DE3437379A1 - Device for measuring the rotary or bending force exerted on a shaft - Google Patents
Device for measuring the rotary or bending force exerted on a shaftInfo
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Abstract
Description
VORRICHTUNG ZUM MESSEN DER AUF EINE WELLE DEVICE FOR MEASURING ON A SHAFT
AUSGEÜBTEN DREH- ODER BIEGEKRAFT Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Dreh- oder Biegekraft, die von einem Wellenversatz herrührt, der von einer entfernten Stelle auf die Welle einwirkt, und zwar durch Beobachtung der Permeabilitätsänderung einer hochmagnetostriktiven Oberfläche. Die Erfindung betrifft insbesondere eine derartige Technik, bei der keine körperliche Verbindung zwischen der zu untersuchenden Fläche und dem Sensor erforderlich ist. ROTATING OR BENDING FORCE EXECUTED The invention relates to a device for measuring a torsional or bending force resulting from a shaft misalignment that acts on the shaft from a distant point by observing the Change in permeability of a highly magnetostrictive surface. The invention relates to especially a technique where there is no physical connection between the area to be examined and the sensor.
Seit vielen Jahren besteht der Bedarf an einem Verfahren zum Messen der Torsionsbelastung einer Drehwelle, das berührungslos, mit geringer Leistung und eigensicher arbeitet und keine wesentlichen Modifikationen der Welle, keine an die Welle zu befestigende Elektronik, keine sich abnützenden Teile (z.B. Schleifringe) und keine wesentliche Gewichtshinzufügung zur Welle erfordert.There has been a need for a method of measuring for many years the torsional load on a rotating shaft, which is contactless, with low power and works intrinsically safe and no significant modifications to the shaft, none Electronics to be attached to the shaft, no wearing parts (e.g. slip rings) and does not require substantial weight addition to the shaft.
Mögliche Lösungswege hierzu sind in den US-PSn 3 340 729, 4 135 391 und 4 364 278 beschrieben. Bei diesem Stand der Technik basiert die Torsionsmessung auf der Anwendung der Transformatorwirkung, wobei die Welle, die Umhüllung oder Hülse, die unter Torsionsbelastung stehen, als Transformatorkern wirkt.Ordnet man dann die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators geeignet um die Welle an, kann die Permeabilitätsänderung einer magnetostriktiven Welle, Umhüllung oder Hülse erfaßt werden. Die in der Welle infolge der Torsionsbelastung hervorgerufene Permeabilitätsänderung erzeugt ein asymmetrisches Magnetfeld, wodurch ein magnetischer Fluß in der Sekundärwicklung hervorgerufen wird, der in den Wicklungen einen elektrischen Strom induziert. Dieser elektrische Strom steht dann in Beziehung zur Torsionsbelastung der Welle. Der Stand der Technik diskutiert und erläutert, wie das magnetostriktive Phänomen Anwendung findet.Possible solutions to this are found in US Pat. Nos. 3,340,729 and 4,135,391 and 4,364,278. The torsion measurement is based on this prior art on the application of the transformer effect, the shaft, the cladding or Sleeves that are under torsional load act as a transformer core then the primary and secondary windings of a transformer suitably around the shaft on, the change in permeability of a magnetostrictive wave, cladding or Sleeve are detected. The one caused in the shaft as a result of the torsional load Change in permeability creates an asymmetrical magnetic field, creating a magnetic one Flux is caused in the secondary winding, which in the windings an electrical Induced current. This electrical current is then related to the torsional load the wave. The state of the art discussed and explained how that magnetostrictive phenomenon applies.
Ein wesentlicher Nachteil der obigen Lösung besteht darin, daß eine beachtliche Leistung erforderlich ist, um an der Sekundärwicklung ein meßbares Signal zu erhalten. Dieser Umstand macht es schwierig, die Meßvorrichtung sicher in einer gefährlichen Umgebung zu installieren. Außerdem werden durch das induzierte Feld, das mit der Welle in Wechselwirkung steht, Geschwindigkeitsbeschränkungen auferlegt. Durch Verwendung einer Hülle oder Hülse, die aus einem hochmagnetostriktiven Material, wie z.B. einem amorphen Metall, besteht, kann zwar der Leistungsverbrauch reduziert werden; jedoch bleibt die Geschwindigkeitsbeschränkung zusammen mit den räumlichen Einschränkungen in der Nähe der Welle bestehen.A major disadvantage of the above solution is that a Considerable power is required to produce a measurable signal on the secondary winding to obtain. This fact makes it difficult to secure the measuring device in a dangerous environment to install. In addition, the induced field, that interacts with the wave, imposes speed restrictions. By using a sleeve or sleeve made of a highly magnetostrictive material, such as an amorphous metal, the power consumption can be reduced will; however, the speed limit remains along with the spatial one There are restrictions near the shaft.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Messen der auf eine Welle ausgeübten Torsions-oder Biegekraft vorzuschlagen, die mit den vorstehenden Kriterien in Einklang steht.It is therefore the object of the invention to provide an improved device for Measure the torsional or bending force exerted on a shaft to propose the is consistent with the above criteria.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention described in claim 1 solved.
Vorteilthafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen hiervon sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 22. Diese Aufgabe wird ferner durch die im Patentanspruch 23 beschriebene Erfindung gelöst.Advantageous further developments and refinements thereof are the subject matter of claims 2 to 22. This object is further achieved by the in claim 23 described invention solved.
Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen der auf eine sich drehende oder stationäre Welle ausgeübten Torsions- oder Biegekraft vorgeschlagen, wobei die Welle eine hochmagnetostriktive Oberfläche aufweist, deren Permeabilität sich als eine Funktion der Belastung infolge der auf eine solche Welle ausgeübten Torsion oder deren Biegung, Dehnung oder Pressung ändert. Ferner ist eine Einrichtung zum Messen dieser Permeabilitätsänderung durch eine Spulenimpedanzänderung vorgesehen, die eine Sondeneinrichtung einschließt, deren Spule im vorbestimmten Abstand dicht an der Oberfläche der Welle angeordnet ist.According to the invention a device for measuring the on a rotating or stationary shaft proposed torsional or bending force, wherein the shaft has a highly magnetostrictive surface, the permeability of which as a function of the loading due to the load exerted on such a shaft Torsion or their Changes in bending, stretching or compression. Further is a device for measuring this change in permeability by a change in coil impedance provided, which includes a probe device, the coil in the predetermined Distance is arranged close to the surface of the shaft.
