DE3124700C2

DE3124700C2 -

Info

Publication number: DE3124700C2
Application number: DE19813124700
Authority: DE
Inventors: Hansjoerg 7251 Weissach De Hachtel; Klaus Dr. 7016 Gerlingen De Dobler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-06-24
Filing date: 1981-06-24
Publication date: 1989-12-14
Also published as: DE3124700A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei diesen bekannten Einrich tungen werden häufig bei rotierenden Maschinen bereits vorhandene Zahnräder, z. B. die Schwungradverzahnung am Verbrennungsmotor, mit geeigneten Gebern zur Impulsge winnung verwendet. Bei dem bekannten Wirbelstrommeß verfahren wird der unterschiedliche Abstand zwischen Zahn und Zahnlücke der Zahnscheibe zum Wirbelstromgeber als Meßeffekt ausgenutzt. Da es sich hierbei hauptsächlich um ein Abstandsmeßverfahren handelt, wird neben der Zähne zahl auch die nicht kreisförmige Zahnscheiben-Drehung erfaßt, die z. B. durch Lagerspiel, Wellendurchbiegung oder nicht senkrechte Montage der Zahnscheibe zur Welle verursacht werden kann. Es wird daher ein Meßsignal ge wonnen, das unterschiedliche Frequenzen aufweist. Das Meßsignal, bedingt durch das Vorbeiführen der Zähne am Geber, ist mit einem Signal der ersten Ordnung der Drehzahl, überlagert. Dieses Meßsignal ist zur Weiter verarbeitung für eine Impulsgewinnung ungeeignet, da die nachfolgen de Schaltung, die z. B. ein Schmitt-Trigger sein kann, nicht alle durch Zähne hervorgerufenen Signaländerungen erfaßt, weil die kon stante Triggerspannung wegen der Spannungsüberlagerung nicht von jeder Schwingung überschritten wird. Damit steht am Ausgang des Schmitt-Triggers ein Signal, das nicht alle Zähne erfaßt hat. Somit ist keine exakte Auswertung möglich.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, d. h. um die tiefen Frequenzen im Meßsignal zu eliminieren, werden diese üblicherweise mittels eines Hochpaßfilters ausgefiltert. Dabei werden bei niedrigen Zahnschei bendrehzahlen auch die Meßspannungen, hervorgerufen durch die Zähne, weggefiltert, so daß mit solchen Anordnungen nur ab einer bestimmten Mindestdrehzahl gearbeitet werden kann.

Als Beispiel für eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl von rotierenden Teilen nach dem Wirbelstrommeßverfahren sei die US-PS 38 05 161 genannt. Gemäß der genannten Patentschrift wird der von der Tachowelle angetriebene Gebermagnet des Tachometers mittels einer Empfängerspule abgetastet und die Frequenz des so erhaltenen periodischen Signales als Maß für die Fahrzeuggeschwindigkeit heran gezogen. Eine Berücksichtigung einer gegebenenfalls nicht kreisför migen Zahnscheiben-Drehung ist jedoch nicht vorgesehen.

Eine weitere Einrichtung zum magnetischen Abtasten eines drehenden Bauteils ist aus der DE-OS 27 55 379 bekannt. Dabei wird mit einem festen Elektromagneten (Stator) ein mit Öffnungen, Zähnen oder Rif felungen versehener Rotor abgetastet. Durch Magnetflußänderungen wird ein Ausgangssignal induziert, dessen Frequenz proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist.

Da durch ungewollte Veränderungen des Luftspaltes zwischen Stator und Rotor Störspannungen auftreten können, sind Maßnahmen vorgese hen, die dies verhindern. Dazu werden die magnetisch wirksamen Flä chen im Stator und Rotor so ausgebildet, daß ihr Flächenverhältnis einen geeigneten Wert aufweist, so daß keine Störspannungen entste hen und zu Fehlimpulsen führen können.

