DE19646056C2

DE19646056C2 - Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse rotierenden Körpers

Info

Publication number: DE19646056C2
Application number: DE1996146056
Authority: DE
Inventors: Willi Wimmer
Original assignee: Vogt Electronic AG
Current assignee: Vogt Electronic AG
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1998-11-26
Anticipated expiration: 2016-11-08
Also published as: DE29706260U1; DE19646056A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse rotierenden Körpers mit einem um eine vorgegebene Drehachse drehbaren Drehglied aus elek trisch leitfähigem Material, das von dem Körper mit einer in einem festen Verhältnis zu dessen Drehzahl stehenden Drehzahl angetrieben ist und mindestens einen zahnartigen Vorsprung aufweist, einem nahe bei dem radial äußersten Flugkreis des Vorsprungs angeordneten Sensor mit mindestens einer primären Wicklung und mindestens zwei sekundären Wicklun gen, wobei die primäre(n) Wicklung(en) mit im wesentli chen konstantem höherfrequenten Wechselstrom gespeist wird/ werden und ein die sekundären Wicklungen durchsetzendes Magnetfeld erzeugt/erzeugen, und einer die induzierten Span nungen der sekundären Wicklungen empfangenden Schal tungsanordnung zum Erzeugen eines der Drehzahl des Drehgliedes entsprechenden elektrischen Signals aus der sich mit der Drehung des Drehgliedes ändernden Phasenverschiebung zwischen diesen induzierten Spannungen oder aus der Phasenverschiebung zwischen einer dieser induzierten Spannungen und dem konstan ten Wechselstrom.

Eine solche Vorrichtung ist aus DE 33 26 477 A1 bekannt.

Zur Drehzahlerfassung von rotierenden Körpern, z. B. Wellen, Zahnrädern, Spindeln und dgl., sind induktiv arbeitende Senso ren bekannt, die nach dem Prinzip des Tachogenerators arbei ten. Der Vorteil dieser induktiven Sensoren liegt in ihrer Robustheit und der Möglichkeit einer einfachen Auswertung der Signalspannung. Diese Vorteile sind insbesondere für die Drehzahlerfassung von rotierenden Körpern in Kraftfahrzeugen von Bedeutung.

Die bekannten induktiven Sensoren haben jedoch den Nach teil, daß aufgrund des Induktionsgesetzes bei langsamen Bewe gungen, d. h. niedrigen Drehzahlen, des rotierenden Körpers, die Signalspannung sehr klein wird und mechanische Vibrationen sehr große Störsignale bewirken können. Auch kann es wegen des integrierten Magneten zu Verschmutzungen am Sensorkopf und damit zu Verfälschungen des Sensorsignals kommen.

Den letztgenannten Nachteil haben auch Drehzahlsensoren, die auf Hall-Effekt-Basis arbeiten. Hinzu kommt bei diesen Drehzahlsensoren, daß der Dauer-Temperaturbereich auf die relativ niedrigen Temperaturen unter 150°C beschränkt ist.

Die DE 44 41 889 A1 offenbart einen Impulsgeber mit Abreiß oszillator zur Ermittlung von Drehbewegungen. Dabei weist der Impulsgeber innerhalb eines Kunststoffgehäuses eine Leiter platte mit einer Oszillatorelektronik einheitlichen Typs und einen aus einer Anzahl verschiedener mit der Oszillatorelek tronik kompatibler Sensorkopf-Typen ausgewählten Sensorkopf variablen Typs auf.

Alle oben beschriebenen Vorrichtungen sind jedoch relativ unempfindlich, so daß die Sensorköpfe außerordentlich dicht an den zu registrierenden rotierenden Körper herangeführt werden müssen, um überhaupt auswertbare Signale zu liefern.

