DE4414070A1

DE4414070A1 - Kapazitiver Drehmomentsensor

Info

Publication number: DE4414070A1
Application number: DE19944414070
Authority: DE
Inventors: Juergen Blumenauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1996-02-15

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Meßanordnung mit einem Differentialkondensator und nachgeschalteter Ka pazitätsmeßeinrichtung zur Erfassung des Torsionsweges bei der Messung von Drehmomenten.

Bei einem bekannten Verfahren wird die Scherung der Ober fläche der das Drehmoment übertragenden Welle gemessen, in dem die Verstimmung einer aus auf die Oberfläche der Welle aufgeklebte Dehnungsmeßstreifen bestehenden Brücke als Maß für das Drehmoment genommen wird.

Nachteilig ist die erforderliche sehr große Sorgfalt beim Aufkleben des Dehnungsmeßstreifens. Bei statischer Last kommt es zu Kriechvorgängen, bei dynamischer Last setzt die endliche Anzahl von zulässigen Lastwechseln eine Lebensdau ergrenze.

Bekannt sind induktive Verfahren, mit denen der Verdre hungswinkel zweier beabstandeter Querschnitte gemessen wird. Dabei wird die Verschiebung zweier Schalenkernhälften gegeneinander oder die Verdrehung von zwei mäanderförmig gewickelten Spulen gegeneinander induktiv gemessen. Beide Verfahren erfordern einen großen Herstellungsaufwand.

In der DE-OS 42 02 504 A1 ist eine am Schwingungsdämpfer einer Kupplung angebrachter Differentialkondensator-Anord nung beschrieben, die das von der Kupplung übertragene Drehmoment mißt. Bei dieser Differentialkondensator-Anord nung ändert sich die Überlappungsfläche der Elektroden ver hältnisgleich mit dem Torsionswinkel. Da hier die Kapazi tätsänderungen über Koppelglieder zu der Auswerteschaltung übertragen werden, sind relativ große Kapazitätsänderungen für ein genaues Messen erforderlich. Nun läßt dieser tor sionsweiche Schwingungsdämpfer große Torsionswinkel zu. Daher sind die bei sich überlappender Elektrodenanordnung kleinen Kapazitätsänderungen groß genug, um genau messen zu können.

Gewöhnlich vermeidet man solche torsionsweiche Stellen beim Übertragen eines Drehmomentes mit der Folge, daß nur kleine Verdrehwege entstehen. Um hier aus kleinen drehmomentpro portionalen Torsionswegen genügend große Kapazitätsände rungen zu erhalten, baut man den Differentialkondensator so auf, daß sich die Abstände der sich gegenüberstehenden Kon densatorplatten ändern. Eine solche Kondensatoranordnung ist in dem EP 0 108 894 beschrieben.

In dieser europäischen Patentschrift wird ein Differential kondensator im Inneren eines Torsionsrohres untergebracht, wobei die Kondensatorplatten in Differentialkondensator-An ordnung mit drehmomentproportional veränderlichem gegen seitigen Abstand an eine elektrische Auswerteschaltung an geschlossen sind. Diese Ausführung hat den Nachteil, daß sie nur schwer in eine fertige Maschine nachträglich eingebaut werden kann.

In beiden vorgenannten Entwicklungen wird die Auswerte schaltung nicht beschrieben. Ausführliche Beschreibungen von Auswerteschaltungen für Differentialkondensator-Anord nungen finden sich in DE-AS 20 52 520, DE-OS 22 18 824, DE-OS 29 32 051, DE-OS 31 17 878, DE-PS 34 08 529, DE-AS 10 60 484, DE-OS 19 45 021.

Die Schaltungsvorschläge der zuerst genannten fünf Druck schriften sind entweder zu aufwendig aufgebaut oder für hohe Frequenzen nicht geeignet.

