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Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessvorrichtung sowie eine Belastungsmessanordnung zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt. Die Erfindung soll insbesondere zur Belastungsmessung an Fahrwerksteilen von Fahrzeugfahrwerken verwendbar sein.
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Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen an dem Testobjekt verstanden.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine Drehmomentmessvorrichtung zum Messen eines Drehmoments oder einer Kraft an einem Testobjekt in Form einer Welle oder einer Fahrwerkskomponente unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind ein Belastungsmessgeber, ein Belastungssensor und ein Belastungsmessverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten oder Kräften oder mechanischen Spannungen ausgebildet.
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Derartige Belastungssensoren, die mechanische Belastungen in Testobjekten wie insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
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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.
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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.
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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.
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Aus der
D8
DE 10 2017 111 055 B3 ist eine Vorrichtung, eine Anordnung und ein Verfahren zum Chararkterisieren der Torsion, Rotation und/oder Positionierung eine Welle bekannt mit einer Generatorspule und zwei Detektorspulen und einer Auswerteeinrichtung. Zusätzlich ist ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur an einem Flussverstärkermaterial für die Spulen vorgesehen, so dass die Temperatur an dem die Spulen enthaltenden Sensorkopf erfasst werden kann. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, das aus den Ausgängen der Detektorspulen erzeugte Messsignal aufgrund der am Sensorkopf gemessenen Temperatur zu korrigieren.
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Aus der
D9
DE 10 2015 122 154 B4 ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines externen magnetischen Feldes und eines produktbezogenen magnetischen Feldes auf eine ferromagnetische Komponente, die eine Magnetisierung in Form von Magnetspuren aufweist, bekannt. Es sind wenigstens zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen, die ein auf die ferromagnetische Komponente wirkendes externes Magnetfeld erfassen können.
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Aus der
D10
US 2007/0034004 A1 ist ein Drehmomentsensormagnetometer bekannt, wobei zwei Spulenanordnungen getrennte magnetische Felder entlang einer Drehachse messen können. Treiberschaltungen für die Spulenanordnungen können getrennt eingestellt werden, um so Einflüsse externer Magnetfelder zu eliminieren.
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Die
D11
US 2017/0089732 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kompensation eines Einflusses eines Magnetfeldgradienten, der an einer Komponente aufgrund der Geometrie der Komponente erzeugt werden kann. Hierzu werden Magnetfelder durch unterschiedliche Magnetfeldsensoren gemessen.
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Ein Problem bei einer Anwendung von Belastungsmessvorrichtungen der eingangs genannte Art in der Praxis ergibt sich dadurch, dass sich die Messbedingungen bei insbesondere in Fahrzeugen eingebauten Testobjekten ständig ändern können, was die Messung im Betrieb von Fahrzeugen oder anderen in unterschiedlichen Umgebungen einzusetzenden Objekten schwierig macht und zu Ungenauigkeiten führen kann. Zum Beispiel bei aktiven oder passiven Fahrwerkskomponenten als Testobjekt, an dem eine Belastung zu messen ist, kann sich die Lage des Testobjekts zu aus Metall bestehenden Karosserieteilen oder Motorteilen, zu stromführenden Kabeln oder zu Wärmequellen ständig ändern, so dass sich Änderungen in umgebenden Magnetfeldern und in der Temperatur ergeben können, die zu Messfehlern führen können.
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Die Erfindung zur Aufgabe gestellt, Vorrichtungen aufzuzeigen, mit denen ein durch unterschiedliche Betriebsbedingungen bedingter Messfehler bei der Belastungsmessung mittels aktiver Aufmagnetisierung weiter verringert werden kann.
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Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung die Vorrichtungen und Anordnungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem Aspekt schafft die Erfindung eine Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, mit
einem Sensorkopf,
einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine an dem Sensorkopf angeordnete Magnetfelderzeugungsspule und eine Stromquelle zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist;
einer an dem Sensorkopf angeordneten ersten Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden ersten Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetfelds periodisch ändert,
einer an dem Sensorkopf angeordneten zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden zweiten Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines zweiten Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetfelds periodisch ändert,
einer Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines Messsignals aus dem ersten und dem zweiten Magnetfeldparametersignal, und
einer Messumgebungsparametererfassungseinrichtung zur Erfassung wenigstens eines Messumgebungsparameters an dem Testobjekt,
wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, das Messsignal in Abhängigkeit des wenigstens einen von der Messumgebungsparametererfassungseinrichtung erfassten Messumgebungsparameters zu erzeugen.
