DE102021117119A1

DE102021117119A1 - Sensoreinrichtung und Verfahren zur Charakterisierung eines Metallspans

Info

Publication number: DE102021117119A1
Application number: DE102021117119.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Aufreiter; Daniel Kagerbauer
Original assignee: Inmox GmbH
Current assignee: Inmox GmbH
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2023-01-05
Also published as: EP4363828A1; WO2023275372A1; CN117795313A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Charakterisierung eines Spans, umfassend einen Spananalysebereich, wobei der Spananalysebereich ein räumlicher Bereich ist; ein Signalgenerator mit wenigstens einer Sendespule, wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Erregersignal zu erzeugen und mit der Sendespule als magnetisches Signal in den Spananalysebereich einzukoppeln; ein Spanklassifikator mit wenigstens einer Empfängerspule, wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, ein Spansignal aus dem Spananalysebereich mit der Empfängerspule zu empfangen, wobei das Spansignal ein durch das Erregersignal angeregtes Magnetisierungssignal ist, das von wenigstens einem zu klassifizierenden Span erzeugt wird. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Charakterisierung eines Spans mit einer Sensoreinrichtung, die wenigstens einen Signalgenerator und einen Spanklassifikator aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Charakterisierung eines Spans. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Charakterisierung eines Spans mit einer Sensoreinrichtung.
Getriebe sind grundsätzlich bekannt. Getriebe dienen zur Übertragung und Umformung von Bewegungen, Energie und/oder Kräften und werden zu diesem Zweck in verschiedenen technischen Systemen eingesetzt, wie zum Beispiel in Windenergieanlagen, auf Schiffen, in Hubschraubern, in Seilbahnen oder in Fahrzeugen.
Bekannt ist dabei, dass Getriebe im praktischen Einsatz verschleißen, da sie bei der Übertragung und Umformung von Bewegung, Energie und/oder Kräften mechanisch beansprucht werden. Zur Reduzierung von Verschleiß werden funktionswichtige Komponenten wie Zahnräder oder Wälzlager geschmiert, mit dem Ziel des Erreichens eines hydrodynamischen Schmierzustandes, um die mechanische Reibung im Getriebe zu reduzieren und das Getriebe vor Überhitzung zu schützen.
Im Betrieb kann dabei z.B. durch dynamische Belastungen sowie durch Anlauf- und Bremsprozesse nicht immer ein hydrodynamischer Schmierzustand gewährleistet werden, sodass Komponenten im Getriebe verschleißen. So treten sowohl bei Zahnräder, als auch bei Wälz- oder Gleitlager unterschiedliche Schäden, wie Grübchenschaden, Graufleckigkeit oder Fressen auf. Die Schäden bzw. Schadensbilder unterliegen dabei unterschiedlichen Normen (z.B.: DIN 3979). Wie diese Normen auch definieren, wird dort unter Verschleiß die Abtragung von Werkstoff, durch das aneinander gleiten zweiter Körper verstanden. Nachfolgend werden diese Schäden als Verschleiß bezeichnet.
Der Verschleiß bzw. die Getriebeablösungen treten so in den Schmierkreislauf ein und liegen als Artefakte in Form von Metallpartikel oder Metallspäne im Schmierkreislauf vor. Daneben können auch sonstige Schwebstoffe oder unterschiedliche Phasen im Schmierkreislauf, wie nichtmetallische Partikel vorliegen, wie zum Beispiel Ruß oder Luftbläschen.
Da Getriebewartungen oder Getriebereparaturen zum Teil mit großem Aufwand verbunden sind, können solche Wartungsarbeiten oder Reparaturen zu langen Stillstandzeiten führen, die mitunter hohe Kosten hervorrufen können. Zudem ist bei einigen technischen Systemen eine hohe Betriebssicherheit gewünscht, wie beispielsweise bei Hubschraubern, und dort ein Verschleiß in besonderem Maße zu überwachen.
Aus diesem Grunde werden Anstrengungen unternommen, Getriebe zu überwachen.
Eine bekannte Art der Überwachung von Getrieben sind sogenannte Partikelzähler, die die Anzahl an metallischen Verschleißpartikel von Getriebebauteilen zählen. Diese Partikelzähler nutzen dabei entweder optische oder elektrische Verfahren. Wird das elektrisches Verfahren genutzt, wird ein elektrisches Feld beispielsweise in eine Schmierstoffleitung induziert, um Metallspäne zu zählen.
Problematisch ist bei solchen Systemen jedoch, dass solche Systeme im Grunde nur einen quantitativen Rückschluss auf den Verschleiß zulassen, aber kein Rückschluss auf die Art des Verschleißes oder einen Getriebeschaden zulassen. Die Anzahl von gezählten Partikeln im Schmierkreislauf ist somit nur ein quantitativer Indikator, um einen Rückschluss auf einen Getriebeschaden ziehen zu können.
Zusätzlich sind diese Systeme drauf angewiesen, dass sich Verschleißpartikel bewegen (Umlaufschmierung), damit diese von Partikelzähler erkannt werden.
Bei optischen Systemen ist problematisch, dass diese bei dunklen Ölen nur bedingt zwischen metallischen Partikel, Luftbläschen oder Ruß unterscheiden bzw. funktionieren, da sie die Partikel in dem dunklen Öl nicht erkennen können.
Um die Sicherheit, Planbarkeit und Wirtschaftlichkeit eines technischen Systems mit einem Getriebe zu erhöhen, wäre es deshalb wünschenswert den Verschleiß nicht nur quantitativ über eine Zählung von Partikeln zu verifizieren, sondern den Verschleiß auch qualitativ bewerten zu können und in kritische und unkritische Verschleißerscheinungen zu unterscheiden. Dies ist derzeit nur durch Laboruntersuchungen oder durch Vor-Ort „Einschätzungen“ eines Experten möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eines der oben genannten Probleme zu adressieren, den allgemeinen Stand der Technik zu verbessern oder eine Alternative zu bisher Bekanntem bereitzustellen. Insbesondere soll eine Lösung bereitgestellt werden mit der neben einer Erkennung eines Spans auch eine kontinuierliche Überwachung und Bewertung des Spans ermöglicht wird, um ein Gefahrenpotential des Verschleißes vor Ort und im Betrieb beurteilen zu können.
Erfindungsgemäß wird somit eine Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen und eine Sensoreinrichtung zur Charakterisierung eines Spans bereitgestellt. Charakterisieren bedeutet dabei, dass Eigenschaften des Spans mit der Sensoreinrichtung identifiziert bzw. bestimmt werden, wie zum Beispiel ein Härtegrad des Spans, eine Spangröße, also dessen Volumen, oder ein Material, aus dem der Span ausgebildet ist. Der Härtegrad kann synonym auch als Härteklasse aufgefasst werden. Die Charakterisierung kann auch als Analyse des Spans aufgefasst werden. Es wird also vorgeschlagen, einen Span mit der Sensoreinrichtung vor Ort und während des Betriebs zu charakterisieren und auszuwerten. Der Span ist ein Partikel, der sich zum Beispiel von einem Getriebeteil gelöst hat. Der Span kann somit als Metallpartikel oder metallische Verunreinigung verstanden werden. Der Span kann auch synonym als Chip bezeichnet werden.
Vorzugsweise ist der Span ein Metallspan bzw. ein metallischer Span.
Die Sensoreinreichung umfasst einen Spananalysebereich, wobei der Spananalysebereich ein räumlicher Bereich ist. Der Spananalysebereich beschreibt einen räumlichen Bereich, indem die Charakterisierung bzw. die Analyse des Spans durchgeführt wird. Der Span kann dazu beispielsweise von einem Spanfänger in dem Analysebereich gehalten sein, um eine ortsfeste Analyse des Spans in dem Analysebereich bereitzustellen. Beispielsweise ist der Spananalysebereich ein räumlicher Abschnitt innerhalb einer Schmierleitung in einem Schmierölkreislauf eines Getriebes oder ein räumlicher Abschnitt in einer Kühlmittelleitung in einem Kühlmittelkreislauf.
