DE102019119278A1

DE102019119278A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Messung von Kräften und/oder Drehmomenten in einem Untersuchungsobjekt aus ferromagnetischem Material

Info

Publication number: DE102019119278A1
Application number: DE102019119278.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Messvorrichtung (1) zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt (2) aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten, umfassend einen magnetoelastischen Sensor mit einer erste Spuleneinheit (3) und einer zweiten Spuleneinheit (4), zumindest einen kapazitiven Abstandssensor (5), und eine Auswerteeinheit (6). Ferner wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt (2) aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten vorgeschlagenDie Messvorrichtung bzw. das Verfahren erlaubt eine zuverlässige, genaue und flexible Messung von Kräften und/oder Drehmomenten in dem genannten Untersuchungsobjekt, insbesondere auch bei dessen dynamischer Bewegung relativ zur Messvorrichtung, unter Berücksichtigung eines zwischen Untersuchungsobjekt und Messvorrichtung vorliegenden variablen Abstands.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten.
Jene mit der hiesigen Erfindung vorgeschlagene Messvorrichtung umfasst unter anderem einen magnetoelastischen Sensor. Aus dem Stand der Technik ist es wohlbekannt, derartige Sensoren zur zerstörungsfreien Messung von Drehmomenten und/oder Kräften in Untersuchungsobjekten aus ferromagnetischem Material einzusetzen. Derartige Sensoren basieren auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also jenem Effekt, wonach ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Suszeptibilität erfahren, wenn mechanische Spannungen auftreten. Da mechanische Spannungen außer durch Zugkräfte und Druckkräfte auch durch Torsion induziert werden, kann der inverse magnetostriktive Effekt auch zur Drehmomentmessung herangezogen werden, beispielsweise um das Drehmoment einer Welle berührungslos zu messen. Wenn ein Magnetfeld in einer ferromagnetischen Schicht eines Untersuchungsobjekts, z.B. einer Welle, induziert wird, wird in der Schicht in Abhängigkeit von den auftretenden Spannungen ein Antwortsignal generiert, welches über geeignete Empfangsspulen detektiert werden kann. Da das Antwortsignal von den im ferromagnetischen Material auftretenden Spannungen beeinflusst wird, kann aus dem Antwortsignal auf die in dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräfte und/oder Drehmomente geschlossen werden. Das detektierte elektrische Signal hängt im Wesentlichen vom Abstand des magnetoelastischen Sensors zum Untersuchungsobjekt sowie von der Temperatur des ferromagnetischen Materials ab.
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe verschiedener Sensoren bekannt, die sich den magnetoelastischen Effekt zu Nutze machen, um kontaktlos Drehmomente oder Kräfte von ferromagnetischen Objekten zu messen. Grundsätzlich zeichnen sich magnetoelastische Sensoren durch eine hohe Genauigkeit aus.
Wie bereits erwähnt, hängen die mit einem magnetoelastischen Sensor erfassten Signale stark vom Abstand des Sensors zum Untersuchungs- bzw. Messobjekt ab. Aus der EP 2 769 192 B1 ist ein Sensor bekannt, bei welchem ein zwischen Untersuchungsobjekt und Sensor vorliegender Abstand Berücksichtigung findet. Der dort beschriebene Torsions- und Drehmomentsensor umfasst einen magnetoelastischen Kraftsensor mit einem Sensorkopf, der einen Ferritkern mit einem mittleren Schenkel und vier den mittleren Schenkel umgebenden äußeren Schenkeln aufweist, wobei auf dem mittleren Schenkel eine ein Magnetfeld generierende Sendespule und auf den äußeren Schenkeln Magnetfeldsensoren zum Messen eines durch das Magnetfeld der Sendespule in einem Messobjekt verursachten magnetischen Flusses angeordnet sind. Weiterhin weist der dort beschriebene Kraftsensor eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer die Induktivität der Sendespule wiedergebenden oder mit dieser eindeutig verknüpften elektrischen Größe auf, wobei der magnetoelastische Kraftsensor außerdem eine Einrichtung zum Bestimmen des Abstandes des Sensorkopfes von dem Messobjekt aus der elektrischen Größe umfasst. In der dortigen Vorrichtung werden also aus Daten zur Spuleninduktivität der Sendespule Informationen über einen zwischen Sensor und Untersuchungsobjekt vorliegenden Abstand extrahiert.
Entsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten bereitzustellen, mit dem eine zuverlässige, genaue und flexible Messung von Kräften und/oder Drehmomenten in dem genannten Untersuchungsobjekt, insbesondere auch bei dessen dynamischer Bewegung relativ zur Messvorrichtung, unter Berücksichtigung eines zwischen Untersuchungsobjekt und Messvorrichtung vorliegenden variablen Abstands gewährleistet ist. Entsprechend unterliegt die genannte Aufgabe der Verwendung der Messvorrichtung zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten.
Die genannte Aufgabe wird gelöst mit einer die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweisenden Messvorrichtung, mit einem die Merkmale des Patentanspruchs 10 aufweisenden Verfahren, sowie mit einer Verwendung der Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Bei der mit der Erfindung vorgeschlagenen Messvorrichtung handelt es sich - wie bereits erwähnt - um eine Messvorrichtung zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten. Die Messvorrichtung umfasst zunächst einen magnetoelastischen Sensor. Letzterer weist eine erste Spuleneinheit auf, die dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches zumindest teilweise außerhalb des Sensors verläuft und zumindest einen Teilbereich des Untersuchungsobjekts durchdringt. Das Magnetfeld wird dabei durch Anlegen einer elektrischen Spannung, beispielsweise Wechselspannung, erzeugt (Maxwell Gleichungen). Weiterhin umfasst der magnetoelastische Sensor eine zweite Spuleneinheit, die dazu eingerichtet ist, von dem erzeugten Magnetfeld in dem Untersuchungsobjekt induzierte Antwortsignale zu erfassen, wobei die Antwortsignale lokale Magnetfeldänderungen in dem Untersuchungsobjekt wiederspiegeln. Die Geometrie und Form der ersten und zweiten Spuleneinheit ist - trotz der an späterer Stelle beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen - grundsätzlich nicht festgelegt. So kann die den Spuleneinheiten zugrunde liegende Anzahl einzelner Spulen, deren Geometrie, Anordnung im Raum, das Spulenmaterial, Windungszahl etc. variieren.
