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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer auf einen magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung und zur gleichzeitigen Erkennung eines potentiellen externen Magnetfeldes, das auf die magnetoelastische Erfassung einwirkt. Darüber hinaus dient das Verfahren zur Zuordnung eines nicht beanspruchungsbezogenen Einflusses auf die magnetoelastische Erfassung, der durch das potentielle externe Magnetfeld beeinflusst wird.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Sensor zur Messung einer auf einen magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung und zur gleichzeitigen Erkennung eines potentiellen externen Magnetfeldes, das auf die magnetoelastische Erfassung einwirkt. Das Verfahren umfasst die in Anspruch 1 genannten Schritte. Der Sensor betrifft die in Anspruch 4 genannten Merkmale.
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Stand der Technik
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Magnetoelastische Sensoren sind im Stand der Technik weithin bekannt. Diese berührungslose Sensorik nutzt grundlegende mechanische und magnetische Eigenschaften des Materials zur Messung verschiedener Verfahrensparameter. Das Verfahren umfasst die Messung von Veränderungen der Eigenschaften von remanenten Magnetfeldern, wenn sich die mechanischen Eigenschaften ändern, wie beispielsweise Scherbeanspruchungen, wenn äußere Kräfte auf den Sensor-Host aufgebracht werden. Die Technologie wird angewendet, indem ein mechanisches Element direkt magnetisiert wird, anstatt zusätzliche Elemente, wie beispielsweise einen Ring oder Dehnungsmessstreifen, anzubringen. Hochempfindliche Fluxgate-Sensoren, die sich in unmittelbarer Nähe des magnetisierten Elements befinden, erfassen die Veränderung der Magnetfeldeigenschaften, die proportional zur aufgebrachten Kraft sind. Diese Veränderungen erfolgen linear und wiederholbar innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials und sind sowohl unter normalen als auch unter erweiterten Betriebsbedingungen präzise.
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Konkrete Ausführungsformen dieser Technologie nutzen eine so genannte Dual-Band-Magnetisierung. Sie umfasst einen magnetoelastischen Körper mit zwei Magnetzonen. Der Begriff „Magnetzone“ sowie die Begriffe „Magnetband“ und „Magnetspur“ werden häufig als Synonyme verwendet. Dies ist auch hier der Fall. Die Magnetzonen werden mit Hilfe ebenfalls bekannter Verfahren magnetisiert.
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Die Magnetisierung der beiden Magnetzonen ist jeweils entgegengesetzt gerichtet. Die beiden Magnetzonen bilden eine sogenannte Dual-Band-Konfiguration. Ein oder mehrere Sensoren, die eine Vielzahl von Spulen verwenden, sind den Zonen zugeordnet.
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Eine konkrete Ausgestaltung dieser Technologie wird in der
US 8,893,562 B2 beschrieben, die eine Drehmomentsensorvorrichtung zur Messung des auf eine drehbare Welle aufgebrachten Drehmoments zeigt. Die Drehmomentsensorvorrichtung misst darüber hinaus das Magnetfeldrauschen, z. B. externe Magnetfelder, die auf die Vorrichtung einwirken. Die Vorrichtung kann sowohl in einem Gleichtaktakzeptanzmodus als auch in einem Differenzmodus, d. h. dem Rauschunterdrückungsmodus, betrieben werden. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schaltkreis umfasst, durch den der Betrieb der Magnetfeldsensoren vom Gleichtaktakzeptanzmodus in den Differenzmodus und umgekehrt geschaltet werden kann. Somit ermöglicht es die Schaltfunktion, dass die Vorrichtung auch in einem differenziellen Rauschunterdrückungsmodus sowie in einem Gleichtaktakzeptanzmodus zur Bestimmung des auf die drehbare Welle aufgebrachten Drehmoments betrieben werden kann. Die Bestimmung basiert auf Ausgangssignalen, die von Magnetfeldsensoren erhalten werden. Der Sensor weist ein Paar Sensorspulen auf. Durch Schalten kann der Sensor sowohl im Gleichtaktakzeptanzmodus als auch im Gleichtaktunterdrückungsmodus betrieben werden. Die Vorrichtung ist in der Lage, ein drehmomentinduziertes Magnetfeld genau zu messen. Die Vorrichtung ist darüber hinaus in der Lage, durch rauschinduzierte Magnetfelder verursachte Messfehler zu beseitigen.
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Auch wenn dieser Stand der Technik eine Verbesserung der seinerzeit vorhandenen magnetoelastischen Sensorik darstellt, so führt er doch zu einigen Auswirkungen, die einer Verbesserung bedürfen und die im Folgenden kurz zusammengefasst werden:
- Ein Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass die bekannten Verfahren komplexe mathematische Gleichungen zur Kompensation externer Magnetfelder erfordern.
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Das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren misst den Betrag des auf eine Drehmomentsensorvorrichtung aufgebrachten Drehmoments, wobei es die Schritte der Bereitstellung eines magnetoelastischen Drehmoments an einen Magnetfeldwandler umfasst. Es ist dabei von Bedeutung, dass der Wandler einen ersten magnetisch konditionierten Bereich und einen zweiten, entgegengesetzt polarisierten, magnetisch konditionierten Bereich aufweist.
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Dabei ist ein erster Magnetfeldsensor benachbart zum ersten magnetisch konditionierten Bereich angeordnet, wobei der erste Magnetfeldsensor eine Sensitivitätsrichtung aufweist.
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Ein zweiter Magnetfeldsensor ist in der Nähe des zweiten magnetisch konditionierten Bereichs angeordnet, wobei der zweite Magnetfeldsensor eine Sensitivitätsrichtung aufweist.
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Wenn der erste und der zweite Magnetfeldsensor in einen ersten Verbindungszustand versetzt werden, sind die Sensitivitätsrichtungen des ersten und des zweiten Magnetfeldsensors zueinander entgegengesetzt angeordnet. Somit werden sowohl vom ersten und als auch vom zweiten Magnetfeldsensor im ersten Verbindungszustand jeweils erste Ausgangssignale empfangen (Gleichtaktunterdrückung, auch als Differenzmodus bekannt und im Folgenden allgemein als Gleichtaktunterdrückung bezeichnet).
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Die vorstehend erwähnte Schaltfunktion versetzt den ersten und den zweiten Magnetfeldsensor in einen zweiten Verbindungszustand, wobei die Sensitivitätsrichtung des ersten und des zweiten Magnetfeldsensors identisch ist (Gleichtaktakzeptanz).
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Im zweiten Verbindungszustand werden zweite Ausgangssignale sowohl vom ersten als auch vom zweiten Magnetfeldsensor empfangen.
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Die auf die drehbare Welle aufgebrachte Beanspruchung wird auf der Grundlage des ersten und des zweiten Ausgangssignals gemessen.
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Dieses komplexe Verfahren bringt den Nachteil mit sich, dass das Verfahren einen Wechsel von einer Gleichtaktakzeptanz zu einer Gleichtaktunterdrückung erfordert. Dieser Wechsel wird durch Umschalten der Sensitivitätsrichtung einer Spule von Gleichtaktakzeptanz auf Gleichtaktunterdrückung erreicht.
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Es sind Schalter vorhanden, die den Wechsel von der Gleichtaktakzeptanz zur Gleichtaktunterdrückung erleichtern. Nach der Aktivierung kehren die Schalter die Sensitivitätsrichtung einer Spule effektiv um. Dies dient dazu, eine einwandfreie Funktion der Vorrichtung zur Beanspruchungserfassung zu gewährleisten.
