DE10392253B4

DE10392253B4 - Magnetisch neutraler Verschiebungs-(Drehmoment-)Wandler für ein ferromagnetisches Element mit Spule(n) und Magnetfeldsensor(en)

Info

Publication number: DE10392253B4
Application number: DE10392253T
Authority: DE
Inventors: Lutz Axel May
Original assignee: Abas Inc
Current assignee: Abas Inc
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: WO2003071231A1; US20040035221A1; DE10392253T5; GB2402491B; GB0414388D0; GB2402491A; US6810754B2; JP2005517946A; AU2003208759A1; JP4275535B2

Abstract

Wandler zur Verschiebungs-Bestimmung umfassend
eine Wandlerbaugruppe (20), in der vorliegt
eine Spule (22), die um eine Achse (A-A) gewunden ist und mit Strom versorgt werden kann, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, und erste und zweite Magnetfeldsensorvorrichtung (MFS1; MFS2), die mit der Spule (22) dazwischen axial beabstandet sind, wobei jede Vorrichtung (MFS1; MFS2) in der Nähe der Spule (22) gelegen ist, um auf eine Magnetfeldkomponente zu reagieren, die durch die Stromversorgung der Spule (22) erzeugt wird;
und ein ferromagnetisches Element (30), das angeordnet ist, um mit dem von der Spule (22) erzeugten Feld wechselzuwirken,
worin das ferromagnetische Element (30) und die Wandlerbaugruppe (20) zur relativen Verschiebung in der Richtung der Achse (A-A) befestigt sind, so dass das Gleichgewicht der jeweiligen Feldkomponenten, die von der ersten und zweiten Sensorvorrichtung (MFS1; MFS2) als eine Funktion der axialen Position des ferromagnetischen Elements (30) relativ zu der Wandlerbaugruppe (20) abgetastet...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler auf magnetischer Basis zur Verschiebungsbestimmung, insbesondere zu einer linearen Verschiebungs- oder Positionsbestimmung. Die Erfindung betrifft weiter eine Wandlerbaugruppe, insbesondere einen Wandler auf magnetischer Basis und eine Wandlerbaugruppe.
Die magnetische Wandlertechnologie hat breite Zustimmung zur Drehmomentsbestimmung in Wellen oder anderen Teilen zur Übertragung des Drehmoments erzielt. Drehmomentwandler auf magnetischer Basis haben Anwendung bei kontaktfreien Drehmomentsensoren gefunden, insbesondere für eine Welle, die um ihre logitudinale Achse rotiert. Ein oder mehrere magnetische Bereiche, die als ein oder mehrere Wandlerelemente verwendet werden, werden in oder auf der Welle erzeugt, um eine drehmomentabhängige Magnetfeldkomponente außerhalb der Welle auszustrahlen, die von einer die Welle nicht berührenden Sensorenanordnung bestimmt wird.
Die Grundlagen bei der Bestimmung des Drehmoments oder einer Kraft können ebenso auf die Verschiebungsbestimmung angepasst werden. Die nachstehende Beschreibung wird im Zusammenhang mit Wellen erleutert, es ist aber klar, dass sie sich auf die Verschiebungsbestimmung von Teilen im Allgemeinen bezieht, es sei denn, dass der Zusammenhang anderes erfordert.
Eine Klasse eines magnetischen Bereichs, der als ein Wandlerelement in magnetischen Wandlern verwendet wird, ist selbst-angeregt, so dass es sich um einen Bereich permanenter oder gespeicherter Magnetisierung handelt, der ein externes Feld ausstrahlt. Der Wandlerbereich wird manchmal als "kodiert" bezeichnet, so dass eine bestimmte Magnetisierungskonfiguration in ihm gespeichert wird.

Ein Wandlerelement kann in einem Bereich gespeicherter oder permanenter (remanenter) Magnetisierung in einem ferromagnetischen, einstückigen Bereich der Welle oder des Teils erzeugt werden. Derartige Wandlerelemente sind in den veröffentlichten PCT Anmeldungen WO 99/56099, WO 01/13081 und WO 01/79801 beschrieben. Die gespeicherte Magnetisierung kann von der Art sein, die als Umgebende in einem einstückigen Bereich einer ferromagnetischen Welle bekannt ist, wie in WO 99/56099 beschrieben, oder kann als umgebend-magnetisierter Ring vorliegen, der an der Welle befestigt ist, wie in US 5,351,555 beschrieben. Eine andere Form gespeicherter Magnetisierung liegt in einem einstückigen Abschnitt einer Welle wor, in der die gespeicherte Magnetisierung einen Kreisring um die Wellenachse ausbildet und longitudinal, d.h. in Richtung der Wellenachse, gerichtet ist. Ein Art logitudinaler Magnetisierung ist als umgebende (tangential)-abgetastete longitudinale Magnetisierung bekannt und in WO 01/13081 beschrieben; eine andere Art wird als profilverschiebende longitudinale Magnetisierung in WO 01/79801 beschrieben.

Alle diese Formen von Wandlermagnetisierungen sind "Gleichstrom" Magnetisierungen in dem Sinn, dass sie mit unipolaren magnetischen Flüssen wirken, die von der in Permanentmagneten gespeicherten remanenten Magnetisierung erzeugt werden.

Die Sensorvorrichtungen, die mit selbst-angeregten Wandlerelementen verwendet werden, können vom Hall-Effekt-, magnetorestriktiven- oder gesättigtem Kern-Typ sein. Diese Sensorvorrichtungen sind orientierungsempfindlich. Sie weisen eine Achse maximaler Reaktion und eine senkrechte Achse minimaler Reaktion auf.

Eine andere Klasse eines magnetischen Wandlerbereichs wird extern von einer strombetriebenen Spule angeregt, die um den Bereich gewunden ist. Bei einer Form des extern angeregten Wandlers handelt es sich um den Transformertyp, in dem der Bereich eine Anregungswicklung mit einer Detektorwicklung verbindet. Die Permeabilität des Wandlerelements kann beispielsweise drehmomentabhängig sein. Der Transformertyp des Wandlers wird mit Wechselstrom betrieben. Ein Beispiel eines Transformertyps eines Wandlers wird in EPA-0321662 beschrieben, in der die Wandlerbereiche speziell vorbereit sind, damit sie eine gewünschte magnetische Anisotropie auf der Oberfläche aufweisen.

Die Bestimmung muss eventuell unter Umständen durchgeführt werden, in denen interferierende Magnetfelder eines weitgehend unbekannten und unvorhersehbaren Typs vorliegen. Es ist wahrscheinlich, dass derartige Felder in Produktionsanlagen und ähnlichen Umgebungen entstehen. Magnetfeldinterferenz kann aus unipolaren Feldern, Rauschspitzen und "Wechselstrom" Feldern unter anderem auf der lokalen Stromleitungsfrequenz entstehen.

Eine andere Form eines extern angeregten Wandlerelements wird in WO 01/27584 beschrieben, in dem die Magnetisierung eines Wellenbereichs aus der Stromversorgung einer oder mehrerer Spulen entsteht, die koaxial mit einer Welle befestigt sind, in der ein angewendetes Drehmoment bestimmt werden soll. Die Spulen sind axial beabstandet und legen einen Wandlerbereich dazwischen fest. Die Spulen sind in Serie miteinander verbunden, um Magnetfelder in der gleichen Richtung in dem Wandlerbereich zwischen den Spulen zu erzeugen. Die Spulen werden mit Strom versorgt, um ein longitudinales Magnetfeld einer gegebenen Polarität zu induzieren. Das longitudinale Feld in dem Wandlerbereich wird in der Richtung und in einem Ausmaß abgelenkt, das von dem auf die Welle angewendeten Drehmoment abhängt, um eine äußere umgebende (tangentiale) Magnetfeldkomponente zu erzeugen, die eine Funktion des Drehmoments ist. Die axial gerichtete Feldkomponente wird getrennt festgestellt, um eine Referenz bereitzustellen, gegen die die umgebende Komponente bestimmt wird. Falls die Spulen mit Gleichstrom versorgt werden, kann das resultierende Magnetfeld mit anderen lokalen Feldern interferieren, beispielsweise Felder, die entlang der Welle verlaufen, deren Drehmoment bestimmt werden soll.

In dem in WO 01/27584 beschriebenen Drehmomentbestimmungssystem wird das Paar beabstandeter Spulen mit Wechselstrom bei einer Frequenz mit Strom versorgt, die so ausgewählt wurde, dass sie von Rauschfrequenzen, beispielsweise Hauptstromfrequenzen, unterscheidbar ist, und die Sensorausgabe ebenfalls auf eine frequenzselektive Art bestimmt wird. Die drehmomentabhängige "Wechselstrom" oder alternierende Polarität (AP) Magnetfeld Komponente wird bestimmt. Durch Verwendung einer Wechselstrom Versorgung können Gleichstromfelder unterschieden werden und die Wechselstromfrequenz kann gewählt werden, dass sich von Interferenzen wie der lokalen Stromleitung oder Versorgungsfrequenz, beispielsweise 50 oder 60 Hz, unterscheidet. Die Bestimmung kann gleichzeitig mit der Wechselstromversorgung erfolgen. Das zu bestimmende externe Feld wird durch ein Paar beabstandeter Kragen aus einem magnetischen Material, das an dem Wandlerbereich befestigt ist, verstärkt, um die Ausbildung einer Einsparung zwischen den Kragen einer externen Komponente des longitudinalen Felds in dem Wandlerbereich zu unterstützen. Eine Sensoranordnung, die auf ein drehmomentabhängiges Magnetfeld in der umgebenden (tangentialen) Anordnung reagiert, ist in der Einsparung angeordnet.

Ein Drehmomentsensor zur Bestimmung des in einer Welle erzeugten Drehmoments wird in der DE 600 07 540 T2 beschrieben. Hierzu umgeben zwei axial beabstandete Spulen und eine dazwischen liegende stromtragende Spule eine Welle. Die US 4,803,885 betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur kontaktfreien Messung eines Drehmoments in einer ferromagnetischen Welle. Hierzu sind zwei axial beabstandete Sensorspulen mit dazwischen liegender Anregungsspule um die Welle angeordnet.

Der soeben beschriebene Wandler weist den Vorteil auf, dass der Wandlerbereich nicht mit einer gespeicherten Magnetisierung kodiert werden muss. Gleichwohl muss ein Wandlerbereich zwischen einem Paar beabstandeter Spulen festgelegt werden.

Im Stand der Technik sind auch mehrere magnetische Feldsensoranordnungen beschrieben, die zwei oder mehr Sensorvorrichtungen verwenden, um mögliche Bestimmungsirrtümer zu kompensieren und beim Nullabgleich der Effekte interferierender Felder unterstützen. Obgleich klein, kann es schwierig sein derartige Sensoranordnungen in Situationen unterzubringen, in der Raum von äußerster Wichtigkeit ist.

In der EP 0 992 765 A1 wird ein induktives Wegmesssystem beschrieben. Drei Spulen sind gleichmäßig um einen Kern, bzw. eine Achse, beabstandet. Die mittlere Spule wird durch eine Wechselstromquelle erregt, während die äußeren Spulen zum Spannungsabgriff bzw. als Sensoren dienen. Die Wegmesseinrichtung kann beispielsweise im Innern eines zur Abschirmung dienenden Rohres aus einem hochpermeablen Material angeordnet sein. Das Messprinzip beruht hierbei auf induktiver Kopplung der drei Spulen und magnetischer Wechselwirkung mit der Achse, die aus einem Material relativ hoher Permeabilität besteht.

Die Erfindung wurde in Bezug auf die Bestimmung der linearen Bewegung einer Umklammerung entwickelt, die auf ein Übersetzungswellengehäuse befestigt ist. Eine besondere Schwierigkeit entsteht aus dem Erfordernis, das die Hauptelemente des Wandlers innerhalb des Gehäuses befestigt werden müssen, das aus einem ferromagnetischen Material besteht. Allerdings ist das hierin beschrieben Bestimmungsverfahren von allgemeinerem Nutzen und nicht auf die Anwendung auf Umklammerungen beschränkt. Das zu beschreibende Wandlersystem stellt eine kontaktfreie Verschiebungsbestimmung des Umklammerungsmechanismus durch eine ferromagnetische Wand bereit, die durch das Gehäuse der Übersetzungswelle bereitgestellt wird.

Auftreten und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, für die Schutz in Betracht gezogen wird, sind in den dieser Beschreibung nachstehenden Ansprüchen ausgeführt.

Die vorliegende Erfindung strebt die Bereitstellung eines Verfahrens an, das einem Wandler auf magnetischer Basis einen größeren Schutz vor interferierenden Feldern gewährt. Es kann ebenso in einer kompakten Form unter Verwendung einer Sensorvorrichtung implementiert werden, die eine verschiebungsabhängige magnetische Feldkomponente bestimmt. Daher weist ein Wandlerelement ein verschiebungsabhängiges Feld auf, das darin durch die Stromversorgung eines Paars beabstandeter Spulen oder einer einzigen Spule erzeugt wird. Der Wandlerbereich wird kurzeitigen magnetischen Pulsen alternierender Polarität unterworfen und eine differentielle Bestimmung wird von diesen Pulsen vorgenommen, wie von einer Sensoranordnung bestimmt. Insbesondere handelt es sich bei der differentiellen Bestimmung um eine Spitze-zu-Spitze (peak-to-peak) Bestimmung. Eine derartige Bestimmung kann zufrieden stellend mit der Unterstützung einer einzelnen Sensorvorrichtung umgesetzt werden, die an einer einzigen Stelle wirkt.

