DE102023135835A1

DE102023135835A1 - Torque sensor and method for measuring a torque with a torque sensor

Info

Publication number: DE102023135835A1
Application number: DE102023135835.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schafroth; Sinan Kazanci; Nikolaus Dreyer
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2023-12-19
Filing date: 2023-12-19
Publication date: 2025-06-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor, insbesondere magnetoelastischer Drehmomentsensor, der eine Welle zum Übertragen eines Drehmoments, einen ersten axialen Abschnitt der Welle, der in einer ersten Umfangsrichtung magnetisiert ist, einen zweiten axialen Abschnitt der Welle, der in einer zweiten Umfangsrichtung magnetisiert ist, die zur ersten Umfangsrichtung gegenläufig ist, einen ersten Magnetfeldsensor, der dazu ausgelegt ist, ein vom ersten axialen Abschnitt ausgehendes Magnetfeld zu detektieren, das aufgrund eines direkten magnetoelastischen Effekts von einem an der Welle angelegten Drehmoment abhängt, und einen zweiten Magnetfeldsensor, der dazu ausgelegt ist, ein vom zweiten axialen Abschnitt ausgehendes Magnetfeld zu detektieren, das das aufgrund des direkten magnetoelastischen Effekts von dem an der Welle angelegten Drehmoment abhängt. Der Drehmomentsensor ist gekennzeichnet durch eine Recheneinheit, die dazu ausgelegt ist, auf einen Fehlerfall zu schließen, wenn die jeweiligen durch den ersten Magnetfeldsensor und den zweiten Magnetfeldsensor detektierten Magnetfelder zueinander asymmetrisch sind. The present invention relates to a torque sensor, in particular a magnetoelastic torque sensor, comprising a shaft for transmitting a torque, a first axial section of the shaft magnetized in a first circumferential direction, a second axial section of the shaft magnetized in a second circumferential direction opposite to the first circumferential direction, a first magnetic field sensor configured to detect a magnetic field emanating from the first axial section which, due to a direct magnetoelastic effect, depends on a torque applied to the shaft, and a second magnetic field sensor configured to detect a magnetic field emanating from the second axial section which, due to the direct magnetoelastic effect, depends on the torque applied to the shaft. The torque sensor is characterized by a computing unit configured to conclude that an error has occurred if the respective magnetic fields detected by the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are asymmetrical to one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor, insbesondere einen magnetoelastischen Drehmomentsensor, sowie ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments mit einem Drehmomentsensor.The present invention relates to a torque sensor, in particular a magnetoelastic torque sensor, and a method for measuring a torque with a torque sensor.

Drehmomentsensoren spielen eine wesentliche Rolle in zahlreichen Industrien und Anwendungsbereichen, da sie präzise Messungen von auf einer Welle einwirkenden Drehmomenten ermöglichen. Diese Sensoren sind entscheidend für die Überwachung und Steuerung von Maschinen und Anlagen, bei denen eine genaue Drehmomentmessung für die Leistung, Sicherheit und Effizienz von großer Bedeutung ist.Torque sensors play an essential role in numerous industries and applications, enabling precise measurements of the torque acting on a shaft. These sensors are critical for monitoring and controlling machinery and equipment where accurate torque measurement is critical for performance, safety, and efficiency.

Ein besonders anspruchsvolles Anwendungsgebiet für Drehmomentsensoren ist die Luftfahrtindustrie, insbesondere wenn diese in Luftfahrzeugen verbaut sind. In Flugzeugen ist bspw. die genaue Überwachung des Drehmoments für verschiedene Systeme von entscheidender Bedeutung zu denen bspw. die Triebwerke und insbesondere auch Steuerungssysteme für Luftleitflächen gehören.A particularly demanding application area for torque sensors is the aviation industry, especially when installed in aircraft. In aircraft, for example, precise torque monitoring is crucial for various systems, including engines and, in particular, airfoil control systems.

Bei der Steuerung von Flugzeugen tragen Drehmomentsensoren unter anderem auch dazu bei, die Kräfte zu messen, die auf die Steuerflächen wie Ruder und Klappen wirken. Diese Informationen sind für das Flugsteuerungssystem unerlässlich, um eine präzise und sichere Manövrierfähigkeit des Flugzeugs zu gewährleisten.In aircraft control, torque sensors also help measure the forces acting on control surfaces such as rudder and flaps. This information is essential for the flight control system to ensure precise and safe maneuverability of the aircraft.

