DE3916959A1 - Messaufnehmer zur beruehrungslosen messung von drehmomenten an rotierenden wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer mit kapazitivem Wandler zur Erfassung des Torsionsweges bei der berührungs­ losen Messung von Drehmomenten an rotierenden Wellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Meßaufnehmer ist Gegenstand der älteren Patent­ anmeldung P 38 27 301.2. Bei dem dort beschriebenen Meßauf­ nehmer ist eine mechanisch-elektrische Meßgrößenumformung vor­ gesehen, bei welcher eine verstellbare Meßkapazität entspre­ chend dem zu erfassenden Torsionsweg direkt verändert wird und eine verhältnisgleiche Kapazitätsänderung als Ausgangsgröße erzeugt. Die Meßkapazität wird durch zwei relativ zueinander verstellbare Elektrodenstrukturen gebildet, wobei die parallel zueinander ausgerichteten Elektroden beider Elektrodenstruktu­ ren abwechselnd angeordnet sind und somit parallel geschaltete Elektrodenpaare bilden. Entscheidend ist dabei, daß die beiden Elektrodenstrukturen stark unsymmetrisch zueinander angeordnet sind, so daß die Elektrodenabstände der Elektrodenpaare gering sind gegenüber den Abständen zwischen den Elektroden benach­ barter Elektrodenpaare und somit auch die durch die Elektroden benachbarter Elektrodenpaare gebildeten Kapazitäten vernach­ lässigbar gering sind. Die Gesamtkapazität ergibt sich demnach nur aus der Summe der durch die Elektrodenpaare gebildeten Ein­ zelkapazitäten. Aufgrund der geschilderten unsymmetrischen An­ ordnung wird dann eine Änderung des Torsionsweges Δ x in eine Kapazitätsänderung

umgesetzt, wobei n die Anzahl der Elektroden der Elektroden­ strukturen, F die Fläche des Überdeckungsbereichs der Elek­ troden eines Elektrodenpaares, d 1 der Ausgangswert des Ab­ standes zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares und ε° die Dielektrizitätskonstante ist. Es ist ersichtlich, daß sich die Fläche F und die Anzahl n der Elektroden multiplikativ auswirken und somit insbesondere bei einer Vielfachanordnung mit äußerst geringen Elektrodenabständen d 1 der Elektrodenpaare äußerst hohe Meßgenauigkeiten erzielt werden können.

Entscheidende Vorteile des in der älteren Patentanmeldung P 38 27 301.2 beschriebenen Meßaufnehmers sind der äußerst geringe axiale Platzbedarf, eine hohe Überlastsicherheit, die Möglichkeit der Nachrüstung bei bereits vorhandenen Maschinen, die äußerst hohe Genauigkeit und die geringe Ansprechzeit, die auch ein Erfassen von Schwingungen ermöglicht. Andererseits kann jedoch ein Auftreten von auf die Welle einwirkenden Quer­ kräften oder Biegemomenten ebenfalls Änderungen der Meßkapa­ zität hervorrufen. Das bedeutet, daß in diesem Fall im Meß­ signal Drehmomente und Querkräfte bzw. Biegemomente überlagert sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßaufnehmer der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß im Meßsignal die Einflüsse von auf die Welle einwirkenden Quer­ kräften und Biegemomenten vollständig eliminiert sind.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Meßaufnehmer durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Querkräfte und Biegemomente verursachen eine Verformung der Welle entsprechend der Biegelinie. Daraus resultiert normal zur Wellenachse eine Verschiebung der Relativlage der beiden Elek­ trodenstrukturen einer Kondensatoranordnung. Sofern diese Ver­ schiebung parallel zu den einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrodenpaare verläuft, hat sie keinen wesentlichen Einfluß auf das Meßsignal. Verläuft die Verschiebung jedoch senkrecht zu den einander gegenüberliegenden Flächen der Elek­ trodenpaare, so wird eine deutliche Änderung des Elektroden­ abstandes und damit des gemessenen Torsionsweges bzw. Meß­ signals hervorgerufen. Eine Trennung bzw. Kompensation dieser Querkraft- und Biegemomenteinflüsse wird durch eine zweite, identische Kondensatoranordnung erreicht, die in bezug auf die Achse der Welle um einen Winkel von 180° verdreht zu der ersten Kondensatoranordnung angeordnet ist. Wirkt nun ein Drehmoment auf die Welle, so vergrößern sich die Elektrodenabstände der beiden verdreht angeordneten Kondensatoranordnungen im gleichen Maße und damit auch die Gesamtkapazitäten der beiden Kondensa­ toranordnungen. Bei Einleitung einer Querkraft oder eines Biegemomentes in die Welle verringert sich demgegenüber der Elektrodenabstand der einen Kondensatoranordnung, während sich gleichzeitig der Elektrodenabstand der anderen Kondensatoran­ ordnung in gleichem Maße vergrößert. Bei einer Reihenschaltung der Gesamtkapazitäten der beiden um einen Winkel von 180° ver­ dreht zueinander angeordneten Kondensatoranordnungen ergibt sich somit eine exakte Kompensation der Querkraft- und Biege­ momenteinflüsse, während die Meßkapazität als Maß des erfaß­ ten Torsionsweges unverändert bleibt.

