DE3417893A1 - Anordnung zum beruehrungslosen nachweis bzw. zur beruehrungslosen messung mechanischer spannungszustaende von maschinenteilen - Google Patents

Anordnung zum beruehrungslosen nachweis bzw. zur beruehrungslosen messung mechanischer spannungszustaende von maschinenteilen

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Description

  • Anordnung zum berührungslosen Nachweis bzw. zur
  • berührungslosen Messung mechanischer Spannungszustände von Maschinenteilen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum berührungslosen Nachweis bzw. zur berührungslosen Messung mechanischer Spannungszustände von - insbesondere beweglichen -Maschinenteilen mit einer vom Maschinenteil beabstandeten Sensoranordnung, deren Induktivität von Materialeigenschaften, insbesondere der von mechanischer Spannung abhängigen Größe der magnetischen Permeabilität des Maschinenteiles bzw. eines Bereiches desselben abhängt.
  • Aus der DE-OS 28 27 967 ist eine derartige Anordnung bekannt, welche nach dem sogenannten Torduktor-Prinzip arbeitet und zur Messung der Torsionsbelastung einer gegebenenfalls rotierenden Welle dient. Diese durchsetzt dazu mehrere mit Spulen versehene Polringe, die die Welle mit radialem Abstand umfassen. Mittels der einen Polring-Spulen-Anordnung wird die Welle mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt, indem die Spulen an eine Wechselspannungsquelle entsprechender Frequenz angeschlossen werden. Das magnetische Wechselfeld wird von der Welle in eine weitere Polring-Spulen-Anordnung induziert, so daß an den Spulen dieser Anordnung ein mehr oder weniger großer Strom abgegriffen werden kann. Dabei hänqt die Stärke dieses Ausgangs stromes von der Torsionsbelastung der Welle ab, weil mechanische Spannungszustände eine Anisotropie der induzierten Magnetfelder auf der Wellenoberfläche hewirken.
  • Diese bekannte Anordnung besitzt eine relativ geringe Empfindlichkeit, weil die induzierten Magnetfelder in der Welle zu Wirbeltrömen führen, die ihrerseits eine Wärmeerzeugung und damit entsprechend große Verlustleistungen erzeugen. Darüber hinaus muß auch mit einer geringen Genauigkeit gerechnet werden, weil das Material der Welle in der Regel eine ausgeprägte magnetomechanische Hysterese besitzt.
  • Darüber hinaus ist es bekannt, die Belastung von Maschinenteilen mittels Dehnungsmeßstreifen zu messen, welche mit dem Maschizzenteil flächig verbunden sind und einen elektrischen Widerstand besitzen, welcher eine ausgeprägte Abhängigkeit von der mechanischen Spannung innerhalb des Dehnungsmeßstreifens aufweist. Somit bildet der elektrische Widerstand des Dehnungsmeßstreifens ein Maß für die mechanische Spannung desselben bzw. des damit mechanisch verbundenen Maschinenteiles.
  • Im Gegensatz zu Anordnungen, die nach dem eingangs erläuterten Torduktor-Prinzip arbeiten, zeichnen sich Meßverfahren unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen durch hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit aus. Jedoch sind für dieses Meßverfahren störanfällige übertragungselemente notwendig, wenn die mechanische Belastung beweglicher Maschinenteile überwacht werden soll, da die Ubertragungselemente zumindest teilweise mit dem Maschinenteil mitbewegt werden müssen.
  • Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit arbeitende Anordnung der eingangs genannten Art zum berührungslosen Nachweis bzw. zur berührungslosen Messung mechanischer Spannungszustände von Maschinenteilen zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf dem Maschinenteil zur Steuerung der Induktivität der Sensoranordnung eine amorphe Metallschicht aus stark magnetostriktivem Material angeordnet und mit dem Maschinenteil kraftschlüssig verbunden ist.