Im Hinblick auf die genannten Nachteile des Standes der Technik liegt dem Anmeldungsgegenstand die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl von rotierenden Teilen zu schaffen, mit der die infolge von Unrundheiten der rotierenden Teile auftretenden Ungenauigkeiten verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des geltenden Hauptanspruches gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den bekannten Einrichtungen den Vorteil, daß sie, trotz einer vorhandenden Unrundheit der Zahnschei ben-Drehbewegung, Meßspannungs- oder Stromsignale so erzeugt, daß sämtliche Zähne der Zahnscheibe über eine fest eingestellte Trigger schwelle erfaßt werden können, unabhängig von der Drehzahl der Zahn scheibe.

Ein weiterer Vorteil ist der sehr geringe Aufwand, der zur Realisie rung des Ausführungsbeispiels nötig ist.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und in der anschließenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schaltungsgemäße Ausführung des Ausführungs beispiels, wobei Fall a und Fall b zwei verschie dene Möglichkeiten zur Änderung der Frequenz angeben, und

Fig. 2 den Spannungsverlauf an der Sensorspule in Ab hängigkeit von der Frequenz bei unterschiedlichen Abstän den Sensor-Zahnscheibe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der in Fig. 1 angegebenen Schaltung für die berüh rungsfreie Abstandsmessung nach dem Wirbelstromprinzip wird der Scheinwiderstand der Sensorspule zur Meßsignalgewin nung ausgenutzt. Wird die Sensorspule 1 von einem vom Generator 2 erzeugten Wechselstrom genügend hoher Fre quenz durchflossen, induziert das von der Sensorspule erzeugte Magnetfeld auf dem Meßobjekt, der Zahnscheibe, Wirbelströme, die umso stärker sind, je enger der Abstand zwischen Zahn bzw. Zahnlücke zum Sensor ist. Diese Wirbelströme haben zur Folge, daß die Impedanz der Sen sorspule 1 wesentlich erniedrigt wird.

Um die Veränderung der Impedanz der Sensorspule 1 messen und dabei die Drehzahl erfassen zu können, ist der Gene rator 2, der vorzugsweise eine sinusförmige Spannung liefert, über einen Vorwiderstand 3 mit der Sensor spule 1 verbunden. Parallel zur Sensorspule 1 liegt, gestrichelt gezeichnet, eine Kapazität 10, die mit der Sensorspule 1 einen Parallelschwingkreis bildet und vom Sensoranschlußkabel herrührt. Am Verbindungspunkt des Vorwiderstandes 3 mit der Sensorspule 1 liegt die Anode einer Diode 4, deren Kathode mit einem zur Sensorspule paral lel liegenden Speicherkondensator 5 verbunden ist. Der Widerstand 6 liegt parallel zum Speicherkondensator 5. Diesem nachgeschaltet ist ein Tiefpaß 7, 8.

Der Generator 2 ist im Fall a als Frequenzgenerator aus gebildet, der einen sinusförmigen oder sinusähnlichen Wechselstrom liefert, dessen Frequenz stufenlos verän derbar ist. Falls der Generator 2 z. B. als Oszillator ausgebildet ist, der lediglich eine fest eingestellte Frequenz erzeugt, kann im Fall b zusätzlich ein veränder licher Kondensator, z. B. ein Drehkondensator 9 vorgesehen werden, der parallel zur Sensorspule 1 angeordnet ist.

Das an der Sensorspule 1 liegende Signal wird in der Diode 4 gleichgerichtet und von dem Speicherkondensator 5 ge speichert. Die Größe des parallel zum Speicherkondensator 5 liegenden Widerstands 6 legt im wesentlichen die Ent ladegeschwindigkeit der im Speicherkondensator 5 gespei cherten Ladung fest und bestimmt damit, zusammen mit dem nachgeschalteten Tiefpaß 7, 8, die Grenzfrequenz der Auswerteschaltung. An diesem entsteht somit eine Ausgangs spannung, die umso größer ist, je größer der Abstand Zähne, bzw. Zahnlücke vom Sensor ist.