Wie es nachstehend erklärt wird, kann die vorliegende Erfindung in ungünstigen Umgebungen implementiert werden, wie denjenigen, die Erschütterungen unterworfen werden und wo interferierende Felder einer nicht vorhersehbaren Beschaffenheit auftreten können.

Auftreten und Eigenschaften der Erfindung werden in den dieser Beschreibung nachstehenden Ansprüchen weiter ausgeführt.

Die Erfindung und ihre Durchführung werden weiter in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ein Blockdiagramm einer Ausgabeschaltung, der ein Ausgabesignal V_o als eine Funktion der Verschiebung S zeigt;
3 eine Frequenzkurve der Ausgabe V_o gegen die Verschiebung S zeigt;
4a eine Spule mit Strom versorgender Wellenform zeigt;
4b und 4c Ausgabesignale einer Signalausbereitungschaltung in 2 zeigt;
5 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 schematisch eine Welle zeigt, an der eine Wandlerbaugruppe befestigt ist;
7 das bestimmbare externe Magnetfeld zeigt, das durch die betriebene Spule der Baugruppe aus 6 erzeugt wird;
8a eine perspektivische Ansicht eines Wandlers zeigt, der eine einheitliche Wandlerbaugruppe umfasst, die auf einer Welle mit einer Sensorvorrichtung an jeder Seite der Spule befestigt ist;
8b eine schematische Darstellung des Wandlers aus 8a zusätzlich einer Referenz-Sensorvorrichtung zeigt;
9 eine Sensoranordnung mit zwei Sensorvorrichtungen des induktiven Typs (gesättigte Kern Sensoren) zeigt, die so angeordnet sind, um eine Aushebung eines externen Felds bereitzustellen;
10 eine Sensorenanordnung von vier Sensoren zeigt, die eine Aufhebung eines externen Felds bereitstellen;
11 schematisch ein mit Wechselstrom betriebenes Wandlersystem zeigt;
12 zu betrachtende Faktoren zeigt, die sich auf die Bewegung der Welle relativ zu der Wandlerbaugruppe beziehen;
13 eine Sensoranordnung zeigt, um die Empfindlichkeit gegenüber einer axialen Schräge oder Neigung der Wandlerbaugruppe relativ zu der Achse des Wandlerbereichs zu verringern;
14 eine Ausführungsform zeigt, die einen Wandler für die Bestimmung einer Kraft durch Nutzen der Empfindlichkeit gegenüber Schräge oder Neigung verwendet;
15 eine zweite Ausführungsform für die Bestimmung einer Kraft zeigt;
16 eine Implementierung der kraftbestimmenden Ausführungsform der 14 oder 15 bei der Spannungsmessung eines laufenden Gewindes oder einer anderen ähnlichen, längsgerichtet bewegenden, flexiblen Sache zeigt;
17 eine Modifikation der Wandlerbaugruppe zeigt, die weitere Spulen beinhaltet, um die Möglichkeit der Etablierung einer remanenten Magnetisierung in dem Wandlerbereich zu verringern;
18a eine perspektivische Ansicht einer Wandlerbaugruppe eines Wandlerelements und einer Sensorvorrichtung zeigt, die auf eine Welle angewendet sind;
18b eine Endansicht der Welle und Wandlerbaugruppe von 18a zeigt;
19a und 19b perspektivische und End-Ansichten einer Modifikation der Welle zeigen, um die Sensorvorrichtung innerhalb des Wellenprofils unterzubringen;
20a eine mit bipolaren Pulsen betriebene Spannungswellenform für die Spulen der Wandlerbaugruppe zeigt;
20b eine Ausgabewellenform zeigt, die die drehmomentabhängige Magnetfeldkomponente repräsentiert, wie sie von der Sensorvorrichtung bestimmt wird;
21 eine Betriebsschaltung zeigt, in dem die den Wandler betreibenden Spulen verbunden sind und die Schaltung im halben Betriebszyklus ist;
21a eine Betriebschaltung in der nächsten Hälfte des Betriebszyklus zeigt;
22a–22d das Magnetfeld in dem Wandlerbereich der Welle in aufeinander folgenden halben Betriebszyklen für jeweils kein-Drehmoment und Drehmoment Bedingungen zeigen;
23 ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung für die Sensorvorichtungssignale zeigt;
24 eine Anwendung in einem Drehmomentschlüssel-Adapter zeigt, und
25 eine Modifikation der Wandlerbaugruppe unter Verwendung einer einzelnen betriebenen Spule zeigt.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Rohr 10 (in der Umfangsrichtung geschlossen), das aus Stahl oder einem anderen ferromagnetischen Material besteht. Das Rohr kann beispielsweise eine Übersetzungswelle (nicht gezeigt) aufnehmen, die entlang der Achse A-A des Rohrs verläuft. Eine magnetische Wandlerbaugruppe 20 ist in dem Rohr befestigt und wird benötigt, um auf axial-gerichtete Verschiebungen S eines Mechanismus (nicht gezeigt) zu reagieren, der außerhalb des Rohrs angebracht ist. Um die Wandlerbaugruppe mit der Außenseite des Rohrs durch die Rohrwand magnetisch zu verbinden, wird ein Element 30 aus ferromagnetischem Material bereitgestellt, dass sich mit dem Mechanismus in der Nähe der Wandlerbaugruppe bewegt, um den Betrieb der inneren Baugruppe 20 zu beeinflussen.
In einer Ausführungsform umfasst die Wandlerbaugruppe eine Spule 22, wie beispielsweise eine spiralförmige Spule, die auf oder nahe an der inneren Wandoberfläche 12 des Rohrs befestigt ist, wobei die Spule um die Achse A-A gewunden ist. In der Nähe eines jeden Spulenendes wird jeweils eine magnetische Sensorvorrichtung MFS1 und MFS2 befestigt, die auf die axial-gerichtete Komponente des Magnetfelds reagiert. Geeignete Sensorvorrichtungen beinhalten den magnetorestriktiven, Hall-Effekt oder gesättigten Kern Typ. Sensoren vom gesättigten Kern Typ wurden in die vorliegende Erfindung implementiert, die mit einem Signalaufbereiter und Verarbeitungsschaltung verbunden sind, der Art wie in der veröffentlichten PCT Anmeldung WO 98/52063 beschrieben.
Die Spule 22 wird mit Wechselstrom und vorzugsweise einer spitz zulaufenden, kleinem Arbeitszyklus, bzw. Einschaltdauer, bipolar gepulsten Wellenform betrieben, von der Art wie nachstehend unter Bezug auf die 18a bis 25 beschrieben.
Zuerst die Situation mit weggelassenem Element 30 betrachtend, werden die Magnetfelder in der Nähe der Enden der Spule jeweils von den Vorrichtungen MFS1 und MFS2 wahrgenommen, sofern die Spule 22 betrieben wird. Diese Vorrichtungen können dazwischen verbunden werden, um entgegen wirkende Ausgaben bereitzustellen, die zu einer in Null resultierenden kombinierten Ausgabe führen werden, falls die wahrgenommenen Felder von gleicher Größenordnung sind. Es macht nicht notwendigerweise etwas aus, wenn ein restlicher Ausgleich vorliegt.
Jetzt unter Betrachtung des Effekts des Elements 30. Es wird vorzugsweise in Form eines ferromagnetischen Rings ausgeführt, der das Rohr 10 und die Spule 22 darin einschließt. Die Form des Rohrs und Rings ist höchstwahrscheinlich kreisförmig, wobei dies unwesentlich ist. Der Ring passt gut auf die äußere Oberfläche 14 des Rohrs, kann aber entlang des Rohrs gleiten. Der Ring kann ein Teil des Mechanismus sein, dessen axiale Verschiebung bestimmt werden soll, oder getrenntes Teil sein, das mit dem Mechanismus zur gemeinsamen Bewegung verbunden ist. Es wurde gefunden, dass falls ein ausreichendes Magnetfeld auf der äußeren Oberfläche 14 des Rohrs 10 vorliegt um mit dem Ring 30 zu verbinden, dass die lineare und axiale Bewegung des Rings das relative Gleichgewicht der Feldkomponenten beeinflussen, die jeweils von den Sensorvorrichtungen MFS1 und MFS2 wahrgenommen werden. Die Änderung des relativen Gleichgewichts wird als ein Maß der Verschiebung (Position) des Rings 30 entlang der Achse A-A verwendet.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Wandlerausgabeschaltung 40, mit der die Sensorvorrichtungen verbunden sind. In 2 weist die Signalaufbereitungschaltung 42, der in WO 98/52063 beschriebenen Art, zwei Vorrichtungen MFS1 und MFS2 auf, die entgegengesetzt in der Schaltung verbunden sind. Das ist die resultierende Ausgabe V_S der Schaltung ist bei Null, wenn die bestimmten Feldgrößenordnungen im Gleichgewicht sind. Das Ausgabesignal, das bei der Frequenz des Betriebs der Spule 22 ein Wechselstromsignal darstellt, wird auf eine Gleichrichterschaltung 44 vorzugsweise unter Einbeziehung einer Integrator/Filter Schaltung angewendet, um ein Ausgabesignal V_o bereitzustellen, das eine Funktion, vorzugsweise eine lineare Funktion, der Verschiebung S entlang der in 3 gezeigten Achse A-A darstellt.
Die Feldgeneratorspule wird von spitz zulaufenden bipolaren gepulsten Signalen wie in den 4a, 4b und 4c gezeigt betrieben und zeigen die entsprechenden Ausgabesignale V_S der Schaltung 42 in Bezug auf verschiedene Positionen des Rings 30.
Das Befestigen der Sensorvorrichtungen MFS1 und MFS2 in unmittelbarer Nähe der Spule 22 verursacht ähnliche Betrachtungen und kann die Verfahren einsetzen, die in Bezug auf die Wandlerbaugruppe für einen magnetischen Drehmomentwandler gelehrt werden, wie nachstehend unter Bezug auf die 6 bis 17 beschrieben.
Die Erzeugung und Verwendung der in 4 gezeigten gepulsten Wellenform wird nachstehend ausführlicher unter Bezug auf die 18a bis 25 beschrieben.
Zur Anpassung der Lehre der 18a bis 25 und der Beschreibung davon, werden die nachstehende Punkte angemerkt.
Das Material, insbesondere das des Rohrs 10, wird magnetisch neutral gehalten. Der Aufbau einer remanenten oder gespeicherten Magnetisierung muss soweit möglich vermieden werden. Die vorgeschlagene gepulst betriebene Wellenform und ihre Amplitude zielen auf den Beibehalt des magnetisch neutralen Rohrs über den zeitlichen Durchschnitt hinweg.
Der Wechselstrom Pulsbetrieb sollte von einer ausreichend geringen Frequenz sein, um in oder durch die Rohrwand einzudringen bzw. "durchzuschauen". Typischerweise kann das Rohr einen Durchmesser von 50 mm mit einer Wanddicke von 2mm aufweisen. Daher wird eine Pulsfrequenz von 100Hz oder weniger als wünschenswert angesehen, wobei niedrigere Frequenzen bis in den 20Hz Bereich bevorzugter sind. Für kleinere Rohre mit einer Wanddicke von weniger als 2mm, können höhere Betriebsfrequenzen in Betracht gezogen werden.
Die Empfindlichkeit des vollständigen Wandlers, ebenso das äußeres Element 30 beinhaltend, stellt eine Funktion der Betriebsstromstärke dar. Mit dem offenbarten gepulsten Strom können die kurzeitigen Strompulse selbst von einer Größenordnung von 2A sein. Aufgrund des kleinen Arbeitszyklus liegt die durchschnittliche Stromgrößenordnung wahrscheinlich um 100mA.
Die Vorzüge der hierin beschriebenen mit Wechselstrom gepulsten Betriebs sind:
kein Ausgleich aufgrund von Temperatur oder magnetischen Streufeldern;
ein niedriger durchschnittlicher Stromverbrauch;
leichtes Signalfiltern und Eliminierung des Rauschens;
magnetisch neutral beibehaltenes Material.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird in 5 gezeigt, in der das Rohr und das gleitende Element 30, beispielsweise ein Ring, wie vorstehend genannt sind. Allerdings verwendet die Wandlerbaugruppe 50 in diesem Fall ein Paar axial beabstandeter Spulen 52 und 54 in dem Bereich 16, zwischen denen eine Magnetfeld Sensorvorrichtung MFS befestigt ist und mit einer wie vorstehend beschriebenen (2) Signalverarbeitungsschaltung verbunden ist. MFS reagiert auf eine longitudinale Feldkomponente. Die Spulen sind in Reihe miteinander verbunden, um von einer Wechselstrom Puls-Wellenform, wie vorstehend beschrieben, betrieben zu werden. Die Reiheverbindung ist derart, dass die von den Spulen im Bereich 16 erzeugten Felder gegensätzlich sind und so wirken, dass sie sich gegenseitig an der Vorrichtung MFS aufheben. Das Ringelement 30 umschließt das Rohr 10 und den Bereich 16, um mit den Spulenfeldern wechselzuwirken. Das Gleichgewicht der Felder wird von der axialen Position des Elements 30 beeinflusst, um die Erzeugung eines Positions-abhängigen Ausgabesignals zu ermöglichen. Es wird angenommen, dass die Spulen die gleiche Größe für die gezeigte Reihenverbindung aufweisen, was die Wicklungszahl beinhaltet. Die Spulen können parallel betrieben werden. Spulen unterschiedlicher Größe können verwendet werden.
Es ist klar, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf die Umstände beschrieben wurden, in denen der bewegliche Teil des Wandlers von den anderen Teilen durch eine magnetische Barriere getrennt vorliegt, die durchdrungen werden muss.
Die beschriebenen Verfahren können dort angewendet werden, wo das Rohr aus nicht magnetischem Material besteht oder in keiner Form vorliegt.
Die beschriebenen Ausführungsformen weisen ein bewegliches Element 30 auf, das relativ zu einer befestigten Wandlerbaugruppe 20 verschiebbar ist. Es ist die relative Verschiebung, die von Interesse ist. Die Wandlerbaugruppe 20 könnte hinsichtlich eines befestigen Elements 30 beweglich sein.
Die vorstehend beschriebenen Lehren können ebenso auf einen Wandler angewendet werden, in dem das Element 30 im Innern der Wandlerbaugruppe angeordnet ist. Die gleichen ausgewogenen Bestimmungsverfahren können ebenso in einem Fall angewendet werden, in dem die relevante Achse gekrümmt vorliegt, beispielsweise als ein Kreisbogen.