  • Magnetostriktive Materialien erfahren unter dem Einfluß von Magnetfeldern eine relativ ausgeprägte Formänderung, beispielsweise in Form einer Längenänderung des magnetostriktiven Körpers, andererseits ändert sich die magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Materials stark in Abhängigkeit von Formänderungen bzw. mechanischen Spannungen. Damit wird aber die Induktivität der Sensoranordnung deutlich und leicht meßbar verändert, wenn die magnetostriktive Schicht bei entsprechender Belastung des Maschinenteils auf Zug, Druck oder Scherung beansprucht wird. Aufgrund der amorphen Struktur der genannten Schicht kann praktisch keine magnetomechanische Hysterese auftreten. Somit wird durch die erfindungsgemäße Anordnung eine hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit möglich.
  • Genauigkeit und Empfindlichkeit lassen sich noch dadurch steigern, daß als Sensoranordnung mindestens eine Spule mit einem sich zumindest teilweise in Richtung der Bewegung bzw. mechanischen Spannung des Maschinen teiles erstreckenden Kern aus amorphem, nur wenig bzw. nicht magnetostriktivem weichmagnetischen Material angeordnet ist.
  • Aufgrund dieser Maßnahmen können mechanische Belastungen des Spulenkernes, beispielsweise durch Stöße oder infolye von ungleichmäßiger Erwärmung und damit einhergehender mechanischer Spannung, daß Meßergebnis nicht verfälschen. Im übrigen werden durch die amorphe Struktur wiederum eine Hysterese vermieden und dementsprechend eine erhöhte Genauigkeit erreicht.
  • Zweckmäßigerweise werden sowohl für die magnetostriktive Schicht als auch das nicht magnetostriktive weichmagnetische Material des Spulenkernes Stoffe mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ausgewählt, so daß unter dem Einfluß magnetischer Wechsel felder nur Wirbelströme geringer Stromstärke auftreten können und die damit einhergehenden Verlustwärmeleistungen begrenzt bleiben.
  • Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt darin, daß bei Verwendung elektrisch schlecht leitenden amorphen Materials für die magnetostriktive Schicht sowie den Spulenkern die Möglichkeit besteht, die magnetostriktive Schicht magnetischen Wechsel feldern mit sehr hohen Frequenzen im Bereich von 30 bis 100 KHz zu beaufschlagen, um die bei diesen Frequenzen besonders ausgeprägten, von der mechanischen Spannung abhängigen Permeabilitätsänderungen der magnetostriktiven Schicht und die damit einhergehenden Änderungen der Induktivität der Spulen-bzw. Sensoranordnung ausnutzen zu können. Außerdem wird die durch die Anordnung der magnetostriktiven amorphen Metallschicht schon sehr kleine magnetomechanische Hysterese unter Verwendung hochfrequenter Magnetfelder weiter verringert. Dabei ist weiterhin von Vorteil, daß die hochfrequenten Magnetfelder nur eine geringe Eindringtiefe haben und dementsprechend die magnetostriktive Schicht nur vernachlässigbar in Richtung des Maschinenteiles zu durchsetzen vermögen. Damit kann aber das Material des Maschinenteiles keinerlei verfälschenden Einfluß auf die Meßergebnisse haben. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Maschinenteil aus einem Material besteht, welches ferromagnetische Eigenschaften mit ausgeprägter magnetomechanischer Hysterese besitzt.
  • Als magnetostriktives Material sind Kobalt-Eisen-Nickel-Legierungen mit hohem Kobalt Anteil besonders geeignet, wobei die elektrische Leitfähigkeit durch Beigabe von Silizium od.dgl. vermindert sein kann.
