DE3511442A1

DE3511442A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen messung statischer und dynamischer drehmomente

Info

Publication number: DE3511442A1
Application number: DE19853511442
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 6940 Weinheim Klesse-Mehrmann; Felix Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Lentze
Original assignee: INTERNATIONALE FLUGGERAETE und MOTOREN GmbH; INT FLUGGERAETE und MOTOREN GM; Internationale Fluggeraete und Motoren 6940 Weinheim GmbH
Current assignee: ASG Luftfahrttechnik und Sensorik GmbH
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3511442C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen
Messung statischer und dynamischer Drehmomente Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung statischer und/oder dynamischer Drehmomente mittels an der Prüflingsoberfläche erzeugter magnetischer Wechselfelder, wobei die von dem jeweiligen Drehmoment hervorgerufenen Permeabilitätsänderungen an der Prüflingsoberfläche durch einen Drehmom entsensor gemessen werden, der ein an den Prüfling heranbringbares Magnetjoch und mindestens zwei Polstücke enthält, auf denen Wicklungen angeordnet sind, die paarweise den gleichen Wicklungssinn aufweisen und je Paar mit einander entgegengesetztem Wicklungssinn aufgewickelt sind, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Art ist bereits bekannt (DE-OS 30 31 997). Mit diesem Verfahren kann das Drehmoment einer Welle berührungslos gemessen werden. Der Aufwand für die Messung ist gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß eine höhere Meßgenauigkeit erzielt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. Mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren werden die von Temperaturänderungen hervorgerufenen Ungenauigkeiten der Meßwerte weitgehend beseitigt. Darüber hinaus werden auch Abstandsänderungen zwischen dem Prüfling und dem Drehmomentsensor teilweise ausgeglichen, so daß der Einfluß der Abstandsänderungen auf die Meßgenauigkeit zurückgeht.
Vorzugsweise wird die Differenz der Ströme der beiden gleichsinnig gewickelten Paare von Wicklungen durch die Summe der Ströme der gleichsinnig gewickelten Paare von Wicklungen dividiert. Auf sehr einfache Weise werden bei dieser Ausführungsform sehr genaue Meßwerte der Drehmomente gewonnen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß über eine Beeinflussung des magnetischen Wechselfelds die Summe der Ströme der gleichsinnig gewickelten Paare von Wicklungen auf einen gleichbleibenden Wert geregelt wird. Auch bei dieser Ausführungsform werden von Temperaturänderungen nicht beeinflußbare Meßwerte der Drehmomente erhalten.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des im Anspruch 1 oder 2 beschriebenen Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß die beiden Paare von Wicklungen gemeinsam je an einem Anschluß an Masse gelegt sind, daß die anderen Anschlüsse der Paare von Wicklungen je mit einer Subtrahier- und einer Summierschaltung verbunden sind und daß die Ausgänge der Subtrahier- und der Summierschaltung an eine Dividierschaltung angeschlossen sind. Diese Anordnung zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau aus. Es können kommerziell erhältliche Subtrahier- und Sum mierschaltungen sowie Dividierschaltungen eingesetzt werden, so daß sich die Anordnung auch wirtschaftlich fertigen läßt.
Eine andere Schaltungsanordnung zur Durchführung des im Anspruch 1 oder 3 beschriebenen Verfahrens ist derart ausgebildet, daß die beiden Paare von Wicklungen gemeinsam je an einem Anschluß an Massepotential gelegt sind, daß die anderen Anschlüsse je mit einer Subtrahierschaltung und einer Summierschaltung verbunden sind, deren Ausgangssignal als Istwert der Regelgröße mit einem Sollwert vergleichbar ist, und daß die Regelabweichung über einen Regler einen spannungsgesteuerten Oszillator beaufschlagt, mit dem die Stärke des magnetischen Wechselfelds beeinflußbar ist. Diese Anordnung kommt ohne eine Dividiereinrichtung aus.
