DE19843868A1

DE19843868A1 - Vorrichtung zur Bestimmung dynamischer Kennwerte magnetisierbarer Werkstoffe

Info

Publication number: DE19843868A1
Application number: DE19843868A
Authority: DE
Inventors: Peter Sternad; Waldemar Dr Draxler; Hartmut Kugel; Horst Dr Boeder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-09-27
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 1999-05-20

Description

Stand der Technik

Insbesondere bei der Magnetventilentwicklung sind derzeit aufwendige Musterbauten und Erprobungen erforderlich, um die bestgeeigneten Werkstoffe zu finden. Die bekannten statischen Kennwerte beschreiben das Werkstoffverhalten für diese Anwendungen zum Teil nur ungenügend. Dies trifft insbesondere bei Anwendungen für Magnetventile zu, bei denen diese in einem Kurzzeitimpulsbetrieb mit möglichst schnellen Reaktionszeiten betrieben werden.

Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung sogenannter dynamischer Kennwerte magnetisierbarer Materialien bei Ein- und Ausschaltvorgängen vorzuschlagen, so daß der Aufwand an Musterbauten und Erprobungen reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Erzeugung eines impulsartigen Magnetfeldes durch eine Primärspule im Bereich einer zu prüfenden Materialprobe vorgesehen, wobei ein Sensor zur Messung der Magnetfeldstärke bzw. des magnetischen Flusses vorgesehen wird. Dieser Sensor, der die Magnetfeldstärke bzw. den magnetischen Fluß in unmittelbarer Nähe oder im Innern der Materialprobe erfaßt, ermöglicht die Bestimmung des dynamischen Verhaltens, das heißt, des zeitlichen Verlaufs des Induktionsanstieges des zu prüfenden Materials. Weiterhin ist mit einer derartigen Vorrichtung der Induktionshub sowie die Sättigungspolarisation des Probenmaterials festzustellen.

Durch die Bestimmung dieser Kenndaten wird die Entwicklung von Magnetventilen mit schnellen Ansprechzeiten erheblich vereinfacht, was insbesondere für Einspritzanlagen von Verbrennungsmotoren aber auch in sonstigen Anwendungen mit entsprechenden Anforderungen von Vorteil ist. Die Bestimmung des Induktionshubes ist zudem bei Entwicklungen im Bereich der Sensorik von Vorteil.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Sensor als Spule ausgebildet, die die Materialprobe umgibt, wodurch der magnetische Fluß in der Probe durch Messung der Induktionsspannung der Spule erfaßbar ist. Diese Ausbildung des Sensors ermöglicht eine Aussage über den magnetischen Fluß im Innern der Werkstoffproben.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes eine auf der Probe angeordnete Primärspule. Durch Strombeaufschlagung dieser Spule, die beispielsweise die Probe wenigstens teilweise umschließen kann, läßt sich das erfindungsgemäß erforderliche, impulsartige Magnetfeld unmittelbar im Bereich der Probe erzeugen. Die Primärspule kann hierzu beispielsweise auch ganz oder teilweise unmittelbar auf die Probe gewickelt sein.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes ein beispielsweise U-förmiges Joch mit wenigstens einer Primärspule. Ähnlich wie bei einem Transformator wird der durch den Strom in der Primärspule erzeugte magnetische Fluß durch das Joch verstärkt und gelenkt, so daß eine definierte Zone zur Anordnung und Vermessung der Materialprobe entsteht.

Vorteilhafterweise wird ein Funktionsgenerator zur Steuerung des Primärstromes vorgesehen. Mit Hilfe dieses Funktionsgenerators läßt sich die Beaufschlagung der Primärspule einstellen, so daß die gewünschten impulsartigen Magnetfelder durch den Primärstrom erzeugt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird zudem ein Sensor zur Messung des magnetischen Flusses durch das Joch vorgesehen. Ein derartiger Sensor, der beispielsweise in einer zusätzlichen Wicklung um das Joch bestehen kann, ermöglicht die Kontrolle und gegebenenfalls Korrektur des durch den Primärstrom erzeugten Magnetfeldes.