  • Als nicht magnetostriktive Materialien (für den Spulenkern) eignen sich Nickel-Eisen-Legierungen mit Molybdänbeigaben, wobei wiederum die elektrische Leitfähigkeit durch Beigabe von Silizium oder ein ähnliches Halbleitermaterial gemindert werden kann.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, in der ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Die dargestellte Anordnung dient dazu, die Torsionsbelastung einer Welle und damit das übertragene Drehmoment zu messen. Es zeigen Fig. 1 eine Ansicht der Anordnung in Achsrichtung der Welle, Fig. 2 ein Schnittbild entsprechend der Schnittlinie II-II in Figur 1, Fig. 3 eine Ansicht des Sensorteiles entsprechend dem Pfeil III in Figur 2 und Fig. 4 ein Schnittbild entsprechend der Schnittlinie IV-IV in Figur 2.
  • Auf dem Umfang einer Welle 1 ist eine amorphe Schicht 2 aus einem magnetostriktivem Material angeordnet. Diese Schicht 2 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Sputtern oder elektrolytisch erzeugt. Jedoch ist es auch möglich, die Schicht 2 in Folienform auf die Welle aufzukleben oder aufzuschweißen, derart, daß eine kraftschlüssige Verbindung gegeben ist.
  • Ein geeignetes magnetostriktives Material wird beispielsweise durch eine Legierung gebildet, die zu 58 % aus Kobalt, zu 10 % aus Nickel, zu 5 % aus Eisen, zu 11 % aus Silizium sowie zu 16 % aus Bor besteht. Das ausgeprägte magnetostriktive Verhalten wird in erster Linie durch den hohen Kobalt-Anteil bewirkt. Die Silizium-Beigabe dient in erster Linie dazu, die elektrische Leitfähigkeit des Materials herabzusetzen.
  • Das genannte Material hat ebenso wie ähnliche Materialien ferromagnetische Eigenschaften und ein ausgeprägt magnetostriktives Verhalten. Dies bedeutet, daß das Material bei Beaufschlagung mit einem magnetischen Feld seine Längenabmessungen in Richtung der magnetischen Feldlinien zu ändern sucht. Darüber hinaus ändert das Material seine magnetische Permeabilität, wenn es einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird, wobei die Permeabilitätsänderungen in Richtung der mechanischen Spannung auftreten. Das angegebene Material vergrößert seine Permeabilität unter dem Einfluß von mechanischen Zugspannungen.
  • Im dargestellten Beispiel wird die Schicht 2 mechanischen Spannungen ausgesetzt, wenn die Welle 1 bei Übertragung eines entsprechenden Drehmomentes auf Torsion beansprucht wird. Dabei treten in der Umfangswandung der Welle 1 und damit in der Schicht 2 Scherkräfte auf, die die Permeabilität der Schicht 2 deutlich beeinflussen.
  • Diese Permeabilitätsänderungen führen zu Änderungen der Induktivität eines Sensors 3, d.h. die Induktivitätsänderungen sind ein Maß für das von der Welle 1 übertragene Drehmoment.
  • Der Sensor 3 besitzt eine etwa quadratische Trägerplatte 4 aus Kunststoffmaterial, welches durch Fasern od.dgl. verstärkt sein kann. Die Ecken der Trägerplatte 4 sind, wie aus Figur 4 ersichtlich ist, abgeschrägt.
  • An den Eckbereichen der Trägerplatte 4, die sich parallel zur Achse der Welle 1 erstreckt, sind Fortsätze 5 aus Kunststoffmaterial angeformt, welche etwa senkrecht zur Trägerplatte 4 ausgerichtet sind und sich zur Welle 1 hin erstrecken. Die Fortsätze 5 besitzen einen Querschnitt, der die Form eines rechtwinklig gleichschenkligen Dreieckes hat, wobei die die Hypotenuse des Dreieckes bildende Fläche mit dem abgeschrägten Kantenbereich der Trägerplatte 4 fluchtet.
