DE3730841A1 - Wirbelstrom-tachometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tachometer und Beschleunigungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Geräte messen die Ge­ schwindigkeit oder Geschwindigkeitsänderungen mit Hilfe von Magnetfeldern, die von Wirbelströmen erzeugt wurden.

Im Stand der Technik sind Geräte bekannt, mit denen die Geschwindigkeit eines nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen bewegten Körpers dadurch be­ stimmt werden kann, daß in dem Körper Wirbelströme induziert und die Stärke des entstehenden Wirbelstrom-Magnetfeldes abgefühlt wurde. Beispiele derartiger Geräte finden sich im US-Patent 33 59 492, von Kuhrt et al, dem US-Patent 44 41 077 von Dodgen et al und in der veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 12 09 780, die alle Halleffektfühler einsetzen, um die Fluß­ dichte des Wirbelstromfeldes abzufühlen, dessen Betrag direkt zur Geschwin­ digkeit des bewegten Körpers proportional ist. Die deutsche Patentanmeldung beschreibt auch, wie die zeitliche Änderung der Flußdichte des Wirbelstrom­ feldes mit Hilfe einer Spule abgefühlt werden kann, um so das Gerät als Be­ schleunigungsmesser oder Accelerometer einzusetzen.

Andererseits sind auch Geschwindigkeits-Meßvorrichtungen des Wirbelstromtyps bekannt geworden, die Spulen als Feldsensoren verwenden und die Geschwin­ digkeit dadurch bestimmen, daß die Frequenz der vorbeilaufenden Wirbelstrom­ felder bestimmt wurde und nicht der Betrag ihrer Flußdichten; Beispiele der­ artiger Geräte finden sich im US-Patent 39 32 813 von Gallant und im US-Patent 44 39 728 von Rickman, Jr.

Ein Problem bei allen obengenannten Geräten besteht darin, daß sie keine aus­ reichenden Magnetkreisstrukturen für ihre Magnetfeldsensoren aufweisen und dadurch gezwungen sind, ein schwaches Wirbelstromfeld festzustellen. Da das Wirbelstromfeld selbst nicht stark ist, bleibt der Betrag der Wirbelstrom- Flußdichte an den Sensoren so gering, als daß die Abfühlung mit ausreichen­ der Verläßlichkeit stattfinden könnte, wenn Störungen durch willkürliches Rauschen oder durch andere Streupotentiale vorliegen. Die sich daraus ergebende geringe Empfindlichkeit der Geräte ist besonders problematisch bei Vorrichtungen, wie denen von Kuhrt et al, Dodgen et al und der deutschen Patentanmeldung, die auf der Feststellung des relativen Betrags der Wirbelstrom-Flußdichte beruhen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Geschwindigkeit angibt.

Der strukturelle Mangel all dieser im Stand der Technik bekannten Geräte, der dem Problem der geringen Empfindlichkeit hauptsächlich zugrundeliegt, besteht darin, daß der Flußsensor von Hall- oder Spulentyp nichtin einen magnetischen Kreis hoher Permeabilität eingebaut ist, der den vom Sensor festzustellenden Wirbelstromfluß sammelt und konzentriert. In dem Gerät von Kuhrt et al schließt der einzige Magnetkreis, zu dem der Hall-Sensor gehört, auch die Quellenmagnete für das Hauptmagnetfeld ein, die einfach Lücken in dem Kreis darstellen, wenn nicht ein hochpermeables Material, wie beispielsweise Alnico, für den Permanentmagnet gewählt wird; dadurch werden alle anderen modernen Magnete ausgeschlossen, wie beispielsweise Ferrite und Magnete mit Kobalt und seltenen Erden, die hohe Energieprodukte und hohen Widerstand gegen Entmagnetisierung aufweisen, aber nur eine geringe Permeabilität besitzen. Die vergleichbaren Magnetkreise der anderen im Stand der Technik bekannten Geräte enthalten große Luftlücken, durch die der bewegte Körper hindurch­ tritt und fließen so einen Kreis mit hoher Permeabilität aus.