Die vorstehend beschriebenen Lehren können ebenso auf einen Wandler oder Wandlerbaugruppe angewendet werden, in dem ein oder mehrere Sensoren MFS, MFS1, MFS2 und eine oder mehrere Spulen 22, 52, 54 im Innern des Rohrs 10 angeordnet sind, wobei das Rohr 10 mindestens entlang eines Teils seiner Länge hohl ist. In einer derartigen Ausführungsform kann das Element 30 entweder außerhalb des Rohrs 10 oder im Innern des Rohrs 10 befestigt sein, wobei eines entweder die Sensorbaugruppe MFS, MFS1, MFS2 oder das Element 30 befestigt ist und das andere mit dem beweglichen Rohr 10 verbunden ist.
Die nachstehend beschriebenen 6 bis 25 sind beigefügt, um die Lehren zum Befestigen der Sensorvorrichtungen MFS1, MFS2 zu erläutern, die wie vorstehend beschrieben in der unmittelbaren Nähe einer Spule sind (was ähnliche Betrachtungen hervorruft und die gleichen Verfahren verwenden kann, wie sie hinsichtlich der Wandlerbaugruppe für einen nachstehend beschriebenen magnetischen Drehmomentwandler gelehrt werden) und den möglichen Betrieb der vorstehend beschriebenen Spule(n) mit Wechselstrom.
6 zeigt eine Welle 110, von der angenommen wird, dass sie einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und zur Rotation um ihre longitudinale Achse A-A befestigt ist. Die Welle kann fortdauernd rotieren, über einen begrenzten winkligen Bereich rotieren, oder sogar an einem Ende festgehalten werden, während ein Drehmoment auf das andere angewendet wird. Das Drehmoment T wird gezeigt, wie es auf das Ende 112 angewendet wird, um eine mit dem Ende 114 verbundene Ladung (nicht gezeigt) zu bewegen.
Eine Spule L_D wird um einen Bereich 120 der Welle befestigt, die als Wandlerbereich zur Bestimmung des Drehmoments in der Welle fungiert. Mindestens der Wandlerbereich der Welle besteht aus ferromagnetischem Material. Der Wandlerbereich sollte eine für die Etablierung des gewünschten Felds innerhalb des Wellenmaterials ausreichende axiale Länge aufweisen und ein axiale Verschiebung der Welle relativ zu der Spule ermöglichen, wie es bei manchen praktischen Anwendungen auftritt. Der Bereich 120 wird durch die gestrichelten Linien angezeigt, die imaginäre Grenzen zeigen. Bei der Spule L_D handelt es sich um eine spiralförmig gewundene Spule, mit einer oder mehreren Schichten, koaxial mit der Wellenachse A oder kann eine um eine andere gewundene Säule sein. Die Spule wird von einer Quelle 122 betreiben, auf die nachfolgend näher eingegangen wird. Mindestens eine Sensorvorrichtung 123 wird in der Nähe der Spule L_D und dem Bereich 120 befestigt, d. h. das sich die Vorrichtung 123 in der Nähe der axialen Höhlung in der Spule befindet, in der die Welle aufgenommen wird. Die Vorrichtung 123 ist derartig ausgerichtet, dass ihre Achse maximaler Empfindlichkeit in eine axiale oder longitudinale Richtung zeigt. Mindestens eine Sensorvorrichtung 124 wird angrenzend zur Spule befestigt, um die Achse maximaler Sensitivität in der axialen oder longitudinalen Richtung aufzuweisen. Die Funktionen der Sensoren 123 und 124 entsprechen den Sensoren 123 und 124, wie es jeweils in 8a von WO 01/27584 ersichtlich ist. Die Sensoren können vom Hall-Effekt oder vom magnetorestriktiven Type sein, sind allerdings vorzugsweise vom gesättigten Kern Typ und mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbunden, wie sie in der veröffentlichten PCT Anmeldung WO 98/52063 gezeigt wird. Die gesättigten Kern Sensoren weisen eine Lemniskate (figure-of-eight) Reaktion auf das Maximum auf, das entlang der Kern Achse verläuft und dessen Minimum senkrecht auf dieser Achse ist. Die dreidimensionale Reaktion besteht in der Rotation der Lemniskate um die Achse der maximalen Empfindlichkeit. Die Quelle 122, die die Spule L_D betreibt, kann Gleichstrom oder Wechselstrom sein, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Vorzugsweise kann die Quelle eingestellt werden, um das Betriebsniveau der Spule L_D zu steuern.
WO 01/72584 beschreibt in 8a davon, wie ein longitudinales Feld zwischen den zwei beabstandeten Spulen erzeugt wird, die um eine Welle gewunden sind. Der Wandlerbereich liegt in der Zone zwischen den zwei Spulen. Im Gegensatz dazu liegt in der Ausführungsform von 6 der Wandlerbereich innerhalb und erstreckt sich etwas außerhalb der Anregungsspule L_D. 7 zeigt die allgemeine Form des externen Felds 130, das von einem and die Spule L_D angelegten Strom erzeugt wird. Es verläuft kreisförmig um die Achse A-A. Es wird innerhalb des Wandlerbereichs 120 in einem Kreisring axial-gerichteter Magnetisierung (longitudinaler Magnetisierung) verlaufen. Der Kreisring verläuft von der Wellenoberfläche nach innen. Das interne Feld wird in 7 nicht gezeigt. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, sollte die Spule L_D so dicht wie möglich mit dem ferromagnetischen Wandlerbereich 120 verbunden werden. Die Spule kann um eine Hülse bzw. erstere (former) gewunden sein, die dicht auf die Welle 110 passt, während die Rotation der Welle innerhalb der ersteren ermöglicht ist. Es wurde gefunden, dass das Feld 130 nahe in/zu der Spule L_D und Nahe bei dem Bereich 120 drehmomentabhängig ist und unter Drehmoment eine tangentialgerichtete Komponente bereitstellt, deren Polarität und Größenordnung von der Richtung und Größenordnung des auf die Achse A-A angewendeten Drehmoments abhängen. Der Sensor 123 ist so positioniert, dass er auf diese tangentialgerichtete Feldkomponente reagiert. Der Sensor 124 ist so positioniert, dass er ein Signal bereitstellt, das das gesamte Feldniveau darstellt, das von der Spule L_D und vorzugsweise einer axialen Komponente erzeugt wird, die im Wesentlichen vom Drehmoment unberührt ist.
8a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Welle 110, auf der eine nah passende Hülse 132 befestigt ist, um die die Spule L_D gewunden ist. Die Hülse 132 weist Endbacken 134a und 134b in der Nähe zu der und der Wellenoberfläche, wo die Sensorvorrichtungen 123a und 123b mit ihren Achsen maximaler Empfindlichkeit tangential auf der Welle befestigt sind. Die Baugruppe wird schematisch in 8b gezeigt, in der die Vorrichtungen 123a und 123b als um gesättigte Kerne gewundene Induktanzen dargestellt sind. Wie bereits gezeigt, kann die Spule 124 in der Näher der Spule L_D an jeglichem Punkt befestigt werden, an dem eine axialgerichtete Feldkomponente vorliegt, aus der ein Referenzsignal erzeugt werden kann, gegen das die drehmomentabhängigen Signale der Sensoren 123a, 123b bestimmt werden können oder, auf einem anderen Weg, welche verwendet wird um die Verstärkung des Wandlers zu steuern.
9 zeigt wie jede Sensorvorrichtung 123a, 123b als eine Sensorbaugruppe bereitgestellt werden kann, die ein Paar radial-entgegengesetzter Sensorvorrichtungen umfasst. 9 zeigt einen Querschnitt durch einen Wandlerbereich 120 und zeigt die Sensorvorrichtung 123, die jetzt als Sensoranordnung vorliegt und ein Paar Vorrichtungen 123a1 und 123a2 umfasst, die auf entgegengesetzten Seiten des Wandlerbereichs 120 der Welle 110 befestigt sind, dass heißt hinsichtlich der Achse A-A diametral gegenüberstehen. Der Rest der Wandlerbaugruppe ist nicht dargestellt. In der Querschnittsansicht von 9 werden die drehmomentabhängigen Feldkomponenten mit M_S bezeichnet und sind auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Bereichs 120 entgegengesetzt gerichtet, so dass die jeweiligen Vorrichtungsspulen 123a1 und 123a2 Additiv hinsichtlich der drehmomentabhängigen Feldkomponenten aber Subtraktiv hinsichtlich zur Aufhebung eines externen Feldes E, das im Allgemeinen auf beide Sensorvorrichtungen wirkt, in Reihe verbunden sind. Die Sensorvorrichtungen 123a1 und 123a2 sind mit einer Signalverarbeitungsschaltung 136 in reihe verbunden, von der ein drehmomentabhängiges Ausgabesignal V_T erhalten wird.
Die Welle 110 kann einem Beugemoment unterworfen sein, das eine Ablenkung davon an dem Wandlerbereich 120 der Achse A-A verursacht. Die Welle kann ebenso einem geringen Zittern ihrer Achse bei ihrer Rotation unterworfen sein. Wenn die Welle in der Richtung des Pfeils s senkrecht abgelenkt wird, dass heißt in Richtung der Sensorvorrichtungen und weg von der anderen, wird die eine Vorrichtung eine größere Signalausgabe als die andere bereitstellen. Da die Ausgaben Additiv miteinander verbunden sind, wird eine derartige Ablenkung zumindest zu einem gewissen Ausmaß kompensiert werden. Die Kompensierung ist nicht genau, da die von den Vorrichtungen wahrgenommenen Feldstärke eine quadratische Grundsatz-Funktion (law function) des Abstands von der Wellenoberfläche ist. Allerdings wird erwartet, dass derartige Ablenkungen normalerweise gering sind und ein hoher Kompensationsgrad geleistet wird.
Wenn die Ablenkung in Richtung des (oder entgegen gesetzt zum) Pfeil s verläuft und bereitgestellt ist, dass sie gering ist und innerhalb des lateralen Wahrnehmungsausmaßes der Sensorvorrichtungen liegt, d.h. nicht von den Vorrichtungen aufgelöst werden kann, wird die kombinierte Signalausgabe davon nicht beeinflusst. Wenn sich die Ablenkung vergrößert, wird jede Sensorvorrichtung 123a1, 123a2 eine geringere Drehmomentsignalausgabe hervorbringen. Allerdings wird auch ein Signal in jeder Vorrichtung aufgrund der Ablenkung selbst erzeugt, selbst wenn die Welle nicht rotiert. Die Ablenkung stellt einen Effekt allgemeiner Art dar und wird durch die Verbindung der beiden Vorrichtungen aufgehoben. Dieses Thema wird nachstehend weiter unter besonderem Bezug auf 12 erörtert.
Die Sensorbaugruppe, die Nahe an einem Ende der Spule L_D angebracht ist, kann weiter erweitert werden. Beispielsweise zeigt 10 ein zusätzliches Paar von Sensorvorrichtungen 123a3 und 123a4, die diametral radial entgegengesetzt aufeinander hinsichtlich des Wandlerbereichs 120 und senkrecht hinsichtlich der Vorrichtungen 123a1 und 123a2 befestigt sind. Die Vorrichtungen 123a1 und 123a2 sind miteinander und mit den Vorrichtungen 123a1 und 123a2 relativ zu der drehmomentabhängigen Feldkomponenten Additiv verbunden, allerdings sind sie subtraktiv hinsichtlich einer Magnetfeldkomponente E'.
Es ist klar, dass die gleiche Verwendung eines oder mehrerer Paare Sensorvorrichtungen an die Sensorvorrichtung 123b der 8a und 8b angepasst werden kann. Es wird ebenso bemerkt, das für die Sensorvorrichtungen 123a und 123b, oder die komplexeren Sensorbaugruppen davon, nicht notwendig ist in winkliger Anordnung um die Welle ausgerichtet zu sein. Es ist ebenso klar, dass jede Sensorvorrichtung mit einer jeweiligen Nachweisschaltung verbunden sein kann und die Ausgaben der einzelnen Schaltungen wie benötigt kombiniert werden können.
Die Beschreibung der Anwendung so weit, ist von einer Wechselstromversorgung der Spule ausgegangen. Das führt zu dem, was ein Gleichstrom-Magnetfeld genannt werden kann. Für die Zuverlässigkeit der Reaktion bei der Verwendung eines Gleichstrom-Felds ist es wünschenswert, dass die Welle 110 einer Degauss oder einem magnetischem magnetischen Reinigungsvorgang unterworfen wird, wie es in vorstehend erwähnten WO 01/79801 beschrieben wird. In den vorstehend erörterten Sensoranordnungen, führt die Annahme eines Gleichstrom-Magnetfelds zu der schnellsten Drehmomentsignal Reaktion mit der derzeitig verwendeten Schaltung. Dass heißt, dass der allgemeine Schaltkreis die höchste Bandbreite für Signaländerungen aufzeigt. Allerdings kann auch eine Wechselstrom-Magnetisierung verwendet werden. Der Wechselstrombetrieb weist einige Vorteile auf, bringt aber auch die Berücksichtung anderer Faktoren mit sich. Ein Wechselstrom Wandlersystem 140 wird in 11 gezeigt und kann mit dem verglichen werden, das in 12 der WO 01/27584 gezeigt wird. Eine Wechselstromquelle 142 betreibt die Spule L_D bei einer Frequenz f. Bei der Quelle kann es sich um eine bipolare Pulsquelle handeln. Eine Signalverarbeitungsschaltung 144 wird mit der Sensorbaugruppe 124 verbunden und wird mit einer Filterfunktion 146 bereitgestellt, um die Magnetfeldkomponente bei der Frequenz f zu extrahieren, die von der Sensorbaugruppe 124 bestimmt wird. Der Filter kann von der Quelle 142 betrieben sein, um sicherzustellen, dass der Filter 146 die Quellfrequenz f verfolgt, wie es durch die gestrichelte Linie angezeigt wird. Eine gleichzeitige Bestimmung kann verwendet werden, bei der ein Detektor in der Schaltung 144 von einem Signal der Quelle 142 betrieben wird. Ähnlich dazu, wird die Sensorbaugruppe 123 mit einer frequenzselektiven Signalverarbeitungsschaltung 148 verbunden, die eine Filterfunktion 150 beinhaltet, um eine die drehmomentabhängige Feldkomponente darstellende Ausgabe bereitzustellen. Diese Komponente wird zusammen mit einer Referenzniveau Komponente von der Schaltung 144 erhalten und auf eine Signalverarbeitungsschaltung 152, von der eine drehmomentabhängige Ausgabe V_T erhalten wird. Es ist klar, dass die Filter- und Signalverarbeitungs-Funktionen in Hardware oder Software ausgeführt werden können und dass das Filtern an verschiedenen Punkten in dem gesamten Signalpfad ausgeführt werden kann. Es ist wünschenswert, die Betriebsfrequenz f des Quellen/Filter Systems derart ausgewählt werden kann, dass es von Frequenzen möglicher interferierender Quellen, beispielsweise Strom (Stromversorgungs-) Frequenzen, gut unterschieden werden kann.