Gemäß einer Variante der Erfindung sind mindestens zwei wei­ tere, paarweise in bezug auf die Achse der Welle um Winkel von 180° verdreht zueinander angeordnete, identische Kondensator­ anordnungen vorgesehen, wobei weitere Meßkapazitäten durch Reihenschaltung der Gesamtkapazitäten einander zugeordneter Kondensatoranordnungen gebildet sind und wobei die Gesamt-Meß­ kapazität durch eine Parallelschaltung der einzelnen Meßkapa­ zitäten gebildet ist. Die exakte Kompensation der Querkraft- und Biegemomenteinflüsse wird auch hier jeweils durch die Reihenschaltung um Winkel von 180° verdreht zueinander an­ geordneter Kondensatoranordnungen ermöglicht.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfin­ dung sind zur Abnahme des Torsionsweges zwei auf der Welle im Abstand zueinander angeordnete Klemmringe vorgesehen, zwischen denen elastisch verformbare, geschlossene Rahmen zur Aufnahme jeweils einer Kondensatoranordnung angeordnet sind. Neben einer Verschiebung der beiden Klemmringe zueinander bewirken Quer­ kräfte und Biegemomente aufgrund der Biegelinie auch eine Winkeländerung zwischen den an sich parallelen Klemmringen.

Damit diese Winkeländerung sich nicht auf die parallelen Flächen der einzelnen Elektrodenpaare überträgt und damit eine Änderung der Gesamtkapazität hervorruft, sind die Kondensator­ anordnungen jeweils in dem elastisch verformbaren, geschlosse­ nen Rahmen montiert. Dieser Rahmen kann dann so dimensioniert werden, daß noch Parallelverschiebungen in tangentialer Richtung möglich sind. Zweckmäßigerweise wird der Rahmen dann an einem Klemmring in geringem Umfang elastisch verdrehbar und am ande­ ren Klemmring fest angebracht. Die elastisch verdrehbare An­ bringung des Rahmens an dem einen Klemmring wird dabei auf besonders einfache Weise durch eine Schwachstelle dieses Klemmrings realisiert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Erfassung der Torsion einer Welle als Maß für das übertragene Drehmoment,

Fig. 2 die Abnahme der Torsion durch zwei im Abstand zueinan­ der auf der Welle angeordnete Klemmringe,

Fig. 3 und 4 in der Draufsicht bzw. in der Seitenansicht einen Meßaufnehmer für die berührungslose Messung von Drehmomenten durch mechanisch-elektrische Meßgrößen­ umformung mittels einer verstellbaren Kapazität,

Fig. 5 die Elektrodenstrukturen der beim Meßaufnehmer gemäß den Fig. 3 und 4 als verstellbare Kapazität verwen­ deten Kondensatoranordnung sowie das zugeordnete Er­ satzschaltbild dieser Kondensatoranordnung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Elektrodenstruktur gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zur induktiven Übertragung der mit dem Meßaufnehmer gemäß den Fig. 3 und 4 erfaßten Kapazitätsänderungen in stark vereinfach­ ter schematischer Darstellung,

Fig. 8 und 9 das Prinzip einer exakten Kompensation von auf die Welle einwirkenden Querkräften bzw. Biegemomenten,