Es ist auch vorteilhaft, die Differenz der Strörne einem phasenempfindlichen Gleichrichter und die Summe der Ströme einem Gleichrichter zuzuführen, wobei die gleichgerichtete Differenz durch die Summe der gleichgerichteten Ströme dividiert wird.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die nicht an Massepotential liegenden Anschlüsse der Paare von Wicklungen je iiber einen Impedanzwandler einerseits mit Widerständen eines Summierverstärkers und andererseits mit Widerständen eines Subtrahierverstärkers verbunden, wobei den Ausgängen des Summier- und Subtrahierverstärkers ein Analogdividierer nachgeschaltet ist. Bei dieser Anordnung steht der von Temperaturfehlern freie Drehmomentmeßwert sehr schnell zur Verfügung und kann z. B. in einem Regelkreis zur Drehmomentenregelung weiterverarbeitet werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.
Es zeigen: Figur 1 einen Ausschnitt einer Welle mit einem Drehmomentsensor, Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Drehmomentsensors mit der Wicklungsausbildung, Figur 3 eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Meßgenauikeit des in Figur 1 und 2 dargestellten Drehmomentsensors, Figur 4 eine andere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit.
Figur 5 eine weitere Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich, steht ein Drehmomentsensor 1 in geringem Abstand vor einer Welle 2. Der Drehmomentsensor 1 besteht aus einem weichmagnetischen Schalenkern 3 mit einem Innenkern 4 und vier Jochsegmenten 5 bis 8.
Der Innenkern 4 ist mit einer Erregerwicklung 9 versehen, die von einer Wechselstromquelle 10 geeigneter Frequenz gespeist wird. Auf jeweils zwei gegenüberliegenden Segmenten 5, 6 bzw. 7, 8 sind in Reihe geschaltete Meßwicklungen 11, 12 bzw. 13, 14 jeweils gleichen Wicklungssinnes angeordnet, wie durch die Pfeile angedeutet ist; das Meßwicklungspaar 11, 12 ist gegen das Meßwicklungspaar 13, 14 geschaltet.
Anfang A, Ende E der Wicklungspaare 11, 12 und 13, 14 sind an die Impedanzwandler 23 und 25 geführt. Der Verbindungspunkt M der Wicklungspaare 11, 12, und 13, 14 ist an Masse gelegt. Um etwaige Unsymmetrien des Schalenkern zu berücksichtigen, sind die Impedanzwandler regelbar ausgelegt.
Wird die Erregerwicklung 9 aus der Quelle 10 mit Wechselstrom gespeist, so werden in der dem Drehmomentsensor 1 zuge wandten Oherfläche der Welle 2 Wirbelströme induziert; wie in Figur 1 durch Pfeile angedeutet, verlaufen die magnetischen Feldlinien vom Innenkern 4 über die Oberfläche der Welle 2, die Kernsegmente 5 bis 8 und wieder zum Innenkern 4.
Die in der Oberfläche der Welle 2 induzierten Wirbeiströme beschränken den Feldlinienveriauf auf eine bestimmte Eindringtiefe in die Welle oberfläche.
Wird die Welle 2 einem in der Pfeilrichtung Z wirkenden Drehmoment ausgesetzt und damit tordiert, so ergeben sich in + 450 von der Achsrichtung Zug- und Schubspannungen, die mit einer Permeabilitätsänderung an der Oberfläche der Welle 2 einhergehen; in Richtung der Zugspannung (+ 450) wird die Permeabilität größer und in Richtung der Schubspannung entsprechend kleiner.
Durch die vergrößerte Permeabilität in Richtung der Zugspannung (+ 450) wird in den Meßwicklungen 11, 12 eine Spannung induziert, die größer als die in den der Schubspannung (- 450) zugeordneten Meßwicklungen 13, 14 induzierte Spannung ist; da die Wicklungspaare 11, 12 und 13, 14 gegeneinander geschaltet sind, tritt an den Enden A, E beider Meßwicklungssysteme eine Differenzspannung auf, die direkt dem wirkenden Drehmo- In Figur 3 sind die Erregerwicklungen 9 und die Meßwicklungen noch einmal schematisch dargestellt. Die Paare der Meßwicklungen 11, 12 und 13, 14 sind in der Verstärkerschaltung 18 jeweils an einem nicht näher bezeichneten Anschluß miteinander verbunden und an Masse 21 gelegt.
