DE3518161C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, bzw. ein Verfahren zur be­ rührungslosen Erfassung statischer und dynamischer Kraftkomponen­ ten an ferromagnetischen Prüflingen, insbesondere Wellen, Rohren oder Platten, bei welchen entweder gleichzeitig Zug- und Tor­ sionskräfte, oder Zug- bzw. Druckkräfte unbekannter oder zusam­ mengesetzter Angriffsrichtung anliegen können.

Es ist bereits ein berührungslos arbeitendes Verfahren zur Erfas­ sung statischer und dynamischer Drehmomente bekannt, bei welchem eine Welle von drei mit Wicklungen versehenen elektromagnetischen Polringen umgeben ist (US 41 06 334). Abgesehen davon, daß dieses Verfahren von der Montage her nachteilig ist und weder Messungen innerhalb von Rohren noch an ebenen Platten erlaubt, können damit komplexe Kräfte, also zusammengesetzte Kräfte unterschiedlicher Wirkrichtung nicht aufgelöst werden.

Es ist weiterhin ein anderes berührungslos und unter Heranziehung der Permeabilitätsänderung des Prüflings arbeitendes Verfahren zur Erfassung statischer und dynamischer Drehmomente bekannt (DE- 30 31 997 A1), welches aufgrund der vorteilhaften Gestaltung des Sensors in einfacher Weise an Maschinenelementen zum Einsatz ge­ bracht werden kann. Bei diesem Verfahren werden die sich aufgrund einer tordierenden Belastung unter +45° bzw. -45° zur Achsrich­ tung auf der Oberfläche einer Welle ausbildenden Zug- und Schub­ spannungen zur Messung des Drehmoments benutzt. Das Ausgangssig­ nal des Sensors ist dem Drehmoment proportional. Überlagerte, in Achsrichtung der Welle wirkende Zug- bzw. Druckkräfte werden mit dem Verfahren nicht erfaßt.

Aus der DE-OS 23 35 249 ist ferner eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen an der Oberfläche von Bauteilen aus magnetostrik­ tiven Stoffen bekannt, deren Funktionsgrundlage dem zuvor genann­ ten Verfahren entspricht. In der bevorzugt vorgeschlagenen Aus­ führungsform ist diese Vorrichtung ringförmig, ähnlich dem Stator eines Elektromotors, wobei die zahnförmigen Segmente nach innen zeigen und mit ihren jeweiligen Polflächen der Oberfläche eines zylinderförmigen Prüflings gegenüberstehen. Auf keinen Fall ist diese Anordnung kronenförmig, wie im vorliegenden deutschen Text der aus dem französischen stammenden Anmeldung fälschlicherweise übertragen wurde. Für das Verständnis der Arbeitsweise dieser Vorrichtung genügt es, aus diesem ringförmigen Ensemble von Seg­ menten ein einzelnes Polflächenquartett herauszugreifen, da die gesamte Vorrichtung nichts weiter als eine Reihen- oder Parallel­ schaltung solcher Quartette darstellt.

Bei einem solchen Polflächenquartett mit vorzugsweise im Quadrat angeordneten Polzähnen werden Zweiergruppen über Spulen mit Wechselstrom erregt, und gleichzeitig über versetzt auf Zweiergruppen gewickelte Spulen die Differenzen des magneti­ schen Flusses in Diagonalrichtung erfaßt. Bei der vorgeschlagenen Anordnung der Vorrichtung entspricht diese Diagonalrichtung der Zug- bzw. Schubspannungsrichtung eines Prüflings unter Torsion, wodurch die auf den Prüfling wirkenden Drehmomente erfaßt werden können. Mit dieser Vorrichtung sind überlagerte Kräfte anderer Wirkrichtung jedoch nicht erfaßbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Sensor zur Erfassung der Komponenten einer auf ein ferromagneti­ sches Konstruktionselement wirkenden resultierenden Kraft unter Heranziehung der Permeabilitätsänderung des Prüflings zu schaf­ fen, so daß z. B. entweder gleichzeitig und unabhängig voneinander sowohl das anstehende Drehmoment als auch die Druck- bzw. Zuglast z. B. an einer Welle meßbar sind, oder auch undefinierte Kräfte z. B. an flächigen Bauteilen ihrer Größe und genauen Angriffsrich­ tung nach erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 7 gegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Einzel­ heiten bzw. Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entneh­ men.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders dann zur Geltung, wenn es darum geht, an einer einzigen Meßstelle eines mechani­ schen Elements resultierende Kräfte aufzulösen, wenn gleichzeitig Relativbewegungen zwischen Prüfling und Sensor auftreten können.