Gesättigte Kern Typ Sensoren können bis zu 110 kHz oder mehr betrieben werden, wobei zusätzlich zu der Sensorreaktion die Quellfrequenz Reaktion berücksichtigt werden muss und ihre Befähigung die Spule L_D zu betreiben. Es gibt ein anderes frequenzabhängiges Merkmal, berücksichtigt werden muss, insbesondere dann, wenn der Wandlerbereich einstückig in einer Welle ausgebildet ist.
Die Eindringtiefe des Spulenfelds in das Material des Wandlerbereichs ist frequenzabhängig. Sie am größten bei einer Frequenz von Null, beispielsweise Gleichstrom, und nimmt mit Zunahme der Betriebsfrequenz ab. Beispielsweise wurde eine Welle aus FV25OB Stahl mit einem Durchmesser von 18mm vollständig von einer mit Gleichstrom betriebenen Spule durchdrungen, wurde allerdings von dem entsprechenden Wechselstrom bei 100Hz nicht vollständig durchdrungen. Die Durchdringung des gesamten Querschnitts des Wandlerbereichs ist nicht wesentlich, da die drehmomentabhängige Reaktion dazu tendiert, in einer an der Oberfläche angrenzenden Zone konzentriert zu sein. Wenn sich allerdings die Frequenz vergrößert, wird gefunden, dass die Zunahme oder Steigung der Transferfunktion – die drehmomentabhängige Signalausgabe gegenüber dem angewendeten Drehmoment – eine Tendenz aufweisen wird abzunehmen.
Der Wandler und die Wandlerbaugruppe, die vorstehend beschrieben sind, stellen die nachstehenden Vorteile bereit:
die Baugruppe der Spule (mit Hülse) und Sensorbaugruppe oder Baugruppen kann als ein einheitlicher Bestandteil hergestellt werden, der auf einer Welle befestigt werden kann; die einheitliche Struktur kann ebenso eine Signalbestimmungs- und Signalverarbeitungsschaltung umfassen;
der Herstellungsprozess benötigt keinen Kodierungsvorgang für den Wandlerbereich, um eine permanente Magnetisierung darin zu etablieren; in einer homogenen Welle besteht kein Zwang wo der Wandlerbereich etabliert werden muss und es gibt keine kritische Ausrichtung der Wandlerbaugruppe mit einem vorbestimmten Bereich einer Welle.
Es liegt kein Abbau der Magnetisierung des Wandlerbereichs im Lauf der Zeit vor, wie es sich mit einer permanenten Magnetisierung ereignen kann;
die Zunahme oder Steigung der Transferfunktion des Wandlers ist eine Funktion des Betriebstroms der Wandlerspule. Es wurde gefunden, dass kurzzeitige Betriebstromniveaus eine nicht-lineare Reaktion erzeugen, wobei die Reaktionsempfindlichkeiten, die erhalten werden können im Wesentlichen größer sind, wie sie von der vorstehend angemerkten Profil-Verschiebungs-Magnetisierung erhalten werden können;
der Wandler ist einer axialen Verschiebung des Wandlerbereichs hinsichtlich der Wandler Spule/Sensor Baugruppe nicht empfindlich;
die Fähigkeit des Betriebs in einer Wechselstromweise bei einer gewählten Frequenz, ermöglicht den Betrieb in einer Umgebung mit Hintergrundrauschen und macht den Wandler toleranter gegenüber Streufeldern in der Welle.
Ein anderer Faktor, der sowohl bei der Gleichstrom als auch Wechselstrom Implementierung berücksichtigt werden muss, wird in 12 gezeigt, in der die Welle 110, eine Betriebsspule L und eine Sensorvorrichtung 123 gezeigt werden, die so ausgerichtet ist, dass sie eine tangentiale drehmomentabhängige Komponente nachweist. Die Achse B-B von maximaler Sensitivität einer Sensorvorrichtung ist in einem Winkel α zu der Achse A-A der Welle ausgerichtet. Die Achse A-A liegt in der Figurenebene, wobei die Achse B-B parallel zu und über der Figurenebene verläuft. Der Winkel α ist daher der Winkel zwischen der Achse B-B, wie sie auf die Figurenebene projiziert wird und beträgt im Idealfall 90°. Beim Vergleich zu manchen Formen von permanent-magnetisierten Wandlerbereichen, ist die vorstehend beschriebene Wandlerbaugruppe unempfindlich gegenüber axialen Verschiebungen des Wandlerbereichs, unter der Annahme, dass der Wandlerbereich von Wellenmaterial homogen damit gebunden wird, wie es der Fall mit einer Welle sein würde, die homogen über ihre Länge und mit der der Wandlerbereich einstückig ist. Allerdings ist der Betrieb der Wandlerbaugruppe (Spule und Sensorbaugruppe) empfindlich gegenüber einer axialen Schräge oder Neigung der Welle hinsichtlich der Baugruppe, was den Winkel α beeinflusst.
Aufmerksamkeit wird jetzt der Empfindlichkeit gegenüber axialer Schräge gegeben und Möglichkeiten sie zu vermindern. Es wird ebenso gezeigt, dass im Gegensatz dazu eine vorstehend beschriebene Wandlerbaugruppe implementiert werden kann, um axiale Schräge auf eine vorteilhafte Weise zu nützen, um eine Bestimmung einer Kraft zu ermöglichen, die gemacht werden soll.
Unter wiederholtem Bezug auf 12, wird die Situation berücksichtigt, in der kein Drehmoment in der Welle 110 vorliegt, sich die Wellenachse allerdings hinsichtlich der Achse der Spule L_D neigt, so dass der Winkel α nicht mehr 90° beträgt. Die Spule wird betrieben.
Das Ergebnis ist eine transversale Komponente der Magnetfelds, das von der Spule L_D erzeugt und die von der Sensorvorrichtung 123 nachgewiesen wird. Falls eine so wie in 9 gezeigte Sensorbaugruppe verwendet wird, wird die Schräge, von dem Pfeil s angezeigt, in der gleichen Richtung hinsichtlich zu beiden Sensoren 123a1 und 123a2 auftreten. Hinsichtlich des nachgewiesenen Felds, wirkt die Schräge als Komponente allgemeiner Art und wird in der Ausgabe aufgehoben, ähnlich zu dem allgemeinen externen Feld E. Bei dieser allgemeinen Art wird die Abstoßung gleichsam erhalten, als wenn die Welle unter einem Drehmoment ist. Unter Drehmoment wird eine zu dem Pfeil senkrechte Schräge dazu tendieren, die Komponente M_S bei, sozusagen, der Sensorvorrichtung 123a1 zu erhöhen und die Komponente M_S bei dem Sensor 123a2 zu erniedrigen, wobei das einen geringen Effekt auf die miteinander verbundenen Ausgabesignale V_T hat. Das gilt im Allgemeinen beim Zittern der Welle 110 bei ihrer Rotation. Diese vorstehende Argumentation kann auf die Sensorbaugruppe in 10, hinsichtlich einer Schräge senkrecht auf der Richtung S, erweitert werden.
Eine andere Annäherung kann angenommen werden, um einen einzelnen Sensor, wie 123 in 12, einer Schräge gegenüber weniger empfindlich zu machen. Dies wird in 13 gezeigt, in der eine einzelne Sensorvorrichtung 123 gezeigt wird, wie sie mit einer Sensoreinheit 160 ersetzt wird, die ein Paar Vorrichtungen 162 und 164 umfasst. Die Welle als solche wird nicht gezeigt, allerdings wird ihre Achse A-A angezeigt. B-B stellt die Reaktions-Achse des Sensors 160 dar und weist wünschenswerterweise einen Winkel α = 90° gegenüber der Achse A-A auf. Die zwei Sensorvorrichtungen sind in einem Winkel θ zu jeder Seite der Achse B-B versetzt, dass heißt, dass ihre jeweiligen Achsen B1, B2 maximaler Empfindlichkeit in einer "V" Formation durch den Winkel 2θ getrennt sind.
Bei der Bestimmung einer drehmomentabhängigen Feldkomponente, die beide Sensorvorrichtungen im Wesentlichen gleich beeinflusst und eine Neigung vorliegt- α bewegt sich von 90° weg- nimmt das das von einer Vorrichtung wahrgenommene Feld zu, während das von der anderen wahrgenommene Feld abnimmt. Falls die beiden Vorrichtungen Additiv miteinander verbunden sind, Punkt an Nicht-Punkt Ende, wird das erhaltende Signal weitaus weniger von gewinkelten Schräge oder Neigung beeinflusst, als wenn eine einzelne Vorrichtung vorliegt, dies gilt insbesondere bei kleinen Abweichungen von α von 90°. Dies würde normalerweise der Fall sein. Der Abweichungswinkel sollte den Winkel θ nicht übersteigen.
Die soeben geführte Diskussion hat die Drehmomentmessung in Anwesenheit einer gewinkelten Schräge oder Neigung der Welle hinsichtlich zu der Wandlerspulenbaugruppe und ihrer begleitenden Sensoren betroffen. Ein Umstand bei dem eine derartige Schräge oder Neigung entstehen kann, liegt vor, wenn die Welle, in der das Drehmoment bestimmt werden soll, einer transversalen Kraft unterworfen wird, die zu einem Beugemoment in der Welle an der Stelle des Wandlerbereichs führt. Die Empfindlichkeit gegenüber irgendeiner resultierenden axialen Schräge oder Neigung, in Abwesenheit von kompensierenden Maßen, kann dazu verwendet werden, die angewendete Kraft zu bestimmen. Weiterhin wird diese Kraftbestimmung nicht in ihrer Anwendung auf eine Welle beschränkt in der ein Drehmoment übertragen wird. Die Kraftbestimmung kann auf jegliches verlängerte Element angewendet werden, dass einem Biegemoment aufgrund einer angewendeten Kraft unterworfen wird, oder selbst wenn ein verlängertes Element drehbar befestigt ist, um sich um seine Drehachse als Reaktion auf eine angewendete Kraft zu drehen. Das verlängerte Element kann einen Wandlerbereich mit einer Wandlerbaugruppe tragen oder in sich beinhalten, wie es bereits vorstehend beschrieben wurde, allerdings mit einer abgeänderten Sensorbaugruppe.
14 zeigt ein verlängertes Element 170, das an einem Ende 172 befestigt ist und der andere Endabschnitt 174 davon frei beweglich unter einer Kraft F ist, die transversal einer logitudinalen Achse A-A des Elements angewendet wird. Das Element 170 ist elastisch und ziemlich steif, so dass es sich dem Biegemoment unterwirft, das von der Kraft F aufgedrückt wird, um an einem Zwischenbereich 176 zu einem Ausmaß gebogen zu werden, das eine Funktion der angewendeten Kraft darstellt. Zumindest der Zwischenbereich 176 besteht aus einem ferromagnetischen Material und stellt einen Wandlerbereich für eine Wandlerbaugruppe 178 bereit, die eine Anregungsspule um den Bereich 176 und eine Sensorbaugruppe umfasst, die Gestalt ist, um auf die Beugung des Elements 170 hinsichtlich der Spulenachse der Wandlerbaugruppe zu reagieren, die mit der Achse A-A des unbelasteten Elements 170, ohne darauf angewendete Kraft F, ausgerichtet verbleibt. Die Wandlerbaugruppe ist wie vorstehend beschrieben und insbesondere hinsichtlich des Nachweises einer Schräge oder Neigung gestaltet. Der Effekt der Beugung des verlängerten Elements besteht darin, dass von der bereits beschriebenen gewinkelten Schräge oder Neigung, worin die Welle 110 nicht länger ein drehmomentübertragendes Teil darstellt, sondern jetzt von einem sich biegenden verlängerten Element 170 ersetzt wird.
Mittels eines Beispiels, falls die Sensoranordnung in der Baugruppe 178 von 14 ein Paar diametral entgegen gesetzter Sensorvorrichtungen wie in 9 gezeigt verwendet, wird eine Verbindung der Sensorvorrichtungen 123a1 und 123a2 mit der Schaltung 136 betrachtet, in der eine der Vorrichtungen jetzt entgegengesetzt verbunden ist, beispielsweise Punkt-Ende zu Punkt-Ende, hebt die Verbindung die Schräge oder Neigung S aufgrund der Kraft F in 14 nicht auf, sondern fügt die Beiträge der Sensorvorrichtungen S hinzu, um das die Kraft darstellende Signal V_F in 14 bereitzustellen. Falls die Umstände derart waren, dass es gewünscht war die Schräge oder Neigung S der Welle 110 ohne Interferenz des Drehmoments in der Welle zu bestimmen, wird es ersichtlich sein, das die entgegen gesetzte Verbindung der Sensorvorrichtungen 123a1 und 123a2 in 9 nicht nur eine Additive Reaktion auf die Schräge oder Neigung bereitstellt, sondern auch die Drehmomentkomponenten M_S aufhebt.
Eine Wandlerbaugruppe 178 aus 14 weist die Spulenanordnung von 13 auf und kann ebenfalls dazu angepasst sein, die kraftabhängige Ablenkung des Elements 170 zu bestimmen, in die Verbindung einer Sensorvorrichtung entgegengesetzt angebracht wird, so dass die Vorrichtungen 162 und 164 beispielsweise über Punkt-Ende zu Punkt-Ende miteinander verbunden sind. Die jetzt erhaltene Ausgabe stellt den Neigewinkel θ dar.
Während 14 die Verwendung eines verlängerten Elements zeigt, dessen Elastizität der angewendeten Kraft F und dem resultierenden Biegemoment widersteht, wodurch die bestimmbare Schräge oder Neigung verursacht wird, kann das gleiche Ergebnis mittels der in 15 gezeigten Modifikation erreicht werden, in der ein Arm 190 drehbar an 192 befestigt ist, um in der Figurebene zu drehen, die die zu bestimmende Kraft F aufweist, die auf sein freies Ende 194 angewendet wird. Der Kraft wird mittels elastischer Mittel 196 widerstanden, wie beispielsweise eine Feder oder einem die Magnetkraft wiederherstellendem Mittel, das teilweise dort verwendet werden kann, wo der gesamte Arm 190 auf einem ferromagnetischem Material besteht. Bei keiner angewendeten Kraft F, ist die Achse A-A des Arms 190 mit der Achse der Wandlerbaugruppe ausgerichtet, die wie vorstehend beschrieben gestaltet ist, um das drehmomentabhängige Signal V_F bereitzustellen.
Ein Anwendungsbeispiel der vorstehend beschriebenen Wandler und Wandlerbaugruppen auf die Bestimmung einer Kraft oder eines Biegemoment wird in 16 gezeigt. Die Fig. zeigt eine System zur Bestimmung der Spannung in einem laufenden Gewinde, wie es in einer Webe- oder anderen Textilmaschine gefunden werden kann. Das System setzt einen Kraftbestimmungswandler wie in 14 oder 15 gezeigt ein.