In Fig. 2 sind mehrere Spannungsverläufe an der Sensor spule 1 in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstroms, mit der die Sensorspule 1 gespeist wird, dargestellt. Aus den Kurven I-IV ist ersichtlich, daß sich der Sensor 1 einen Parallelschwingkreis entsprechend verhält. Im un teren Frequenzbereich überwiegt der induktive Anteil, was durch einen ansteigenden Spannungsverlauf bei größer wer dender Trägerfrequenz zum Ausdruck kommt. Nach Erreichung der Resonanzfrequenz beginnt sich die am Sensor anliegende Spannung zu verkleinern; dies ist auf den wachsenden Ein fluß des kapazitiven Anteils zurückzuführen, der durch Kabelkapazitäten 10 des Sensor-Anschlußkabels gebildet wird. Falls diese nicht ausreichen, muß zusätzlich noch ein Kondensator vorgesehen sein. Die Kurve I zeigt den Spannungsverlauf, der sich ergibt, wenn der Sensor am wenig stens Wirbelstrom auf dem Meßobjekt, der Zahnscheibe, erzeugt, d. h. wenn der Abstand zur Zahnscheibe, gemessen gegen die Zahnlücke, am größten ist. Die Kurve II entsteht, wenn die Zahnscheibe um 180° gedreht und wenn ebenfalls gegen die Zahnlücke gemessen wird. Bedingt durch die Unrundheit der Drehscheibenbewegung verengt sich der Abstand Sensor-Zahnlücke auf den kleinsten Wert. Der Sensor 1 erzeugt dadurch mehr Wirbelstrom und die Resonanzfrequenz erhöht sich. Die Reso nanzkurven I und II schneiden sich bei der Frequenz f ₁. Die Kurven III und IV zeigen die Kennlinien, die entstehen, wenn der Sensor gegen die Zähne mißt. Sie verlaufen ähn lich wie die Resonanzkurven I und II, nur sind die Span nungswerte etwas geringer. Sie schneiden sich bei einer Frequenz f ₂. Bei größeren Unrundheiten besteht die Mög lichkeit, daß sich die Kurven I und II und entsprechend die Kurven III, IV nicht mehr schneiden, sondern nur noch stark annähern.

Aus der Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Spannungsabfall am Sensor bei der Frequenz f ₁ bzw. f ₂ sowohl bei dem größten als auch bei dem kleinsten Abstand Sensor-Zahnscheibe den gleichen Betrag annimmt. Wenn also die Sensorspule 1 von einem Wechselstrom mit der Trägerfrequenz f ₁ oder f ₂ gespeist wird, wird ein Meßsignal erzeugt, bei dem die Schwingung der ersten Ordnung unterdrückt oder stark eingeschränkt ist. Sowohl für die Meßsignale, die durch die Messung gegen die Zahnlücke erzeugt werden als auch für die Meß signale, die durch eine Messung gegen den Zahn erzeugt werden, kann eine Triggerspannung angegeben werden, die so groß ist, daß jeder Zahn von einer nachgeschalteten Auswerteschaltung z. B. Schmitt-Trigger erfaßt wird.

Falls die Resonanzkurve I und II bzw. III und IV keine Schnittstellen aufweisen, soll für die Frequenz f ₁ bzw. f ₂ die Frequenz gewählt werden, bei der die Kurven sich am stärksten annähern.

Die Höhe der Frequenzen f ₁ und f ₂ hängen u. a. von der Größe der Unrundheit der Zahnscheiben-Drehbewegung ab. Soll das Verfahren in Serienprodukten, z. B. bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, so ist davon auszugehen, daß jedes einzelne Exemplar eine andere Unrundheit aufweist. In diesem Fall muß die Sensorspule 1 an einen Frequenzgene rator 2 angeschlossen sein, der einen sinusförmigen oder sinusähnlichen Wechselstrom stufenlos veränderbarer Frequenz liefert, damit die unterschiedlich großen Fre quenzen f ₁ bzw. f ₂ eingestellt werden können (Falla).

