DE3635207A1 - Einrichtung zur beruehrungslosen indirekten elektrischen messung des drehmomentes an einer welle - Google Patents
Einrichtung zur beruehrungslosen indirekten elektrischen messung des drehmomentes an einer welleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Ober
begriff des Anspruches 1, also eine Einrichtung, mit
welcher dem zu übertragenden Drehmoment proportionale
mechanische Spannungen an einer rotierenden, insb.
weichmagnetischen Welle sensiert werden können.
Jeder weichmagnetische Werkstoff, beispielsweise der
einer Welle, besitzt abhängig von seiner mechanischen
Vorgeschichte eine mehr oder weniger große Grund
magnetisierung. Diese ändert sich u.a. unter mechanischer
Belastung und mit der Alterung des Werkstoffes. Würde
man nun unter Ausnutzung des "Matteucci-Effektes", wonach
ein in einem induzierten magnetischen Längsfeld befindlicher
ferromagnetischer Stab bei Torsion seine Magnetisierung
ändert, diese Magnetisierungsänderungen mit Hilfe eines
entsprechenden Magnetfeldsensorsystems erfassen, um so
zu Aussagen bezüglich der in der Welle auftretenden
mechanischen Spannungen zu gelangen, so müßten diese
Aussagen entsprechend relativiert bewertet werden, da
diese von der Grundmagnetisierung selbst und der un
bestimmten Änderung der Grundmagnetisierung des Werk
stoffes der Welle beeinflußt und verfälscht sein können
bzw. sind.
Es ist eine gattungsgemäße Einrichtung bekannt
(DE-OS 23 16 344), bei welcher auf einer weichmagnetischen
Welle eine Schicht aus nichtmagnetischem Material und auf
dieser wiederum eine Schicht mit guten Magnetostriktions
eigenschaften aufgebracht ist. Die nichtmagnetische
Schicht hat hierbei den Zweck zu erfüllen, die Welle
magnetisch von der äußeren Schicht zu isolieren, durch
welche der gesamte Magnetfluß geleitet werden soll,
welcher von einer wechselstromgespeisten Magnetisierungs
spule erzeugt wird und wobei eine Magnetflußänderung
durch eine Detektorspule nach dem Transformatorprinzip
erfaßt wird. Obwohl hier eine Isolation zwischen der
aufgebrachten Meßschicht und der Welle vorgesehen ist,
führt die instabile Grundmagnetisierung der Welle bei
dynamischer Belastung immer noch zu einer Verfälschung des
Meßergebnisses, da das Magnetfeld der magnetisierten Welle
auch in die Meßschicht einstreut.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Ein
richtung so auszubilden, daß auch bei Dauerbetrieb
unter hoher mechanischer Wechselbelastung und unter
physikalisch und chemisch rauhen Umweltbedingungen zu
verlässig und langzeitstabil unverfälschte Meßsignale
erhalten werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kenn
zeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau der
Einrichtung,
Fig. 2 in schematischer Darstellung eine erweiterte
Ausbildung der Einrichtung und
Fig. 3 eine Seitenansicht gemäß der Linie III-III
in Fig. 2.
Dem Wirkungsprinzip der Einrichtung liegt der bekannte
Matteucci-Effekt zugrunde: Tordiert man einen in einem
magnetischen Längsfeld befindlichen weichmagnetischen
Stab, so ändert sich seine Magnetisierung. Bezugnehmend
auf Fig. 1 umfasst die Einrichtung einerseits ein Sensor
system 1 und andererseits auf der weichmagnetischen
Welle 2 - dem Meßobjekt - angeordnete Beschichtungen
2.1, 2.2 und 2.3.