Die Probe wird vorteilhafterweise mit länglicher Form ausgebildet, wobei die Mindestlänge auf die Dimensionierung des Jochs im Falle eines U-förmigen Jochs dem Abstand der beiden Seitenschenkel des Jochs abgestimmt wird. Durch Anordnung einer solcherart geformten länglichen Probe wird der offene Bereich zwischen den beiden Schenkeln eines U-förmigen Jochs abgedeckt, wodurch sichergestellt ist, daß sich die Materialprobe in einem Bereich befindet, in dem sie möglichst gleichmäßig und mit hoher Feldstärke von dem Magnetfeld durchdrungen wird.

Vorteilhafterweise wird als zusätzliches Kontrollinstrument ein Sensor zur Messung des Primärstroms vorgesehen. Ein solcher Sensor kann beispielsweise in Form einer sogenannten Stromzange, die das Versorgungskabel der Primärspule umschließt, ausgebildet werden. Eine solche Stromzange erfaßt wiederum über induzierte Ströme den zeitlichen Verlauf der im Innern des Kabels verlaufenden Ströme.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Sensor zur Messung der magnetischen Feldstärke in unmittelbarer Nähe der Probe angebracht. Ein solcher Sensor, der an Stelle der oben angeführten Spule um die Probe herum oder aber auch in Kombination mit einer solchen Induktionsspule verwendet werden kann, ermöglicht die direkte Messung der magnetischen Feldstärke in unmittelbarer Nähe der Probe, während ein Induktionssensor wie oben angeführt mittelbar über die induzierte Spannung den magnetischen Fluß durch die Induktionsspule mißt.

Vorteilhafter Weise wird zudem eine Meßvorrichtung zur Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs wenigstens eines Sensorsignals vorgesehen. Eine solche Meßvorrichtung kann beispielsweise in Form eines sogenannten Speicheroszilloskops vorliegen. Über entsprechende Schnittstellen kann hierzu jedoch auch ein Rechner mit entsprechendem Display verwendet werden. Auch die Kombination, das heißt ein Speicheroszilloskop zusammen mit einem Rechner, bevorzugt mit entsprechendem Datenspeicher kann hierbei Verwendung finden.

Ein solcher Rechner kann neben der Meßwertaufzeichnung auch zugleich für die Bestimmung und Auswertung der gewünschten Meßgrößen verwendet werden. Eine der hauptsächlich gewünschten Meßgrößen liegt beispielsweise in der Geschwindigkeit, mit der die Materialprobe magnetisiert bzw. entmagnetisiert wird. Dies läßt sich beispielsweise durch Bestimmung der Steigung des entsprechenden Sensorsignals bei einsetzendem bzw. abfallendem Primärstrom ermitteln.

Vorteilhafterweise wird zudem eine Vorrichtung zum Umpolen des Primärstroms sowie der gemessenen Sensorsignale vorgesehen. Durch eine derartige Umpolvorrichtung kann neben dem zeitlichen Verlauf der Magnetisierbarkeit auch eine Aussage über die magnetische Remanenz der Materialprobe und somit letztendes auch über den maximal möglichen Induktionshub getroffen werden.

Die Bestimmung dieser Kennwerte ist vor allem für Anwendungen der Materialprobe in der Sensorik von Bedeutung. Je ausgeprägter die Ausgangssignale eines entsprechenden Sensors sind, desto leichter läßt sich die Nachfolgeelektronik zur Auswertung realisieren.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figur nachfolgend näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung in Verbindung mit beispielhaft dargestellten Kennlinien.