Die US 4,810,966 offenbart eine induktive Sensoranordnung zum Bestimmen des Abstandes zwischen dem Sensor und einem ferromagnetischen Gegenstand. Die induktive Sensoranordnung weist einen Oszillator auf, der eine Sendespule speist, die ihrerseits in einer Empfangsspule eine Wechselspannung indu ziert, wobei die induzierte Wechselspannung von der Position der Sensoranordnung in Bezug auf den ferromagnetischen Gegen stand abhängig ist. Gemäß der US 4,810,966 sind die Sende spule und die Empfangsspule als flache Spiralwicklungen ausge führt, um auf diese Weise die Empfindlichkeit und Meßgenau igkeit der Anordnung zu erhöhen.

Auch bei einer aus der DE 30 14 137 A1 bekannten Vorrichtung zur berührungslosen Weg- und/oder Geschwindigkeitsmessung weist ein Meßwertgeber mäanderförmige Flachspulen auf.

Durch Verwendung von Flachspulen wird die Empfindlichkeit derartiger Vorrichtungen zwar schon etwas erhöht, jedoch müssen die Sensorköpfe nach wie vor noch relativ dicht an den zu erfassenden rotierenden Körper herangeführt werden, um zuverlässige Messungen zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse rotierenden Körpers bereitzustellen, die auch in relativ großem Abstand vom rotierenden Körper eine zuverlässige Messung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Patentan spruch 1 gelöst.

Besonders wesentlich für das Funktionieren der erfindungs gemäßen Vorrichtung ist die Anordnung des Ferritplättchens, das zur Signalmaximierung dient und somit die Zuverlässigkeit der Vorrichtung auch bei relativ großem Meßabstand gewährlei stet. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Vorrichtung noch weitere Vorteile. So ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Amplitude des Ausgangssignals im zulässigen Bereich un abhängig von der Drehzahl, der Temperatur und von der Größe des Luftspalts zwischen dem Flugkreis und dem diesem benach barten Sensor. Die Einzelkomponenten, aus denen der Sensor besteht, können aus Materialien hergestellt werden, die für Temperaturen weit über 200°C geeignet sind und infolge dessen beispielsweise in der Nähe des im Betrieb sehr heiß werdenden Motors eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden können. Durch die Auswertung der Phasendifferenz zweier Meßspulen werden Störgrößen wie Temperatur oder EMV schon im Sensor eliminiert. Dadurch kann die Auswerteschaltung, die vorzugsweise in einem kühleren Bereich im Motor oder dgl. plaziert wird und mit dem Sensor über ein Kabel verbunden werden kann, einfacher gestal tet werden. Es bereitet auch keine Schwierigkeiten, die Aus werteschaltung so einzurichten, daß nicht nur die Drehzahl sondern auch die Drehrichtung erkennbar ist.

Die Funktion der Spiralwicklungen können prinzipiell auch anderweitige flache Spulen erfüllen, so daß der Begriff "Spi ralwicklung" auch aus Draht ggf. mehrlagig gewickelte Spulen umfassen soll.

Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 15.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. In der Zeich nung zeigt:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne die Auswerteschaltung in perspekti vischer, auseinandergezogener Darstellung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die mit dem Sensor und der Auswerteschaltung in ein Gehäuse eingebaute Vorrich tung.

Fig. 3 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführung der Auswerteschaltung, und

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Relativstel lungen zwischen Sensor und Drehglied und der jeweils zugehörigen Phasenverschiebung der von den sekundären Spiralwicklungen gelieferten Spannungen in Bezug aufein ander und bezüglich der Primärspannung.

Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung zum Messen der Dreh zahl eines um eine Drehachse D rotierenden Körpers, hier einer Welle 1, ein um eine vorgegebene Drehachse, hier die Drehachse D der Welle 1, drehbares Drehglied 2 aus elektrisch leitfähigem Ma terial in Form eines Zahnrades 2 auf, das von der Welle 1 mit gleicher Drehzahl angetrieben ist. Im dargestellten Ausführungs beispiel umgibt das in Fig. 1 nur teilweise dargestellte Zahnrad 2 die ebenfalls nur teilweise dargestellte Welle 1 koaxial. Die Zähne 3 des Zahnrades 2 haben einen äußeren Flugkreis 4, und nahe bei diesem ist ein Sensor 5 angeordnet, der mit in Fig. 1 nicht dargestelltem nicht magnetischem Material eingehäust ist.

