WO2020002390A1 - Verfahren, vorrichtung und anordnung zur belastungsmessung an einem testobjekt - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und anordnung zur belastungsmessung an einem testobjekt Download PDF

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WO2020002390A1
WO2020002390A1 PCT/EP2019/066930 EP2019066930W WO2020002390A1 WO 2020002390 A1 WO2020002390 A1 WO 2020002390A1 EP 2019066930 W EP2019066930 W EP 2019066930W WO 2020002390 A1 WO2020002390 A1 WO 2020002390A1
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WO
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signal
generating
hysteresis
load
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PCT/EP2019/066930
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Tobias Kitzler
Christoph Schanz
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Trafag Ag
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Publication date
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means

Definitions

  • the invention relates to a load measuring method and a
  • Load measuring device and a load measuring arrangement for measuring a load in a test object are provided.
  • the invention particularly relates to a method and a device for measuring a mechanical load on a test object.
  • Loads are understood to mean forces, torques or mechanical stresses on the test object.
  • Torque measuring device for measuring a torque on a test object in the form of a shaft while detecting changes in the magnetic field.
  • refinements of the invention relate to a measuring method for measuring a torque by detecting changes in the magnetic field.
  • Torque sensors of this type which detect torques in test objects, in particular waves, due to changes in the magnetic field, and the scientific basis for this are described in the following references:
  • a type of torque transducer as described in D4 (DE 30 31 997 A1), has proven to be particularly effective for the measurement of torques in shafts and other measuring points.
  • Measured variables torque, force and position can be determined on ferromagnetic objects.
  • Magnetoelastic (or also inverse magnetostrictive) sensors or eddy current or eddy current sensors are usually used.
  • the ferromagnetic materials used change their permeability under the influence of tensile or compressive stresses (also called the Villari effect). Differentiating the individual effects is usually difficult in practice, only the eddy current sensor is easier to distinguish from the other effects due to its frequency dependence.
  • the state of the magnetization of the object is often not known or is influenced by processing and handling of the objects, so that wide industrial use is often difficult.
  • generator and detector coils namely two first magnetic field detection coils A1, A2 and two second magnetic field detection coils B1, B2 and a central one Magnetic field generating coil Lg used in a cross arrangement (X arrangement).
  • the difference between the coil pair AB (A1 + A2) - (B1 + B2) is determined in an analog signal processing scheme.
  • a problem associated with such measurements by active magnetization is the hysteresis that occurs in the measurement arrangement, which makes it difficult to obtain highly accurate measurements.
  • a method and a device for compensating the hysteresis are in the
  • Hysteresis and the resulting problems in load measurement using active magnetization expressly refer to the D8.
  • the invention has set itself the task of demonstrating methods and devices with which a measurement error caused by hysteresis in the load measurement can be further reduced by means of active magnetization.
  • the invention provides the methods and devices and arrangements according to the independent claims.
  • the invention provides a load measurement method for measuring a load in a test object, comprising
  • the load measurement method preferably further comprises the step:
  • step b) includes detecting the magnetic field parameter signal value at predetermined times within the period.
  • step c) includes detecting the hysteresis-to-signal ratio at the predetermined times in order to determine those predetermined times with more or less hysteresis-to-signal ratio.
  • step d) disregards
  • Magnetic field parameter signal values at those of the predetermined times per period in which the largest hysteresis-to-signal ratios occur.
  • Magnetic field parameter signal values at those of the predetermined times per period in which the smallest hysteresis-to-signal ratios occur.
  • the invention provides a load measurement method for measuring a load in a test object, in particular according to one of the preceding claims
  • a combination of the two load measurement methods is preferably created.
  • step g) contains:
  • step g) contains:
  • step g) contains:
  • step g) contains:
  • step g) contains:
  • the invention provides one
  • Load measuring device for measuring a load in a test object, with a magnetic field generating device for generating a magnetic field in the test object, the magnetic field generating device at least one
  • Magnetic field generating coil with a periodically changing current for detecting a magnetic field parameter that changes due to a load in the test object and for
  • the evaluation device is designed to receive information about a hysteresis-to-signal ratio of the magnetic field parameter signal over time within a period
  • the evaluation device being designed to
  • a hysteresis-to-signal ratio detection device is provided, in particular in the form of an evaluation device, which detects the hysteresis-to-signal ratio over time within a period.
  • a memory device is provided as a hysteresis-to-signal ratio storage device, in which information about the hysteresis-to-signal ratio over time is stored within a period.
  • the evaluation device is designed to be
  • the magnetic field detection device is designed to detect magnetic field parameter signal values at predetermined times within a period.
  • a measurement value recording device is provided for the discrete measurement value recording for certain style points.
  • the evaluation device is designed to be
  • Magnetic field parameter signal values at those of the predetermined points in time per period at which the greatest hysteresis-to-signal ratios occur should not be taken into account for generating the measurement signal.
  • the evaluation device is designed to be
  • the invention provides a load measuring device with:
  • a magnetic field generating device for generating a magnetic field in the test object, the magnetic field generating device at least one
  • Magnetic field generating coil with a periodically changing current for detecting a magnetic field parameter that changes due to a load in the test object and for
  • an evaluation device for generating at least one measurement signal from the magnetic field parameter signal
  • evaluation device is designed to generate a B / H characteristic curve from the time profile of current and / or voltage at the at least one
  • a load measuring device is preferably provided in which both alternatives of the invention are combined.
  • the evaluation device is designed to be
  • the evaluation device is designed to be
  • the evaluation device is designed to be
  • the evaluation device is designed to be
  • the evaluation device is designed to be
  • the invention relates to a
  • Load measurement arrangement comprising a test object and a
  • Load measuring device according to one of the above configurations, in particular for non-contact load measurement on the test object.
  • the test object is preferably a test object that can be rotated about an axis of rotation, such as, for example, a shaft, a gear wheel, a gearwheel or the like.
  • the test object can be a stationary element, such as a strut, a support, a pull or push rod or a membrane, for example a pressure sensor.
  • the test object can be rotated about an axis of rotation, such as, for example, a shaft, a gear wheel, a gearwheel or the like.
  • the test object can be a stationary element, such as a strut, a support, a pull or push rod or a membrane, for example a pressure sensor.
  • Hysteresis compensation means that only parts of a measurement period (e.g. a rectangle or a sine) are considered when calculating the measurement signal.
  • a complete B / H characteristic of the load measuring arrangement can be obtained, which includes the load measuring device and the test object, e.g. a torque sensor and a measurement material.
  • B denotes the magnetic flux density, also magnetic induction. More precisely, this is the surface density of the magnetic flux that passes perpendicularly through a certain surface element.
  • This B / Fl characteristic can also be “only” partially considered for extracting the measurement signal.
  • the measurement signal e.g. a change in the slope of the curve or a change in the coercive force or the remanence.
  • the invention relates to a flyster compensation by
  • Particular refinements of the invention relate to flysteresis compensation by means of a phase-amplitude relationship.