Das Sensorsystem 1 besteht insbesondere aus einem
U-förmigen, sich in Längsrichtung der Welle 2 er
streckenden Magnetfelderzeuger 1.1 - gebildet durch ein
U-förmiges weichmagnetisches Joch 1.1.1 mit an dessen der
Welle zugewandten Schenkelenden angeordneten Permanent
magneten 1.1.2 und 1.1.3 - und einem Sensor 1.2, welcher
einen innerhalb des Jochs 1.1.1 liegenden U-förmigen
Kern 1.2.1 aus einem nichtmagnetostriktiven amorphen
Metall aufweist, dessen Schenkelenden ebenfalls der Welle
zugewandt liegen und dessen Steg eine Spule 1.2.2 mit
elektrischen Anschlüssen 1.2.3 trägt, welche mit einer
Auswerteschaltung 3 verbunden sind. Sowohl die Perma
mentmagnete als auch die Schenkelenden des Kerns sind
gegenüber der Welle mit geringem Abstand angeordnet.
Die Welle 2 trägt im Wirkungsbereich des Sensorssystems 1 -
also sich in Längsrichtung der Welle über die Permanent
magnete etwas hinauserstreckend - Beschichtungen, wobei
unmittelbar auf der Welle 2 eine hochpermeable, nicht
magnetostriktive, amorphe dritte Schicht 2.3 fest ange
ordnet ist, auf welcher wiederum eine hoch nicht
magnetische zweite Schicht 2.2 und auf dieser wiederum
eine hochweichmagnetische, magnetostriktive, amorphe
erste Schicht 2.1 fest angeordnet ist; selbstverständlich
umgeben die Schichten die Welle auf ihrem gesamten Umfang.
Die dritte Schicht 2.3 erfüllt den Zweck, den Grund
magnetismus der Welle 2 im Wirkungsbereich des Sensor
systems kurzzuschließen, so daß der aus dem Grund
magnetismus resultierende Magnetfluß Φ K nur innerhalb
der Welle und der dritten Schicht 2.3 verlaufen kann.
Die zweite Schicht 2.2 dient zur magnetischen Ent
kopplung der dritten Schicht 2.3 und der ersten Schicht
2.1, während die erste Schicht 2.1 die eigentliche Meß
schicht darstellt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist wird von dem Magnetfeld
erzeuger 1.1 ein magnetisches Gleichfeld erzeugt und
in die erste Schicht 2.1 eingeleitet (Fluß Φ) , so
daß sich der magnetische Kreis in Längsrichtung der
Welle schließt. Wird nun die Welle 2 - und mit ihr
die Schichten - tordiert, wird in der Schicht 2.1
deren Magnetisierungszustand verändert, was eine
Änderung des Magnetflusses Φ zur Folge hat. Da der Kern
1.2.1 des Sensors 1.2 ebenfalls in dem magnetischen Kreis
liegt, hat eine Änderung des Magnetflusses Φ auch eine
Änderung des Magnetflusses Φs im Kern des Sensors zur
Folge und zwar in folgender Hinsicht: Die Spule 1.2.2
des Sensors wird von einer Spannungsquelle 3.1 der Aus
werteschaltung 3 mit einer konstanten Frequenz - bei
spielsweise einem Oszillator mit 100 kHz - gespeist,
wodurch in dem Sensor ein bestimmtes Wechselfeld erzeugt
und der Kern des Sensors in die Sättigung gesteuert wird.
Diesem Wechselfeld ist ein Gleichfeldanteil des Magnet
felderzeugers überlagert, so daß eine Änderung des aus
dem Gleichfeld resultierenden Magnetflusses Φ auch eine
Änderung des Magnetflusses Φs - und zwar auf den Gleich
feldanteil bezogen - im Kern hervorruft. Diese Änderung
des Magnetflusses Φs bewirkt im Kern 1.2.1 über die nicht
lineare Funktion B = f (H) der Magnetisierungskurve eine
Änderung dessen dynamischer Permeabilität µ (H) = dB/dH
und in Folge eine Änderung der Induktivität L der Spule
1.2.2, welche in einer Signalaufbereitungsstufe 3.2 der
Auswerteschaltung 3 - beispielsweise einer einfachen
Oszillator - Elektronik - so ausgewertet werden kann,
daß eine Darstellung einer elektrischen Spannung oder
Frequenz als Funktion der Torsion erreicht wird.
