-
Die Erfindung betrifft ein Belastungsmessverfahren und eine Belastungsmessvorrichtung sowie eine Belastungsmessanordnung zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt.
-
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen an dem Testobjekt verstanden.
-
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine Drehmomentmessvorrichtung zum Messen eines Drehmoments an einem Testobjekt in Form einer Welle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Außerdem betreffen Ausgestaltungen der Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
-
Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Testobjekten wie insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
- D1
- Gerhard Hinz und Heinz Voigt „Magnoelastic Sensors“ in „Sensors“, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152
- D2
- US 3 311 818
- D3
- EP 0 384 042 A2
- D4
- DE 30 31 997 A
- D5
- US 3 011 340 A
- D6
- US 4 135 391 A
-
Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 (
DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt.
-
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder Eddy-Current-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch Villari-Effekt genannt). Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist. Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, z.B. Pedelecs, Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich.
-
Aus der
D7 EP 3‘051‘265 A1
ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1, A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1, B2 und eine mittige Magnetfelderzeugungsspule Lg in einer Kreuzanordnung (X-Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1 +A2) - (B1 +B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt.
-
Ein Problem, welches mit derartigen Messungen durch aktive Aufmagnetisierung einhergeht, ist die dabei auftretende Hysterese in der Messanordnung, die es schwierig macht, hochgenaue Messungen zu erhalten. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation der Hysterese sind in der
- D8
- WO 2017/060346 A1
beschrieben. Es wird für weitere Einzelheiten bezüglich der Ursachen für Hysterese und die dadurch verursachten Probleme bei der Belastungsmessung mittels aktiver Aufmagnetisierung ausdrücklich auf die D8 verwiesen.
-
In der
- D9
- US 2018/0172540 A1
werden der Effekt der Hysterese bei Drehmomentsensoren, die Bestimmung der Größe der Hysterese sowie des Hysterese-zu-Signal-Verhältnisses in % erläutert und Systeme und Verfahren zur Echtzeit-Kompensation der Hysterese in Signalen durch Berechnung beschrieben.
-
Auch die
- D10
- US 9 435 708 B1
beschreibt magnetoelastische Drehmomentsensoren und Verfahren, die durch Computerberechnung magnetische Hysterese in Signalen in Echtzeit kompensieren.
-
Weiter betrifft die
- D11
- DE 10 2013 217 835 A1
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hysterese-Kompensation eines magnetorestriktiven Sensors.
-
Ausgehend vom Stand der Technik nach der D8 hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, Verfahren und Vorrichtungen aufzuzeigen, mit denen ein durch Hysterese verursachter Messfehler bei der Belastungsmessung mittels aktiver Aufmagnetisierung weiter verringert werden kann.
-
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung die Verfahren und Vorrichtungen und Anordnungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, umfassend
- a) Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Testobjekt mittels wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule, die mit einem periodisch wechselnden Strom beaufschlagt wird,
- b) Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden Magnetfeldparameters mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung, um ein Magnetfeldparametersignal zu erzeugen, das sich entsprechend des periodisch erzeugten Magnetfeldes periodisch ändert,
- c) Erfassen des Hysterese-zu-Signal-Verhältnisses des Magnetfeldparametersignals über die Zeit innerhalb einer Periode und
- d) Nichtberücksichtigen von Magnetfeldparametersignalwerten aus wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in der ein maximales Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt
-
Vorzugsweise umfasst das Belastungsmessverfahren weiter den Schritt:
- e) Aufnehmen von Magnetfeldparametersignalwerten in wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in dem ein geringstes Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) Erfassen des Magnetfeldparametersignalwerts zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb der Periode umfasst.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt c) Erfassen des Hysterese-zu-Signal-Verhältnis zu den vorbestimmten Zeiten umfasst, um diejenigen vorbestimmten Zeiten mit mehr oder weniger Hysterese-zu-Signal-Verhältnis zu bestimmen.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt d) Nichtberücksichtigen von Magnetfeldparametersignalwerten zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkten pro Periode, in der die größten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, umfasst.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt e) Aufnehmen von Magnetfeldparametersignalwerten zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkten pro Periode, in denen die kleinsten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, umfasst.