Der Sensor 5 weist einen ersten flächigen Träger 6 auf, der sich etwa tangential zu dem Flugkreis 4 erstreckt und auf seinen beiden Seiten je eine flache primäre Spiralwicklung 7 trägt. Die Spiral wicklungen 7 sind durch den Träger 6 hindurch seriell oder par allel miteinander verbunden und belegen auf dem Träger 6 einen vorgegebenen ersten Flächenbereich 8.

Des weiteren weist der Sensor 5 einen zweiten flächigen Träger 9 auf, der sich im wesentlichen parallel zu dem ersten Träger 6 nahe bei diesem erstreckt und auf seinen beiden Seiten je zwei neben einander angeordnete flache sekundäre Spiralwicklungen 10 und 11 trägt, die in zusammengehörenden deckungsgleichen Paaren mitein ander seriell oder parallel durch den Träger 9 hindurch mitein ander verbunden sind und auf dem zweiten Träger 9, jeweils hälf tig, einen zweiten Flächenbereich 12 belegen, der den ersten Wicklungs-Flächenbereich 8 auf dem ersten Träger 6 überdeckt.

Die aus dem ersten Träger 6 mit den primären Spiralwicklungen 7 und dem zweiten Träger 9 mit den sekundären Spiralwicklungen 10, 11 bestehende Trägeranordnung ist auf der von dem Flugkreis 4 ab gewendeten Seite etwa über den Bereich der Spiralwicklungen 7, 10 und 11 mit einem Ferritplättchen 13 hinterlegt, das sich etwa par allel zu den Trägern 6 und 9 erstreckt.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung zwecks Erzielung des größtmöglichen Einflusses der Zähne 3 des Zahnrads 2 auf die sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 so getroffen, daß sich der Träger 9 mit den sekundären Spiralwick lungen 10 und 11 zwischen dem Flugkreis 4 und dem Träger 6 mit den primären Spiralwicklungen 7 befindet.

Die jeweils auf einer gleichen Seite des zweiten Trägers 9 befind lichen Spiralwicklungen 10 und 11 sind auf der einen bzw. anderen Seite einer sich bezüglich des Flugkreises 4 senkrecht erstrecken den Symmetrielinie 14 angeordnet und haben auf dem zweiten Träger 9 einen Mittenabstand, der im wesentlichen dem Mittenabstand der Zähne 3 des Zahnrads 2 entspricht.

Die Träger 6 und 9 bestehen jeweils aus einer Folie aus hoch tem peraturbeständigem Isoliermaterial, vorzugsweise einer Kunststof folie, und sind beidseitig mit den zugehörigen Spiralwicklungen beschichtet.

Bei der praktischen Ausführung sind die Träger mit gegeneinander isolierten Spiralwicklungen zusammengeklebt, und die Trägeranord nung ist auf das Ferritplättchen aufgeklebt.

Die auf dem ersten Träger 6 befindlichen beidseitigen primären Spiralwicklungen 7 werden mit im wesentlichen konstantem höher frequenten Wechselstrom in der Größenordnung von einigen 10 kHz gespeist und erzeugen ein die sekundären Wicklungen 10 und 11 auf dem zweiten Träger 9 durchsetzendes Magnetfeld.