  • Auf den genannten Hypotenusenflächen der Fortsätze 5 ist jeweils eine Beschichtung 6 aus einem nicht magnetostriktivem,amorphen Material aufgebracht. Dabei sind die Beschichtungen 6, wie aus Figur 4 ersichtlich ist, überkreuz durch Streifen 7 aus dem gleichen amorphen Material verbunden. Die Streifen 7 sind gegeneinander durch Zwischenschaltung einer Isolierschicht (nicht dargestellt) elektrisch isoliert.
  • Das nicht magnetostriktive Material kann beispielsweise aus einer Legierung bestehen, die sich zu 39 % aus Eisen, zu 39 % aus Nickel, zu 4 % aus Molybdän, zu 6 % aus Silizium sowie zu 12 % aus Bor zusammensetzt. Dabei ist der Molybdänanteil im Hinblick auf die Unterdrückung von Magnetostriktion wesentlich. Der Siliziumanteil dient wiederum zur Herabsetzung der elektrischen Leitfähigkeit.
  • Die Beschichtungen 6 sind durch Leisten 8 abgedeckt, welche einen dreiecksförmigen Querschnitt aufweisen, derart, daß die Leisten 8 zusammen mit den Fortsätzen 5 jeweils Stangen mit etwa quadratischem Querschnitt bilden.
  • Auf diesen Stangen 5/8 sind jeweils nahe der Trägerplatte 4 Spulen 9 angeordnet. Die Endstücke der die Spulen 9 bildenden Metalldrahtlitze sind durch entsprechende Bohrungen der Trägerplatte 4 zu deren von der Welle 1 abgewandter Seite hindurchgeführt.
  • Auf der von der Welle 1 abgewandten Seite der Trägerplatte 4 ist ein Abdeckteil 10 angeordnet, welches zusammen mit der Trägerplatte 4 ein Gehäuse bildet, in dessen Innenraum die Spulenenden mit zugeordneten Adern eines Verbindungskabels 11 verbunden sind.
  • Die dargestellte Anordnung funktioniert wie folgt: Die Spulen 9 werden (beispielsweise) mit einer Wechselspannung sehr hoher Frequenz, etwa zwischen 30 bis 100 KHz beaufschlagt, so daß entsprechend hochfrequente Magnetfelder erzeugt werden, die sich in erster Linie durch die Spulenkerne, die von den Beschichtungen 6 sowie den Streifen 7 gebildet werden, sowie die Luftspalte zwischen den freien Enden der Beschichtungen 6 an den freien Enden der Stangen 5/8 sowie die Schicht 2 auf der Welle 1 erstrecken.
  • Durch Abschrägung der Stangen 5/8 entsprechend der Darstellung der Figur 1 wird die Möglichkeit geschaffen, die Luftspalte möglichst eng zu halten.
  • Je nach der Stärke der mechanischen Spannung, welche auf die Schicht 2 einwirkt, verändert sich deren Permeabilität und damit die Induktivität, d.h. der Wechselstromwiderstand, der Spulen 9. Diese Induktivitätsänderung läßt sich durch eine geeignete Meßschaltung nachweisen, beispielsweise, indem die Spulen 9 parallel oder in Reihe mit einer Kapazität geschaltet und die jeweilige Parallel-bzw. Reihenschaltung - etwa durch Einstellung der Kapazität - auf Resonanz abgestimmt werden.
  • Die genannten hohen Frequenzen sind hinsichtlich der erreichbaren Empfindlichkeit vorteilhaft, weil die hochfrequenten Magnetfelder nur wenig in die Schicht 2 eindringen können, so daß bereits eine Schichtdecke in der Größenordnung von 30 f ausreicht, ein Eindringen der Magnetfelder in die Welle 1 zu verhindern. Damit kann das Material der Welle 1 keinerlei Einfluß auf die Empfindlichkeit und/oder die Genauigkeit der Meßanordnung ausüben. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Material der Welle 1 bei Magnetisierung ein Verhalten mit ausgeprägter magnetomechanischer Hysterese aufweist, d.h.
  • wenn die Welle aus einem Eisenmetall od.dgl. besteht.