  • active load measurement such as torque measurement
  • One way to compensate for the hysteresis is to use different intensities of a generator voltage, as described in more detail in D8.
  • Hysteresis compensation in which a periodic magnetic field parameter signal is divided into different phases and these are evaluated individually.
  • an AC signal from secondary coils i.e. from measuring coils of the
  • Magnetic field detection device which arises when an alternating field is imposed by a primary coil (coil of a magnetic field generating device), divided into individual phases per period and these are evaluated individually.
  • the ratio of the primary coil and the secondary coil can also be understood as a B / H characteristic.
  • signal processing is designed so that the
  • Excitation frequency can vary) is sampled. These nodes represent the characteristic course of the secondary voltage.
  • An extension or alternative to this method is the possibility, in addition to the direct detection of the secondary side (analogous to the B field), also to record the current consumption of the primary side (correlated with the generated H field) over time and thus a clear B / Calculate the H characteristic.
  • This B / H characteristic can be used to calculate the relative permeability in different segments or sections of the measurement curve.
  • the direct calculation of the relative permeability represents a less influenced measurement parameter with regard to hysteresis behavior and other measurement effects.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of a sensor head
  • Load measuring device for measuring a mechanical load, such as in particular force, tension or torque on a test object
  • Fig. 3 is a side view of the sensor head of Fig. 1 together with the
  • Fig. 4 is a view comparable to FIG. 3 of another embodiment of the
  • Fig. 6 is a graph for a waveform using a
  • Magnetic field detection device of one of the sensor heads of FIGS. 1 to 5 measured magnetic field parameter signal when a magnetic field generating device of the sensor head is excited by means of a square wave, different reference points (measuring times) being shown;
  • FIG. 7 shows a graph of a measurement signal of a torque measurement with a magnetically inductive sensor head of the type shown in FIGS. 1 to 5, taking into account all support points from FIG. 6;
  • FIG. 8 shows a graph comparable to FIG. 7, only a few support points from the measurement curve of FIG. 6 having been taken into account;
  • Fig. 10 is a graph of a B / Fl characteristic, which from a direct detection of a magnetic field parameter signal
  • FIGS. 1 to 5 show different embodiments of sensor heads 10 for a load measuring device 12.
  • Load measuring device 12 is used to measure mechanical
  • Loads such as in particular torques, forces or tensions, in an at least partially magnetizable test object 14, preferably rotatable about an axis of rotation, such as e.g. a shaft, a gear part, a wheel hub, a chainring or the like.
  • the test object 14 can be used by others
  • Embodiments can also be stationary, for example a support or a strut in a support structure on which loads or forces are to be measured.
  • the test object can be a membrane of a pressure sensor be, as is described in more detail in German patent application 10 2017 104 547.3, to which express reference is made for further details.
  • the test object 14 is at least partially formed from a ferromagnetic material at least in one measuring area. The test object 14 and the
  • Load measuring device 12 together form a load measuring arrangement 16.
  • the load measuring device 12 has a magnetic field generation device 18 and a plurality of magnetic field detection devices 20, 22.
  • the load measuring device also has an evaluation device 42.
  • the evaluation device 42 is connected to the magnetic field detection devices 20, 22.
  • the evaluation device 42 is in particular set up
  • the evaluation device 42 has a measurement value recording device 44 for recording measurement values at predetermined times of a measurement period, an evaluation device 46 for evaluating the measurement values recorded at different times of a measurement period and a memory 48 for storing information about the evaluation.
  • the magnetic field generating device 18 has a magnetic field generating coil Lg and a driver circuit 50 for driving the magnetic field generating coil Lg.
  • the frequency is in the range from 1 kHz to 200 kHz.
  • the magnetic field detection devices 20, 22 have magnetic field sensors 26 in the form of detector coils A1, A2, B1, B2 (also called measuring coils or secondary coils) or solid-state magnetic field sensors 27 and the evaluation device 42 for evaluating the signals of the magnetic field sensors 26.
  • the embodiment of the sensor head 10 shown in FIG. 1 with a view of the front to be directed at the test object 14 is shown from the side in FIG. 3.
  • This embodiment has two first magnetic field sensors 26-1 designed as first detector coils A1, A2 and two second magnetic field sensors 26-2 designed as second detector coils B1, B2.
  • the detector coils A1, A2, B1, B2 are provided in a cross-shaped arrangement or X arrangement 28 on a common flux concentrator 30 made of ferromagnetic material.
  • the magnetic field generating coil Lg is provided in the center - here likewise on a corresponding projection of the flux concentrator 30 - the first detector coils A1 and A2 lying opposite one another and the second detector coils B1 and B2 lying opposite one another.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the sensor head 10 with a V arrangement 32, where only a first magnetic field sensor 26-1 - e.g. the first
  • Detector coil A1 - and only a second magnetic field sensor 26-1 are arranged at an angle to one another with the magnetic field generating coil Lg at the tip of the angular shape.
  • Solid-state magnetic field sensors 27 can be provided as first and second magnetic field sensors 26-1, 26-2.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the sensor head 10, in which the coils - detector coils A1, A2, B1, B2 and magnetic field generation coil Lg - as
  • Planar coils 34 in a circuit board element 36 - e.g. designed as PCB boards - are provided.
  • the magnetic field sensors 26-1, 26-2 deliver a magnetic field parameter signal which depends on the load on the test object.
  • the magnetic field parameter signal is converted from the signals of the
  • Detector coils A1, A2, B1 and B2 processed as described in D7 in order to determine the difference of the coil pair AB as a magnetic field parameter signal.
  • the magnetic field parameter signal follows the periodic change in the excitation current which is due to the
  • Magnetic field generating coil Lg is imposed.
  • FIG. 6 shows an example of a magnetic field parameter signal which is generated by the magnetic field sensors 26-1, 26-2 when a rectangular current is applied to the magnetic field generating coil Lg.
  • the output of the magnetic field sensors 26-1, 26-2 is placed on the evaluation device 42.
  • the measured value recording device 44 takes the respective one
  • FIG. 6 shows a period of the secondary measurement curve - magnetic field parameter signal - when excited with a square-wave signal on the primary side.
  • the magnetic field parameter signal shown here on the secondary side follows with a
  • Phase shift of the excitation on the primary side i.e. with a
  • This period is scanned here with 25 support points. Each of the support points lies at a predetermined point in time within the period.
  • each of these support points is evaluated for its suitability for the more precise measurement of loads.
  • a calibration or a learning process can be carried out in which an evaluation of each of these support points is carried out.
  • test object 14 is subjected to a predetermined load.
  • the test object is subjected to a linearly increasing and a correspondingly linearly decreasing load and during the increase or decrease of the
  • Magnetic field parameter signal read out several times according to Figure 6 and each base point 1 to 25 evaluated.
  • a torque is measured on a shaft as test object 14.
  • the shaft as test object 14 is first loaded with a uniformly linearly increasing torque in one direction of rotation up to a maximum value and then the torque is reduced evenly again and then further increased in the other direction until it is also loaded to an extreme value and then moved back to zero.