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Die Durchführung der Umschaltung erfordert Zeit, und erst nach der Umschaltung erhält man wieder ein zuverlässiges Leseergebnis. Auch wenn die Umschaltzeit nur Bruchteile von Sekunden betragen kann, bedeutet dies, dass in dieser Umschaltzeit das gesamte Verfahren und die gesamte Vorrichtung keine Ergebnisse liefern können, d. h. das Verfahren und die Vorrichtung sind metaphorisch gesprochen „blind“. Somit sind der Kanal 1 und die zugehörigen Spulen vollkommen „blind“, wenn das Sensorsystem von Gleichtaktakzeptanz auf Gleichtaktunterdrückung und umgekehrt umgeschaltet wird. Informationen, die in dieser Zeitspanne hätten gesammelt werden können, sind endgültig verloren.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Messung einer auf einen magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung werden üblicherweise eine Vielzahl von einzelnen Magnetfeldsensoren verwendet. Diese Sensoren sind für die Messung von beanspruchungsinduzierten Signalen von Bedeutung.
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Darüber hinaus wird bei dem bekannten Verfahren zur Messung einer Beanspruchung das Multiplexen der Spulen und das Umschalten zwischen der Gleichtaktakzeptanz und der Gleichtaktunterdrückung angewendet. Das Multiplexen der Sensorspulen macht die Sensorsysteme jedoch hinsichtlich der Signalbandbreite relativ langsam.
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Ein weiterer Effekt des Standes der Technik in Bezug auf die Eliminierung magnetischer Einflüsse ist, dass durch die quasi automatische Durchführung dieses Eliminierungsprozesses auch die Sensitivität bei der Beanspruchungsmessung auf einen hohen Wert reduziert wird, was das gesamte Verfahren und die gesamte Vorrichtung häufig ziemlich ungenau macht.
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Ein weiterer technischer Ansatz wird in der
DE 10 2015 122 154 B4 verfolgt, die eine Vorrichtung zur Erfassung eines externen magnetischen Feldes und/oder eines produktbezogenen magnetischen Feldes auf einer ferromagnetischen Komponente, die eine Magnetisierung in Form von Magnetspuren aufweist, offenbart. Es ist eine Vorrichtung zur Erfassung eines externen magnetischen Feldes und/oder eines produktbezogenen magnetischen Feldes auf einer ferromagnetischen Komponente vorgesehen, die eine Magnetisierung in Form von Magnetspuren aufweist. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei Magnetfeldsensoren, die ein auf die ferromagnetische Komponente wirkendes externes Magnetfeld erfassen können. Jeder Magnetfeldsensor umfasst zwei Spulen, wobei jede Spule wenigstens einer Magnetspur zugeordnet ist. Je zwei Spulen sind so ausgestaltet, dass sie eine unterschiedliche Sensitivität zueinander aufweisen, wobei die eine Spule eine höhere Sensitivität gegenüber der anderen Spule aufweist. Die Spule mit der höheren Sensitivität stellt sicher, dass die Auswirkung eines externen magnetischen Feldes verstärkt wird. Die
DE 10 2015 122 154 B4 offenbart eine sogenannte Dual-Dual-Band-Konfiguration, wobei nachfolgend von einer Anordnung der ferromagnetischen Komponente mit drei Magnetspuren ausgegangen wird. Die drei jeweils zueinander entgegengerichteten Magnetspuren werden erfindungsgemäß axial zu einer ferromagnetischen Komponente jeweils von vier Magnetspulen erfasst, von denen jeweils zwei je einem (ersten und zweiten) Magnetfeldsensor zugeordnet sind (Dual-Dual-Band-Magnetisierung). Je eine Magnetspule zweier Magnetfeldsensoren erfasst somit wenigstens eine Magnetspur, nämlich in der Regel die mittlere bei drei zueinander entgegengerichteten Magnetspuren, von denen die benachbarten entgegengerichteten magnetisiert sind. Die Magnetfeldsensoren bzw. Magnetspulen sind zueinander und radial zur ferromagnetischen Komponente beabstandet angeordnet. Die Dual-Dual-Band-Sensoranordnung dient der besseren und differenzierteren Evaluierung eines Ist-Zustandes oder möglicher Abweichungen, z. B. infolge von Störungen und Fehlern, des zu überprüfenden Produktes, weil man hierdurch wenigstens zwei Vergleichsgrößen erhält, die sich aus der jeweiligen Spannung mindestens zweier Magnetspuren durch einen Magnetfeldsensor und der Spannung mindestens zweier Magnetspuren durch einen weiteren Magnetfeldsensor erfassen lassen. Ferner wird durch die räumlich enge Anordnung der Magnetspuren ermöglicht, dass zwischen den Positionen der Magnetspurkanäle die externen Magnetfeldunterschiede möglichst gering sind. Die Vereinigung der Dual-Band-Zonen wird dadurch erreicht, dass die zweite Dual-Band-Anordnung axial verschoben und die mittlere Zone gemeinsam verwendet wird.
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Diese Dual-Dual-Band-Konfiguration ist ein hochgenaues System, das in allen relevanten Situationen perfekte und zuverlässige Ergebnisse liefert. Ein gewisser Nachteil unter bestimmten Umständen bei beengten Platzverhältnissen könnte jedoch sein, dass es wenigstens drei benachbart angeordnete Magnetzonen mit entgegengesetzter magnetischer Ausrichtung benötigt.
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Aufgaben der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile und Mängel zu vermeiden.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ebenso genau und zuverlässig sind wie die vorstehend erwähnte Dual-Dual-Band-Technologie, die sich jedoch besser für den Einsatz bei beengten Platzverhältnissen eignen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Situation vorübergehender „Blindheit“ zu vermeiden, wenn ein Verfahren zur Messung und Erkennung des Vorhandenseins und des Effekts eines externen Magnetfeldes sowie einer Beanspruchung und/oder einer Beanspruchung, die auf einen magnetoelastischen Körper aufgebracht wird, durchgeführt wird.
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Unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes zeigen moderne Anwendungen zur Messung eines Drehmoments und/oder einer Beanspruchung häufig ein Drehmoment und/oder eine Beanspruchung an, obwohl auf den magnetoelastischen Körper, der erfasst wird, kein Drehmoment oder keine Beanspruchung aufgebracht wird. Dies mag darauf zurückzuführen sein, dass der Sensor zur Messung eines Drehmoments oder einer Beanspruchung wenigstens bis zu einem gewissen Grad auf ein vorhandenes externes Magnetfeld reagiert. Daher kann ein solcher - in vielen Fällen unbeabsichtigter - Einfluss eines externen Magnetfeldes auf eine Vorrichtung zur Drehmoment- bzw. Beanspruchungserfassung die Komponenten, die mit diesem magnetoelastischen Körper verbunden sind, und dessen erfassten magnetoelastischen Zustand negativ beeinflussen.
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Darüber hinaus ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Anforderungen des Sicherheitsintegritätslevels (englisch: safety integrity level, SIL) erfüllen. Solche Anforderungen des Sicherheitsintegritätslevels sind in den unterschiedlichsten wirtschaftlichen und/oder technischen Anwendungen von Bedeutung, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in anderen Bereichen. Diese spezifischen Anwendungen erfordern extrem schnelle und genaue Messungen von Drehmoment und/oder Beanspruchung und externen magnetischen Einflüssen. Sie müssen auch einen gewissen Grad mit zumindest einer gewissen Möglichkeit erreichen, falsche Signale oder ein falsches Signalverhalten zu erkennen.
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Darüber hinaus zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die zum einen einfach und kostengünstig, zum anderen aber dennoch hochgenau sind.
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Lösung der Aufgaben
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Die vorstehend genannten Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Darüber hinaus werden die vorstehend genannten Aufgaben durch einen Sensor nach Anspruch 4 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Einsatzbereiche dieser Erfindung ermöglichen die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein die Erfindung nicht einschränkendes Beispiel ist die Umsetzung der Erfindung im Antriebsaggregat eines Elektrofahrrades (Pedelec). Diese Umsetzung erfordert eine leichte, schlanke und platzsparende Bauweise.