Letztlich wird mit Hilfe eines elektrischen Schaltkreises die Änderung der Spulenimpedanz gemessen und ein ablesbares Ausgangssignal gewonnen, das eine Funktion der ausgeübten Torsion oder der ausgeübten Biegekraft darstellt.Ultimately, with the help of an electrical circuit, the change is made the coil impedance measured and a readable output signal obtained, the one Represents a function of the applied torsion or the applied bending force.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 eine Welle sowie vier Sonden, die die Erfindung verkörpern, in perspektivischer Ansicht; Fig. 2A ein alternatives Ausführungsbeispiel der Fig.The invention is described in more detail below with reference to the drawing. It shows: Fig. 1 a shaft and four probes embodying the invention, in perspective view; 2A shows an alternative embodiment of FIG.
1 in perspektivischer Ansicht; Fig. 2B eine Querschnittsansicht der Fig. 2A; Fig. 3A ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in perspektivischer Ansicht; Fig. 3B eine Querschnittsansicht der Fig. 3A; Fig. 4A ein anderes alternatives Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in perspektivischer Ansicht; Fig. 4B eine Querschnittsansicht der Fig. 4A; Fig. 4C ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in perspektivischer Ansicht; Fig. 4D eine Querschnittsansicht der Fig. 4C; Fig. 5 ein Schaltdiagramm, das die Verarbeitung der von den verschiedenen Sonden der Fig. 1 bis 4D stammenden elektrischen Signale bei der Erfindung verdeutlicht; Fig. 6 ein Schaltdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels; Fig. 7 ein anderes Schaltdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels; Fig. 8 eine graphische Darstellung der Sondenausgangssignale der Erfindung; Fig. 9A eine graphische Darstellung von Ausgangssignalen, bei denen die Wellenoberfläche vorgespannt wurde und Fig. 9B eine graphische Darstellung der Differenz der beiden Kurven der Fig. 9A. 1 in perspective view; FIG. 2B is a cross-sectional view of FIG Fig. 2A; 3A shows a further alternative exemplary embodiment of FIG. 1 in perspective Opinion; Figure 3B is a cross-sectional view of Figure 3A; Figure 4A shows another alternative Embodiment of FIG. 1 in a perspective view; 4B is a cross-sectional view of Fig. 4A; FIG. 4C shows a further alternative exemplary embodiment of FIG. 1 in perspective view; 4D is a cross-sectional view of FIG Figure 4C; 5 is a circuit diagram showing the processing of the various Electrical signals originating from the probes of FIGS. 1 to 4D illustrate in the invention; 6 is a circuit diagram of an alternative embodiment; Fig. 7 is another Circuit diagram of an alternative embodiment; 8 is a graphical representation the probe output signals of the invention; Figure 9A is a graphical representation of Output signals at which the shaft surface has been biased and FIG. 9B shows a graphical representation of the difference between the two curves of FIG. 9A.
Fig. 1 verdeutlicht eine Welle 1 mit angedeuteter Mittellinie, für die die Wellentorsion und die Biegung gemessen werden soll. Auf der Welle 1 befindet sich ein zylindrischer Kragen 2 aus einem amorphen Metall, wie z.B. Metglas (Warenzeichen). Dieser Kragen 2 bildet auf der Welle 1 eine hochmagnetostriktive Oberfläche aus, deren Permeabilität sich als eine Funktion der Belastung infolge der auf die Welle 1 ausgeübten Torsion oder der Biegung, Dehnung oder Streckung der Welle ändert.Fig. 1 illustrates a shaft 1 with an indicated center line for which the shaft torsion and the deflection should be measured. Located on shaft 1 a cylindrical collar 2 made of an amorphous metal such as Metglas (trademark). This collar 2 forms a highly magnetostrictive surface on the shaft 1, their permeability turns out to be a function of the load due to the shaft 1 applied torsion or the bending, elongation or elongation of the shaft changes.
Um die Permeabilitätsänderung der magnetostriktiven Wellenoberfläche messen zu können, sind vier Sonden 3, 9, 4 und 11 vorgesehen. Die zwei Sonden 9 und 11 sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, in einer horizontalen, die Mittellinie der Welle 1 schneidenden Ebene und die beiden Sonden 3 und 4 in einer vertikalen, orthogonalen Ebene angeordnet.About the change in permeability of the magnetostrictive shaft surface measure up four probes 3, 9, 4 and 11 are provided. The two probes 9 and 11 are, as can be seen from the drawing, in a horizontal, the center line the plane intersecting the shaft 1 and the two probes 3 and 4 in a vertical, arranged in the orthogonal plane.
Somit sind die Sonden gegenüberliegend angeordnet und befinden sich in Quadratur. Jede Sonde weist eine Spule (z.B.Thus, the probes are arranged and located opposite one another in quadrature. Each probe has a coil (e.g.
3a) auf, die in vorbestimmtem Abstand dicht an der Hülse bzw. dem Kragen 2 angeordnet ist. Wie nachstehend erläutert, sind elektrische Schaltkreise in der Sonde selbst vorgesehen oder dieser zugeordnet, um die Änderung der Spulenimpedanz zu messen und ein ablesbares Ausgangssignal zu erzeugen, das eine Funktion der ausgeübten Torsion oder der ausgeübten Biegekraft ist.3a), which at a predetermined distance close to the sleeve or the Collar 2 is arranged. As explained below, they are electrical circuits provided in the probe itself or assigned to the change in coil impedance to measure and generate a readable output signal that is a function of the exercised Torsion or the exerted bending force.
Die Oberfläche bzw. der Kragen 2 weist auch einen axial verlaufenden Spalt 5 auf, der zum Messen der Umlaufgeschwindigkeit verwendet wird, da dieser Spalt 5 beim Vorbeigleiten an der Sonde eine Unstetigkeit erzeugt. Jedoch ist dieser Spalt 5 für die Messung der Torsion oder Biegung ohne Belang.The surface or the collar 2 also has an axially extending one Gap 5, which is used to measure the rotational speed, as this Gap 5 creates a discontinuity when sliding past the probe. However, this one is Gap 5 for the measurement of torsion or bending irrelevant.