Darüber hinaus spielen Drehmomentsensoren eine wichtige Rolle bei der Überwachung und Wartung von Flugzeugen. So können diese dabei helfen, frühzeitig Verschleiß und potenzielle Probleme in verschiedenen mechanischen Systemen zu erkennen, was für die vorbeugende Wartung und langfristige Zuverlässigkeit von Luftfahrzeugen entscheidend und maßgeblich für den kosteneffizienten Betrieb ist. Es ist also ein Trend-Monitoring im Sinne eines Condition- oder Health- Monitoring für bekannte oder kalibrierte Lastfälle möglich.Furthermore, torque sensors play an important role in aircraft monitoring and maintenance. They can help detect wear and potential problems in various mechanical systems at an early stage, which is crucial for preventive maintenance and long-term aircraft reliability, as well as for cost-effective operation. Trend monitoring, such as condition or health monitoring, is therefore possible for known or calibrated load cases.

Die Fähigkeit, präzise und zuverlässige Messungen unter extremen Bedingungen zu liefern, macht Drehmomentsensoren zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Luftfahrttechnologie. Zudem arbeitet das Messprinzip berührungslos an der Welle, sodass ein wartungsfreier Betrieb des Sensors möglich istThe ability to deliver precise and reliable measurements under extreme conditions makes torque sensors an indispensable component of modern aviation technology. Furthermore, the measuring principle operates without contact with the shaft, enabling maintenance-free operation of the sensor.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass magnetoelastische Drehmomentsensoren diesen extremen Bedingungen sehr gut widerstehen können, sodass diese weite Verbreitung in der Luftfahrt gefunden haben.It is known from the state of the art that magnetoelastic torque sensors can withstand these extreme conditions very well, so they have found widespread use in aviation.

Dabei nutzt ein magnetoelastischer Drehmomentsensor die Eigenschaften des direkten magnetoelastischen Effekts. Dieser Effekt basiert auf der Tatsache, dass dann, wenn eine magnetisierte Welle (oder ein magnetisierter Bereich einer Welle) einem Drehmoment ausgesetzt wird, das magnetisierte Material der Welle mechanische Spannungen erfährt. Diese Spannungen führen zu einer Veränderung der Magnetisierung des Materials, so dass ein auf dem Prinzip der Magnetoelastizität basierender Sensor diese Veränderung der Magnetisierung, die proportional zum angelegten Drehmoment ist, misst und demnach einen exakten Rückschluss auf das anliegende Drehmoment liefern kann.A magnetoelastic torque sensor utilizes the properties of the direct magnetoelastic effect. This effect is based on the fact that when a magnetized shaft (or a magnetized area of a shaft) is subjected to a torque, the magnetized material of the shaft experiences mechanical stresses. These stresses lead to a change in the magnetization of the material, so a sensor based on the principle of magnetoelasticity measures this change in magnetization, which is proportional to the applied torque, and can therefore provide an accurate indication of the applied torque.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung einen Drehmomentsensor vorzusehen, der über die Bestimmung des Drehmomentsensors hinaus weitere Informationen liefert, bspw. Informationen über dessen Integrität (Fehlerfreiheit), über einem erfolgten Blitzeinschlag und sogar die Richtung des durch den Blitzeinschlag hervorgerufenen Stromflusses.It is the aim of the present invention to provide a torque sensor which, in addition to determining the torque sensor, provides further information, for example information about its integrity (faultlessness), about a lightning strike and even the direction of the current flow caused by the lightning strike.

Zudem soll ein erfindungsgemäßer Drehmomentsensor eine fehlertolerante Messbereichsüberschreitung erkennen bzw. die Umschaltung in einen größeren Messbereich ermöglichen.In addition, a torque sensor according to the invention should detect a fault-tolerant exceeding of the measuring range or enable switching to a larger measuring range.

Dies gelingt mit einem Drehmomentsensor, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist bzw. mit einem Verfahren, das sämtliche Verfahrensschritte des Anspruchs 12 besitzt.This is achieved with a torque sensor having all the features of claim 1 or with a method having all the method steps of claim 12.