Außerdem liegen in den Fällen, in denen der einzig für die Magnetfeldsensoren vorhandene Magnetkreis auch die Permanentmagnete enthält, wie in den Geräten von Kuhrt et al und Dodgen et al, eine große Anzahl von Grenzflächen geringerer Permeabilität zwischen den verschiedenen Komponenten des Magnetkreises und setzen damit dessen Gesamtpermeabilität weiter herab und damit auch seine Wirksamkeit, um den vom Sensor abgefühlten Fluß zu konzentrieren. Schließ­ lich wird in derartigen Geräten der abgefühlte Wirbelstromfluß dem Fluß des Magnetfeldes vom Permanentmagneten überlagert, so daß wegen der zu er­ wartenden Variationen im Permanentmagnetfeld die Verläßlichkeit herabgesetzt wird.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, bei Tachometern und Beschleunigungsmessern der eingangs genannten Art die Meßempfindlichkeit zu erhöhen und die Empfindlichkeit gegenüber Störungen herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung schlägt einen Magnetkreis für die Sensoren des Wirbelstrom­ feldes vor, der einen schleifenförmigen Flußpfad aufweist und sowohl hoch­ permeabel ist als auch frei vom Fluß der Permanentmagnete oder anderer Quellen magnetomotorischer Kräfte, die das Hauptmagnetfeld erzeugen. Vor­ zugsweise besteht der Flußpfad aus einem hochpermeablen Magnetmaterial ohne weitere Luftspalte und ohne größere Anzahl von Grenzflächen mit ge­ ringer Permeabilität, als notwendig sind, um den Flußpfad mit dem Feldsen­ sor zu koppeln. Der ringförmige Magnetkreis wirkt als Flußkollektor und er­ höht den Betrag des Wirbelstromflusses, der vom Feldsensor abgefühlt werden kann, so daß sich eine stark erhöhte Empfindlichkeit ergibt und die Anfällig­ keit gegenüber Störungen herabgesetzt ist.

Meßempfindlichkeit und Verläßlichkeit werden weiterhin verbessert, indem der Feldsensor so angeordnet wird, daß er den Wirbelstromfluß transversal zum Fluß des Hauptfeldes mißt, daher das Hauptfeld nicht abfühlt und so auch nicht von Änderungen darin beeinflußt wird.

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich bei Wirbelstrom-Geschwin­ digkeits- oder Beschleunigungs-Messern einsetzen, die entweder zum Drehtyp oder zum Lineartyp gehören. Beim Drehtyp ist der bewegte Körper normalerweise eine elektrisch leitfähige, vorzugsweise nichtmagnetische Festkörperscheibe, während beim Lineartyp der bewegte Körper ein elektrisch leitfähiger, vorzugs­ weise nichtmagnetischer Festkörperstab oder -streifen ist. Kupfer oder Alu­ minium seien als nicht beschränkende Beispiele für nichtmagnetische Materialien genannt, aus denen der bewegte Körper hergestellt werden kann. Es sind auch Anwendungen denkbar, bei denen mit Vorteil ein magnetisch durchlässiger, be­ wegter Körper Verwendung finden kann, z. B. aus Stahl oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläu­ tert, in denen

Fig. 1 in Form einer als Explosiv-Zeichnung dargestellten perspektivischen Teilansicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Tachometers/ Accelerometers vom Drehtyp zeigt, die gemäß der vorliegenden Er­ findung aufgebaut ist; und

Fig. 2 in Seitenansicht einen Teil des Gerätes gemäß Fig. 1 zeigt, in dem die Komponenten im zusammengebauten betriebsfertigen Zustand darge­ stellt sind.

Die Figuren zeigen einen Tachometer/Accelerometer vom Drehtyp, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Gerät enthält einen elektrischen leitfähigen bewegten Festkörper oder eine Scheibe 10, die sich in eine Rich­ tung 12 zusammen mit einer Welle 14 dreht, deren Winkelgeschwindigkeit oder deren zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll. Eine entsprechende lineare Version des gleichen Gerätes würde einfach anstelle der Scheibe 10 und der Welle 14 einen elektrisch leitfähigen bewegten Streifen eines Festkörpers verbinden, der längs der abzufühlenden Bewegungsrichtung bewegt sind.