Die hochmagnetostriktive Oberfläche (Kragen 2) kann auf mehrere verschiedene Arten ausgeführt werden. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine aus amorphem Metall bestehende Hülse auf die Welle 1 aufgeklebt. Wie bereits oben erwähnt, wird ein typisches amorphes Metall unter dem Warenzeichen Metglas verkauft. Andere Befestigungsarten der Hülse können in einem Galvanisieren, einer Schweißung usw. bestehen.The highly magnetostrictive surface (collar 2) can have several different Types are running. In the preferred embodiment, one is made of amorphous Metal existing sleeve glued onto the shaft 1. As mentioned above, will a typical amorphous metal sold under the trademark Metglas. Other types of attachment of the sleeve can consist of electroplating, welding, etc.
Außerdem kann die Oberfläche der Welle mit Hilfe von chemischen Umwandlungstechniken behandelt werden, um eine magnetostriktive Oberfläche zu schaffen. Diese Tech- niken können z.B. in einer Ionenimplantation oder in einem Ionenbeschuß bestehen. Letztlich kann die Welle mit einer Beschichtung bzw. mit einem Belag versehen werden, und zwar durch einen Anstrich, Flammspritzen, Plasmaspritzen, Laserschmelzen oder Aufdampfen.In addition, the surface of the shaft can be modified with the help of chemical conversion techniques treated to create a magnetostrictive surface. This tech niken can for example consist of an ion implantation or an ion bombardment. Ultimately the shaft can be provided with a coating or a lining, and by painting, flame spraying, plasma spraying, laser melting or vapor deposition.
Die vier Sonden 3, 9, 4 und 11 sind alle in einem vorbestimmten Abstand 14 von der Welle angeordnet und stellen Wirbelstromsonden dar. Als Wirbelstromsonde, die für den vorliegenden Zweck geeignet ist, kann eine berührungslos arbeitende Sonde Verwendung finden, die von der Firma Sently Nevada Corporation of Minden1,, Nevada, hergestellt wird. Eine derartige Sonde stellt einen Wandler dar, der einen Abstand in eine Spannung umwandelt und bei normaler Anwendung, so wie er heute verkauft wird, den Abstand (nämlich einen Luftspalt) zu irgendeinem leitenden Material, wie z.B. einer Motorwelle, mißt. Somit findet diese Sonde zur Schwingungsmessung Anwendung. Der tatsächliche Wandler in der Sonde besteht aus einer Drahtspule. Diese Spule kann z.B. einen Durchmesser von 5 bis 25 mm aufweisen und wird von einem Oszillator angesteuert, der entweder einen Teil der Sonde oder eine separate Einheit darstellt. Auf diese Weise werden Wirbelströme induziert, und zwar in diesem speziellen Fall in der amorphen Metallhülse bzw. der magnetostriktiven Oberfläche.The four probes 3, 9, 4 and 11 are all at a predetermined distance 14 arranged from the shaft and represent eddy current probes. As eddy current probe, which is suitable for the present purpose can be a non-contact Find probe use made by the Sently Nevada Corporation of Minden1 ,, Nevada, is manufactured. Such a probe is a transducer, the one Distance converted into a voltage and with normal use, just as it is sold today becomes, the distance (namely an air gap) to any conductive material, such as e.g. a motor shaft. This probe is therefore used to measure vibrations. The actual transducer in the probe consists of a coil of wire. This coil can e.g. have a diameter of 5 to 25 mm and is powered by an oscillator controlled, which is either part of the probe or a separate unit. In this way eddy currents are induced, in this particular case in the amorphous metal sleeve or the magnetostrictive surface.
Solche Ströme werden selbstverständlich in Metallen induziert, wann immer diese in ein alternierendes magnetisches Feld gebracht werden. Diese Wirbelströme erzeugen ein Magnetfeld, das dem induzierenden Magnetfeld entgegengesetzt ist. Das resultierende Feld, das eine Spulenimpedanzänderung bewirkt, wird mit Hilfe der Spule der Wirbelstrom-Sonde gemessen.Such currents are, of course, induced in metals when these are always brought into an alternating magnetic field. These eddy currents generate a magnetic field that is opposite to the inducing magnetic field. That resulting field, which causes a change in coil impedance, is determined with the aid of the Coil of the eddy current probe measured.
Eine derartige Änderung der Spulenimpedanz zeigt die Größe und die Phasenbeziehungen der Wirbelströme und ihre induzierenden Magnetfeldströme an. Diese Beziehung ist von vielen Faktoren einschließlich der elektrischen Leitfähigkeit der Welle, der magnetischen Permeabilität und Inhomogenität sowie der Oszillatorfrequenz und natürlich des Luftspalts abhängig. Bei der Erfindung kann, wie nachstehend erläutert, durch Isolierung der Ansprechempfindlichkeit in bezug auf die Permeabilität die auf eine sich drehende oder stationäre Welle ausgeübte Drehkraft bzw.Such a change in coil impedance is shown in FIG size and the phase relationships of the eddy currents and their inducing magnetic field currents at. This relationship is dependent on many factors including electrical conductivity the wave, the magnetic permeability and inhomogeneity as well as the oscillator frequency and of course depending on the air gap. In the invention, as explained below, by isolating the sensitivity to permeability the Rotational force or torque exerted on a rotating or stationary shaft
Torsion gemessen werden. Eine einzige Sonde, z.B. die Sonde 3, kann allein zum Messen einer derartigen Torsion verwendet werden. Werden jedoch zwei Sonden, z.B. die Sonden 3 und 4, verwendet, so verdoppelt sich das Ausgangssignal, während Spaltänderungen und die Schwingung ausgemittelt werden. Vier Sonden 3, 4, 9 und 11 haben den weiteren Vorteil, daß die Ausgangsspannung nochmals verdoppelt wird, während das Sondenansprechverhalten gegenüber der Torsion über vier Punkte auf der Welle gemittelt wie auch eine Kompensation der Spalt änderungen und der Schwingung vorgenommen wird.Torsion can be measured. A single probe, e.g. probe 3, can can only be used to measure such torsion. However, it will be two Probes, e.g. probes 3 and 4, the output signal doubles, while gap changes and the oscillation are averaged out. Four probes 3, 4, 9 and 11 have the further advantage that the output voltage is doubled again while the probe response to torsion is about four points averaged on the shaft as well as a compensation of the gap changes and the Vibration is made.