Ein derartiger Fall liegt zum Beispiel vor, wenn ein rohrförmiges Gestänge zum Abteufen einer Tiefbohrung eingesetzt wird. An einem solchen Gestänge treten Druck- bzw. Zugbelastungen während des Bohrens bzw. Ziehens auf, welche aufgrund des rotierenden Gestän­ geantriebs von Torsionskräften überlagert werden. Aus bohrtechni­ scher Sicht ist es wünschenswert, sowohl das am Bohrkopf (Meißel) anstehende Drehmoment, als auch den Andruck während des Bohrens getrennt voneinander zu erfassen. Diese Aufgaben werden vom er­ findungsgemäßen Sensor in besonders vorteilhafter Weise erfüllt. Drehmoment und Druck- bzw. Zugkräfte werden berührungslos am ro­ tierenden Prüfling (Rohrwand) in einem Meßpunkt aufgenommen. Es ist nur ein einziger Sensor mit sehr kleinen Abmessungen erfor­ derlich, der in einfacher Weise dem Prüfling gegenübergestellt wird.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beiden Zeichnungsfigu­ ren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die stirnseitige Ansicht eines vergrößert und verein­ facht dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Komponentensensors für die Durchführung des Verfahrens gemäß An­ spruch 4. Die in Meßstellung dem Prüfling zugewandten Polflächen sind abgeschnitten gezeichnet. Der Sensorkopf besteht aus einem topfähnlichen Magnetjoch aus weichmagnetischem Werkstoff, welches sowohl ein zentrales Polstück 1, als auch acht Polstücke 2 bis 9 besitzt, welche im Kreis um das zentrale Polstück herum angeord­ net sind. Das zentrale Polstück ist mit einer Erregerwicklung 26, 27 versehen, die von einer Wechselstromquelle geeigneter Frequenz gespeist wird. Dabei kann die Erregerwicklung z. B. in bekannter Weise (DE 32 06 008 A1)) über einen Kondensator angesteuert werden und mit diesem zusammen einen Reihenschwingkreis bilden, um eine weitgehende Abstandsunabhängigkeit des Sensors zu erzielen.

Die beiden eingezeichneten Achsen A-B mit den Polstücken 2 und 6, bzw. C-D mit den Polstücken 4 und 8 bilden ein rechtwinkliges Polarachsenkreuz, dessen Nullpunkt mit dem Mittelpunkt des zen­ tralen Polstücks 1 übereinfällt. Diesem ersten Polarachsenkreuz ist ein zweites rechtwinkliges Polarachsenkreuz mit den Achsen E-F und den Polstücken 3 und 7, bzw. G-H mit den Polstücken 5 und 9 überlagert, wobei dieses zweite Polarachsenkreuz den glei­ chen Nullpunkt wie das erste Polarachsenkreuz besitzt, und gegen das erste Polarachsenkreuz mit einem Polarwinkel von 45 Winkel­ graden gedreht angeordnet ist. Die Polstücke 2 bis 9 befinden sich auf den aus den jeweiligen Halbachsen gebildeten Radiusvek­ toren äquidistant zum Nullpunkt. Die auf den Polstücken 2 bis 9 vorhandenen Meßwicklungen 10, 11 bis 24, 25 sind so geschaltet, daß jeweils die beiden auf einer gemeinsamen Achse befindlichen Meß­ wicklungen zunächst in Reihe verbunden sind. Die jeweils zwei sich pro Polarachsenkreuz so ergebenden Spulenpaare sind gegen­ einander geschaltet und bilden jeweils die Komplementäre einer gegenphasigen Halbbrücke. Aus dieser Schaltung ergeben sich also zwei getrennte gegenphasige Halbbrücken, welche unabhängig von­ einander ein Meßsignal liefern. Beide sich getrennt anschließen­ den Meßkanäle beinhalten Abgleichkreis, Verstärker, phasenabhän­ gigen Gleichrichter und Ausgangsstufe.