Zudem umfasst die Sensoreinreichung einen Signalgenerator mit wenigstens einer Sendespule, wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Erregersignal zu erzeugen und mit der Sendespule als magnetisches Signal in den Spananalysebereich einzukoppeln.
Es wird demnach vorgeschlagen ein elektrisches Signal mit einem Signalgenerator zu erzeugen, beispielsweise mit einem Funktionsgenerator als Signalquelle, der mit der Sendespule elektrisch leitend verbunden ist. Das elektrische Erregersignal kann beispielsweise ein Wechselsignal sein, zum Beispiel ein Sinussignal. Die Sendespule ist beispielsweise eine um einen Magnetkern gewickelte Kupferspule. Die Sendespule kann synonym auch als Erregerspule aufgefasst werden. Das Einkoppeln kann auch als Induzieren aufgefasst werden. Es wird somit vorgeschlagen, ein elektromagnetisches Signal in den Spananalysebereich einzubringen, in dem ein Span oder mehrere Späne angeordnet ist bzw. sind. Der Span oder ggf. die Späne werden so durch das Erregersignal angeregt, das als magnetisches Signal in den Spananalysebereich eingekoppelt wird. Der Signalgenerator mit Sendespule kann somit auch als eine Sendeeinheit aufgefasst werden, die ein elektrisches Signal als magnetisches Signal in den Spananalysebereich zur elektrischen bzw. magnetischen Anregung des Spans einbringt.
Die Sensoreinrichtung umfasst zudem einen Spanklassifikator mit wenigstens einer Empfängerspule, wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, ein Spansignal aus dem Spananalysebereich mit der Empfängerspule zu empfangen, wobei das Spansignal ein durch das Erregersignal angeregtes Magnetisierungssignal ist, das von wenigstens einem zu klassifizierenden Span erzeugt wird.
Es wird somit vorgeschlagen, ein magnetisches Signal mit dem Spanklassifikator zu empfangen, dass aus dem Spananalysebereich heraustritt, nämlich das Spansignal. Das Spansignal ist ein magnetisches Signal, dass der Span aufgrund seiner Anregung durch das Erregersignal erzeugt. Wie zuvor beschrieben, wird mit dem Signalgenerator und der Sendespule ein elektromagnetisches Signal in den Spananalysebereich zur elektrischen bzw. magnetischen Anregung des Spans eingebracht. Durch diese magnetische Anregung erzeugt der Span ein messbares Signal, das phasenverschoben zu dem Erregersignal mit der Empfängerspule gemessen wird. Das Spansignal induziert eine Spannung in die Empfängerspule und erzeugte eine messbare Spannung oder einen messbaren Strom. Der Spanklassifikator kann somit auch als eine Empfangs- oder Messeinheit aufgefasst werden, der das Spansignal mit der Empfängerspule misst. Die Empfängerspule kann dabei aus einer Vielzahl von Spulen ausgebildet sein, die in einem Array zusammengeschaltet sind. Die Empfängerspule bzw. -spulen und/oder die Sendespule ist bzw. sind beispielsweise gewickelte Kupferspulen.
Eine Vielzahl von einem Gegenstand oder einem Objekt liegt vor, wenn wenigstens zwei Gegenständen bzw. Objekte vorliegen.
Der Spanklassifikator ist zudem dazu eingerichtet, den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder einer Amplitude des Spansignals zu klassifizieren.
Es wird also vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator ebenfalls als eine Auswertungseinheit arbeitet oder eine solche Einheit umfasst. Der Spanklassifikator berücksichtigt somit das Erregersignal und das Spansignal und kann eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen bestimmen und/oder weiterverarbeiten. Zusätzlich oder alternativ kann der Spanklassifikator eine Amplitude des Spansignals bestimmen und/oder weiterverarbeiten. Die Phasenverschiebung ist auch als Phasendifferenz oder Phasenlage bekannt und beschreibt z.B. zwei Sinusschwingungen, die gegeneinander in ihren Phasenwinkeln verschoben sind, wenn ihre Periodendauern zwar übereinstimmen, die Zeitpunkte ihrer Nulldurchgänge aber unterschiedlich sind. Die Amplitude des Spansignals beschreibt die maximale Auslenkung des Spansignals aus der Lage des arithmetischen Mittelwertes. Die Amplitude ist auch als Spitzenwert bekannt.
Klassifizieren bezieht sich somit darauf, dass die Eigenschaften des zu klassifizierenden Spans bestimmt werden sollen, wie beispielsweise einen Härtegrad bzw. eine Härteklasse des Spans, eine Spangröße oder ein Spanmaterial. Es versteht sich, dass das Klassifizieren auch ein Detektieren des Spans umfasst. Die Sensoreinrichtung ist entsprechend auch dazu eingerichtet, den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder einer Amplitude des Spansignals zu detektieren.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, zur Charakterisierung des Spans einen Absolutwert der Amplitude des Spansignals auszuwerten bzw. zu berücksichtigen. Es wird somit vorgeschlagen, die Amplitude als Absolutwert zu bestimmen.
Es wurde erkannt, dass Metallspäne mit unterschiedlichen Eigenschaften vorliegen können und die unterschiedlichen Eigenschaften Rückschlüsse auf das Ausmaß und/oder die Herkunft des Schadens bzw. des Verschleißes zulassen. Besonders wurde auch erkannt, dass der Härtegrad des Spans ein geeigneter Indikator dafür ist, ob ein kritischer oder weniger kritischer Getriebeschaden bzw. Getriebeverschleiß vorliegt.
Durch Auswertung der Phasenverschiebung und/oder der Amplitude kann auf einen Härtegrad des Spans geschlossen werden. Wird beispielweise ein hartmagnetischer Span erkannt, kann davon ausgegangen werden, dass ein kritischeres Getriebeteil beschädigt wurde. Kritische Getriebeteile sind in der Regel gehärtet und weisen aus diesem Grund hartmagnetische Eigenschaften auf. Wird hingegen ein weichmagnetischer Span detektiert, kann von einem unkritischen Verschleiß ausgegangen werden, da weichmagnetische Metalle an weniger relevanten Getriebekomponenten eingesetzt werden.
Neben dem Härtegrad kann durch die Auswertung der Phasenverschiebung und/oder der Amplitude auch eine Spangröße festgestellt werden. Die Spangröße kann auch als Spanvolumen aufgefasst werden. Wird ein großer Span erkannt, kann somit auf ein Ausmaß der Beschädigung eines Getriebeteiles geschlossen werden.
Zudem ist es durch die Auswertung der Phasenverschiebung und/oder der Amplitude auch möglich, ein Material des Spans zu bestimmen, da die Späne aus unterschiedlichen Materialien unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen, wie eine unterschiedliche Suszeptibilität.
Es wird somit vorgeschlagen, Späne als Verschleißindikator im Schmierkreislauf eines Getriebes einzusetzen. Die Charakterisierung der Späne, die auch synonym als Klassifizierung aufgefasst werden kann, erfolgt dabei durch Auswertung der Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder der Amplitude des Spansignals.
Es wird somit ein intelligenter Sensor zur Zustandsüberwachung eines Getriebes bereitgestellt, der in unterschiedlichen technischen Systemen eingesetzt werden kann.
Es soll verstanden werden, dass die Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder einer Amplitude des Spansignals in Ausführungsformen nur eine optional ist, um den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich zu klassifizieren. Es können andere oder weitere Auswertungsverfahren vorgesehen sein, um den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich zu klassifizieren.
