünfter Magnetfeldsensor
16: sechster Magnetfeldsensor
17: siebenter Magnetfeldsensor
18: achter Magnetfeldsensor

Claims

Verfahren zum Prüfen einer Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes (Mt) an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), wobei das Maschinenelement (01) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für jeweils eine Magnetisierung aufweist, wobei die Anordnung mindestens vier Magnetfeldsensoren (06) zum Messen einer axialen Komponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment (Mt) bewirkten Magnetfeldes umfasst, wobei es mindestens zwei Kombinationen von jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren (06) gibt, wobei jede der Kombinationen zur Messung der Kraft oder des Momentes (Mt) hinreichend ist, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bestimmen eines ersten Messwertes der Kraft oder des Momentes (Mt) mit einer ersten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren (06); - Bestimmen eines zweiten Messwertes der Kraft oder des Momentes (Mt) mit einer zweiten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren (06); und - Vergleichen des ersten Messwertes mit dem zweiten Messwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Bestimmen eines dritten Messwertes der Kraft oder des Momentes (Mt) mit einer dritten der Kombinationen der Magnetfeldsensoren (06) erfolgt, wobei das Vergleichen des ersten Messwertes, des zweiten Messwertes und des drittes Messwertes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleichen der Messwerte absolute Beträge von Differenzen zwischen den Messwerten oder Quadrate von Differenzen zwischen den Messwerten gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Schritt umfasst, in welchem eine Summe der absoluten Beträge der Differenzen zwischen den Messwerten oder eine Summe der Quadrate der Differenzen zwischen den Messwerten gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn die Summe der absoluten Beträge oder die Summe der Quadrate der Differenzen ein vorab definiertes Höchstmaß übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (06) jeweils eine gleiche tangentiale Position wie mindestens ein anderer der Magnetfeldsensoren (06) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (06) jeweils eine axiale Position einer der Magnetisierungsbereiche (04) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Magnetisierungsbereiche (04) die gleiche axiale Position wie zwei der Magnetfeldsensoren (06) aufweist, wobei diese beiden Magnetfeldsensoren (06) in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegend angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Magnetisierungsbereiche (04) die gleiche axiale Position wie zwei der in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensoren (06) aufweist, und dass jeweils zwei der Magnetfeldsensoren (06) eine gleiche tangentiale Position aufweisen und axial benachbart sind, wobei ein erster der Magnetfeldsensoren (06, 11) ein Messsignal a₁ ausgibt, wobei der dem ersten Magnetfeldsensor (11) in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegende Magnetfeldsensor (06, 12) einen zweiten der Magnetfeldsensoren (06, 12) bildet, welcher ein Messsignal a₂ ausgibt, wobei die Messsignale a₁ und a₂ die axialen Richtungskomponenten des auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn repräsentieren, wobei der zu dem ersten Magnetfeldsensor (11) axial benachbarte Magnetfeldsensor (06, 13) einen dritten der Magnetfeldsensoren (06, 13) bildet, welcher ein Messsignal b₁ ausgibt, wobei die Messsignale a₁ und b₁ die axialen Richtungskomponenten des auftretenden Magnetfeldes mit gleichem Richtungssinn repräsentieren, wobei der dem dritten Magnetfeldsensor (13) in Bezug auf die Achse (03) gegenüberliegende Magnetfeldsensor (06, 14) einen vierten der Magnetfeldsensoren (06, 14) bildet, welcher ein Messsignal b₂ ausgibt, wobei die Messsignale b₁ und b₂ die axialen Richtungskomponenten des auftretenden Magnetfeldes mit entgegengesetztem Richtungssinn repräsentieren, und wobei die mindestens zwei Messwerte jeweils nach einer der folgenden Vorschriften bestimmt wird: $M_{1} = \frac{a_{1} - a_{2} - b_{1} + b_{2}}{4}$
$M_{2} = \frac{a_{1} + b_{2}}{2}$
$M_{3} = - \frac{a_{2} + b_{1}}{2}$
Anordnung zum Messen einer Kraft und/oder eines Momentes (Mt) an einem sich in einer Achse (03) erstreckenden Maschinenelement (01), wobei das Maschinenelement (01) mindestens zwei sich umfänglich um die Achse (03) herum erstreckende Magnetisierungsbereiche (04) für jeweils eine Magnetisierung aufweist, wobei die Anordnung mindestens vier Magnetfeldsensoren (06) zum Messen einer axialen Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft und/oder durch das Moment (Mt) bewirkten Magnetfeldes umfasst, wobei es mindestens zwei Kombinationen von jeweils mindestens zwei der Magnetfeldsensoren (06) gibt, wobei jede der Kombinationen zur Messung der Kraft oder des Momentes (Mt) hinreichend ist, und wobei die Anordnung weiterhin eine Messsignalverarbeitungseinheit umfasst, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.