Demzufolge stellt Fig. 1 einen grundlegenden Baustein dar, von dem andere Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit Änderungen hinsichtlich der Oberflächenpräparation und der Anzeigeelektronik abgeleitet werden.Accordingly, Fig. 1 represents a basic building block of which other embodiments of the invention along with changes in FIG Surface preparation and the display electronics can be derived.
Verwendet ein weiterer Systemaufbau diese Basiseinheit als einen Baustein, in dem diametral entgegengesetzte Sonden verwendet werden, so können Schwingungsfehler ausgeschlossen werden. Außerdem kann durch Verwendung einer torsionsmäßig vorgespannten Oberfläche die Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Torsionsbelastungen vergrößert werden. Werden zwei vorgespannte Oberflächen, d.h. zwei oder mehr getrennt angeordnete Hülsen oder Oberflächen, wie z.B. in Fig. 2A dargestellt, und vier oder mehr Sonden verwendet, so kann die Empfindlichkeit gegenüber nicht auf Torsion zurückzuführende Belastungen, d.h. die Empfindlichkeit gegenüber einer Biegung, Dehnung und Pressung verringert werden. Ferner kann durch unterschiedliche Kombination der Sondenausgangssignale die Empfindlichkeit gegenüber Belastungen der Welle, die nicht auf Torsion zurückzuführen sind, gesteigert werden, d.h. es kann z.B. die Biegung der Welle gemessen werden, während die Torsionsempfindlichkeit herabgesetzt ist.If another system structure uses this basic unit as a building block, in which diametrically opposed probes are used, vibration errors can occur be excluded. In addition, by using a torsionally preloaded Surface increases the sensitivity to low torsional loads will. Become two pre-stressed surfaces, i.e. two or more separately arranged Sleeves or surfaces such as shown in Figure 2A, and four or If more probes are used, the sensitivity to non-torsion may be Loads, i.e. the sensitivity to bending, stretching and compression be reduced. Furthermore, by different combinations of the probe output signals the sensitivity to loads on the shaft that are not due to torsion are increased, i.e. e.g. the bending of the shaft can be measured, while the torsional sensitivity is reduced.
Im allgemeinen ergibt sich die Verwendung einer Wirbelstromsonde durch den Gebrauch einer einzigen Spule, die mit einer Hochfrequenz von mehr als 100 kHz angesteuert wird und somit als Anregungsquelle für die Induzierung von Wirbelströmen in der magnetostriktiven Oberfläche wirkt. Diese gleiche Spule erfaßt auch das von den induzierten Wirbelströmen hervorgerufene Magnetfeld und somit ihre Impedanzänderungen. Eine derartige Impedanzänderung wird gemessen und sorgt für relevante Daten, die die Torsion, die Biegung und andere Deformationen der Welle 1 betreffen. Eine Spule 3a ist schematisch in der Sonde 3 der Fig. 1 dargestellt. Wie gezeigt und wie bei der im Handel befindlichen Sonde ist die Spule kreisförmig ausgebildet. Jedoch kann diese auch oval oder rechteckig sein. Eine derartige Ausbildung ändert auch die Form des elektromagnetischen Feldes, um die Torsionsbelastungsempfindlichkeit zu erhöhen und die Empfindlichkeit gegenüber Belastungen, die nicht auf Torsion zurückzuführen sind, zu verringern.In general, the use of an eddy current probe results from the use of a single coil operating at a high frequency of more than 100 kHz is controlled and thus as a source of excitation for the induction of eddy currents acts in the magnetostrictive surface. This same coil also detects that of the induced eddy currents caused by the magnetic field and thus their changes in impedance. Such a change in impedance is measured and provides relevant data that concern the torsion, bending and other deformations of the shaft 1. A coil 3a is shown schematically in the probe 3 of FIG. As shown and as with The coil of the commercially available probe is circular. However can these can also be oval or rectangular. Such training also changes that Shape of the electromagnetic field to increase the torsional load sensitivity and increase the sensitivity to loads that are not due to torsion are to decrease.
Schließlich können zusätzliche Sonden vorgesehen werden, die jeweils zueinander einen Winkel von 900 einschließen, um den Rauschabstand zu verbessern und die Wirkungen einer mechanischen oder elektrischen Ausartung zu verringern.Finally, additional probes can be provided, each make an angle of 900 to one another in order to improve the signal-to-noise ratio and the effects mechanical or electrical degeneration to reduce.
Die Fig. 2 bis 4 stellen verschiedene Modifikationen des in Fig. 1 gezeigten Bausteins dar. In den Fig. 2A und 2B ist eine zusätzliche magnetostriktive Oberfläche 8 als Hülse auf der Welle 1 ausgebildet. Diese zusätzliche Oberfläche 8 ist neben der ursprünglichen Oberfläche axial versetzt angeordnet. In der Oberfläche 8 und der Oberfläche bzw. dem Kragen 2 ist jeweils ein Spalt 5 vorgesehen, der lediglich zur Messung der Drehzahl der Welle verwendet wird. Zwei Sondenpaare, bestehend aus den Sonden 3 und 4 bzw. 6 und 7, sind diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei in jedem Sondenpaar die Wellenschwingung und die Spaltänderungen kompensiert werden. Dies wird erreicht, indem die Sondenausgangssignale algebraisch summiert werden. Wird andererseits von den Ausgangssignalen der in der gleichen radialen, durch die Mittellinie der Welle verlaufenden Ebene vorgesehenen Sondenpaaren, und zwar der benachbarten Sonden, z.B. der Sonden 4 und 7 oder 3 und 6, die Differenz gebildet, so erzeugt diese Maßnahme ein Signal, das proportional der ausgeübten Torsion ist, und beseitigt Gleichtaktfehler, wie z.B. Temperatureffekte und Belastungen, die nicht auf Torsionskräfte zurückzuführen sind und eine Biegung, eine Dehnung sowie eine Pressung der Welle hervorrufen. Diese Belastungen sind in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet, und zwar gekennzeichnet mit T (Dehnung) und C (Pressung).FIGS. 2 to 4 illustrate various modifications of the one shown in FIG. 1 Fig. 2A and 2B is an additional magnetostrictive Surface 8 designed as a sleeve on shaft 1. That extra surface 8 is arranged axially offset next to the original surface. In the surface 8 and the surface or the collar 2 is each a gap 5 is provided, which only used to measure the speed of rotation of the shaft. Two pairs of probes, consisting of the probes 3 and 4 or 6 and 7, are arranged diametrically opposite one another, wherein The shaft oscillation and the gap changes are compensated for in each probe pair. This is achieved by algebraically summing the probe output signals. On the other hand, from the output signals of the in the same radial, by the Center line of the wave extending plane provided pairs of probes, namely the neighboring probes, e.g. probes 4 and 7 or 3 and 6, the difference is formed, so this action generates a signal that is proportional to the torsion exerted, and eliminates common mode errors such as temperature effects and stresses that are not due to torsional forces and a bend, a stretch as well cause compression of the shaft. These loads are indicated by arrows in FIG. 1 indicated, marked with T (elongation) and C (compression).
