DE3017202C2

DE3017202C2 - Einrichtung zur Ermittlung der Drehzahl eines drehbaren oder der Frequenz eines linear schwingenden Bauteils aus magnetisch permeablem Material

Info

Publication number: DE3017202C2
Application number: DE3017202A
Authority: DE
Inventors: Sigeyuki Aichi Akita; Yoshiyuki Okazaki Kago; Masao Okazaki Kotera
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1980-05-05
Publication date: 1986-09-04
Also published as: JPS55156810A; US4339713A; DE3017202A1

Description

30 YI

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Einrichtung,

F i g. 2 eine bei der Einrichtung gemäß F i g. 1 verwendete elektrische Schaltungsanordnung,

Fig.3 Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2, die die Arbeitsweise der Einrichtung gemäß F i g. 1 veranschaulichen,

F i g. 4 ein charakteristisches Beispiel für eine unter Verwendung der Einrichtung gemäß F i g. 1 erhaltene Messung, t:>

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Einrichtung, und

F i g. 6 Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Einrichtung gemäß F i g. 2, die deren Arbeitsweise veranschaulichen.

Mtfl UVItI VIUVViI Λ IUIM UIU VHgUWV|3^/IV· VW· uüli "vÜIUÜq

gemäß den F i g. 1 und 2 ist eine Spulenanordnung 1 an einem Punkt A in der Nähe einer an der Kurbelwelle 4 einer Brennkraftmaschine 3 angebrachten Riemenscheibe 4a angeordnet, die z. B. einen (nicht dargestellten) Wechselspannungsgenerator antreibt Ein Getriebe 3a verbindet die Kurbelwelle 4 mit der Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs. Die Spulenanordnung 1 umfaßt eine Erregerspule 5, eine Meßspule 6 und einen ringförmigen Permalloy-Magnetkem 7, der mit der Erregerspule 5 und der Meßsule 6 in der in F i g. 2 dargestellten Weise umwickelt ist Bei der Spulenanordnung 1 verlaufen die Achsen des Magnetkerns 7 und der Kurbelwelle 4 senkrecht zueinander, während die Achsen der Meßspule 6 und der Kurbelwelle 4 parallel zueinander angeordnet sind, wie dies in F i g, 1 veranschaulicht ist. Ferner ist die Spulenanordnung 1 mit einer Auswerteschaltung 2 verbunden, die eine Erregerschaltung 8 zur Ansteuerung der Spulenanordnung 1 mit einer Trägerfrequenz und eine Meßschaltung 9 zur Auswertung des Ausgangssignals der Spulenanordnung 1 aufweist Die Auswerteschaltung 2 ist über einen Stromversorgungsanschluß 2a mit einer Konstantspannungsschaltung verbunden, während über einen Ausgangsanschluß 2b das Meßsignal abgegeben wird. Die Erregerschaltung 8 4.¹S weist eine ajiabile Kippstufe oder eine Oszillatorschaltung auf und ist mit lnvertern 10,11 und 12, Widerständen 13, 14 und 16, einem Kondensator 15 und einem Transistor 17 versehen. Die Meßschaltung 9 umfaßt einen Wechselspannungsverstärker 18, eine Diode 19, einen Kondensator 20, einen Widerstand 21 und eine Schmitt-Triggerschaltung 22.

Nachstehend wird näher auf die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels der Einrichtung eingegangen.