In 16 bewegt sich das Gewinde 1110 in einem Pfad über Riemenscheiben oder Walzen 1112 und 1114, zwischen denen der Pfad in einer V-Form durch die Versetzung gewinkelt ist, die durch den Endabschnitt 174 (194) des verlängerten Elements 170 (190) aus 14 (110) eingeführt wird, das so befestigt ist, dass seine Achse A-A mindestens im Wesentlichen senkrecht zu der Zeichnungsebene vorliegt. Der Endabschnitt 174 (194) kann gestaltet sein, um einen freien Lauf des Gewindes darüber zu ermöglichen. Der in den Gewindepfad durch den Abschnitt 174 (194) eingeführte Winkel resultiert in einer Kraft F, die auf den Abschnitt 174 (194) ausgeübt wird und die von dem Wandler der 14 (110) wie vorstehend beschrieben bestimmt wird.
17 zeigt eine Abänderung der Ausführungsformen der vorstehen beschriebenen Wandler und Wandlerbaugruppen, in der Versorge getroffen wurde, die Erzeugung eines Stabmagneten in der Welle oder dem verlängerten Element zu verhindern, in der/dem der Wandlerbereich aufgenommen ist. Dies wird insbesondere auf Gleichstrombetriebene Wandler angewendet, kann allerdings auch dazu angewendet werden, die Wahrscheinlichkeit einer Restmagnetisierung zu verringern, die in mit Wechselstrombetriebenen Wandlern auftritt.
18 zeigt eine Welle oder verlängertes Element 1120, worauf eine Anregungsspule L_D um den Wandlerbereich 1122 befestigt ist. Die Sensorbaugruppe wird nicht gezeigt. Auf jeder Seite der Spule L_D wird jeweils eine Spule L_CL und L_CR befestigt. Die Spulen L_CL und L_CR werden zur gleichen Zeit wie die Spule L_D betrieben, da sie damit in Reihe geschaltet sind, wie es in 17 gezeigt wird, und erzeugen Felder einer entgegengesetzten Polarität zu dem von der Spule L_D erzeugten. Die Spulen L_CL und L_CR sind ausreichend von der Spule L_D beabstandet, um das gewünschte Wandlerebereichfeld zu erzeugen und auf die bereits beschriebene Art wahrgenommen zu werden.
Insbesondere erzeugt jede dieser drei Spulen ein eigenes Feld, wie es in 7 gezeigt wird. Bei der Spule L_CL beispielsweise, wenn das Feld in Richtung der Spule L_D die gleiche Polarität hat wie das der Spule L_D in Richtung der Spulen L_CL, heißt das, dass die Felder dazu tendieren sich gegenseitig abzustoßen. Eine ähnliche Situation entsteht zwischen den Spulen L_D und L_CR. Die Spulen L_CC und L_CR sollten sich nicht in der Nähe der Spule L_D befinden, da sie ansonsten das drehmoment- oder kraft-abhängige Feld beeinflussen, das bestimmt werden soll. Die Wirksamkeit der Spulen L_CL und L_CR bei der Verringerung der Bildung eines Stabmagneten in einer Welle oder verlängertem Element 1120, kann von einem Sensor beurteilt werden, der angebracht wurde, um das sich nach außen erstreckende Feld einer Spule L_CL oder L_CR nachzuweisen. Dieses Feld sollte im Wesentlichen auf Null verringert werden. Versuche haben gezeigt, dass ein solches Ergebnis erhalten werden kann, indem die Spulen L_CL oder L_CR die Hälfte der Amperewindungen erzeugen, so dass bei einer mit einem gewöhnlichem Strom gezeigten Reihenschaltung, die Spulen L_CL oder L_CR die Halbe Windungsanzahl der Spule L_D aufweisen.
Die Welle oder das verlängerte Element, in dem der Wandlerbereich erzeugt wird, kann vor der Verwendung einer Degauss-Prozedur unterzogen werden. Eine solche Prozedur wird in der veröffentlichten PCT Anmeldung WO 01/79801 beschrieben.
18a und 18b zeigen die körperliche Anordnung eines Drehmomentwandlers. Er wird auf eine Welle 210 angewendet, die drehbar um eine longitudinale Achse A-A befestigt ist, auf die ein Drehmoment T anwendbar ist. Das Drehmoment kann im Uhrzeigersinn (CW) oder gegen den Uhrzeigersinn (CCW) vorliegen. Die Welle muss nicht notwendigerweise ununterbrochen oder überhaupt rotieren. Von der Welle wird angenommen, dass sie einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Achse A-A zentral gelegen ist. Die Welle, oder mindestens der Bereich davon, die/der von Interesse für den Wandlerbetrieb sind bestehen aus ferromagnetischem Material. Zwei Spulen 212 und 214 sind befestigt, um die Welle gewunden zu werden, und können betrieben werden, um ein axialgerichtetes (longitudinales) Feld in der Welle zu induzieren. Die Spulen sind getrennt beabstandet und legen dazwischen einen Wandlerbereich 216 der Welle fest. In der gezeigten Ausführungsform sind die Spulen in Reihe verbunden, um einen Betriebsstrom I zu empfangen, wobei die Spulen in Reihe auf eine Additive Art verbunden sind, um mitzuwirken, um ein longitudinales Magnetfeld im Bereich 216 zu erzeugen, das allgemein mit dem Pfeil M angezeigt wird. Das erzeugte Feld wird nachstehend erörtert. Die Richtung des Felds M hängt von der Polarität des Stroms I ab.
Das longitudinale Feld M ist axialgerichtet, wird allerdings von dem Drehmoment T abgelenkt, das um die Achse A-A in einem Wandlerbereich wirkt. Obwohl das Feld zuerst innerhalb des Wellenmaterials eingesperrt ist, wird eine externe Feldkomponente entstehen, die den Nachweis des Felds über eine kontaktfreie Sensoranordnung ermöglicht. Die Ablenkung bei einem Drehmoment erzeugt eine tangentiale oder Umfangs-gerichtete Feldkomponente, deren Größenordnung und Richtung eine Funktion der Richtung und Größenordnung des Drehmoments darstellt. Diese Komponente kann durch eine Magnetfeld Sensorvorrichtung 218 nachgewiesen werden, die, wie in den 18a und 18b gezeigt, tangential gerichtet ist, um die umfangsgerichtete oder tangential Komponente wahrzunehmen. Allgemein verfügbare Sensorvorrichtungen weisen eine Achse einer breiten Maximalreaktion und ein Minimalreaktion in rechteckigen Winkeln zu dieser Achse oder insbesondere in einer Normalebene der Achse auf. Verwendbare Magnetfeld Sensorvorrichtungen beinhalten Hall-Effekt, magnetorestriktive und Induktor (gesättigte Kern) Typen. Sie sind als kleine Einheiten verfügbar. Eine besondere Vorrichtung, die zufrieden stellend benutzt wurde, ist die Vorrichtung des gesättigten Kern Typs, die in einer Signalverarbeitungsschaltung der in WO 98/52063 beschriebenen Art zufrieden stellend verwendet wurde. Wie es nachstehend erklärt wird, kann eine einzelne Sensorvorrichtung bei der Anwendung verwendet werden, in der frühere Magnetwandler zwei oder mehr Sensorvorrichtungen zum Aufheben eines interferierenden Magnetfeldes, wie beispielsweise dem Erdfeld, benötigt hätten. Dies unterstützt bei der Platzierung der Wandlerbaugruppe an einer Stelle, bei der Raum von höchster Wichtigkeit ist. Ein Beispiel wird nachstehend in 24 gegeben.
Um den Wandler noch kompakter zu machen, zeigen die 19a und 19b eine Modifikation, um die Sensoreinrichtung innerhalb der Kontur oder Profil der Welle 210 zu positionieren. Während in den 18a und 18b die Vorrichtung 218 außerhalb des zylindrischen Profils der Welle 210 gelegen ist, weist der Wandlerbereich 216 (die Spulen werden nicht gezeigt) in 19a und 19b eine Kerbe oder Einsparung 217 auf, innerhalb der die Sensorvorrichtung 218 aufgenommen wird, um so innerhalb der kreisförmigen Kontur der Welle eingelassen zu werden. Die Modifikation des Gehäuses der Sensorvorrichtung 218 innerhalb des Wellenprofils, oder im Wesentlichen so, bringt ebenso den einhergehenden Vorteil mit sich, dass die Vorrichtung sich in einem stärkeren Magnetfeld befinden wird.
Die Anordnung von 19 benötigt zusätzliche Maßnahmen dort, wo die Welle 210 ununterbrochen rotiert oder über einen gegebenen Winkel rotierbar ist- beispielsweise kann sich die Welle rückwärts und vorwärts bzw. und so weiter bewegen- unter Bezug auf eine befestigte Sensorvorrichtung 218; oder wo die Sensorvorrichtung 218 mit der Welle 210 über einen was auch immer geeigneten Winkel.
In dem Fall, dass die Sensorvorrichtung festgehalten wird, kann die Kerbe oder Einsparung 217 so weit wie nötig verlängert werden, um eine Rille gänzlich oder teilweise um die Welle zu bilden, wie es bei 217a in 19a gezeigt wird. Diese Maßnahme kann auf den Wandlerbetrieb oder die Adaptereinheit aus 24 angewendet werden, wo die Sensorvorrichtung an der Wandung des Gehäuse 250 fest befestigt ist. Es ist in diesem Fall einfacher die Sensorvorrichtung mit der Signalverarbeitungsschaltung zu verbinden. Nichtsdestotrotz ist es möglich, dass die Sensorvorrichtung auf der Welle befestigt wird, um sich damit zu drehen. In der Ausführungsform aus 19a und 19b ist die Sensorvorrichtung, wie beispielsweise gezeigt, in der Einsparung gesichert und könnte mit Kontaktringen verbunden werden, die um die Welle verlaufen und über feste Kontakte eingreifen. Die Verbindungen könnten so hergestellt sein, dass sie entlang einer axialen Bohrung in der Welle bis zu einem geeigneten Signalabnahmepunkt verlaufen. Die Sensorvorrichtung könnte in eine vollständige unabhängige Einheit aufgenommen werden, die in der Kerbe oder Einsparung 218 aufgenommen befestigt ist und dazu gestaltet ist, ein drehmomentabhängiges Signal zu einem getrennten Empfänger auszustrahlen, wie beispielsweise durch Induktionskupplung (Magnetkupplung) oder durch elektromagnetische Strahlung oder durch irgendwelche Mittel über die eine entfernte Kommunikationsverbindung eingerichtet wird.
Rückbeziehend auf 18a wird eine Quelle 220 gezeigt, um die in Reihe geschalteten Spulen 212 und 214 mit dem Betriebsstrom I zu versorgen. Eine wichtige Eigenschaft ist, dass die Wellenform des Betriebstroms als bipolare Pulse mit kleinem Arbeitszyklus, beispielsweise kurz andauernde, spitze Pulse, vorliegen kann. Die Übernahme einer solchen Wellenform führt zu wichtigen Vorteilen beim Betrieb, wenn beispielsweise mit der Verwendung einer bipolaren Puls Wellenform mit im Wesentlichen 100% Arbeitszyklus wie eine bipolare quadratische Welle verglichen. Eins für die Durchführung der Erfindung geeignete Betriebsstrom Wellenform wird in 20a gezeigt. Die Magnetfeld Puls Wellenform wird der Strom-Wellenform folgen. Es ist klar, dass eine derartige Strom-Wellenform durch Differenzierung einer bipolaren quadratischen Welle erzeugt werden kann. Allerdings sind weder die genaue Wellenform noch die Mittel zu ihrer Erzeugung auf eine differenzierte bipolar quadratische Welle beschränkt. Sie dient jedoch dazu, die Art einet kurz andauernden spitzen Pulswelle von alternierender Polarität (AP) Magnetfeld Pulsen anzuzeigen, die in dem Wandlerbereich 216 erzeugt werden. Die Frequenz der Strompuls erzeugenden Quelle 220 wird von einer Frequenzquelle 221 kontrolliert, obwohl natürlich beide Quellen als eine Einheit umgesetzt werden können. Die Quelle 221 ist vorzugsweise eine frequenzstabile quadratische Wellen Quelle bei einer Frequenz, die nicht in Beziehung zu der lokalen Strom (Versorgungsnetz) Frequenz steht.
21 zeigt eine vereinfachte Schaltung für die Antriebsquelle 220, mit der die Spulen 212 und 214 verbunden sind. Die Spulen sind in Reihe mit einem Kondensator C über eine Diagonale 222 einer Schalt Vollwelle Brückenschaltung 224 mit der anderen Diagonale 226 geschaltet, an die eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Kontrollierbare Schalter S1-S4 in jeweiligen Armen der Brücke werden kontrolliert, um ein bipolare Wellenform über die Diagonale 222 zu erzeugen, die dem von dem Kondensator C bereitgestellten Differenzierungs-Merkmal unterzogen ist, um kurz andauernde Pulse mit einem niedrigen Arbeitszyklus in den in Reihe geschalteten Spulen 212, 214 zu erzeugen. Die Schalter S1-S4 werden in die Praxis durch irgendeine geeignete Art von kontrollierbarer Schaltvorrichtung umgesetzt, wie beispielsweise von einer Halbleitervorrichtung. Die Schaltvorrichtungen weisen jeweils Kontrolleingänge auf um Schalt-Kontrollsignale B und NOT-B bei einer gewünschten Frequenz zu empfangen, die von der Quelle 221 aus 18 stammt, wobei das Schalterpaar S1 und S4 mit dem Schalterpaar S2 und S3 abwechselnd und umgekehrt an- und ausgeschaltet wird.
21 zeigt die Brücke 234 in einem Halbzyklus des Betriebs (Schalter S2 und S3 an mit den Schaltern S1 und S4 aus). Wenn die Schalter S2 und S3 schließen, wird der Strom I durch die Brücke und die Spulen 212 und 214 geleitet, wie es mit den Pfeilen gezeigt wird. Der Kondensator C ermöglicht einen hohen anfänglichen Strompuls, der durch die Spulen fließt. Der Kondensator wird positiv am Übergang mit S2 geladen. Die Schaltkreisparameter sind derart gewählt, dass der Puls im Vergleich zu der Schaltspanne der Kontrollsignale B, NOT-B kurz ist. 21a zeigt die Erzeugung des Strompulses von entgegengesetzter Polarität in dem nächsten Halbzyklus mit S1 und S4 geschlossen und S2 und S3 offen. Aus dieser Fig. ist ersichtlich, dass keine tangentiale Feldkomponente, die von der Vorrichtung 218' wahrgenommen werden könnte. Die 22c und 22d entsprechen den 22a und 22b, allerdings in der Anwesenheit eines angewendeten Drehmoments. Das Feld M wird in eine Richtung abgelenkt oder gebeugt, die von dem Sinn des angewendeten Drehmoments und die bis zu einem Ausmaß von der Größenordnung des Drehmoments abhängt. Eine resultierende tangentiale Feldkomponente wird von der Sensorvorrichtung 218' nachgewiesen und ein gepulstes Ausgabesignal V_T wird von der Sensorschaltung im Gleichlauf mit den Spulen Pulsen erzeugt, wie es in 20b gezeigt. Die Ausgabepulse weisen eine alternierende Polarität und eine Größenordnung auf, die von dem angewendeten Drehmoment abhängt. Für ein angewendetes Drehmoment mit entgegen gesetztem Sinn, würde der Sinn der Ausgabepulse ebenso entgegengesetzt sein. Die Ausgabepulsfolge bei keinem Drehmoment (T = 0) und Drehmomentbedingungen (T ≠ 0) wird in 20 jeweils links und rechts dargestellt.