Um ein lineares Signal zu erzielen, können die beiden magnetostriktiven Oberflächen 2 und 8 einer unterschiedlichen Belastung unterliegen; so kann z.B. die Oberfläche 2 in einer negativen Torsionsbeanspruchungsrichtung beanspricht werden, während die Oberfläche 8 in einer positiven Torsionsbeanspruchungsrichtung vorgespannt wird.To achieve a linear signal, the two can be magnetostrictive Surfaces 2 and 8 are subject to different loads; so e.g. the surface 2 can be stressed in a negative direction of torsional stress, while the surface 8 is in a positive Direction of torsional stress is biased.
Eine derartige Vorspannung wird erreicht, indem man anfangs die Welle um einen bestimmten Betrag positiv oder negativ verdreht, dann die magnetostriktive Oberfläche aufbringt, und zwar entweder durch Aufkleben oder durch eine Beschichtung usw, wie vorstehend erläutert, und dann die ausgeübte Torsion bzw. Verdrehung der Welle beseitigt.Such a preload is achieved by initially placing the shaft Twisted positively or negatively by a certain amount, then the magnetostrictive Applies surface, either by gluing or by a coating etc., as explained above, and then the torsion or twisting of the Wave eliminated.
Die Ergebnisse mit und ohne Vorspannung sind in den Fig. 8, 9A und 9B verdeutlicht. Fig. 8 zeigt anhand einer Kurve 35 die Ausgangssignale einer Sonde, deren Oberfläche unter keiner Belastung steht. Diese Kurve 35 weist eine an dem Null-Torsionspunkt zentrierte Spitze mit minimaler Ausgangsgröße auf, die mit einer ausgeübten Torsion von Null zusammenfällt. Der Nachteil dieses Kurvenverlaufs besteht darin, daß ein unempfindlicher oder wirkungsloser Bereich um den Torsionswert Null herum vorliegt. Der in bezug auf die Torsion unempfindliche Bereich kann, wie dargestellt, unterhalb des Arbeitsbereiches verschoben werden, indem man auf die Oberfläche eine geringe negative Torsionsvorspannung ausübt, was in der Ausgangskennlinie 36 resultiert.The results with and without bias are shown in FIGS 9B clarifies. 8 shows the output signals of a probe on the basis of a curve 35, whose surface is not under any load. This curve 35 has one on the Zero-torsion point-centered tip with minimum output size on that with a applied torsion coincides with zero. The disadvantage of this curve shape is there in that an insensitive or ineffective area around the torsion value zero present around. The area insensitive to torsion can, as shown, can be moved below the work area by clicking on the surface exerts a slight negative torsional prestress, which results in the output characteristic curve 36.
Es ist somit ersichtlich, daß die Beziehung von Torsion zu Spannung wenigstens vom Torsionswert Null bis zur Mitte des positiven Torsionsbereichs fast eine lineare Funktion darstellt.It can thus be seen that the relationship between torsion and tension at least from zero torsion value to almost the middle of the positive torsion range represents a linear function.
Die Kurven der Fig. 9A verdeutlichen die Ausgangssignale der Sonden der Fig. 2A, wobei sowohl eine positive wie auch negative Vorspannungskurve vorgesehen wird. In diesem Fall befinden sich beide Kurvenspitzen außerhalb des gekennzeichneten "Arbeitsbereichs". Die Fig. 9B zeigt dann die Differenz zwischen den beiden Kurven. Die daraus resultierende Kurve ist offensichtlich über den Arbeitsbereich linear. Somit ist ersichtlich, wie eine Vorspannunos- differenz zwischen beiden benachbarten magnetostriktiven Oberflächen ein Ausgangssignal ermöglicht, das sich als lineare Funktion mit der ausgeübten Torsion über einen vorbestimmten Arbeitsbereich ändert. Der Arbeitsbereich kann auch oberhalb des Torsionswerts Null liegen, wobei in diesem Fall die beiden Oberflächen eine unterschiedliche, jedoch positive Vorspannung aufweisen sollten.The curves of Figure 9A illustrate the output signals from the probes of Figure 2A, both positive and negative bias curves being provided will. In this case, both curve peaks are outside of the marked "Workspace". 9B then shows the difference between the two curves. The resulting curve is obviously linear over the work area. It can thus be seen how a preload difference between enables an output signal on both adjacent magnetostrictive surfaces, which is a linear function with the torsion exerted over a predetermined Work area changes. The working range can also be above the torsion value zero lie, in which case the two surfaces have a different one, however should have positive bias.
Ist die Vorspannungsdifferenz nicht optimal, und stellt die Ausgangsgröße keine lineare Funktion der Torsionsbelastung dar, so ist ein elektronischer Linearisierer erforderlich, wie nachstehend erläutert wird.If the bias difference is not optimal, it sets the output is not a linear function of torsional load, so is an electronic linearizer required as explained below.