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In vielen Fällen wird ein Drehmoment oder eine Beanspruchung auf einen magnetisierten Körper aufgebracht, und die Größe des Drehmoments wird dann von einem Sensor erfasst.
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Im Beispiel eines Pedelec könnte der magnetisierte Körper eine Welle sein, die in einem Antriebsstrang des Pedelec angeordnet ist.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet die vorstehend genannten negativen Bedingungen, unter denen ein externes Magnetfeld die Ergebnisse der Drehmoment- und/oder Beanspruchungsmessung beeinflusst, indem es fälschlicherweise das Vorhandensein oder die Größe eines Drehmoments oder einer Beanspruchung anzeigt, obwohl auf den magnetoelastischen Körper, der erfasst wird, kein oder ein geringeres Drehmoment oder eine geringere Beanspruchung aufgebracht wird oder wurde. Die vorliegende Erfindung hilft somit, falsche Schlussfolgerungen im Falle eines - in vielen Fällen unbeabsichtigten - Einflusses eines externen Magnetfeldes auf eine Drehmoment- bzw. Beanspruchungsmessvorrichtung zu vermeiden und dadurch einen negativen Einfluss dieser Ergebnisse auf Komponenten, die mit diesem magnetoelastischen Körper verbunden sind, und dessen erfassten magnetoelastischen Zustand, zu vermeiden.
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Die erfindungsgemäße Technologie benötigt nur wenig Platz und ist dennoch hochgenau und zuverlässig.
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Es wird dargelegt, dass es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass keine dritte oder weitere magnetisierte Spur auf dem magnetoelastischen Körper mehr erforderlich ist, was eine Verkleinerung der Größe des gesamten Sensors ermöglicht.
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So lässt sich die Größe des Sensors durch die Verwendung von nur zwei Magnetzonen auf dem magnetoelastischen Körper erfolgreich verringern. Die Erfindung funktioniert perfekt, indem lediglich eine Dual-Band-Konfiguration verwendet wird, d. h. eine Konfiguration, die weniger Platz, weniger Elektronik und weniger Komplexität erfordert. Selbstverständlich würde ein Hinzufügen einer oder mehrerer Magnetspuren die Erfindung nicht negativ beeinflussen, d. h. die Erfindung funktioniert auch in einem solchen Fall.
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Der magnetoelastische Effekt, der durch ein Drehmoment und/oder eine Beanspruchung im magnetoelastischen Körper auftritt, führt zu einem Unterschied gegenüber dem Zustand, in dem kein Drehmoment und/oder keine Beanspruchung auf den Körper aufgebracht wird, was in einer Magnetfeldänderung zum Ausdruck kommt und den Einfluss des Drehmoments bzw. der Beanspruchung zeigt, die auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht werden, wobei die Situation vom Magnetfeldsensor gemessen wird.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu vorgesehen, einen nicht drehmomentbezogenen Einfluss, der durch ein potentielles externes Magnetfeld auf den magnetoelastischen Sensor einwirkt, zu erkennen und zuzuordnen.
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Erfindungsgemäß werden die Ergebnisse des erkannten externen Magnetfeldes den Ergebnissen der gemessenen Beanspruchung zugeordnet. Außerdem wird ein Schwellenwert definiert, um festzulegen, ob ein bestimmtes Ergebnis der gemessenen Beanspruchung auf das externe Magnetfeld zurückzuführen ist. Der Schwellenwert kann auch als Grenzbereich oder Grenzwert zur Bestimmung der Relevanz des externen Magnetfeldes bezeichnet werden.
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So kann ein Anwender dieser Technologie seine(n) eigene(n), zum Beispiel empirisch evaluierte(n) Grenzbereich(e) oder Grenzwert(e) festlegen, um die Relevanz des externen Magnetfeldes zu bestimmen, das das Ergebnis der Messung des Drehmoments und/oder der Beanspruchung beeinflusst, die auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht - oder auch nicht aufgebracht - werden. Durch die Definition dieser Zuordnung der Ergebnisse eines erkannten externen Magnetfeldes zu den Ergebnissen eines gemessenen Drehmoments und/oder einer gemessenen Beanspruchung und durch die Definition dieser/dieser Grenzbereich(e) oder Grenzwert(e) kann der Anwender dieser Technologie, zum Beispiel der Hersteller eines Pedelec, im Voraus festlegen, ob ein bestimmtes Ergebnis des erkannten externen Magnetfeldes auf das auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachte Drehmoment und/oder die auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachte Beanspruchung oder auf den Nicht-Beanspruchungsfaktor eines externen Magnetfeldes zurückgeführt werden sollte.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren durchgeführt und eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen Sensor umfassen, der in der Lage ist, das Vorhandensein eines externen Magnetfeldes und dessen Effekt auf eine gleichzeitige Messung von Drehmoment und/oder Beanspruchung in Bezug auf einen magnetoelastischen Körper zuzuordnen. Insbesondere werden erfindungsgemäß die Ergebnisse der Erkennung des Vorhandenseins eines externen Magnetfeldes mit den Ergebnissen der gleichzeitigen Messung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachten Drehmoments und/oder einer auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung korreliert.
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Insbesondere ermöglicht die Erfindung dem Benutzer der Vorrichtung und dem Anwender des Verfahrens die Zuordnung eines Schwellenwertes, anhand dessen bestimmte über- oder unterschreitende Ergebnisse der Messung und der Erkennung des Vorhandenseins und des Effekts eines externen Magnetfeldes sowie eines auf einen magnetoelastischen Körper aufgebrachten Drehmoments und/oder einer auf diesen aufgebrachten Beanspruchung je nach den Erfordernissen auf dem spezifischen Anwendungsgebiet für weitere Schritte individuell angepasst, einbezogen oder ausgeschlossen werden können.
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Da die Begriffe „Beanspruchung“ und „Drehmoment“ bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung als Synonyme verwendet werden, wird der Begriff „Beanspruchung“ als „pars pro toto“ verwendet, d. h. er schließt die Bedeutung des Begriffs „Drehmoment“ ein oder umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung einer Beanspruchung und zur Erkennung eines potentiellen externen Magnetfeldes, das auf den magnetoelastischen Körper einwirkt, umfasst die folgenden Schritte:
- - Verwendung wenigstens zweier Magnetzonen mit zueinander entgegengesetzter magnetischer Ausrichtung auf dem magnetoelastischen Sensor und
- - Bereitstellung wenigstens eines Sensors, der wenigstens einen ersten Kanal 1 und einen zweiten Kanal 2 umfasst, wobei
- -- der erste Kanal 1 und der zweite Kanal 2 wenigstens je zwei Spulen umfassen, wobei die beiden Spulen axial ausgerichtet sind,
- -- die wenigstens zwei Spulen jeweils benachbart zur magnetisierten Zone des magnetoelastischen Körpers angeordnet sind,
- -- die beiden Kanäle 1 und 2 eine unterschiedliche Sensitivität aufweisen,
- - Einstellung des ersten Kanals 1 als Gleichtaktunterdrückungskanal (englisch: common mode rejection channel) und
- - Einstellung des zweiten Kanals 2 als Gleichtaktakzeptanzkanal (englisch: common mode acceptance channel),
- - Auslesung der magnetisierten Zonen, wenn eine Beanspruchung auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht wird,
- - Messung der auf die magnetisierten Zonen des magnetoelastischen Körpers aufgebrachten Beanspruchung durch den ersten Kanal 1 relativ zu einem elektrischen Strom, der durch die wenigstens zwei Spulen des ersten Kanals 1 in einer entgegengesetzten Richtung zu einem Mittelabgriff (englisch: center tap, CT) fließt und zu einer entgegengesetzten Sensitivitätsrichtung führt, (Gleichtaktunterdrückung),
- - Erkennung der Auswirkung des externen Magnetfeldes auf die magnetisierten Zonen des magnetoelastischen Körpers im Wesentlichen durch den zweiten Kanal 2 relativ zu einem elektrischen Strom, der durch die wenigstens zwei Spulen des zweiten Kanals 2 in einer identischen Richtung zum Mittelabgriff fließt und zu einer identischen Sensitivitätsrichtung führt, (Gleichtaktakzeptanz),
- - Bereitstellung einer Verstärkungsdifferenz, wobei die Sensitivität der einzelnen Kanäle 1, 2 um den gleichen Betrag oder um einen anderen Betrag erhöht wird.