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Erfindungsgemäß weist die Messumgebungsparametererfassungseinrichtung wenigstens einen oder mehrere oder alle der folgenden Sensoren auf:
- • einen Stromsensor zur Erfassung der Stromstärke des in der Magnetfelderzeugungsspule fließenden Stroms,
einen Induktivitätssensor zur Erfassung der Induktivität der Magnetfelderzeugungsspule,
- • einen Beschleunigungssensor zur Erfassung einer an dem Sensorkopf und/oder dem Testobjekt anliegenden Beschleunigung,
- • einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperaturdifferenz zwischen Testobjekt und Sensorkopf.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand einer Veränderung der durch den Stromsensor gemessenen Stromstärke eine Veränderung in der Induktivität der Magnetfelderzeugungsspule und/oder eine Veränderung der Permeabilität des Testobjekts zu erfassen und das Messsignal aufgrund dieser Veränderung zu korrigieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, das Messsignal aufgrund einer Veränderung der durch den Induktivitätssensor gemessenen Induktivität der Magnetfelderzeugungsspule zu korrigieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand einer Veränderung der durch den Induktivitätssensor gemessenen Induktivität der Magnetfelderzeugungsspule eine Veränderung der Permeabilität des Testobjekts zu erfassen und das Messsignal aufgrund dieser Veränderung zu korrigieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aufgrund der durch den Beschleunigungssensor erfassten Beschleunigung Stöße oder Belastungen von außen zu erfassen und das Messsignal anhand dessen zu korrigieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aufgrund der durch den Temperatursensor gemessenen Temperaturdifferenz zwischen Testobjekt und Sensorkopf das Messsignal zu korrigieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Messumgebungsparametererfassungseinrichtung einen Magnetfeldsensor zur Erfassung eines gleichförmigen oder sich im Vergleich zu dem periodisch erzeugten Magnetfeld mit niedrigerer Frequenz ändernden Magnetfelds aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand eines Magnetfeldsensorsignals des Magnetfeldsensors eine Veränderung von Umgebungsmagnetfeldern zu erfassen und das Messsignal aufgrund dieser Veränderung der Umgebungsmagnetfelder zu korrigieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, aufgrund einer durch den Temperatursensor gemessenen Temperatur des Testobjekts das Messsignal zu korrigieren.
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Es ist bevorzugt, dass ein erstes Paar aus einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtungen und einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung A1, B1 und ein zweites Paar aus einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung und einer zweite Magnetfelderfassungseinrichtung A2, B2 vorgesehen sind, wobei die ersten und die zweiten Magnetfelderfassungseinrichtungen A1, B1, A2, B2 in einer X-förmigen Anordnung derart vorgesehen sind, dass sich die ersten Magnetfelderfassungseinrichtungen gegenüberliegen und die zweiten Magnetfelderfassungseinrichtungen gegenüberliegen, wobei jeder der Magnetfelderfassungseinrichtungen ein Analog-Digital-Wandler zugeordnet ist, so dass ein erstes bis viertes digitales Magnetfelderfassungssignal der Auswerteeinrichtung zugeführt werden, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, daraus wenigstens ein erstes Messignal und ein unterschiedliches zweites Messsignal zu erzeugen.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, das erste Paar und das zweite Paar getrennt auszuwerten, um das erste und das zweite Messsignal zu bilden.
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Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, das erste Paar durch Messung A1-B1 und A1 auszuwerten und das zweite Paar durch Messung A2-B2 und A2 auszuwerten.
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Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung, insbesondere der Sensorkopf, eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen in der Umgebung aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung, umfassend ein Testobjekt sowie eine Belastungsmessvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche zur berührungslosen Belastungsmessung an dem Testobjekt.
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Es ist bevorzugt, dass mehrere Sensorköpfe an diametral gegenüberliegenden Stellen am Testobjekt und/oder ringförmig um das Testobjekt herum angeordnet sind.
