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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Torsionssensor zur Erfassung der Torsion eines Wellenkörpers mit einer drahtlosen Datenübertragung.
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STAND DER TECHNIK
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Aus der
DE 39 22 556 A1 ist eine berührungslose Sensorklemme bekannt. Bei dieser wird zur Vereinfachung von rückwirkungsfreiem und kontaktlosem Erfassen von statischen und dynamischen physikalischen Größen (Temperatur, Kraft, mechanische/elektrische Spannung, Torsion an Wellen, Strahlung, etc.) an Messpunkten beliebiger Gegenstände (insbesondere bewegter Teile an Maschinen, Produktionsgütern im Exschutzbereich, etc.) der Sensor mit einem Transponder ausgestattet, dessen Versorgungsenergie aus einem magnetischen Feld, welches von einem Sender im Sensorempfänger erzeugt wird, gewonnen wird und die Messgröße mittels Rückwirkung auf den Sender dem Sensorempfänger übermittelt wird. Die häufigste Anwendung für berührungslose Übertragungssysteme ist die Erfassung des Drehmoments. Sie sind sehr modular aufgebaut, flexibel einsetzbar, erfordern jedoch in der Regel einen hohen Montage- und Verdrahtungsaufwand. In der Regel bestehen diese Übertragungssysteme aus einer Dehnungsmessstreifenbeklebung, einem Sensorsignalverstärker mit einer Telemetrieeinrichtung, einer Stromversorgung, einer Stator- und Rotorantenne und einer Auswerteeinheit, sowie der Verkabelung der Komponenten. Die Modularität bringt zwar Flexibilität aber auch hohe Applikationskosten.
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Aus dem Deutschen Patent
DE 197 19 921 C2 ist eine Anordnung zur Erfassung des Drehmomentes einer Welle mit einem Messflansch und einer integrierten Rotorelektronik, mit einem rotierenden Messkörper zum Erfassen des Drehmoments mit Dehnungsmessstreifen zum Wandeln der mechanischen Torsion in ein elektrisches Signal und mit einem integrierten Messverstärker zum Verstärken des Messsignals sowie einer Telemetrieübertragungseinrichtung zur Übertragung des elektrischen Messsignals bekannt. Die beschriebenen Dehnungsmessstreifen erweisen sich in der Handhabung als sehr aufwendig und im Hinblick auf Langzeitstabilität als anfällig.
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Aus der Europäischen Patentanmeldung
EP 3 671 156 A1 ist ein Torsionssensor zur Erfassung der Torsion eines Wellenkörpers bekannt, der mit einer Sensoreinheit zur Erfassung der Dehnung eines Körpers und mit einer kontaktlosen Übertragungseinheit für Signale von der Sensoreinheit über eine Sendeeinheit zu einer abgesetzten Empfangseinheit versehen ist. Dabei zeigt die Sensoreinheit wenigstens einen Sensorträger, der mit dem Wellenkörper mechanisch so verbunden ist, dass Torsionen des Wellenkörpers auf den Sensorträger der Sensoreinheit übertragen werden und diesen verformen. Der Sensorträger ist mit wenigstens einer Sensoreinheit so mechanisch verbunden, dass wenigstens eine Sensoreinheit eine Torsion des Sensorträgers als Dehnung erfassen kann. Dabei ist wenigstens eine Sensoreinheit mit wenigstens einer Sendeeinheit zur Übertragung von Signalen an die abgesetzte Empfangseinheit verbunden. Der Sensorträger zeigt unterschiedlich steif ausgebildete Bereiche. Zwischen dem Bereich mit der Sensoreinheit und dem steifen Bereich mit der Sendeeinheit ist ein Bereich als besonders elastischer, wenig steifer Bereich ausgebildet, so dass die anderen Bereiche mechanisch hinsichtlich des Schwingungsverhaltens entkoppelt sind. Dadurch gelingt es, Störungen im Messergebnis zu reduzieren. Dieser Torsionssensor erweist sich als einfach zu fertigen und zu montieren und als sehr robust sowie als sehr messgenau.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Torsionssensor zur Erfassung der Torsion eines Wellenkörpers anzugeben, der sich durch eine sichere Signalübertragung auch unter schwierigen Umständen auszeichnet. Der Erfindung liegt eine weitere Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen verbesserten Torsionssensors anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Torsionssensor gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Torsionssensor zur Erfassung der Torsion eines Wellenkörpers ist mit einer Sensoreinheit zur Erfassung der Dehnung eines Körpers und mit einer kontaktlosen Übertragungseinheit für Signale von der Sensoreinheit über eine Sendeeinheit zu einer abgesetzten Empfangseinheit versehen. Dabei weist die Sendeeinheit wenigstens eine mit dem Wellenkörper verbundene und mit dem Wellenkörper rotierende Sendeschleife auf, die mit der wenigstens einen Sensoreinheit verbunden ist. Die Empfangseinheit weist eine stationäre Statorantenne zum Empfang der von der wenigstens einen induktiv gekoppelten Sendeschleife übertragenen Signale auf.