Sensor zur Messung einer auf einen magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung und zur gleichzeitigen Erkennung eines potentiellen externen Magnetfeldes, das auf den magnetoelastischen Sensor einwirkt, und zur Zuordnung eines nicht beanspruchungsbezogenen Einflusses, der durch das potentielle externe Magnetfeld beeinflusst wird, auf den magnetoelastischen Sensor
- - wobei der Sensor derart ausgebildet ist, dass er in der Lage ist, mit dem magnetoelastischen Körper, der wenigstens zwei Magnetzonen mit zueinander entgegengesetzter magnetischer Ausrichtung aufweist, in Wechselwirkung zu treten,
- - wobei der Sensor wenigstens einen ersten Kanal 1 und einen zweiten Kanal 2 umfasst,
- -- wobei der Kanal 1 und der Kanal 2 wenigstens je zwei Spulen umfassen, wobei die beiden Spulen axial ausgerichtet sind,
- -- wobei die wenigstens zwei Spulen jeweils derart ausgebildet sind, dass sie benachbart zur magnetisierten Zone des magnetoelastischen Körpers angeordnet sein können,
- -- wobei die beiden Kanäle 1, 2 derart ausgebildet sind, dass sie eine unterschiedliche Sensitivität aufweisen,
- -- wobei der erste Kanal 1 als Gleichtaktunterdrückungskanal eingestellt ist und
- -- wobei der zweite Kanal 2 als Gleichtaktakzeptanzkanal eingestellt ist,
- --- wobei der erste Kanal 1 und der zweite Kanal 2 derart ausgebildet sind, dass sie in der Lage sind, die magnetisierten Zonen des magnetoelastischen Körpers auszulesen, wenn eine Beanspruchung auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht wird und das externe Magnetfeld auf den magnetoelastischen Sensor einwirkt,
- --- wobei der erste Kanal 1 derart ausgebildet ist, dass er in der Lage ist, die auf die magnetisierten Zonen des magnetoelastischen Körpers aufgebrachte Beanspruchung relativ zu einem elektrischen Strom zu messen, der durch die wenigstens zwei Spulen des ersten Kanals 1 in einer zu einem Mittelabgriff entgegengesetzten Richtung fließt und zu einer entgegengesetzten Sensitivitätsrichtung führt,
- --- wobei der zweite Kanal 2 derart ausgebildet ist, dass er in der Lage ist, den Effekt des externen Magnetfeldes auf den Kanal 1 relativ zu einem elektrischen Strom zu erkennen, der durch die wenigstens zwei Spulen des zweiten Kanals 2 in einer identischen Richtung zum Mittelabgriff fließt und zu einer identischen Sensitivitätsrichtung führt.
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Vorzugsweise ist der Sensor in der Lage, eine Verstärkungsdifferenz bereitzustellen, wobei die Sensitivität der einzelnen Kanäle 1, 2 um den gleichen Betrag oder um einen anderen Betrag erhöht wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung ausführlicher beschrieben. Zunächst werden jedoch die relevanten Komponenten und Merkmale erläutert, die für die Durchführung des Verfahrens und für den zu erzielenden Sensor erforderlich sind.
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Sensor
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Bei dem Sensor im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Magnetfeldsensor. Daher wird der Sensor auch als Magnetfeldsensor bezeichnet.
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Erfindungsgemäß umfasst der Sensor wenigstens zwei Kanäle 1, 2. Jeder Kanal 1, 2 weist wenigstens zwei Spulen auf.
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Der Sensor umfasst des Weiteren wenigstens die Antriebe (englisch: drives) A, B. Die Antriebe A, B stellen die Verdrahtung dar und verbinden die Spulen mit den Kanälen 1, 2 und wenigstens zwei Mittelabgriffen, und zwar einen für jeden Kanal. Der Antrieb A dient dazu, wenigstens die entsprechenden Spulen mit dem Mittelabgriff der Kanäle 1 und 2 zu verbinden. Der Antrieb B dient dazu, wenigstens die entsprechenden Spulen mit dem Mittelabgriff des Kanals 2 zu verbinden.
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Der Sensor weist Mittel zur Messung des Stroms auf, der vom Antrieb A zum Antrieb B über den Mittelabgriff der einzelnen Kanäle fließt oder umgekehrt, wobei der Strom von den Antrieben zum Mittelabgriff fließt.
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Der Sensor verwendet darüber hinaus wenigstens zwei auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachte Magnetspuren und misst die auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachte Beanspruchung.
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Um die Polarität der Spule umzukehren, damit sich die Flussrichtung des Stroms innerhalb der Spule umkehrt, muss der Mittelabgriff an die geänderte Flussrichtung des Stroms angepasst werden.
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Wenn sich der Stromfluss in der betreffenden Spule umkehrt, kehrt sich somit auch die Messrichtung in der einzelnen Spule um.
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Drehmoment respektive Beanspruchung
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Die vorliegende Erfindung bezeichnet mit dem Begriff „Drehmoment“ die Kraft, die über einen Impuls auf ein Objekt, z. B. einen magnetoelastischen Körper, aufgebracht wird. Das „Drehmoment“ ist eine konkrete Ausführungsform einer „Beanspruchung“, die auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht wird.
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Die Begriffe „Drehmoment“ und „Beanspruchung“ werden als Synonyme verwendet. Im Folgenden wird der Begriff „Beanspruchung“ für beide Erscheinungsformen verwendet.
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Magnetoelastischer Körper
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Ein magnetoelastischer Körper im Sinne der vorliegenden Erfindung ist per se bekannt.
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Der magnetoelastische Körper ist jede geeignete Ausführungsform, die in der Lage ist, eine Beanspruchung aufzunehmen. Er kann als Welle, als Zylinder oder in jeder geeigneten geometrischen Ausgestaltung ausgeführt sein. Er kann drehbar sein.
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Er umfasst wenigstens einen magnetoelastisch aktiven Bereich, der es dem Körper ermöglicht, eine magnetoelastisch relevante Beanspruchung aufzunehmen. Der magnetoelastische Bereich kann ein integraler und homogener Bestandteil des Körpers sein. Er unterliegt somit einem magnetoelastischen Effekt. Der magnetoelastische Effekt umfasst die Wechselwirkung zwischen sowohl einer mechanischen Beanspruchung als auch einer mechanischen Dehnung.
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Externes Magnetfeld
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Als externe Magnetfelder werden Magnetfelder bezeichnet, die nicht produktbezogen, d. h. drehmoment- oder beanspruchungsbezogen sind.
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Das produktbezogene Magnetfeld kann durch Aufbringen einer Beanspruchung auf den magnetoelastischen Körper erzeugt werden.
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Externe Magnetfelder können durch Fehler, Störeinwirkungen oder sonstige Einflüsse auf einen magnetoelastischen Sensor entstehen.
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Externe Magnetfelder können von Umwelteinflüssen herrühren, wie z. B. von Stromleitungen, Schienenleitungen, dem Erdmagnetfeld oder sonstigen Faktoren.
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Solche externen Magnetfelder können einen Einfluss auf die Erkennung und Messung eines „produktbezogenen“ Magnetfeldes haben. Dieser Einfluss wird durch die synonym verwendeten Begriffe „Wirkung“, „Effekt“ und/oder „Auswirkung“ beschrieben.