Die Amplitude der individuellen Ausgabepulse stellt ein Maß für das Drehmoment dar, ist allerdings durch interferierende Felder fehlerhaft, die unbekannt und nicht vorhersehbar sind. Zuerst Gleichstrom oder unipolare Pulse betrachtend, können sie zu einem unbekannten Level aus dem von dem Sensor 218' wahrgenommenen untätigen Feld V_Q resultieren, auf das das drehmomentabhängige Signal V_T aufgebracht wird. Daher ist eine Bestimmung der Spitzenwerte eines einzelnen Ausgabepulses des Signals V_T fehlerbehaftet. Eine verbesserte Bestimmung des Drehmoments, das zum Aufheben irgendeiner Gleichstrom Interferenzkomponente wirkt, wird erhalten, indem eine V_PP Spitze-zu-Spitze Bestimmung V_PP zwischen aufeinander folgenden Ausgabepulsen entgegengesetzter Polarität, beispielsweise V_T1-V_T2, vorgenommen wird. Es ist klar, dass dieses Spitze-zu-Spitze Messverfahren die Verwendung einer einzelnen Spulenvorrichtung an einer einzelnen Stelle ohne Interferenz von Feldern wie dem Erdmagnetfeld ermöglicht. Bisher hat die Aushebung des Erdfelds mindestens zwei Sensorvorrichtungen erfordert. Ein zweiter Schritt in Richtung des Ausschlusses lokaler Rauschspitzen, die auftreten können, besteht im Austasten (gate) der Spitzen Bestimmungen gleichzeitig mit der angewendeten Strom Wellenform, so dass das Spitzen Bestimmungs-Gate t_g nur für einen Zeitraum geöffnet ist, in dem jeder Drehmomentsignal Ausgabepuls erwartet wird. Ein anderer Weg das gleiche Problem zu lösen besteht in einer phasensensitiven Nachweisanordnung, die mit der Betriebstrom Wellenform synchronisiert wird.
23 zeigt ein Blockdiagramm einer Verarbeitungsschaltung für die Sensor Ausgabesignale V_T. Die Sensorvorrichtung 218 (218') wird mit einem Signalverarbeitungsschaltung 230 verbunden, die die drehmomentabhängigen Ausgabesignale V_T (20b) erzeugt. Diese Ausgabe wird in eine Gateschaltung 232 gegeben, die von der Frequenzquelle 221 (die Kontrolle beinhaltend, die von der Spulen Betriebsstrom Wellenform herrühren) kontrolliert wird. Das Gate öffnet zu den Zeiten t_g unter Bezug auf die Betriebspulse bei denen ein drehmomentabhängiger Ausgabepuls erwartet wird. Die das Gate 232 hindurchgehenden Pulse werden auf einen Spitze-zu-Spitze Detektor 234 angewendet, dessen drehmomentabhängige Spitze-zu-Spitze Ausgabe V_PP als das gewünschte Drehmoment Ausgabesignal verwendet wird und einer Glättung oder anderen benötigen Aufbereitung unterzogen.
Das Gateverfahren unterstützt bei der Unterscheidung gegenüber zufälligen magnetischen Rauschspitzen. Es ist ebenso klar, dass durch die Auswahl der Betriebsfrequenz der Quelle 220, beispielsweise der Brücke 224, eine zusätzliche Unterscheidung gegenüber Rauschen erhalten werden kann, das von der lokalen Strom (Versorgungsnetz) Frequenz herrührt.
Eine besondere Anwendung ist für einen Drehmomentschlüssel Adapter, der zwischen der Welle eines Kraftdrehmementwerkzeugs und einer Schraubenmutter oder einem Bolzenkopf wirkt, die angezogen oder gelöst werden sollen. Ein solcher Adapter wird in 24 gezeigt. Der Adapter 240 weist einen oberen kreisförmigen zylindrischen Körper 242 mit einer geformten Eingabe Einsparung 244 auf, um eine passende (matching keyed) Ausgabewelle eines Kraftwerkzeugs aufzunehmen. Abwärts vom Körper 242 befindet sich ein Körper 246 mit verringertem Durchmesser in der Form einer Welle, die an ihrem unteren Ende in einem Schlüssel 248 endet, um auf eine passende Schraubenmutter oder einen Bolzenkopf einzugreifen. Der Adapter ist in einem Gehäuse 250 aufgenommen, das wenig Platz zur Aufnahme von Magnetfeld Sensorvorrichtungen vorweist. Eine wichtige Angelegenheit bei vielen Montageindustrien besteht in der Möglichkeit das Drehmoment zu bestimmen, das tatsächlich von dem Adapter 240 auf die Schraubenmutter oder den Bolzen ausgewirkt wird auf die/den er eingreift. Der Adapter empfängt für gewöhnlich mehrere Impulse zunehmenden Drehmoments von dem Kraftwerkzeug wobei insbesondere im Fall von aufprallenden (impact-action) Kraftwerkzeugen, die Art der aufeinander folgenden Aufpralle sich zerstörerisch auf eine magnetbasierende Drehmomentwandlerbaugruppe auswirken kann, die um einen Bereich der Welle 246 angepasst ist und auf gespeicherter Magnetisierung beruht und als Wandlerelement verwendet wird. Neben den gewaltsamen Erschütterungen, denen der Adapter unterworfen wird, besteht immer die Möglichkeit von interferierenden Magnetfeldern, die durch den Adapter zwischen dem Kraftwerkzeug und dem Produkt bilden, auf das es genauso wie auf eine im Allgemeinen mit Rauschen versehene Umgebung wirkt, insbesondere hinsichtlich der Stromversorgung.
Es wird daher angenommen, dass der vorstehend beschriebene Wandler und Wandlerbaugruppe vorteilhaft in einer derarten ungünstigen Umgebung verwendet werden können, indem die vorstehende Lehre auf den Wellenkörper 246 angewendet wird, um das Drehmoment darin zu bestimmen. Weiterhin kann eine Wandlerbaugruppe des vorstehend beschriebenen Typs in dem beschränkt verfügbaren Platz aufgebaut werden. Die um die Welle 246 gewundenen Spulen benötigen wenig Raum außerhalb der Welle. Die Sensoranordnung erfordert nur eine Sensorvorrichtung, die sich innerhalb des Profils der Welle 246 befindet, durch Übernahme der Anordnung aus 18b.
Die Möglichkeit des Bedienens mit einer einzigen tangential ausgerichteten Sensorvorrichtung schließt nicht die Annahme mehrerer derartiger Sensorvorrichtungen aus, wo es die Umstände rechtfertigen. Es gibt immer noch den Vorteil, der durch das Aufheben irgendwelcher "Gleichstrom" Magnetfelder gezogen werden kann, indem ein Paar Sensorvorrichtungen verwendet werden, die hinsichtlich des zu bestimmenden Drehmoments Additiv befestigt und miteinander verbunden sind, allerdings entgegengesetzt hinsichtlich eines aufzuhebenden interferierenden Felds sind. Derartige Sensoranordnungen werden im Stand der Technik erörtert, auf den vorstehend Bezug genommen wurde.
Die Wandlerbaugruppe wurde so weit hinsichtlich eines Wandlerelements beschrieben, das zwischen ein Paar Spulen festgelegt ist, wie es in den 18 bis 24 gezeigt wird. Wie es vorstehend hinsichtlich der 6 bis 17 beschrieben wurde, kann eine tangential oder Umfangs gerichtete, drehmomentabhängige magnetische Feldkomponente mit einer einzigen Spule erhalten werden. In 25 wird das Prinzip einer derartigen Baugruppe gezeigt. Ein Wandlerbereich 216' einer Welle 210 ist durch die Lage einer einzigen Spule 212' festgelegt. Der Stromversorgung (I) der Spule erzeugt ein axial gerichtetes Feld in dem Bereich 216' mit einem begleitenden externen longitudinalen Feld 217, das als Kreisring um die Welle verläuft. Wenn die Welle einem Drehmoment unterzogen wird, entsteht eine tangentiale oder Umfangs gerichtete Komponente, die von einem tangential gerichteten Sensor 218'' nachgewiesen werden kann. Der Sensor wird sehr nahe in/an der Spule befestigt, um in diesem Fall innerhalb des von der Spule erzeugten Feld zu liegen. Er kann in dem Profil der Welle, wie in den 19a und 19b gezeigt, aufgenommen sein.
Wie es genauer unter Bezug auf die 6 bis 17 beschrieben wird, kann die Wandlerbaugruppe aus 25 ebenso zur Bestimmung einer Schräge oder Neigung der Achse A-A der Welle hinsichtlich der Spulenachse angewendet werden, aufgrund einer angewendeten Kraft, die die Wellenachse oder ein anderes gestrecktes Element kippt oder neigt, wie es mit gepunkteter Linie durch die Pfeile FF angezeigt wird.
25 zeigt ebenso die Möglichkeit eine zweite, axial gerichtete Sensorvorrichtung oder Vorrichtungen 219 zu verwenden, um die externe axial gerichtete Komponente der longitudinalen Magnetisierung nachzuweisen. Diese Eigenschaft kann ebenso für die vorstehend beschriebene Zwei-Spulen Ausführungsform eingesetzt werden. Eine derartige Sensorvorrichtung(en) können zur Bereitstellung eines Referenzsignals verwendet werden, dass die Feldstärke repräsentiert, die von der Spule oder Spulen erzeugt wurde. Das gewünschte Spitze-zu-Spitze Signal kann gegen das Referenzniveau bestimmt oder kalibriert werden. Das Referenzniveau kann dazu verwendet werden, um den Verstärkungsfaktor der Transferfunktion des Wandlers zu kontrollieren.
In dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments in einem Teil, beispielsweise einer Welle, worin zumindest eine Spule um eine Achse des Teils gewunden ist, auf die das Drehmoment angewendet wird und mit Wechselstrom betrieben wurde, um ein Magnetfeld mit alternierender Polarität in dem Teil zu erzeugen, wobei das Magnetfeld eine drehmomentabhängige Komponente ausstrahlt und worin eine Magnetfeld Sensorbaugruppe auf die ausgestrahlte Komponente reagiert, um ein das Drehmoment anzeigendes Signal zu erzeugen, wobei die mindestens eine Spule von einer Serie von stromversorgenden Pulsen eines Stroms von alternierender Polarität betrieben wird, wobei die Pulse einen verhältnismäßig kleinen Arbeitszyklus aufweisen, wobei die Sensoranordnung Sensorpulse alternierender Polarität erzeugt, die den stromversorgenden Pulsen entsprechen und wobei die Sensorpulse auf eine Spitze-zu-Spitze Art bestimmt werden, um ein das Drehmoment darstellendes Ausgabesignal zu erzeugen.
Die stromversorgenden Pulse werden vorzugsweise durch Differenzierung einer geschalteten (switched) Wellenform erzeugt, beispielsweise einer rechteckigen (einschließlich quadratischen) Wellenform, und die geschaltete Wellenform wird vorzugsweise auf die mindestens eine Spule durch einen Kondensator angewendet. Die Serie von stromversorgenden Pulsen kann durch eine Schaltbrückenschaltung auf eine Eingabe erzeugt werden, wobei diagonal von dieser eine Gleichstrom Eingabe angewendet wird und auf eine Ausgabe, wobei diagonal von dieser mindestens eine Spule verbunden ist, um eine Wechselstrom Wellenform aufgrund des Schaltens der Brückenschaltung zu empfangen.
Der Schaltpfad durch den die mindesten eine Spule mit Strom versorgt wird, kann einen in Reihe geschalteten Kondensator beinhalten, der vorzugsweise in Reihe mit der mindestens einen Spule zu der Ausgabediagonale geschaltet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die mindestens eine Spule eine erste und zweite axial beabstandete Spule, zwischen denen ein Wandlerbereich des Teils festgelegt wird.
Vorzugsweise sind die erste und zweite Spule in Reihe geschaltet, um Additiv ein axial gerichtetes Magnetfeld in dem Wandlerbereich zu erzeugen. Die Sensoranordnung kann eine ausgerichtete Sensorvorrichtung umfassen, die eine tangentiale oder Umfangs gerichtete Komponente des Magnetfelds nachweist.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung eine einzelne Sensorvorrichtung, die an einer einzigen Stelle zum Nachweis einer tangential oder Umfangs gerichteten Komponente des Magnetfelds wirkt, wobei die Sensoranordnung eine Sensorvorrichtung umfasst, die außerhalb des Körperprofils des Teils angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung eine Sensorvorrichtung, die in einer Kerbe, Einsparung oder Bohrung in dem Teil angeordnet ist, um so im Wesentlichen innerhalb des Körperprofils des Teils angeordnet zu sein. Die Sensoranordnung kann eine einzelne Sensorvorrichtung umfassen, auf eine einzelne Stelle wirkt und ausgerichtet ist, um eine tangential oder Umfangs gerichtete Komponente des Magnetfelds nachzuweisen.
Wie vorstehend beschrieben kann die Einrichtung zur Bestimmung des Drehmoments in einem Teil, beispielsweise einer Welle, um eine Achse auf die das Drehmoment angewendet wird, mindestens eine Spule umfassen, die um die Achse des Teils gewunden ist, wobei ein stromversorgendes Mittel die mindestens einen Spule mit Wechselstrom betreibt, um ein Magnetfeld alternierender Polarität in dem Teil zu erzeugen, wobei das Feld eine drehmomentabhängige Komponente in dem Teil erzeugt, wobei Signalverarbeitungsmittel eine Magnetfeld Sensoranordnung beinhalten, die auf die ausgestrahlte Komponente zum Erzeugen eines drehmomentanzeigenden Signals reagiert, worin das stromversorgende Mittel betrieben werden kann, um eine Serie von Strompulsen alternierender Polarität in der mindestens einen Spule zu erzeugen, wobei die Pulse einen verhältnismäßig kleinen Arbeitszyklus aufweisen, wobei die Sensoranordnung zur Bereitstellung einer Serie von drehmomentabhängigen Signalpulsen alternierender Polarität betrieben werden kann, die der Serie von Strompulsen entsprechen, wobei das Signalverabeitungsmittel einen Spitze-zu-Spitze Detektor umfasst, der auf die Serie von Signalpulsen reagiert, um ein drehmomentabhängiges Ausgabesignal zu erzeugen, das von dem Spitze-zu-Spitze Wert der Serie von Signalpulsen abhängt.