Fig. 10 einen nach dem Prinzip gemäß Fig. 8 und 9 ausge­ bildeten Meßaufnehmer für die berührungslose Mes­ sung von Drehmomenten,

Fig. 11 und 12 Seitenansichten der beiden 180° verdreht angeord­ neten Kondensatoranordnungen des in Fig. 10 darge­ stellten Meßaufnehmers,

Fig. 13 eine Reihenschaltung der in den Fig. 11 und 12 dar­ gestellten Kondensatoranordnungen,

Fig. 14 das Ersatzschaltbild der Reihenschaltung gemäß Fig. 13,

Fig. 15 das Prinzip eines Meßaufnehmers für die berührungs­ lose Messung von Drehmomenten mit insgesamt vier Kondensatoranordnungen,

Fig. 16 das Ersatzschaltbild des Meßaufnehmers gemäß Fig. 15 und

Fig. 17 einen Meßaufnehmer für die berührungslose Messung von Drehmomenten mit zwei um 180° verdrehten Kon­ densatoranordnungen in perspektivischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt eine um die Achse A drehbare Welle We, auf deren Umfangsfläche zwei im axialen Meßabstand 1 liegende Meßpunkte Mp 1 und Mp 2 angeordnet sind. Wird nun durch die Welle We ein durch den Pfeil Dm angedeutetes Drehmoment übertragen, so bil­ det die zwischen den Meßpunkten Mp 1 und Mp 2 auftretende Torsion der Welle We ein Maß für das Drehmoment Dm. In Fig. 1 ist diese dem Drehmoment Dm proportionale Torsion durch die zwischen den Meßpunkten Mp 1 und Mp 2 in Umfangsrichtung auftretende Längen­ änderung Δ x aufgezeigt.

Gemäß Fig. 2 werden zur Abnahme der in Fig. 1 aufgezeigten Torsion Δ x zwei mir Kr bezeichnete Klemmringe auf der Welle We derart befestigt, daß ihre in Umfangsrichtung linienförmigen Auflagen des axialen Meßabstand 1 aufweisen. Die Torsion Δ x zwischen den Meßpunkten Mp 1 und Mp 2 kann dann als zwischen den Klemmringen Kr auftretende Relativbewegung in Umfangsrichtung abgenommen werden. Bei Übertragung eines Drehmomentes Dm durch die Welle We verdrehen sich also die auf den Klemmringen Kr dargestellten Meßpunkte Mp 10 und Mp 20 um die Torsion Δ x gegeneinander.

Gemäß den Fig. 3 und 4 sind die beiden Klemmringe Kr mit Ab­ flachungen Af versehen, auf welchen die Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 einer insgesamt mit Ka bezeichneten Kondensator­ anordnung aufgebracht sind. Die beiden als ineinandergreifende Kammstrukturen ausgebildete Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 befinden sich auf elektrisch isolierenden Trägerschichten Ts 1 bzw. Ts 2, die aus einem temperaturstabilen Material, insbeson­ dere PTFE, bestehen. Es ist ferner zu erkennen, daß die beiden Klemmringe Kr über drei gleichmäßig über den Umfang verteilte, axial ausgerichtete Stifte St elastisch miteinander verbunden sind, so daß sie mit den bereits aufgebrachten Elektrodenstruk­ turen Es 1 bzw. Es 2 als bauliche Einheit auf die Welle We aufge­ setzt und mit Hilfe von Klemmschrauben Ks festgeklemmt werden können. Um die Messung der Torsion nicht zu verfälschen, muß die durch die Stifte St hergestellte elastische Verbindung der beiden Klemmringe Kr eine Steifigkeit aufweisen, die im Vergleich zur Steifigkeit der Welle We vernachlässigbar gering ist.

Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise der Konden­ satoranordnung Ka wird zusätzlich auf die Fig. 5 und 6 verwiesen. Insbesondere Fig. 5 zeigt, daß die Elektrodenstruk­ tur Es 1 durch einen Kammsteg Ks 1 und eine Vielzahl von in gleichmäßiger Teilung parallel im Abstand zueinander angeordneter und in axialer Richtung senkrecht vom Kammsteg Ks 1 wegstehenden Elektroden E 1 besteht. Die Elektrodenstruktur Es 1 ist dabei derart auf der Trägerschicht Ts 1 angeordnet, daß die freien Enden der einzelnen Elektroden E 1 über den Rand des zu­ geordneten Klemmringes Kr hinausragen. Die zweite, gleichartig ausgebildete Elektrodenstruktur Es 2, die aus einem Kammsteg Ks 2 und einer Vielzahl von Elektroden E 2 besteht, ist in entspre­ chender Weise auf der Trägerschicht Ts 2 derart angeordnet, daß die freien Enden der einzelnen Elektroden E 2 über den Rand des zugeordneten Klemmringes Kr hinausragen und in die Zwischen­ räume zwischen den Elektroden E 1 der ersten Elektrodenstruktur Es 1 eingreifen. Die beiden ineinandergreifenden, kammförmigen Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 sind dabei stark unsymmetrisch zueinander angeordnet, so daß jeweils zwischen paarweise einan­ der zugeordneten, benachbarten Elektroden E 1 und E 2 ein geringer Abstand d 1 besteht, der klein ist gegenüber dem Abstand d 2 zwischen einander nicht zugeordneten, benachbarten Elektroden E 1 und E 2. Dementsprechend sind die über die Abstände d 2 gebildeten Kapazitäten C 2 vernachlässigbar gering gegenüber den über die Abstände d 1 der Elektrodenpaare gebil­ deten Kapazitäten C 1. Wie gemäß Fig. 5 aus dem zugeordneten Ersatzschaltbild mit den Kapazitäten C 1 und C 2 zu erkennen ist, ergibt sich die Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung Ka durch die Parallelschaltung der Elektrodenpaare aus der Summe der Einzelkapazitäten C 1, gegenüber der die Summe der Einzel­ kapazitäten C 2 zu vernachlässigen ist.

Durch die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 3 erwähnten Meßpunkte Mp 10 und Mp 20 ist in Fig. 5 angedeutet, daß sich die beiden auf den Klemmringen Kr angeordneten Elektrodenstruktu­ ren Es 1 und Es 2 um die Torsion Δ x parallel zueinander ver­ schieben. Die Torsion Δ x wird dann in eine Kapazitätsänderung

umgesetzt, wobei n die Anzahl der Elektroden E 1 bzw. E 2, F 1 die Fläche des Überdeckungsbereichs u der Elektroden E 1 und E 2 eines Elektrodenpaares, d 1 der bereits vorstehend erwähnte Aus­ gangswert des Abstandes zwischen den Elektroden E 1 und E 2 eines Elektrodenpaares und ε _o die Dielektrizitätskonstante ist.

Um einen hinreichend großen Meßeffekt zu erzielen, sollte der Abstand d 1 nicht wesentlich größer als die Torsion Δ x sein. Bei der Welle We eines Elektromotors mit einem Durchmesser D = 60 mm und einem axialen Meßabstand 1 = 30 mm beträgt die Torsion bei Nenndrehmoment beispielsweise Δ x = 2 µm, so daß hier beispielsweise für den Abstand d 1 ein Wert von ca. 5 Mikrometern angebracht ist. Mulitplikativ wirkt sich die Fläche F des Überdeckungsbereichs u der Elektroden E 1 und E 2 eines Elektrodenpaares und die Anzahl n der Elektrodenpaare aus. Große Flächen F bedeuten jedoch eine große Höhe h (vgl. Fig. 6) der Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2. In Verbindung mit den äußerst geringen Abständen d 1 resultieren daraus Elektroden­ strukturen Es 1 und Es 2 im Mikrometerbereich mit extrem großen Aspektverhältnissen. Derartige Strukturen sind durch die Rönt­ gentiefenlithographie in Verbindung mit der Mikrogalvanoplastik herstellbar, wobei hier als Werkstoff beispielsweise Nickel ge­ eignet ist. Die Strukturen können jedoch auch aus Silizium be­ stehen und durch die sogenannte Silizium-Mikromechanik, d.h. durch anisotropes Ätzen von Silizium hergestellt werden.