Nach der Erfindung ist demnach ein Drehmomentsensor vorgesehen, insbesondere ein magnetoelastischer Drehmomentsensor, der eine Welle zum Übertragen eines Drehmoments, einen ersten axialen Abschnitt der Welle, der in einer ersten Umfangsrichtung magnetisiert ist, einen zweiten axialen Abschnitt der Welle, der in einer zweiten Umfangsrichtung magnetisiert ist, die zur ersten Umfangsrichtung gegenläufig ist, einen ersten Magnetfeldsensor, der dazu ausgelegt ist, ein vom ersten axialen Abschnitt ausgehendes Magnetfeld zu detektieren, das aufgrund eines direkten magnetoelastischen Effekts von einem an der Welle angelegten Drehmoment abhängt, und einen zweiten Magnetfeldsensor besitzt, der dazu ausgelegt ist, ein vom zweiten axialen Abschnitt ausgehendes Magnetfeld zu detektieren, das das aufgrund des direkten magnetoelastischen Effekts von dem an der Welle angelegten Drehmoment abhängt. Der Drehmomentsensor ist gekennzeichnet durch eine Recheneinheit, die dazu ausgelegt ist, auf einen Fehlerfall zu schließen, wenn die jeweiligen durch den ersten Magnetfeldsensor und den zweiten Magnetfeldsensor detektierten Magnetfelder zueinander asymmetrisch sind, also deren jeweiliger Betrag der Feldstärken eine Differenz zueinander aufweist, die einen (Toleranz-) Schwellenwert übersteigt.According to the invention, a torque sensor is therefore provided, in particular a magnetoelastic torque sensor, which has a shaft for transmitting a torque, a first axial section of the shaft which is magnetized in a first circumferential direction, a second axial section of the shaft which is magnetized in a second circumferential direction which is opposite to the first circumferential direction, a first magnetic field sensor which is designed to detect a magnetic field emanating from the first axial section which depends on a torque applied to the shaft due to a direct magnetoelastic effect, and a second magnetic field sensor which is designed to detect a magnetic field emanating from the second axial section which depends on the torque applied to the shaft due to the direct magnetoelastic effect. The torque sensor is characterized by a computing unit which is designed to conclude that an error has occurred if the respective magnetic fields detected by the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are asymmetrical to one another, i.e. if their respective field strengths have a difference to one another which exceeds a (tolerance) threshold value.

In anderen Worten gibt es also zwei gegenläufig magnetisierte Magnetspuren in Umfangsrichtung der Welle sowie für jede der Spuren einen zugehörigen Magnetfeldsensor. In Abhängigkeit eines an der Welle anliegenden Drehmoments verändert sich die Feldstärke des von einer jeweiligen Magnetspur ausgehenden Magnetfelds, sodass der dazugehörige Magnetfeldsensor diese Veränderung detektiert und, nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung, auf ein an der Welle anliegendes Drehmoment schließen kann.In other words, there are two counter-magnetized magnetic tracks in the circumferential direction of the shaft, and each track has a corresponding magnetic field sensor. Depending on the torque applied to the shaft, the field strength of the magnetic field emanating from a respective magnetic track changes, so that the corresponding magnetic field sensor detects this change and, according to an optional development of the invention, can infer a torque applied to the shaft.

Aufgrund der gegenläufigen Magnetisierung der beiden Magnetspuren (axialen Abschnitte) wird bei einem bestimmten an der Welle anliegenden Drehmoment die eine Magnetspur in ihrer Feldstärke vergrößert, wohingegen die andere Magnetspur in ihrer Feldstärke um denselben Betrag verringert wird.Due to the opposing magnetization of the two magnetic tracks (axial sections), at a certain torque applied to the shaft, the field strength of one magnetic track is increased, whereas the field strength of the other magnetic track is reduced by the same amount.

Die Erfindung schlägt nun vor, auf einen Fehlerfall zu schließen, wenn eine Recheneinheit detektiert, dass dieser Zusammenhang nicht mehr vorliegt. Führt also ein an der Welle anliegendes Drehmoment nicht mehr dazu, dass betragsmäßig gleiche Veränderungen in den jeweiligen Feldstärken der Magnetspuren auftreten, diese also symmetrisch zueinander sind, kann auf einen fehlerhaften Zustand des Drehmomentsensors geschlossen werden.The invention proposes inferring a fault when a computing unit detects that this relationship no longer exists. If a torque applied to the shaft no longer results in equal changes in the respective field strengths of the magnetic tracks, i.e., if these changes are symmetrical to each other, it can be concluded that the torque sensor is faulty.