Ein periodisches Dreieck-Ausgangssignal (Fig.3a) der die Inverter 10 und 11, die Widerstände 13 und 14 sowie den Kondensator 15 umfassenden astabilen Kippstufe wird über den Transistor 17 der Erregerspule 5 der Spulenanordnung 1 aufgeprägt. Die Frequenz des periodischen Dreieck-Ausgangssignals, die bei diesem eo Ausführungsbeispiel der Einrichtung 5 kHz beträgt, muß beträchtlich höher als die maximale Umlauffrequenz (0,1 kHz) der Kurbelwelle 4 sein. Alternativ können auch andere Signalverläufe, z. B. ein sinusförmiges Signal, als periodisches Ausgangssignal Verwendung finden. Dieses Signal erzeugt im Magnetkern 7 ein kräftiges Erregermagnetfeld, dem ein schwaches äußeres Magnetfeld überlagert und wie ein Signal hinzuaddiert wird, was dazu führt, daß sich in der Meßspule 6 ein Signal bildet, dessen Amplitude der resultierenden magnetischen Feldstärke proportional ist (F i g. 3(b)). Die Amplitude dieses Signals ist somit konstant, wenn sich die Kurbelwelle 4 im Stillstand befindet, wie dies durch den links der Linie A verlaufenden Abschnitt des Signalverlaufs gemäß Fig.3(b) veranschaulicht ist, während bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 4 eine Amplitudenmodulation des Ausgangssignals der Meßsule 6 erfolgt wie dies durch den rechts der Linie A verlaufenden Abschnitt des Signals gemäß F i g. 3(b) veranschaulicht ist

Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Kurbelwelle 4 (aufgrund unbestimmter magnetischer Quellen) ein stärkeres Magnetfeld als das Erdmagnetfeld mit sich führt und als Teil eines schwachen Magneten miteinem einzigen Magnetpol angesehen werden kann, wodurch bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 4 eine Periode des «implitudenmodulierten Signals gebildet wird. Das Ausgangssignal der Meßspule 6 wird vr»m Wechselspannungsverstärker 18 verstärkt und von einer aus der Diode 19, dem Kondensator 20 und dem Widerstand 21 bestehenden Gleichrichterschaltung einer Hüllkurvengleichrichtung zur Bildung des Signalverlaufs gemäß Fig.3(c) unterworfen. Dieses Signal wird von der Schmitt-1 nggerschaltung 22 in Impulse umgesetzt, die über den Ausgangsanschluß 26 in Form des in F i g. 3(d) dargestellten Signals abgegeben werden. Die Meßschaltung 9 kann auch derart aufgebaut sein, daß das Ausgangssignal des Wechselspannungsverstärkers 18 zur Ermittlung der Hüllkurve periodisch abgetastet wird. Ein Impuls des erhaltenen Signals entspricht somit einer Umdrehung der Kurbelwelle 4, so daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine 3 durch Zählen dieser Impulse auf einfache Weise erhalten werden kann.

Bei der Messung der Drehzahl einer Dieselmaschine mit Hilfe des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels der Einrichtung wurde festgestellt, daß das maximale Magnetfeld nahe der an der Kurbelwelle 4 angebrachten Riemenscheibe 4a auftrat, in deren Nähe rf^;2 Spulenanordnung 1 angebracht war. Die bei diessr Messung ermittelten Daten sind in F i g. 4 in Form eines Schaubildes wiedergegeben, bei dem über der Abszisse die Drehzahl N der Brennkraftmaschine 3 und über der Ordinate die Ausgangsimpulsfrequenz /aufgetragen sind. F i g. 4 ist zu entnehmen, daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine 3 bis zu 4000 min-' genau gemessen werden kann.

Nachstehend sind die Ergebnisse von Messungen wiedergegeben, die an einer hochdrehenden Dieselmaschine (Typ H) und einer niedrigdrehenden Dieselmaschine (Typ N) vorgenommen wurden. Die beiden Maschinentypen befanden sich jeweils auf einem Prüfstand, wobei folgende Meßbedingungen vorlagen:

Umgebungstemperatur: 2O⁰C

Abstand zwischen der Spulenanordnung 1 und dem Meßobjekt: 10 mm

Windungszahl Jer Erregerspule 5: 140 Windungen (Drahtdurchmesser 0,16 mm)

Windungszahl der Meßspule 6: Windungen (Drahtdurchmesser 0,12 mm)

Meßpunkte:

A — unterhalb der Riemenscheibe 4a,

B — an der vorderen Unterseite der Brennkraftmaschine 3,

C — an der hinteren Unterseite der Brennkraftmaschine 3,

D — unterhalb des Getriebes 3a
Meßgröße: Amplitudenmodulationsgrad des Ausgangssignals der Spulenanordnung 1 gemäß der Definition [(a-fi)/(a+ß]) 100% für den Signalverlauf gemäß F i g. 3(d).