Bei einer Torsion Δ x im Bereich von 1 bis 5 Mikrometern hat sich beispielsweise folgende Strukturdimensionierung bewährt:

Anzahl der Elektrodenpaare
n = 35
Abstand zwischen Elektroden E 1 und E 2 eines Elektrodenpaares	d 1 = 5 µm
Abstand zwischen einander nicht zugeordneten benachbarten Elektroden E 1 und E 2	d 2 = 300 µm
Höhe einer Elektrode E 1 oder E 2	h = 500 µm
Stärke einer Elektrode E 1 oder E 2	s = 300 µm
Länge der Überdeckung der Elektroden E 1 und E 2	u = 5 mm

Mit den vorstehenden Strukturdimensionierungen konnte bei einer Welle We mit einem Durchmesser D = 60 mm und einem axialen Meß­ abstand 1 = 30 mm eine Kapazitätsänderung C von ca. 100 pF erzielt werden, wobei die Kapazität der Kondensatoranordnung Ka von etwa 100 pF ohne Belastung durch ein Drehmoment Dm auf etwa 200 pF bei Nenndrehmoment anstieg. Die Änderung des Meßsignals liegt hier also bei etwa 100% während bei der Messung von Drehmomenten mittels Dehnungsmeßstreifen die entsprechenden Änderungen nur im Promillebereich liegen.

Die beiden Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 werden zweckmäßigerweise als ein einziges Teil hergestellt und nach der elektrisch isolierten Befestigung auf den durch die Stifte St miteinander verbundenen Klemmringen Kr mechanisch und elektrisch voneinander getrennt. Die Trennung erfolgt dabei zweckmäßigerweise über aus Fig. 5 ersichtliche Schwachstellen Ss, welche im Bereich der Querverbindungen zwischen den Kamm­ stegen Ks 1 und Ks 2 angeordnet sind.

Das Ineinandergreifen der Elektroden E 1 und E 2 der Elektroden­ strukturen Es 1 und Es 2 ohne Beeinträchtigung ihrer Verstellbar­ keit durch die Torsion Δ x geht insbesondere aus Fig. 6 hervor. Es ist zu erkennen, daß durch geringe Abstufungen der Träger­ schichten Ts 1 und Ts 2 im Überdeckungsbereich der Elektroden E 1 und E 2 eine reibungsfreie Verstellung gewährleistet ist. Fig. 6 zeigt ferner durch strichpunktierte Linien eine hermetische Verkapselung der Gesamtanordnung mit den Elektroden E 1 und E 2 auf. Diese Verkapselung Vk verhindert den Zutritt von Feuchtig­ keit und Staub und damit eine eventuelle Verfälschung der Messung.

Fig. 7 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung das Schaltungsprinzip für die berührungslose induktive Über­ tragung der mit dem Meßaufnehmer gemäß den Fig. 3 und 4 erfaßten Kapazitätsänderungen C. Es ist zu erkennen, daß die Kondensatoranordnung Ka parallel an eine Ringspule Rs ange­ schlossen ist, wobei diese Ringspule Rs neben den beiden in Fig. 3 dargestellten Klemmringen Kr auf die Welle We aufgesetzt ist. Über einer fest angeordneten Primärspule Pm wird der Pa­ rallelresonanzkreis auf der Welle We, bestehend aus der Konden­ satoranordnung bzw. Meßkapazität Ka und der Induktivität der Ringspule Rs in Resonanz gebracht. Aus der Resonanzfrequenz ergibt sich dann eindeutig die Größe der Meßkapazität Ka und damit das Drehmoment Dm. Zur Erfassung der Resonanz dient dabei ein Strommeßgerät Sm, das mit der Primärspule Pm und einem Wechselstromgenerator Wg in Reihe geschaltet ist.

Mit dem vorstehend beschriebenen Meßaufnehmer kann das über die Welle We übertragene Drehmoment Dm und damit auch die mechanische Leistung mit einer hohen Genauigkeit von weniger als ± 1% in einem Temperaturbereich von -40°C bis 200°C gemessen werden. Bei einem gegenüber bekannten Meßaufnehmern äußerst geringen Platzbedarf sind als weiterer Vorteil auch noch die geringen Herstellkosten hervorzuheben. Von den zahl­ reichen Variationsmöglichkeiten im Rahmen des Erfindungsge­ dankens ist insbesondere die direkte, elektrisch isolierte Aufbringung der Elektrodenstrukturen auf eine Welle oder auf ein anderes zu vermessendes Objekt hervorzuheben.

Im folgenden werden anhand der Fig. 8 bis 17 Ausführungsbei­ spiele von Meßaufnehmern für die berührungslose Messung von Drehmomenten beschrieben, bei welchen die Einflüsse von Quer­ kräften und Biegemomenten vollständig eliminiert werden.