Vorzugsweise ist der Spanklassifikator dazu eingerichtet, den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich in Abhängigkeit des Spansignals und/oder des Erregersignals mittels einem Auswertungsverfahren zu klassifizieren, nämlich mittels wenigstens einem Auswertungsverfahren der Liste von Auswertungsverfahren aufweisend:

- Klassifikation mittels einer Frequenzanalyse, beispielsweise mittels einer Fourier-Transformation, wie eine DFT (Diskrete Fourier Transformation), eine FFT (Schnelle Fourier-Transformation) oder eine STFT (Kurzzeit-Fourier-Transformation);
- Klassifikation mittels einer Wavelet-Analyse;
- Klassifikation mittels einem künstlichen neuronalen Netz.

Vorzugsweise ist der Spanklassifikator wenigstens zur Bestimmung eines Härtegrades, einer Spangröße und/oder eines Spanmaterial des wenigstens einen zu klassifizierenden Spans eingerichtet. Diese Größen werden bestimmt, indem magnetische Parameter, wie eine Fläche unter einer Hysteresekurve, eine Magnetisierung oder sonstige magnetische Eigenschaften durch die Auswertung der Phasenverschiebung und/oder der Amplitude des Spansignals abgeleitet bzw. bestimmt werden und/oder durch die Auswertung mit einem Auswertungsverfahren abgeleitet bzw. bestimmt werden.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator zur Identifikation einer Spangröße des Spans und/oder eines Spanmaterials des Spans eine In-Phase-Komponente auswertet, die weiter vorzugsweise proportional zu einer Magnetisierung des Spans ist. Die sognannte In-Phase-Komponente ist dabei aus der Signalverarbeitung bekannt und wird bestimmt, indem eine Demodulation des Erregersignals und des Spansignals mit der originalen Phasenlage (englisch: in phase) durchgeführt wird. Es wurde vorliegend erkannt, dass die In-Phase-Komponente proportional zu einer Magnetisierung des Spans ist. Aus der Magnetisierung kann dabei ein Rückschluss auf die Spangröße und/oder des Spanmaterials gezogen werden.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator zur Identifikation eines Härtegrades des Spans und/oder eines Spanmaterials eine Außer-Phase-Komponente auswertet, die weiter vorzugsweise proportional zu einer Fläche unter einer Hysteresekurve des Spans ist. Die sognannte Außer-Phase -Komponente ist dabei ebenfalls aus der Signalverarbeitung bekannt und wird bestimmt, indem eine Demodulation des Erregersignals und des Spansignals mit einer festen phasenverschobenen Referenzfrequenz durchgeführt wird. Die Außer-Phase-Komponente ist auch als „quadrature“ bekannt. Es wurde vorliegend erkannt, dass die Außer-Phase-Komponente proportional zu einer Fläche unter einer Hysteresekurve des Spans ist. Es wurde zudem erkannt, dass die Fläche unter der Hysteresekurve einen Rückschluss auf den Härtegrad des Spans zulässt. Beispielweise ist eine schmale Hysteresekurve mit einer größeren Sättigungsmagnetisierung ein Indikator für einen geringen Härtegrad (weichmagnetisch) und eine breite und flachere Hysteresekurve im Vergleich dazu ein Indikator für einen höheren Härtegrad (hartmagnetisch) ist. So können zum Beispiel unterschiedliche Härtegradklassen durch die Auswertung derAu-ßer-Phasen-Komponente bestimmt werden.
Es versteht sich, dass die In-Phase-Komponente und die Außer-Phase-Komponente aus dem Erregersignal und/oder dem Spansignal bestimmt werden, beispielsweise durch eine Frequenzanalyse.
Es wird somit vorgeschlagen mit dem Erregersignal und dem Spansignal ein I&Q-Verfahren (In-Phase-&-Quadrature-Verfahren) durchzuführen, um mit dieser Demodulation eine Phaseninformation zu erhalten.
Vorzugsweise wird zudem vorgeschlagen, dass das Erregersignal ein Wechselspannungssignal ist, zum Beispiel ein sinusförmiges, ein dreieckförmiges oder ein rechteckförmiges Wechselspannungssignal. Die Verwendung eines Wechselspannungssignals als Erregersignal ist vorteilhaft, da das Spansignal mehrfach und phasenverschoben gemessen werden kann, da es wiederholt durch das alternierende Wechselspannungssignal angeregt wird. Das Wechselspannungssignal kann auch als Wechselstromsignal implementiert sein.
In einer weitere Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Erregersignal eine Frequenz aufweist, die in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 kHz liegt. Dieser Frequenzbereich ist ein Frequenzbereich, mit dem ebenfalls die Eindringtiefe des Erregersignals eingestellt werden kann und so das Spansignal getuned werden kann, wenn es beispielweise nicht ausreichend gut messbar ist.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, die Frequenz des Erregersignals in einer vordefinierten Abfolge variiert wird, um eine Eindringtiefe des Erregersignals in den Span zu variieren. Es wird also vorgeschlagen, dass das Erregersignal nicht mit einer gleichbleibenden Frequenz betrieben wird, sondern eine Frequenzänderung durchgeführt wird. In einem konkreten Beispiel wird zuerst für eine erste Zeitdauer eine erste Frequenz eingestellt, anschließend die Frequenz geändert, und für eine zweite Zeitdauer eine zweite Frequenz eingestellt. So kann ebenfalls die Eindringtiefe des Erregersignals als magnetisches Signal in den Span eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Signalgenerator dazu eingerichtet, das elektrische Erregersignal mit einem Sinusverlauf, und/oder einem Dreieckverlauf, und/oder einem Rechteckverlauf zu erzeugen, um eine Eindringtiefe des Erregersignals in den Span einzustellen. Besonders bevorzugst ist das elektrische Erregersignal mit einem Sinusverlauf ausgebildet, da das Sinussignal weniger Oberwellen in dem Spansignal hervorruft.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator eine Materialdatenbank aufweist, wobei in der Materialdatenbank Materialdaten hinterlegt sind.
Als Materialdaten sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform Vergleichsdaten vorgesehen, wie Koerzitivfeldstärken, Suszeptibilitäten, Remanenzen, magnetische Sättigungen oder Hysteresekurven. Die Materialdaten sind dabei interpolierbar ausgebildet und können als Datensätze in einer Speichereinheit hinterlegt sein. Der Speicher für die Materialdaten kann Teil das Spanklassifikators sein oder eine externe Datenbank sein. Es versteht sich, dass der Spanklassifikator in dem letzteren Fall entsprechend dazu eingerichtet ist, die externe Datenbank auszulesen.
Weiter bevorzugt wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, durch einen Abgleich mit den Materialdaten wenigstens eine erste Härteklasse und/oder eine zweite Härteklasse des Spans zu bestimmen. Die erste Härteklasse kann beispielweise eine Härteklasse sein, die anzeigt, dass der klassifizierte Span weichmagnetisch ausgebildet ist. Die zweite Härteklasse kann beispielweise eine Härteklasse sein, die anzeigt, dass der klassifizierte Span hartmagnetisch ausgebildet ist. Es können zudem auch weitere Zwischenabstufung der Härteklassen vorgesehen sein.
Zusätzlich oder alternativ wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, durch einen Abgleich mit den Materialdaten wenigstens eine Spangröße des Spans zu bestimmen. Die Spangröße kann wie zuvor beschrieben auch als Volumen aufgefasst werden. Beispielsweise kann die Spangröße aus den zuvor beschriebenen Vergleichsdaten bestimmt werden.
Zusätzlich oder alternativ wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, durch einen Abgleich mit den Materialdaten wenigstens ein Spanmaterial des Spans zu bestimmen. Das Spanmaterial beschreibt das Material, aus dem der Span ausgebildet ist, wie gehärter Stahl.
