DE3742936A1 - Anordnung zur messung von ferromagnetischen verschlussteilen in der fluessigkeit eines maschinen-kreislaufsystems - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von ferromagnetischen Verschleißteilen in einer Flüssig­ keit eines Maschinen-Kreislaufsystems, mit einem Magneten, in dessen Magnetfeld ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, welcher ein der Menge der sich in der Nähe des Magnetfeld­ sensors ansammelnden Verschleißteile entsprechendes elektrisches Signal erzeugt.

Die Lebensdauer von Maschinen ist durch Verschleiß begrenzt, der als Abrieb (Verschleißteile) im Ölkreislauf der Maschine auftritt und der im allgemeinen ferro­ magnetisch ist. Durch Messung des Abriebes ist es möglich, einen die Maschine schädigenden Verschleiß frühzeitig zu erkennen und damit die Lebensdauer durch Eingriffe an der Maschine zu verlängern.

Die eingangs erwähnte Anordnung ist aus der Zeitschrift J.Phys.E.: Sci.Instrum.,VOL. 18, 1985, Seite 174 bis 178 bekannt. Die Anordnung enthält einen U-förmigen Permanent­ magneten, an dessen Schenkeln sich jeweils winkelförmige Weicheisenstücke (Flußleitstücke) anschließen. Die abge­ winkelten Arme der Weicheisenstücke bilden einen Luft­ spalt in dem ein erster Magnetfeldsensor angeordnet ist. Zwischen dem Ende eines Schenkels des Permanentmagneten und einem Weicheisenstück ist ein weiterer Luftspalt vorhanden, in den ein zweiter Magnetfeldsensor eingebracht ist. Diese Anordnung wird zur Messung des Abriebes von ferromagnetischen Verschleißteilen im Kreislaufsystem einer z.B. hydraulischen Maschine untergebracht. Der Luftspalt, in dem der erste Magnetfeldsensor eingebracht ist, ist im Kreislaufsystem so angeordnet, daß sich daran der Abrieb ansammelt. Der magnetische Fluß, der zwischen den Weicheisenstücken über den Luftspalt mit dem ersten Magnetfeldsensor fließt, wird durch die Ansammlung von Verschleißteilen verändert. Ebenfalls erfährt der magnetische Fluß im zweiten Magnetfeldsensor eine Änderung. In den beiden Magnetfeldsensoren bewirkt diese Flußveränderung eine Widerstandsveränderung, die gegen­ sinnig verläuft. Eine solche Anordnung ist kompliziert aufgebaut und benötigt ein großes Volumen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine An­ ordnung zur Messung von ferromagnetischen Verschleißteilen in der Flüssigkeit eines Maschinen-Kreislaufsystems zu schaffen, die einfach und kompakt aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß der Magnet unmittelbar mit dem Kreislaufsystem in Verbindung steht und die Verschleißteile sich am ihm ansammeln und daß ein einziger Magnetfeldsensor am Magneten befestigt ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugt der Magnet ein Feld, daß vom Magnetfeldsensor erfaßt wird. Der Magnet ist so in das Kreislaufsystem eingebracht, daß sich an diesem die auftretenden ferromagnetischen Verschleißteile ansam­ meln. Diese Verschleißteile bewirken eine Änderung des Magnetfeldes, welche der Magnetfeldsensor mißt. Da sich am Magneten die auftretenden Verschleißteile ansammeln, wird kein zusätzliches Flußleitstück benötigt. Außerdem ist nur ein Magnetfeldsensor erforderlich, der eine Veränderung des Magnetfeldes feststellt. Ein solcher Magnetfeldsensor kann beispielsweise als Hall-Sensor oder als magneto­ resistives Widerstandselement ausgebildet sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Magnetfeldsensor vier als Wheatstone-Brücke geschaltete Widerstandselemente enthält, wobei wenigstens zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente aus magneto­ resistivem Material bestehen, deren Widerstandswerte sich bei Einwirkung eines Magnetfeldes gegensinnig ändern, daß ein Permanentmagnet im Ausgangszustand ein symmetrisches Feld für den Magnetfeldsensor erzeugt, und daß der Magnet­ feldsensor zusammen mit dem Permanentmagneten wenigstens teilweise in eine Wand des Kreislaufsystems hineinragt.