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Die stationäre Statorantenne kann dabei beispielsweise als stationäre, flächige Antenne oder als stationäre, die Sendeschleife umgreifende Antenne realisiert werden. Die stationäre, umgreifende Antenne ist dabei bevorzugt als stationäre Schleifenantenne mit einem drahtförmigen Antennenelement ausgebildet. Durch die stationäre, flächige Antenne sind neue Einbaumöglichkeiten bei Wellenkörpern mit nur begrenzt zugänglichen Umfeld geschaffen, während durch die stationären, umgreifenden Antenne neue Einbaumöglichkeiten bei Wellenkörpern mit einem schmalen, zugänglichen, und den Wellenkörper umgreifenden Schlitz geschaffen sind.
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Dieser Torsionssensor mit der besonderen kontaktlosen Übertragungseinheit ermöglicht einerseits eine sichere Übertragung der Informationen der wenigstens einen Sensoreinheit zu der abgesetzten Empfangseinheit und andererseits eine Vergrö-ßerung der Distanz zwischen Wellenkörper und der stationären Empfangseinheit, wodurch dieser Torsionssensor weniger empfindlich gegen Störungen ist und damit eine sehr sichere Übertragung ermöglicht. Damit ist dieser Torsionssensor flexibler einsetzbar und insbesondere für Maschinen mit schwierigen Rahmenbedingungen einsetzbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die wenigstens eine auf der Oberfläche des Wellenkörpers angeordnete Sensoreinheit angeordnet ist und die wenigstens eine Sendeschleife so angeordnet ist, dass sie den Wellenkörper mit der darauf angeordneten wenigstens einen Sensoreinheit gleichmäßig umschließt. Dadurch ist gewährleistet, dass der Abstand zur Oberfläche des Wellenkörpers über den Umfang weitgehend identisch ist und zusätzlich der Abstand zu der einen Sensoreinheit oder den mehreren Sensoreinheiten ebenso im Wesentlichen gleich ist, sodass es gelingt, eine gleichmäßige und einheitliche Ankopplung der Sensorsignale in die wenigstens eine Sendeschleife und von dieser eine gute Übertragung zu der stationären Stator eine Antenne der Empfangseinheit zu ermöglichen. Neben den verschiedenen Möglichkeiten, mehrere Sensoreinheiten auf der Oberfläche des Wellenkörpers anzuordnen, hat es sich besonders bewährt, diese gleichmäßig über den Umfang des Wellenkörpers zu verteilen und die wenigstens eine Sendeschleife in unmittelbarer Nähe zu diesen, diese gleichmäßig umschließend anzuordnen und dadurch eine gleichmäßige Ankopplung der Sensorsignale in die Sendeschleife zu ermöglichen, was die Übertragung von der Sendeeinheit zu der Empfangseinheit mittels induktiver Übertragung sehr effizient gestalten lässt. Von den verschiedenen Möglichkeiten der Ankopplung der Sensorsignale von der wenigstens einen Sensoreinheit in die wenigstens eine Sendeschleife hat sich besonders die induktive Ankopplung bewährt. Durch diese ist eine bevorzugte 2-stufige induktive Kopplung und Übertragung der Sensorsignale von der wenigstens einen Sensoreinheit zu der wenigstens einen Sendeschleife zu der stationären Statorantenne gegeben. Diese verschiedenen Varianten tragen insbesondere dazu bei, dass die Effizienz der kontaktlosen Übertragung gesteigert werden kann und dadurch insbesondere die Reichweite der Übertragung vergrö-ßert werden kann und dadurch der Abstand zwischen dem Wellenkörper mit der Sendeeinheit und der stationären Empfangseinheit größer insbesondere um ein mehrfaches größer gewählt werden kann. Diese Abstandsvergrößerung ermöglicht einen vergrößerten Einsatzbereich dieses Torsionssensors.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass ein Träger vorgesehen ist, der auf der Oberfläche des Wellenkörpers mit wenigstens einer Sensoreinheit angeordnet ist und die wenigstens eine mit dem Wellenkörper verbundene Sendeschleife aufnimmt. Durch das Vorsehen des Trägers gelingt es, die Lage der wenigstens einen aufgenommen Sendeschleife eindeutig und sicher zu definieren, sodass bei unterschiedlichen Drehzahlen des Wellenkörpers oder auch bei Erschütterungen oder auch Strangvibrationen des Wellenkörpers die Lage der wenigstens einen Sendeschleife definiert ist und dadurch eine besonders effiziente beziehungsweise robuste Übertragung zur Empfangseinheit gegeben ist, was mit einer erheblichen Abstandsvergrößerung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit und den damit verbundenen Vorteilen verbunden sein kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor zur Erfassung der Torsion eines Wellenkörpers so ausgebildet, dass der Träger wenigstens eine umlaufende