Querkräfte und Biegemomente verursachen eine Verformung der Welle entsprechend der Biegelinie. Daraus resultiert normal zur Achse der Welle eine Verschiebung der Relativlage der beiden Klemmringe, die die Torsion von der Welle abnehmen.

Fig. 8 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Kondensatoranordnung Ka, deren nicht näher bezeichnete Elektroden jeweils an einem Klemmring Kr angebracht sein sollen. Bei Einleitung einer senkrecht zu den Elektrodenflächen der Kondensatoranordnung Ka verlaufenden Querkraft F oder eines entsprechenden Biegemoments ergibt sich eine wesentliche Änderung des Elektrodenabstandes und damit der Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung Ka. Eine Trennung bzw. Kompensation zur Querkraft- und Biegemomenteinflüsse wird durch eine zweite, identische Kondensatoranordnung Ka 2 erreicht, die in bezug auf die Achse A um einen Winkel von 180° verdreht zur Kondensator­ anordnung Ka angeordnet ist. Die Kondensatoranordnung Ka könnte also durch eine Drehung um 180° um die Achse A die Lage der zweiten Kondensatoranordnung Ka 2 einnehmen. Es ist ersichtlich, daß durch eine Reihenschaltung der Gesamtkapazität der Konden­ satoranordnung Ka und der Gesamtkapazität der zweiten Konden­ satoranordnung Ka 2 eine Meßkapazität gebildet wird, welche an die axiale Ringspule Rs angeschlossen ist. Wirkt nun ein Dreh­ moment Dm auf die Welle, so vergrößern sich die Elektrodenab­ stände und damit die Gesamtkapazitäten der Kondensatoranord­ nung Ka und Ka 2 in gleichem Maße. Bei der in Fig. 8 dargestell­ ten Einleitung der Querkraft F oder eines entsprechenden Biege­ moments vergrößert sich der Elektrodenabstand der Kondensator­ anordnung Ka, der Elektrodenabstand der zweiten Kondensator­ anordnung Ka 2 vergrößert sich jedoch in gleichem Maße. Durch die Reihenschaltung der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 ergibt sich somit eine exakte Kompensation, d.h. die durch die aufgezeigte Reihenschaltung gebildete Meßkapazität bleibt durch den Einfluß der Querkraft F unverändert.

Fig. 9 zeigt den Einfluß der Querkraft F in einer zur Lage der Fig. 8 um 90° verdrehten Lage der Kondensatoranordnung Ka und Ka 2. In dieser Lage bewirkt die Querkraft F die stark übertrie­ ben dargestellte Verschiebung parallel zu den Elektrodenflächen der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2. Da die Flächen der Kapa­ zitäten mit Flächenänderungen von weniger als ein Promille nur minimal verringert werden, ergibt sich kein merklicher oder störender Einfluß auf die Meßkapazität.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen die praktische Anwendung des in Fig. 8 aufgezeigten Prinzips. Dabei zeigt Fig. 10 die Anbringung der Kondensatoranordnung Ka auf Klemmringen Kr in einer weitgehend ähnlichen Weise, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 4 ist jedoch gemäß Fig. 10 eine zweite, in bezug auf die Achse A der Welle We um einen Winkel von 180° verdreht angeordnete, identische Kondensatoranordnung Ka 2 vorgesehen. Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf diese zweite Kondensatoranordnung Ka 2, während Fig. 12 eine Draufsicht auf die Kondensatoranordnung Ka zeigt. Es ist erkennbar, daß die Kondensatoranordnung Ka durch eine Drehung um 180° um die Achse A der Welle We in die Lage der zweiten Kondensatoranordnung Ka 2 überführt werden könnte.