Vorzugsweise umfassen die Materialdaten wenigstens einen Vergleichssignalverlauf. Es wird also vorgeschlagen, dass wenigstens ein Vergleichssignalverlauf Teil der Materialdaten ist und das erfasste Spansignal mit dem Vergleichssignalverlauf abgeglichen werden kann. Es können auch eine Vielzahl von Vergleichssignalverläufe in den Materialdaten hinterlegt sein, die als ein Kennfeld aufgefasst werden können. Entsprechend wird vorgeschlagen, den zu klassifizierenden Span in dem Spananalysebereich durch einen Abgleich mit dem wenigstens einen Vergleichssignalverlauf zu klassifizieren, um beispielsweise den Härtegrad des Spans, die Spangröße oder das Spanmaterial zu bestimmen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass ein Vorliegen der ersten und/oder zweiten Härteklasse durch einen Abgleich des Spansignals mit den Vergleichssignalverläufen bestimmt wird. Vorzugsweise ist der Spanklassifikator dazu eingerichtet, ein Vorliegen der ersten und/oder zweiten Härteklasse durch einen Abgleich des Spansignals mit den Vergleichssignalverläufen zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator mit einer Vielzahl von Empfängerspulen ausgebildet ist, wobei die Empfängerspulen auf einer Sensorfläche innerhalb eines Sensorkopfes verteilt angeordnet sind. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Empfängerspulen kann eine örtliche Bestimmung des Spans bereitgestellt werden. Die örtliche Bestimmung bezieht sich dabei auf die Lage des Spans an dem Sensorkopf. Die örtliche Bestimmung ist dazu vorgesehen, mehrere unterschiedliche Späne zu erkennen, um eine unabhängige Charakterisierung von unterschiedlichen Spänen bereitzustellen, die an dem Sensorkopf angeordnet sind.
Durch die Verwendung einer Vielzahl von Empfängerspulen kann zusätzlich oder alternativ eine Größenbestimmung des Spans bereitgestellt werden. Ist beispielsweise ein Span über mehreren Empfängerspulen angeordnet, kann durch die Auswertung der Spansignale der Empfängerspulen, die in der Nähe des zu klassifizieren Spans angeordnet sind, die Spangröße bestimmt werden. Dort ist das reflektierte Spansignal am stärksten ausgeprägt.
Die Spulen können dazu als Array verschaltet sein und mit einer Selektionsschaltung einzeln ausgelesen werden, beispielsweise mit einem Multiplexer.
Vorzugsweise sind die Empfängerspulen innerhalb eines Sensorkopfes wabenförmig verteilt angeordnet. Damit kann die Packungsdichte erhöht werden.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine Empfängerspule eine Spulenachse auf, die in Bezug auf eine Sensorflächenebene im Wesentlichen normal stehend ausgebildet ist. Diese Ausrichtung zur Sensorfläche ermöglicht dabei, dass ein Einfluss des Erregersignals auf das Spansignal minimiert wird. Mit dieser Anordnung bildet sich ein Erregerfeld aus, das normal zu der Empfängerspule steht. So wird der Einfluss des Erregersignals auf die Empfängerspule minimiert.
Vorzugsweise weist die Sensoreinrichtung einen Spanfänger auf, um den wenigstens einen zu klassifizierenden Span in dem Spananalysebereich zu halten. Es wird also vorgeschlagen, eine Vorrichtung vorzugsehen, der den zu klassifizierenden Span bzw. die zu klassifizierenden Späne ortsfest in dem Spananalysebereich hält. Dies kann auch als ein Fangen des Spans bzw. der Späne aufgefasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Spanfänger dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen zu klassifizierenden Span mit einem Magnetfeld in dem Spananalysebereich magnetisch zu halten. Hierzu kann der Spanfänger beispielsweise als Spule ausgebildet sein, die mit einem Gleichstrom bestromt wird. Zudem kann der Spanfänger auch mit einem Magneten ausgebildet sein, z.B. mit einem Permanentmagnet.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Spanfänger dazu eingerichtet ist, den zu klassifizierenden Span mit einer fluiddurchlässigen Filterstruktur in dem Spananalysebereich mechanisch zu halten. Hierzu kann der Spanfänger mit einem Metallgitter ausgebildet sein, oder mit einem Korb oder einem Netz.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Spanfänger als gleichstrombetriebene Spule ausgebildet ist, um den wenigstens einen zu klassifizierenden Span mit einem Magnetfeld in dem Spananalysebereich magnetisch zu halten. Mit einer gleichstrombetriebenen Spule lässt sich in vorteilhafterweise ein einstellbares Magnetfeld realisieren. So kann bei Bedarf der Magnetfänger ausgeschaltet werden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Magnetfeld mit einer Steuereinheit ein- und ausschaltbar ausgebildet ist. So kann beispielweise eine Reinigung des Spanbereiches umgesetzt werden. Für eine Wartung kann das Magnetfeld des Spanfängers ausgeschaltet werden. Nach der Abschaltung werden die Späne nicht mehr magnetisch vom Spanfänger gehalten und können so einfach entfernt werden.
Vorzugsweise ist der Spananalysebereich ein räumlicher Bereich innerhalb einer mit einer Flüssigkeit durchströmten Leitung. Es wird somit vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung in allen Leitungen eingesetzt und verwendet werden kann, die von einer Flüssigkeit durchflossen werden, wie eine Leitung eines Schmierkreislaufes oder eines Kühlkreislaufes.
Die zuvor beschriebene Sensoreinrichtung kann demnach auch in einer beliebigen mit einer Flüssigkeit durchströmten Leitung eingebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Flüssigkeit Öl und/oder ein flüssiges Kühlmittel, und weiter vorzugsweise ist die Leitung eine Schmier- und/oder eine Kühlstoffleitung.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, das Spansignal über eine Kommunikationseinheit einer externen Verarbeitungseinheit zur externen Auswertung bereitzustellen.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, ein Ergebnis der Auswertung über eine Kommunikationseinheit bereitzustellen, wobei das Ergebnis der Auswertung insbesondere eine klassifizierte Härteklasse, eine klassifizierte Spangröße und/oder ein klassifiziertes Spanmaterial ist. Das Ergebnis der Auswertung bzw. der Klassifizierung kann somit weiterverarbeitet werden und beispielsweise einem Prozesscomputer zur Prozessüberwachung bereitgestellt werden, mit einer Analyseeinheit analysiert werden oder einer Meldeeinheit bereitgestellt werden, um einen Wartungs- oder Reparaturbedarf anzuzeigen.
Vorzugsweise ist der Signalgenerator dazu eingerichtet, das Erregersignal als Referenzsignal über eine Kommunikationseinheit dem Spanklassifikator und/oder einer externen Verarbeitungseinheit bereitzustellen.
Die externe Verarbeitungseinheit ist beispielsweise ein externer Prozesscomputer oder eine externe Steuereinheit. Der externe Prozesscomputer oder die externe Steuereinheit können Teil des technischen Systems sein, in dem die Sensoreinrichtung eingesetzt wird.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass der Spanklassifikator eine Berechnungseinheit aufweist, um den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder einer Amplitude des Spansignals zu klassifizieren; und/oder um den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich in Abhängigkeit des Spansignals und/oder des Erregersignals mittels einem Auswertungsverfahren zu klassifizieren.
Die Berechnungseinheit kann eine interne Berechnungseinheit sein, die Teil der Sensoreinrichtung ist, wie beispielsweise ein Mikrokontroller. Die Berechnungseinheit kann auch eine externe Berechnungseinheit sein, wie ein externer Prozesscomputer oder eine externe Steuereinheit.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zur Charakterisierung eines Spans mit einer Sensoreinrichtung vorgeschlagen, die wenigstens einen Signalgenerator und einen Spanklassifikator aufweist.