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Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt zumindest an einem Messbereich einen Hohlraum aufweist, wobei der wenigstens eine Sensorkopf in dem Hohlraum, von dem Testobjekt umgeben, angeordnet ist.
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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. Besonders bevorzugt ist das Testobjekt ein Bauteil eines Fahrzeugs, mehr insbesondere ein Bauteil eines Fahrwerks eines Fahrzeugs, wie z.B. ein Teil einer aktiven oder passiven Fahrwerkskomponente.
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Beispielsweise sind Ausgestaltungen der Erfindung dazu geeignet, ein Drehmoment an einem Teilbereich einer Fahrwerkskomponente, wie z.B. an einem Arm eines Wankstabilisator oder an einem Lenkgetriebe, zu messen. Insbesondere bei aktiven Fahrwerkskomponenten können auch Aktoren, z.B. in Form von Stellmotoren in unmittelbarer Nähe vorgesehen sein, wobei eine Ansteuerung der Aktoren elektromagnetische Störungen bewirken, die eine Änderung der magnetischen Umgebung bedingen und damit Messfehler verursachen können. Auch unterschiedliche Temperaturen, die im Fahrbetrieb leicht an unterschiedlichen Fahrwerksteilen und Sensoren herrschen können, können Messfehler verursachen. Weiter sind Fahrwerkskomponenten im Betrieb oft relativ zu metallischen anderen Bauteilen eines Fahrzeugs, z.B. der Karosserie in Bewegung, so dass sich auch hier unterschiedliche elektrische und magnetische Felder einstellen können, die zu Messfehlern führen könnten.
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Durch Ausführungsformen der Erfindung wird eine insbesondere für Fahrwerkskomponenten oder andere Testobjekte in Fahrzeugen oder anderen in unterschiedlichen Umgebungsbedingungen zu betreibenden Objekten geeignete Messvorrichtung zur Messung von Belastungen geschaffen, die trotz der unterschiedlichen Betriebsbedingungen zuverlässigere Messwerte liefert.
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Vorzugsweise ist die Belastungsmessvorrichtung derart ausgebildet, dass wenigstens ein Sensorkopf oder vorzugsweise mehrere Sensorköpfe eingesetzt werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Testobjekt hülsenförmig oder rohrförmig und der wenigstens eine Sensorkopf ist im Inneren des hülsenförmigen oder rohrförmigen Testobjekts untergebracht und/oder von dem Testobjekt umgeben.
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Dadurch ist der Sensorkopf bereits durch das Testobjekt vor äußeren Einflüssen geschützt. Außerdem können äußere Felder durch das Testobjekt zumindest teilweise abgeschirmt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine gegenüberliegende Anordnung von Sensorköpfen vorgesehen. Vorzugsweise ist eine gegenüberliegende Anordnung von Sensorköpfen innerhalb des hülsenförmigen Testobjekts vorgesehen. Dies birgt den Vorteil, dass ein Sensor in die eine Richtung - z. B. Richtung Straße - zeigt und der andere in die andere Richtung - z.B. Auto-Chassis. Bei einem Steinschlag oder sonstigen Einflüssen auf das Testobjekt (z.B. Hülse an einem Wankstabilisator oder einer Lenkung usw.) könnten z.B. Signale unterschiedlicher Sensorköpfe miteinander verglichen werden, so auch bei einem Abkühlen des Testobjekts durch z.B. Spritzwasser. Die Sensorköpfe könnten auch ringförmig angeordnet werden. Vorzugsweise ist eine ringförmige Anordnung, mehr insbesondere eine gleichmäßig verteilte Anordnung, um den vollständigen Innenumfang einer das Testobjekt bildenden Hülse vorgesehen. Durch eine ringförmige Anordnung hat man die größtmögliche Integration über den gesamten Umfang.
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Bei einer Anordnung an einem Wankstabilisator könnte eine beispielsweise als Drehmomentsensor ausgebildete Belastungsmessvorrichtung auch an einem der Arme des Wankstabilisators angebracht werden (außerhalb einer Hülse), oder an einer Außenhülse des Wankstabilisators, und die Signale werden über das Kabel ins Innere geführt.