Die Erfassung von in dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Magnetfeldänderungen in Folge der von der ersten Spuleneinheit erzeugten Magnetfeldänderungen, stellt die Basis des magnetoelastischen Messprinzips bereit und ist aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Messtechnisch lassen sich die lokalen Magnetfeldänderungen in dem Untersuchungsobjekt durch die zweite Spuleneinheit erfassen, da die Magnetfeldänderungen in der Spuleneinheit Spannungen erzeugen, die wiederrum in Form einer elektrischen Messgröße abgegriffen werden können.
Ferner umfasst die Messvorrichtung zumindest einen kapazitiven Abstandssensor, der mit dem magnetoelastischen Sensor eine integrierte Baueinheit ausbildet und dazu eingerichtet ist, zwischen der Messvorrichtung und dem Untersuchungsobjekt vorliegende Abstandswerte zu erfassen. Unter „integrierter“ Baueinheit ist zu verstehen, dass der magnetoelastische Sensor und der Abstandssensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können.
Im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht ein solcher Abstandssensor die unmittelbare Messung eines zwischen der Messvorrichtung und dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Abstands. Im Vergleich zu einer indirekten Abstandsbestimmung lässt sich der Abstand mit einem eigens dafür vorgesehenen Abstandssensor präziser und zuverlässiger bestimmen. Wie schon in der Bezeichnung „zumindest einen“ Abstandssensor Ausdruck findend, können ohne Weiteres auch mehrere Abstandssensoren in der Messvorrichtung vorgesehen sein. Damit kann der Abstand an mehreren Relativpositionen der Messvorrichtung relativ zum Untersuchungsobjekt präzise bestimmt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich der Abstand zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt bereits über die Dimension (also die Länge oder Breite) der Messvorrichtung ändert. Um eine solche Abstandsvariation bei der Messung berücksichtigen zu können, kann es vorteilhaft sein, mehrere Abstandssensoren über den Messbereich der Messvorrichtung zu verteilen. Alternativ kann auch ein einzelner Abstandssensor vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, an mehreren Stellen Abstände zu ermitteln. Beispielsweise kann der Abstandssensor in Form von an einer Stirnseite der Messvorrichtung ausgebildeten kapazitiven Sensorflächen bereitgestellt werden.
Auch umfasst die Messvorrichtung eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, Messsignale zu ermitteln, die auf von der zweiten Spuleneinheit empfangenen Antwortsignalen basieren, und die proportional zu den in dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten sind. Aus den in der zweiten Spuleneinheit induzierten elektrischen Spannungen (diese werden durch die sich lokal ändernden Magnetfelder im Untersuchungsobjekt induziert) lassen sich Werte ermitteln, die proportional zu den im Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten sind. Durch eine geeignete Wandlung bzw. Skalierung der erfassten Signale (z.B. in Bezug auf das konkret zu untersuchende Untersuchungsobjekt) kann eine differentielle Spannung oder ein digitales Signal ausgegeben werden, welches proportional zu den Kräften und/oder Drehmomenten ist. Die so ermittelten Messsignale können in einem Rohdatenformat weiterverarbeitet werden, oder alternativ unmittelbar in Kraft und/oder Drehmomentwerte umgerechnet werden.
Weiterhin ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, unter Heranziehung der Abstandswerte eine Kompensation von aus einer dynamischen Abstandsvariation zwischen der Messvorrichtung und dem Untersuchungsobjekt resultierenden Schwankungen der Messsignale, beispielsweise Signalabschwächungen und/oder Signalverstärkungen, vorzunehmen. Führt ein bestimmter Abstand zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt beispielsweise zur Abschwächung der Messsignale, die über einen vorgegebenen Wert hinausgeht, so kann es notwendig sein, die entsprechenden Messsignale in Abhängigkeit des erfassten Abstands zu verstärken. Analog kann erforderlich sein die Messsignale gezielt abzuschwächen, wenn die Messsignale stärker sind als ein vorgegebener Grenzwert. Die Signalverstärkung bzw. Signalabschwächung kann automatisiert erfolgen, beispielsweise über eine von der Auswerteeinheit betriebene Routine.
Die genannten Abstandswerte betreffen den zwischen der Messvorrichtung und dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Abstand bzw. die Größe eines dort vorliegenden Luftspalts (bei dem vorliegend beschriebenen magnetoelastischen Messverfahren handelt es sich um ein kontaktloses Messprinzip). Bei einem planar ausgebildeten Untersuchungsobjekt wird es in der Regel ausreichen, einen einzelnen Abstandswert zwischen einer dem Untersuchungsobjekt zugewandten Oberfläche der Messvorrichtung und einer Oberfläche des Untersuchungsobjekts zu bestimmen. Im Falle von Untersuchungsobjekten, die eine nicht planare Oberfläche aufweisen (beispielsweise eine Welle mit zylindrischem Oberflächenprofil) kann jedoch entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen im Bereich der Messvorrichtung ein variierender Abstand zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt vorliegen. Entsprechend kann es von Vorteil sein, an mehreren Positionen Abstandswerte zu ermitteln (dies kann zum Beispiel durch das Vorsehen mehrerer Abstandssensoren oder durch Verwendung eines Abstandssensors erfolgen, mit welchem der Abstand an mehreren Positionen bestimmt werden kann). Aus an unterschiedlichen räumlichen Stellen ermittelten Abstandswerten kann von der Auswerteeinheit ein gemittelter Abstandswert berechnet werden, der nachfolgend zur Kompensation der dynamischen Abstandsvariation herangezogen werden kann. Ohne weiteres kann dies aber auch auf Basis einzelner Abstandswerte erfolgen. Mit der vorgeschlagenen Messvorrichtung können Abstandswerte in Echtzeit gemessen und somit in die Auswertung bzw. Bestimmung der in dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräfte bzw. Drehmomente einbezogen werden.