Fig. 2B zeigt eine Querschnittsansicht der Fig. 2A, wobei die Oberfläche 2 mit Hilfe einer dünnen, gleichmäßigen Klebeschicht 13 an der Welle 1 befestigt ist (die Verklebung wird z.B. mit Epoxykleber ausgeführt). Ferner ist der Spalt 5 zum Messen der Drehzahl (U/min) sowie der Luftspalt 14, der zwischen dem Ende der jeweiligen Sonde und der magnetostriktiven Oberfläche 2 ausgebildet ist, dargestellt. In Fig. 3A ist ein komplexes System dargestellt, das acht Sonden verwendet. Dieser Aufbau ist durch eine Redundanz gekennzeichnet, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Dieser Aufbau ermöglicht gleichfalls die Bestimmung eines Biegemoments in zwei Ebenen, wie dies in Verbindung mit den zugehörigen Schaltkreisen gezeigt wird.FIG. 2B shows a cross-sectional view of FIG. 2A, with the surface 2 is attached to the shaft 1 with the aid of a thin, even layer of adhesive 13 (the gluing is carried out e.g. with epoxy glue). There is also the gap 5 for measuring the speed (rpm) as well as the air gap 14 between the end of the respective probe and the magnetostrictive surface 2 is shown. A complex system using eight probes is shown in FIG. 3A. This The structure is characterized by redundancy in order to increase reliability. This structure also enables a bending moment to be determined in two planes, as shown in connection with the associated circuitry.
Die Querschnittsansicht gemäß Fig. 3B verdeutlicht die orthogonale Beziehung der Sonden bezüglich der Mittellinie der Welle.The cross-sectional view according to FIG. 3B illustrates the orthogonal one Relationship of the probes with respect to the center line of the shaft.
Die Fig. 4A und 4B zeigen eine alternative Befestigungsmethode für die magnetostriktiven Oberflächen, die in Form von Folienstreifen 15 und 16, z. B. aus amorphem Metall, dargestellt sind. Diese Folienstreifen 15, 16 sind in einem Winkel von 450 zur Wellenachse längs der Hauptdehnungs- und Hauptkompressionslinien der eine Torsion erfahrenden Welle befestigt. Die Welle wird vorgespannt und die Folienstreifen 15 mit ihren Enden verklebt, wobei der unter den Sonden liegende Mittelteil unbefestigt bleibt und außerdem infolge der Vorspannung straff gezogen wird. Die Folienstreifen 16 sind in ähnlicher Weise befestigt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Vorspannung in die entgegengesetzte Richtung verläuft, wodurch somit diese Streifen ebenso dicht an der Welle gehalten werden.Figures 4A and 4B show an alternative method of attachment for the magnetostrictive surfaces, which are in the form of film strips 15 and 16, e.g. B. made of amorphous metal are shown. These film strips 15, 16 are in one Angle of 450 to the shaft axis along the Main stretch and main compression lines attached to the shaft experiencing a torsion. The shaft is preloaded and the Foil strips 15 glued with their ends, with the one lying under the probes Middle part remains unattached and is also pulled taut as a result of the bias will. The film strips 16 are attached in a similar manner, but with the exception that the bias is in the opposite direction, thus making this Strips are held just as close to the shaft.
In Fig. 4C und 4D ist ein anderer Spulenaufbau dargestellt, wobei die Meßspule 17 die magnetostriktive Oberfläche 2 umgibt.Another coil structure is shown in FIGS. 4C and 4D, wherein the measuring coil 17 surrounds the magnetostrictive surface 2.
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Anzeigegeräts. Dieses Anzeigegerät gibt die Drehzahl (U/min), die Leistung (J/ sec), die mittlere Torsion, die Torsionsschwingung (oder die Torsionsschwingungsamplitude) sowie die dynamische Torsion wieder. Das gezeigte Anzeigegerät kann in Verbindung mit einer, zwei oder vier Sonden Verwendung finden, wobei der letztere Fall dargestellt ist. Dies sind im einzelnen die Sonden 3, 9, 4 und 11, wie z.B. in Fig. 1 verdeutlicht. Jede Sonde steht dabei mit einer Oszillator-Demodulator-Einheit 18 in Verbindung, die, wie vorstehend erläutert, beispielsweise an die Spule 3a der Sonde 3 ein Hochfrequenzsignal von mehr als 100 kHz anlegt und mit Hilfe des Demodulators die an der Sonde anliegende Spannung und somit die Sondenimpedanz mißt, sobald sich diese mit der überwachten Oberflächenpermeabilität ändert.Fig. 5 shows a block diagram of a display device. This display device gives the speed (rpm), the power (J / sec), the mean torsion, the torsional vibration (or the torsional vibration amplitude) as well as the dynamic torsion again. That The display device shown can be used in conjunction with one, two or four probes find, the latter case being shown. In detail, these are the probes 3, 9, 4 and 11, as illustrated in Fig. 1, for example. Each probe stands with one Oscillator-demodulator unit 18 in connection, which, as explained above, For example, a high-frequency signal of more than 100 is sent to the coil 3a of the probe 3 kHz and with the help of the demodulator the voltage and thus the probe impedance is measured as soon as it equates with the monitored surface permeability changes.
Alle Ausgangssignale der Oszillator-Demodulator-Einheiten 18 werden mit Hilfe eines Summierverstärkers 19 addiert.All output signals of the oscillator-demodulator units 18 are added with the aid of a summing amplifier 19.
Eine durch den in der magnetostriktiven Oberfläche 2 vorgesehenen Luftspalt 5 erzeugter Spannungsimpuls durchläuft ein Hochpaßfilter 20 und wird in ein Drehzahlsignal (/min) umgewandelt, das von der Einheit 25 angezeigt wird.One through the one provided in the magnetostrictive surface 2 Air gap 5 generated voltage pulse passes through a high-pass filter 20 and is in converted to a speed signal (/ min), which is displayed by the unit 25.
Die Tiefpaß-Komponenten der summierten Sondensignale werden mit Hilfe der Tiefpaßfilter 21 und 22 ausgefiltert.The low-pass components of the summed probe signals are calculated using the low-pass filters 21 and 22 are filtered out.