Die Vorrichtung 1 gemäß der Figur umfaßt ein Joch 2, das U-förmig ausgebildet ist mit zwei Primärspulen 3, 4 versehen ist. Vor den beiden Seitenschenkeln 5, 6 des Jochs 2 ist eine längliche Probe 7 angeordnet. Die Probe 7 erstreckt sich über die gesamte Breite zwischen den Seitenschenkeln 5, 6.

Weiterhin ist eine Induktionsspule 8 um den einen Seitenschenkel 5 des Jochs gewickelt. Eine weitere Induktionsspule 9 umgibt die Probe 7 und wird als erfindungsgemäßer Sensor zur Messung der Magnetisierung der Probe 7 verwendet. Ein weiterer, nicht näher dargestellter Sensor 10 kann zur direkten Messung der Magnetfeldstärke in unmittelbarer Nähe der Probe 7 Verwendung finden.

Sowohl die Primärspulen 3, 4, als auch die Induktionsspulen 8, 9 sowie der Sensor 10 sind über ein Schütz 11 umzupolen. Das Schütz 11 wird über einen Taster 12 betätigt und mit Hilfe eines Netzgeräts 13 betrieben. Ein weiteres Netzgerät 14 treibt den Primärstrom in den Primärspulen 3, 4 und wird von einem Funktionsgenerator 15 gesteuert.

Eine Stromzange 16 umschließt ein Versorgungskabel 17 zur Stromversorgung der Primärspulen 3, 4 und erfaßt über eine Hallsonde den durch das Kabel 17 fließenden Primärstrom.

Über eine Strommeßeinrichtung 18 wird in einem ersten Kanal 19a eines ersten Oszilloskops 20 der zeitliche Verlauf des durch das Kabel 17 fließende Strom dargestellt.

Über den zweiten Kanal 19b wird der vom Sensor 10 gemessene zeitliche Verlauf der magnetischen Feldstärke auf dem Oszilloskop 20 dargestellt.

Ein zweites Oszilloskop 21 wird in seinem ersten Kanal 22a mit dem Signal der Induktionsspule 8 gespeist. Im zweiten Kanal 22b wird das Signal aus der Induktionsspule 9 in das Oszilloskop 21 gespeist. In der Figur ist bei den Oszilloskopen 20, 21 jeweils ein Monitor 23, 24 angedeutet, auf denen verschiedene Kurven dargestellt sind. Der Monitor 23 zeigt den zeitlichen Verlauf 25 des Stromes durch die Primärspulen 3, 4 während eines Einschaltvorgangs, das heißt während der ansteigenden Flanke, beispielsweise eines Rechteckimpulses des Primärstroms. Das Diagramm 26 stellt das mit dem Sensor 10 aufgenommene differenzierte Feldstärkesignal dar.

Auf dem Monitor 24 sind 4 Kurven dargestellt. Die Kurve 27 stellt den zeitlichen Verlauf der Induktionsspannung an der Spule 9 während des Einschaltvorgangs dar. Die Kurve 28 zeigt das Integral über die Kurve 27. Die Kurve 29 zeigt den zeitlichen Verlauf der mit der Spule 8 aufgenommenen Induktionsspannung und die Kurve 30 stellt das Integral über die Kurve 29 dar.

Zur Vermessung einer Probe 7 wird diese zunächst in der Spule 9 vor dem Joch 2 und somit auch vor dem Feldstärkesensor 10 angeordnet. Anschließend wird ein Primärstrom geprägt von dem Funktionsgenerator 15 über das Netzgerät 14 mit möglichst steiler Einschaltplanke erzeugt.

Über die verschiedenen oben angeführten Sensorsignale läßt sich nunmehr das dynamische Verhalten der Probe 7 auf eine solche Steileinschaltflanke des Primärstroms analysieren.

Die Messung des Stromverlaufs 25 des Primärstroms sowie der Induktionsspannung 29 bzw. 30 durch die Induktionsspule 8 dienen im Wesentlichen zur Kontrolle der tatsächlich vorliegenden Meßbedingungen.