Ein solcher Magnetfeldsensor, der mit magnetoresistiven Widerstandselementen aufgebaut ist, die als Wheatstone- Brücke geschaltet sind, ist unempfindlich gegen Tempera­ turschwankungen und weist eine vierfach höhere Meßempfind­ lichkeit als ein einziges magnetoresistives Element auf. Ein solches magnetoresistives Element ist in der Regel mit einer magnetischen Vorzugsrichtung (magnetische Anisotropie) ausgestattet. Die Widerstandsänderung ist bei einem solchen Element am größten, wenn ein äußeres Magnet­ feld angelegt wird, dessen Richtung quer zur magnetischen Vorzugsrichtung verläuft. Diese Magnetfeldrichtung wird als empfindliche Richtung bezeichnet. Zwei Widerstands­ elemente sind in der Wheatstone-Brücke so geschaltet, daß die empfindliche Richtung entgegengesetzt verläuft, so daß eine gegensinnige Widerstandsänderung erfolgt.

Um eine möglichst große Widerstandsänderung auf einer geringen Fläche zu erhalten, sollten die Widerstands­ elemente in Mäanderform ausgeführt sein. Außerdem können die Sensorstreifen in Barberpole-Konfiguration ausgebildet sein. Hierbei wird die Übertragungskennlinie (Abhängigkeit des Widerstandes vom einwirkenden Magnetfeld) dadurch linearisiert, daß die Richtung des Stromes durch das Element um einen Winkel von 45° gegenüber der magnetischen Vorzugsrichtung verdreht ist. Hierbei wird die Oberfläche des Elements mit schmalen Metallstreifen hoher Leitfähig­ keit belegt, die um 45° geneigt sind. Derartige Magnet­ feldsensoren sind in der VALVO-Schrift: "Anwendungen der Magnetfeldsensoren KMZ 10, Technische Informationen 86 11 05" beschrieben.

Die Widerstandsänderung eines solchen Magnetfeldsensors ist von der Richtung und der Stärke des Magnetfeldes abhängig. Bei einem senkrecht durch den Sensor ver­ laufenden und vom Permanentmagneten erzeugten symmetrischen Magnetfeld ergibt sich daher keine Widerstandsänderung. Bei Ansammlung der ferromagnetischen Verschleißteile am Magneten erfolgt jedoch eine Magnet­ feldänderung. Diese Magnetfeldänderung kann der Magnet­ feldsensor detektieren, wenn durch diese Feldveränderung eine Komponente des Feldes in die empfindliche Richtung weist.

Vorzugsweise liegt die senkrecht zur Oberfläche der Wand des Kreislaufsystems angeordnete empfindliche Richtung des Magnetfeldsensors senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des quaderförmigen Permanentmagneten. Hierbei ergibt sich eine große Widerstandsänderung, wenn ungefähr die Hälfte des Magnetfeldsensors in die Wand hineinragt.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß der Magnetfeldsensor vier als Wheatstone-Brücke geschaltete Widerstandselemente enthält, wobei wenigstens zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente aus magnetoresistivem Material bestehen, deren Widerstands­ werte sich bei Einwirkung eines Magnetfeldes gleich­ sinnig ändern. Ein solcher Magnetfeldsensor mißt den Gradienten eines Magnetfeldes, d.h. er stellt fest, ob sich eine räumliche Änderung des Feldes ergeben hat. Im Gegensatz zu dem obengenannten Magnetfeldsensor enthält dieser Sensor mindestens zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente aus magnetoresistivem Material, die sich bei Einwirkung eines Magnetfeldes gleichsinnig ändern. Dieser Gradienten-Magnetfeldsensor ist näher in der DE-OS 33 17 594 beschrieben. Sammelt sich am Magneten Abrieb an, so wird das Feld verändert. Diese Veränderung stellt der Gradienten-Magnetfeldsensor fest, auch wenn das Magnetfeld symmetrisch ist.

Vorzugsweise erzeugt der Permanentmagnet im Ausgangs­ zustand für den Gradienten-Magnetfeldsensor ein symmetrisches Feld. Eine einfach in die Wand des Kreislaufsystems anzubringende Anordnung ergibt sich, wenn die parallel zur Oberfläche der Wand des Kreislaufsystems angeordnete empfindliche Richtung des Magnetfeldsensors senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des vollständig in die Wand eingebrachten, quaderförmigen Permanentmagneten liegt.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung einer Anordnung in einer Ölablaßschraube eines Verbrennungs­ motors, in dessen Kreislaufsystem eine Ölflüssigkeit fließt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Ölwanne eines Verbrennungsmotors mit Ölablaßschraube, in die eine Anordnung zur Messung von ferromagnetischen Verschleiß­ teilen eingesetzt ist,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltschema von magnetoresistiven Widerstand­ elementen eines Magnetfeldsensors, der in der Anordnung nach Fig. 2 verwendet wird,

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsformen der Anordnung zur Messung von ferromagnetischen Verschleißteilen und