-
Es ist bevorzugt, dass das Belastungsmessverfahren weiter umfasst:
- f) Ermitteln einer B/H-Kennlinie aus dem zeitlichen Verlauf von Strom und/oder Spannung an der wenigstens einen Magnetfelderzeugungsspule und dem zeitlichen Verlauf des Magnetfeldparametersignals und
- g) Ermitteln wenigstens eines Messsignals aus der B/H-Kennlinie.
-
Dabei werden insbesondere Bereiche der B/H-Kennlinie nicht berücksichtigt, bei denen im zeitlichen Verlauf das höchste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt.
-
Vorzugsweise werden nur Bereiche der B/H-Kennlinie berücksichtigt, bei denen im zeitlichen Verlauf das geringste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
- g1) Ermitteln der relativen Permeabilität aus einer Veränderung einer Steigung der B/H-Kennlinie als Messsignal.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
- g2) Berücksichtigung nur eines oder mehrerer Teilbereiche der B/H-Kennlinie zur Ermittlung des Messsignals.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
- g3) Ermittlung der Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine Magnetfelderzeugungsspule und eine Stromquelle zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist; eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetfelds periodisch ändert, und
eine Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines Messsignals aus dem Magnetfeldparametersignal,
wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Information über ein Hysterese-zu-Signal-Verhältnis des Magnetfeldparametersignals über die Zeit innerhalb einer Periode zu erhalten, und
wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte aus wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in der ein maximales Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt, nicht zum Erzeugen des Messsignals zu berücksichtigen.
-
Es ist bevorzugt, dass eine Hysterese-zu-Signal-Verhältnis-Erfassungseinrichtung - insbesondere in Form einer Bewertungseinrichtung - vorgesehen ist, die das Hysterese-zu-Signal-Verhältnis über die Zeit innerhalb einer Periode erfasst.
-
Es ist bevorzugt, dass ein als Speicher als Hysterese-zu-Signal-Verhältnis-Speichereinrichtung vorgesehen ist, in der eine Information über das Hysterese-zu-Signal-Verhältnis über der Zeit innerhalb einer Periode gespeichert ist.
-
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, Magnetfeldparametersignalwerte in wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in dem ein geringstes Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt, zu erfassen und daraus das Messsignal zu erzeugen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, Magnetfeldparametersignalwerte zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb einer Periode zu erfassen. Hierzu ist insbesondere eine Messwertaufnahmeeinrichtung zur diskreten Messwertaufnahme zu bestimmten Stilpunkte vorgesehen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, Magnetfeldparametersignalwerte zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkte pro Periode, bei denen die größten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, nicht zur Erzeugung des Messsignals zu berücksichtigen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, Magnetfeldparametersignalwerte zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkte pro Periode, bei denen die kleinsten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, zur Erzeugung des Messsignals zu verwenden.
-
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine B/H-Kennlinie aus dem zeitlichen Verlauf von Strom und/oder Spannung an der wenigstens einen Magnetfelderzeugungsspule und dem zeitlichen Verlauf des Magnetfeldparametersignals zu ermitteln und das wenigstens eine Messsignal aus der B/H-Kennlinie zu erzeugen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die relative Permeabilität aus einer Veränderung einer Steigung der B/H-Kennlinie zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen.
-
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, nur bestimmte Teilbereiche der B/H-Kennlinie für die Erzeugung des Messsignals zu verwenden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung, umfassend ein Testobjekt sowie eine Belastungsmessvorrichtung gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen, insbesondere zur berührungslosen Belastungsmessung an dem Testobjekt.
-
Das Testobjekt ist vorzugsweise ein um eine Drehachse drehbares Testobjekt, wie z.B. eine Welle, ein Getrieberad, ein Zahnrad oder dergleichen. Alternativ kann das Testobjekt ein stationäres Element, wie z.B. eine Strebe, eine Stütze, eine Zug- oder Druckstange oder eine Membran, z.B. eines Drucksensors, sein.
-
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung beruht die Hysteresekompensation darauf, dass nur Teile einer Messperiode (z.b. eines Rechteck oder eines Sinus) bei der Berechnung des Messsignals betrachtet werden.
-
Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung wird z.B. neben einer Induktionsspannung in Sekundärspulen auch z.B. die Stromaufnahme in den Primärspulen erfasst - aus diesen Informationen kann man eine komplette B/H-Kennlinie der Belastungsmessanordnung, welche die Belastungsmessvorrichtung und das Testobjekt, also z.B. einen Drehmomentsensor und ein Messmaterial, umfasst, berechnen.