Bei der Auswerteeinheit kann es sich um einen Mikrocontroller, einen ASIC, FPGA oder um ein ähnliches Bauteil handeln. Auch kann die Auswerteeinheit eine Datenverarbeitungseinheit im Sinne einer portablen Recheneinheit bereitstellen.
Vorstellbar ist auch, dass die Auswerteeinheit ein signaltechnisch mit der Messvorrichtung verbundenes mobiles Endgerät, ein portabler Computer etc. ist. Die signaltechnische Verbindung kann dabei kabellos oder kabelgebunden erfolgen.
Die Notwendigkeit der genannten Messsignal-Kompensation ergibt sich daraus, dass sich der zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt vorliegende Abstand (also die Luftspaltbreite) antiproportional auf die von der zweiten Spuleneinheit erfassbaren Signale (z. B. auf die differentielle Ausgangsspannung der zweiten Spuleneinheit) auswirkt. Je größer der Abstand, desto geringer die erfassbaren Signale. Wie an späterer Stelle noch beschrieben, kann die zweite Spuleneinheit mehrere Empfangsspulen aufweisen, die in einer Differenz- oder Kreuzspulen-Verschaltung zusammengefasst sind. Mit einer solchen Spulenanordnung können Messsignalfehler bzgl. Winkeländerungen zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt kompensiert werden, nicht jedoch Änderungen des Abstands bzw. der Luftspaltbreite. Hier schafft die mit der Erfindung vorgeschlagene Messvorrichtung Abhilfe.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Betont sei bereits an dieser Stelle, dass sämtliche der in den Unteransprüchen und nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen der Messvorrichtung auch in den Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einbezogen sind. Entsprechend können die im Kontext der erfindungsgemäßen Messvorrichtung beschriebenen Ausgestaltungsvarianten auch mögliche Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sein.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Spuleneinheit eine Sendespule umfasst, die auf einem ersten Ferritkern angeordnet ist. Durch Applizieren einer elektrischen Wechselspannung erzeugt die Sendespule ein Magnetfeld, welches das Untersuchungsobjekt zumindest teilweise durchdringt, insbesondere einen oberflächennahen Bereich des Untersuchungsobjekts. Vorzugsweise wird die Messvorrichtung bei Erzeugung des Magnetfeldes positionsfest gehalten. Bei der Sendespule kann es sich um eine Zylinderspule handeln, die mit einer Mehrzahl von Windungen um den Ferritkern gewickelt ist. Die Zahl der Windungen richtet sich nach der erforderlichen Spulengüte und Anregungsfrequenz. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Spule nicht unmittelbar auf den Ferritkern aufzuwickeln, sondern zwischen Spule und Ferritkern eine elektrisch isolierende Zwischenschicht vorzusehen, beispielsweise aus Kunststoff. Damit können ungewünschte Kurzschlüsse vermieden werden. Die Sendespule ist an einen elektrischen Schaltkreis angekoppelt, der die zur Erzeugung des Magnetfeldes notwendige elektrische Spannung bereitstellt. Insbesondere ist die Sendespule Teil eines elektrischen Schwingkreises, beispielsweise eines Serienschwingkreises. Der Serienschwingkreis kann dabei via Phase Locking oder eine Resonator Schaltung in Resonanz gehalten werden. Die Einstellung der Resonanzfrequenz hängt von der Spulengüte (also insbesondere vom verwendeten Spulenmaterial und dem Durchmesser des Spulendrahts), wie auch von der Anzahl der Windungen ab. Bemerkt sei zudem, dass die Resonanzfrequenz von weiteren Faktoren, wie zum Beispiel der Luftspaltbreite zwischen Untersuchungsobjekt und Messvorrichtung bzw. den Spuleneinheiten, abhängen kann. Die einzelnen Windungen der Sendespule müssen nicht zwingend in einer zu dem ersten Ferritkern parallelen Vertikalrichtung übereinander angeordnet sein (Stapelanordnung), vielmehr können die erforderlichen Windungen auch in einer zu dem Ferritkern senkrecht stehenden Ebene nebeneinander angeordnet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite Spuleneinheit zwei die Sendespule umgebende Spulenpaare umfasst, von denen jedes Spulenpaar bezogen auf den Umfang der Sendespule zwei sich gegenüberliegende Empfangsspulen aufweist. Die zweite Spuleneinheit kann also in Form einer Kreuzspulen-Verschaltung ausgebildet sein. Mit einer solchen Anordnung der Empfangsspulen kann die Winkelabhängigkeit zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt kompensiert werden. Die Empfangsspulen sind in vorteilhafter Weise jeweils auf zweiten Ferritkernen angeordnet. Bei einer solchen Ausgestaltung bzw. Anordnung der Empfangsspulen werden von den beiden Empfangsspulenpaaren beispielsweise zwei separate Signale erhalten, wobei beide Signale jeweils einem Empfangsspulenpaar zugeordnet sind (also eine Kombination von Signalen zweier Empfangsspulen bereitstellen). Auch kann eine über die Anzahl von zwei Empfangsspulenpaaren hinausgehende Anzahl von Empfangsspulenpaaren vorgesehen sein, beispielsweise vier Empfangsspulenpaare (8 Spulen), sechs Empfangsspulenpaare (12 Spulen), acht Empfangsspulenpaare (16 Spulen) etc.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sowohl die Sendespule als auch die Empfangsspulen auf einem gemeinsamen Träger (z.B. einer PCB-Platine) angeordnet sind. Beispielsweise können die Spulen auf den Träger gedruckt oder in diesen eingefräst oder geätzt sein. In den letzteren beiden Fällen umfasst der Träger zunächst eine metallische Oberfläche, in welchen entsprechend einer vorgesehenen Spulengeometrie, die Metalloberfläche abgetragen wird. Ferner kann der Träger Aussparungen aufweisen, vermöge dessen dieser über die ersten und zweiten Ferritkerne gesteckt werden kann. Die Ferritkerne durchragen also den Spulenträger, während die Spulen auf dem Träger angeordnet sind. Die Aussparungen sind im Bereich der jeweiligen Spulenzentren in dem Spulenträger ausgebildet. Durch eine solche Ausgestaltung ist eine einfache und schnelle Austauschbarkeit der Spulen ermöglicht, beispielsweise im Falle einer notwendigen Induktivitätsanpassung etc.