  • the imposed torque is shown on the x-axis of FIG. 7, the y-axis shows the measurement signal.
  • the ideal measurement curve is indicated by reference number 52 and the real measurement curve is indicated by reference number 54. Due to the hysteresis, the real measurement curve 54 deviates from the ideal measurement curve 52.
  • FIG. 8 shows a corresponding curve similar to that in FIG. 7, but not all the support points from the secondary measurement curve shown in FIG. 6 have been taken into account, but only some support points. It can be seen from FIG. 8 that a significant reduction in the hysteresis error can be achieved.
  • FIG. 6 accordingly shows the signal form on the secondary side with 25 interpolation points, which were recorded by the analog-digital converter when excited with a square-wave signal on the primary side.
  • FIGS. 7 and 8 show two measurement curves, both of which have been extracted from the same data set.
  • FIG. 7 shows a measurement curve in which all 25 support points were used for the calculation. In contrast, only certain support points from the measurement curve were taken into account in the measurement curve of FIG. 8. It can be seen that a reduction in the hysteresis from approximately 6% in FIG. 7 to less than 0.5% in FIG. 8 can be achieved.
  • FIG. 9 explains how support points which are to be taken into account for the measurement curve are determined.
  • FIG. 9 shows an exemplary representation of how the support points 1, 6 and 10 of the 26 support points of a secondary period shown here as examples are linear over a period behave changed torque load.
  • the different interpolation points 1, 6 and 10 have a different sensitivity, but also different hysteresis, temperature behavior, behavior on RRN and other measurement effects.
  • the evaluation device 46 determines the hysteresis-to-signal ratio for each of the support points.
  • the corresponding information can be stored in the memory 48.
  • the evaluation device 42 only takes into account the measured values of those interpolation points which have the best, ie the lowest, hysteresis-to-signal ratio.
  • Interpolation points that have the highest hysteresis-to-signal ratio are not taken into account for the receipt of the measurement signal.
  • the measurement curve shown in FIG. 8 can be achieved with a significantly reduced hysteresis error. Overall, a measurement with a significantly reduced hysteresis error can thus be achieved.
  • FIG. 10 shows a typical B / H characteristic curve, which was recorded with a primary coil - magnetic field generating coil Lg - and a secondary coil - for example one of the detector coils A1, A2, B1 and B2.
  • the primary coil was excited with an alternating field.
  • the current consumption of the secondary coil was measured using a shunt.
  • the hysteresis for the B / H characteristic curve is particularly high in a central region of the graph in FIG. 10.
  • one or more of the following measurement signals can be generated from the B / H characteristic:
  • the course of the magnetic field strength F1 is plotted at 56 in FIG. This corresponds to the current consumption of the magnetic field generating coil Lg.
  • the magnetic flux density B is plotted, which can be obtained via the current consumption at one of the detector coils A1, A2, B1 and B2.
  • the current of the magnetic field generating coil Lg can be increased and decreased linearly increasing and decreasing linearly, for example, by the driver circuit 50 and then, on the one hand as the value rises and as the value falls on the other hand, the corresponding value B on the primary side Secondary side can be assigned. This can also be done over the measurement periods with appropriate excitation at frequency f.

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Abstract

Zur Verringerung eines Hysteresefehlers schafft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren (12) zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt (14), umfassend a) Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Testobjekt (14) mittels wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule (Lg), die mit einem periodisch wechselnden Strom beaufschlagt wird, b) Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt (14) ändernden Magnetfeldparameters mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung, um ein Magnetfeldparametersignal (51) zu erzeugen, das sich entsprechend des periodisch erzeugten Magnetfeldes periodisch ändert, gekennzeichnet durch: c) Erfassen des Hysterese-zu-Signal-Verhältnisses des Magnetfeldparametersignals (51) über die Zeit innerhalb einer Periode und d) Nichtberücksichtigen von Magnetfeldparametersignalwerten aus wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in der ein maximales Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt.

Description

Verfahren, Vorrichtung und Anordnung zur Belastungsmessung an einem
Testobjekt
Die Erfindung betrifft ein Belastungsmessverfahren und eine
Belastungsmessvorrichtung sowie eine Belastungsmessanordnung zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen an dem Testobjekt verstanden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine
Drehmomentmessvorrichtung zum Messen eines Drehmoments an einem Testobjekt in Form einer Welle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Außerdem betreffen Ausgestaltungen der Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen.
Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari- Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers
magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet.
Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Testobjekten wie insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
D1 Gerhard Hinz und Heinz Voigt„Magnoelastic Sensors“ in„Sensors“, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152 D2 US 3 311 818
D3 EP 0 384 042 A2
D4 DE 30 31 997 A
D5 US 3 011 340 A
D6 US 4 135 391 A
Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 (DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt.
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen
Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder Eddy- Current-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch Villari- Effekt genannt). Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist. Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, z.B. Pedelecs, Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich.
Aus der
D7 EP 3Ό51‘265 A1
ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1 , A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1 , B2 und eine mittige Magnetfelderzeugungsspule Lg in einer Kreuzanordnung (X-Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1 +A2) - (B1 +B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt.
Ein Problem, welches mit derartigen Messungen durch aktive Aufmagnetisierung einhergeht, ist die dabei auftretende Hysterese in der Messanordnung, die es schwierig macht, hochgenaue Messungen zu erhalten. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation der Hysterese sind in der
D8 WO 2017/060346 A1
beschrieben. Es wird für weitere Einzelheiten bezüglich der Ursachen für
Hysterese und die dadurch verursachten Probleme bei der Belastungsmessung mittels aktiver Aufmagnetisierung ausdrücklich auf die D8 verwiesen.
Ausgehend vom Stand der Technik nach der D8 hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, Verfahren und Vorrichtungen aufzuzeigen, mit denen ein durch Hysterese verursachter Messfehler bei der Belastungsmessung mittels aktiver Aufmagnetisierung weiter verringert werden kann.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung die Verfahren und Vorrichtungen und Anordnungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt davon ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, umfassend
a) Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Testobjekt mittels wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule, die mit einem periodisch wechselnden Strom beaufschlagt wird,
b) Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden Magnetfeldparameters mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung, um ein Magnetfeldparametersignal zu erzeugen, das sich entsprechend des periodisch erzeugten Magnetfeldes periodisch ändert,
c) Erfassen des Hysterese-zu-Signal-Verhältnisses des
Magnetfeldparametersignals über die Zeit innerhalb einer Periode und d) Nichtberücksichtigen von Magnetfeldparametersignalwerten aus
wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in der ein maximales Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt
Vorzugsweise umfasst das Belastungsmessverfahren weiter den Schritt:
e) Aufnehmen von Magnetfeldparametersignalwerten in wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in dem ein geringstes Hysterese- zu-Signal-Verhältnis auftritt.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) Erfassen des Magnetfeldparametersignalwerts zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb der Periode umfasst.