Das Verfahren umfasst die Schritte: Erzeugen eines elektrischen Erregersignals mit dem Signalgenerator mit einer Sendespule, wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist das elektrische Erregersignal zu erzeugen und mit der Sendespule in einen Spananalysebereich als magnetisches Signal einzukoppeln, wobei der Spananalysebereich ein räumlicher Bereich ist;
Empfangen eines Spansignals mit dem Spanklassifikator mit wenigstens einer Empfängerspule, wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, das Spansignal aus dem Spananalysebereich mit der Empfängerspule zu empfangen, wobei das Spansignal ein durch das Erregersignal angeregtes Magnetisierungssignal ist, das von wenigstens einem zu klassifizierenden Span erzeugt wird;
Auswerten des Spansignals mit dem Spanklassifikator, wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder einer Amplitude des Spansignals zu klassifizieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung ausgebildet nach einer der vorstehenden Ausführungsformen.
Vorzugsweise umfasst der Auswertungsschritt zudem die Schritte:

Bestimmen einer Spangröße und/oder eines Spanmaterials des zu klassifizierenden Spans durch Bestimmung einer In-Phase-Komponente mit dem Spanklassifikator, die vorzugsweise proportional zu einer Magnetisierung des Spans ist, und/oder
Bestimmen wenigstens eine Härteklasse und/oder eines Spanmaterials des zu klassifizierenden Spans durch Bestimmung einer Außer-Phase-Komponente, die vorzugsweise proportional zu einer Fläche unter einer Hysteresekurve des Spans ist.
Die zuvor zu der Sensoreinrichtung zur Charakterisierung eines Spans beschriebenen Erläuterungen, Vorteile und Ausführungen gelten entsprechend analog für das zuvor stehende Verfahren zur Charakterisierung eines Spans mit einer Sensoreinrichtung.

Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert, wobei für gleiche oder ähnliche Baugruppen dieselben Bezugszeichen verwendet werden:

1 zeigt schematisch einen Schmierkreislauf eines Getriebes mit einer Sensoreinrichtung in einer Ausführungsform.
2 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in einer Ausführungsform.
3 zeigt schematisch einen Teil einer Sensoreinrichtung in einer Ausführungsform, die in eine mit einer Flüssigkeit durchströmten Leitung eingebracht ist.
4 zeigt schematisch eine geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Sensoreinrichtung mit einer Primärspule und einer Vielzahl von Empfängerspulen in einer Ausführungsform.
5 zeigt schematisch eine geschnittene Draufsicht eines Teils einer Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl von Empfängerspulen in einer Ausführungsform.
6 zeigt sechs Diagramme, die eine Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen einem Erregersignal und einem Spansignal und eine Auswertung einer Amplitude des Spansignals veranschaulichen.
7 zeigt ein Diagramm in dem schematisch zwei Hysteresekurven gezeigt sind.
8 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausführungsform.

Die 1 zeigt einen Schmierkreislauf 10 eines Getriebes 11 mit einer Sensoreinrichtung 100 in einer Ausführungsform. Das Getriebe 11 ist zur Veranschaulichung als Stirnradgetriebe dargestellt.
Eine Pumpe 12 ist Teil des Schmierkreislauf 10 und dazu eingerichtet, Schmieröl 13 im Kreis zu pumpen. Das Schmieröl 13 ist zur Reduzierung von Verschleiß des Getriebes 11 vorgesehen und reduziert die mechanische Reibung im gezeigten Stirnradgetriebe. Durch die mechanische Beanspruchung des Getriebes können Verschleißerscheinungen, wie Grübchenschäden oder Ablösungen von Getriebekomponenten entstehen. Der Verschleiß bzw. die Getriebeablösungen treten so in den Schmierkreislauf 10 ein und liegen als Artefakte in Form von Metallpartikel oder Metallspäne 14, 15 im Schmierkreislauf vor. Beispielhaft sind in der 1 zwei hartmagnetische Späne bzw. Partikel 15 gezeigt und ein weichmagnetischer Span bzw. Partikel 14, die sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgelöst haben können. Daneben sind auch sonstige Schwebstoffe 16 im Schmierkreislauf vorhanden, wie nichtmetallische Schmutzpartikel.
Ein Filter 17 ist dazu vorgesehen, Schwebstoffe 16 aus dem Schmieröl 13 herauszufiltern. Die Metallspäne werden durch die Sensoreinrichtung 100 gefiltert. Dazu kann die Sensoreinrichtung einen Spanfänger aufweisen, um den wenigstens einen zu klassifizierenden Span bzw. die zu klassifizierende Späne 14, 15 in dem Spananalysebereich 110 zu halten.
Die Sensoreinrichtung 100 zur Charakterisierung des Spans ist Teil des Schmierkreislaufes 10. Die Sensoreinrichtung 100 ist beispielsweise ausgebildet, wie in den 2, 3, 4 oder 5 gezeigt. Die Sensoreinrichtung 100 ist in die Flüssigkeit durchströmte Leitung 18 eingebracht und weist einen Spananalysebereich 110 auf, der ein räumlicher Bereich innerhalb der Leitung 18 ist und als gepunkteter Bereich dargestellt ist.
Die Sensoreinrichtung 100 weist einen nicht in der 1 gezeigten Signalgenerator mit wenigstens einer Sendespule auf, wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Erregersignal zu erzeugen und mit der Sendespule als magnetisches Signal in den Spananalysebereich 110 einzukoppeln. Das Einkoppeln des Erregersignals als magnetisches Signal in den Spananalysebereich 110 ist in der 1 durch angedeutete Feldlinien veranschaulicht.
Die 1 zeigt einen Schmierkreislauf 10 eines Stirnradgetriebes. Die gezeigte Sensoreinrichtung 100 kann aber auch in einer sonstigen mit einer Flüssigkeit durchströmten Leitung 18 eingebracht werden. Das Funktionsprinzip der Sensoreinrichtung 100 ist nicht auf einen Schmierkreislauf 10 eines Getriebes beschränkt, sondern kann beispielsweise auch in einem Kühlmittelkreislauf oder direkt in einem Getriebe eingebracht werden.
Die 2 zeigt schematisch ein Blockschaltdiagramm einer Sensoreinrichtung 100, wie beispielsweise in der 1 gezeigt.
Die Sensoreinrichtung 100 ist zur Charakterisierung eines Spans 14, 15 vorgesehen und umfasst einen Spananalysebereich 110, wobei der Spananalysebereich 110 ein räumlicher Bereich ist, beispielsweise innerhalb der mit Flüssigkeit durchströmten Leitung 18 wie in der 1 gezeigt.
Die Sensoreinrichtung 100 umfasst einen Signalgenerator 200 mit wenigstens einer Sendespule 210, wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Erregersignal 220 zu erzeugen und mit der Sendespule 210 als magnetisches Signal 230 in den Spananalysebereich 110 einzukoppeln. Das elektrische Erregersignal 220 kann beispielsweise mit einem Funktionsgenerator 240 als sinusförmiges Wechselspannungssignal mit einer Frequenz in einem Frequenzbereich von 100Hz bis 10 kHz erzeugt werden. Die Frequenz des Erregersignals 220 kann dabei in einer vordefinierten Abfolge variiert werden, um eine Eindringtiefe in den Span 14, 15 einzustellen.
Zudem kann ein Verstärker 250 vorgesehen sein, um das elektrische Erregersignal 220 zu verstärken.
Das elektrische Erregersignal 220 wird in der Sendespule in ein magnetisches Signal 230 gewandelt und koppelt so in den Spananalysebereich 110 ein. Das magnetische Signal 230 regt den Span 14, 15 magnetisch an, so dass basierend auf der Anregung durch das magnetische Signal 230 ein charakteristisches und messbares Spansignal 260 erzeugt wird.