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Ferritkern und die zweiten Ferritkerne auf einer gemeinsamen Ferrit-Basisplatte angeordnet sind und eine gemeinsame Ferritkernanordnung bereitstellen. Die Ferritkernanordnung kann beispielsweise ein einstückiges Bauteil sein und im Guss gefertigt werden. Der erste Ferritkern und die zweiten Ferritkerne können dabei nach Art eines Stabzylinders ausgebildet sein und sich ausgehend von einer auf der Basisplatte angeordneten Zylinderbasis senkrecht zur Basisplatte erstrecken. Die zweiten Ferritkerne sind in ihrer Anordnung um den ersten Ferritkern herum verteilt, im Querschnitt können die zweiten Ferritkerne quadratisch oder rechteckig um den ersten Ferritkern verteilt sein. In diesem Fall würden die zweiten Ferritkerne die Ecken eines Quadrats bzw. Rechtecks bereitstellen. Die einzelnen Stabzylinder (des ersten Ferritkerns und der zweiten Ferritkerne) weisen eine äußere zylindrische Mantelfläche auf. Nebst der einstückigen Ausbildung der Ferritkernanordnung kann sich diese auch aus einzelnen Ferritkernen und einer Ferrit-Basisplatte zusammensetzen, die zusammengeklebt oder miteinander verschraubt sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Sendespule und die Empfangsspulen Zylinderspulen sind, die eine äußere Mantelfläche des ersten Ferritkerns respektive der zweiten Ferritkerne umgeben. Wie schon erwähnt, stehen die Spulen dabei nicht im unmittelbaren Kontakt mit den Ferritkernen, sondern sind vielmehr auf einem die Ferritkerne umgebenden elektrischen Isolator oder einer gemeinsamen Trägerplatine (siehe oben) angeordnet. Der Isolator kann beispielsweise durch einen Kunststoffmantel, einen Klebstoff oder einen isolierenden Lack gebildet sein. Grundsätzlich ist eine Anordnung der Spulen (sowohl der Sendespule als auch der Empfangsspulen) auf Ferritkernen hinsichtlich einer Erhöhung der Spuleninduktivität und magnetischen Hochfrequenz-Eigenschaften von Vorteil. Ferrit ist ein weichmagnetisches Material relativ magnetischer Sättigungsflussdichte bzw. hoher magnetischer Permeabilität. Dadurch wird beispielsweise der von einer Spule (insbesondere der Sendespule) erzeugte magnetische Fluss, verlustarm gebündelt und geführt. Bezugnehmend auf die vorangehend erwähnte Anordnung der Spulen auf einer gemeinsamen Trägerplatine ist festzustellen, dass pro Spule beispielsweise bis zu 100 Windungen (oder sogar mehr) auf die Trägerplatine (z.B. eine PCB-Platine) aufgebracht werden, beispielsweise in Form von 10 Lagen auf 10 Windungen. Die einzelnen Windungen können also mehrere Lagen umfassen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die zu den in dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten proportionalen Messsignale variabel zu verstärken und/oder abzuschwächen. Die Messsignale können dabei einerseits von der Auswerteeinheit bzw. einer damit verbundenen Datenverarbeitungseinheit verstärkt oder abgeschwächt werden, andererseits aber auch durch eine gesonderte Vorverstärkereinheit. Dabei kann vorgesehen sein, die von den einzelnen Empfangsspulen empfangenen Signale oder kombinierte Signale zu verstärken oder abzuschwächen.
Bei Vorsehen einer Kreuzspulenanordnung können die von beiden Empfangsspulenpaaren jeweils aufgenommenen Signale (dieses Signal kann bereits ein kombiniertes Signal der dem jeweiligen Empfangsspulenpaar zugeordneten Einzelspulen darstellen) jeweils verstärkt oder abgeschwächt werden (beispielsweise durch geeignete Vorverstärkereinheiten), bevor sie der Auswerteeinheit zugeführt werden, in welcher wiederrum im Rahmen der Datenverarbeitung bzw. Datenaufbereitung eine weitere (beispielsweise digitale) Verstärkung (oder Skalierung) vorgenommen werden kann. Bei einer der variablen Verstärkung oder Abschwächung vorgelagerten Kombination der aufgenommenen Signale können diese in beliebiger Permutation kombiniert werden, d.h. die Auswahl der die kombinierten Signale bereitstellenden Empfangsspulen, kann flexibel ausgewählt werden.
In einer weiteren Variante kann mit variabler Verstärkung und/oder Abschwächung eine dynamische Einstellung einer Messwertverstärkung (der empfangenen Signale) gemeint sein, die insbesondere auf die Natur (Material), Größe, Form, Art des zu messenden Untersuchungsobjekts Bezug nimmt, insbesondere also auf eine zu erwartende Größenordnung der benötigten Signalverstärkung bzw. Signalabschwächung. Damit kann für unterschiedliche Untersuchungsobjekte - basierend auf zu dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Objektinformationen - eine angepasste Signalverstärkung bzw. Signalabschwächung vorab ausgewählt werden. Basierend auf einer solchen Grobeinstellung kann in Abhängigkeit der tatsächlich vorliegenden Signalstärke eine weitere Verstärkung im Sinne einer Feinjustierung vorgenommen werden. Das genannte Prozedere kann auf Ebene einer Vorverstärkung wie auch auf der Ebene einer der Vorverstärkung nachgelagerten (auch digitalen) Verstärkung erfolgen. Auch kann mittels der dynamischen Messwertverstärkung eine sich dynamisch verändernde Luftspaltgröße (d.h. ein sich dynamisch verändernder Abstand zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt) berücksichtigt und kompensiert werden.