Ergebnisse:

Maschinen- Meßpunkt Meßpunkt Meßpunkt Meßpunkt typ A B C D

N	67%	17%	4%	4%
H	17%	5%	1%	1%

noch in einem Abstand von 20 bis 30 mm zuverlässig erfassen kann, wobei auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringen Umlaufgeschwindigkeiten eine ausreichende Meßempfindlichkeit gewährleistet ist.

Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf die Ermittlung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine bezieht, ist die Meßeinrichtung nicht nur in Verbindung mit derartigen Drehbewegungen verwendbar, sondern kann auch bei linear schwingenden Bewegungen eines Körpers Verwendung finden, so lange der Körper von einem erfaßbaren Magnetfeld umgeben ist.

Die diesen Amplitudenmodulationswerten zugeordneten Impulssignale wurden am Ausgangsanschluß 2b gemessen und erwiesen sich als ausreichend stark zur Messung der Drehzahl in sämtlichen Fällen, bei denen der rviouuiäiiCiiSgfäu nicht ύίϊΐόΓ 4"Ό 'ag, WiCSCH jedoch eine unzureichende Stärke in denjenigen Fällen auf, bei denen der Modulationsgrad 1% betrug.

Unter Ausnutzung der Richtwirkung der Spulenanordnung 1 wurde der Einfluß des Erdmagnetfeldes auf die Spulenanordnung 1 untersucht und festgestellt, daß trotz einer bei einigen Richtungsorientierungen der Spulenanordnung 1 auftretenden geringen Beeinflussung des Modulationsgrades durch das Erdmagnetfeld Meßimpulse proportional zur jeweiligen Drehzahl erhalten werden können, wenn der Modulationsgrad 4% und mehr beträgt

Bei Verwendung des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels der Einrichtung in Verbindung mit einem Ottomotor muß die Spulenanordnung 1 innerhalb eines Abstandsbereiches von 1 bis 2 mm von der Riemenscheibe 4a angeordnet werden, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Zündanlage Störungen des Magnetfeldes verursachen kann, die dann zu Fehlfunktionen bzw. falschen Meßwerten der Meßeinrichtung führen. Wird jedoch die Riemenscheibe 4a von einem äußeren Magnetfeld magnetisiert läßt sich die Drehzahl der Riemenscheibe 4a auch bei einem Abstand von 10 mm zwischen der Spulenanordnung 1 und der Riemenscheibe 4a leicht ermitteln.

In Fig.5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Meßeinrichtung dargestellt bei der zwei gegenüberliegende Spulenanordnungen 1 und Γ in einem Winkelabstand von 180" zueinander in der Nähe der Riemenscheibe 4a angeordnet sind. Während der Drehbewegung der Riemenscheibe 4a nehmen die Spulenanordnungen 1 und Γ jeweils amplitudenmodulierte Signale gemäß F i g. 6(a) bzw. gemäß F i g. 6(b) auf, die eine Phasenverschiebung von 180° zueinander aufweisen. Diese Ausgangssignale der Spulenanordnungen 1 und 1' werden von einer jeweils zugehörigen Auswerteschaltung 2 bzw. 2' verstärkt, demoduliert und einer Impulsformung unterworfen, so daß phasenverschobene Impulssignale erhalten werden, wie sie in F i g. 6(c) bzw. F i g. 6(d) dargestellt sind Ein ODER-Verknüpfungsglied 23 nimmt sodann eine logische Summenbildung dieser Ausgangssignale der Auswerteschaltungen 2 und 2¹ vor und bildet ein Impulssignal, wie es in F i g. 6(e) dargestellt ist

Hierdurch lassen sich somit für jede Umdrehung der Riemenscheibe 4a zwei Impulse erhalten, so daß die Zählgeschwindigkeit gesteigert werden kann.