Wie generell in Fig. 2 und in näheren Einzelheiten in Fig. 3 dar gestellt, weist die Drehzahlerfassungsvorrichtung ferner eine Schaltungsanordnung 15 auf, die die Erregerspannung für die primä ren Spiralwicklungen 7 auf dem ersten Träger 6 liefert, die von diesen Wicklungen 7 in den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 auf dem zweiten Träger 9 induzierten Spannungen empfängt und aus der von der augenblicklichen Relativstellung der Zahnradzähne 3 bezüglich der sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 abhängigen Phasenverschiebung zwischen den von den Wicklungspaaren 10 bzw. 11 gelieferten Spannungen bzw. Strömen oder aus der Phasenverschie bung zwischen einer dieser induzierten Spannungen und dem konstan ten Erregerwechselstrom ein der augenblicklichen Drehzahl der Wel le entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird für die Einsatzmöglichkeit der Vor richtung auch bei sehr hohen Temperaturen an der mit dem Sensor 5 zu erfassenden Meßstelle, die Schaltungsanordnung 15 vorzugsweise in einem erheblichen radialen Abstand von dem Sensor 5 angeordnet und mit dem Sensor 5 über ein Kabel 5b verbunden.

Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, daß das aus unmagnetischem Mate rial bestehende Sensorgehäuse 5a mit den darin befindlichen Bau teilen mit einem vorzugsweise hoch temperaturbeständigen Gießharz vergossen werden kann.

Als Träger für die Spiralwicklungen eignen sich prinzipiell auch andere Materialien als Folien, z. B. dünne, harte Plättchen.

Die Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer für die Zwecke der Er findung geeigneten, beispielsweisen Schaltung zur Auswertung der von den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 gelieferten Signale (Spannungen).

Wie aus Fig. 3 ersichtlich weist die Auswerteschaltung auch einen Oszillator auf, der die Erreger-Wechselspannung für die primären Spiralwicklungen 7 erzeugt und an diese liefert. Die primären Spi ralwicklungen sind Teil des Oszillatorschwingkreises, der im Aus führungsbeispiel bei 100 kHz schwingt. Befindet sich kein Zahn vor dem Sensor 5, ist die Phasenverschiebung zwischen den beiden von den primären Spiralwicklungen 7 in dem einen bzw. anderen der bei den sekundären Spiralwicklungspaare 10 und 11 induzierten Spannun gen 0°. Diesen Zustand gibt die oberste Abbildung in Fig. 4 wie der. Sobald sich ein Zahn 3 des Zahnrades 2 einem der sekundären Spiralwicklungspaare 10 bzw. 11 nähert, werden in diesem Zahn Wir belstromverluste erzeugt. Diese Wirbelstromverluste verursachen eine Phasenverschiebung der in dem betreffenden sekundären Spiral wicklungspaar induzierten Spannung gegenüber der Primärspannung sowie auch gegenüber der in dem anderen Spiralwicklungspaar indu zierten Spannung. Diese Zustände sind für einen ankommenden Zahn in der mittleren Abbildung in Fig. 4 und für einen sich entfernen den Zahn in der unteren Abbildung in Fig. 4 dargestellt.

Des weiteren enthält die aus Fig. 3 ersichtliche Auswerteschal tung Schaltkreise, die die in den sekundären Spiralwicklungspaaren induzierten Spannungen getrennt empfangen und phasenrichtig in Rechteckspannungen umformen. Diese Rechteckspannungen werden in einen Phasendemodulator eingespeist, der aus ihnen ein Rechteck signal erzeugt, das proportional zur Drehzahl ist und am Sensor ausgang zur Verfügung steht.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse (D) rotierenden Körpers (1) mit