Fig. 13 zeigt die Schaltung der in den Fig. 11 und 12 darge­ stellten Kondensatoranordnungen Ka 2 und Ka. Es ist erkennbar, daß die Kondensatoranordnungen Ka 2 und Ka in Reihe geschaltet sind und daß die aus dieser Reihenschaltungen resultierende Meßkapazität parallel an die bereits im Zusammenhang mit den Fig. 7, 8 und 9 erwähnte Ringspule Rs angeschlossen ist. Der Elektrodenabstand der Kondensatoranordnung Ka ist mit d 1 be­ zeichnet (vgl. Fig. 5), während der Elektrodenabstand der Kondensatoranordnung Ka 2 mit d 11 bezeichnet ist. Aus dem in Fig. 8 aufgezeigten Prinzip und aus den geometrischen Bedin­ gungen der Anbringung der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 gemäß den Fig. 10 bis 12 ergibt sich, daß bei einer Vergrö­ ßerung des Elektrodenabstandes d 1 um Δ d sich gleichzeitig der Elektrodenabstand d 11 um Δ d verringert und umgekehrt. Für das in Fig. 14 dargestellte Ersatzschaltbild ergibt sich die Kapa­ zität C gemäß folgender Beziehung

wobei ε _o die absolute Dielektrizitätskonstante, ε _r die relative Dielektrizitätskonstante und F 1 die Fläche des Über­ deckungsbereichs der Elektroden ist. Aus diesem Zusammenhang ist besonders deutlich erkennbar, daß durch Querkräfte oder Biegemomente hervorgerufene Abstandsänderungen vollständig kom­ pensiert bzw. eliminiert werden.

Fig. 15 zeigt, daß das in Fig. 8 aufgezeigte Prinzip der Kom­ pensation von auf die Welle We einwirkenden Querkräften oder Biegemomenten auch mit mehr als zwei Kondensatoranordnungen realisiert werden kann. Dabei sind die Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 wie bisher um 180° verdreht zueinander angeordnet und in Reihe geschaltet, wobei die hieraus resultierende Meß­ kapazität parallel an die Ringspule Rs angeschlossen ist. Zwei weitere, identische Kondensatoranordnungen Ka 3 und Ka 4 - die gegenüber den Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 um 90° verdreht angeordnet sind - sind ebenfalls um 180° verdreht zueinander angeordnet und in Reihe geschaltet, wobei die hieraus resul­ tierende Meßkapazität wiederum parallel an die Ringspule Rs an­ geschlossen ist. Die in Fig. 15 verschieden stark dargestellten Elektroden der rein schematisch aufgezeigten Kondensatoranord­ nungen Ka, Ka 2, Ka 3 und Ka 4 verdeutlichen die geometrischen Be­ dingungen der verdrehten Anordnungen bzw. der Anbringung an die hier nicht dargestellten Klemmringe. Die Meßwertübertragung er­ folgt auch bei dieser Anordnung wieder über die auf der Welle We angeordnete axiale Ringspule Rs, mit der hier die Gesamt-Meßkapazität einen Parallelresonanzkreis bildet. Dieser wird von der feststehenden Primärspule Pm induktiv angeregt und über die Resonanzfrequenz das Drehmoment auf der Welle We bestimmt.

Fig. 16 zeigt das Ersatzschaltbild der in Fig. 15 dargestellten Anordnung. Es ist erkennbar, daß auch weitere Kondensatoranord­ nungen paarweise hinzugefügt werden können, sofern diese um 180° verdreht zueinander auf der Welle We (vgl. Fig. 15) ange­ ordnet und in Reihe geschaltet werden, wobei die resultierende Meßkapazität wiederum parallel an die Ringspule Rs angeschlossen wird.

Fig. 17 zeigt einen Meßaufnehmer für die berührungslose Messung von Drehmomenten mit zwei um 180° verdrehten, identischen Kon­ densatoranordnungen Ka und Ka 2 in perspektivischer Darstellung. Die beiden auf der Welle We im axialen Abstand zueinander ange­ ordneten Klemmringe sind hier mit Kr 1 und Kr 2 bezeichnet. Die Ringspule Rs ist unmittelbar hinter dem Klemmring Kr 2 auf der Welle We angeordnet.