Auf diese Weise kann die Montageposition der Spuienanordnung 1 bzw. Γ mit einem viel größeren Freiheitsgrad gewählt werden, da eine solche Meßeinrichtung die Drehbewegung der Riemenscheibe 4a auch Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Insbesondere bei Maschinen, wie Brennkraftmaschi- Patentansprüche: nen für Kraftfahrzeuge und dergleichen, besteht häufig die Notwendigkeit, zu Anzeige- oder Steuerzwecken

1. Einrichtung zur Ermittlung der Drehzahl eines eine Drehzahlermittlung vorzunehmen, die einerseits eidrehbaren oder der Frequenz eines linear schwin- 5 nen möglichst geringen Geräte- und Montageaufwand genden Bauteils aus magnetisch permeablem Mate- erfordern, andererseits jedoch zuverlässige und genaue rial, mit einer auf einem ringförmigen Magnetkern Meßergebnisse liefern solL

angebrachten Spulenanordnung, die von einer Erre- Zu diesem Zweck finden häufig elektromagnetische

gerschaltung mit einer Trägerfrequenz angesteuert Geber oder Meßfühler Verwendung, die mit entsprewird, und einer mit der Spulenanordnung verbun- 10 chenden bewegten Bauteilen einer solchen Maschine in denen Auswerteschaltung, welche die durch die Be- Wirkverbindung stehen.

wegung des Bauteils entstandene Modulationsfre- So ist aus der DE-OS 24 46 132 eine Einrichtung der

quenz ermittelt und in entsprechende Signale um- eingangs genannten Art bekannt, bei der ringförmige setzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkerne mit einer von einem Wechselstromgene-Spulenanordnung (t) aus einer in Umfangsrichtung is rator mit einer Trägerfrequenz angesteuerten Spulenauf den ringförmigen Magnetkern (7) gewickelten anordnung in Verbindung mit einem zur Bildung eines Erregerspule (5) und einer diametral um den ringför- geschlossenen magnetischen Kreises vorzugsweise vormigen Magnetkern (7) herum gewickelten Meßspule gesehenen Permanentmagneten Verwendung finden, (6) besteht und daß die Achsen des ringförmigen wobei die von der Bewegung des als ferromagnetische Magnetkerns (7) und des bewegten Bauteils (4) senk- 20 Zahnscheibe oder Zahnkranz ausgebildeten überwachrecht zueinander verlaufen. ten Bauteils hervorgerufene Modulationsfrequenz ent-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- weder direkt oder z. B. mit Hilfe einer von der Spulenzeichnet, daß ein Ende des bewegten Bauteils (4) in anordnung gebildeten Brückenschaltung ausgewertet Wirkverbindung mit einer Riemenscheibe (4a) einer wird, deren Abgleichzustand dann das Meßsignal bildet Brennkraftmaschine (3) steht und daß der ringförmi- 25 Eine solche Meßeinrichtung weist allerdings den Nachge Magnetkern (7) im Bereich der Riemenscheibe teil auf, daß einerseits das angemessene Bauteil zur Er- (4a) angeordnet ist zielung der erforderlichen Meßgenauigkeit in bestimm-

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- ter Weise ausgebildet, d. h. mit Markierungen, wie Zähzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Diesel- nen und dergleichen, versehen sein muß, während ande-Brennkraftmaschine ist 30 rerseits der Magnetkern mit der Spulenanordnung in