Die Schaltungsvorschläge in den beiden letzten Druckschrif ten sind einfach im Aufbau und für hohe Frequenzen geeig net, aber in der DE-AS 10 60 484 wird als Gegenkopplung (Spalte 6, Zeile 7 bis 13) eine viel zu komplizierte Schal tung vorgeschlagen und in der Schrift DE-OS 19 45 021 fehlt diese zur Erreichung einer hohen Meßempfindlichkeit unbe dingt nötige Gegenkopplung völlig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Erfassung der drehmomentproportionalen Änderung des Tor sionsweges zur Messung von Drehmomenten eine kapazitive Meßanordnung in Differentialkondensator-Anordnung einer seits und eine daran anschließbare Auswerteschaltung an dererseits zu schaffen, die bei einfachem, kostengünstigen Aufbau sehr kleine Torsionswege genau mißt, temperatursta bil und strom- und platzsparend arbeitet und zur Kontrolle bzw. zur Messung des von einem bestimmten Bauteil oder Ma schinenelement übertragenen Drehmomentes dient.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Meßanordnung gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Bei den folgenden Erläuterungen werden als drehmomentübertragende Bauteile oder Maschinenelemente runde Körper in Form einer üblichen Antriebswelle oder dergleichen gewählt, weil un ter diesen Bedingungen die Verwirklichung der Erfindung am einfachsten ist. Das heißt aber nicht, daß die Erfindung darauf beschränkt ist. Wenn im folgenden von einer Welle die Rede ist, an der der Differentialkondensator ange bracht ist, dann muß diese Welle nicht notwendig ein um laufendes Teil, sondern kann auch ein an einem Gehäuse oder dergleichen sich abstützendes drehmomentaufnehmendes Teil sein.

Bei einer für die Anbringung der Kondensatorplatten vor teilhafte Form der Welle ist diese auf einer Länge, wo die Torsion gemessen werden soll, verjüngt. Bei der einfachsten Ausführungsform klebt man die Kondensatorplatten derart an den voneinander beabstandeten, die Verjüngung zwischen sich einschließenden Wellenschultern an, daß die Plattenlängs achsen wellenachsenparallel und die Plattenebenen radial ausgerichtet sind und daß die auf der einen Seite der Verjüngung befestigte einzelne Platte die Hochfrequenz elektrode oder Mittelelektrode bildet und die auf der an deren Seite der Verjüngung befestigten beiden Platten die Gegenelektroden bilden. Die Hochfrequenzelektrode steht also mittig zwischen den Gegenelektroden, so daß die drei Platten im Überlappungsgebiet über der Verjüngung einen Differentialkondensator bilden, dessen Kapazitäten C1 und C2 gleich groß sind, wenn das Drehmoment gleich Null ist.

Bei einer die Differentialkondensator-Herstellung erleich ternden etwas abgewandelten gegenseitigen Zuordnung der Platten ist nur die Mittelelektrode radial ausgerichtet, während die beiden Gegenelektroden parallel zur Mittelelek trode ausgerichtet sind.

Läßt der Platz außen an der Welle ein Anbringen der Dif ferentialkondensatorplatten nicht zu, dann sind die Platten innerhalb der ringnutähnlichen Ausnehmung der Welle an den Stirnflächen der Ausnehmung befestigt. Um eine Schwächung der Welle zu vermeiden, kann der Differentialkondensator auf Klemm- oder Schneidringen angebracht sein. Biegefehler, die bei Einwirkung von Querkräften auftreten können, las sen sich gemäß der Erfindung eliminieren, wenn die Quer kraftrichtung bezüglich der Meßanordnung immer dieselbe Richtung einnimmt, wie es z. B. bei einem Drehmomentschlüs sel mit hebelfester Meßnabe der Fall ist. Gemäß der Erfin dung wird vorgeschlagen, die Plattenebenen der Elektroden senkrecht zur Hebelachse zu stellen. Da sich dann die Plat ten unter Biegeeinfluß parallel zueinander verschieben, so daß nur ein vernachlässigbar kleiner Meßfehler entsteht im Gegensatz zu einer um 90° verdrehten Plattenanordnung, wo sich unter Biegeeinfluß die Plattenabstände verändern. Um bei umlaufenden Wellen den Einfluß von auf die Welle einwirkenden Querkräften oder Biegemomenten zu kompensie ren, ist erfindungsgemäß der einen Differentialkondensator anordnung eine zweite, in Bezug auf die Achse der Welle um einen Winkel von 180° verdreht angeordnete, identische zweite Differentialkondensatoranordnung zugeordnet, wobei die beiden Anordnungen so geschaltet sind, daß sich die von einem Drehmoment verursachten Signalanteile der beiden Differentialkondensatoranordnungen addieren. Die von einem Biegemoment herrührenden Anteile haben dann in den beiden Differentialkondensatoranordnungen entgegengesetztes Vor zeichen, d. h. sie heben sich gegenseitig auf.