-
Mit B wird hierbei die magnetische Flussdichte, auch magnetische Induktion bezeichnet. Genauer ist dies die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt. Mit H wird die magnetische Feldstärke (auch magnetische Erregung genannt) bezeichnet. Diese ordnet als vektorielle Größe jeden Raum. Eine Stärke und Richtung des durch die magnetische Spannung erzeugten Magnetfeldes zu. Magnetische Flussdichte und magnetische Feldstärke hängen über die Materialgleichungen der Elektrodynamik B=µH zusammen.
-
Diese B/H-Kennlinie kann auch „nur“ partiell betrachtet werden für Extrahierung des Messsignals.
-
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, aus dieser Messkurve ein sinnvolles Messsignal zu berechnen, so z.B. eine Veränderung der Steigung der Kurve oder eine Veränderung der Koerzitivfeldstärke oder der Remanenz.
-
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Hystereskompensation durch Vektorzerlegung.
-
Besondere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Hysteresekompensation mittels einer Phasen-Amplitudenbeziehung.
-
Bei manchen Werkstoffen, wie vor allem weiche Stähle, die nicht gehärtet sind, zeigt das aktive Belastungsmessen, wie z.B. Drehmomentmessen sehr große Hystereseverläufe. Eine Möglichkeit, die Hysterese zu kompensieren, liegt in der Idee verschiedene Intensitäten einer Generatorspannung einzusetzen, wie dies näher in D8 beschrieben ist.
-
Ausgestaltungen der Erfindung nutzen eine weitere Möglichkeit einer Hysteresekompensation, in dem ein periodisches Magnetfeldparametersignal in verschieden Phasen eingeteilt wird und diese einzeln bewertet werden.
-
Z.B. wird ein AC-Signal von Sekundärspulen (d.h. von Messspulen der Magnetfelderfassungseinrichtung), welches bei Auferlegung eines Wechselfeldes durch eine Primärspule (Spule einer Magnetfelderzeugungseinrichtung) entsteht, in einzelne Phasen pro Periode aufgeteilt und diese werden einzeln bewertet.
-
Vorzugsweise wird als Erregerquelle für die Primärinduktivität ein Wechselfeld (Sinus, Rechteck, Sägezahn...) eingesetzt. Die in den Sekundärspulen induzierte Spannung folgt mit einer Phasenverschiebung der Erregerquelle. Das Verhältnis der Primärspule und der Sekundärspule kann auch als B/H-Kennlinie aufgefasst werden.
-
Bei einer Ausgestaltung ist eine Signalverarbeitung so ausgelegt, dass die Kennlinie der Sekundärspulen mit mehreren Stützstellen (je nach Anregungsfrequenz kann das variieren) abgesampelt wird. Diese Stützstellen stellen den charakteristischen Verlauf der Sekundärspannung dar.
-
Die unterschiedlichen Abschnitte der Sekundärkurve zeigen bei einer Einzelbetrachtung eine unterschiedliche Auswirkung bzgl. Sensitivität, Offset und Hystereseverhalten. D.h. es gibt Abschnitte in der Sekundärmesskurve, die bei einer Einzelbetrachtung ein deutlich kleineres Hysterese/Signal-Verhältnis haben.
-
Eine Idee, die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung zugrundeliegt, bezieht darauf, dass für die Auswertung in der Signalverarbeitung nur bestimmte Stützstellen (Vektoren) der eingelesenen Primärspannungskurve verwendet werden.
-
Vorzugsweise werden diese so gewählt, dass die Hysterese dabei minimiert wird.
-
Eine Erweiterung zu diesem Verfahren stellt die Möglichkeit dar, neben der direkten Erfassung der Sekundärseite (analog zum B-Feld) noch die Stromaufnahme der Primärseite (korreliert mit dem erzeugten H-Feld) im zeitlichen Verlauf zu erfassen und damit eine eindeutige B/H-Kennlinie zu berechnen.
-
Diese B/H-Kennlinie kann verwendet werden, um die relative Permeabilität in verschiedenen Segmenten bzw. Abschnitten der Messkurve zu berechnen. Die direkte Berechnung der relativen Permeabilität stellt bezüglich Hystereverhalten und anderen Messeffekten eine weniger beinflusste Messgröße dar.