Als Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und Fig. 3
zusätzlich zum Sensor 1.2 noch ein weiterer, diametral
liegender Sensor 1.2′an der Welle 2 angeordnet, wobei
beide Sensoren über ihre Anschlüsse mit der Auswerte
schaltung 3 verbunden sind. In der Auswerteschaltung 3
werden nunmehr die von den Sensoren generierten Signale
elektronisch addiert. Durch diese Maßnahmen lassen sich
Schwankungen der Welle in vertikaler Richtung und hieraus
resultierende Magnetflußänderungen eliminieren, während
sich das Nutzsignal verdoppelt.
Da - wie insb. aus Fig. 3 ersichtlich ist - die Sensoren
einander diametral gegenüberliegend und in vertikaler
Richtung angeordnet sind, wirken sich kleine Schwankungen
der Welle in horizontaler Richtung nicht auf die von den
Sensoren generierten Signale aus, da der Luftspalt zwischen
den Sensoren und der Welle nahezu konstant bleibt.
Werden die Sensoren noch von einem in vertikaler Richtung
verschiebbaren Träger 4 gehalten, so ist hinsichtlich der
von den Sensoren generierten Signale ein Nullabgleich
möglich.
Bezüglich der Ausbildung des Sensors 1.2 und 1.2′ ist
anzumerken, daß dessen kaum temperaturabhängiger
induktiver Widerstand um ein Vielfaches größer gewählt
wird als dessen temperaturabhängiger ohmscher Widerstand,
wobei für die Sensorspule vorzugsweise ein Kupferdraht
mit einem kleinen thermischen Widerstandskoeffizienten
verwendet wird - beispielsweise Thermosyn - , wodurch
sich eventuelle Temperaturdriften sehr klein halten lassen.
Die Schichten 2.1 bis 2.3 können im einfachsten Fall mit
drei dünnen Folien - Stärke ungefähr 20 bis 50 µm - durch
eine Klebetechnik oder durch Explosionsschweißen mit der
Welle und miteinander verbunden werden. Es ist aber auch
möglich durch verschiedene chemische oder physikalische
Verfahren - wie Aufdampfen, Aufsputtern etc. oder elektro
lytische Abscheidungen bzw. chemische Abscheidereaktionen -
oder einer Kombination aus chemischem Beschichtungsverfahren
und physikalischem Verfahren die genannte Schichtenfolge
mit ihren spezifischen physikalischen Eigenschaften zu
erhalten.
Besonders vorteilhaft erscheint ein chemisches Abscheide
verfahren von Nickel mit einem gewissen Anteil Phosphor,
wobei über die Steuerung des Phosphoranteils sich Schichten
herstellen lassen, die in ihren magnetischen Eigenschaften
von hoch weichmagnetisch bis hoch nichtmagnetisch reichen.
Mit diesem Verfahren ist es dann möglich, durch Änderung
weniger Parameter bei der chemischen Abscheidung nach
einander alle drei Schichten auf die Welle aufzubringen.
Durch die molekulare Verzahnung der einzelnen Schichten
wird bei hoher dynamischer Belastung über sehr lange
Zeit keine Änderung der mechanischen und magnetischen
Eigenschaften erwartet und eine hohe Haftung der Schichten
auf der Welle und untereinander erreicht. Außerdem be
sitzen diese Schichten aufgrund ihrer Oberflächenstruktur
keine Korrosionsneigung, so daß auch aus diesem Grunde
die magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser
Schichten sehr langzeitstabil sind.
Mit der Erfindung ist also eine Einrichtung geschaffen,
- - welche einen einfachen, robusten mechanischen Aufbau aufweist,
- - welche auch bei Dauerbetrieb unter hoher mechanischer Wechselbelastung und unter physikalisch und chemisch rauhen Umweltbedingungen zuverlässig und langzeitstabil funktioniert und
- - welche es ermöglicht, das durch die Sensoren generierte Signal in einer einfachen, kostengünstigen elektronischen Signalaufbereitung weiterzuverarbeiten.