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Die externen Magnetfelder können Magnetfeldsensoren beeinflussen, die in erster Linie dazu bestimmt sind, produktbezogene Magnetfelder produktbezogenen Ursprungs zu messen.
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Spulen und Kanäle
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Erfindungsgemäß gibt es wenigstens einen Sensor zur Messung einer auf einen magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung und zur gleichzeitigen Erkennung eines potentiellen externen Magnetfeldes.
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Der Sensor umfasst wenigstens einen ersten Kanal 1 und einen zweiten Kanal 2. Der Kanal 1 des Sensors ist der für die Messung des Effekts der auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung relevante Kanal. Bis zu einem gewissen Grad erkennt der Kanal 1 einen Effekt eines externen Magnetfeldes auf den magnetoelastischen Sensor. Der Kanal 2 des Sensors erkennt nur den Effekt des externen Magnetfeldes auf den magnetoelastischen Körper. Der Kanal 2 misst keine beanspruchungsbezogenen Felder des magnetoelastischen Körpers.
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Die beiden Kanäle 1 und 2 umfassen jeweils wenigstens zwei Spulen.
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Jeder der vorstehend beschriebenen Magnetzonen des magnetoelastischen Körpers ist wenigstens eine Spule des Sensors zugeordnet.
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Da es wenigstens zwei magnetische Zonen gibt, sind pro Kanal 1, 2 des Sensors wenigstens zwei Spulen vorgesehen, die jeweils der entsprechenden Magnetzone zugeordnet sind.
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Im Bereich der Magnetzonen sind entsprechende Spulen des Kanals 1 und des Kanals 2 radial beabstandet vom magnetoelastischen Körper angeordnet.
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Die Spulen sind vorzugsweise in Umfangsrichtung um den magnetoelastischen Körper angeordnet. So sind in einer Vorderansicht der Spulenposition die Spulen des Kanals 1 in einer Position angeordnet, die hinter der Position der Spulen des Kanals 2 liegt oder umgekehrt.
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Um die Sensitivität des Kanals 1 und die Sensitivität des Kanals 2 zu erhöhen, sind wenigstens zwei Spulen, die den Kanal 1 oder den Kanal 2 darstellen, nebeneinander und tangential beabstandet vom magnetoelastischen Körper angeordnet.
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Der Sensor kann als Einpunkt-Sensor, Zweipunkt-Sensor oder Mehrpunkt-Sensor ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Einpunkt-Sensor relativ zum magnetoelastischen Körper angeordnet sein. Der Einpunkt-Sensor weist zwei Spulen (ein Spulenpaar) pro Kanal 1, 2 auf. Daher werden wenigstens vier Spulen verwendet. Im Falle eines Zweipunkt-Sensors sind pro Kanal 1, 2 zwei Spulenpaare vorhanden; hier werden wenigstens vier Spulen verwendet. Außerdem kann ein Vierpunkt-Sensor relativ zum magnetoelastischen Körper angeordnet sein; so sind jeweils zwei Kanäle 1, 2 sowohl in der 12-Uhr-Position als auch in der 3-Uhr-Position und in der 6-Uhr-Position und in der 9-Uhr-Position angeordnet, d. h. in dieser Ausgestaltung werden 16 Spulen verwendet.
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Die Anordnung der Spulen der einzelnen Kanäle 1, 2 bewirkt die Abgabe eines spezifischen Signals pro Spule jedes Kanals 1, 2.
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Die Signale werden von den vorstehend genannten Kanälen 1 und 2 weiterverarbeitet; die Art und Weise, wie dies geschieht, wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
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Entsprechend den beiden Sätzen von magnetzonenbezogenen Informationen wertet der erste Kanal 1 ein erstes Signal aus. Ebenso wertet der zweite Kanal 2 ein zweites Signal aus. Die beiden Signale werden verglichen und einander zugeordnet.
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Die Spulen des einen Kanals 1 sind in einer sogenannten Gleichtaktunterdrückung verbunden; die Spulen des anderen Kanals 2 sind in einer sogenannten Gleichtaktakzeptanz verbunden. Einzelheiten in diesem Zusammenhang werden nachstehend ausführlicher erläutert.
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Gleichtaktunterdrückung und Gleichtaktakzeptanz
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Dies bedeutet, dass bei dem Verfahren ein Dual-Band-System verwendet wird, bei dem die Magnetzonen mit wenigstens einem Kanal ausgelesen werden, der auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt ist. Der wenigstens eine weitere Kanal ist auf Gleichtaktakzeptanz eingestellt.
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Die Gleichtaktunterdrückung und die Gleichtaktakzeptanz sind in dem vorstehend erwähnten Patentdokument
US 8,893,562 B2 beschrieben. Diese Modi lassen sich wie folgt zusammenfassen. Beide Modi beschreiben einen elektrischen Verbindungszustand.
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Bei der Gleichtaktunterdrückung sind die wenigstens zwei Spulen des einen Kanals 1 des Sensors in einer solchen Konfiguration verbunden, dass die gleiche Anregungs-Sinuswelle durch jede der Spulen des jeweiligen Kanals 1 mit entgegengesetzt polarisierten Magnetfeldern übereinstimmt.
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Damit die Spulen der Kanäle 1 und 2 das externe Magnetfeld in der Gleichtaktunterdrückung erkennen, können die Spulen entsprechend einer sogenannten „Axialkette“ oder einer „Ringkette“ verbunden werden. Dadurch wird eine sogenannte Gleichtaktunterdrückungsanordnung der Spulen erreicht.
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Bei der Gleichtaktakzeptanz sind die wenigstens zwei Spulen des Kanals 2 des Sensors in einer solchen Konfiguration verbunden, dass die gleiche Anregungs-Sinuswelle durch jede der Spulen mit gleich polarisierten Magnetfeldern übereinstimmt.
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Die Spulen des Kanals 1 sind so miteinander verbunden, dass der Kanal 1 das auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachte Drehmoment misst. Zu diesem Zweck ist der Kanal 1 auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt. Bis zu einem gewissen Grad reagieren die Spulen des Kanals 1 jedoch auch auf das vorhandene externe Magnetfeld.
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Wenn ein Drehmoment auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht wird, ohne dass ein externes Magnetfeld vorhanden ist, zeigt der Kanal 1 in der Theorie eine Reaktion, d. h. es tritt eine Reaktion im Kanal 1 auf. Da jedoch - in der Theorie - kein externes Magnetfeld vorhanden ist, zeigt der Kanal 2, der das externe Magnetfeld erkennt, keine Reaktion.
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Wenn der Kanal 1 ein vorhandenes externes Magnetfeld - zumindest bis zu einem gewissen Grad - erfasst, nimmt er das vorhandene externe Magnetfeld „fälschlicherweise“ als eine zusätzliche Beanspruchung wahr, die auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht wird, obwohl tatsächlich keine oder eine geringere Beanspruchung auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht wird.
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Mit anderen Worten, der Kanal 1 des Sensors, der für die Erfassung der auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachten Beanspruchung verantwortlich ist, wird bis zu einem gewissen Grad durch das Vorhandensein des externen Magnetfeldes beeinflusst. So führt das Vorhandensein des externen Magnetfeldes dazu, dass der Kanal 1 des Sensors „fälschlicherweise“ eine Größe der Beanspruchung anzeigt, obwohl keine oder eine geringere Beanspruchung auf den magnetoelastischen Körper aufgebracht wird. Auf diese Weise wird das vom Kanal 1 des Sensors abgegebene Signal durch das Vorhandensein des externen Magnetfeldes verzerrt.
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Die Spulen des Kanals 2 sind so miteinander verbunden, dass der Kanal 2 das Vorhandensein des externen Magnetfeldes relativ zum magnetoelastischen Körper erkennt. Zu diesem Zweck ist der Kanal 2 auf Gleichtaktakzeptanz eingestellt. Die Spulen des Kanals 2 zeigen auch die Größe des vorhandenen externen Magnetfeldes an.