Das stromversorgende Mittel kann Mittel zur Erzeugung einer geschalteten Wellenform, beispielsweise eine rechteckige (einschließlich quadratischer) Welleform aus einer Gleichstromquelle, und Mittel zur Differenzierung der Wellenform zur Anwendung auf die mindestens eine Spule umfassen. Die Mittel zur Differenzierung können einen mit dem Schaltpfad in Serie geschalteten Kondensator umfassen, von dem die mindestens eine Spule mit Strom versorgt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform, umfassen die Mittel zur Erzeugung einer geschalteten Wellenform eine Vollwellen Brückenschaltung, die eine kontrollierten Schalter in jedem Arm davon aufweisen, wobei die mindestens eine Spule über eine Diagonale der Brückenschaltung über die andere Diagonale verbunden ist, an die eine stromversorgende Quelle angeschlossen werden kann.
Vorzugsweise umfasst das stromversorgende Mittel eine Vollwellen Schaltbrücke, die einen kontrollierten Schalter in jedem Arm der Brücke aufweist, wobei die mindestens eine Spule in Reihe mit einem Kondensator über eine Diagonale der Brücke über die andere Diagonale geschaltet ist, an die eine stromversorgende Quelle angeschlossen werden kann.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Spule erste und zweite axial beabstandete Spulen, zwischen denen ein Wandlerbereich des Teils festgelegt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Spule in Reihe geschaltet, um Additiv ein axial gerichtetes Magnetfeld in dem Wandlerbereich zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung eine Sensorvorrichtung, um eine tangential oder Umfangs gerichtete Komponente des Magnetfelds nachzuweisen.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung eine ausgerichtete Sensorvorrichtung, die an einer einzelnen Stelle zum Nachweis einer tangential oder Umfangs gerichteten Komponente des Magnetfelds wirkt.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung eine Sensorvorrichtung, die außerhalb des Körperprofils des Teils angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung eine Sensorvorrichtung, die in einer Kerbe, Einsparung oder Bohrung in dem Teil angeordnet ist, um so im Wesentlichen innerhalb des Teils angeordnet zu werden.
Vorzugsweise ist eine Sensorvorrichtung eine einzelne Sensorvorrichtung, die auf eine einzelne Stelle wirkt, um ein eine tangential oder Umfangs gerichtete Komponente des Magnetfelds nachzuweisen.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Spule eine einzelne Spule und die Sensoranordnung ist in unmittelbarer Nähe an einem Ende der einzelnen Spule angeordnet und ist ausgerichtet, um auf eine tangential oder Umfangs gerichtete Komponente des Magnetfelds zu reagieren.
In einer vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments in einer Welle oder einem anderen Teil (im Allgemeinen als "Welle" bezeichnet) durch Mittel eines Wandlers eine Welle, die zur Anwendung von Drehmoment darauf um eine logitudinale Achse der Welle befestigt ist, wobei mindestens ein Bereich der Welle aus ferromagnetischem Material besteht, eine Spule um den Bereich befestigt ist und betrieben werden kann, um eine axial gerichtete Magnetisierung in dem Bereich zu induzieren, wobei eine Sensoranordnung mindestens eine Sensorvorrichtung umfasst, die angrenzend zu der Spule und dem Bereich befestigt ist, wobei die Sensorvorrichtung ausgerichtet ist, um eine tangential oder (Umfangs) gerichtete Komponente des Magnetfelds außerhalb des Bereichs nachzuweisen, wobei in diesem Verfahren die Spule durch eine Serie von stromversorgenden Pulsen eines Stroms alternierender Polarität betrieben wird, wobei die Pulse einen verhältnismäßig kleinen Arbeitszyklus aufweisen, wobei die Sensoranordnung Sensorpulse alternierender Polarität erzeugt, die den stromversorgenden Pulsen entsprechen und wobei die Sensorpulse auf eine Spitze-zu-Spitze Art bestimmt werden, um ein das Drehmoment anzeigendes Ausgabesignal zu erzeugen.
In einem anderen bevorzugten Verfahren zur Bestimmung einer Kraft, die auf ein gestrecktes Element durch einen Wandler angewendet wurde, der ein gestrecktes Element für die Anwendung einer Kraft darauf befestigt umfasst, die das gestreckte Element veranlasst winklig um eine longitudinale Achse davon zu kippen oder zu neigen, wobei das gestreckte Element mindestens einen Bereich aus ferromagnetischem Material aufweist, in dem das Kippen oder Neigen auftritt, wobei eine Spule um den Bereich befestigt ist und betrieben werden kann, um eine axial gerichtete Magnetisierung in dem Bereich zu erzeugen, wobei eine Sensoranordnung mindestens eine Sensorvorrichtung umfasst, die angrenzend zu der Spule und dem Bereich befestigt ist, wobei die Sensorvorrichtung ausgerichtet ist, um eine tangential oder Umfangs gerichtete Komponente des Magnetfelds außerhalb des Bereichs nachzuweisen, wobei das Verfahren das Betreiben der Spule mit einer Serie von stromversorgenden Pulsen eins Stroms alternierender Polarität umfasst, wobei Pulse einen verhältnismäßig kleinen Arbeitszyklus aufweisen. Die Sensoranordnung erzeugt Sensorpulse alternierender Polarität, die den stromversorgenden Pulsen entsprechen, wobei die Sensorpulse auf eine Spitze-zu-Spitze Art bestimmt werden, um ein das Drehmoment anzeigendes Ausgabesignal zu erzeugen.
Vorzugsweise sind die Spule und die mindestens eine Sensorvorrichtung in einer einheitlichen Wandlerbaugruppe enthalten.
Vorzugsweise werden die stromversorgenden Pulse durch Differenzierung einer geschalteten Wellenform erzeugt, beispielsweise einer rechteckigen (einschließlich quadratischen) Wellenform.
Vorzugsweise wird die geschaltete Wellenform auf die mindestens eine Spule durch einen Kondensator angewendet.
Vorzugsweise wird die Serie stromversorgender Pulse durch eine Schaltbrückenschaltung an eine Eingabe erzeugt, zu der diagonal eine Gleichstrom Eingabe angewendet wird und auf eine Ausgabe, zu der diagonal mindestens eine Spule verbunden ist, um eine Wechselstrom Wellenform aufgrund des Schaltens der Brückenschaltung zu empfangen.
Vorzugsweise beinhaltet der Schaltpfad durch den die mindestens eine Spule betrieben wird einen in Reihe geschalteten Kondensator, wobei der in Reihe geschaltete Kondensator in Serie mit der mindestens einen Spule an der Ausgabediagonale verbunden sein kann.
Vorzugsweise umfasst die vorstehend beschriebene Wandlerbaugruppe eine Spule, eine um eine Achse gewundene Spule und ein axiales Loch dadurch aufweist, wobei die Spule betrieben werden kann, um ein axial gerichtetes Magnetfeld in einem ferromagnetischen Abschnitt einer Welle oder eines anderen gestreckten Elements zu erzeugen, die in dem Loch aufgenommen werden können, wobei ein stromversorgendes Mittel die Spule mit Wechselstrom betreibt, um eine Magnetfeld alternierender Polarität in dem Teil zu erzeugen, wobei das Feld eine drehmomentabhängige Komponente in dem Teil ausstrahlt, wobei das stromversorgende Mittel betrieben werden kann, um eine Serie von Strompulsen alternierender Polarität in der Spule zu erzeugen, wobei die Pulse einen verhältnismäßig kleinen Arbeitszyklus aufweisen, wobei eine Sensoranordnung mindestens eine Sensorvorrichtung umfasst, die angrenzend zu einem Ende der Spule und dem Loch angeordnet ist, um eine magnetische Feldkomponente nachzuweisen, die mit einem Abschnitt des in dem Loch aufgenommenen ferromagnetischem Material einhergeht, wobei die Sensorvorrichtung ausgerichtet ist, um eine tangential oder (Umfangs) gerichtete Komponente des Magnetfelds hinsichtlich der Achse nachzuweisen, wobei die Sensoranordnung betrieben werden kann, um eine Serie drehmomentabhängiger Signalpuls alternierender Polarität bereitzustellen, die der Serie von Strompulsen entsprechen, und wobei signalverarbeitende Mittel einen Spitze-zu-Spitze Detektor umfassen, der auf die Serie von Signalpulsen reagiert, um ein drehmomentabhängiges Ausgabesignal zu erzeugen, das von dem Spitze-zu-Spitze Wert der Serie von Signalpulsen abhängt.
Vorzugsweise umfasst das stromversorgende Mittel ein Mittel zur Erzeugung eine geschaltete Wellenform, beispielsweise einer rechteckigen (einschließlich quadratischen) Wellenform, aus einer Gleichstromquelle und ein Mittel zur Differenzierung der Wellenform zur Anwendung auf die mindestens eine Spule.
Vorzugsweise umfasst das Mittel zur Differenzierung einen mit dem Schaltpfad in Reihe geschalteten Kondensator, durch den die Spule betrieben wird.
Vorzugsweise umfasst das Mittel zum Erzeugen einer geschalteten Wellenform eine Vollwellen Brückenschaltung, die einen kontrollierten Schalter in jedem Arm davon aufweist, wobei die Spule über eine Diagonale der Brückenschaltung über die andere Diagonale verbunden ist, an die eine stromversorgende Quelle angeschlossen werden kann.
Vorzugsweise umfasst das stromversorgende Mittel eine Vollwellen Brückenschaltung mit einem kontrollierten Schalter in jedem Arm der Brücke, wobei die Spule mit einem Kondensator über eine Diagonale der Brücke über die andere Diagonale in Reihe geschaltet ist, an die eine stromversorgende Quelle angeschlossen werden kann.
Vorzugsweise sind die Spule und der mindestens eine Sensor eine einheitliche Baugruppe.
Vorzugsweise ist die Welle für die Anwendung eines Drehmoments um eine longitudinale Achse der Welle darauf befestigt, wobei mindestens ein Bereich der Welle aus einem ferromagnetischem Material besteht, wobei die mindestens eine Spule um den Bereich befestigt ist und betrieben werden kann, um eine axial gerichtete Magnetisierung in dem Bereich zu induzieren; und wobei die Sensoranordnung mindestens eine Sensorvorrichtung umfasst, die angrenzend zu der Spule und dem Bereich befestigt ist, wobei die Sensorvorrichtung ausgerichtet ist, um eine tangential oder (Umfangs) gerichtete Komponente des Magnetfelds außerhalb des Bereichs nachzuweisen.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung eine erste und zweite Sensorvorrichtung, die jeweils eine jeweilige Achse maximaler Sensitivität zur Bestimmung eines Magnetfelds aufweist, wobei die erste und zweite Sensorvorrichtung angeordnet sind, dass sie ihre jeweilige Achse maximaler Sensitivität in einem Winkel zu einander aufweisen, um eine kombinierte Achse zur Reaktion bereitzustellen, die innerhalb des Winkels liegt und ihn vorzugsweise halbiert.
Vorzugsweise weist mindestens eine Spule eine jeweilige weitere Spule axial an jeder Seite davon auf, und die zur Stromversorgung verbunden ist, um ein Magnetfeld entgegengesetzter Polarität zu dem der Spule um den Wandlerbereich zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter die Anordnung erster und zweiter weiterer Spulen, die jeweils um eine Achse gewunden sind, die koaxial zu der zuerst erwähnten Spule liegt, und ein axiales Loch dadurch ausgerichtet mit einer gemeinsamen Achse der erst erwähnten Spule aufweisen und zwischen und von der ersten und zweiten weiteren Spule beabstandet sind, um einen ferromagnetischen Abschnitt einer Welle oder eines anderen gestreckten Elements aufzunehmen, die/das durch alle drei Spulen verläuft.
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung weiter erste und zweite weitere Spulen, die jeweils um eine Achse gewunden sind, die koaxial zu der zuerst erwähnten Spule liegt, und ein axiales Loch dadurch aufweisen, wobei die zuerst erwähnte Spule und die erste und zweite weitere Spule so angeordnet sind, dass sie entlang einer gemeinsamen Achse mit der zuerst erwähnten Spule zwischen und von der ersten und zweiten weiteren Spule beabstandet sind, um einen ferromagnetischen Abschnitt einer Welle oder eines anderen gestreckten Elements aufzunehmen, die/das durch alle drei Spulen verläuft.
Vorzugsweise umfasst die Wandlerbaugruppe weiter erste und zweite weitere Spulen, die jeweils um eine Achse gewunden sind, die koaxial zu der zuerst erwähnten Spule liegt, und ein axiales Loch dadurch aufweisen, wobei die zuerst erwähnte Spule und die erste und zweite weitere Spule so angeordnet sind, dass sie entlang einer gemeinsamen Achse mit der zuerst erwähnten Spule zwischen und von der ersten und zweiten weiteren Spule beabstandet sind, um einen ferromagnetischen Abschnitt einer Welle oder eines anderen gestreckten Elements aufzunehmen, die/das durch alle drei Spulen verläuft.
Vorzugsweise sind alle drei Spulen in Serie miteinander verbunden, so dass die erste und zweite weitere Spule mit Strom versorgt werden können, um Magnetfelder entgegengesetzter Polarität zu dem von der zuerst erwähnten Spule erzeugten zu erzeugen.