Diese Methode der Biegefehlerunterdrückung erfordert zwei Differentialkondensatoranordnungen, also insgesamt 2×3 Kondensatorplatten.

Erfindungsgemäß kann auch mit weniger Aufwand eine Unter drückung der Biegefehler erreicht und die Vorteile der vor genannten Differentialkondensatoranordnung beibehalten wer den, wenn ein sogenannter gespaltener Differentialkondensa tor verwendet wird, dessen Mittelelektrode ebenenparallel mittig gespalten wird oder zwei ebenenparallel verlaufende Mittelelektroden angeordnet werden und bezüglich der Wel lenachse um 180° gedreht sind, die mit je einer Gegen elektrode gekoppelt sind. Diese beiden Elektroden sind räumlich getrennt, jedoch elektrisch miteinander verbunden und mit je einer Gegenelektrode gekoppelt. Dieser aus zwei räumlich getrennten Teilen bestehender gespaltene Differen tialkondensator verhält sich, elektrisch gesehen, wie ein üblicher Differentialkondensator.

Beim üblichen Differentialkondensator bewirkt ein Drehmo ment eine gegensinnige Veränderung der beiden Einzelkapazi täten. Die Verschiebung der einen Einzelkapazität um 180° gemäß der Erfindung ändert daran nichts, denn unter dem Einfluß eines Drehmomentes ändern sich die beiden Einzel kapazitäten gegensinnig, so daß eine Kapazitätsdifferenz entsteht, wenn bei Drehmoment = 0 die Einzelkapazitäten gleich groß sind.

Unter dem Einfluß des Biegemomentes ändern sich die beiden Einzelkapazitäten gleichsinnig, wobei es unwichtig ist, in welche Richtung sie sich ändern. Gleichsinnige Änderungen werden von der Auswerteschaltung unterdrückt.

In der vorliegenden Erfindung wird eine ringmodulartorähn liche, aus vier Dioden bestehende Brückenschaltung zur Aus wertung benutzt, die in ihrer Diagonalen die Differenz der Verschiebungsströme der beiden Einzelkapazitäten des Dif ferentialkondensators erzeugt, d. h. der Strom ID in der Diagonalen ist proportional ΔC = C2-C1, wenn die den Diffe rentialkondensator beaufschlagende Wechselspannung konstant ist. Dabei sind C1 und C2 die Einzelkapazitäten des Dif ferentialkondensators wie des gespaltenen Differentialkon densators.

Es gilt ID = 2 U_SS·ΔC·v
unter Vernachlässigung der Diodendurchlaßspannung,
wobei
ID = Strom durch die Brückendiagonale
U_SS = Wechselspannung
C = Kapazität
v = Frequenz
bedeutet. Bei dieser Schaltung wird die Frequenz nur durch die Schaltzeit der Dioden begrenzt. Bei Verwendung schnel ler Schaltdioden sind Frequenzen oberhalb 100 MHz zulässig. Man erhält dann z. B. bei ΔC = 10^-3 pF

V = 10⁸ Hz und U_SS = 20 V_SS ein ID = 2 · 20 V · 10^-15F · 10⁸S^-1 = 4 µA

Wenn man Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von 0,001 pF genau messen kann, dann ist der Aufbau eines platzsparenden Differentialkondensators bei Torsionswegen von 1 µm und weniger kein Problem. Es sei z. B. der Platten abstand d = 100 µm. Die Plattenfläche betrage A = 6 mm². Der Tor sionsweg der Mittelelektrode sei x. Des weiteren sei δ = x/d und es sei εr = 1. Dann ist bei ε = relative Dielektrizitätskonst.

Man sieht: Bei einem δ = 1% x = 1 µm erhält man eine Kapa zitätsänderung von etwa 0,01 pF.

Die Auswerteschaltung arbeitet nur dann richtig, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Diagonalpunkten der Brücke auf Null gehalten wird. Den Brückenstrom ID mißt man am zweckmäßigsten, indem man den Meßwiderstand in den Gegen kopplungszweig eines invertierenden Operationsverstärkers legt, dessen invertierender Eingang mit dem einen Diagonal punkt und dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Re ferenzpotential der Schaltung verbunden ist. Der andere Diagonalpunkt wird auch auf das Referenzpotential gelegt.

Es ist nicht erforderlich, darauf einzugehen, daß die Ka pazitätsänderung eines Differentialkondensators nicht ge nau proportional dem Weg der Mittelelektrode ist. Gegebe nenfalls kann eine Linearitätskorrektur durchgeführt werden.