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Wie vorstehend erwähnt, reagieren die Spulen des Kanals 1 jedoch bis zu einem gewissen Grad auch auf das vorhandene externe Magnetfeld.
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Die Spulen des Kanals 2 sind so miteinander verbunden, dass externe Magnetfelder erkannt werden, während der Einfluss der aufgebrachten Beanspruchung aufgehoben wird. Dies bedeutet, dass im Falle der Erkennung eines externen Magnetfeldes der Effekt seiner Erkennung darin besteht, dass das Instrument bzw. dessen Graph, der dazu dient, die Ergebnisse der Erkennung sichtbar zu machen, eine Reaktion in Bezug auf den Kanal 2 zeigt, während beim Kanal 1 eine verminderte Reaktion vorliegt.
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Die Beschreibung der beiden vorstehenden Absätze bezieht sich auf eine ideale Situation, die in der Realität nicht unbedingt gegeben ist, die jedoch den bereits erwähnten Hauptunterschied zum Ausdruck bringt, dass die Spulen des Kanals 1 hauptsächlich die Beanspruchung messen und bis zu einem gewissen Grad das externe Magnetfeld erkennen, während die Spulen des Kanals 2 nur das externe Magnetfeld erkennen. Die beiden Kanäle 1 und 2 weisen daher eine unterschiedliche Sensitivität in Bezug auf das externe Magnetfeld auf.
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Der Kanal 1 zeigt das erfasste externe Magnetfeld als zusätzliche Größe der Beanspruchung an. Abhängig von der Größe des Signals, das vom Kanal 2 als Ergebnis des erkannten externen Magnetfeldes bereitgestellt wird, ist der Anwender dieser Technologie, der in der Regel nicht der Endanwender ist, in der Lage, die Anzeige der als Signal des Kanals 1 dargestellten zusätzlichen Größe korrekt dem Faktor des externen Magnetfeldes zuzuordnen und somit eine irrtümliche Zuordnung zu einem Beanspruchungsfaktor zu vermeiden.
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Wie diese Zuordnung vorgenommen wird, hängt von dem Bereich ab, in dem diese Technologie eingesetzt wird. Es können sowohl empirische Faktoren als auch technische oder andere Faktoren für die Anwendung dieser Zuordnung verwendet werden. Dadurch wird die Technologie für viele verschiedene technische und kommerzielle Bereiche nutzbar.
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Verstärkungsdifferenz
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Beim Vergleich der Ergebnisse der Mess- und Erkennungsschritte von Kanal 1 und Kanal 2 wird eine Verstärkungsdifferenz deutlich und muss identifiziert werden.
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Der Begriff „Verstärkungsdifferenz“ bezieht sich auf die Wahl einer anderen Verstärkungseinstellung, die notwendig wird, weil der eine Kanal 1 und der eine Kanal 2 hinsichtlich der Sensitivität gegenüber externen Magnetfeldeinflüssen jeweils deutlich unterschiedlich reagieren.
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Der Kanal 2, der auf Gleichtaktakzeptanz eingestellt ist, reagiert deutlich empfindlicher auf ein externes Magnetfeld. Im Gegensatz dazu ist der Kanal 1 auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt. Der Kanal 1 ist für die Messung des aufgebrachten Drehmoments ausgelegt, weist aber auch eine Sensitivität in Bezug auf das externe Magnetfeld auf. Die Sensitivität des Kanals 1 in Bezug auf das externe Magnetfeld ist jedoch geringer als die Sensitivität des Kanals 2 in Bezug auf das externe Magnetfeld.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die beiden Kanäle 1 und 2 umfassen jeweils wenigstens zwei Spulen. Die beiden Kanäle 1 und 2 weisen jeweils eine unterschiedliche Sensitivität auf. Insbesondere weisen sie jeweils eine unterschiedliche Sensitivität in Bezug auf das externe Magnetfeld auf.
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Die Beanspruchung, die auf den magnetoelastischen Körper und die zugehörigen magnetisierten Zonen aufgebracht wird, wird vom ersten Kanal 1 gemessen. Ein elektrischer Strom fließt durch die wenigstens zwei Spulen des ersten Kanals 1. Der Fluss des elektrischen Stroms durch die wenigstens zwei Spulen des ersten Kanals 1 ist in eine entgegengesetzte Richtung relativ zu einem Mittelabgriff gerichtet und führt somit zu einer entgegengesetzten Sensitivitätsrichtung.
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Wie bereits erwähnt, muss im Falle eines externen Magnetfeldes, das den Drehmomentsensor und den entsprechenden Kanal 1 beeinflusst, der Effekt des externen Magnetfeldes auf den Kanal 1 eliminiert werden. Das Signal des Kanals 1 muss gereinigt werden, da es durch den Effekt des externen Magnetfeldes auf den Sensor verzerrt wird.
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Der zweite Kanal 2 erkennt das Vorhandensein eines externen Magnetfeldes, das auf die magnetisierten Zonen des magnetoelastischen Körpers einwirkt. Die Erkennung der Auswirkung des externen Magnetfeldes durch den zweiten Kanal 2 erfolgt relativ zu einem elektrischen Strom, der durch die wenigstens zwei Spulen des zweiten Kanals 2 fließt.
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Jede der Spulen des Kanals 1 (erster Kanal) ist in einer Gleichtaktunterdrückung verbunden. Der Fluss des elektrischen Stroms zwischen den beiden Spulen in Richtung des Mittelabgriffs erfolgt in einer identischen Richtung und führt somit zu einer identischen Sensitivitätsrichtung.
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Mit anderen Worten, der Kanal 1 ist auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt, während der Kanal 2 eine Gleichtaktakzeptanz aufweist.
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Der Gleichtaktakzeptanzkanal 2 reagiert deutlich empfindlicher auf einen Einfluss eines externen Magnetfeldes als der Kanal 1.
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Im Falle des Kanals 1 ist es zwingend erforderlich, für den Kanal 2 eine andere Verstärkungseinstellung zu wählen.
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Anhand dieser und anderer Ausführungsformen, Vorteile und weiterer Merkmale der Erfindung, die im Folgenden ersichtlich werden, wird ein Beispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die nachstehende ausführliche Beschreibung der Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 stellt eine Seitenansicht eines magnetoelastischen Körpers mit zwei Magnetzonen nach dem Stand der Technik dar,
- 2a stellt eine schematische Ansicht eines Kanals 1 eines Sensors mit entsprechenden Spulen sowie die Verbindung der Antriebe A und B mit dem Mittelabgriff dar,
- 2b stellt eine schematische Ansicht eines Kanals 2 mit entsprechenden Spulen sowie die Verbindung der Antriebe A und B mit dem Mittelabgriff dar,
- 3 stellt den Einfluss der Beanspruchung sowohl auf den Kanal 1 als auch auf den Kanal 2 dar,
- 4 stellt ein Diagramm dar, das den Einfluss eines externen Magnetfeldes auf den Kanal 1 und den Kanal 2 zeigt,
- 5 stellt den magnetoelastischen Körper des Sensors in einer Seitenansicht und einer Vorderansicht dar,
- 6 stellt ein Diagramm dar, das eine Gleichtaktunterdrückungskonfiguration für den Sensor zur Messung einer Beanspruchung zeigt, und
- 7 stellt ein Diagramm dar, das eine Gleichtaktakzeptanzkonfiguration zur Erkennung eines potentiellen externen Magnetfeldes zeigt.
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1 stellt den magnetoelastischen Körper 6 mit zwei Magnetzonen 3, 7 dar.
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Jede Magnetzone 3, 7 weist eine Magnetisierungsrichtung 4, 5 auf.
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Die Magnetisierungsrichtungen 4, 5 sind zueinander entgegengesetzt ausgerichtet.