Nut aufweist, in der wenigstens eine Sendeschleife eingebracht ist. Gerade die Einbringung einer Sendeschleife in eine Nut in dem Träger, der die Oberfläche des Wellenkörpers umschließt, ermöglicht durch seine äußere Gestalt und seine Abmessungen eine sichere Positionierung der Sendeschleife relativ zu dem Wellenkörper und damit zu der wenigstens einen Sendeeinheit bzw. zu der statischen Statorantenne der Empfangseinheit und damit eine sehr aussagekräftige und sichere Signalübertragung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass der Träger formsteif insbesondere aus Kunststoff vorzugsweise aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere)oder PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgebildet ist. Neben den Kunststoffen haben sich auch Harze als Material für den Träger besonders bewährt. Dabei unterscheidet man bei Harzen zwischen Naturharzen und Kunstharzen. Naturharze sind Gemische von festen, amorphen, nichtflüchtigen, lipophilen Pflanzenprodukten und. Kunstharze - auch synthetische Harze genannt - sind durch Polymerisations-, Polyadditions- oder Polykondensationsreaktionen synthetisch hergestellte Harze, die bei der Verarbeitung in der Regel aus zwei Hauptkomponenten bestehen. Die Vermischung beider Hauptkomponenten (Harz und Härter) ergibt eine reaktionsfähige Harzmasse die nach abgeschlossener Härtung typisch zu einem formsteifen insbesonderen unschmelzbaren Kunststoff (Duroplast)führt. Durch die formsteife Ausbildung des Trägers insbesondere aus formsteifem Kunststoff vorzugsweise aus ABS oder PTFE - auch Teflon genannt -, ist die Lage der wenigstens einen Sendeschleife auch unter schwierigen Bedingungen gewährleistet, wodurch die Qualität der Signalübertragung besonders gewährleistet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass der Träger eine oder mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme einer oder mehrerer Sensoreinheiten aufweist. Dadurch ist die Funktionsfähigkeit der wenigstens einen Sensoreinheit und die Verlässlichkeit der erzeugten Sensorsignale für die Übertragung im besonderen Maße gegeben und zudem die Möglichkeit für ein einfaches und sicheres Herstellen eines solchen Torsionssensors gegeben, da auf diese Weise Schwankungen in der Fertigungsqualität insbesondere in der Bemaßungen weniger störend sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass der Träger alternativ zu einer Realisierung als einstückiger Ring aus mehreren Kreissegmenten insbesondere aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist. Dabei stoßen die Kreissegmente in Stoßkanten aneinander und beiden damit einen vollständigen oder weitgehend geschlossenen Ringförmigen Träger. Hierdurch gelingt es, die Herstellung des Torsionssensors mit Träger gerade bei der Applikation um den Wellenkörper ohne einen Ausbau des Wellenkörpers aus der betreffenden Maschinenanordnung besonders einfach und sicher zu gestalten und damit die Funktionsfähigkeit des Torsionssensors mit seiner kontaktlosen Übertragung der Sensorsignale zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die Kreissegmente des Trägers mittels lösbarer Verbindungselemente mechanisch fest den Wellenkörper umschließend verbunden sind. Hierdurch gelingt es, die Herstellung des Torsionssensors mit Träger gerade im Hinblick auf eine Wartung besonders einfach und sicher zu gestalten und damit die Funktionsfähigkeit des Torsionssensors mit der kontaktlosen Übertragung der Sensorsignale zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die lösbaren Verbindungselemente als Rast-, Schraub- und/oder Klemmelemente verbunden sind. Die Herstellung des Torsionssensors mit Träger wird durch diese Ausbildung gerade im Hinblick auf eine Wartung besonders einfach und sicher und damit die Funktionsfähigkeit des Torsionssensors mit der kontaktlosen Übertragung der Sensorsignale gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass der Träger mit der wenigstens einen Sendeschleife von einer Abdeckung umschlossen ist. Dabei wird die Abdeckung bevorzugt als Folie oder als dünne flächige Struktur den kreisförmigen Träger um schließend ausgebildet und insbesondere aus nicht leitenden Stoffen wie beispielsweise Kunststoffe insbesondere Polyethylen, Glasfaserverbundwerkstoffe, Epoxidharze o. ä. gebildet. Diese schützen die Anordnung aus Träger mit der wenigstens einen Sendeschleife sehr sicher ohne die induktive Übertragungseigenschaften störend zu beeinflussen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die wenigstens eine Sendeschleife