Im folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Kondensatoranordnungen und Meßanordnungen gemäß der Er findung anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Differentialkondensator auf den Schultern einer Ringnut der Welle,

Fig. 2 einen Differentialkondensator, befestigt an den Stirnflächen der Ringnut,

Fig. 3 einen Differentialkondensator auf den Klemmringen einer Welle,

Fig. 4 einen Differentialkondensator zwischen den Stirn flächen zweier Klemmringe,

Fig. 5 zwei um 180° versetzte Differentialkondensatoren in der Ringnut einer Welle,

Fig. 6 einen gespaltenen Differentialkondensator in 180°-Anordnung in der Ringnut,

Fig. 7 Längsschnitt durch einen nach dem Prinzip der Fig. 6 aufgebauter Drehmomentschlüssel,

Fig. 8 eine Schemadarstellung der Fig. 7 in Draufsicht,

Fig. 9 eine Auswerteschaltung,

Fig. 10 eine erweiterte Auswerteschaltung,

Fig. 11 eine grafische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen δ und f,

Fig. 12 Kopplungsschema zwischen den Schaltungen gemäß Fig. 9, Fig. 10 und Fig. 13,

Fig. 13 eine Linearisierungsschaltung.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, nämlich ein mit einer Ringnut versehenes Wellenstück 1, 2, welches auf den Wellenschultern den aus den drei Platten 4, 5 und 6 beste henden Differentialkondensator 7 trägt. Der auf dem Grund der Ringnut stehengebliebene Bund 3 bildet die Torsions meßstrecke. Die drei Differentialkondensatorplatten sind zumindest im Überlappungsgebiet elektrisch leitend und bilden so einen Differentialkondensator, wobei die Platte 5 als Mittelelektrode des Differentialkondensators am Wellen stück 1 und die Platten 4, 6 als Gegenelektroden am Wel lenstück 2 befestigt sind. Die drei Platten sind vorzugs weise parallel ausgerichtet und die Wellenachse liegt in der Ebene der Platte 5, welche mit der Platte 4 einen Kon densator der Kapazität C1 und mit der Platte 6 einen Kon densator der Kapazität C2 bildet. Überträgt die Welle kein Drehmoment, dann steht die Platte 5 mittig zwischen den Platten 4 und 6 und es ist C1 = C2. Überträgt nun das Wellenstück 1 ein von rechts kommendes rechtsdrehendes Drehmoment, dann tordiert der Bund 3 wesentlich stärker als die Teile 1 und 2. Die Platte 5 nähert sich der Platte 4 und entfernt sich von der Platte 6. Jetzt ist ΔC = C1-C2 < 0 ein Maß für das vom Wellen stück übertragene Drehmoment.

Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kondensatoranordnung zeigt Fig. 2, wo die Platten 8, 9, 10 des Differentialkon densators 11 mit einem seiner Enden an einer Stirnseite der Ringnut befestigt sind.

Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Die Welle 12 trägt zwei Klemmringe 13, 14, auf deren Außenflächen die Platten 15, 16, 17 des Differentialkondensators 18 befestigt sind analog dem ersten Ausführungsbeispiel.

Ein viertes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4, wo die Plat ten 21, 22, 23 des Differentialkondensators zwischen den Klemmringen 19, 20 befestigt sind analog dem zweiten Aus führungsbeispiel.

Ein fünftes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5, wo zusätzlich zu dem wie im zweiten Ausführungsbeispiel angeordneten Differentialkondensators 25 ein baugleicher, bezüglich der Wellenachse um 180° versetzter Differentialkondensator 26 angebracht ist. Werden beide Differentialkondensatoren an eine Auswerteschaltung angeschlossen, dann sind die bezüg lich der Wellenachse zueinander spiegel-symmetrischen Plat ten elektrisch leitend miteinander verbunden, d. h. die obere Gegenelektrode des einen Differentialkondensators und die untere Gegenelektrode des anderen sind elektrisch mit einander verbunden. Die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1, 3 und 4 können auch, wie das Ausführungsbeispiel 2, um einen vorteilhaft baugleichen um 180° versetzten Differen tialkondensator analog Beispiel 5 erweitert werden.