Fig. 6 ein Schaltschema von magnetoresistiven Widerstands­ elementen eines Gradienten-Magnetfeldsensors, der in Fig. 5 verwendet wird.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Teil einer Ölwanne 1 mit Ölablaßschraube 2 dargestellt. Die Ölwanne 1 ist Bestandteil eines Ölkreislaufsystems eines Verbrennungs­ motors. Die Lebensdauer solcher Verbrennungsmotoren ist durch Verschleiß begrenzt. Durch Messung der auftretenden Verschleißteile, die in der Regel ferromagnetisch sind, können vorbeugende Maßnahmen ergriffen und die Lebensdauer eines Verbrennungsmotors verlängert werden. Eine Anordnung 4 zur Messung von ferromagnetischen Verschleiß­ teilen in der Ölflüssigkeit 3 ist am Ende der Ölablaß­ schraube 2 angebracht, welche im Inneren der Ölwanne 1 liegt.

Diese Anordnung 4 enthält einen Permanentmagneten 5 (Fig. 2) und einen an diesen befestigten Magnetfeld­ sensor 6. Die empfindliche Richtung des Magnetfeld­ sensors 6, bei der die Widerstandsänderung am größten ist, ist senkrecht zur Endfläche 15 der Ölablaßschraube 2 angeordnet, und auch senkrecht zur Nord-Süd-Richtung (Magnetisierungsrichtung) des Magnetfeldes des Permanent­ magneten 5. Der Magnetfeldsensor 6 und der Permanent­ magnet 5 ragen jeweils zu einem Teil in die Ölflüssig­ keit 3 hinein. Der Permanentmagnet 5 ist so großvolumig ausgebildet, daß das von ihm erzeugte Magnetfeld symmetrisch durch den Magnetfeldsensor 6 verläuft.

Am Magneten 5 sammeln sich die ferromagnetischen Ver­ schleißteile 7 und bewirken eine Magnetfeldveränderung. Das im Ausgangszustand, d.h. vor der Ansammlung von Verschleißteilen, symmetrische Magnetfeld wird unsymme­ trisch. Diese Magnetfeldänderung wird von dem Magnetfeld­ sensor 6 erfaßt und über Leitungen 8 an eine hier nicht näher dargestellte Auswerteschaltung gegeben. Eine solche Auswerteschaltung kann der genannten VALVO-Schrift entnommen werden.

Der Magnetfeldsensor 6 enthält vier Widerstandelemente 10 bis 13, die als Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet sind (Fig. 3). Die Widerstandselemente bestehen aus magnetoresistivem Material. Jeweils zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente 10 und 11 bzw. 12 und 13 ändern ihre Widerstandswerte bei Einwirkung eines Magnet­ feldes gegensinnig, was durch das Plus- bzw. Negativ- Zeichen in den Elementen 11 bis 13 angedeutet wird (Fig. 3). Um eine möglichst große Widerstandsänderung auf einer geringen Fläche zu erhalten, sollten die Widerstandsbahnen in Mäanderform ausgebildet sein. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Bahnen in Barberpole- Konfiguration ausgeführt sind. Eine Versorgungsspannung UO ist einerseits an den gemeinsamen Anschluß der Elemente 11 und 12 und andererseits an den gemeinsamen Anschluß der Elemente 10 und 13 angelegt. Eime Meßspannung Um, die ein elektrisches Signal abgibt, welches proportional dem einwirkenden Magnetfeld ist, ist zwischen dem gemeinsamen Anschluß der Elemente 10 und 11 und dem gemeinsamen Anschluß der Elemente 12 und 13 abnehmbar. Die empfind­ liche Richtung des Magnetfeldsensors 6 ist durch einen Doppelpfeil 24 gekennzeichnet.

In Fig. 4 ist eine weitere Möglichkeit zur Einbringung des Magneten 5 und des an ihm befestigten Magnetfeldsensors 6 in die Wand 18 der Ölwanne 1 (z.B. der Ölablaßschraube 2) gezeigt. Der Magnet 5 ist hierbei so in die Wand 18 der Ölablaßschraube 2 eingebracht, daß dessen Nord-Süd- Richtung parallel zur Innenfläche 15 der Wand 18 liegt und die der Innenfläche 15 am nächsten liegende Außenfläche des Magneten 5 eine gemeinsame Fläche bilden. Der Magnet­ feldsensor 6 ist so am Nordpol des Magneten 5 angebracht, daß dessen empfindliche Richtung senkrecht zur Innen­ fläche 15 der Wand 18 liegt. An der Fläche des Magneten 5, die zur Ölflüssigkeit zeigt, sammeln sich die Verschleiß­ teile 7 an.