mit der wenigstens einen Sensoreinheit mittels induktiver Kopplung verbunden ist, wobei der Abstand gering insbesondere unter wenigen mm gewählt ist. Eine besonders bevorzugte induktive Kopplung der Sendeeinheit zu der wenigstens einen Sendeschleife lässt sich durch das Aufliegen der Sendeschleife auf die Sendeeinheit erreichen. Hierzu werden bevorzugt bei mehreren Sensoreinheiten diese so gewählt, dass sie dieselbe Höhe zeigen, sodass die wenigstens eine Sendeschleife mit gleichem, geringem Abstand oder unmittelbar auf den Sensoreinheiten zum Liegen kommt und über den Umfang des Wellenkörpers einen gleichmäßigen insbesondere identischen Abstand aufweist. Dadurch gelingt es zum einen, die Effizienz der kontaktlosen Übertragung der Sensorsignale zu stärken und zusätzlich die Qualität der Übertragung zur Empfangseinheit zu sichern. Dadurch kann auch die Reichweite der Übertragung vergrößert werden und dadurch der Abstand zwischen dem Wellenkörper mit der Sendeeinheit und der stationären Empfangseinheit größer gewählt werden kann. Diese Abstandsvergrößerung ermöglicht einen vergrößerten Einsatzbereich dieses Torsionssensors.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die Komponenten des Torsionssensors mechanisch ohne Lötstellen miteinander verbunden sind und die mechanischen Verbindungen insbesondere als Rast-, Schraub-, Klemm- und/oder Klebeverbindungen ausgebildet sind. Die Herstellung des Torsionssensors mit Träger wird durch diese Ausbildung gerade im Hinblick auf eine Wartung besonders einfach und sicher und damit die Funktionsfähigkeit des Torsionssensors mit der kontaktlosen Übertragung der Sensorsignale gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass eine Abstimmungsschaltung vorgesehen ist, die mit der wenigstens einen Sendeschleife elektrisch verbunden ist und geeignet ist, diese in ihrer elektromagnetischen Resonanzfrequenz so anzupassen, dass eine effiziente Übertragung der Signale von der rotierenden Sendeeinheit zur stationären Empfangseinheit besonders effizient möglich ist. Dabei ist die Abstimmungsschaltung bevorzugt so ausgebildet, dass eine automatische Abstimmung der wenigstens einen Sendeschleife möglich ist und dadurch auf besonders verlässliche Weise eine effiziente kontaktlose Übertragung gegeben ist. Auch kann die Reichweite der Übertragung teilweise um ein mehrfaches vergrößert werden und dadurch der Abstand zwischen dem Wellenkörper mit der Sendeeinheit und der stationären Empfangseinheit größer gewählt werden kann. Diese Abstandsvergrößerung ermöglicht einen vergrößerten Einsatzbereich dieses Torsionssensors.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die Abstimmungsschaltung auf der Oberfläche des Wellenkörpers und/oder in dem Träger insbesondere in Ausnehmungen des Trägers angeordnet ist. Dadurch ist die Funktionsfähigkeit der wenigstens einen Abstimmungsschaltung und die Übertragung im besonderen Maße gegeben und zudem die Möglichkeit für ein einfaches und sicheres Herstellen eines solchen Torsionssensors gegeben, da dadurch Schwankungen in der Fertigungsqualität insbesondere in den Bemaßungen weniger störend sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die wenigstens eine Abstimmungsschaltung lösbar mechanisch mit dem Wellenkörpers und/oder dem Träger und/oder mit der wenigstens einen Sendeschleife lösbar elektrisch verbunden ist. Die Herstellung des Torsionssensors mit Träger wird durch diese Ausbildung gerade im Hinblick auf eine Wartung besonders einfach und sicher und damit die Funktionsfähigkeit des Torsionssensors mit der kontaktlosen Übertragung der Sensorsignale gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass die kontaktlose Übertragungseinheit für Signale von der Sensoreinheit über eine Sendeeinheit zu einer abgesetzten Empfangseinheit so ausgebildet ist, das Energie und/oder Signale insbesondere zur Steuerung des Torsionssensors von der abgesetzten Empfangseinheit zur Sendeeinheit möglich sind. Durch diese bidirektionale Übertragung von Signalen bzw. von Energie lässt sich dieser Torsionssensor sehr vorteilhaft an veränderte Bedingungen anpassen, indem Steuerparameter geändert und angepasst werden können beziehungsweise bei Bedarf Energie zugeführt werden kann. Dadurch wird die Handhabung dieses Torsionssensors wesentlich vereinfacht und dadurch das Risiko von Fehlbedienungen oder Fehlhandhabung reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Torsionssensor so ausgebildet, dass wenigstens eine Sensoreinheit mit einem flachen Trägerelement versehen ist, das