Dadurch wird fast eine Gleichstromkomponente erzeugt, die in der Einheit 23 linearisiert sowie skaliert und mit Hilfe der Anzeigeeinheit 27 für die mittlere bzw. durchschnittliche Torsion wiedergegeben wird. Eine Multipliziereinheit 24 ermöglicht durch Multiplikation der Torsion und der Drehzahl ein Anzeige der Leistung durch die Einheit 26.This creates almost a DC component that is contained in the unit 23 linearized and scaled and with the help of the display unit 27 for the middle or average torsion is reproduced. A multiplication unit 24 enables by multiplying the torsion and the speed a display of the power the unit 26.
Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 22 liefert, wie dargestellt, ein dynamisches Torsionssignal. Mit Hilfe eines Spitzenwertgleichrichters 41 kann an der Einheit 28 eine Torsionsschwingungsamplitude angezeigt werden.The output signal of the low-pass filter 22 provides, as shown, a dynamic torsion signal. With the help of a peak value rectifier 41 can a torsional vibration amplitude can be displayed on the unit 28.
Die in Verbindung mit den Kurven der Fig. 8 und 9B erörterte Linearisierungseinrichtung 23 kann abhängig von dem gewünschten Arbeitsbereich und der Anwendung unterschiedlicher Vorspannungen erforderlich sein oder nicht.The linearizer discussed in connection with the graphs of Figures 8 and 9B 23 may vary depending on the desired work area and application Preloads may or may not be required.
Die schematische Schaltung gemäß Fig. 6 verdeutlicht ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Torsion-Anzeigeeinheit, wobei die Sondenpaare 3 und 4 bzw. 6 und 7 Änderungen in zwei getrennten, jedoch benachbarten magnetostriktiven Oberflächen ermitteln, wie in Fig. 2A gezeigt. Die Demodulatorsignalausgänge der benachbarten Sonden 3 und 6 bzw. 4 und 7 werden mittels der Einheiten 29 einer Differenzbildung unterzogen und anschließend mit Hilfe des Summierverstärkers 19 addiert. Durch die Differenzbildung der Signale der benachbarten Oberflächen wird die Ansprechempfindlichkeit gegenüber Gleichtaktfehlern verringert, wie z.B. gegenüber der Temperatur sowie Belastungen, die nicht von der Torsion herrühren und die Biegung, die Dehnung und die Pressung der Welle einschließen. Die algebraische Summierung oder Addition der Sondenausgangssignale, die der gleichen Oberfläche zugehören, ermöglichen eine abgeschwächte Empfindlichkeit gegenüber Inhomogenitäten in der magnetostriktiven Oberfläche und gegenüber Schwingungen und somit gegenüber dem Abstand zwischen einem einer bestimmten magnetostriktiven Oberfläche gegenüberliegenden Sondenpaar und seiner sich drehenden Welle.The schematic circuit according to FIG. 6 illustrates an alternative Embodiment of a torsion display unit, the probe pairs 3 and 4 respectively 6 and 7 changes in two separate but adjacent magnetostrictive ones Determine surfaces as shown in Figure 2A. The demodulator signal outputs of the Adjacent probes 3 and 6 or 4 and 7 are calculated by means of the units 29 of a difference and then added with the aid of the summing amplifier 19. Through the Difference between the signals of the neighboring surfaces increases the sensitivity with respect to common mode errors, such as with respect to temperature as well as Loads that do not result from torsion and bending, elongation and the compression of the shaft lock in. The algebraic summation or addition of the probe output signals that belong to the same surface, allow a weakened sensitivity to inhomogeneities in the magnetostrictive surface and against vibrations and thus against the Distance between one opposite a given magnetostrictive surface Pair of probes and its rotating shaft.
In Fig. 6 summiert die Summiereinheit 30 die Ausgangssignale aller Oszillator-Demodulator-Einheiten 18. Das Ausgangssignal der Einheit 30 wird mit Hilfe der Elektronik 31 für die Biegebeanspruchung verarbeitet und skaliert und steuert dann eine Alarmeinrichtung 32 an. Diese Alarmeinrichtung 32 weist einen Einstellwert auf, ab dem ein Alarm angezeigt wird. Dies ermöglicht die Anzeige einer Uberbelastung infolge von Belastungen, die sich nicht auf die Torsion beziehen, wie z.B. Biegung, Dehnung und/oder Pressung. Betrachtet man wieder die Fig. 2A und 2B, so stellt die X-Ebene die gemeinsame Ebene dar, in der die Sonden liegen und die sich durch die Mittellinie oder Achse der Welle erstreckt. Das Vorstehende ist gleichfalls in Fig. 7 gezeigt, jedoch sind zusätzlich vier aufeinander senkrecht stehende Sonden 9, 10, 11 und 12 (vgl. Fig. 3A) vorgesehen, wobei die Summe der Sondensignale über die Biegebeanspruchungseinheit 31 eine Alarmeinrichtung 32 ansteuert, die - wie dargestellt -für die Biegebeanspruchung in der Y-Ebene vorgesehen ist; d.h. die Ebene, in der diese Sonden liegen, wie am besten aus Fig. 3B ersichtlich.In Fig. 6, the summing unit 30 sums the output signals of all of them Oscillator-demodulator units 18. The output signal of the unit 30 is with Using the electronics 31 for the bending stress processed and scaled and then controls an alarm device 32. This alarm device 32 has a Setting value from which an alarm is displayed. This enables a Overload as a result of loads that are not related to torsion, such as bending, stretching and / or compression. Looking again at Figs. 2A and 2B, the X plane represents the common plane in which the probes lie and which extends through the centerline or axis of the shaft. The foregoing is also shown in Fig. 7, but an additional four are perpendicular to each other standing probes 9, 10, 11 and 12 (see. Fig. 3A) provided, the sum of the Probe signals via the bending stress unit 31 controls an alarm device 32, which - as shown - is intended for the bending stress in the Y-plane; i.e., the plane in which these probes lie, as best seen in Figure 3B.