Die Differenz der von den beiden Empfangsspulenpaaren bereitgestellten Signalen oder anderweitig kombinierten bzw. bereitgestellten Differenzsignalen ist proportional zu den im Untersuchungsobjekt vorliegenden mechanischen Kräften bzw. Drehmomenten. Dies gilt allerdings nur für den Fall, dass der Abstand zwischen der Messvorrichtung und dem Untersuchungsobjekt statisch bzw. konstant ist. Unter Hinzuziehung der mit dem Abstandssensor kapazitiv gemessenen Abstandswerte (insbesondere die zwischen dem Untersuchungsobjekt und den Empfangsspulen vorliegenden Abstandswerte) kann das Signal dynamisch korrigiert bzw. kompensiert werden. Damit wird die Ausgabe eines kompensierten Signals Messsignals ermöglicht, wodurch auch bei Vorliegen von dynamischen Bewegungen zwischen Messvorrichtung und Untersuchungsobjekt präzise Signalwerte erhalten werden können, die proportional zu den im Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten sind.
Wie schon eingangs erwähnt, wird mit der Erfindung zudem ein Verfahren zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten vorgeschlagen. Das Verfahren wird unter Einsatz der vorangehend beschriebenen Messvorrichtung ausgeführt, wobei die nachfolgend beschriebenen Schritte ausgeführt werden.
In einem ersten Verfahrensschritt a. wird die Messvorrichtung zunächst in einem Abstand relativ zu einem Untersuchungsobjekt aus ferromagnetischem Material angeordnet. Je nach Größe oder Geometrie des Untersuchungsobjekts kann es vorkommen, dass eine dem Untersuchungsobjekt zugewandte Stirnfläche der Messvorrichtung und die Oberfläche des Untersuchungsobjekts nicht parallel zueinander angeordnet sind. Insbesondere kann dies bei Untersuchungsobjekten mit rundem Querschnitt der Fall sein. Bei der Anordnung der Messvorrichtung kann diese in einer geeigneten Haltevorrichtung positionsfest relativ zu dem (sich möglicherweise bewegenden Untersuchungsobjekt) angeordnet werden. Gleichsam ist aber auch vorstellbar die Messvorrichtung auf einer Bewegungseinheit (z.B. einem verfahrbaren xy- oder xyz-Messtisch) anzuordnen und relativ zu dem Untersuchungsobjekt zu bewegen (beispielsweise um Messungen an unterschiedlichen Positionen des Untersuchungsobjekts vorzunehmen). Auch eine Anordnung an einer im dreidimensionalen Raum beweglichen Handhabungseinrichtung (z.B. ein Roboterarm) oder einer nach Art eines Delta-Roboters ausgebildeten Handhabungseinrichtung ist vorstellbar.
In einem Verfahrensschritt b. wird unter Einsatz der ersten Spuleneinheit ein Magnetfeld erzeugt, welches zumindest teilweise außerhalb des Sensors verläuft und zumindest einen Teilbereich des Untersuchungsobjekts durchdringt. Die Durchdringungstiefe kann in einer alternativen Verfahrensführung dabei durch Variation des Abstands der Messvorrichtung relativ zum Untersuchungsobjekt eingestellt werden. Möglich ist es auch, die Messvorrichtung in einer definierten Inkrementierung bzw. Schrittfolge relativ zum Untersuchungsobjekt zu bewegen, d.h. den Abstand zu variieren. Mit einem solchen Vorgehen können in Unterschiedlichen Tiefen des Untersuchungsobjekts Kräfte und/oder Drehmomente ermittelt werden. Gar ist es möglich auf diese Weise Tiefenprofile bezüglich der in dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräfte und/oder Drehmomente zu erzeugen.
In einem Verfahrensschritt c. werden zu einer vorgebbaren Anzahl von Messzeitpunkten die folgenden Teilschritte ausgeführt:

i. Erfassen von durch das erzeugte Magnetfeld in dem Untersuchungsobjekt induzierten Antwortsignalen mit der zweiten Spuleneinheit, wobei die Antwortsignale lokale Magnetfeldänderungen in dem Untersuchungsobjekt wiederspiegeln,
ii. Erfassen von zwischen der Messvorrichtung und dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Abstandswerten.

Zu den bezüglich der Teilschritte i. und ii. möglichen vorteilhaften Ausgestaltungen sei auf die vorangehenden Ausführungen verwiesen.
In einem Verfahrensschritt d. werden unter Einsatz der Auswerteeinheit die folgenden Teilschritte ausgeführt:

i. Ermitteln von Messsignalen, die auf von der zweiten Spuleneinheit empfangenen Antwortsignalen basieren, und proportional zu den in dem Untersuchungsobjekt vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten sind, und
ii. unter Heranziehung der Abstandswerte: Vornehmen einer Kompensation von sich aus einer dynamischen Abstandsvariation zwischen der Messvorrichtung und dem Untersuchungsobjekt resultierenden Schwankungen der Messsignale, beispielsweise Signalabschwächungen und/oder Signalverstärkungen.

Zu den bezüglich der Teilschritte i. und ii. (des Verfahrensschritts d.) möglichen vorteilhaften Ausgestaltungen sei auf die vorangehenden Ausführungen verwiesen.
Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Figuren sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Diese sollen den Fachmann in die Lage versetzen die Erfindung auszuführen. So zeigt:

1 in einer schematischen Seitenansicht die erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer Anordnung relativ zu einem Untersuchungsobjekt;
2 in einer schematischen Aufsichtsdarstellung die erfindungsgemäße Messvorrichtung, aus welcher die Geometrie der Ferritkernanordnung sowie die Anordnung der Empfangs- bzw. Sendespulen hervorgeht;
3 in einer schematischen Aufsichtsdarstellung die erfindungsgemäße Messvorrichtung, aus welcher eine mögliche Geometrie des kapazitiven Abstandssensors in Bezug zu der Ferritkernanordnung hervorgeht;
4 eine schematische Darstellung eines der Messvorrichtung zugrunde liegenden Schaltplans;
5 ein erstes Anwendungsbeispiel bei welchem die erfindungsgemäße Messvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann;
6 ein zweites Anwendungsbeispiel bei welchem die erfindungsgemäße Messvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann;
7 ein drittes Anwendungsbeispiel bei welchem die erfindungsgemäße Messvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann.

Die 1 zeigt die erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer schematischen Seitenansicht. Wie vorangehend ausgeführt, ist die Messvorrichtung 1 dazu vorgesehen, die in einem Untersuchungsobjekt 2 aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräfte und/oder Drehmomente zu messen. Entsprechend der figürlichen Darstellung kann die Messvorrichtung 1 zur Ausführung der Messung beabstandet zum Untersuchungsobjekt 2 angeordnet werden. Je nach Geometrie oder Anordnung des Untersuchungsobjekts 2 können die zwischen Messvorrichtung 1 und Untersuchungsobjekt 2 vorliegenden Abstandswerte A über die Länge oder Breite des Untersuchungsobjekts 2 variieren. Im gezeigten Beispiel der 1 nimmt der Abstand zwischen einer dem Untersuchungsobjekt 2 zugewandten Stirnseite der Messvorrichtung 1 und dem Untersuchungsobjekt von links nach rechts zu. Ein solche Abstandsvariation kann insbesondere bei Untersuchungsobjekten 2 mit konvex gekrümmten Oberflächen auftreten.
Ein wesentlicher Bestandteil der Messvorrichtung 1 ist ein magnetoelastischer Sensor. Dieser weist zunächst eine aufweisend eine erste Spuleneinheit 3, die dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld B1, B2 zu erzeugen, welches zumindest teilweise außerhalb des Sensors verläuft und zumindest einen Teilbereich des Untersuchungsobjekts 2 durchdringt. Der Verlauf der erzeugten Magnetfelder B1, B2 hängt unter anderem vom Abstand des ferromagnetischen Untersuchungsobjekts 2 ab. Über die erste Spuleneinheit 3 können die Magnetfelder B1, B2 dahingehend eingestellt werden, dass sie auch bei einem variierendem Abstand A das Untersuchungsobjekt 2 an verschiedenen Stellen durchdringen. Wie die 1 ferner zu erkennen gibt umfasst die erste Spuleneinheit 3 eine Sendespule 7, die um einen ersten Ferritkern 8 gewickelt ist. In der Regel ist die Spule 7 jedoch nicht direkt auf den Kern 8 gewickelt, sondern auf einen zwischen Ferritkern 8 und Spule 7 vorgesehenen Abstandshalter bzw. einen elektrischen Isolator.
Ferner umfasst der magnetoelastische Sensor eine zweite Spuleneinheit 4, die dazu eingerichtet ist, von dem erzeugten Magnetfeld B1, B2 in dem Untersuchungsobjekt 2 induzierte Antwortsignale zu erfassen, wobei die Antwortsignale lokale Magnetfeldänderungen in dem Untersuchungsobjekt 2 wiederspiegeln. Die zweite Spuleneinheit 4 weist zwei die Sendespule 7 umgebende Spulenpaare auf, von denen jedes Spulenpaar bezogen auf den Umfang der Sendespule 7 zwei sich gegenüberliegenden Empfangsspulen 9 aufweist. Die Empfangsspulen 9 sind jeweils auf zweiten Ferritkernen 10 angeordnet. Die Anordnung der Sendespule 7 bzw. der Empfangsspulen 9 bzw. des ersten Ferritkerns 8 und der zweiten Ferritkerne 10 ist insbesondere der 2 zu entnehmen. Die Ferritkerne 8, 10 sind auf einer Ferritbasisplatte 11 angeordnet und stellen eine Ferritkern-Anordnung bereit.
Ein weiterer in der 1 wiedergegebener Bestandteil der Messvorrichtung 1 ist ein kapazitiver Abstandssensor 5, der mit dem magnetoelastischen Sensor eine integrierte Baueinheit ausbildet und dazu eingerichtet ist, zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Untersuchungsobjekt 2 vorliegende Abstandswerte A zu erfassen. Der kapazitive Abstandssensor 5 erzeugt (je nach Abstand A zum Untersuchungsobjekt 2) unterschiedliche kapazitive Felder K1, K2. Auf dessen Basis kann über den Abstandssensor 5 ein Abstand A der Messvorrichtung 1 zum Untersuchungsobjekt 2 bestimmt werden. Wie in der 3 gezeigt, kann der Abstandssensor 5 scheibenartig ausgebildet sein und einen Teil einer Stirnfläche der Messvorrichtung 1 ausbilden.
Weiterer Bestandteil der Messvorrichtung ist eine Auswerteeinheit 6 die einerseits dazu eingerichtet ist Messsignale zu ermitteln, die auf von der zweiten Spuleneinheit 4 empfangenen Antwortsignalen basieren, und die proportional zu den in dem Untersuchungsobjekt 2 vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten sind. Andererseits ist die Auswerteeinheit 6 dazu eingerichtet unter Heranziehung der Abstandswerte A eine Kompensation von aus einer dynamischen Abstandsvariation zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Untersuchungsobjekt 2 resultierenden Schwankungen der Messsignale, beispielsweise Signalabschwächungen und/oder Signalverstärkungen, vorzunehmen. Weitere Details zur Auswerteeinheit 6 seien nachfolgend anhand der 4 erläutert.