Eine wesentliche, mit der Anordnung aufzunehmende Meßgröße stellt der zeitliche Verlauf des Signals der Induktionsspule 9, das heißt die Induktionsspannung 27 bzw. 28 dar. Die Steigung der ansteigenden Flanke des Spannungssignals 27, insbesondere in Relation zur ansteigenden Flanke des Primärstroms stellt einen interessanten Kennwert für das dynamische Verhalten der Materialprobe 7 dar.

Durch Auswertung dieser ansteigenden Flanke der Induktionsspannung 27 bei verschiedenen Materialproben 7 können Rückschlüsse über das dynamische Verhalten der vermessenen Materialien, beispielsweise beim Einsatz in Magnetventilen für Anwendungen im Impulsbetrieb gewonnen werden. Hierdurch ist zumindest eine Vorauswahl der entsprechenden Materialien bei der Entwicklung solcher Ventile möglich, wodurch sich der Aufwand an Testentwicklungen, Musterbauten und Erprobungen reduziert.

Durch eine Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung läßt sich auch der sogenannte maximale Induktionshub einer Materialprobe 7 bestimmen. Insbesondere die Möglichkeit der Messung mit umgepolter Vorrichtung 1 mit Hilfe der Umpolvorrichtung 11 ermöglicht es, in die Auswertung der genannten Signale die magnetische Remanenz der jeweiligen Materialprobe 7 mit einzubeziehen.

Die Bestimmung des maximalen Induktionshubes vorzugsweise unter Berücksichtigung der magnetischen Remanenz, ist unter anderem für die Materialauswahl bei der Entwicklung magnetischer Sensoren von Bedeutung. In der Sensorik sind Sensoren mit möglichst hoher Ausgangsspannung gefragt, um die nachgeschalteten Verstärker und Auswerteeinheiten mit möglichst geringem Aufwand realisieren zu können.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Joch

3

Primärspule

4

Primärspule

5

Seitenschenkel

6

Seitenschenkel

7

Probe

8

Induktionsspule

9

Induktionsspule

10

Sensor

11

Schütz

12

Taster

13

Netzgerät

14

Netzgerät

15

Funktionsgenerator

16

Stromzange

17

Versorgungskabel

18

Strommeßeinrichtung

19

a/

19

b Kanal

20

Oszilloskop

21

Oszilloskop

22

a/

22

b Kanal

23

Monitor

24

Monitor

25

Stromverlauf

26

Feldstärkesignal

27

Induktionsspannung

28

Integral

29

Induktionsspannung

30

Integral

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung dynamischer Kennwerte magnetisierbarer Werkstoffe (7), wobei zur Erzeugung eines impulsartigen Magnetfeldes im Bereich einer zu prüfenden Materialprobe (7) durch eine Primärspule vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sensor (9, 10) zur Messung der magnetischen Feldstärke bzw. des magnetischen Flusses im Bereich der Probe (7) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Induktionsspule (9) ausgebildet ist, die die Probe (7) umgibt.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes eine auf der Probe (7) angeordnete Primärspule umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes mit wenigstens eine um ein Joch (2) gewickelte Primärspule (3, 4) umfassen.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Funktionsgenerator (15) zur Steuerung des Primärstroms vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (8) zur Messung des magnetischen Flusses durch das Joch (2) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (7) eine längliche Form mit einer Mindestlänge aufweist, die auf die Dimensionierung des Joches (2) abgestimmt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (16) zur Messung des Primärstroms vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (10) zur Aufnahme der magnetischen Feldstärke unmittelbar neben der Probe (7) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (20, 21) zur Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs wenigstens eines Sensorsignals vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (20, 21) zur Aufzeichnung wenigstens eines Sensorsignals ein Oszilloskop und/oder einen Rechner mit Display umfassen.

12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (11, 12) zum Umpolen des Primärstromes und/oder wenigstens eines Sensorsignals vorgesehen sind.

13. Verfahren zur Bestimmung dynamischer Kennwerte magnetisierbarer Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.