-
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Sensorkopfes einer Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung, wie insbesondere Kraft, Spannung oder Drehmoment an einem Testobjekt;
- 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Sensorkopfes;
- 3 eine Seitenansicht des Sensorkopfes von 1 zusammen mit dem Testobjekt;
- 4 eine Ansicht vergleichbar 3 einer weiteren Ausführungsform des Sensorkopfes;
- 5 eine Ansicht vergleichbar 3 noch einer weiteren Ausführungsform des Sensorkopfes;
- 6 einen Graph für eine Signalform eines mittels einer Magnetfelderfassungseinrichtung eines der Sensorköpfe der 1 bis 5 gemessenen Magnetfeldparametersignals bei Anregung einer Magnetfelderzeugungseinrichtung des Sensorkopfes mittels einer Rechteckwelle, wobei unterschiedliche Stützpunkte (Messzeiten) dargestellt sind;
- 7 ein Graph eines Messsignals einer Drehmomentmessung mit einem magnetisch induktiven Sensorkopf der in den 1 bis 5 gezeigten Art bei Berücksichtigung aller Stützstellen aus 6;
- 8 ein Graph vergleichbar der 7, wobei nur einige Stützstellen aus der Messkurve von 6 berücksichtigt worden sind;
- 9 ein Vergleich einer Messung eines linearen Drehmomentanstieges, wobei die Messung lediglich an den Messpunkten 1, 6 und 10 aus der Messperiode von 6 dargestellt ist;
- 10 einen Graph einer B/H-Kennlinie, welche aus einer direkten Erfassung eines Magnetfeldparametersignals der Magnetfelderfassungseinrichtung und einer Stromaufnahme der Magnetfelderzeugungseinrichtung im zeitlichen Verlauf und anschließende Berechnung erhalten wurde.
-
In den
1 bis
5 sind verschiedene Ausführungsformen von Sensorköpfen 10 für eine Belastungsmessvorrichtung 12 dargestellt. Die Belastungsmessvorrichtung 12 dient zum Messen von mechanischen Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in einem zumindest teilweise magnetisierbaren, vorzugsweise um eine Drehachse drehbaren, Testobjekt 14, wie z.B. einer Welle, einem Getriebeteil, einer Radnabe, einem Kettenblatt oder dergleichen. Das Testobjekt 14 kann bei anderen Ausgestaltungen auch stationär sein, z.B. ein Träger oder eine Strebe in einer Stützstruktur sein, an der Belastungen oder Kräfte zu messen sind. Bei einer anderen Ausgestaltung kann das Testobjekt eine Membran eines Drucksensors sein, wie dies genauer in der deutschen Patentanmeldung
10 2017 104 547.3 , auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben ist. Das Testobjekt 14 ist zumindest an einem Messbereich zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Das Testobjekt 14 und die Belastungsmessvorrichtung 12 bilden zusammen eine Belastungsmessanordnung 16.
-
Die Belastungsmessvorrichtung 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf.
-
Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung eine Auswerteeinrichtung 42 auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit den Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere eingerichtet, Hystereseeffekte zu kompensieren, wie dies im Folgenden noch näher erläutert wird. Hierzu weist die Auswerteeinrichtung 42 eine Messwertaufnahmeeinrichtung 44 zum Aufnehmen von Messwerten zu vorbestimmten Zeiten einer Messperiode, eine Bewertungseinrichtung 46 zur Bewertung der zu unterschiedlichen Zeiten einer Messperiode aufgenommenen Messwerte und einen Speicher 48 zum Speichern einer Information über die Bewertung auf.
-
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Magnetfelderzeugungsspule Lg und eine Treiberschaltung 50 zum Treiben der Magnetfelderzeugungsspule Lg auf. Die Treiberschaltung 50 versorgt die Magnetfelderzeugungsspule Lg (auch als Primärspule bezeichnet) mit einem sich periodisch verändernden Strom, z.B. einem sich mit einer vorbestimmten Frequenz f und somit einer vorbestimmten Periode T= 1/f ändernden Rechteckstrom, Sinusstrom, Sägezahnstrom oder dergleichen. Beispielsweise liegt die Frequenz im Bereich von 1 KHz bis 200 kHz.
-
Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form von Detektorspulen A1, A2, B1, B2 (auch Messspulen oder Sekundärspulen genannt) oder von Festkörpermagnetfeldsensoren 27 und die Auswerteeinrichtung 42 zum Auswerten der Signale der Magnetfeldsensoren 26 auf.