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, unmittelbarer Nähe des Bauteils, d. h. in einem Abstand dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des beweg- in der Größenordnung von 2 mm oder weniger, angeten Bauteils (4; 4a) gegenüher dem ringförmigen ordnet sein muß, was z. B. bei Brennkraftmaschinen in Magnetkern (7) ein zweiter ringförmiger Magnet- der Regel die Anbringung von Montagebohrungen am kern mit einer von einer zweien Erregerschaltung 35 Kurbelgehäuse oder dergleichen erfordert

mit einer Trägerfrequenz angesteuerten zweiten Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

Spulenanordnung (!') Vorgesehen ist, die aus einer in Einrichtung der eingangs genannten Art derart auszu-

Umfangsrichtung auf den zweiten ringförmigen Ma- gestalten, daß eine zuverlässige Ermittlung der Dreh-

gnetkern gewickelten zweiten Erregerspule und ei- zahl eines drehbaren oder der Frequenz eines linear

ner diametral um den zweiten ringförmigen Magnet- 40 schwingenden Bauteils aus. magnetisch permeablem

kern herum gewickelten zweiten Meßspule besteht, Material ohne spezielle Bearbeitung oder Formgebung

deren Ausgangssignale in Relation zu den Aus- des Bauteils mit minimalem Montageaufwand gewähr-

gangssignalen der ersten Spulenanordnung (1) elise leistet ist

Phasenverschiebung von 180° aufweisen, daß die Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, Achsen des zweiten ringförmigen Magnetkerns und 45 daß die Spulenanordnung aus einer in Umfangsrichtung des bewegten Bauteils (4; 4a) ebenfalls senkrecht auf den ringförmigen Magnetkern gewickelten Erregerzueinandsr verlaufen, daß mit der zweiten Spulenan- spule und einer diametral um den ringförmigen Magnetordnung (Γ) eine zweite Auswerteschaltung (2') ver- kern herum gewickelten Meßspule besteht und daß die bunden ist, die die durch die Bewegung des Bauteils Achsen des ringförmigen Magnetkerns und des beweg- (4;4a) entstandene Modulationsfrequenz ermittelt to ten Bauteils senkrecht zueinander verlaufen,
und in entsprechende Impulssignale umsetzt, und Auf diese Weise kann die von der Bewegung des daß die Ausgangssignale der beiden Auswerteschal- überwachten Bauteils hervorgerufene Beeinflussung tungen (2; 2') über ein ODER-Glied (23) verknüpft ues von der Erregerspule erzeugten magnetischen Flussind. ses über die Meßspule in Form eines hohen und damit

55 genau feststellbaren Amplitudenmodulationsgrades der

Trägerfrequenz erfaßt werden, was auch bei relativ großem Abstand der Meßanordnung vom bewegten Bauteil — etwa in der Größenordnung von 20 bis 30 mm —

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur eine störungsfreie Messung gewährleistet und damit ei-Ermittlung der Drehzahl eines drehbaren oder der Fre- 60 ne einfache, da relativ frei wählbare Anbringung der quenz eines linear schwingenden Bauteils aus magne- Meßeinrichtung ermöglicht. Insbesondere sind auftisch permeablem Material, mit einer auf einem ringför- grund des starken störungsfreien impulsförmigen Meßmigen Magnetkern angebrachten Spulenanordnung, die signals keine spezielle Bearbeitung und Formgebung von einer Erregerschaltung mit einer Trägerfrequenz des überwachten Bauteils oder aufwendige Montageangesteuert wird, und einer mit der Spulenanordnung 65 maßnahmen erforderlich, wobei der weitere Vorteil geverbundenen Auswerteschaltung, welche die durch die geben ist, daß auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. geBewegung des Bauteils entstandene Modulationsfre- ringen linearen Schwingbewegungen des Bauteils eine quenz ermittelt und in entsprechende Signale umsetzt. ausreichende Meßgenauigkeit gewährleistet ist.