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Denkbar wäre auch, an mehreren Stellen oder an unterschiedlichen Seiten einer Fahrwerkskomponente jeweils wenigstens ein Sensorkopf oder eine Belastungsmessvorrichtung vorzusehen. Die Signale der Sensorköpfe/Belastungsmessvorrichtungen könnten dann gegeneinander plausibilisiert werden.
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Z.B. könnte an jedem Arm eines Wankstabilisators ein Drehmomentsensor vorgesehen sein, damit könnte man die beiden Drehmomente der Arme gegeneinander plausibilisieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Belastungsmessvorrichtung so ausgeführt, dass ein 5-Bein-Sensorkopf (Kreuzanordnung oder X-Anordnung) mit vier AD-Wandlern betrieben wird, um eine getrennte Auswertung der Spulenpaare A1 und B1 (durch Messung A1-B1 und A1) und A2 und B2 (durch Messung A2-B2 und A2) durchzuführen. Dies bietet eine erhöhte Sicherheit um ASIL-B Anforderungen zu erfüllen.
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Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Belastungsmessvorrichtung zur Messung des Generatorstromes oder zur direkten Messung der Generatorinduktivität ausgebildet, um eine Veränderung der Induktivität des Generators oder Veränderung der Permeabilität des Testobjektmaterials (Alterung, Temperatureffekte, usw.) zu detektieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthalten der oder die Sensorköpfe eine Schirmung, um sie gegen das Auftreten von großen elektromagnetischen Störungen, beispielsweise aufgrund eines Betriebs eines Stellaktuators, zu schützen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zusätzlich ein Magnetfeldsensor, z.B. Hallsensor oder GMR Sensor, implementiert. Der Magnetfeldsensor ist dazu ausgebildet, eine Veränderung der DC-Rahmenbedingungen zu detektieren. Z.B. könnte bei einer Montage in einer KFZ-Halle eine Lampe mit Stabmagnet an einer Fahrwerkskomponente, in der eine Belastung zu messen ist, befestigt werden.
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Dies kann eine Restmagnetisierung hinterlassen, die die Belastungsmessvorrichtung potentiell stören kann. Eine andere Störung könnte auftreten, wenn Kabel außen am Testobjekt entlanggeführt werden, die große Ströme führen, so dass das resultierende Magnetfeld potentiell am Testobjekt anliegend könnte oder auch eine Hülse des Testobjekts, innerhalb der der Sensorkopf angeordnet ist, durchdringen und den Sensorkopf stören kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein 3-Achsen Beschleunigungssensor (MEMS Sensor) in die Belastungsmessvorrichtung implementiert, dessen Signal verwendet werden kann, um schnelle Beschleunigungen zu korrelieren mit dem Messsignal. Diese Information kann verwendet werden, wenn z.B. durch einen Steinschlag oder einen Stoß sehr schnelle und hohe Drehmomentinformationen generiert werden, die abgefangen werden müssen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein IR-Sensor in die Belastungsmessvorrichtung implementiert. Dieser kann dazu verwendet werden, um die Temperatur des Testobjekts, beispielsweise eine Wankstabilisatorhülse, direkt zu messen. Bei einer zu großen thermischen Differenz zwischen Testobjekt und Sensor kann es zu größeren Offset- und Gainfehlern der Belastungsmessvorrichtung kommen, die durch die Information der Temperaturdifferenz abgefangen werden kann.
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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 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit Lenksystemkomponenten und Fahrwerkskomponenten, als Beispiele für Testobjekte, an denen eine Belastung zu messen ist;
- 7 eine stark vereinfachte Darstellung einer Antriebsachse des Fahrzeugs mit Komponenten als weitere Beispiele für Testobjekte;
- 8 einen Schnitt durch ein Testobjekt mit einer äußeren Anordnung von Sensorköpfen um das Testobjekt;
- 9 einen Schnitt durch ein hülsenförmiges Testobjekt mit einer inneren Anordnung von Sensorköpfen, verteilt um den Innenumfang des Testobjekts, und
- 10 eine schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Messumgebungsparametererfassungseinrichtung.
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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, einer Fahrwerkskomponente eines Fahrzeugs 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. Das Testobjekt 14 ist zumindest an einem Messbereich 11 zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Das Testobjekt 14 und die Belastungsmessvorrichtung 12 bilden zusammen eine Belastungsmessanordnung 16.