-
Die in 1 mit Blick auf die auf das Testobjekt 14 zu richtende Vorderseite gezeigte Ausführungsform des Sensorkopfs 10 ist in 3 von der Seite gezeigt. Diese Ausführungsform weist zwei als erste Detektorspulen A1, A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Detektorspulen B1, B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1, A2, B1, B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 auf einem gemeinsamen Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Dabei ist mittig die Magnetfelderzeugungsspule Lg - hier ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 - vorgesehen, wobei sich die ersten Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.
-
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorkopfes 10 mit einer V-Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - z.B. die erste Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-1 winkelförmig zueinander angeordnet mit der Magnetfelderzeugungsspule Lg an der Spitze der Winkelform vorgesehen sind.
-
Wie 4 zeigt, können anstatt Detektorspulen auch Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2 vorgesehen sein.
-
5 zeigt eine Ausführungsform des Sensorkopfes 10, bei der die Spulen - Detektorspulen A1, A2, B1, B2 und Magnetfelderzeugungsspule Lg - als Planarspulen 34 in einem Leiterplattenelement 36 - z.B. ausgeführt als PCB-Platten - vorgesehen sind.
-
Wie dies in den unterschiedlichen Literaturstellen D1-D7 beschrieben ist, liefern die Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2 ein Magnetfeldparametersignal, welches von der Belastung an dem Testobjekt abhängt. Beispielsweise wird bei der x-Anordnung 28 das Magnetfeldparametersignal aus den Signalen der Detektorspulen A1, A2, B1 und B2 wie in der D7 beschrieben verarbeitet, um als Magnetfeldparametersignal die Differenz des Spulenpaares A-B zu ermitteln.
-
Das Magnetfeldparametersignal folgt mit einer Phasenverschiebung der periodischen Veränderung des Erregerstromes, welche auf die Magnetfelderzeugungsspule Lg auferlegt wird.
-
6 zeigt ein Beispiel für ein Magnetfeldparametersignal, welches durch die Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2 bei Auferlegung eines Rechteckstromes auf die Magnetfelderzeugungsspule Lg entsteht. Der Ausgang der Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2 wird auf die Auswerteinrichtung 42 gelegt. Diese enthält einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler, der Teil der Messwertaufnahmeeinrichtung 44 ist. Die Messwertaufnahmeeinrichtung 44 nimmt den jeweiligen Magnetfeldparametersignalwert zu unterschiedlichen Stützstellen (Vektoren) auf, die durch Ziffern auf der x-Achse von 6 dargestellt sind. 6 stellt eine Periode der Sekundarmesskurve - Magnetfeldparametersignal - bei einer Anregung mit einem Rechtecksignal auf der Primärseite dar. Das hier dargestellte Magnetfeldparametersignal auf der Sekundärseite folgt mit einer Phasenverschiebung der Anregung auf der Primärseite, d.h. mit einer entsprechenden Periode wie auf der Primärseite. Diese Periode wird hier mit 25 Stützstellen abgetastet. Jede der Stützstellen liegt an einem vorbestimmten Zeitpunkt innerhalb der Periode.
-
In der Bewertungseinrichtung 46 wird jede dieser Stützstellen auf ihre Eignung zum genaueren Messen von Belastungen bewertet.
-
Beispielsweise kann nach einem ersten Aufbau der Belastungsmessanordnung 16 oder einem ersten oder erneuten Starten der Belastungsmessvorrichtung 12 eine Kalibrierung oder ein Lernprozess durchgeführt werden, in der eine Bewertung jeder dieser Stützstellen durchgeführt wird.
-
Hierbei wird das Testobjekt 14 mit einer vorbestimmten Belastung beansprucht. In dem Folgenden näher dargestellten Beispiel wird hierzu das Testobjekt mit einer linear ansteigenden und einer entsprechend linear abfallenden Belastung beaufschlagt und während des Ansteigens bzw. des Absteigens des Magnetfeldparametersignals mehrmals entsprechend 6 ausgelesen und dabei jeder Stützpunkt 1 bis 25 bewertet.