Fig. 6 zeigt als sechstes Ausführungsbeispiel den sogenann ten gespaltenen Differentialkondensator innerhalb der Ringnut. Die beiden Plattenpaare der Kondensatoren 30 und 31 bestehen jeweils aus zwei zueinander parallel ausgerich teten Platten. Die Mittenebenen der beiden Kondensatoren liegen in einer Ebene, in der auch die Wellenachse liegt. Die beiden Platten 27a und 27b sind an der Ringnutstirn seite des Wellenteiles 1 und die Platten 28 und 29 sind an der Ringnutstirnseite des Wellenteiles 2 befestigt. Die Platten 27a und 27b sind miteinander elektrisch leitend verbunden und bilden für die Auswerteschaltung die Mittel elektrode eines Differentialkondensators und die Platten 28 und 29 bilden die Gegenelektroden zur Mittelelektrode.

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen den Kopf und einen Teil des Hebels eines Drehmomentsteckschlüssels mit umschaltbarer Ratsche. Der Hebel 81 endet im Hebelgehäuse 81a, in welchem der Tor sionskörper 100, der mit der Welle der Fig. 1-6 ver gleichbar ist, samt Ratsche 86 sitzt.

Der Torsionskörper 100 besteht aus dem fest mit dem Hebel gehäuse 81a verbundenen Deckel 82, der Torsionsstrecke 83, dem Boden 84 und dem Rohr 85. Der Boden 84 bildet mit dem Rohr 85 eine Tasse, die die Ratsche 86 aufnimmt. Am Knebel 87 kann die Drehrichtung der Ratsche umgeschaltet werden.

Die am Hebel 81 angreifende Querkraft erzeugt einerseits das gewünschte Drehmoment und damit eine Torsion im Bund 83, was zu einer Verdrehung des Deckels 82 relativ zum Bo den 84 führt. Andererseits erzeugt die am Hebel 81 angrei fende Querkraft ein Biegemoment am Torsionskörper. Da die Querkraft am Griff in der Hebelachse und damit in der Mit tenebene des biegemomentempfindlichen Bundes 83 liegt, ist das Biegemoment in der Mittenebene des Bundes gleich Null.

Sollte die Scherung des Bundes 83 unter dem Einfluß der Querkraft und das Kippen des Deckels relativ zum Boden 84 nicht vernachlässigbar klein bleiben, dann wirken sich diese an sich schädlichen Einflüsse wegen der besonderen Elektrodenanordnung nicht nachteilig aus. Die vier mit ihren Ebenen senkrecht zur Hebelachse angebrachten Elektro den 88, 89, 90, 91 bilden einen aus zwei mit um 180° ver setzten Teiles bestehenden gespaltenen Differentialkonden sators gemäß Fig. 6. Die Elektroden 88 und 89 entsprechen der Mittelelektrode und die Elektroden 90 und 91 bilden die Gegenelektroden.

Die beiden vorgenannten möglicherweise schädlichen Ein flüsse würden zu einer Parallelverschiebung der Platten der Einzelkondensatoren führen, was in jedem Einzelkondensator nur zu einer sehr kleinen Kapazitätsänderung führen würde. Da die Kapazitätsänderung der beiden Einzelkondensatoren gleichsinnig verlaufen würde, und weil gleichsinnige Än derungen der beiden Einzelkondensatoren von der Auswerte schaltung unterdrückt werden, können normale Querkräfte bei diesem Drehmomentschlüssel keine Meßfehler verursachen.

Wenn aber die am Hebel 81 angreifende Kraft nicht genau senkrecht zur Drehachse zieht, sondern schief und eine Kraftkomponente parallel zur Drehachse entsteht, dann wird der Deckel 82 um eine Achse parallel zur Plattenebene ge kippt und die Plattenabstände der Einzelkondensatoren kön nen sich ändern und damit auch die Einzelkapazitäten. Da diese Änderung auch wieder gleichsinnig bei beiden Einzel kondensatoren verläuft, unterdrückt die Auswerteschaltung die Wirkung dieser Kapazitätsänderungen.

Statt eines gespaltenen Differentialkondensators kann man auch zwei um 180° versetzte Differentialkondensatoren (Fig. 5) vorsehen, was aber einen höheren Aufwand bedeutet.

Die gezeichneten Kreuze in den Elektroden 88 und 89 bedeu ten, daß diese Elektroden am Deckel 82 befestigt sind. Die in den Elektroden 90 und 91 gezeichneten Punkte bedeuten, daß diese Elektroden am Boden 84 befestigt sind. Unter Drehmomenteinfluß wird der Plattenabstand des einen Ein zelkondensators kleiner und der Plattenabstand des anderen Einzelkondensators größer, was zu einer Kapazitätsdifferenz führt, die die Auswerteschaltung in ein kapazitäts-diffe renzproportionales Signal verwandelt.