Die Sensoreinrichtung umfasst zudem einen Spanklassifikator 300 mit wenigstens einer Empfängerspule 310, wobei der Spanklassifikator 300 dazu eingerichtet ist, das Spansignal 260 aus dem Spananalysebereich 110 mit der Empfängerspule zu empfangen. Die Empfängerspule kann somit auch als Messspule aufgefasst werden. Das Spansignal 260 ist ein durch das Erregersignal angeregtes Magnetisierungssignal, das von wenigstens einem zu klassifizierenden Span 14, 15 erzeugt wird.
Der Spanklassifikator 300 ist dazu eingerichtet, den wenigstens einen Span 14, 15 in dem Spananalysebereich 110 durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal 220 und dem Spansignal 260 und/oder einer Amplitude des Spansignals 260 zu klassifizieren.
Beispielsweise wertet der Spanklassifikator 300 zur Identifikation einer Spangröße des Spans 14, 15 und/oder eines Spanmaterials des Spans 14, 15 eine In-Phase-Komponente aus, die proportional zu einer Magnetisierung des Spans ist. Zusätzlich oder alternativ wertet der Spanklassifikator 300 zur Identifikation eines Härtegrades des Spans 14, 15 und/oder eines Spanmaterials des Spans 14, 15 eine Außer-Phase-Komponente aus, die proportional zu einer Fläche unter einer Hysteresekurve des Spans ist, wie beispielsweise in der 6 und 7 veranschaulicht.
Der Spanklassifikator 300 kann zudem einen Verstärker 330 aufweisen, um das mit der Empfängerspule 310 gemessene Spansignal 260 in einen gewünschten Arbeitsbereich zu verstärken.
Wird der Spanklassifikator 300 mit einer Vielzahl von Empfängerspulen 310 ausgebildet, wobei die Empfängerspulen 310 auf einer Sensorfläche innerhalb eines Sensorkopfes verteilt angeordnet sind, um eine örtliche Bestimmung des Spans bereitzustellen, wie beispielsweise in der 4 und 5 gezeigt, kann zudem eine Selektionsschaltung 320 vorgesehen sein, um die Vielzahl der Empfängerspulen 310 unabhängig voneinander auszuwerten, wie beispielsweise ein Multiplexer.
Der Spanklassifikator 300 kann zudem eine Materialdatenbank 340 aufweisen, wobei in der Materialdatenbank Materialdaten hinterlegt sind, wie beispielsweise Koerzitivfeldstärken, Suszeptibilitäten, Remanenzen, magnetische Sättigungen oder Hysteresekurven.
Der Spanklassifikator 300 ist mit einer Berechnungseinheit 350 dazu eingerichtet, durch einen Abgleich mit den Materialdaten wenigstens eine erste Härteklasse und/oder eine zweite Härteklasse, eine Spangröße und/oder ein Spanmaterial des Spans 14, 15 zu bestimmen. So kann beispielsweise bestimmt werden, ob ein weichmagnetischer Span 14 oder ein hartmagnetischer Span 15 vorliegt. Es kann zudem die Spangröße bzw. das Spanvolumen bestimmt werden und zudem das Material des Spans 14 oder 15 festgestellt werden. So kann auf einen kritischen oder unkritischen Verschleiß bzw. eine kritische oder unkritische Getriebebeschädigung geschlossen werden.
Die Berechnungseinheit 350 ist beispielsweise als Mikrokontroller ausgebildet.
Die Materialdatenbank 340 ist in der 2 als Teil des Spanklassifkators dargestellt, sie kann aber auch eine externe Datenbank sein und die Berechnungseinheit 350 beispielsweise mit der externen Datenbank über ein Kommunikationsmittel kommunizieren.
Die Materialdaten können zudem Vergleichssignalverläufe umfassen, wobei ein Vorliegen der ersten und/oder zweiten Härteklasse durch einen Abgleich des Spansignals 260 mit den Vergleichssignalverläufen bestimmt wird, nämlich durch die Berechnungseinheit. Es findet also ein Abgleich mit mehreren in der Materialdatenbank 340 hinterlegten Signalverläufen des Spansignals 260 statt. Die Signalverläufe können beispielsweise als Kennfeld in der Materialdatenbank 340 hinterlegt sein.
Nachdem der Spanklassfikator 300 den wenigstens einen Span 14, 15 in dem Spananalysebereich durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal 220 und dem Spansignal 260 und/oder einer Amplitude des Spansignals 260 klassifiziert hat, kann das Ergebnis der Klassifizierung weiterverarbeitet werden und beispielsweise einem Prozesscomputer 400 zur Prozessüberwachung bereitgestellt werden, mit einer Analyseeinheit 410 analysiert werden oder auf einer Meldeeinheit 420 angezeigt werden, um eine Wartung oder Reparatur einzuleiten.
Die 3 zeigt einen Teil einer Sensoreinrichtung 100 zur Charakterisierung eines Spans, wie beispielsweise in der 1 oder 2 gezeigt. Die Sensoreinrichtung 100 weist einen Spananalysebereich 110 auf, der ein räumlicher Bereich innerhalb einer mit einer Flüssigkeit durchströmten Leitung 18 ist. Die Sensoreinrichtung 100 weist einen Signalgenerator mit wenigstens einer Sendespule auf, die nicht dargestellt wird. Der Signalgenerator ist dazu eingerichtet, ein elektrisches Erregersignal 220 zu erzeugen und mit einer ebenfalls nicht gezeigten Sendespule als magnetisches Signal 230 in den Spananalysebereich 110 einzukoppeln.
Die Sensoreinrichtung 100 weist zudem einen Spanfänger 270 auf, um den wenigstens einen zu klassifizierenden Span 14, 15 in dem Spananalysebereich 110 zu halten, nämlich ortsfest an einem Sensorkopf der Sensoreinrichtung 100. Der Spanfänger 270 ist in der 3 nur indirekt gezeigt, da mehrere Metallspäne 14, 15 an dem Sensorkopf der Sensoreinrichtung 100 haften. Der Spanfänger 270 ist dazu eingerichtet, den wenigstens einen zu klassifizierenden Span mit einem Magnetfeld in dem Spananalysebereich 110 magnetisch zu halten. Dazu kann der Spanfänger beispielsweise als eine gleichstrombetriebene Spule ausgebildet sein, um den wenigstens einen zu klassifizierenden Span 14, 15 mit einem Magnetfeld in dem Spananalysebereich 110 magnetisch zu halten, wobei das Magnetfeld für eine Reinigung des Spanbereiches mit einer Steuereinheit ein- und ausschaltbar ausgebildet ist.
Die 4 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Sensoreinrichtung 100 mit einer Sendespule 210 und einer Vielzahl von Empfängerspulen 310. Die Empfängerspulen sind auf einer Sensorfläche 290 innerhalb eines Sensorkopfes 280 verteilt angeordnet sind, um eine örtliche Bestimmung und/oder Größenbestimmung des Spans 14, 15 bereitzustellen.
Die Empfängerspule 310 weist eine Spulenachse auf, die in Bezug auf die Sensorflächenebene 290 normal stehend ausgebildet ist, um einen Einfluss des Erregersignals auf das Spansignal zu minimieren. Die Sendespule 210 weist in der gezeigten Ausführungsform zudem eine Spulenachse auf, die in Bezug auf die Sensorflächenebene 290 im Wesentlichen parallel stehend ausgebildet ist. Die Spulenachse der Sendespule kann alternativ in Bezug auf die Sensorflächenebene 290 im Wesentlichen senkrecht stehend ausgebildet sein, insbesondere, wenn die Sendespule um einen senkrechten stehenden Schenkel gewickelt ist. Durch diese Ausrichtung kann der Einfluss des Erregersignals, dass als magnetisches Signal 230 in den Spananalysebereich 110 eingekoppelt wird, reduziert werden und das Spansignal verbessert gemessen werden, da das Erregerfeld normal auf der Empfängerspule steht.