Ursächlich für das Verändern der in die Magnetspur eingeprägten Magnetisierung können bspw. starke äußere Magnetfelder (bspw. hervorgerufen durch einen von außen herbeigeführten zielgerichteten EMV-Impuls) oder aber auch das Durchfließen eines starken Stroms durch die Welle des Drehmomentsensors sein (bspw. aufgrund eines Blitzeinschlags).The causes for the change in the magnetization imprinted in the magnetic track can be, for example, strong external magnetic fields (e.g. caused by a targeted EMC pulse from outside) or the flow of a strong current through the shaft of the torque sensor (e.g. due to a lightning strike).

Schließlich wird dann, wenn ein durch die Welle verkörperter gerader Leiter von einem elektrischen Strom durchflossen wird, um ihn herum ein kreisförmiges Magnetfeld erzeugt, dass bspw. im Falle eines Blitzeinschlags so stark ausgeprägt sein kann, dass es die eingeprägten Magnetisierungen in den jeweiligen Magnetspuren abschwächt oder verstärkt.Finally, when an electric current flows through a straight conductor represented by the wave, a circular magnetic field is generated around it, which, for example, in the case of a lightning strike, can be so strong that it weakens or strengthens the imprinted magnetizations in the respective magnetic tracks.

Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass eine Asymmetrie der jeweiligen zueinander gegenläufigen Magnetfelder durch Addition der Feldstärken der jeweiligen Magnetfelder erkannt wird, die zu einem Ergebnis führt, das betragsmäßig größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, wobei vorzugsweise auf eine Asymmetrie geschlossen wird, wenn das Ergebnis mehr als 5%, insbesondere mehr als 3%, mehr als 2% oder mehr als 1% der maximal erfassbaren Feldstärke des ersten und/oder zweiten Magnetfeldsensors ist und bevorzugterweise ungleich null ist.According to the invention, it can further be provided that an asymmetry of the respective opposing magnetic fields is detected by adding the field strengths of the respective magnetic fields, which leads to a result that is greater in magnitude than a predetermined threshold value, wherein an asymmetry is preferably concluded if the result is more than 5%, in particular more than 3%, more than 2% or more than 1% of the maximum detectable field strength of the first and/or second magnetic field sensor and is preferably not equal to zero.

Nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der erste axiale Abschnitt von dem zweiten axialen Abschnitt in Axialrichtung nicht weiter entfernt ist, als die in Axialrichtung verlaufende Ausdehnung des ersten oder des zweiten axialen Abschnitts, vorzugsweise wobei der erste axiale Abschnitt direkt an den zweiten axialen Abschnitt angrenzt.According to an optional development of the present invention, it can further be provided that the first axial section is not further away from the second axial section in the axial direction than the axial extension of the first or the second axial section, preferably wherein the first axial section directly adjoins the second axial section.

Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die ursprünglich eingeprägte Stärke der Magnetisierung des ersten axialen Abschnitts in ihrem Betrag gleich der ursprünglich eingeprägten Stärke der Magnetisierung des zweiten axialen Abschnitts ist und/oder die Magnetisierung des ersten axialen Abschnitts und des zweiten axialen Abschnitts eine permanente Magnetisierung ist.According to a further advantageous modification of the present invention, it can be provided that the originally impressed strength of the magnetization of the first axial section is equal in magnitude to the originally impressed strength of the magnetization of the second axial section and/or the magnetization of the first axial section and the second axial section is a permanent magnetization.

Ist die Magnetisierung in dem ersten axialen Abschnitt in ihrem Betrag gleich der Magnetisierung des zweiten axialen Abschnitts, so vereinfacht sich die Bestimmung der Asymmetrie. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Magnetisierung des ersten axialen Abschnitts und des zweiten axialen Abschnitts permanent ausgebildet ist.If the magnetization in the first axial section is equal in magnitude to the magnetization in the second axial section, the determination of the asymmetry is simplified. Furthermore, it is advantageous if the magnetization of the first axial section and the second axial section is permanent.