Wird nun der Sensorkopf vor einem Prüfling angeordnet und die Er­ regerwicklung 26, 27 mit Wechselstrom gespeist, so werden in der dem Sensorkopf zugewandten Oberfläche des Prüflings Wirbelströme induziert. Die magnetischen Feldlinien verlaufen dabei vom zen­ tralen Polstück über einen Luftspalt zur Oberfläche des Prüf­ lings, durchlaufen diesen mit einer bestimmten Eindringtiefe un­ ter verschiedenen Winkelstrahlen, um über einen zweiten Luftspalt in die außenliegenden Polstücke des Magnetjochs einzutreten.

Ist der Prüfling beispielsweise eine Welle oder ein Rohr, welche bzw. welches einem Drehmoment ausgesetzt und damit tordiert wird, so ergeben sich in +45° bzw. -45° von der Achsrichtung Zug- bzw. Schubspannungen, die mit einer Permeabilitätsänderung an der Oberfläche der Welle oder des Rohres einhergehen. In Richtung der Zugspannung wird die Permeabilität größer und in Richtung der Schubspannung kleiner.

Wird nun der Sensorkopf so gegenüber einer Welle oder einer Rohr­ wand angebracht, daß seine Achse A-B parallel zur Wellen- bzw. Rohrachse zu liegen kommt, dann fallen die Achsen E-F bzw. G-H mit den durch Torsion bedingten Zug- bzw. Schubspannungsrichtun­ gen auf der Oberfläche der Welle oder des Rohres überein. Liegt die Zugspannungsrichtung zum Beispiel parallel zur Achse E-F, so wird durch die in dieser Achse vergrößerte Permeabilität in den Meßwicklungen 12, 13 und 20, 21 eine größere Spannung induziert als in den Meßwicklungen 16, 17 und 24, 25, welche dann der Schubspan­ nungsrichtung zugeordnet sind. Da die Wicklungspaare 12, 13, 20, 21 und 16, 17, 24, 25 gegeneinander geschaltet sind, tritt an den Enden der von ihnen gebildeten gegenphasigen Halbbrücke eine Differenz­ spannung auf, die dem wirkenden Drehmoment direkt proportional ist.

Wird nun die Welle bzw. das Rohr anstelle eines Drehmoments mit einer axialen Zugkraft beaufschlagt, so fällt die vorher gemesse­ ne Signalspannung auf Null zurück. Jetzt entstehen im Prüfling Zugspannungen parallel zur Achse A-B des Sensorkopfes, denen Schubspannungen parallel zur Achse C-D entsprechen. Dadurch wird in den Meßwicklungen 10, 11, 18, 19 eine Spannung induziert, die größer ist als die in den Meßwicklungen 14, 15, 22, 23. Nunmehr tritt an den Enden der aus diesen Meßwicklungen gebildeten gegen­ phasigen Halbbrücke eine Differenzspannung auf, die in diesem Fall der auf den Prüfling wirkenden Zugkraft proportional ist.