Die 5 veranschaulicht einen Teil einer Sensoreinrichtung 100 mit einer Vielzahl von Empfängerspulen 310, wobei die Empfängerspulen 310 auf einer Sensorfläche 290 innerhalb eines Sensorkopfes 280 verteilt angeordnet sind, um eine örtliche Bestimmung und/oder eine Größenbestimmung des Spans 14, 15 bereitzustellen, wobei die Empfängerspulen 310 innerhalb eines Sensorkopfes 280 wabenförmig verteilt angeordnet sind. Die gezeigte 5 ist beispielsweise eine geschnittene Draufsicht, der 4.
Die 6 veranschaulicht das Auswertungsprinzip zur Charakterisierung eines Spans. Wie zuvor beschrieben, ist der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen zu klassifizierenden Span in dem Spananalysebereich durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder einer Amplitude des Spansignals zu klassifizieren. Der Spanklassifikator ist also beispielsweise dazu eingerichtet, eine Spangröße, ein Spanmaterial und/oder eine Härteklasse des Spans zu bestimmen.
In dem oberen Bereich A sind drei Diagramme A1 bis A3 gezeigt, die eine Charakterisierung eines weichmagnetischen Spans veranschaulichen.
In dem unteren Bereich B sind drei Diagramme B1 bis B3 gezeigt, die eine Charakterisierung eines hartmagnetischen Spans veranschaulichen.
In den Diagrammen A1 und B1 sind zwei unterschiedliche Hysteresekurven gezeigt. In beiden Diagrammen A1 und B1 ist auf der Y-Achse die Magnetisierung M abgetragen und auf der X-Achse die magnetische Feldstärke H. Die Schnittpunkte der Kurven mit der Y-Achse entsprechen der positiven und negativen Remanenz. Die Schnittpunkte mit der X-Achse entsprechen der positiven und negativen Koerzitivfeldstärke. Die gepunkteten Linien entsprechen dem Verlauf einer Neukurve. Wie zu erkennen ist, sättigen die Kurven A1 und B1 sowohl in positiver wie auch in negativer Richtung unabhängig davon, ob die magnetische Feldstärke weiter positiv oder negativ erhöht wird. Dies ist als magnetische Sättigung bekannt. Die beiden Hysteresekurven weisen somit auch eine positive und negative magnetische Sättigung auf. Wie in dem Diagramm A1 zu erkennen, stellt sich im Vergleich zu dem Diagramm B1 eine schmale Hysteresekurve ein, die auf einen weichen Span schließen lässt. Die Hysteresekurve im Diagramm B1 ist im Vergleich zu dem Diagramm A1 breiter und niedriger, so dass auf einen hartmagnetischen Span geschlossen werden kann. Dieser Zusammenhang ist in der 6 und auch in der 7 veranschaulicht.
In den Diagramm A2 und B2 sind beispielhaft das elektrische Erregersignal 220 sowie das Spansignal 260 veranschaulicht. In den beiden Diagrammen A2 und B2 ist die Spannung U über der Zeit t abgetragen. Die Spannungsverläufe 220 und 260 sind zwar in einem gleichen Diagramm veranschaulicht, die Amplitudenwerte der Signalverläufe 220 und 260 können aber unterschiedlich sein.
Wie in den Figuren A2 und B2 zu erkennen ist, stellt sich aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften der Späne eine unterschiedliche Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Erregersignal 220 und dem Spansignal 260 ein. Beispielsweise ist in dem Diagramm A2 ein Spansignal gezeigt, das von einem weichmagnetischen Span erzeugt wird. Das Diagramm B2 veranschaulicht beispielhaft ein Spansignal, das von einem hartmagnetischen Span erzeugt wird. Durch eine Auswertung der Phasenverschiebung kann somit der Span klassifiziert werden, beispielsweise in Bezug auf einen Härtegrad.
Neben der Phasenverschiebung ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen auch die Amplitude des Spansignals 260 auszuwerten. Die Amplitude des Spansignals kann als zusätzliche Information zu der Phasenverschiebung verwendet werden, da unterschiedliche Späne unterschiedliche Amplituden im Verlauf des Spansignals ausbilden, wenn sie magnetisch in Abhängigkeit des elektrischen Erregersignals angeregt werden.
Die Figuren A3 und B3 zeigen im Grunde die Diagramme A2 und B2 in einer unterschiedlichen Darstellung, nämlich als rotierende Raumzeiger. Wie zu erkennen ist, rotieren die Raumzeiger 220 und 260 synchron mit einem unterschiedlich großen Phasenwinkel zueinander. Somit kann auch auf Basis des Phasenwinkels, eine Phasenverschiebung bestimmt werden.
Die 7 zeigt beispielshaft zwei Hysteresekurven, die in einem dreiachsigen Diagramm eingezeichnet sind. Auf der X-Achse ist die magnetische Feldstärke H abgetragen. Auf einer ersten Y-Achse ist die magnetische Flussdichte B abgetragen und auf einer zweiten Y-Achse ist die Magnetisierung M aufgetragen.
Wie zu erkennen ist, unterscheiden sich hartmagnetische und weichmagnetische Späne durch unterschiedliche Flächen der Hysterekurven. Diese Erkenntnis wird genutzt, um einen Span in dem Spananalysebereich nicht nur zu erkennen, sondern auch zu charakterisieren, beispielsweise in Bezug auf seine Größe (Spanvolumen), seine magnetischen Eigenschaften (Härtegrad) oder seine Materialeigenschaften (Spanmaterial).
Die 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Charakterisierung eines Spans mit einer Sensoreinrichtung.
In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Erzeugen eines elektrischen Erregersignals mit einem Signalgenerator mit einer Sendespule, wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist, das elektrische Erregersignal zu erzeugen und mit der Sendespule in einen Spananalysebereich als magnetisches Signal einzukoppeln, wobei der Spananalysebereich ein räumlicher Bereich ist.
In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Empfangen eines Spansignals mit einem Spanklassifikator mit wenigstens einer Empfängerspule, wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, das Spansignal aus einem Spananalysebereich mit der Empfängerspule zu empfangen, wobei das Spansignal ein durch das Erregersignal angeregtes Magnetisierungssignal ist, das von wenigstens einem zu klassifizierenden Span erzeugt wird.
In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Auswerten des Spansignals mit dem Spanklassifikator, wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Span in dem Spananalysebereich durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal und dem Spansignal und/oder einer Amplitude des Spansignals zu klassifizieren.
Zudem sind in dem Schritt S3 zwei weitere bevorzugte Schritte S3.1 und S3.2 veranschaulicht.
Im Schritt S3.1 erfolgt ein Bestimmen einer Spangröße und/oder eines Spanmaterials des zu klassifizierenden Spans durch Bestimmung einer In-Phase-Komponente mit dem Spanklassifikator, die proportional zu einer Magnetisierung des Spans ist.
Im Schritt S3.2 erfolgt ein Bestimmen wenigstens einer Härteklasse und/oder eines Spanmaterials des zu klassifizierenden Spans durch Bestimmung einer Außer-Phase-Komponente, die proportional zu einer Fläche unter einer Hysteresekurve des Spans ist.