-
Beispielsweise wird ein Drehmoment an einer Welle als Testobjekt 14 gemessen. Hierzu wird die Welle als Testobjekt 14 zunächst mit einem gleichmäßig linear ansteigenden Drehmoment in die eine Drehrichtung bis zu einem Maximalwert belastet und anschließend das Drehmoment gleichmäßig wieder verringert und weiter in die andere Richtung ansteigend bis ebenfalls zu einem Extremwert belastet und anschließend wieder auf Null gefahren.
-
Auf der x-Achse von 7 ist das auferlegte Drehmoment dargestellt, die y-Achse zeigt das Messsignal. Mit dem Bezugszeichen 52 ist die Idealmesskurve angegeben, und mit dem Bezugszeichen 54 ist die Realmesskurve angegeben. Aufgrund der Hysterese weicht die Realmesskurve 54 von der Idealmesskurve 52 ab.
-
8 zeigt dagegen eine entsprechende Kurve ähnlich wie in 7, wobei jedoch nicht alle Stützstellen aus der in 6 dargestellten Sekundärmesskurve berücksichtigt worden sind, sondern nur einige Stützstellen. Es ist aus 8 zu erkennen, dass eine deutliche Verringerung des Hysteresefehlers erreichbar ist.
-
6 zeigt demnach die Signalform auf der Sekundärseite mit 25 Stützstellen, die vom Analog-Digital-Wandler bei einer Anregung mit einem Rechtecksignal auf der Primärseite erfasst worden sind.
-
Die 7 und 8 zeigen zwei Messkurven, die beide aus demselben Datensatz extrahiert worden sind. 7 zeigt eine Messkurve, bei der alle 25 Stützstellen für die Berechnung verwendet wurden. In der Messkurve von 8 wurden dagegen nur bestimmte Stützstellen aus der Messkurve berücksichtigt. Es ist ersichtlich, dass eine Reduktion der Hysterese von circa 6% bei 7 auf weniger als 0,5% bei 8 erreichbar ist.
-
Im Folgenden wird anhand der 9 erläutert, wie Stützstellen, welche für die Messkurve berücksichtigt werden sollen, ermittelt werden. 9 zeigt eine exemplarische Darstellung, wie die hier beispielhaft dargestellten Stützstellen 1, 6 und 10 der 26 Stützstellen einer Sekundärperiode sich über eine sich linear veränderte Drehmomentbelastung verhalten. Die unterschiedlichen Stützstellen 1, 6 und 10 haben eine unterschiedliche Sensitivität, aber auch unterschiedliche Hysteresen, Temperaturverhalten und andere Messeffekte.
-
Durch eine entsprechende Kalibrierbelastung mit linearem Drehmomentanstieg und Drehmomentabfall und Bewerten der an den einzelnen Stützstellen erhaltenen Datensätze ermittelt die Bewertungseinrichtung 46 das Hysterese-zu-Signal-Verhältnis für jede der Stützstellen. Die entsprechende Information kann in dem Speicher 48 abgelegt werden.
-
Bei anschließenden Messungen werden durch die Auswerteeinrichtung 42 nur die Messwerte derjenigen Stützstellen berücksichtigt, die das Beste, also das geringste, Hysterese-zu-Signal-Verhältnis aufweisen. Die Messwerte von Stützstellen, die das höchste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis aufweist, werden für den Erhalt des Messsignals nicht berücksichtigt.
-
Wenn sich beispielsweise bei dem Lernprozess ergibt, dass die Stützstellen 4-9 und 12-16 das geringste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis aufweisen, werden bei anschließenden Messungen durch die Messwertaufnahmeeinrichtung 44 nur Messwerte an diesen Stützstellen 4 bis 9 und 12 bis 16 erhoben. Die Zeiträume der Periode, die außerhalb der Zeiträume mit den berücksichtigten Stützpunkten liegen, bleiben unberücksichtigt, d.h. es werden z.B. erst gar keine Messwerte aufgenommen an diesen Stützstellen aufgenommen.
-
Hierdurch lässt sich die in 8 gezeigte Messkurve mit deutlich verringertem Hysteresefehler erreichen. Insgesamt lässt sich somit eine Messung mit deutlich verringertem Hysteresefehler erreichen.
-
Bei der Ausgestaltung, wie sie in den 6 bis 9 gezeigt wurden, sind nur die Magnetfeldparametersignale der Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2 berücksichtigt worden.
-
Man kann aber auch Parameter an der Magnetfelderzeugungseinrichtung 18, wie beispielsweise den auf die Magnetfelderzeugungsspule Lg auferlegten Strom berücksichtigen. Hierdurch lässt sich eine B/H-Kennlinie erzeugen, aus der ebenfalls Messsignale generiert werden können.