Ferner kann nach der Erfindung vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Recheneinheit bei einem Fehlerfall ferner dazu ausgelegt ist, die Richtung eines durch die Welle geflossenen Stroms, der für die detektierte Asymmetrie ursächlich ist, zu bestimmen und ein entsprechendes die Richtung angebendes Signal auszugeben.Furthermore, according to the invention, it can advantageously be provided that, in the event of a fault, the computing unit is further designed to determine the direction of a current flowing through the shaft which is the cause of the detected asymmetry and to output a corresponding signal indicating the direction.

So kann bei einer auftretenden Asymmetrie in den detektierten Feldstärken der beiden Magnetfeldsensoren ein durch die Welle fließender Strom als ursächlich angesehen werden, der bei Verwendung des Drehmomentsensors in der zivilen Luftfahrt in der Regel oder immer durch einen Blitzeinschlag verursacht worden ist. Der durch den Blitzeinschlag verursachte Stromfluss hat eine solche Stärke, dass das Fließen durch einen geraden Leiter ein kreisförmiges Magnetfeld erzeugt, das zu einer Veränderung des magnetisierten ersten axialen Abschnitts oder des magnetisierten zweiten axialen Abschnitts der Welle führt. Fließt der Strom dabei von einer ersten Richtung führt dies zu einem Verstärken eines Magnetfelds des ersten axialen Abschnitts und zu einem Abschwächen des Magnetfelds des zweiten axialen Abschnitts. Fließt der Strom hingegen in der anderen Richtung durch die Welle, wird hingegen der erste axiale Abschnitt abgeschwächt und der zweite axiale Abschnitt verstärkt. Dieser Zusammenhang kann genutzt werden, um die Fließrichtung des die Magnetisierung der axialen Abschnitte verändernden Stroms in Erfahrung zu bringen, sodass im Falle eines Blitzeinschlags bei einem bspw. in einem Flugzeugflügel angeordneten Drehmomentsensor die Fließrichtung des Blitzes hin zur Flügelspitze oder von der Flügelspitze weg hin zum Flugzeugrumpf festgestellt werden kann. Auf Grundlage der ermittelten Fließrichtung können dann weitere als notwendig erachtete Aktionen durchgeführt werden. So ist bspw. die Ableitung des Blitzes über die Flügelspitze nach außen weit weniger kritisch als ein Richtung Rumpf geleiteter durch einen Blitzeinschlag hervorgerufener Stromfluss, da dort wesentlich mehr kritische Komponenten eines Flugzeugs angeordnet sind, die durch einen Blitzeinschlag Schaden nehmen können. Detektiert man also einen sich in Richtung Rumpf ausbreitenden Blitzeinschlag, so ist zunächst die Funktionalität der im Rumpf befindlichen kritischen Komponenten zu überprüfen.For example, if an asymmetry occurs in the detected field strengths of the two magnetic field sensors, a current flowing through the shaft can be considered to be the cause. When the torque sensor is used in civil aviation, this current is usually or always caused by a lightning strike. The current flow caused by the lightning strike is so strong that flowing through a straight conductor creates a circular magnetic field that leads to a change in the magnetized first axial section or the magnetized second axial section of the shaft. If the current flows from a first direction, this leads to an amplification of the magnetic field of the first axial section and a weakening of the magnetic field of the second axial section. If the current flows in the other direction through the shaft, the first axial section is weakened and the second axial section is strengthened. This relationship can be used to determine the direction of flow of the current that changes the magnetization of the axial sections. current so that in the event of a lightning strike, for example with a torque sensor located in an aircraft wing, the direction of lightning flow towards the wingtip or away from the wingtip towards the aircraft fuselage can be determined. Based on the determined flow direction, any further actions deemed necessary can then be carried out. For example, the discharge of lightning outwards via the wingtip is far less critical than a current flow directed towards the fuselage caused by a lightning strike, since there are many more critical components of an aircraft located there that can be damaged by a lightning strike. Therefore, if a lightning strike is detected spreading towards the fuselage, the functionality of the critical components located in the fuselage must first be checked.

Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit ferner dazu ausgelegt ist, das vom ersten Magnetfeldsensor detektierte Magnetfeld und/oder das vom zweiten Magnetfeldsensor detektierte Magnetfeld in ein auf die Welle einwirkendes Drehmoment umzurechnen.According to a further optional modification of the present invention, it can be provided that the computing unit is further designed to convert the magnetic field detected by the first magnetic field sensor and/or the magnetic field detected by the second magnetic field sensor into a torque acting on the shaft.

Auf Grundlage des direkten magnetoelastischen Effekts kann die Recheneinheit die durch eine Messung von mindestens einem der beiden Magnetfeldsensoren erhaltene Feldstärke in einen dazu korrespondierenden Wert eines Drehmoments umrechnen. Hierzu kann bspw. Rückgriff auf entsprechende Tabellen oder mathematische Zusammenhänge genommen werden, die eine Umwandlung von Feldstärke in Drehmoment ermöglichen.Based on the direct magnetoelastic effect, the computing unit can convert the field strength obtained from a measurement of at least one of the two magnetic field sensors into a corresponding torque value. For this purpose, appropriate tables or mathematical relationships can be used, for example, to convert field strength into torque.

Dabei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, die Umrechnung in ein auf die Welle einwirkendes Drehmoment durch eine Differenzbildung der beiden detektierten Magnetfelder durchzuführen.It can advantageously be provided that the computing unit is designed to carry out the conversion into a torque acting on the shaft by forming the difference between the two detected magnetic fields.

Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, eine erste Umrechnungstabelle zum Schließen auf ein an der Welle anliegendes Drehmoment zu verwenden, wenn der Betrag der erfassten Feldstärkewerte einen ersten Schwellenwert nicht überschreitet und eine zweite Umrechnungstabelle zum Schließen auf ein an der Welle anliegendes Drehmoment zu verwenden, wenn der Betrag der erfassten Feldstärkewerte den ersten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, wobei die Auflösung der zweiten Umrechnungstabelle gegenüber derjenigen der ersten Umrechnungstabelle reduziert ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Umrechnungstabelle zum Wandeln eines erfassten Feldstärkewerts in einen korrespondierenden Spannungswert dient.Furthermore, it can be provided that the computing unit is designed to use a first conversion table to infer a torque applied to the shaft if the magnitude of the detected field strength values does not exceed a first threshold value, and to use a second conversion table to infer a torque applied to the shaft if the magnitude of the detected field strength values reaches or exceeds the first threshold value, wherein the resolution of the second conversion table is reduced compared to that of the first conversion table. Furthermore, it can be provided that the conversion table serves to convert a detected field strength value into a corresponding voltage value.

Dadurch ist es möglich, dass auch bei einem eigentlichen Überschreiten eines normalen Bereichs zum Erfassen der Feldstärke mit nominaler Auflösung der Sensor keinen Fehlerfall ausgibt, sondern auf eine weitere Umrechnungstabelle zurückgreift, die zwar eine verringerte Auflösung besitzt, jedoch einen größeren Erfassungsbereich bietet. Dies ermöglicht eine gewünschte hohe Auflösung in einem regulären Arbeitsbereich sowie eine dazu verringerte geringere Auflösung eines Drehmoments in einem gegenüber dem normalen Arbeitsbereich vergrößerten Randbereich (engl.: overrange).This makes it possible for the sensor to not indicate an error even if the normal range for detecting the field strength with nominal resolution is exceeded. Instead, it uses an additional conversion table that, while offering a reduced resolution, provides a larger detection range. This allows for the desired high resolution in a standard operating range, as well as a correspondingly lower resolution for a torque in an overrange area that is larger than the normal operating range.

Nach einer weiteren Fortbildung kann dabei vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, dann, wenn die detektierte Feldstärke einen zweiten Schwellenwert überschreitet, der größer als der erste Schwellenwert ist, einen Fehlerwert auszugeben, vorzugsweise wobei der Fehlerwert angibt, dass die detektierte Feldstärke innerhalb eines gesättigten Bereichs des Magnetfeldsensors liegt.According to a further development, it can be provided that the computing unit is designed to output an error value when the detected field strength exceeds a second threshold value which is greater than the first threshold value, preferably wherein the error value indicates that the detected field strength lies within a saturated range of the magnetic field sensor.