Es ist bevorzugt, dass Schritt c) Erfassen des Hysterese-zu-Signal-Verhältnis zu den vorbestimmten Zeiten umfasst, um diejenigen vorbestimmten Zeiten mit mehr oder weniger Hysterese-zu-Signal-Verhältnis zu bestimmen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt d) Nichtberücksichtigen von
Magnetfeldparametersignalwerten zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkten pro Periode, in der die größten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, umfasst.
Es ist bevorzugt, dass Schritt e) Aufnehmen von
Magnetfeldparametersignalwerten zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkten pro Periode, in denen die kleinsten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, umfasst.
Gemäß einer Alternative schafft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend
a) Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Testobjekt mittels wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule, die mit einem sich periodisch ändernden Strom beaufschlagt wird,
b) Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden Magnetfeldparameters mittels wenigstens einer Magnetfelderfassungseinrichtung, um ein Magnetfeldparametersignal zu erzeugen, das sich entsprechend des periodisch erzeugten Magnetfeldes periodisch ändert,
f) Ermitteln einer B/H-Kennlinie aus dem zeitlichen Verlauf von Strom und/oder Spannung an der wenigstens einen Magnetfelderzeugungsspule und dem zeitlichen Verlauf des Magnetfeldparametersignals und
g) Ermitteln wenigstens eines Messsignals aus der B/H-Kennlinie.
Vorzugsweise wird eine Kombination der beiden Belastungsmessverfahren geschaffen. Insbesondere werden bei dem Verfahren gemäß der zweiten
Alternative Bereiche der B/H-Kennlinie nicht berücksichtigt, bei denen im zeitlichen Verlauf das höchste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt.
Vorzugsweise werden nur Bereiche der B/H-Kennlinie berücksichtigt, bei denen im zeitlichen Verlauf das geringste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt.
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
g1 ) Ermitteln der relativen Permeabilität aus einer Veränderung einer Steigung der B/H-Kennlinie als Messsignal.
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
g2) Ermitteln der Veränderung der Koerzitivfeldstärke aus der B/H-Kennlinie als Messsignal.
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
g3) Ermitteln der Veränderung der Remanenz aus der B/H-Kennlinie als Messsignal.
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
g4) Berücksichtigung nur eines oder mehrerer Teilbereiche der B/H-Kennlinie zur Ermittlung des Messsignals.
Es ist bevorzugt, dass Schritt g) enthält:
g5) Ermittlung der Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine
Magnetfelderzeugungsspule und eine Stromquelle zum Versorgen der
Magnetfelderzeugungsspule mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist; eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden Magnetfeldparameters und zum
Erzeugen eines Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetfelds periodisch ändert, und
eine Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines Messsignals aus dem
Magnetfeldparametersignal,
wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Information über ein Hysterese-zu-Signal-Verhältnis des Magnetfeldparametersignals über die Zeit innerhalb einer Periode zu erhalten, und
wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte aus wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in der ein maximales Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt, nicht zum Erzeugen des Messsignals zu berücksichtigen.
Es ist bevorzugt, dass eine Hysterese-zu-Signal-Verhältnis-Erfassungseinrichtung - insbesondere in Form einer Bewertungseinrichtung - vorgesehen ist, die das Hysterese-zu-Signal-Verhältnis über die Zeit innerhalb einer Periode erfasst.
Es ist bevorzugt, dass ein als Speicher als Hysterese-zu-Signal-Verhältnis- Speichereinrichtung vorgesehen ist, in der eine Information über das Hysterese- zu-Signal-Verhältnis über der Zeit innerhalb einer Periode gespeichert ist.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte in wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in dem ein geringstes Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt, zu erfassen und daraus das Messsignal zu erzeugen. Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, Magnetfeldparametersignalwerte zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb einer Periode zu erfassen. Hierzu ist insbesondere eine Messwertaufnahmeeinrichtung zur diskreten Messwertaufnahme zu bestimmten Stilpunkte vorgesehen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkte pro Periode, bei denen die größten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, nicht zur Erzeugung des Messsignals zu berücksichtigen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkte pro Periode, bei denen die kleinsten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, zur Erzeugung des Messsignals zu verwenden.
Gemäß einer Alternative schafft die Erfindung eine Belastungsmessvorrichtung, mit:
einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine
Magnetfelderzeugungsspule und eine Stromquelle zum Versorgen der
Magnetfelderzeugungsspule mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist; eine Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden Magnetfeldparameters und zum
Erzeugen eines Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetfelds periodisch ändert, und
eine Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines Messsignals aus dem
Magnetfeldparametersignal, und
eine Auswerteeinrichtung zum Erzeugen wenigstens eines Messsignals aus dem Magnetfeldparametersignal,
wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine B/H-Kennlinie aus dem zeitlichen Verlauf von Strom und/oder Spannung an der wenigstens einen
Magnetfelderzeugungsspule und dem zeitlichen Verlauf des
Magnetfeldparametersignals zu ermitteln und das wenigstens eine Messsignal aus der B/H-Kennlinie zu erzeugen. Vorzugsweise ist eine Belastungsmessvorrichtung vorgesehen, in der beide Alternativen der Erfindung vereint sind.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
die relative Permeabilität aus einer Veränderung einer Steigung der B/H-Kennlinie zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
eine Veränderung der Koerzitivfeldstärke aus der B/H-Kennlinie zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
eine Veränderung der Remanenz aus der B/H-Kennlinie zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
die Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten zu ermitteln und hieraus ein
Messsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist,
nur bestimmte Teilbereiche der B/H-Kennlinie für die Erzeugung des Messsignals zu verwenden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine
Belastungsmessanordnung, umfassend ein Testobjekt sowie eine
Belastungsmessvorrichtung gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen, insbesondere zur berührungslosen Belastungsmessung an dem Testobjekt.
Das Testobjekt ist vorzugsweise ein um eine Drehachse drehbares Testobjekt, wie z.B. eine Welle, ein Getrieberad, ein Zahnrad oder dergleichen. Alternativ kann das Testobjekt ein stationäres Element, wie z.B. eine Strebe, eine Stütze, eine Zug- oder Druckstange oder eine Membran, z.B. eines Drucksensors, sein. Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung beruht die
Hysteresekompensation darauf, dass nur Teile einer Messperiode (z.b. eines Rechteck oder eines Sinus) bei der Berechnung des Messsignals betrachtet werden.
Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung wird z.B. neben einer Induktionsspannung in Sekundärspulen auch z.B. die Stromaufnahme in den Primärspulen erfasst - aus diesen Informationen kann man eine komplette B/H- Kennlinie der Belastungsmessanordnung, welche die Belastungsmessvorrichtung und das Testobjekt, also z.B. einen Drehmomentsensor und ein Messmaterial, umfasst, berechnen.
Mit B wird hierbei die magnetische Flussdichte, auch magnetische Induktion bezeichnet. Genauer ist dies die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt. Mit Fl wird die magnetische Feldstärke (auch magnetische Erregung genannt) bezeichnet. Diese ordnet als vektorielle Größe jeden Raum. Eine Stärke und Richtung des durch die magnetische Spannung erzeugten Magnetfeldes zu. Magnetische Flussdichte und magnetische Feldstärke hängen über die Materialgleichungen der Elektrodynamik B=pFH zusammen.