Claims

Wandler zur Verschiebungs-Bestimmung umfassend eine Wandlerbaugruppe (20), in der vorliegt eine Spule (22), die um eine Achse (A-A) gewunden ist und mit Strom versorgt werden kann, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, und erste und zweite Magnetfeldsensorvorrichtung (MFS1; MFS2), die mit der Spule (22) dazwischen axial beabstandet sind, wobei jede Vorrichtung (MFS1; MFS2) in der Nähe der Spule (22) gelegen ist, um auf eine Magnetfeldkomponente zu reagieren, die durch die Stromversorgung der Spule (22) erzeugt wird; und ein ferromagnetisches Element (30), das angeordnet ist, um mit dem von der Spule (22) erzeugten Feld wechselzuwirken, worin das ferromagnetische Element (30) und die Wandlerbaugruppe (20) zur relativen Verschiebung in der Richtung der Achse (A-A) befestigt sind, so dass das Gleichgewicht der jeweiligen Feldkomponenten, die von der ersten und zweiten Sensorvorrichtung (MFS1; MFS2) als eine Funktion der axialen Position des ferromagnetischen Elements (30) relativ zu der Wandlerbaugruppe (20) abgetastet wird, worin eine Struktur eines ferromagnetischen Materials zwischen das Element (30) und die Wandlerbaugruppe (20) eingeschoben ist, worin die Struktur ein Rohr (10) ist, wobei eines von der Wandlerbaugruppe (20) und dem ferromagnetischen Element (30) in dem Rohr (12) befestigt ist und das andere außerhalb des Rohrs (14) befestigt ist.
Wandler nach Anspruch 1, worin die Achse (A-A) linear ist und das ferromagnetische Element (30) und die Wandlerbaugruppe (20) zu einer relativen linearen Verschiebung befestigt sind.
Wandler nach Anspruch 1, worin das ferromagnetische Element (30) in der Form eines Rings (30) vorliegt und das Element (30) und die Spule (22) in der Nähe der jeweiligen Wandoberflächen des Rohrs (12, 14) angeordnet sind.
Wandler nach Anspruch 3, worin das ferromagnetische Element (30) und die Wandlerbaugruppe (20) jeweils außerhalb und innerhalb des Rohrs (12, 14) befestigt sind.
Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das ferromagnetische Element (30) ein Teil ist oder befestigt ist um mit einer Vorrichtung bewegt zu werden, deren Verschiebung bestimmt werden soll.
Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin eine Ausgabeschaltung (40) zur Entwicklung eines Signals umfassend, das eine Funktion einer relativen Verschiebung ist, und an dem die erste und zweite Sensorvorrichtung (MFS1; MFS2) entgegengesetzt verbunden sind, so dass das Ausgabesignal das Gleichgewicht der jeweiligen davon abgetasteten Magnetfeldkomponenten darstellt.
Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin eine Wechselstromquelle umfassend, die zur Stromversorgung mit der Spule (22) verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 7, worin die Wechselstromquelle (221) bipolare Pulse von niedrigem Arbeitszyklus erzeugt.
Ein Wandler zur Verschiebungsbestimmung, umfassend eine Wandlerbaugruppe (50) in der vorliegt eine erste und eine zweite Spule (52, 54), die jeweils um eine Achse gewunden sind, wobei die erste und zweite Spule (52, 54) axial beabstandet sind und zur Stromversorgung miteinander verbunden sind, so dass die Spulen entgegensetzte Felder in einem Bereich zwischen den Spulen erzeugen, und eine Magnetfeldsensorvorrichtung (MFS), die in dem Bereich angeordnet ist und auf das Gleichgewicht der darin erzeugten entgegengesetzten Felder reagiert; und ein ferromagnetisches Element (30), das angeordnet ist, um mit den Magnetfeldern wechselzuwirken, die in dem Bereich durch die Stromversorgung der Spulen (52, 54) erzeugt werden, wobei das ferromagnetische Element (30) und die Wandelerbaugruppe (50) zur relativen Verschiebung in Richtung der Achse befestigt sind, so dass das Gleichgewicht der entgegengesetzten Magnetfelder, die von der Sensorvorrichtung (MFS) bestimmt werden, eine Funktion der axialen Position des ferromagnetischen Elements (30) relativ zu der Wandlerbaugruppe (50) ist, worin eine Struktur eines ferromagnetischen Materials zwischen das Element (30) und die Wandlerbaugruppe eingeschoben ist, worin die Struktur ein Rohr (10) ist, wobei eines von der Wandlerbaugruppe (50) und dem ferromagnetischen Element (30) in dem Rohr (10) befestigt ist und das andere außerhalb des Rohrs (10) befestigt ist.
Wandler nach Anspruch 9, worin die Achse linear ist und das ferromagnetische Element (30) und die Wandlerbaugruppe zur relativen linearen Verschiebung befestigt sind.
Wandler nach Anspruch 9, worin das ferromagnetische Element (30) in der Form eines Rings (30) vorliegt und das Element (30) einerseits und die erste und zweite Spule andererseits in der Nähe der jeweiligen Wandoberflächen des Rohrs (10) angeordnet sind.
Wandler nach Anspruch 11, worin das ferromagnetische Element (30) und die Wandlerbaugruppe (50) jeweils außerhalb und innerhalb des Rohrs (10) befestigt sind.
Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das ferromagnetische Element (30) ein Teil ist oder befestigt ist zum Bewegen mit einer Vorrichtung, deren Verschiebung bestimmt werden soll.
Wandler nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiterhin eine Ausgabeschaltung (40) zur Entwicklung eines Signals umfassend, das eine Funktion der relativen Verschiebung ist, und an dem die Sensorvorrichtung (MFS) verbunden ist, so dass das Ausgabesignal das Gleichgewicht der jeweiligen Magnetfeldkomponenten darstellt, die von der ersten und zweiten Spule (52, 54) erzeugt wird.
Wandler nach einem der Ansprüche 9 bis 14, weiterhin eine Wechselstromquelle umfassend, die zur Stromversorgung mit den Spulen verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 15, worin die Wechselstromquelle (221) bipolare Pulse von niedrigem Arbeitszyklus erzeugt.
Wandler nach Anspruch 15 oder 16, worin die Spulen (L_D, L_CL, L_CR) in Serie mit der Quelle verbunden sind.