Der zweite Anschluß 22 des Paars vor Meßwicklungen 11, 12 ist an einen Impedanzwandler 23 angeschlossen, der aus einem rückgekoppelten Differenzverstärker besteht. Der zweite Anschluß 24 des Paars von Klçßwicklungen 13, 14 ist ebenfalls an einen Impedanzwandler 25 angeschlossen, der aus einem rückgekoppelten Differenzverstärker besteht.
Die Ausgänge der Impedanzwandler 23, 25 sind einerseits mit Eingängen einer Summierschaltung 26 und andererseits mit Eingängen einer Subtrahierschaltung 27 verbunden. Die Summierschaltung 26 besteht aus einem Differenzverst¢ker 28, dessen nichtinvertierender Eingang an Massepo -tential gelegt ist, während der invertierende Eingang über zwei Widerstände 29, 30 je an den Impedanzwandler 23 und 25 angeschlossen ist.
Die Subtrahierschaltung 27 weist einen Differenzverstärker 31 auf, dessen invertierender Eingang an den Impedanzwandler 25 und dessen nichtinvertierender Eingang an den Impedanzwandler 23 angeschlossen ist. Die Differenzverstärker 28 und 31 weisen jeweils nicht näher bezeichnete Rückkopplungswiderstände auf. Die Subtrahierschaltung 27 ist an einen für Dividenden vorgesehenen Eingang einer Dividierschaltung 34 angeschlossen, deren Eingang für Divisoren mit der Summierschaltung 26 verbunden ist.
Am Ausgang der Dividierschaltung 34 steht ein Signal zur Verfügung, das dem phasenempfindlichen Gleichrichter 19 zugeführt wird. Dieses Signal ist dem Wert proportional, wobei mit il und i2 jeweils die Ströme in den Paaren der Meßwicklungen 11, 12 und 13, 14 bezeichnet sind. Mit der in Figur 3 gezeigten Schaltungsanordnung wird demnach ein der Differenz der Ströme der beiden Meßwicklungspaare entsprechender Wert durch einen der Summe der Ströme der beiden Meßwicklungspaare entsprechenden Wert dividiert. Damit lassen sich Meßungenauigkeiten, die auf Temperaturänderungen in der Welle 2 und/oder dem Drehmomentsensor 1 beruhen, vermeiden.
Bei der in Figur 4 dargestellten Anordnung sind die Paare der Meßwicklungen 11, 12; 13, 14 ebenso wie bei der Anordnung gemäß Figur 3 über die Ausgänge an Impedanzwandler 23, 25 angeschlossen, an die die Summierschaltung 26 und die Subtrahierschaltung 27 angeschlossen sind.
Die Subtrahierschaltung 27 ist unmittelbar mit dem phasenempfindlichen Gleich richter 19 verbunden.
Die Summierschaltung 26 ist an einen Eingang eines Differenzverstãkers 35 angeschlossen, dessen zweiter Eingang an eine regelbare Referenzspannungsquelle 37 gelegt ist. Im Differenzverstarker 35 wird das Ausgangssignal der Summierschaltung 26 als Istwert der Regelgröße von einem Sollwert subtrahiert, der mit einer regelbaren Referenzspannungsquelle 37 erzeugt wird. Die am Ausgang des Differenzverstärkers 35 anstehende Regelabweichung beaufschlagt einen spannungsgesteuerten Oszillator 41, der den Endverstärker 42 mit dem entsprechenden Signal versorgt. Durch den in Figur 4 dargestellten Regelkreis wird die Summe der Ströme il und i2 auf einem gleichbleibenden Wert gehalten. Die Einflüsse von Temperaturänderungen auf die Summe der Ströme wird daher aufgehoben. Zugleich wird dabei der Temperatureinfluß bei der Differenz der Strome i1 und i2 beseitigt.