1. einem um eine vorgegebene Drehachse (D) drehbaren Dreh glied (2) aus elektrisch leitfähigem Material, das von dem Körper (1) mit einer in einem festen Verhältnis zu dessen Drehzahl stehenden Drehzahl angetrieben ist und mindestens einen zahnartigen Vorsprung (3) aufweist,
2. einem nahe bei dem radial äußersten Flugkreis (4) des Vorsprungs (3) angeordneten Sensor (5) mit
- 1. mindestens einer primären Wicklung (7) und
- 2. mindestens zwei sekundären Wicklungen (10, 11),
wobei die primäre(n) Wicklung(en) (7) mit im we sentlichen konstantem höherfrequenten Wechselstrom ge speist wird/werden und ein die sekundären Wicklun gen (10, 11) durchsetzendes Magnetfeld erzeugt/erzeugen, und
3. einer die induzierten Spannungen der sekundären Wicklungen (10, 11) empfangenden Schaltungsanordnung (15) zum Erzeugen eines der Drehzahl des Drehgliedes (2) ent sprechenden elektrischen Signals aus der sich mit der Drehung des Drehgliedes (2) ändernden Phasenverschiebung zwischen diesen induzierten Spannungen oder aus der Pha senverschiebung zwischen einer dieser induzierten Span nungen und dem konstanten Wechselstrom,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Sensor (5) von einem Gehäuse (5a) aus nichtmagneti schem Material umgeben ist,
2. die primäre(n) Wicklung(en) (7) und die sekundären Wicklungen (10, 11) flache Spiralwicklungen sind,
3. der Sensor (5) einen ersten flächigen Träger (6) auf weist, der sich etwa tangential zu dem Flugkreis (4) erstreckt und auf mindestens einer seiner beiden Seiten die mindestens eine primäre Spiralwicklung (7) trägt, die auf dem ersten Träger (6) einen vorgegebenen ersten Flä chenbereich (8) belegt,
4. der Sensor (5) einen zweiten flächigen Träger (9) auf weist, der sich im wesentlichen parallel zu dem ersten Träger (6) nahe bei diesem erstreckt und mindestens auf einer seiner beiden Seiten die mindestens zwei sekundären Spiralwicklungen (10, 11) nebeneinander angeordnet trägt, wobei die zwei sekundären Spiralwicklungen (10, 11) auf dem zweiten Träger (9) jeweils hälftig einen zweiten Flächenbereich (12) belegen, der den ersten Flächenbe reich (8) auf dem ersten Träger (6) überdeckt, und
5. der Sensor (5) ein Ferritplättchen (13) aufweist, das die Trägeranordnung aus dem ersten Träger (6) mit der/den primären Spiralwicklung(en) (7) und dem zweiten Träger (9) mit den sekundären Spiralwicklungen (10, 11) auf der von dem Flugkreis (4) abgewendeten Seite etwa über den Bereich der Spiralwicklungen (7, 10, 11) hinterlegt und sich etwa parallel zu den Trägern (6, 9) erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Träger (9) mit den sekundären Spiralwicklungen (10, 11) zwischen dem Flugkreis (4) und dem ersten Träger (6) mit der/den primären Spiralwicklung(en) (7) befindet.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die jeweils auf einer gleichen Seite des zweiten Trägers (9) befindlichen Spiralwicklungen (10, 11) auf der einen bzw. anderen Seite einer sich be züglich des Flugkreises (4) senkrecht erstreckenden Sym metrielinie (14) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Träger (6, 9) jeweils aus einer Folie aus Isoliermaterial bestehen, die ein- oder beidseitig mit der/den zugehörigen Spiralwicklung(en) (7, 10, 11) beschichtet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Träger (6, 9) aus einer hoch hitzebeständigen Kunststofffolie bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Träger (6, 9) mit gegenein ander isolierten Spiralwicklungen (7, 10, 11) zusammen geklebt sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Trägeranordnung (6, 7, 9, 10, 11) auf das Ferritplättchen (13) aufgeklebt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (15) in einem erheblichen radialen Abstand von dem Sensor (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (15) auch die primäre(n) Spiral wicklung(en) (7) mit dem konstanten Wechselstrom speist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (15) in das Sensorgehäuse (5a) eingebaut ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (5a) mit den darin befindlichen Bauteilen mit Gießharz vergossen ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehglied (2) ein Zahnrad ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem zweiten Träger (9) nebeneinander befindlichen sekundären Spiralwicklungen (10, 11) einen Mittenabstand haben, der im wesentlichen dem Mittenabstand der Zähne des Zahnrads (2) entspricht.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Körper (1) eine Welle ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 oder 13 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (2) die Welle (1) koaxial umgibt.