mechanisch flächig mit dem Wellenkörper so verbunden ist, dass die Torsion des Wellenkörpers auf das Trägerelement der Sensoreinheit übertragen werden kann und dieses verformt. Das Trägerelement ist dabei mit wenigstens einem Sensorelement so mechanisch verbunden, dass wenigstens ein Sensorelement eine Torsion des Trägers als Dehnung erfassen kann. Das zugeordnete Sendeelement zum Übertragen von Signalen an die rotierende Sendeschleife ist auf einem anderen Abschnitt des flächigen Trägerelements angeordnet. Dabei ist das flächige Trägerelement bevorzugt mit unterschiedlich elastischen Abschnitten ausgebildet. Eine solche flächige Sensoreinheit ist beispielsweise aus der Europäischen Patentanmeldung
EP 3 671 156 A1 bekannt. Dieser Torsionssensor mit dieser wenigstens einen speziellen flächigen Sensoreinheit ermöglicht einen Aufbau mit geringer Höhe, sodass der störende Einfluss der Sendeeinheit gering gehalten werden kann und damit ein sehr effizienter und wirkungsvoller Torsionssensor ermöglicht ist. Auch kann der Träger, falls ein Träger zur Aufnahme der wenigstens einen Sendeschleife vorgesehen ist, von geringerem Volumen beziehungsweise von geringerer Höhe ausgebildet sein und dadurch die Masse des Torsionssensors reduziert werden, was sich positiv auf die Qualität der Messwerte auswirkt.
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Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung eines Torsionssensors gelöst, welches die im Anspruch 16 angegebenen Merkmale aufweist.
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Bei diesem Verfahren zur Herstellung eines Torsionssensors wird auf die Oberfläche des Wellenkörpers die wenigstens eine Sensoreinheit aufgebracht, anschließend der Träger auf die Oberfläche, den Wellenkörper umschließend aufgebracht. Die wenigstens eine Sendeschleife wird den Träger umschließend auf den Träger aufgebracht und die Empfangseinheit mit der stationären Statorantenne abgesetzt von dem Wellenkörper positioniert. Dabei kann der Wellenkörper bereits mit allen oder einem Teil oder keinen der anderen Komponenten des erfindungsgemäßen Torsionssensors versehen sein, sodass der Zeitpunkt der Positionierung der abgesetzten, stationären Statorantenne bezüglich der anderen Fertigungsschritte weitgehend frei gewählt werden kann. Dieses Verfahren zeigt eine besonders vorteilhafte und effiziente Herstellungsweise eines solchen erfindungsgemäßen Torsionssensors.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt.
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen beispielhaften, erfindungsgemäßen Torsionssensor zur Erfassung der Torsion eines Wellenkörpers,
- 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Teil des Torsionssensors aus 1,
- 3 zeigt in einer schematischen Ansicht den Aufbau eines Torsionssensors aus 1 und
- 4 zeigt in einer schematischen Darstellung einen beispielhaften Aufbau einer Sensoreinheit eines beispielhaften Torsionssensors.
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In 1 ist in einer schematischen Darstellung der beispielhafte Aufbau eines Torsionssensors 1 zur Erfassung der Torsion eines Wellenkörpers 2 dargestellt. Der Torsionssensor 1 zeigt zwei auf der Oberfläche eines zylinderförmigen Wellenkörpers 2 angeordnete Sensoreinheiten 3 zur Erfassung der Dehnung und damit der Verbindung und folglich der Torsion des Wellenkörpers 2.
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Der Torsionssensor 1 ist zudem mit einer kontaktlosen Übertragungseinheit für Signale von der Sensoreinheit 3 über eine Sendeeinheit 4 zu einer abgesetzten Empfangseinheit 6 versehen.
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Dabei ist der Wellenkörper 2 entlang seines Umfangs mit einem Träger 5 vollständig umschlossen, wobei der Träger 5 in einer Nut 5b eine Sendeschleife 4a aufweist, die Teil der Sendeeinheit 4 ist und ebenso wie der Träger 5 den Wellenkörper 2 vollständig umschließt. Der Abstand zwischen der Oberfläche des Wellenkörpers 2 und der Sendeschleife 4a ist weitgehend konstant und so gewählt, dass zwischen der Sendeschleife 4a und der Oberfläche des Wellenkörpers 2 die beiden Sensoreinheiten 3 angeordnet sind. Dies erfolgt in einer Weise, dass die Sensoreinheiten 3 flächig mit der Oberfläche des Wellenkörper 2 verbunden sind und somit in der Lage sind, die Torsion des Wellenkörpers 2 zu erfassen und zu sensieren und das Sensorsignal an die auf den Sensoreinheiten 3 aufliegende Sendeschleife 4a mittels induktiver Kopplung über das Kopplungsfeld 8 zu übertragen.