Die 2 illustriert in einer schematischen Aufsichtsdarstellung die Geometrie bzw. den Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1, aus welcher die Geometrie der Ferritkernanordnung sowie die Anordnung der Empfangs- bzw. Sendespulen hervorgeht. Im vorliegenden Beispiel weist die Messvorrichtung 1 eine runde Querschnittsform auf. Ersichtlich sind die zweiten Ferritkerne 10 um einen zentral angeordneten ersten Ferritkern 8 verteilt. Beispielsweise können die zweiten Ferritkerne 10 in einer quadratischen Anordnung um den ersten Ferritkern 8 herum verteilt sein. Entsprechendes gilt für die Empfangsspulen 9 in Bezug zur Sendespule 7.
Die 4 nimmt Bezug auf einen beispielhaften Schaltplan, welcher der Messvorrichtung 1 zugrunde liegen kann. Ein wesentlicher Bestandteil des Schaltplans bzw. der Messvorrichtung ist die Auswerteeinheit 6, auf dessen genauere Funktionen nachfolgend noch einzugehen ist. Gemeinsam mit der Sendespule 7 und dem Abstandssensor 5 bilden die Empfangsspulen 9 einen Probenkopf 11 der Messvorrichtung 1 aus. Die Sendespule 11 kann an einen Sendespulenschwingkreis angekoppelt sein. Bestandteil des Sendespulenschwingkreises kann beispielsweise ein Treiber 12 und ein Resonanzfrequenzshifter 13 sein. Über diesen kann die Resonanzfrequenz der Sendespule eingestellt bzw. justiert werden. Die Empfangsspulen 9 bzw. von diesen gebildete Spulenpaare sind über Vorverstärker 14, 15 signaltechnisch mit der Auswerteeinheit 6 verbunden. Die Vorverstärker übermitteln verstärkte oder abgeschwächte Differenzsignale DM1, DM2 an die Auswerteeinheit 6. Über die Vorverstärker 14, 15 kann eine Signalverstärkung der mit den Empfangsspulen 9 aufgenommenen Signale vorgenommen werden. Auch kombinierte Signale mehrerer Empfangsspulen 9 können von den Vorverstärkern 14, 15 verstärkt werden. Auch können die Vorverstärker 14, 15 als die von den Spulen empfangenen Signale abschwächen.
Wie schon erwähnt, kann die Auswerteeinheit 6 als Microcontroller, ASIC, FPGA oder ähnlichen elektronischen Bauteilen ausgebildet sein. Bestandteile der Auswerteeinheit können insbesondere eine Input- und Skaliereinheit 16, über welche beispielsweise eine User-definierte Skalierung (Verstärkung oder Abschwächung) vorgegeben werden kann. Die darauf basierende Signalverstärkung oder Signalabschwächung kann digital innerhalb der Auswerteeinheit 6 erfolgen. Alternativ werden die diesbezüglichen Informationen an die Vorverstärker 14, 15 weitergegeben. Weiterhin umfasst die Auswerteeinheit 6 eine Abstandskompensationseinheit 17, vermöge dessen die gemessenen Signale bzgl. einer aufgrund der ermittelten Abstandswerte A kompensiert wird. Auch hierbei geht es grundsätzlich um eine Anpassung der erhaltenen Signalintensitäten.
Es kann ferner eine weitere Untersuchungsobjekt spezifische Skaliereinheit 18 vorgesehen sein, welche auf Basis von Kenndaten des Untersuchungsobjekts 2 eine Vorabskalierung bzgl. der Signalverstärkung oder Signalabschwächung erlaubt.
Auch kann die Auswerteeinheit 6 eine Speichereinheit 19 und eine Range-to-Gain Conversion Einheit 20 umfassen. Letztere kann dazu vorgesehen sein userseitig weitere Verstärkungsbedingungen vorzugeben.
Bezüglich des Messprozederes bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs sei auf die einleitende Beschreibung verwiesen.
In den 5 bis 7 sind mögliche Applikationen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 bzw. des Messverfahrens wiedergegeben. Beispielsweise kann die aus dem Probenkopf 11 und der Auswerteeinheit 6 gebildete Messvorrichtung 1 zur Messung von Kräften an Stahlverbindungsteilen 21, 22 eingesetzt werden.
Solche Verbindungsteile 21, 22 können mit einer Kraft F beaufschlagt werden (vorliegend das Verbindungsteil 22), was zu einer Erzeugung von magnetoelastisch erfassbaren Kräften in dem damit verbundenen Stahlverbindungsbauteil 21 führen kann. Als Beispiele bei welchen solche Stahlverbindungsteile 21, 22 miteinander verbunden sind, seien Hebelanordnungen, Waagen oder Radaufhängungen genannt. Die Figur illustriert schematisch eine sich um eine Rotationsachse 23 drehende Welle 24. Mit der genannten Messvorrichtung können in der Welle auftretende Drehmomente gemessen werden. Beispielhaftes Anwendungsgebiet können Motor-Stahlwellen sein. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine Drehmomentbestimmung bei exzentrischer Wellenrotation, niedrig tolerierten Wellenoberflächen oder unrunden Wellenoberflächen. In der 7 ist ein weiteres Applikationsbeispiel wiedergegeben, nämlich die Drehmomentbestimmung mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 an einer Hohlwellen-Getriebe Abtriebsseite eines Industrieroboterarms 25. Der Probenkopf 11 und die Auswerteeinheit 6 der Messvorrichtung 1 sitzen dabei unmittelbar in der Motorsteuereinheit 26 und ermöglichen Echtzeit-Drehmoment Messungen sowie eine darauf basierende Regelung des Roboterarms 25.