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2a stellt einen Kanal 1 eines Magnetfeldsensors 18 im Sinne der vorliegenden Erfindung dar. Der Kanal 1 misst die auf den magnetoelastischen Körper 6 aufgebrachte Beanspruchung.
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Der in 2a dargestellte Sensor 18 weist erfindungsgemäß wenigstens einen Kanal 1 auf.
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Der Sensor 18 umfasst wenigstens den Kanal 1, der wenigstens zwei Spulen 8, 9 aufweist. Der in 2a dargestellte Sensor 18 umfasst des Weiteren wenigstens die Antriebe A und B. Die Antriebe A und B stellen die Verdrahtung dar, die wenigstens die entsprechenden Spulen 8, 9 mit dem Abgriff (CT) des Kanals 1 verbindet. Der Sensor 18 weist darüber hinaus Mittel zur Messung des Stroms auf, der von den Antrieben A und B zum Mittelabgriff durch die einzelnen Spulen 8, 9 fließt (nicht dargestellt).
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Der erfindungsgemäße Sensor 18 wird als Magnetfeldsensor bezeichnet.
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Wenn eine Beanspruchung auf den magnetoelastischen Körper 6 aufgebracht wird, fließt der Strom in den Spulen 8, 9 des Kanals 1 jeweils in entgegengesetzten Richtungen, d. h. der Kanal 1 ist auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt.
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Der in 2a dargestellte erste Kanal 1 ist in der Lage, die auf die magnetisierten Zonen 3, 7 (nicht dargestellt) des magnetoelastischen Körpers 6 aufgebrachte Beanspruchung zu messen.
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In 2a ist der Kanal 1 auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt.
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2b stellt eine schematische Ansicht des Kanals 2 mit entsprechenden Spulen 8, 9 sowie die Verbindung der Antriebe A und B entsprechend der in 2a gezeigten schematischen Ansicht dar.
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In 2b ist jedoch der Kanal 2 dargestellt. Der zweite Kanal 2 ist derart ausgebildet, dass er den Effekt des externen Magnetfeldes auf den magnetoelastischen Sensor erkennt. Hier erfolgt der Fluss des Stroms 12, 13, 14, 15 durch die Spulen 8, 9 in einer identischen Richtung zum Mittelabgriff und führt somit zu einer identischen Sensitivitätsrichtung.
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Mit anderen Worten, wenn vom Kanal 2 ein externes Magnetfeld erkannt wird, das auf den magnetoelastischen Sensor 18 einwirkt, fließt der Strom 12, 13, 14, 15 in den Spulen 8, 9 der Kanäle 2 jeweils in die gleichen Richtungen. Somit ist der Kanal 2 auf Gleichtaktakzeptanz eingestellt.
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Um die Polarität der Spulen 8, 9 umzukehren, damit sich die Flussrichtung 12, 13, 14, 15 des Stroms innerhalb der Spule 8, 9 umkehrt, muss in 2a und 2b der Mittelabgriff an die geänderte Flussrichtung 12, 13, 14, 15 des Stroms angepasst werden. Wenn sich der Stromfluss in der betreffenden Spule 8, 9 umkehrt, kehrt sich somit auch die Messrichtung in den einzelnen Spulen 8, 9 um.
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3 sowie 4 stellen ein kartesisches Koordinatensystem dar. Auf der y-Achse sowohl der 3 als auch der 4 ist die Ausgangsspannung V zu erkennen.
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In 3 zeigt der Kanal 1 die Ergebnisse der Messung der auf den magnetoelastischen Körper 6 aufgebrachten Beanspruchung relativ zum Anstieg des durch die Spule 8, 9 fließenden Stroms.
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Da der Kanal 2 nur das externe Magnetfeld misst und keine Sensitivität gegenüber der Beanspruchung aufweist, verläuft der in 3 dargestellte Kanal 2 in der x-Achse.
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Im Vergleich zueinander ist auf der x-Achse der 4 die Größe des externen Magnetfeldes dargestellt, während auf der x-Achse der 3 die Werte der aufgebrachten Beanspruchung dargestellt sind.
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In Bezug auf 4 wird davon ausgegangen, dass das externe Magnetfeld in einem vorgegebenen Abstand relativ zu den Spulen 8 und 9 des Kanals 1 und des Kanals 2 angeordnet ist.
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4 stellt die unterschiedlichen Größenwerte des externen Magnetfeldes dar. Die Werte sind die Ergebnisse des Erkennungskanals 2. Mit dem Anstieg der vom Kanal 2 der 4 gemessenen Größenwerte des externen Magnetfeldes nimmt auch die Auswirkung des externen Magnetfeldes auf die Ergebnisse des Kanals 1 zu, der die auf den magnetoelastischen Körper aufgebrachte Beanspruchung misst.
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Die in 4 gezeigten Ergebnisse des Kanals 1 stellen die Werte des externen Magnetfeldes dar, das vom Kanal 1 erfasst wird, wobei die Beanspruchung gemessen wird, die auf die Sensitivität des Kanals 1 in Bezug auf das externe Magnetfeld zurückzuführen ist. Die in 4 gezeigten Ergebnisse des Kanals 1 stellen den Effekt des externen Magnetfeldes dar, der die Ergebnisse des Kanals 1 verzerrt, der die auf den magnetoelastischen Körper 6 aufgebrachte Beanspruchung misst.
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Die Sensitivität des Kanals 1 stellt die Auswirkung des externen Magnetfeldes auf die Ergebnisse des Kanals 1 dar.
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Der in 4 gezeigte Kanal 2 stellt die Werte des externen Magnetfeldes dar, die vom Kanal 2 erkannt werden, wenn die auf der y-Achse angezeigte Spannung ansteigt.
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5 ist eine zweiteilige Darstellung des magnetoelastischen Körpers 6 mit den Magnetzonen 3, 7 und den Spulen 8, 9 der Kanäle 1 und 2.
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5 zeigt auf der linken Seite eine Seitenansicht 16 des magnetoelastischen Körpers 6, während der rechte Teil der 5 eine Vorderansicht 17 des magnetoelastischen Körpers 6 zeigt.
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Der magnetoelastische Körper 6 ist jede geeignete Ausführungsform, die in der Lage ist, eine Beanspruchung aufzunehmen. Der magnetoelastische Körper 6 umfasst wenigstens eine magnetoelastische aktive Zone 3, 7, die es dem Körper ermöglicht, eine Beanspruchung aufzunehmen. Die magnetoelastischen Zonen 3, 7 einen integralen und homogenen Bestandteil des magnetoelastischen Körpers 6 bilden. Er kann als Welle, Zylinder oder in jeder geeigneten geometrischen Ausgestaltung ausgeführt sein. Er kann drehbar sein. Somit unterliegt er einem magnetoelastischen Effekt.
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Erfindungsgemäß gibt es wenigstens einen Sensor 18, der wenigstens einen Kanal 1 umfasst, der die auf einen magnetoelastischen Körper 6 aufgebrachte Beanspruchung misst, sowie wenigstens einen Kanal 2, der das externe Magnetfeld erkennt.
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Der Sensor 18 umfasst wenigstens einen ersten Kanal 1 und einen zweiten Kanal 2.
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In dem in 5 dargestellten Beispiel misst der Kanal 1 die Beanspruchung und erkennt bis zu einem gewissen Grad das externe Magnetfeld. Der andere Kanal 2 erkennt nur das externe Magnetfeld.
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Der Kanal 1 ist auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt. Der Kanal 2 dagegen ist als Gleichtaktakzeptanz konfiguriert.
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Nachfolgend wird nun ausführlich auf die Spulen und Kanäle gemäß 5 eingegangen.
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Jeder Magnetzone 3, 7 des magnetoelastischen Körpers 6 ist wenigstens eine Spule 8, 9 eines Sensors 18 zugeordnet, der den Effekt der auf den magnetoelastischen Körper 6 aufgebrachten Beanspruchung misst und den Effekt des externen Magnetfeldes auf den magnetoelastischen Körper 6 erkennt.