-
10 zeigt eine typische B/H-Kennlinie, die mit einer Primärspule - Magnetfelderzeugungsspule Lg - und einer Sekundärspule - zum Beispiel eine der Detektorspulen A1, A2, B1 und B2 - aufgenommen wurde. Die Primärspule wurde mit einem Wechselfeld angeregt. Bei der Sekundärspule wurde über einen Shunt die Stromaufnahme gemessen.
-
Bei den Ausgestaltungen der 6 bis 9 wurde bisher nur der B-Anteil - zum Beispiel Induktionsspannung in der Sekundärseite - verwendet. Bei der gleichzeitigen Messung von B und H kann dagegen die in 10 gezeigte Kennlinie berechnet werden, und es kann aus dieser Kennlinie heraus ein Messsignal berechnet werden, welche sich linear zum Drehmoment verhält.
-
Wie man 10 entnehmen kann, ist die Hysterese bei der B/H-Kennlinie in einem mittleren Bereich des Graphen von 10 besonders hoch.
-
Analog zu der zuvor erläuterten Verfahrensweise, bei der aus der Messkurve von 6 nur einige der Stützpunkte zur Messsignal-Generierung herangezogen wurden, kann auch bei dem Heranziehen der B/H-Kennlinie nur ein Teil dieser Kennlinie berücksichtigt werden.
-
Beispielsweise werden zur Generierung des Messsignals nur die umrandeten Bereiche der B/H-Kennlinie aus 10 herangezogen, um das Messsignal zu generieren.
-
Aus der B/H-Kennlinie können zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden Messsignale generiert werden:
- - zum Beispiel die Veränderung der Steigung der Kennlinie dB/dH zur Berechnung der relativen Permeabilität
- - die Veränderung der Koerzitivfeldstärke - Hc
- - die Veränderung der Remanenz - Mr
- - die Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten
- - die Generierung eines Messsignals unter Betrachtung von dedizierten Bereichen, zum Beispiel den in 10 berandeten Bereichen
-
In 10 ist bei 56 der Verlauf der magnetischen Feldstärke H aufgetragen. Dies entspricht der Stromaufnahme der Magnetfelderzeugungsspule Lg. Bei 58 ist die magnetische Flussdichte B aufgetragen, die über die Stromaufnahme an einer der Detektorspulen A1, A2, B1 und B2 erhalten werden kann. Zur Aufnahme der Kennlinie von 10 kann zum Beispiel durch die Treiberschaltung 50 der Strom der Magnetfelderzeugungsspule Lg linear ansteigend und linear abfallend erhöht und erniedrigt werden und dann einerseits beim Ansteigen und andererseits beim Abfallen zu jedem Wert H auf der Primärseite der entsprechende Wert B auf der Sekundärseite zugeordnet werden. Dies kann auch über die Messperioden bei entsprechender Anregung mit der Frequenz f erfolgen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Sensorkopf
- 11
- Messbereich
- 12
- Belastungsmessvorrichtung
- 14
- Testobjekt
- 16
- Belastungsmessanordnung
- 18
- Magnetfelderzeugungseinrichtung
- 20
- erste Magnetfelderfassungseinrichtung
- 22
- zweite Magnetfelderfassungseinrichtung
- 26
- Magnetfeldsensor
- 26-1
- erster Magnetfeldsensor
- 26-2
- zweiter Magnetfeldsensor
- 27
- Festkörpermagnetfeldsensor
- 28
- X-Anordnung
- 30
- Flusskonzentrator
- 32
- V-Anordnung
- 34
- Planarspule
- 36
- Leiterplattenelement
- 42
- Auswerteeinrichtung
- 44
- Messwertaufnahmeeinrichtung
- 46
- Bewertungseinrichtung
- 48
- Speicher
- 50
- Treiberschaltung
- 51
- Magnetfeldparametersignal
- 52
- Idealmesskurve
- 54
- Realmesskurve
- 56
- magnetische Feldstärke H
- 58
- magnetische Flussdichte B
- A1
- erste Detektorspule
- A2
- zweite Detektorspule
- B1
- dritte Detektorspule
- B2
- vierte Detektorspule
- Lg
- Magnetfelderzeugungsspule