Diese B/Fl-Kennlinie kann auch„nur“ partiell betrachtet werden für Extrahierung des Messsignals.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, aus dieser Messkurve ein sinnvolles
Messsignal zu berechnen, so z.B. eine Veränderung der Steigung der Kurve oder eine Veränderung der Koerzitivfeldstärke oder der Remanenz.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Flystereskompensation durch
Vektorzerlegung.
Besondere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Flysteresekompensation mittels einer Phasen-Amplitudenbeziehung. Bei manchen Werkstoffen, wie vor allem weiche Stähle, die nicht gehärtet sind, zeigt das aktive Belastungsmessen, wie z.B. Drehmomentmessen sehr große Hystereseverläufe. Eine Möglichkeit, die Hysterese zu kompensieren, liegt in der Idee verschiedene Intensitäten einer Generatorspannung einzusetzen, wie dies näher in D8 beschrieben ist.
Ausgestaltungen der Erfindung nutzen eine weitere Möglichkeit einer
Hysteresekompensation, in dem ein periodisches Magnetfeldparametersignal in verschieden Phasen eingeteilt wird und diese einzeln bewertet werden.
Z.B. wird ein AC-Signal von Sekundärspulen (d.h. von Messspulen der
Magnetfelderfassungseinrichtung), welches bei Auferlegung eines Wechselfeldes durch eine Primärspule (Spule einer Magnetfelderzeugungseinrichtung) entsteht, in einzelne Phasen pro Periode aufgeteilt und diese werden einzeln bewertet.
Vorzugsweise wird als Erregerquelle für die Primärinduktivität ein Wechselfeld
(Sinus, Rechteck, Sägezahn . ) eingesetzt. Die in den Sekundärspulen induzierte
Spannung folgt mit einer Phasenverschiebung der Erregerquelle. Das Verhältnis der Primärspule und der Sekundärspule kann auch als B/H-Kennlinie aufgefasst werden.
Bei einer Ausgestaltung ist eine Signalverarbeitung so ausgelegt, dass die
Kennlinie der Sekundärspulen mit mehreren Stützstellen (je nach
Anregungsfrquenz kann das variieren) abgesampelt wird. Diese Stützstellen stellen den charakteristischen Verlauf der Sekundärspannung dar.
Die unterschiedlichen Abschnitte der Sekundärkurve zeigen bei einer
Einzelbetrachtung eine unterschiedliche Auswirkung bzgl. Sensitivität, Offset und Hystereseverhalten. D.h. es gibt Abschnitte in der Sekundärmesskurve, die bei einer Einzelbetrachtung ein deutlich kleineres Hysterese/Signal-Verhältnis haben.
Eine Idee, die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung zugrundeliegt, bezieht darauf, dass für die Auswertung in der Signalverarbeitung nur bestimmte Stützstellen (Vektoren) der eingelesenen Primärspannungskurve verwendet werden.
Vorzugsweise werden diese so gewählt, dass die Hysterese dabei minimiert wird.
Eine Erweiterung oder Alternative zu diesem Verfahren stellt die Möglichkeit dar, neben der direkten Erfassung der Sekundärseite (analog zum B-Feld) noch die Stromaufnahme der Primärseite (korreliert mit dem erzeugten H-Feld) im zeitlichen Verlauf zu erfassen und damit eine eindeutige B/H-Kennlinie zu berechnen.
Diese B/H-Kennlinie kann verwendet werden, um die relative Permeabilität in verschiedenen Segmenten bzw. Abschnitten der Messkurve zu berechnen. Die direkte Berechnung der relativen Permeabilität stellt bezüglich Hystereverhalten und anderen Messeffekten eine weniger beinflusste Messgröße dar.
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Sensorkopfes einer
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung, wie insbesondere Kraft, Spannung oder Drehmoment an einem Testobjekt;
Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Sensorkopfes;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Sensorkopfes von Fig. 1 zusammen mit dem
Testobjekt;
Fig. 4 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 einer weiteren Ausführungsform des
Sensorkopfes;
Fig. 5 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 noch einer weiteren Ausführungsform des Sensorkopfes; Fig. 6 einen Graph für eine Signalform eines mittels einer
Magnetfelderfassungseinrichtung eines der Sensorköpfe der Figuren 1 bis 5 gemessenen Magnetfeldparametersignals bei Anregung einer Magnetfelderzeugungseinrichtung des Sensorkopfes mittels einer Rechteckwelle, wobei unterschiedliche Stützpunkte (Messzeiten) dargestellt sind;
Fig. 7 ein Graph eines Messsignals einer Drehmomentmessung mit einem magnetisch induktiven Sensorkopf der in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Art bei Berücksichtigung aller Stützstellen aus Figur 6;
Fig. 8 ein Graph vergleichbar der Figur 7, wobei nur einige Stützstellen aus der Messkurve von Figur 6 berücksichtigt worden sind;
Fig. 9 ein Vergleich einer Messung eines linearen Drehmomentanstieges, wobei die Messung lediglich an den Messpunkten 1 , 6 und 10 aus der Messperiode von Figur 6 dargestellt ist;
Fig. 10 einen Graph einer B/Fl-Kennlinie, welche aus einer direkten Erfassung eines Magnetfeldparametersignals der
Magnetfelderfassungseinrichtung und einer Stromaufnahme der Magnetfelderzeugungseinrichtung im zeitlichen Verlauf und anschließende Berechnung erhalten wurde.
In den Figuren 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen von Sensorköpfen 10 für eine Belastungsmessvorrichtung 12 dargestellt. Die
Belastungsmessvorrichtung 12 dient zum Messen von mechanischen
Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in einem zumindest teilweise magnetisierbaren, vorzugsweise um eine Drehachse drehbaren, Testobjekt 14, wie z.B. einer Welle, einem Getriebeteil, einer Radnabe, einem Kettenblatt oder dergleichen. Das Testobjekt 14 kann bei anderen
Ausgestaltungen auch stationär sein, z.B. ein Träger oder eine Strebe in einer Stützstruktur sein, an der Belastungen oder Kräfte zu messen sind. Bei einer anderen Ausgestaltung kann das Testobjekt eine Membran eines Drucksensors sein, wie dies genauer in der deutschen Patentanmeldung 10 2017 104 547.3, auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben ist. Das Testobjekt 14 ist zumindest an einem Messbereich zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Das Testobjekt 14 und die
Belastungsmessvorrichtung 12 bilden zusammen eine Belastungsmessanordnung 16.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf.
Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung eine Auswerteeinrichtung 42 auf. Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit den Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere eingerichtet,
Hystereseeffekte zu kompensieren, wie dies im Folgenden noch näher erläutert wird. Hierzu weist die Auswerteeinrichtung 42 eine Messwertaufnahmeeinrichtung 44 zum Aufnehmen von Messwerten zu vorbestimmten Zeiten einer Messperiode, eine Bewertungseinrichtung 46 zur Bewertung der zu unterschiedlichen Zeiten einer Messperiode aufgenommenen Messwerte und einen Speicher 48 zum Speichern einer Information über die Bewertung auf.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Magnetfelderzeugungsspule Lg und eine Treiberschaltung 50 zum Treiben der Magnetfelderzeugungsspule Lg auf. Die Treiberschaltung 50 versorgt die Magnetfelderzeugungsspule Lg (auch als Primärspule bezeichnet) mit einem sich periodisch verändernden Strom, z.B. einem sich mit einer vorbestimmten Frequenz f und somit einer vorbestimmten Periode T= 1/f ändernden Rechteckstrom, Sinusstrom, Sägezahnstrom oder dergleichen. Beispielsweise liegt die Frequenz im Bereich von 1 KHz bis 200 kHz.
Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form von Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 (auch Messspulen oder Sekundärspulen genannt) oder von Festkörpermagnetfeldsensoren 27 und die Auswerteeinrichtung 42 zum Auswerten der Signale der Magnetfeldsensoren 26 auf. Die in Fig. 1 mit Blick auf die auf das Testobjekt 14 zu richtende Vorderseite gezeigte Ausführungsform des Sensorkopfs 10 ist in Fig. 3 von der Seite gezeigt. Diese Ausführungsform weist zwei als erste Detektorspulen A1 , A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Detektorspulen B1 , B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 auf einem gemeinsamen Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Dabei ist mittig die Magnetfelderzeugungsspule Lg - hier ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 - vorgesehen, wobei sich die ersten Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorkopfes 10 mit einer V- Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - z.B. die erste
Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-1 winkelförmig zueinander angeordnet mit der Magnetfelderzeugungsspule Lg an der Spitze der Winkelform vorgesehen sind.
Wie Fig. 4 zeigt, können anstatt Detektorspulen auch
Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Sensorkopfes 10, bei der die Spulen - Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 und Magnetfelderzeugungsspule Lg - als
Planarspulen 34 in einem Leiterplattenelement 36 - z.B. ausgeführt als PCB- Platten - vorgesehen sind.
Wie dies in den unterschiedlichen Literaturstellen D1 -D7 beschrieben ist, liefern die Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 ein Magnetfeldparametersignal, welches von der Belastung an dem Testobjekt abhängt. Beispielsweise wird bei der x- Anordnung 28 das Magnetfeldparametersignal aus den Signalen der
Detektorspulen A1 , A2, B1 und B2 wie in der D7 beschrieben verarbeitet, um als Magnetfeldparametersignal die Differenz des Spulenpaares A-B zu ermitteln. Das Magnetfeldparametersignal folgt mit einer Phasenverschiebung der periodischen Veränderung des Erregerstromes, welche auf die
Magnetfelderzeugungsspule Lg auferlegt wird.
Figur 6 zeigt ein Beispiel für ein Magnetfeldparametersignal, welches durch die Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 bei Auferlegung eines Rechteckstromes auf die Magnetfelderzeugungsspule Lg entsteht. Der Ausgang der Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 wird auf die Auswerteinrichtung 42 gelegt. Diese enthält einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler, der Teil der Messwertaufnahmeeinrichtung 44 ist. Die Messwertaufnahmeeinrichtung 44 nimmt den jeweiligen
Magnetfeldparametersignalwert zu unterschiedlichen Stützstellen (Vektoren) auf, die durch Ziffern auf der x-Achse von Figur 6 dargestellt sind. Figur 6 stellt eine Periode der Sekundarmesskurve - Magnetfeldparametersignal - bei einer Anregung mit einem Rechtecksignal auf der Primärseite dar. Das hier dargestellte Magnetfeldparametersignal auf der Sekundärseite folgt mit einer
Phasenverschiebung der Anregung auf der Primärseite, d.h. mit einer
entsprechenden Periode wie auf der Primärseite. Diese Periode wird hier mit 25 Stützstellen abgetastet. Jede der Stützstellen liegt an einem vorbestimmten Zeitpunkt innerhalb der Periode.
In der Bewertungseinrichtung 46 wird jede dieser Stützstellen auf ihre Eignung zum genaueren Messen von Belastungen bewertet.
Beispielsweise kann nach einem ersten Aufbau der Belastungsmessanordnung 16 oder einem ersten oder erneuten Starten der Belastungsmessvorrichtung 12 eine Kalibrierung oder ein Lernprozess durchgeführt werden, in der eine Bewertung jeder dieser Stützstellen durchgeführt wird.
Hierbei wird das Testobjekt 14 mit einer vorbestimmten Belastung beansprucht. In dem Folgenden näher dargestellten Beispiel wird hierzu das Testobjekt mit einer linear ansteigenden und einer entsprechend linear abfallenden Belastung beaufschlagt und während des Ansteigens bzw. des Absteigens des
Magnetfeldparametersignals mehrmals entsprechend Figur 6 ausgelesen und dabei jeder Stützpunkt 1 bis 25 bewertet. Beispielsweise wird ein Drehmoment an einer Welle als Testobjekt 14 gemessen. Hierzu wird die Welle als Testobjekt 14 zunächst mit einem gleichmäßig linear ansteigenden Drehmoment in die eine Drehrichtung bis zu einem Maximalwert belastet und anschließend das Drehmoment gleichmäßig wieder verringert und weiter in die andere Richtung ansteigend bis ebenfalls zu einem Extremwert belastet und anschließend wieder auf Null gefahren.
Auf der x-Achse von Figur 7 ist das auferlegte Drehmoment dargestellt, die y- Achse zeigt das Messsignal. Mit dem Bezugszeichen 52 ist die Idealmesskurve angegeben, und mit dem Bezugszeichen 54 ist die Realmesskurve angegeben. Aufgrund der Hysterese weicht die Realmesskurve 54 von der Idealmesskurve 52 ab.
Figur 8 zeigt dagegen eine entsprechende Kurve ähnlich wie in Figur 7, wobei jedoch nicht alle Stützstellen aus der in Figur 6 dargestellten Sekundärmesskurve berücksichtigt worden sind, sondern nur einige Stützstellen. Es ist aus Figur 8 zu erkennen, dass eine deutliche Verringerung des Hysteresefehlers erreichbar ist.
Figur 6 zeigt demnach die Signalform auf der Sekundärseite mit 25 Stützstellen, die vom Analog-Digital-Wandler bei einer Anregung mit einem Rechtecksignal auf der Primärseite erfasst worden sind.
Die Figuren 7 und 8 zeigen zwei Messkurven, die beide aus demselben Datensatz extrahiert worden sind. Figur 7 zeigt eine Messkurve, bei der alle 25 Stützstellen für die Berechnung verwendet wurden. In der Messkurve von Figur 8 wurden dagegen nur bestimmte Stützstellen aus der Messkurve berücksichtigt. Es ist ersichtlich, dass eine Reduktion der Hysterese von circa 6% bei Figur 7 auf weniger als 0,5% bei Figur 8 erreichbar ist.