Bezugszeichenliste

10: Schmierkreislauf
11: Getriebe
12: Pumpe
13: Schmieröl
14,15: (Metall-)Span (weichmagnetisch, hartmagnetisch)
16: Schwebstoffe
17: Filter
18: Flüssigkeit durchströmten Leitung
100: Sensoreinrichtung
110: Spananalysebereich
200: Signalgenerator
210: Sendespule
220: Erregersignal
230: magnetisches Signal
240: Funktionsgenerator
250: Verstärker
260: Spansignal
270: Spanfänger
280: Sensorkopf
290: Sensorflächenebene
300: Spanklassifikator
310: Empfängerspule
320: Selektionsschaltung
330: Verstärker
340: Materialdatenbank
350: Berechnungseinheit
400: Prozesscomputer
410: Analyseeinheit
420: Meldeeinheit

Claims

Sensoreinrichtung (100) zur Charakterisierung eines Spans (14,15) umfassend: - ein Spananalysebereich (110), wobei der Spananalysebereich ein räumlicher Bereich ist; - ein Signalgenerator (200) mit wenigstens einer Sendespule (210), wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Erregersignal (220) zu erzeugen und mit der Sendespule als magnetisches Signal (230) in den Spananalysebereich einzukoppeln; - ein Spanklassifikator (300) mit wenigstens einer Empfängerspule (310), wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, ein Spansignal (260) aus dem Spananalysebereich mit der Empfängerspule zu empfangen, wobei das Spansignal ein durch das Erregersignal angeregtes Magnetisierungssignal ist, das von wenigstens einem zu klassifizierenden Span (14,15) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanklassifikator (300) zudem dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Span (14,15) in dem Spananalysebereich (110) durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal (220) und dem Spansignal (260) und/oder einer Amplitude des Spansignals (260) zu klassifizieren.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Spanklassifikator (300) zur Identifikation einer Spangröße des Spans und/oder eines Spanmaterials des Spans eine In-Phase-Komponente auswertet, die vorzugsweise proportional zu einer Magnetisierung des Spans ist.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spanklassifikator (300) zur Identifikation eines Härtegrades des Spans und/oder eines Spanmaterials eine Außer-Phase-Komponente auswertet, die vorzugsweise proportional zu einer Fläche unter einer Hysteresekurve des Spans ist.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erregersignal (220) ein Wechselspannungssignal ist, insbesondere ein sinusförmiges, ein dreieckförmiges oder rechteckförmiges Wechselspannungssignal.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erregersignal (220) eine Frequenz aufweist, die in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 kHz liegt.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei die Frequenz des Erregersignals (220) in einer vordefinierten Abfolge variiert wird, um eine Eindringtiefe des Erregersignals in den Span (14,15) zu variieren.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Signalgenerator (200) dazu eingerichtet ist, das elektrisches Erregersignal (220) mit einem Sinusverlauf, und/oder einem Dreieckverlauf, und/oder einem Rechteckverlauf zu erzeugen, um eine Eindringtiefe des Erregersignals in den Span einzustellen.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spanklassifikator (300) eine Materialdatenbank (340) aufweist, wobei in der Materialdatenbank Materialdaten hinterlegt sind, und (i) der Spanklassifikator (300) dazu eingerichtet ist, durch einen Abgleich mit den Materialdaten wenigstens eine erste Härteklasse und/oder eine zweite Härteklasse des Spans zu bestimmen, und/oder (ii) der Spanklassifikator (300) dazu eingerichtet ist, durch einen Abgleich mit den Materialdaten wenigstens eine Spangröße des Spans zu bestimmen, und/oder (iii) der Spanklassifikator (300) dazu eingerichtet ist, durch einen Abgleich mit den Materialdaten wenigstens ein Spanmaterial des Spans zu bestimmen.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei die Materialdaten wenigstens einen Vergleichssignalverlauf umfasst, wobei vorzugsweise ein Vorliegen der ersten und/oder zweiten Härteklasse durch einen Abgleich des Spansignals mit dem wenigstens einen Vergleichssignalverlauf bestimmt wird.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spanklassifikator (300) mit einer Vielzahl von Empfängerspule (310) ausgebildet ist, und wobei die Empfängerspulen auf einer Sensorfläche (290) innerhalb eines Sensorkopfes (280) verteilt angeordnet sind, insbesondere um eine örtliche Bestimmung des Spans bereitzustellen und/oder eine Größenbestimmung des Spans bereitzustellen, wobei vorzugsweise die Empfängerspulen innerhalb eines Sensorkopfes wabenförmig verteilt angeordnet sind.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Empfängerspule (310) eine Spulenachse aufweist, die in Bezug auf eine Sensorflächenebene normal stehend ausgebildet ist, insbesondere um einen Einfluss des Erregersignals auf das Spansignal zu minimieren.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinrichtung zudem einen Spanfänger (270) aufweist, um den wenigstens einen zu klassifizierenden Span (14,15) in dem Spananalysebereich (110) zu halten, vorzugsweise ist der Spanfänger dazu eingerichtet, den wenigstens einen zu klassifizierenden Span mit einem Magnetfeld in dem Spananalysebereich magnetisch zu halten und/oder mit einer fluiddurchlässigen Filterstruktur in dem Spananalysebereich mechanisch zu halten.
Sensoreinrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei der Spanfänger (270) als gleichstrombetriebene Spule ausgebildet ist, um den wenigstens einen zu klassifizierenden Span mit einem Magnetfeld in dem Spananalysebereich magnetisch zu halten, und vorzugsweise das Magnetfeld mit einer Steuereinheit ein- und ausschaltbar ausgebildet ist, insbesondere für eine Reinigung des Spanbereiches.
Sensoreinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spananalysebereich (110) ein räumlicher Bereich innerhalb einer mit einer Flüssigkeit durchströmten Leitung (18) ist, vorzugsweise ist die Flüssigkeit Öl und/oder ein flüssiges Kühlmittel, und weiter vorzugsweise ist die Leitung eine Schmier- und/oder eine Kühlstoffleitung.
Verfahren zur Charakterisierung eines Spans (14,15) mit einer Sensoreinrichtung (100), die wenigstens einen Signalgenerator (200) und einen Spanklassifikator (300) aufweist, umfassend die Schritte: - Erzeugen (S1) eines elektrischen Erregersignals (220) mit dem Signalgenerator (200) mit einer Sendespule (210), wobei der Signalgenerator dazu eingerichtet ist, das elektrische Erregersignal zu erzeugen und mit der Sendespule in einen Spananalysebereich als magnetisches Signal einzukoppeln, wobei der Spananalysebereich ein räumlicher Bereich ist; - Empfangen (S2) eines Spansignals (260) mit dem Spanklassifikator (300) mit wenigstens einer Empfängerspule (310), wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, das Spansignal aus dem Spananalysebereich (110) mit der Empfängerspule zu empfangen, wobei das Spansignal ein durch das Erregersignal (220) angeregtes Magnetisierungssignal ist, das von wenigstens einem zu klassifizierenden Span (14, 15) erzeugt wird; - Auswerten (S3) des Spansignals (260) mit dem Spanklassifikator (300), wobei der Spanklassifikator dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen Span (14,15) in dem Spananalysebereich (110) durch Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen dem Erregersignal (220) und dem Spansignal (260) und/oder einer Amplitude des Spansignals (260) zu klassifizieren, wobei vorzugsweise die Sensoreinrichtung ausgebildet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Auswerten zudem die Schritte umfasst: - Bestimmen einer Spangröße und/oder eines Spanmaterials des zu klassifizierenden Spans (14,15) durch Bestimmung einer In-Phase-Komponente mit dem Spanklassifikator, die vorzugsweise proportional zu einer Magnetisierung des Spans ist, und/oder - Bestimmen wenigstens eine Härteklasse und/oder eines Spanmaterials des zu klassifizierenden Spans (14, 15) durch Bestimmung einer Außer-Phase-Komponente, die vorzugsweise proportional zu einer Fläche unter einer Hysteresekurve des Spans ist.