Bei der Dividiers haltung 34 handelt es sich beispielsweise um einen kommerziell verfügbaren Analog-Divid.erer. Die Surn mierschaltung 26, die Subtrahierschaltung 27 und die Impecianzwandler 23, 25 sind aus kommerziell erhältlichen Differenzverstärkern aufgebaut. Die Anordnungen zur Verbesserung der Meßgenauigkeit lassen sich daher kostengünstig herstellen.
Die in Figur 5 dargestellte Anordnung ist, was die Elemente 9, 10, 11, 12, 13, 14, 19, 23, 25, 26 und 27 betrifft, gleich aufgebaut wie die Anordnung gemäß Figur 3. Die Summe der Ströme, die am Ausgang der Sumrnierschaltung 26 verfügbar ist, wird einem Gleichrichter 39 zugeführt. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 19 wird durch das Ausgangssignal des Gleichrichters mit Hilfe der Dividierschaltung 34 dividiert.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung statischer und dynamischer Drehmomente Patentan,sErüche 1. Verfahren zur berührungslosen Messung statischer und/oder dynamischer Drehmomente mittels an der Prüfungsoberfläche erzeugter magnetischer Wechselfelder, wobei die von dem jeweiligen Drehmoment hervorgerufenen Permeabilitatsänderungen an der Prüflingsoberfläche durch einen Drehmomentsensor gemessen werden, der ein an den Prüfling heranbringbares Magnetjoch und mindestens zwei Polstücke enthält, auf denen Wicklungen angeordnet sind, die paarweise den gleichen Wicklungssinn aufweisen und je Paar mit einander entgegengesetztem Wicklungssinn aufgewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Paaren von Wicklungen (11, 12; 13, 14) auftretenden Ströme (i1, i2) voneinander subtrahiert und mit der Summe der Ströme der Paare von Wicklungen (11,12; 13, 14) verrechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Ströme durch die Summe der Ströme dividiert wird und daß das Ergebnis einem phasenempfindlichen Gleichrichter (19) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Ströme der gleichsinnig gewickelten Paare von Wicklungen (11, 12; 13, 14) auf einen gleichbleibenden Wert geregelt wird und daß die Differenz der Ströme einem phasenempfindlichen Gleichrichter (19) zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Ströme einem phasenempfindlichen Gleichrichter (19) zugeführt wird, daß die Summe der Ströme einem Gleichrichter (39) zugeführt wird und daß die gleichgerichtete Differenz der Ströme durch die Summe der gleichgerichteten Ströme dividiert wird.
5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Paare von Wicklungen (11, 12; 13, 14) gemeinsam je an einem Anschluß an Masse (21) gelegt sind, daß die anderen Anschlüsse (22, 24) der Paare von Wicklungen (11, 12; 13, 14) je mit einer Subtrahierschaltung (27) und einer Summierschaltung (26) verbunden sind und daß die Ausgänge der Subtrahierschaltung (27) und der Summierschaltung (26) an eine Dividierschaltung (34) angeschlossen sind.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Paare von Wicklungen (11, 12; 13, 14) gemeinsam je an einem Anschluß an Masse (21) gelegt sind, daß die anderen Anschlüsse (22, 24) je mit einer Subtrahierschaltung (27) und einer Summierschaltung (26) verbunden sind, deren Ausgangssignai als Istwert der Regelgröße mit einem Sollwert vergleichbar ist, und daß die Regelabweichung über einen Regler einen spannungsgesteuerten Oszillator (41) beaufschlagt, mit dem die Stärke des magnetischen Wechselfelds beeinflußbar ist.
1 7. Schaltunganordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Ausgängen (22, 24) der Paare von Wicklungen (11, 12; 13, 14) Impedanzwandler (23, 25) nachgeschaltet sind.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (26) einen Differenzverstärker (28) aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang an Masse gelegt ist, während der invertierende Eingang je über einen Widerstand (29, 30) mit den Impedanzwandlern (23, 25) verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtrahierschaltung (27) einen Differenzverstärker (31) aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand (33) an den einen Impedanzwandler (23) und dessen invertierender Eingang über einen Widerstand (32) mit dem anderen Impedanzwandler (25) verbunden ist.