Für bestimmte Anwendungsfälle, z. B. wenn der Sensorkopf extrem kleine Abmessungen aufweisen soll, oder wenn an flächigen Bau­ teilen undefinierte Kraftvektoren erfaßt werden sollen, kann es vorteilhaft sein, auf ein dreikanaliges Meßwerterfassungssystem überzugehen. Ein entsprechender Komponentensensor ist in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 zeigt, wiederum in vergrößerter und vereinfachter Darstel­ lung eines Ausführungsbeispiels, einen solchen Sensor mit abge­ schnitten gezeichneten Polstücken. Das Magnetjoch des Sensorkop­ fes besitzt ein zentrales Polstück 28 mit der Erregerwicklung 38, 39. Es sind nur drei äußere Polstücke 29, 30, 31 mit Meßwicklungen vorhanden, von denen das Polstück 29 mit der Meßwicklung 32, 33 auf der Polarachse A-B liegt, welches mit der Polarachse C-D ein rechtwinkliges Polarachsenkreuz bildet. Die Polstücke 30 bzw. 31 mit den Meßwicklungen 34, 35 bzw. 36, 37 sind den Polarachsen W-X bzw. Y-Z zugeordnet. Diese beiden Polarachsen sind um den Polarwinkel 120° bzw. 240° gegenüber der Polarachse A-B gedreht angeordnet. Die auf den drei Polstücken befindlichen Meßwicklun­ gen müssen in Sternschaltung so miteinander verbunden werden, daß im Sternpunkt das gleiche Wicklungsende aller drei Meßwicklungen zu liegen kommt, so daß an zwei beliebigen Eckpunkten des Sterns immer die Differenzspannung der beiden betreffenden Stränge auf­ tritt.

Für die prinzipielle Funktion des Sensors ist es dabei unbedeu­ tend, ob jeder der drei Polarachsen A-B, W-X und Y-Z ein oder zwei Polstücke zugehören. Der Sensorkopf nach Fig. 2 könnte daher ebensogut sechs anstelle von drei äußeren Polstücken aufweisen. Der erfindungsgemäße Sensor ist ferner dahin gehend variierbar, das zentrale Polstück entfallen zu lassen und die Meßwicklungen auf den äußeren Polstücken gleichzeitig mit dem Erregerstrom zu speisen.

Als weitere Funktionsvariante wird vorgeschlagen, die drei auf den äußeren Polstücken befindlichen Wicklungen in Stern- oder Dreieckschaltung mit einem dreiphasigen Wechselstrom zu erregen und die auf dem zentralen Polstück befindliche Wicklung als Meß­ wicklung zu benutzen. Zur Verstärkung des Meßsignals wird dann lediglich ein einziger Verstärker benötigt, dessen Ausgangssignal sich durch eine entsprechende phasensynchrone Zerlegung in die einzelnen den Kraftkomponenten proportionalen Spannungen aufspal­ ten läßt.

Claims (7)