Bezugszeichenliste

1: Messvorrichtung
2: Untersuchungsobjekt
3: erste Spuleneinheit
4: zweite Spuleneinheit
5: kapazitiver Abstandssensor
6: Auswerteeinheit
7: Sendespule
8: erster Ferritkern
9: Empfangsspule
10: zweiter Ferritkern
11: Probenkopf
12: Treiber
13: Resonanzfrequenzshifter
14: Vorverstärker
15: Vorverstärker
16: Input- und Skaliereinheit
17: Abstandskompensationseinheit
18: Skaliereinheit
19: Speichereinheit
20: Range-to-Gain Conversion Einheit
21: Stahlverbindungsteil
22: Stahlverbindungsteil
23: Rotationsachse
24: Welle
25: Roboterarm
26: Motorsteuereinheit
A: Abstandswert
B1: Magnetfeld
B2: Magnetfeld
DM1: Differenzsignal
DM2: Differenzsignal
K1: kapazitives Feld
K2: kapazitives Feld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2769192 B1 [0004]

Claims

Messvorrichtung (1) zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt (2) aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten, umfassend a. einen magnetoelastischen Sensor, aufweisend i. eine erste Spuleneinheit (3), die dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld (B1, B2) zu erzeugen, welches zumindest teilweise außerhalb des Sensors verläuft und zumindest einen Teilbereich des Untersuchungsobjekts (2) durchdringt, ii. eine zweite Spuleneinheit (4), die dazu eingerichtet ist, von dem erzeugten Magnetfeld (B1, B2) in dem Untersuchungsobjekt (2) induzierte Antwortsignale zu erfassen, wobei die Antwortsignale lokale Magnetfeldänderungen in dem Untersuchungsobjekt (2) wiederspiegeln, b. zumindest einen kapazitiven Abstandssensor (5), der mit dem magnetoelastischen Sensor eine integrierte Baueinheit ausbildet und dazu eingerichtet ist, zwischen der Messvorrichtung (1) und dem Untersuchungsobjekt (2) vorliegende Abstandswerte (A) zu erfassen; c. eine Auswerteeinheit (6), die dazu eingerichtet ist i. Messsignale zu ermitteln, die auf von der zweiten Spuleneinheit (4) empfangenen Antwortsignalen basieren, und die proportional zu den in dem Untersuchungsobjekt (2) vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten sind, und ii. unter Heranziehung der Abstandswerte (A) eine Kompensation von aus einer dynamischen Abstandsvariation zwischen der Messvorrichtung (1) und dem Untersuchungsobjekt (2) resultierenden Schwankungen der Messsignale, beispielsweise Signalabschwächungen und/oder Signalverstärkungen, vorzunehmen.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spuleneinheit (3) eine Sendespule (7) umfasst, die auf einem ersten Ferritkern (8) angeordnet ist.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spuleneinheit (4) zwei die Sendespule (7) umgebende Spulenpaare umfasst, von denen jedes Spulenpaar bezogen auf den Umfang der Sendespule (7) zwei sich gegenüberliegenden Empfangsspulen (9) aufweist.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen (9) jeweils auf zweiten Ferritkernen (10) angeordnet sind.
Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ferritkern (8) und die zweiten Ferritkerne (10) auf einer gemeinsamen Ferrit-Basisplatte (11) angeordnet sind und eine gemeinsame Ferritkernanordnung bereitstellen.
Messvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkernanordnung ein einstückiges Bauteil ist.
Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ferritkern (8) und die zweiten Ferritkerne (10) nach Art eines Stabzylinders ausgebildet sind und sich ausgehend von einer auf der Basisplatte (11) angeordneten Zylinderbasis senkrecht zur Basisplatte (11) erstrecken.
Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (7) und die Empfangsspulen (9) Zylinderspulen sind, die eine äußere Mantelfläche des ersten Ferritkerns (8) respektive der zweiten Ferritkerne (10) umgeben.
Messvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, die zu den in dem Untersuchungsobjekt (2) vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten proportionalen Messsignale variabel zu verstärken und/oder abzuschwächen.
Verfahren zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt (2) aus ferromagnetischem Material vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten unter Einsatz einer Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Messvorrichtung (1) einen eine erste und zweite Spuleneinheit (3, 4) aufweisenden magnetoelastischen Sensor, zumindest einen kapazitiven Abstandssensor (5) und eine Auswerteeinheit (6) umfasst, mit den folgenden Schritten: a. Anordnen der Messvorrichtung (1) in einem Abstand relativ zu einem Untersuchungsobjekt (2) aus ferromagnetischem Material; b. unter Einsatz der ersten Spuleneinheit (3): Erzeugen eines Magnetfeldes (B1, B2), welches zumindest teilweise außerhalb des Sensors verläuft und zumindest einen Teilbereich des Untersuchungsobjekts (2) durchdringt c. zu einer vorgebbaren Anzahl von Messzeitpunkten: i. Erfassen von durch das erzeugte Magnetfeld (B1, B2) in dem Untersuchungsobjekt (2) induzierten Antwortsignalen mit der zweiten Spuleneinheit (4), wobei die Antwortsignale lokale Magnetfeldänderungen in dem Untersuchungsobjekt (2) wiederspiegeln, ii. Erfassen von zwischen der Messvorrichtung (1) und dem Untersuchungsobjekt (2) vorliegenden Abstandswerten (A); d. unter Einsatz der Auswerteeinheit (6): i. Ermitteln von Messsignalen, die auf von der zweiten Spuleneinheit (4) empfangenen Antwortsignalen basieren, und proportional zu den in dem Untersuchungsobjekt (2) vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten sind, und ii. unter Heranziehung der Abstandswerte (A): Vornehmen einer Kompensation von sich aus einer dynamischen Abstandsvariation zwischen der Messvorrichtung (1) und dem Untersuchungsobjekt (2) resultierenden Schwankungen der Messsignale, beispielsweise Signalabschwächungen und/oder Signalverstärkungen.
Verwendung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten Messvorrichtung (1) zur Messung von in einem Untersuchungsobjekt (2) aus ferromagnetischem Material, beispielsweise einer rotierenden Welle oder einem sich bewegenden Stahlverbindungselement, vorliegenden Kräften und/oder Drehmomenten, wobei sich das Untersuchungsobjekt (2) kontinuierlich oder diskontinuierlich relativ zu der Messvorrichtung (1) bewegt, und wobei aus der Bewegung bzw. damit verbundenen Abstandsvariationen zwischen der Messvorrichtung (1) und dem Untersuchungsobjekt (2) resultierende Messsignalschwankungen, beispielsweise Signalabschwächungen und/oder Signalverstärkungen, kompensiert werden.