Falls jedoch aus Kostengründen kein Frequenzgenerator, sondern ein Oszillator vorgesehen ist, der lediglich eine fest eingestellte Trägerfrequenz erzeugt (z. B. 2 MHZ), während die Frequenzen f ₁ bzw. f ₂ - bedingt durch die Größe der Induktivität der Sensorspule 1 und der Größe der parallel zu ihr geschalteten Kapazität 10 - höher oder tiefer liegen (z. B. 2,8 bzw. 3,5 MHZ) ist es möglich, durch Verstellung eines zusätzlichen, parallel zur Sensorspule 1 geschalteten Drehkondensators 9, den Wert der Kapazität des Schwingkreises zu verändern und damit die Resonanz stellen solange nach oben oder unten zu verschieben, bis f ₁ bzw. f ₂ die gleiche Frequenz aufweisen wie die Träger frequenz. Auf diese Weise kann in einem weiten Bereich jede Unrundheit-Anzeige durch Abgleich mit der parallel zur Sensorspule 1 geschalteten Kapazität soweit unterdrückt werden, daß die Drehzahl über die Zähne einwandfrei erfaßt wird.

Bisher wurde angenommen, daß die Zahnscheibe einen konstanten Schlag hat, z. B. verursacht durch eine ungenaue Montage. Es ist jedoch auch möglich, daß die Unrundheiten bei ver schiedenen Drehzahlen unterschiedlich groß sind, z. B. durch drehzahlabhängige Durchbiegung der Zahnscheibenwellen. In diesem Fall gibt es eine Vielzahl von Resonanzkurven, deren Parameter die Drehzahl ist. Somit gibt es auch eine Vielzahl von Schnittstellen und damit mehrere Frequenzen f ₁, f ₂, die aber alle innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen. Als Trägerfrequenz ist dann eine Frequenz zu wählen, die zwischen der maximalen und minimalen Frequenz f ₁ bzw. f ₂ liegt. Beim Auftreten der Unrundheiten wird dann zwar die Schwingung erster Ordnung nicht vollständig unterdrückt, sie wird aber so stark reduziert, daß eine nachfolgende Triggerschaltung sämtliche Zähne erfassen kann. Ent sprechendes gilt sinngemäß für die Veränderung des paral lel zur Sensorspule angeordneten Drehkondensators 9.

Zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels wurde hier eine Aus werteschaltung gewählt, die mit Hilfe eines Wirbelstrom sensors eine Meßspannung erzeugt, deren Größe u. a. vom Abstand Sensor-Meßobjekt abhängt. Die hier beschriebene Einstellung und Bestimmung der Trägerfrequenz kann bei sämtlichen Wirbelstrom- oder induktiven Abstandsmeßmethoden, die zur Drehzahlermittlung ausgenützt werden, verwendet werden kann, sofern der Scheinwiderstand der Sensorspulen oder eine davon abhängige Größe als Meßindikator benutzt wird.

Claims

1. Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl von rotierenden Teilen, insbesondere nach dem Wirbelstrommeßverfahren, mit einer mit den rotierenden Teilen verbundene Zahnscheibe und einer die Zahnscheibe abtastenden Sensorspule, die von einem Wechselstrom gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Sensorspule (1) eine Kapazität (10, 9) ange ordnet ist und daß durch Veränderung der Wechselstromfre quenz und/oder durch Veränderung der Eigenfrequenz des Schwingkreises aus Sensorspule (1) und Kapazität (9, 10) eine infolge Unrundheiten der Zahnscheiben- Drehbewegung erzeugte überlagerte Frequenz auf ein Minimum eingestellt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule (1) von einem stufenlos veränderbaren Frequenzgenerator (2) gespeist wird, dessen Frequenz auf den Wert eingestellt wird, der sich aus der Schnittstelle der Resonanzkurven des Schwingkreises beim maximalen und minimalen Abstand Zahnscheibe-Sensor ergibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule (1) von einem stufenlos veränderbaren Frequenzgenerator (2) gespeist wird, dessen Frequenz auf den Wert eingestellt wird, bei dem sich die Resonanzkurven des Schwingkreises maximalen und minimalen Abstand Zahn scheibe Sensor (1) oberhalb der Resonanzfrequenz am stärk sten annähern.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule (1) von einem Oszillator mit fest eingestellter Frequenz gespeist wird und parallel zur Sensorspule (1) ein veränderbarer Kondensator (9) ge schaltet ist.