Eine auf die Welle We einwirkende Querkraft F bewirkt neben der bereits erörterten Verschiebung der beiden Klemmringe Kr 1 und Kr 2 zueinander aufgrund der Biegelinie auch eine Winkeländerung zwischen den an sich parallelen Klemmringen Kr 1 und Kr 2. Damit diese Winkeländerungen sich nicht auf die parallelen Elektrodenflächen der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 über­ tragen und damit eine Kapazitätsänderung hervorrufen, wird jede der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 in einem zugeordneten ge­ schlossenen Rahmen Ra montiert. Diese Rahmen Ra sind so dimen­ sioniert, daß noch Parallelverschiebungen in tanginaler Rich­ tung möglich sind. Eine feste Verbindung am Klemmring Kr 2 sowie eine leichte Verdrehungen erlaubende Verbindung am Klemmring Kr 1 gewährleisten, daß auch bei Querkräften F oder Biegemomenten eine parallele Anordnung der Elektroden der Kon­ densatoranordnungen Ka und Ka 2 aufrechterhalten bleibt. Die ge­ ringfügige Verdrehbarkeit wird im dargestellten Ausführungs­ beispiel durch eine Schwachstelle Ss 1 am Klemmring Kr 1 geschaf­ fen, wobei die nicht näher bezeichneten Schlitze zur Bildung dieser Schwachstelle Ss 1 parallel zum Rahmen Ra in den Klemm­ ring Kr 1 eingebracht sind. Die verschiedenen Bewegungsmöglich­ keiten der dargestellten Rahmenanordnung sind durch Pfeile Pf 1, Pf 2 und Pf 3 aufgezeigt.

Claims (6)

1. Meßaufnehmer mit kapazitivem Wandler zur Erfassung des Torsionsweges (Δ x) bei der berührungslosen Messung von Dreh­ momenten (Dm) an rotierenden Wellen (We), bei welchem

• - die elektrisch voneinander isolierten Elektrodenstrukturen (Es 1, Es 2) einer Kondensatoranordnung (Ka) durch den zu er­ fassenden Torsionsweg (Δ x) parallel zueinander verstellbar sind,
• - die eine Elektrodenstruktur (Es 1) aus mehreren, ebenen, parallel im Abstand zueinander angeordneten Elektroden (E 1) besteht, zwischen denen die Elektroden (E 2) der zweiten gleichartigen Elektrodenstruktur (Es 2) angeordnet sind,
• - die Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung (Ka) durch Parallelschaltung einzelner Elektrodenpaare bestimmt ist, die jeweils durch eine Elektrode (E 1) der einen Elektroden­ struktur (Es 1) und eine zugeordnete, benachbarte Elektrode (E 2) der zweiten Elektrodenstruktur (Es 2) gebildet sind,
• - der entsprechend dem zu erfassenden Torsionsweg (Δ x) va­ riable Elektrodenabstand (d 1) der Elektrodenpaare klein gegenüber dem Abstand (d 2) zwischen einander nicht zugeord­ neten, benachbarten Elektroden (E 1, E 2) der beiden Elektroden­ strukturen (Es 1, Es 2) ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatoranordnung (Ka) eine zweite, in bezug auf die Achse (A) der Welle (We) um einen Winkel von 180° verdreht an­ geordnete, identische Kondensatoranordnung (Ka 2) zugeordnet ist und daß die Meßkapazität durch eine Reihenschaltung der Gesamt­ kapazitäten der beiden Kondensatoranordnungen (Ka, Ka 2) gebildet ist.

2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei weitere, paarweise in bezug auf die Achse (A) der Welle (We) um Winkel von 180° verdreht zueinander an­ geordnete, identische Kondensatoranordnungen (Ka 3, Ka 4) vorgesehen sind, wobei weitere Meßkapazitäten durch Reihen­ schaltung der Gesamtkapazitäten einander zugeordneter Konden­ satoranordnungen (Ka 3, Ka 4) gebildet sind und daß die Gesamt-Meßkapazität durch eine Parallelschaltung der einzelnen Meßkapazitäten gebildet ist.

3. Meßaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abnahme des Torsionsweges (Δ x) zwei auf der Welle (We) im Abstand zueinander angeordnete Klemmringe (Kr 1, Kr 2) vorge­ sehen sind, zwischen denen elastisch verformbare, geschlossene Rahmen (Ra) zur Aufnahme jeweils einer Kondensatoranordnung (Ka, Ka 1) angeordnet sind.

4. Meßaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (Ra) an einem Klemmring (Kr 1) in geringem Umfang elastisch verdrehbar und am anderen Klemmring (Kr 2) fest ange­ bracht ist.

5. Meßaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch verdrehbare Anbringung des Rahmens (Ra) an dem einen Klemmring (Kr 1) durch eine Schwachstelle (Ss 1) dieses Klemmringes (Kr 1) realisiert ist.