Claims (7)
1. Einrichtung zur berührungslosen indirekten elektrischen
Messung des Drehmomentes an einer Welle,
umfassend einerseits ein von der Welle mit geringem Abstand beabstandetes Sensorsystem
umfassend einerseits ein von der Welle mit geringem Abstand beabstandetes Sensorsystem
- - bestehend aus einem U-förmigen Magnetfeld erzeuger und mindestens einem einen Kern und eine Spule mit elektrischen Anschlüssen auf weisenden Sensor - und eine Auswerteschaltung, in welche der Sensor über die Anschlüsse integriert ist,
und andererseits im Bereich des Sensorsystems auf
der Welle fest angeordnete Beschichtungen,
- wobei durch eine hochweichmagnetische,
magnetostriktive, amorphe erste Schicht
das vom Magnetfelderzeuger erzeugte
magnetische Längsfeld zur Schließung eines
magnetischen Kreises in Längsrichtung der
Welle geleitet wird,
welche erste Schicht auf einer darunter liegenden, hoch nichtmagnetischen zweiten Schicht aufgebracht ist,
und wobei der Sensor im Bereich des durch die erste Schicht
geleiteten Längsfeldes angeordnet ist und bei Torsion der
Welle eine Magnetisierungsänderung in der ersten Schicht
in Form einer Änderung des Magnetflusses in seinem Kern
erfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Schicht (2.2) auf einer unmittelbar auf der Welle (2) aufgebrachten hochpermeablen, nichtmagnetostriktiven, amorphen dritten Schicht (2.3) angeordnet ist,
daß der ebenfalls in dem magnetischen Kreis liegende Kern (1.2.1) des Sensors (1.2) aus nichtmagnetostriktivem amorphem Metall besteht
und daß das vom Magnetfelderzeuger (1.1) erzeugte Magnet feld ein Gleichfeld ist,
welches sich dem von der erregten Spule (1.2.2) erzeugten Wechselfeld überlagert,
wobei eine Änderung des Magnetflusses (Φ s) eine Änderung der dynamischen Permeabilität µ (H)=dB/dH des Kerns (1.2.1) über die nichtlineare Funktion B = f(H) der Magnetisierungs kurve und in Folge der Induktivität (L) der Spule (1.2.2) bewirkt,
welche in der Auswerteschaltung (3,3.2) in ein torsions analoges elektrisches Signal umgewandelt wird.
daß die zweite Schicht (2.2) auf einer unmittelbar auf der Welle (2) aufgebrachten hochpermeablen, nichtmagnetostriktiven, amorphen dritten Schicht (2.3) angeordnet ist,
daß der ebenfalls in dem magnetischen Kreis liegende Kern (1.2.1) des Sensors (1.2) aus nichtmagnetostriktivem amorphem Metall besteht
und daß das vom Magnetfelderzeuger (1.1) erzeugte Magnet feld ein Gleichfeld ist,
welches sich dem von der erregten Spule (1.2.2) erzeugten Wechselfeld überlagert,
wobei eine Änderung des Magnetflusses (Φ s) eine Änderung der dynamischen Permeabilität µ (H)=dB/dH des Kerns (1.2.1) über die nichtlineare Funktion B = f(H) der Magnetisierungs kurve und in Folge der Induktivität (L) der Spule (1.2.2) bewirkt,
welche in der Auswerteschaltung (3,3.2) in ein torsions analoges elektrisches Signal umgewandelt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der Welle (2) ein weiterer Sensor (1.2′) angeordnet
ist, welcher dem Sensor (1.2) in vertikaler Richtung
diametral gegenüber liegt und welcher über seine Anschlüsse
ebenfalls in die Auswerteschaltung (3) integriert ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Sensoren (1.2, 1.2′) von einem in vertikaler
Richtung verschiebbaren Träger (4) gehalten sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die drei Schichten (2.1 bis 2.3) durch ein chemisches
Abscheideverfahren von Nickel und einem Anteil eines
Metalloids - wie Phosphor - oder mehreren Anteilen ver
schiedener Metalloide auf die Welle aufgebracht sind,
wobei während des Abscheideverfahrens der Phosphoranteil
oder der Anteil der anderen Metalloide von Schicht zu
Schicht variiert wird.
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