1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung statischer und dynami­ scher Kraftkomponenten an ferromagnetischen Prüflingen, wobei auf der Prüflingsoberfläche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die durch die am Prüfling anliegenden Kräfte hervorgerufenen Per­ meabilitätsänderungen herangezogen werden, und diese Permeabili­ tätsänderungen mittels eines sondenförmigen, an den Prüfling he­ ranbringbaren Magnetjochs mit Polstücken erfaßt werden, deren in einer ebenen oder gekrümmten Fläche eines Polarkoordinatensystems liegende Polflächen der Prüflingsoberfläche gegenüberstehen und so angeordnet sind, daß die Mittelachse des Magnetjochs durch den Nullpunkt des Polarkoordinatensystems verläuft und mindestens drei Polstücke mit gleichem Abstand von diesem Nullpunkt auf Ra­ diusvektoren unterschiedlicher Polarwinkel zu liegen kommen, wo­ bei der Prüfling bis in seinen Sättigungsbereich ummagnetisiert wird und die magnetische Erregung entweder über die mit Meßwick­ lungen versehenen und auf den Radiusvektoren liegenden Polstücke oder über ein im Nullpunkt des Polarkoordinatensystems befindli­ ches Polstück mit einer Erregerwicklung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke so angeordnet sind, daß außer einem oder mehreren Polstücken, welches bzw. welche sich auf ei­ nem vom Nullpunkt des Polarkoordinatensystems ausgehenden recht­ winkligen Polarachsenkreuz befindet bzw. befinden, mindestens ein weiteres oder mehrere Polstücke auf mindestens einer weiteren, gegenüber dem ersten Polarachsenkreuz um einen bestimmten Polar­ winkel gedreht angeordneten Polarachse zu liegen kommt bzw. kom­ men.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Polarachse zu einem rechtwinkligen Polarachsenkreuz ge­ hört, welches gegen das erste Polarachsenkreuz um einen Polarwin­ kel von 45° gedreht angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem oder den auf dem ersten Polarachsenkreuz liegenden Polstück bzw. Polstücken auf zwei weiteren Polarachsen liegende Polstücke vorhanden sind, wobei die eine Polarachse um den Polarwinkel von 120° und die andere Polarachse um den Polarwinkel von 240° gegen­ über einer der beiden Polarachsen des ersten Polarachsenkreuzes gedreht angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum ersten Polarachsenkreuz vier Polstücke (2, 4, 6, 8) und zum zweiten Polarachsenkreuz vier Polstücke (3, 5, 7, 9) gehören.

5. Verfahren nach Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zu den Polstücken eines Polarachsenkreuzes gehö­ renden Wicklungen zu separaten Halbbrücken verschaltet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Polstücken gehörenden Wicklungen in Stern- oder Dreieckschal­ tung verbunden sind.

7. Komponentensensor für die berührungslose Erfassung statischer und dynamischer Kraftkomponenten an ferromagnetischen Prüflingen, entsprechend dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einem Gehäuse z. B. zylinderförmiger Ge­ stalt, welches den Meßkopf und den Meßkabelanschluß enthält und die Integration einer Verstärkungs- und Auswerteelektronik er­ laubt, wobei der Meßkopf aus einem topfähnlichen bzw. kronenför­ migen Magnetjoch aus weichmagnetischem Material, z. B. Ferrit, besteht, welches Polstücke aufweist, die mit ihren jeweiligen Polflächen die Stirnseite des Meßkopfs bilden und mit Erreger- und Meßwicklungen versehen sind, wobei die Polflächen in der ebe­ nen oder gekrümmten Fläche eines Polarkoordinatensystems so ange­ ordnet sind, daß die Mittelachse des Magnetjochs durch den Null­ punkt des Polarkoordinatensystems verläuft und mindestens drei Polstücke mit gleichem Abstand von diesem Nullpunkt auf Radius­ vektoren unterschiedlicher Polarwinkel zu liegen kommen, dadurch gekennzeichnet, daß außer einem Meßkreis, zu welchem ein oder mehrere Polstücke und Wicklungen gehören, welche auf einem oder mehreren Radiusvektoren der Polarwinkel 0°, 90°, 180° bzw. 270° angeordnet sind, entweder ein weiterer Meßkreis mit einem oder mehreren Polstücken und Wicklungen vorhanden ist, wobei das oder die Polstücke auf einem oder mehreren Radiusvektoren der Polar­ winkel 45°, 135°, 225° bzw. 315° angeordnet ist bzw. sind, oder zwei weitere Meßkreise mit jeweils dazu gehörenden Polstücken und Wicklungen vorhanden sind, von denen das oder die Polstücke des einen Meßkreises auf einem oder den beiden Radiusvektoren der Po­ larwinkel 120° bzw. 300°, und das oder die Polstücke des anderen Meßkreises auf einem oder den beiden Radiusvektoren der Polarwin­ kel 240° bzw. 60° angeordnet sind.