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Die Belastungsmessvorrichtung 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf.
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Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung 12 eine Auswerteeinrichtung 42 auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit den Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden, um aus den Signalen der Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 wenigstens ein die Belastung anzeigendes Messsignal zu erzeugen.
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Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung 12 eine Messumgebungsparametererfassungseinrichtung 80 zum Messen eines Messumgebungsparameters auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist dazu ausgebildet, das wenigstens eine Messsignal in Abhängigkeit von dem erfassten Messumgebungsparameter zu erzeugen.
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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 oder Generatorspule 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.
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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.
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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 und zweite Detektorspulen A1, A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als dritte und vierte Detektorspule 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.
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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.
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Wenngleich hier Ausführungsformen des Sensorkopfes 10 mit Flusskonzentrator 30 gezeigt sind, ist der Flusskonzentrator bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen weggelassen. Dies funktioniert insbesondere bei höheren Treiberfrequenzen sehr gut. Das Weglassen des Flusskonzentrators spart Material und Gewicht; insbesondere ist der Einsatz unterschiedlicher Materialien, die unterschiedlich auf äußere Einwirkungen reagieren können, wodurch Messfehler entstehen können, vermieden. Demgemäß sind bevorzugte Ausgestaltungen des Sensorkopfes 10 flussverstärkerfrei ausgeführt.
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Wie 4 zeigt, können anstatt Detektorspulen auch Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26-1, 26-2 vorgesehen sein.
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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. Hier ist noch der Flusskonzentrator 30 gezeigt, andere Ausgestaltungen dieser Ausführung des Sensorkopfes 10 bestehen aus dem Leiterplattenelement 36 ohne Flusskonzentrator.
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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 14 abhängt. Beispielsweise wird bei der X-Anordnung 28 (entspricht einer doppelten V-Anordnung) 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.
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Das Magnetfeldparametersignal folgt mit einer Phasenverschiebung der periodischen Veränderung des Erregerstromes, welche auf die Magnetfelderzeugungsspule Lg auferlegt wird.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Auswerteeinrichtung42 für jede Detektorspule A1, A2, B1, B2 in der X-Anordnung einen gesonderten A-D-Wandler 44a bis 44d auf, so dass die Signale der Detektorspulen A1, A2, B1, B2 als digitale Signale verarbeitbar sind. So lassen sich besonders einfach ein erstes Paar von in V-Anordnung angeordneten Detektorspulen - die erste Detektorspule A1 und die dritte Detektorspule B1 - und ein zweites Paar von in V-Anordnung angeordneten Detektorspulen - die zweite Detektorspule A2 und die vierte Detektorspule B2 - getrennt auswerten. Beispielsweise werden eine Differenz der Signale aus der ersten und der dritten Detektorspule A1-B1 und das Signal der ersten Detektorspule A1 miteinander verglichen oder gemeinsam verarbeitet, um ein erstes Messsignal zu bilden; und es werden eine Differenz der Signale aus der zweiten Detektorspule und der vierten Detektorspule A2-B2 und das Signal aus der zweiten Detektorspule A2 miteinander verglichen oder gemeinsam verarbeitet, um ein zweites Messsignal zu bilden. So hat man zwei durch vollständig getrennte Detektorspulen erfasste Messsignale, so dass Redundanz gegeben ist.
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Die Belastungsmessanordnung 16 ist insbesondere in einem Fahrzeug 46 vorgesehen, wie es schematisch in 6 dargestellt ist, um Belastungen, insbesondere Drehmomente oder Kräfte an Fahrzeugteilen, wie insbesondere Wellen 48, Fahrwerkskomponenten 52 oder Lenksystemkomponenten 54 (Beispiele für Testobjekte 14) zu messen.
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In 7 ist eine Achse 56 des Fahrzeugs 46 mit einer aktiven Fahrwerkkomponente 52, beispielsweise einem Wankstabilisator, und einer Antriebswelle 48 dargestellt, wobei an Teilbereichen der Fahrwerkskomponente 52 und der Antriebswelle 48 jeweils ein Messbereich 11 ausgebildet ist.