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Da es wenigstens zwei Magnetzonen 3, 7 gibt, sind auch wenigstens zwei Spulen 8, 9 vorgesehen, die jeweils der entsprechenden Magnetzone 3, 7 zugeordnet sind.
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Im Bereich der Magnetzonen 3, 7 sind entsprechende Spulen 8, 9 des Kanals 1 und des Kanals 2 tangential beabstandet vom magnetoelastischen Körper 6 angeordnet. Die Gesamtanzahl der Spulen in diesem Beispiel beträgt vier.
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In einer Vorderansicht sind die Spulen 8, 9 der Kanäle 1 und 2 benachbart zueinander angeordnet. Sie sind außerdem axial relativ zum magnetoelastischen Körper 6 angeordnet.
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Die Ergebnisse dieser Einstellung im Verhältnis zueinander sind spezifische Signale.
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Die von den Spulen 8 bzw. 9 erzeugten Signale werden von den vorstehend genannten Kanälen 1 und 2 weiterverarbeitet.
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Entsprechend den beiden Sätzen von magnetzonenbezogenen Informationen wertet der erste Kanal 1 ein erstes Signal aus. Ebenso wertet der zweite Kanal 2 ein zweites Signal aus.
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Die Spulen 8, 9 des einen Kanals 1 sind in einer Gleichtaktunterdrückung verbunden; die Spulen des anderen Kanals 2 sind in einer Gleichtaktakzeptanz verbunden.
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Dies bedeutet, dass bei dem Verfahren ein Dual-Band-System verwendet wird, bei dem die Magnetzonen 3, 7 mit wenigstens einem Kanal 1 ausgelesen werden, der als Gleichtaktunterdrückung konfiguriert ist. Der andere Kanal 2 ist auf Gleichtaktakzeptanz eingestellt.
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Wendet man sich der Seitenansicht 16 des magnetoelastischen Körpers 6 zu, so sind in der Seitenansicht 16 der 5 die Spulen 8, 8' und 9, 9' zu erkennen. Die Spulen 8' und 9' beziehen sich auf den Kanal 2, während die Spulen 8 und 9 sich auf den Kanal 1 beziehen. Somit sind die Spulen 8 und 9 zur Messung der auf den magnetoelastischen Körper 6 aufgebrachten Beanspruchung angeordnet.
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In der Seitenansicht der 5 sind der Kanal 1 und seine Spulen 8, 9 auf Gleichtaktunterdrückung eingestellt, während der Kanal 2 und die entsprechenden Spulen 8', 9' auf Gleichtaktakzeptanz eingestellt sind.
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Betrachtet man nun 6 und 7, so liegt der Fokus beider auf den Spulen 8, 9 der Kanäle 1 und 2 und auf dem Strom 11 sowie auf den wechselnden Richtungen 14, 15 der Flüsse 12, 13 des Stroms 11 innerhalb der Spulen 8 und 9.
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In der Gleichtaktunterdrückungskonfiguration des Kanals 1, die in 6 dargestellt ist, sind die Spulen 8, 9 in einer Gleichtaktunterdrückung angeordnet.
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Die Darstellung des in 7 dargestellten Kanals 2 stellt den Gleichtaktakzeptanz-Verbindungszustand der Spulen 8, 9 dar.
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Betrachtet man nun 6, so zeigt diese ein Diagramm der Spulen 8, 9 des Kanals 1, der in der Gleichtaktunterdrückungskonfiguration arbeitet.
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Die Bezugsziffer 19 und die Bezugsziffer 20 bezeichnen das vom Kanal 1 und vom Kanal 2 erkannte externe Magnetfeld.
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Die Bezugsziffern 21 und 22 stehen für die beanspruchungsinduzierten Magnetfelder.
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Die beanspruchungsinduzierten Magnetfelder 21, 22 sind von gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung. Dies ist auf die Ausgestaltung und die Verarbeitung der Magnetzone 3, 7 zurückzuführen.
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Die Pfeile 23 und 24 kennzeichnen die Sensitivitätsrichtung des Kanals 1. Die Pfeile 23, 24 zeigen also die Messrichtungen des Magnetfeldes 19 von Kanal 1 an.
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In der Gleichtaktunterdrückungskonfiguration des Kanals 1 sind die Pfeile 23 und 24 zueinander entgegengesetzt angeordnet.
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In einer Gleichtaktunterdrückungskonfiguration ist die folgende Formel relevant: Das Ergebnis der Messung des Kanals 1 stellt das beanspruchungsinduzierte Magnetfeld 21 dar. In einer Gleichtaktakzeptanzkonfiguration hingegen gibt der Kanal 2 ein Signal aus, das das externe Magnetfeld 20 wiedergibt.
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Das externe Magnetfeld kann eine Fernfeld-Rauschquelle, eine Nahfeld-Rauschquelle oder auch beide umfassen.
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7 stellt ein Diagramm des Kanals 2 dar, der in Gleichtaktakzeptanz arbeitet.
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Der Kanal 2 erkennt ein externes Magnetfeld, das durch die Bezugsziffern 19, 20 gekennzeichnet ist.
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Das vom Kanal 2 erfasste beanspruchungsinduzierte Magnetfeld ist jeweils durch die Bezugsziffern 21, 22 gekennzeichnet.
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Entsprechend der Ausgestaltung und der Verarbeitung der Magnetzonen 3, 7 sind die beanspruchungsinduzierten Magnetfelder 21, 22 des Kanals 2 von gleicher Größe und relativ zueinander entgegengesetzt gerichtet.
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Die in der 7 dargestellten Pfeile 23, 24 zeigen die Sensitivitätsrichtung bzw. die positive Richtung des Messergebnisses des Kanals 2 an.
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Wenn der Kanal 2 in Gleichtaktakzeptanz betrieben wird (siehe 7), sind die entsprechenden Spulen 8, 9 so ausgerichtet, dass die Pfeile 24 in die gleiche Richtung weisen.
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In der Gleichtaktunterdrückungskonfiguration gibt der Kanal 1 ein Signal aus, das ein beanspruchungsinduziertes Magnetfeld darstellt. Der Kanal 2 gibt ein Signal aus, das das externe Magnetfeld 20 wiedergibt.
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Die gemessene Ausgabe des Sensors, der den Kanal 1 in Gleichtaktunterdrückung umfasst = das beanspruchungsinduzierte Magnetfeld 21, 22 einer der Magnetzonen 3, 7 - das beanspruchungsinduzierte Magnetfeld 21, 22 der anderen Magnetzone 3, 2 + die Zone des externen Magnetfeldes 19, 20, die sowohl am Kanal 1 als auch am Kanal 2 erkannt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kanal 1
- 2
- Kanal 2
- 3
- Magnetzone
- 4
- Magnetisierungsrichtung
- 5
- Magnetisierungsrichtung
- 6
- magnetoelastischer Körper
- 7
- Magnetzone
- 8
- Spule
- 8'
- Spule
- 9
- Spule
- 9'
- Spule
- CT
- Abgriff
- 11
- Strom
- 12
- Stromfluss
- 13
- Stromfluss
- 14
- Flussrichtung
- 15
- Flussrichtung
- 16
- Seitenansicht
- 17
- Vorderansicht
- 18
- Sensor
- 19
- externes Magnetfeld
- 20
- externes Magnetfeld
- 21
- beanspruchungsinduziertes Magnetfeld
- 22
- beanspruchungsinduziertes Magnetfeld
- 23
- Pfeil - Sensitivitätsrichtung - positive Richtung - Feldmessung
- 24
- Pfeil - Sensitivitätsrichtung - positive Richtung - Feldmessung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8893562 B2 [0006, 0079]
- DE 102015122154 B4 [0021]