  • Da sowohl die Beschichtungen 6 als auch die Streifen 7 sowie die Schicht 2 aufgrund der Silizium-Beimengungen aus elektrisch schlecht leitendem Material bestehen, wird die Stärke von Wirbelströmen, die mit dem magnetischen Wechselfeld verbunden sind, in vorteilhafter Weise vermindert.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.
  • Gegebenenfalls genügt es, eine einzige Spule anzuordnen, deren Kern sich in Bewegungsrichtung bzw. Belastungsrich- tung des Maschinenteiles erstreckt und nahe der auf dem Maschinenteil angeordneten Schicht 2 angeordnet ist bzw.
  • der Schicht 2 angenäherte Endteile aufweist. Dabei kann der Kern wiederum als Streifen aus einem amorphen, nicht magnetostriktivem Material auf einem Kunststoffträger angeordnet sein, welcher gleichzeitig als Träger für die ihn umschließende Spule dient.
  • Im ührigen ist es auch möglich, die Spulen 9 statt auf den Stangen 5/8 im Bereich der Streifen 7 auf der Trägerplatte 4 anzuordnen.
  • Es ist auch möglich, die Sensoranordnung 3 so auszubilden, daß im Zentrum zwischen den Spulen 9 eine weitere Spule angeordnet ist, welche über die amorphe Metallschicht 7 mit den äußeren Spulen 9 magnetisch verbunden ist und mit einer hochfrequenten Wechselspannung (30 bis 100 KHz) gespeist wird. Damit induziert der über die magnetostriktive amorphe Metallschicht 2 gesteuerte Magnetfluß durch die Sensorspulen 9 in diesen eine elektrische Spannung, welche bei geeigneter Schaltung der Spulen 9 ein Maß für die mechanischen Spannungen auf der Welle 1 ist.

Claims (9)

  1. Ansprüche 1. Anordnung zum berührungslosen Nachweis bzw. zur berührungslosen Messung mechanischer Spannungszustände von - insbesondere beweglichen - Maschinenteilen mit einer vom Maschinenteil beabstandeten Sensoranordnung, deren Induktivität von Materialeigenschaften, insbesondere der von mechanischer Spannung abhängigen Größe der magnetischen Permeabilität, des Maschinenteiles bzw. eines Bereiches desselben abhängt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf dem Maschinenteil (1) zur Steuerung der Induktivität der Sensoranordnung (3) eine amorphe Schicht (2) aus stark magnetostriktivem Material angeordnet und mit dem Maschinenteil (1) kraftschlüssig verbunden ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (2) unmittelbar auf dem Maschinenteil (1) angeordnet, insbesondere aufgesputtert oder elektrolytisch aufqebracht ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (2) in Folienform mit dem Maschinenteil (1) verklebbar oder verschweißbar ist.
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) aus einer Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung mit hohem Kobaltgehalt besteht.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoranordnung (3) mindestens eine Spule (9) mit einem sich zumindest teilweise in Richtung der Bewegung bzw. Spannung des Maschinenteiles (1) erstreckenden Kern (Beschichtung 6, Streifen 7) aus amorphem, nur wenig bzw. nicht magnetostriktivem Material angeordnet ist.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (Beschichtung 6, Streifen 7) im wesentlichen C-Form mit der magnetostriktiven Schicht (2) zugewandten und mit geringem Abstand von dieser Schicht (2) angeordneten Enden bzw. Endstücken aufweist.
  7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern (Beschichtung 6, Streifen 7) der Spule bzw. Spulen (9) mindestens eine aus dem amorphen, nicht magnetostriktivem Material gebildete streifenförmige Schicht (6,7) auf einem Kunststoffträgerteil (4,5) angeordnet ist.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht magnetostriktive Material aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit Molybdän-Beimengung besteht.
  9. 9. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Messung der Torsionsspannung bzw. des übertragenen Drehmomentes einer Welle (1).
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