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Anordnung zum berührungslosen Nachweis bzw. zur
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch Abschrägung der Stangen 5/8 entsprechend der Darstellung der
Figur 1 wird die Möglichkeit geschaffen, die Luftspalte möglichst eng zu halten.
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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.
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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.
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wenn die Welle aus einem Eisenmetall od.dgl. besteht.
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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.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.
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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
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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.
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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.
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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.