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Wie in 8 dargestellt kann das Testobjekt 14 z.B. von einer Anordnung von Sensorköpfen 10 umgeben sein. Dabei ist eine Abschirmung 60 außenseitig vorgesehen.
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Bei der in 9 dargestellten Ausgestaltung ist das Testobjekt 14 zumindest am Messbereich 11 als Hülse 62 ausgebildet, wobei eine Anordnung von Sensorköpfen 10 am Innenumfang verteilt im Inneren der Hülse 62 vorgesehen ist. Weiter sind Abschirmungen 60 für die einzelnen Sensorköpfe 10 zur Abschirmung elektrischer oder magnetischer Felder vorgesehen.
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Allgemein ist bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Belastungsmessanordnung 16 wenigstens ein Sensorkopf 10 in einem Hohlraum 64 des Testobjekts 14 vorgesehen und die Messung erfolgt von innen nach außen.
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10 zeigt eine Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Messumgebungsparametererfassungseinrichtung 80. Die Messumgebungsparametererfassungseinrichtung 80 ist insbesondere an dem Sensorkopf 10 oder in oder an einem den Sensorkopf 10 aufnehmenden Sensorgehäuse (nicht dargestellt) angeordnet. Bei dem Beispiel von 5 kann die Messumgebungsparametererfassungseinrichtung 80 Teil des Leiterplattenelements 36 sein.
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Wie in 10 gezeigt, weist die Messumgebungsparametererfassungseinrichtung 80 wenigstens einen Sensor 82, 84, 86, 90 auf. Der oder die Sensoren sind z.B. ein Beschleunigungssensor 82, insbesondere ein 3D-Beschleunigungssensor, zum Erfassen von Stößen oder Erschütterungen, ein Temperatursensor 84, insbesondere ein Infrarotsensor, zur Erfassung einer Temperatur des Testobjekts 14 und insbesondere einer Temperaturdifferenz zwischen dem Testobjekt 14 und dem Sensorkopf 10 oder dem Sensorgehäuse, ein Magnetsensor 86 zum Erfassen eines statischen Magnetfelds bzw. eines Magnetfelds, das sich mit einer im Vergleich zu der Frequenz der Treiberschaltung 50 wesentlich (d.h. um wenigstens eine oder mehrere Größenordnungen) geringeren Frequenz ändert, ein Stromsensor 88 zum Messen des Stroms der Magnetfelderzeugungsspule Lg und/oder ein Induktivitätssensor 90 zum direkten Messen der Induktivität der Magnetfelderzeugungsspule Lg.
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Die Auswerteeinrichtung 42 ist derart eingerichtet, dass sie das wenigstens eine Messsignal aufgrund der Messungen der Messumgebungsparametererfassungseinrichtung 80 korrigiert.
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Wenn z.B. der Magnetsensor 86 eine Änderung der statischen Magnetfeldumgebung, z.B. verursacht durch ein externes Magnetfeld, anzeigt, lässt sich das Messsignal entsprechend korrigieren.
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Zur Korrektur kann z.B. für die konkrete Belastungsmessanordnung pro Signal eines Sensors der Messumgebungsparametererfassungseinrichtung 80 in Versuchen ein Kennfeld erzeugt werden, das zur Korrektur herangezogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- 44a
- erster A-D-Wandler (für erste Detektorspule A1)
- 44b
- zweiter A-D-Wandler (für zweite Detektorspule A2)
- 44c
- dritter A-D-Wandler (für dritte Detektorspule B1)
- 44d
- vierter A-D-Wandler (für vierte Detektorspule B2)
- 46
- Fahrzeug
- 48
- Welle
- 50
- Treiberschaltung
- 52
- Fahrwerkskomponente
- 54
- Lenksystemkomponente
- 56
- Achse
- 60
- Abschirmung
- 62
- Hülse
- 64
- Hohlraum
- 80
- Messumgebungsparametererfassungseinrichtung
- 82
- Beschleunigungssensor
- 84
- Temperatursensor
- 86
- Magnetsensor
- 88
- Stromsensor
- 90
- Induktivitätssensor
- A1
- erste Detektorspule
- A2
- zweite Detektorspule
- B1
- dritte Detektorspule
- B2
- vierte Detektorspule
- Lg
- Magnetfelderzeugungsspule