Im Folgenden wird anhand der Figur 9 erläutert, wie Stützstellen, welche für die Messkurve berücksichtigt werden sollen, ermittelt werden. Figur 9 zeigt eine exemplarische Darstellung, wie die hier beispielhaft dargestellten Stützstellen 1 , 6 und 10 der 26 Stützstellen einer Sekundärperiode sich über eine sich linear veränderte Drehmomentbelastung verhalten. Die unterschiedlichen Stützstellen 1 , 6 und 10 haben eine unterschiedliche Sensitivität, aber auch unterschiedliche Hysteresen, Temperaturverhalten, Verhalten auf RRN und andere Messeffekte.
Durch eine entsprechende Kalibrierbelastung mit linearem Drehmomentanstieg und Drehmomentabfall und Bewerten der an den einzelnen Stützstellen
erhaltenen Datensätze ermittelt die Bewertungseinrichtung 46 das Hysterese-zu- Signal-Verhältnis für jede der Stützstellen. Die entsprechende Information kann in dem Speicher 48 abgelegt werden.
Bei anschließenden Messungen werden durch die Auswerteeinrichtung 42 nur die Messwerte derjenigen Stützstellen berücksichtigt, die das Beste, also das geringste, Hysterese-zu-Signal-Verhältnis aufweisen. Die Messwerte von
Stützstellen, die das höchste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis aufweist, werden für den Erhalt des Messsignals nicht berücksichtigt.
Wenn sich beispielsweise bei dem Lernprozess ergibt, dass die Stützstellen 4-9 und 12-16 das geringste Hysterese-zu-Signal-Verhältnis aufweisen, werden bei anschließenden Messungen durch die Messwertaufnahmeeinrichtung 44 nur Messwerte an diesen Stützstellen 4 bis 9 und 12 bis 16 erhoben. Die Zeiträume der Periode, die außerhalb der Zeiträume mit den berücksichtigten Stützpunkten liegen, bleiben unberücksichtigt, d.h. es werden z.B. erst gar keine Messwerte aufgenommen an diesen Stützstellen aufgenommen.
Hierdurch lässt sich die in Figur 8 gezeigte Messkurve mit deutlich verringertem Hysteresefehler erreichen. Insgesamt lässt sich somit eine Messung mit deutlich verringertem Hysteresefehler erreichen.
Bei der Ausgestaltung, wie sie in den Figuren 6 bis 9 gezeigt wurden, sind nur die Magnetfeldparametersignale der Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 berücksichtigt worden.
Man kann aber auch Parameter an der Magnetfelderzeugungseinrichtung 18, wie beispielsweise den auf die Magnetfelderzeugungsspule Lg auferlegten Strom berücksichtigen. Hierdurch lässt sich eine B/H-Kennlinie erzeugen, aus der ebenfalls Messsignale generiert werden können.
Figur 10 zeigt eine typische B/H-Kennlinie, die mit einer Primärspule - Magnetfelderzeugungsspule Lg - und einer Sekundärspule - zum Beispiel eine der Detektorspulen A1 , A2, B1 und B2 - aufgenommen wurde. Die Primärspule wurde mit einem Wechselfeld angeregt. Bei der Sekundärspule wurde über einen Shunt die Stromaufnahme gemessen.
Bei den Ausgestaltungen der Figuren 6 bis 9 wurde bisher nur der B-Anteil - zum Beispiel Induktionsspannung in der Sekundärseite - verwendet. Bei der gleichzeitigen Messung von B und H kann dagegen die in Figur 10 gezeigte Kennlinie berechnet werden, und es kann aus dieser Kennlinie heraus ein Messsignal berechnet werden, welche sich linear zum Drehmoment verhält.
Wie man Figur 10 entnehmen kann, ist die Hysterese bei der B/H-Kennlinie in einem mittleren Bereich des Graphen von Figur 10 besonders hoch.
Analog zu der zuvor erläuterten Verfahrensweise, bei der aus der Messkurve von Figur 6 nur einige der Stützpunkte zur Messsignal-Generierung herangezogen wurden, kann auch bei dem Heranziehen der B/H-Kennlinie nur ein Teil dieser Kennlinie berücksichtigt werden.
Beispielsweise werden zur Generierung des Messsignals nur die umrandeten Bereiche der B/H-Kennlinie aus Figur 10 herangezogen, um das Messsignal zu generieren.
Aus der B/H-Kennlinie können zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden Messsignale generiert werden:
- zum Beispiel die Veränderung der Steigung der Kennlinie dB/dH zur
Berechnung der relativen Permeabilität
- die Veränderung der Koerzitivfeldstärke - Hc
- die Veränderung der Remanenz - Mr - die Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten
- die Generierung eines Messsignals unter Betrachtung von dedizierten
Bereichen, zum Beispiel den in Figur 10 berandeten Bereichen
In Figur 10 ist bei 56 der Verlauf der magnetischen Feldstärke Fl aufgetragen. Dies entspricht der Stromaufnahme der Magnetfelderzeugungsspule Lg. Bei 58 ist die magnetische Flussdichte B aufgetragen, die über die Stromaufnahme an einer der Detektorspulen A1 , A2, B1 und B2 erhalten werden kann. Zur Aufnahme der Kennlinie von Figur 10 kann zum Beispiel durch die Treiberschaltung 50 der Strom der Magnetfelderzeugungsspule Lg linear ansteigend und linear abfallend erhöht und erniedrigt werden und dann einerseits beim Ansteigen und andererseits beim Abfallen zu jedem Wert H auf der Primärseite der entsprechende Wert B auf der Sekundärseite zugeordnet werden. Dies kann auch über die Messperioden bei entsprechender Anregung mit der Frequenz f erfolgen.
Bezugszeichenliste:
10 Sensorkopf
11 Messbereich
12 Belastungsmessvorrichtung
14 Testobjekt
16 Belastungsmessanordnung
18 Magnetfelderzeugungseinrichtung
20 erste Magnetfelderfassungseinrichtung
22 zweite Magnetfelderfassungseinrichtung
26 Magnetfeldsensor
26-1 erster Magnetfeldsensor
26-2 zweiter Magnetfeldsensor
27 Festkörpermagnetfeldsensor
28 X-Anordnung
30 Flusskonzentrator
32 V-Anordnung
34 Planarspule
36 Leiterplattenelement
42 Auswerteeinrichtung
44 Messwertaufnahmeeinrichtung
46 Bewertungseinrichtung
48 Speicher
50 Treiberschaltung
51 Magnetfeldparametersignal
52 Idealmesskurve
54 Realmess kurve
56 magnetische Feldstärke Fl
58 magnetische Flussdichte B
A1 erste Detektorspule
A2 zweite Detektorspule
B1 dritte Detektorspule
B2 vierte Detektorspule
Lg Magnetfelderzeugungsspule

Claims

Ansprüche:
1. Belastungsmessverfahren (12) zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt (14), umfassend
a) Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Testobjekt (14) mittels wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule (Lg), die mit einem periodisch wechselnden Strom beaufschlagt wird,
b) Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt (14) ändernden Magnetfeldparameters mittels wenigstens einer
Magnetfelderfassungseinrichtung, um ein Magnetfeldparametersignal (51 ) zu erzeugen, das sich entsprechend des periodisch erzeugten Magnetfeldes periodisch ändert, gekennzeichnet durch:
c) Erfassen des Hysterese-zu-Signal-Verhältnisses des
Magnetfeldparametersignals (51 ) über die Zeit innerhalb einer Periode und d) Nichtberücksichtigen von Magnetfeldparametersignalwerten aus
wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in der ein maximales Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt
2. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
e) Aufnehmen von Magnetfeldparametersignalwerten in wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in dem ein geringstes Hysterese- zu-Signal-Verhältnis auftritt.
3. Belastungsmessverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt b) Erfassen des Magnetfeldparametersignalwerts zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb der Periode umfasst, dass Schritt c) Erfassen des Hysterese-zu-Signal-Verhältnis zu den vorbestimmten Zeiten umfasst, um diejenigen vorbestimmten Zeiten mit mehr oder weniger Hysterese-zu-Signal-Verhältnis zu bestimmen, und
dass Schritt d) Nichtberücksichtigen von Magnetfeldparametersignalwerten zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkte pro Periode, in der die größten
Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, umfasst.
4. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 2 und nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt e) Aufnehmen von Magnetfeldparametersignalwerten zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkten pro Periode, in denen die kleinsten Hysterese-zu- Signal-Verhältnisse auftreten, umfasst.
5. Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem
Testobjekt (14), insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend
a) Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Testobjekt (14) mittels wenigstens einer Magnetfelderzeugungsspule (Lg), die mit einem periodisch wechselnden Strom beaufschlagt wird,
b) Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt (14) ändernden Magnetfeldparameters mittels wenigstens einer
Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22), um ein Magnetfeldparametersignal (51 ) zu erzeugen, das sich entsprechend des periodisch erzeugten Magnetfeldes periodisch ändert, gekennzeichnet durch:
f) Ermitteln einer B/H-Kennlinie aus dem zeitlichen Verlauf von Strom und/oder Spannung an der wenigstens eine Magnetfelderzeugungsspule (Lg) und dem zeitlichen Verlauf des Magnetfeldparametersignals (Lg) und
g) Ermitteln wenigstens eines Messsignals aus der B/H-Kennlinie.
6. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt g) wenigstens einen oder mehrere der folgenden Schritte enthält: g1 ) Ermitteln der relativen Permeabilität aus einer Veränderung einer Steigung der B/H-Kennlinie als Messsignal; g2) Ermitteln der Veränderung der Koerzitivfeldstärke aus der B/H-Kennlinie als Messsignal;
g3) Ermitteln der Veränderung der Remanenz aus der B/H-Kennlinie als Messsignal;
g4) Berücksichtigung nur eines oder mehrerer Teilbereiche der B/H-Kennlinie zur Ermittlung des Messsignals; und/oder
g5) Ermittlung der Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten.
7. Belastungsmessvorrichtung (12) zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt (14), mit
einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt (14), wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) wenigstens eine Magnetfelderzeugungsspule (Lg) und eine Stromquelle zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule (Lg) mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist;
eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt (14) ändernden Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetfelds periodisch ändert, und
eine Auswerteeinrichtung (42) zum Erzeugen eines Messsignals aus dem
Magnetfeldparametersignal (51 ),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (42) dazu ausgebildet ist, eine Information über ein Hysterese-zu-Signal-Verhältnis des Magnetfeldparametersignals (51 ) über die Zeit innerhalb einer Periode zu erhalten und
dass die Auswerteeinrichtung (42) dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte aus wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in der ein maximales Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt, nicht zum Erzeugen des Messsignals zu berücksichtigen.
8. Belastungsmessvorrichtung (12) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Bewertungseinrichtung vorgesehen ist, die das Hysterese-zu-Signal- Verhältnis der Magnetfeldparametersignals (51 ) über die Zeit innerhalb einer Periode erfasst und/oder
dass ein Speicher (48) vorgesehen ist, in dem eine Information über das
Hysterese-zu-Signal-Verhältnis über der Zeit innerhalb einer Periode gespeichert ist.
9. Belastungsmessvorrichtung (12) nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (42) dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte in wenigstens einem vorbestimmten Zeitraum innerhalb jeder Periode, in dem ein geringstes Hysterese-zu-Signal-Verhältnis auftritt, zu erfassen und daraus das Messsignal zu erzeugen.
10. Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb einer Periode zu erfassen,
dass die Auswerteeinrichtung (42) dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkte pro Periode, bei denen die größten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, nicht zur Erzeugung des Messsignals zu berücksichtigen.
11. Belastungsmessvorrichtung (12) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (42) dazu ausgebildet ist,
Magnetfeldparametersignalwerte zu denjenigen der vorbestimmten Zeitpunkte pro Periode, bei denen die kleinsten Hysterese-zu-Signal-Verhältnisse auftreten, zur Erzeugung des Messsignals zu verwenden.
12. Belastungsmessvorrichtung (12), insbesondere nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , mit
einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt (14), wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) wenigstens eine Magnetfelderzeugungsspule (Lg) und eine Stromquelle zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule (Lg) mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist;
eine Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt (14) ändernden Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines Magnetfeldparametersignals (51 ), das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetfelds periodisch ändert, und
eine Auswerteeinrichtung (42) zum Erzeugen eines Messsignals aus dem
Magnetfeldparametersignal (51 ), und
eine Auswerteeinrichtung (42) zum Erzeugen wenigstens eines Messsignals aus dem Magnetfeldparametersignal (51 ),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (42) dazu ausgebildet ist, eine B/H-Kennlinie aus dem zeitlichen Verlauf von Strom und/oder Spannung an der wenigstens einen Magnetfelderzeugungsspule (Lg) und dem zeitlichen Verlauf des
Magnetfeldparametersignals (51 ) zu ermitteln und das wenigstens eine
Messsignal aus der B/H-Kennlinie zu erzeugen.
13. Belastungsmessvorrichtung (12) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinrichtung (42) dazu ausgebildet ist,
13.1 die relative Permeabilität aus einer Veränderung einer Steigung der B/H- Kennlinie zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen, und/oder
13.2 eine Veränderung der Koerzitivfeldstärke aus der B/H-Kennlinie zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen, und/oder
13.3 eine Veränderung der Remanenz aus der B/H-Kennlinie zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen, und/oder
13.4 die Steigung der Kennlinie zu bestimmten Punkten zu ermitteln und hieraus ein Messsignal zu erzeugen, und/oder
13.5 nur bestimmte Teilbereiche der B/H-Kennlinie für die Erzeugung des Messsignals zu verwenden.
14. Belastungsmessanordnung (16), umfassend ein Testobjekt (14) sowie eine Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der voranstehenden Ansprüche zur berührungslosen Belastungsmessung an dem Testobjekt (14).
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