Der vibr ce Schaltungsteil der Fig. 7 verdeutlicht in :,cyuq aüf Fig. 6 ein duales Anzeige- bzw. Uber\.;chircsgc ät, bei zusätzlich Abstimmschaltkreise 33 und 34 vorgesehen sind, die die unabhängigen Torsionsausgangsgrößen vergleichen, die von jedem aus vier Sonden bestehenden Sondensatz, d.h. von den Sonden 3, 6, 4 und 7 bzw. 9, 10, 11 und 12 erzeugt werden. Stimmen die unabhängigen Ausgangsgrößen, die miteinander verglichen werden sollen, innerhalb festgelegter Grenzen nicht überein, so erfolgt von den Abstimmschaltkreisen eine "außerhalb der Toleranz"-Anzeige. In anderer Hinsicht werden die gleichen Parameter gemessen.The vibr ce circuit part of Fig. 7 clarifies in:, cyuq aüf Fig. 6 a dual display or Uber \ .; chircsgc ät, with additional tuning circuits 33 and 34 are provided, which are the independent torsional output variables compare the values of each probe set consisting of four probes, i.e. the Probes 3, 6, 4 and 7 or 9, 10, 11 and 12 can be generated. Agree the independent Output variables that are to be compared with one another within specified Limits do not match, an "out of bounds" is made by the voting circuitry Tolerance "indicator. In other respects, the same parameters are measured.
Wie oben erläutert, ermöglicht der Einsatz von entgegengesetzten, einen Arbeitsbereich definierenden Vorspannungen eine lineare Ausgangsgröße. Jedoch kann eine alternative Technik vorgesehen werden, die neben den ersten beiden Oberflächen auf der Welle von einer dritten magnetostriktiven Oberfläche Gebrauch macht, wobei die dritte Oberfläche nicht vorgespannt ist. Und dann könnte eine Überwachungs- bzw. Anzeigeeinrichtung einen linearen, ausgedehnten Arbeitsbereich vorsehen, ohne daß Mehrdeutigkeiten um die Vorspannungspunkte herum bestehen.As explained above, the use of opposite, Biases defining a working area have a linear output variable. However An alternative technique can be provided that is in addition to the first two surfaces makes use of a third magnetostrictive surface on the shaft, wherein the third surface is not biased. And then a surveillance or display device provide a linear, extensive work area without that there are ambiguities around the bias points.
Die Erfindung weist somit die folgenden Vorteile auf: 1. Sie ist einfach im Vergleich zu den bekannten Transformatortechniken.The invention thus has the following advantages: 1. It is simple compared to the known transformer technologies.
2. Sie arbeitet berührungslos.2. It works without contact.
3. Sie weist eine hohe Eigenempfindlichkeit bei hoher Rauschfreiheit und niedrigem Leistungsbedarf auf.3. It has a high inherent sensitivity with a high degree of freedom from noise and low power requirements.
4. Sie hat eine hohe Eigenlinearität, falls eine geeignete Vorspannung verwendet wird.4. It has a high intrinsic linearity if a suitable bias is used.
5. Sie weist eine hohe Zuverlässigkeit auf, da keine sich abnutzenden Teile oder "fliegende" Elektronik vorhanden sind.5. It has a high level of reliability as there are no wear and tear Parts or "flying" electronics are present.
6. Sie ist am Einsatzort der Welle montierbar und nachstbar.6. It can be installed and adjusted at the location where the shaft is used.
7. Sie hat einen geringen Einfluß auf das Gewicht sowie das Gleichgewicht der Welle. 7. It has little effect on weight and balance the wave.
8. Sie nimmt keinen Einfluß auf die strukturelle Integrität der Welle. 8. It does not affect the structural integrity of the shaft.
9. Sie kann in einer gefährlichen Umgebung eigensicher ausgeführt werden. 9. It can be run intrinsically safe in a hazardous environment will.
10. Sie ist unempfindlich gegenüber Spaltänderungen infolge einer Schwingung, eines Fluchtungsfehlers und der Temperatur und weist eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber einer Biegung, Dehnung und/oder Pressung (Wellenversatz) auf.10. It is insensitive to gap changes as a result of a Vibration, misalignment and temperature and has decreased Sensitivity to bending, stretching and / or compression (shaft misalignment) on.
11. Sie kann die mittlere Torsion, die dynamische Torsion, die Wellendrehzahl, die Leistung sowie einen Alarm bei Beanspruchungen, die nicht auf Torsion zurückzuführen sind, ermitteln.11. It can control the mean torsion, dynamic torsion, shaft speed, the performance as well as an alarm for stresses that cannot be attributed to torsion are, determine.
12. Sie erfordert geringe Kosten.12. It requires a low cost.
13. Sie wird nicht von Schmutz, Ö1 oder Ruß beeinflußt.13. It is not affected by dirt, oil or soot.
Außer den obigen Vorteilen ergibt sich beim Vergleich mit der bekannten Transformatortechnik ein bedeutender Vorteil der Erfindung insoweit, als die Erfindung eine hohe Eigenempfindlichkeit aufweist, die teilweise aus der Verwendung mehrerer Sonden und aus der hohen Rauschfreiheit resultiert, was wiederum eine Folge der Möglichkeit der algebraischen Summierung und Differenzbildung von verschiedenen Sondensignalen ist. Dies hat auch einen Einfluß auf die reduzierte Empfindlichkeit gegenüber einer Biegung, Dehnung usw. Letztlich besteht der andere wesentliche Unterschied zwischen den bekannten Transformatortechniken und der Erfindung in dem einfachen Aufbau, wodurch die Erfindung am Einsatzotrer Welle mGnt 1 rrbar und ,,chri--tbar ist. Außerdem wird wenig Platz bel:otigt, da die Sonden kleine zylindrische Einheiten carctellen, die auf einfache Weise in der Nähe der Dehwcllc tße~estigt werden können.In addition to the above advantages, when compared with the known Transformer technology a significant advantage of the invention insofar as the invention has a high inherent sensitivity, partly from the use of several Probes and results from the high freedom from noise, which in turn is a consequence of the Possibility of algebraic summation and subtraction of different ones Probe signals is. This also has an influence on the reduced sensitivity versus bending, stretching, etc. Ultimately, there is the other major difference between the known transformer techniques and the invention in the simple Structure, whereby the invention can be rrrbar and ,, writable on the insertor shaft mGnt 1 is. In addition, little space is required because the probes are small cylindrical units carctelles, which can be easily established near the expansions.
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