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Die zwei Sensoreinheiten 3 sind dabei auf dem Umfang des Wellenkörpers 2 so verteilt angeordnet, dass sie gleichen Abstand zueinander haben und gegenüberliegend im Träger 5 auf dem Umfang angeordnet sind.
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Um die Sensoreinheiten 3 in dem Träger 5 anzuordnen, sind in diesem Ausnehmungen 5a vorgesehen, durch die ein einfaches und sicheres Aufbringen des Trägers auf die Oberfläche des Wellenkörpers 2 mit den darauf mittels Laserschweißen fixierten Sensoreinheiten 3 ermöglichen.
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Der den Wellenkörper 2 umgreifende Träger 5 ist dabei aus 2 Halbschalen aufgebaut, die mit Hilfe von Verbindungselementen 10, die als Schraubverbindungen realisiert sind, so um den Wellenkörper 2 verbunden werden können, dass der Träger 5 den Wellenkörper 2 vollständig und ohne Lücken fest umschließt, sodass gewährleistet ist, dass eine Rotation des Wellenkörpers 2 ohne Verzögerung gleichmäßig auf den Träger 5 übertragen wird und damit auf alle in dem Träger 5 angeordneten Komponenten des Torsionssensors 1 übertragen werden.
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In einer weiteren Ausnehmung 5a in dem Träger 5 ist eine Abstimmungsschaltung 9 angeordnet, die mit der Sendeschleife 4a elektrisch verbunden ist und geeignet und dafür vorgesehen ist, diese in ihrer elektromagnetischen Resonanzfrequenz so automatisch anzupassen, dass eine effiziente Übertragung der von den Sensoreinheiten 3 mit Hilfe des induktiven Kopplungsfeldes 8 zugeführten Signale über eine ein weiteres induktives Kopplungsfeld 7 an die stationäre Empfangseinheit 6 mit der stationären Statorantenne 6a ermöglicht ist.
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Die stationäre Statorantenne 6a ist dabei als stationäre, flächige Antenne 6a realisiert. Die stationäre, flächige Antenne 6a eröffnet gerade bei Wellenkörpern 2 mit nur begrenzt zugänglichen Umfeld neue Einbaumöglichkeiten und Nutzungsmöglichkeiten für diesen Torsionssensor 1.
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Die Abstimmungsschaltung 9 stellt dabei sicher, dass eine sehr effiziente Übertragung der Signale von der Sendeeinheit 4 mit der Sendeschleife 4a zu der Empfangseinheit 6 mit der Statorantenne 6a ermöglicht ist, wodurch der Abstand zwischen der Empfangseinheit 6 und der Sendeeinheit 4 besonders groß gewählt werden kann. Dadurch ist es möglich, dass dieser Torsionssensor 1 auch in schwierigen Umfeldern mit schwierigen Einbauorten mit großen Abständen von der rotierenden Welle eingesetzt werden kann. Weiterhin ist es möglich, dass durch diesen Aufbau des Torsionssensors 1 auch unerwartete Bewegungen der Empfangseinheit 6 oder auch der Welle des Wellenkörpers 2 kompensiert werden können und nicht zu einem Ausfall des Torsionssensors 1 führen.
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Um einen besonders wirksamen Schutz vor einer Beschädigung der Sendeeinheit 4 mit der Sendeschleife 4a beziehungsweise des Trägers 5 zu erreichen wird der Träger 5 vollständig mit Hilfeeiner folienartigen Abdeckung 11 umschlossen. Dabei ist die folienartige Abdeckung 11 aus einer dünnen Epoxidharzschicht gebildet und dichtet den Träger hermetisch vor äußeren Umwelteinflüssen ab.
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Der Träger 5 mit seinen beiden Halbschalen ist aus ABS als ein formsteifer Kunststoff ausgebildet und zeigt eine Breite von einigen Zentimetern und eine Höhe von etwa 1 bis 2 cm. Dadurch kann der Abstand zwischen dem Träger 5 mit der darin befindlichen Sendeschleife 4a der Sendeeinheit 4 zu der statischen Empfangseinheit 6 einige Zentimeter betragen, ohne dass die Qualität der Übertragung der Sensorsignale der Sensoreinheiten 3 darunter relevant leidet.