Gemäß Fig. 2, die das Gerät im zusammengebauten Zustand darstellt, liegt der Umfangsteil der Scheibe 10 so, daß er durch einen Luftspalt 16 zwischen einem Paar von Permanentmagneten 18 hindurchläuft, wobei ein Hauptmagnetfeld 20 den bewegten Körper 10 in einer Richtung durchsetzt, die im allgemeinen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Körpers im Luftspalt 16 liegt. Ein Joch 22 aus magnetischem Material, beispielsweise Eisen, schließt den Magnetkreis der Magnete 18 des Hauptfeldes ab. Wenn die Scheibe 10 in die Richtung 12 durch den Luftspalt 16 rotiert, induziert das Hauptfeld 20 Wirbelströme 24 in dem leitfähigen Material der Scheibe, die ihrerseits ein Wirbelstrom-Magnet­ feld 26 erzeugen. Würde sich die Scheibe in umgekehrter Richtung drehen, so würden die Richtungen der Wirbelströme 24 und des Wirbelstromfeldes 26 ebenfalls bezüglich der in Fig. 1 dargestellten Richtungen umgedreht werden.

Unmittelbar benachbart zum Luftspalt 16, auf mindestens einer seiner Seiten und vorzugsweise auf beiden Seiten, wie dargestellt, liegt ein zugehöriger Flußkollektorring 28 aus magnetischem Material, beispielsweise Eisen, der einen Flußpfad in Form einer Schleife definiert; mindestens der Teil die­ ser Schleife, der dem Hauptmagnetfeld 20 ausgesetzt ist, wird dabei so aus­ gerichet, daß er im wesentlichen senkrecht zum Hauptfeld verläuft. Der Fluß vom Hauptmagnetfeld verläuft also nicht längs der Flußpfadschleife des Ringes, sondern durchsetzt den Schleifenpfad senkrecht. Jeder Ring ist jedoch so ausgerichtet, daß der Fluß des Wirbelstromfeldes 26 längs des geschleiften Flußpfades des Ringes verläuft.

Jedem Ring 28 können ein oder mehrere unterschiedliche Typen von Magnet­ feldersensoren zugeordnet werden, und zwar abhängig davon, ob das Gerät zur Messung der Geschwindigkeit, der Beschleunigung oder beider Größen ein­ gesetzt werden soll. In den Figuren sind beispielsweise Halleffektsensoren 30 oder andere Magnetfeldsensoren (wie beispielsweise magnetoresistive Sen­ soren) in den Luftspalten der jeweiligen Ringe eingebaut, um die Geschwi­ digkeit abzufühlen, während Spulen 32 Teile der jeweiligen Ringe umgeben, um die Beschleunigung zu messen. Abhängig von der gewünschten Funktion kann entweder Typ von Feldsensoren allein eingesetzt werden oder zusammen, um sowohl die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung messen zu können.

Die Halleffektsensoren 30 und die Spulen 32 sind so ausgerichtet, daß sie den Fluß des Wirbelstromfeldes 26 messen, der längs der Schleifenflußpfade der jeweiligen Ringe 28 verläuft, und zwar in einer Richtung, die senkrecht zu der Richtung liegt, in der das Hauptfeld 20 den bewegten Körper 10 durchdringt; auf diese Weise sind die Sensoren ebenso wie die Ringe 28 im Betrieb vom Hauptfeld isoliert und dessen Fluß wird dem Wirbelstromfluß nicht überlagert.

Der Betrag der Flußdichte des Wirbelstromflusses, der längs des Schleifen­ flußpfades in jedem Ring 28 verläuft, ist im wesentlichen direkt proportio­ nal zur Geschwindigkeit am Umfangsteil der Scheibe 10, der durch den Luftspalt 16 verläuft und somit auch in ähnlicher Weise proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Welle 14; damit ist auch die Ausgangs­ spannung jedes Halleffektsensors in ähnlicher Weise dazu proportional.