Der in den Fig. 2 und 4 verwendete Magnetfeldsensor kann auch so in die Wand 18 der Ölwanne 1 eingebracht werden, daß dessen empfindliche Richtung nicht senkrecht zur Innenfläche der Ölwanne 1 liegt. Es sollte jedoch vermieden werden, den Magnetfeldsensor 6 so anzuordnen, daß dessen empfindliche Richtung parallel zur Innen­ fläche 15 der Wand liegt. Die sich ansammelnden Verschleißteile 7 erzeugen dabei nämlich in der Regel kein unsymmetrisches Magnetfeld.

Die zuvor beschriebene Anbringung des Magnetfeldsensors 6 kann aber gewählt werden, wenn ein Gradienten-Magnetfeld­ sensor, wie in Fig. 5 dargestellt, gewählt wird. Die empfindliche Richtung dieses Gradientensensors 17 liegt parallel zur Innenfläche 15 der Wand 18 der Ölablaß­ schraube 2. Die Außenfläche des quaderförmigen Magneten 5 liegt in der gleichen Ebene wie die Innenfläche 15 der Wand 18. Hierbei verläuft die Nord-Süd-Richtung des Magnetfeldes senkrecht zur Innenfläche 15. Verbindungs­ leitungen 19 leiten das vom Gradientensensor 17 erzeugte elektrische Signal zu einer hier nicht näher dargestellten Auswerteeinheit.

Ein solcher Gradientensensor 17, der näher in der DE-OS 33 17 594 beschrieben ist, enthält ebenfalls vier magnetoresistive Widerstandelemente. Wie Fig. 6 zeigt, sind dabei jeweils die beiden in Reihe liegenden Widerstände 20 und 21 bzw. 22 und 23 so geschaltet, daß deren Widerstandswerte sich bei Einwirkung eines Magnetfeldes gleichsinnig ändern. Die Widerstandselemente 20 und 21 sollten sich gegenüber den Widerstandelementen 22 umd 23 jedoch gegensinnig ändern. Die Versorgungsspannung UO liegt zwischen dem gemeinsamen Anschluß der Elemente 21 und 23 und dem gemeinsamen Anschluß der Elemente 20 und 22. Die Meßspannung Um ist zwischen dem gemeinsamen Anschluß der Widerstände 20 und 21 und dem gemeinsamen Anschluß der Widerstände 22 und 23 abnehmbar. Ein solcher Gradientensensor stellt eine räumliche Änderung des magnetischen Feldes fest.

Claims (7)

1. Anordnung zur Messung von ferromagnetischen Ver­ schleißteilen in einer Flüssigkeit eines Maschinen-Kreis­ laufsystems, mit einem Magneten (5), in dessen Magnetfeld ein Magnetfeldsensor (6, 17) angeordnet ist, welcher ein der Menge der sich in der Nähe des Magnetfeldsensors ansammelnden Verschleißteile (7) entsprechendes elek­ trisches Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (5) unmittelbar mit dem Kreislaufsystem (1, 2) in Verbindung steht und die Verschleißteile (7) sich an ihm ansammeln und daß ein einziger Magnetfeldsensor (6, 17) am Magneten befestigt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (6) vier als Wheatstone-Brücke geschaltete Widerstandselemente (10 bis 13) enthält, wobei wenigstens zwei in Reihe geschaltete Widerstandselemente (10, 11 bzw. 12, 13) aus magnetoresistivem Material bestehen, deren Widerstandwerte sich bei Einwirkung eines Magnetfeldes gegensinnig ändern, daß ein Permanentmagnet (5) im Ausgangszustand ein symmetrisches Feld für den Magnetfeldsensor erzeugt, und daß der Magnetfeldsensor zusammen mit dem Permanent­ magneten wenigstens teilweise in eine Wand (18) des Kreislaufsystems (1, 2) hineinragt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Ober­ fläche (15) der Wand (18) des Kreislaufsystems (1, 2) ange­ ordnete empfindliche Richtung des Magnetfeldsensors (6) senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des quaderförmigen Permanentmagneten (5) liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (17) vier als Wheatstone-Brücke geschaltete Widerstandselemente (20 bis 23) enthält, wobei wenigstens zwei in Reihe geschaltete Widerstandelemente (20, 21 bzw. 22, 23) aus magnetoresistivem Material bestehen, deren Widerstands­ werte sich bei Einwirkung eines Magnetfeldes gleichsinnig ändern.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Permanentmagnet (5) im Ausgangszustand ein symmetrisches Feld für den Magnetfeld­ sensor (17) erzeugt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zur Ober­ fläche (15) der Wand (18) des Kreislaufsystems (1, 2) ange­ ordnete empfindliche Richtung des Magnetfeldsensors (17) senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des vollständig in die Wand eingebrachten, quaderförmigen Permanent­ magneten (5) liegt.

7. Verwendung einer Anordnung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche in einer Ölablaßschraube (2) eines Verbrennungsmotors, in dessen Kreislaufsystem eine Ölflüssigkeit (3) fließt.