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2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht den Torsionssensor 1 aus 1. Insbesondere sind die beiden, an Stoßkanten 5c aneinanderstoßenden Halbschalen des Trägers 5, dargestellt, die mit Hilfe von zwei parallel verlaufenden Verbindungselementen 10, die eine Schraubverbindung realisieren, fest miteinander verbunden sind. Die Halbschalen des Trägers 5 bilden Kreissegmente und formen gemeinsam einen geschlossenen Ring. In einer Nut 5b, auf der Außenseite des den Wellenkörper 2 vollständig umschließenden Trägers 5 ist die den Träger 5 vollständig umschließende Sendeschleife 4a eingebracht. Dabei ist die Führung durch die Nut 5b für die Sendeschleife 4a so gewählt, dass die Lage der Sendeschleife 4a sowohl in radialer Richtung wie auch in lateraler Richtung so begrenzt ist, dass ein Verrücken der Sendeschleife 4a auf oder aus dem Träger 5 und damit gegenüber dem Wellenkörper 2 nicht zu befürchten ist.
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Die Sendeschleife 4a ist elektrisch mit zwei Anschlussklemmen 9a für die Abstimmungsschaltung verbunden. Die als Schraubklemmen ausgebildeten Anschlussklemmen 9a sind dabei in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Ausnehmung 5a im Träger 5 für die Abstimmungsschaltung 9 angeordnet. Damit kann die Abstimmungsschaltung 9 mit den Anschlussklemmen 5 auf einfache Weise verbunden werden, ohne dass es ein aufwändiges Löten benötigt. Im Fall einer Reparatur ist durch diese Anordnung auch ein einfaches Trennen und Austauschen der Sendeschleife 4a oder auch der Abstimmungsschaltung 9 möglich.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung den Weg der Signalübertragung von der Signalerzeugung mit Hilfe einer Sensoreinheit 3 bis zur abgesetzten, statischen Empfangseinheit 6.
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In der Sensoreinheit 3 wird mit Hilfe eines Sensorelements 32 die Torsion - auch Verwindung genannt - eines Wellenkörpers 2 durch Erfassen der Dehnung beispielsweise von Dehnungsmessstreifen in dem Sensorelement 32 ermittelt und über das Sendeelement 33 an die Sendeeinheit 4 mit der Sendeschleife 4a übertragen. Diese Übertragung erfolgt mit Hilfe des induktiven Kopplungsfelds 8 zwischen der Sensoreinheit 3 und der Sendeschleife 4a. Mit Hilfe der Abstimmungsschaltung 9 wird die Sendeschleife 4a in ihrem Resonanzverhalten kontinuierlich und automatisch optimal abgestimmt, sodass eine Übertragung an die Empfangseinheit 6 über das induktive Kopplungsfeld 7 zwischen der Sendeschleife 4a und der Statorantenne 6a als Teil der Empfangseinheit 6 auf besonders effiziente und wirkungsvolle Weise ermöglicht ist. Dabei ist der Abstand zwischen dem Sendeelement 32 der Sensoreinheit 3 und der Sendeschleife 4a der Sendeeinheit 4 sehr gering gewählt, vorzugsweise liegt die Sendeschleife 4a direkt auf dem Sendeelement 33 auf, sodass eine besonders effiziente Ankopplung zur Signalübertragung ermöglicht ist. Dies führt in Verbindung mit der Wirkung der Abstimmungsschaltung 9 zu der besonders vorteilhaften Wirkung, dass der Abstand zwischen der Sendeschleife 4a und der Empfangseinheit 6 besonders groß gewählt werden kann, ohne dass die Qualität der Signalübertragung wesentlich und störend leidet.
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Die ortsfeste Empfangseinheit 6 zeigt neben der ortsfesten Statorantenne 6a zum Empfang der über das Kopplungsfeld 7 übermittelten Signale eine Schaltung 6b zum Auswerten der empfangenen Signale. Die ausgewerteten Signale werden dann über einen Ausgang 6c an nachfolgende Einheiten insbesondere zur Dokumentation oder zur anderen Nutzung ausgegeben.
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In 4 ist in einer schematischen Darstellung der Aufbau einer Sensoreinheit 3 als Teil des Torsionssensors 1 dargestellt. Die Sensoreinheit 3 zeigt ein flächiges Trägerelement 31, das mit dem Wellenkörper 2 fest verbunden ist, wobei das Trägerelement 31 durch eine Vielzahl von Schweißpunkten 34, die mittels Laserlicht erzeugt wurden, fest mit der Oberfläche des Wellenkörpers 2 verbunden wurde. Dabei sind die Schweißpunkte 34 im Randbereich des Trägerelements 31 angeordnet, wobei der Bereich 36 mit dem Sendeelement 33 des Trägerelements 31 mit vier voneinander deutlich beabstandeten Schweißpunkten 34 fixiert ist und wobei der Bereich 37 mit dem Sensorelement 32 durch eine Vielzahl von eng beabstandeten Schweißpunkten 34, welche das Sensorelement 32 weitgehend umschließen, fixiert ist und dadurch eine sehr sichere, spezifische und verlässliche Übertragung der Torsion des Wellenkörpers 2 auf das Trägerelement 31 über die Schweißpunkte 34 und damit auf das Sensorelement 32 sicherstellen. Das Sensorelement 32 ist dabei als flächiges Sensorelement 32 ausgebildet, das zwei in der Art eines X gekreuzte Dehnungsmessstreifen aufweist und dadurch ein sehr differenziertes und verlässliches Sensorsignal über die Torsion des Wellenkörpers 2 erzeugt.