Fig. 9 zeigt einen mit einer erfindungsgemäßen Auswerte schaltung verbundenen Differentialkondensators 36, dessen zwischen den Gegenelektroden 33 und 35 bewegliche Mittel elektrode 34 vom Ausgang des Oszillators 32 mit hochfre quenter Wechselspannung beaufschlagt wird. Der Differen tialkondensator 36 entspricht den in den Fig. 1 bis 6 ge zeigten Differentialkondensatoren. Die Gegenelektroden 33 und 35 sind mit den Brückenpunkten 43 und 44 der aus den vier ringförmig geschalteten Dioden 37, 38, 39 und 40 be stehenden Diodenbrücke verbunden. Die Brückenpunkte 45 und 46 sind durch die Kondensatoren 41 und 42, die eine min destens 100 mal so große Kapazität wie die Einzelkapazi täten des Differentialkondensators haben sollten, wechsel spannungsmäßig festgelegt.

Die Spannungsquelle Uref (Referenzspannung) 52 bestimmt das Potential der Brückenpunkte 45 und 46, da diese Brücken punkte bei abgetrennter Uref und abgetrenntem Verstärker 50 potentialfrei sind. Die Spannung Uref stellt man so ein, daß der Verstärker 50 gute Betriebsbedingungen hat, man wählt dann meistens Uref = 1/2 UB (Betriebsspannung bei 47).

Die Schaltung gemäß Fig. 9 mit dem Widerstand 49 und dem Kondensator 42 ähnelt der Schaltung eines einfachen Dif ferentiators und neigt je nach Phasenspielraum des Ver stärkers 50 mehr oder weniger zum Schwingen. Fig. 10 zeigt, wie man diese Schwingneigung unterdrückt, und zwar mit einem Widerstand 53 im Bereich von 10 bis 100 Ohm.

Der Kondensator 54 unterdrückt HF-Anteile in der Ausgangs spannung am Punkt 51 entsprechend der RC-Zeit des Wider standes 49 mit der Kapazität des Kondensators 54.

Fig. 13 zeigt eine Linearisierungsschaltung. Die

proportionale Ausgangsspannung des Verstärkers 50 wird von dem Verstärker 55 linearisiert, wobei durch die Komparato ren 57 und 59 sowie die Schaltung 68 und 60 die Spannungs teiler 66, 65 und 68, 67 parallel zum Widerstand 70 ge schaltet werden, wodurch die Verstärkung des Verstärkers 55 verändert wird.

Fig 11 zeigt eine grafische Darstellung der Veränderung einer f-proportionalen Spannung zu einer Spannung, die zwischen den Toleranzgrenzen δ = +2% bis δ = -2% liegt.

Die Verbindung der Schaltung gemäß Fig. 9 bzw. Fig. 10 mit der Schaltung gemäß Fig. 13 zeigt Fig. 12.

Claims

1. Meßanordnung mit einem zwei Einzelkapazitäten bildenden Differentialkondensator als kapazitivem Wandler zur Er fassung des Torsionsweges bei der berührungslosen Mes sung von Drehmomenten an Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsänderungen der Einzelkondensatoren des Differentialkondensators (7; 11; 18; 24; 25; 26; 30, 31; 36) durch torsionswegproportionale Elektrodenabstands änderungen hervorgerufen werden, wobei die Mittelelek trode (5, 9; 16; 22; 27a, 27b; 88, 89) sich relativ zu den Gegenelektroden (4, 6; 8, 10; 21, 23; 15, 16; 28, 29; 90, 91) der Torsionsstrecke (3, 83) entsprechend bewegt und die beiden Gegenelektroden relativ zueinander starr angeordnet sind, wobei die Elektrodenebenen parallel zur Wellenachse liegen und sich die Elektroden außerhalb der zwischen zwei voneinander beabstandeten Querschnitten der Welle (1, 2; 12; 100) liegenden Torsionsstrecke (3, 83) befinden und die beiden Gegenelektroden in Höhe des einen Querschnittes und die Mittelelektrode in Höhe des anderen Querschnittes an der Welle befestigt sind.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Überlappungsgebiet der Elektroden bezüglich der eine Symmetrieebene bildenden Mittelelektrode der beiden Gegenelektroden symmetrisch angeordnet sind, wenn das Drehmoment gleich Null ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Mittelelektrode und der beiden Gegen elektroden sich in der Wellenachse schneiden.

4. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Mittelelektrode die Wellenachse ent hält und die Ebenen der Gegenelektroden parallel zur Ebene der Mittelelektroden liegen.

5. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode des Differentialkondensators aus zwei elektrisch miteinander verbundenen räumlich ge trennten Elektroden (27a, 27b) besteht, wobei jede der beiden Mittelelektrodenhälften mit einer der beiden Ge genelektroden (28, 29) eine Einzelkapazität bildet und sich unter Drehmomenteinfluß die Einzelkapazitäten ge gensinnig ändern.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den Differentialkondensator bildenden Einzelkondensatoren (30, 31) spiegelbildlich kongruent sind, wenn das Drehmoment gleich Null ist.

7. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Welle (1, 2; 12; 100) Quarz, Glas oder Metall verwendet wird.

8. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese im Hebelgehäuse (81a) des Hebels (81) eines Drehmomentsteckschlüssels eingebaut ist, wobei das Drehmoment des Hebelgehäuses über den Torsionskörper (100) auf die Ratsche (86) übetragen wird.

9. Drehmomentsteckschlüssel nach Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der das Drehmoment aufnehmende wie eine Welle ar beitende Torsionskörper (100) aus dem Deckel (82), dem Torsionsbund (83), dem Boden (84) und dem die Ratsche (86) enthaltenden Rohr (85) besteht, wobei der Deckel (82) fest mit dem Hebelgehäuse (81a) eines Steck schlüssels verbunden ist und der Differentialkonden sator an dem Deckel (82) und dem Boden (84) befestigt ist.

10. Steckschlüssel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelachse des Hebels (81) in die Mittenebene der aus dem Deckel (82), dem Torsionsbund (83) und dem Boden (84) gebildeten Ringnut fällt.

11. Steckschlüssel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (88, 89, 90, 91) der den Differen tialkondensator bildenden beiden Einzelkondensatoren in der Ringnut des Torsionskörpers (100) angebracht sind.

12. Steckschlüssel nach Ansprüchen 5, 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einzelkondensatoren bezüglich der Wel lenachse um 180° gegeneinander versetzt angebracht sind.

13. Steckschlüssel nach Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene durch die Mitten des Zwischenraumes der beiden Einzelkondensatoren senkrecht auf der He belachse steht.

14. Auswerteschaltung für die Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätenmeßeinrichtung aus einem Oszillator (32), einem Diodenquartett (37, 38, 39, 40) zwei Block kondensatoren (41) und (42), einem Verstärker (50) mit vom Ausgang (51) zum invertierenden Eingang geschalte ten Widerstand (49) besteht, wobei der Oszillator mit der Mittelelektrode (34) des Differentialkondensators (36) verbunden ist, wobei die Gegenelektroden (33) und (35) mit den Eckpunkten (43) und (44) des Diodenquar tetts verbunden sind und der wechselspannungsmäßig vom Kondensator (42) festgelegte Eckpunkt (45) des Dioden quartetts mit dem invertierenden Eingang des Verstär kers (50) und der dem Eckpunkt (45) gegenüberliegende, vom Blockkondensator (41) wechselspannungsmäßig fest gelegte Eckpunkt (46) mit dem auf Referenzpotential liegenden nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers (50) verbunden ist.

15. Auswerteschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den über den Kondensator (42) wechsel spannungsmäßig festgelegten Eckpunkt des Diodenquar tetts und dem über den Widerstand (49) mit dem Aus gang (51) verbundenen invertierenden Eingang des Ver stärkers (50) ein niederohmiger Widerstand (53) einge fügt ist.

16. Meßanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Widerstand (49) ein Kondensator (54) geschaltet ist.

17. Auswerteschaltung nach Ansprüchen 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei die f-proportionale Ausgangsspannung des Verstärkers (50) durch die mit von den Komparatoren (57) und (59) über die Schalter (58) und (60) durch das Parallelschalten der Spannungsteiler (66, 65) und (68, 67) zu dem Widerstand (70) einstellbare Nachverstärkung des Verstärkers (55) zu einer f*-proportionalen Span nung transformiert wird, wobei f* eine Approximation von δ ist.