Auf der anderen Seite ist die an jeder Spule 32 erzeugte Spannung im wesent­ lichen direkt proportional zur zeitlichen Änderung des Betrags der Flußdich­ te des Wirbelstromflusses und stellt somit ein direkes Maß der zeitlichen Geschwindigkeitsänderung der Welle 14 dar. Die Spulen 32 ermöglichen es daher dem Gerät, als Accelerometer oder Beschleunigungsmesser eingesetzt zu werden.

Obwohl das Gerät ordnungsgemäß funktioniert, wenn nur ein einziger Ring 28 mit den zugehörigen Magnetfeldsensoren auf einer Seite des Luftspalts 16 vorgesehen ist, ermöglicht der Einsatz zweier Ringe mit zugehörigen Sensoren auf einander gegenüberliegenden Seiten des Luftspalts 16 die Summierung der Ausgangssignale der Sensoren, so daß Änderungen des Aus­ gangs aufgrund von Positionsänderungen des Körpers 10 innerhalb des Luft­ spalts und in Richtung des Hauptfeldes 20 auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Die summiertgen und verstärkten Ausgangssignale der Halleffektsensoren 30, die ein Maß für die Geschwindigkeit der Welle 14 darstellen, fallen bei einer Richtungsänderung der Bewegung der Scheibe auf den Wert Null ab und gehen stetig auf die neuen Werte über. In ähnlicher Weise fangen die Ausgangssignale der Spulen 32 auf den Wert Null ab, wenn die Geschwindig­ keit konstant ist und gehen stetig in die neuen Werte über, wenn die Be­ schleunigung von positiven zu negativen Werten übergeht und umgekehrt.

Claims (4)

1. Tachometer/Accelerometer zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das ein Maß für die Geschwindigkeit oder die Geschwindigkeitsän­ derung eines elektrisch leitfähigen bewegten Körpers (10) darstellt, mit Vorrichtungen (18, 20) zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds (20), das den bewegten Körper in einer Richtung durchsetze, die im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Körpers liegt, um dadurch Wirbelströme (24) in dem Körper zu erzeugen, die ihrer­ seits ein zweites Magnetfeld (26) hervorrufen und mit einem Ma­ gnetfeldsensor (30), der den Fluß des zweiten Magnetfelds (26) ab­ füllt und ein Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfeldsensor (30) ein Magnetkreis zugeordnet ist, der einen Ring (28) aus magnetischem Material enthält, um einen Schlei­ fenflußpfad zu definieren, daß der Ring (28) so ausgerichtet ist, daß der Fluß des zweiten Magnetfeldes (26) längs des Schleifenflußpfades verläuft und der Ring (28) so dem Magnetfeldsensor (30) zugeordnet ist, daß der Sensor auf den Fluß anspricht, der längs des Schlei­ fenflußpfades verläuft und daß der Schleifenflußpfad im wesent­ lichen frei von Luftspalten in seinem Magnetmaterial ist, die nicht vom Magnetfeldsensor (30) ausgefüllt werden, und außerdem im wesentlichen frei von Flußanteilen des ersten Magnetfeldes (20) die längs des Schleifenflußpfades verlaufen.

2. Tachometer/Accelerometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (30) so ausgerichtet ist, daß er den Fluß des zweiten Magnetfeldes (26) in einer Richtung mißt, die im wesent­ lichen senkrecht zur Richtung liegt, in der das erste Magnetfeld (20) den bewegten Körper (10) durchsetzt.

3. Tachometer/Accelerometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (30) und der Ring (28) aus magnetischem Material eine von zwei im wesentlichen identischen Anordnungen darstellen, die auf gegenüberliegenden Seiten des bewegten Körpers (10) angeordnet sind.

4. Tachometer/Accelerometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (30) Vorrichtungen enthält, um den Rela­ tivbetrag der Flußdichte des zweiten Magnetfeldes (26) zu messen und um ein Signal abzugeben, das diesen Betrag darstellt.