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Der Bereich 35 zwischen dem Bereich 37 mit dem Sensorelement 32 und dem Bereich 36 mit dem Sendeelement 33 ist dabei so ausgebildet, dass in diesem Bereich 35 eine Reduktion des Trägermaterials gegeben ist. Dies wird dadurch erreicht, dass laterale Einschnitte zwischen den Bereichen 36 und 37 vorgesehen sind und dadurch die Breite des Trägerelements 31 in diesem Zwischenbereich 35 reduziert ist. Die Stärke (vertikale Ausdehnung) des Trägerelements 31 ist konstant.
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Diese Reduktion im Bereich 35 ermöglicht es, dass der Bereich 36 des Trägerelements 31 mit dem Sendeelement 33 von dem Bereich 37 des Trägerelements 31 mit dem Sensorelement 32 zumindest teilweise mechanisch hinsichtlich des Schwingungsverhaltens entkoppelt ist.
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Die Bereiche 36 und 37 der Sensoreinheit 3 des Torsionssensors 1 aus 4 haben die Gestalt einer rechteckigen Platte. Diese Sensoreinheit 3 des Torsionssensors 1 ermöglicht eine sehr verlässliche, sichere und dauerhafte Sensierung der Torsion eines Körpers insbesondere eines Wellenkörpers 2. Sie erweisen sich in der Fertigung als eigenständige Baugruppe als sehr hochwertig und gut zu fertigen. Diese Baugruppe ermöglicht zudem eine einfache und verlässliche Verbindung mit dem zu sensierenden Körper, was die Handhabung des Sensors auch durch weniger geschultes Fachpersonal ermöglicht.
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Weiterhin ermöglicht diese Sensoreinheit 3 eine sehr geringe Bauhöhe, da ihre Bestandteile in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet sind und die einzelnen Bestandteile nur von sehr geringer Bauhöhe sind. Diese geringe, spezifische Bauhöhe ermöglicht es, den Abstand der Sendeschleife 4a zu der Oberfläche des Wellenkörpers 2 sehr gering und im Bereich der Höhe dieser Sensoreinheit 3, die im Wesentlichen durch die Dicke des Trägerelements 31 und der größten Höhe des Sensorelements 32 beziehungsweise des Sendeelements 33 bestimmt ist, zu wählen. Dieser geringe Abstand stellt eine sehr effiziente induktive Kopplung zwischen der Sensoreinheit 3 und der Sendeschleife 4a der Sendeeinheit 4 sicher und ermöglicht dadurch insbesondere in Verbindung mit der besonders vorteilhaften Abstimmungsschaltung 9 eine sehr sichere und effiziente induktive Kopplung auch zu einer relativ weit entfernten, abgesetzten und ortsfesten Empfangseinheit 6.
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Dieser Torsionssensor 1 erweist sich als sehr effizienter und genauer und robuster Sensor zur Erfassung der Torsion eines rotierenden Wellenkörpers 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Torsionssensor
- 2
- Wellenkörper
- 3
- Sensoreinheit
- 4
- Sendeeinheit
- 4a
- Sendeschleife
- 5
- Träger
- 5a
- Ausnehmungen
- 5b
- Nut
- 5c
- Stoßkante der Kreissegmente
- 6
- Empfangseinheit
- 6a
- Statorantenne
- 6b
- Auswerteschaltung
- 6c
- Ausgang der Sendeeinheit
- 7
- Kopplungsfeld zwischen Sendeschleife und Statorantenne
- 8
- Kopplungsfeld zwischen Sensoreinheit und Sendeschleife
- 9
- Abstimmungsschaltung
- 9a
- Anschlussklemmen für Abstimmungsschaltung
- 10
- Verbindungselemente
- 11
- Abdeckung
- 31
- Trägerelement
- 32
- Sensorelement
- 33
- Sendeelement
- 34
- Laserschweißpunkt
- 35
- Elastischer Verbindungsbereich
- 36
- Bereich der Sensoreinheit mit Sendeelement
- 37
- Bereich der Sensoreinheit mit Sensorelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3922556 A1 [0002]
- DE 19719921 C2 [0003]
- EP 3671156 A1 [0004, 0026]