Zudem kann nach einer optionalen Fortbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu ausgelegt ist, dann, wenn die detektierte Feldstärke einen ersten Schwellenwert überschreitet, der Feldstärkewert oder die Feldstärkewerte zusammen mit weiteren Informationen, insbesondere der Zeit des Auftretens, in einen Fehlerspeicher zu schreiben.In addition, according to an optional development of the present invention, it can be provided that the computing unit is designed to write the field strength value or the field strength values together with further information, in particular the time of occurrence, into an error memory when the detected field strength exceeds a first threshold value.

Die Analyse der in dem Fehlerspeicher befindlichen Informationen kann vorteilhafterweise für ein Health-Monitoring oder Condition-Monitoring verwendet werden.The analysis of the information contained in the error memory can advantageously be used for health monitoring or condition monitoring.

Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Drehmomentsensor ferner eine Speichereinheit umfasst, auf der die erste Umrechnungstabelle und die zweite Umrechnungstabelle abgelegt sind und die einen Zugang zum Verändern der Tabellen aufweist, um unterschiedliche Messbereiche umzusetzen.According to a further development of the present invention, it can be provided that the torque sensor further comprises a memory unit on which the first conversion table and the second conversion table are stored and which has access for changing the tables in order to implement different measuring ranges.

Dadurch kann sichergestellt werden, dass bspw. eine höhererrangige Steuereinheit eine Umrechnungstabelle für den Drehmomentsensor anpassen kann.This ensures that, for example, a higher-level control unit can adapt a conversion table for the torque sensor.

Die vorliegende Erfindung umfasst zudem ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments mit einem Drehmomentsensor, insbesondere mit einem solchen nach einem der vorhergehend diskutierten Aspekte, umfassend die Schritte:

Erfassen einer Feldstärke eines magnetisierten ersten axialen Abschnitts der Welle,
Erfassen einer Feldstärke eines dazu gegenläufig magnetisierten zweiten axialen Abschnitts der Welle,
Überprüfen, ob die erfassten Feldstärken des ersten axialen Abschnitts und des zweiten axialen Abschnitts symmetrisch zueinander sind, indem deren beitragsmäßige Feldstärke verglichen wird, und
Ausgeben eines Fehlersignals, falls die miteinander verglichenen Feldstärken asymmetrisch zueinander sind. Asymmetrisch bedeutet hierbei, dass eine Differenz der Feldstärken zu erwarteten Werten einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.

The present invention also comprises a method for measuring a torque with a torque sensor, in particular with one according to one of the previously discussed aspects, comprising the steps:

Detecting a field strength of a magnetized first axial section of the shaft,
Detecting a field strength of a second axial section of the shaft magnetized in the opposite direction,
Check whether the recorded field strengths of the first axial section and the second axial section are symmetrical to each other by comparing their contribution field strength, and
Output an error signal if the compared field strengths are asymmetrical. Asymmetrical means that the difference between the field strengths and the expected values exceeds a specified threshold.

Nach einer Fortbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei einer festgestellten Asymmetrie in den Feldstärken der beiden axialen Abschnitte der Welle, die Richtung eines Stromflusses bestimmt wird, der für die erfasste Asymmetrie ursächlich gewesen sein muss und ein entsprechendes Signal ausgegeben wird, um in Abhängigkeit der Richtung des Stromflusses weitere Aktionen auszulösen.According to a further development of the method, it can be provided that if an asymmetry is detected in the field strengths of the two axial sections of the shaft, the direction of a current flow is determined which must have been the cause of the detected asymmetry and a corresponding signal is output in order to trigger further actions depending on the direction of the current flow.

In der Regel ist für einen so starken durch die Welle fließenden Strom ein Blitzeinschlag verantwortlich, dessen Fließrichtung bestimmbar ist. So kann dann, bspw. in Abhängigkeit davon, ob die Fließrichtung auf weitere zentrale Bestandteile eines Systems zugewandt ist oder von diesen wegführt, die Funktionalität dieser weiteren zentralen Bestandteile überprüft werden oder nicht.Typically, such a strong current flowing through the wave is caused by a lightning strike, whose direction of flow can be determined. Depending on whether the flow direction is toward or away from other central components of a system, the functionality of these other central components can be checked.

Die Erfindung umfasst ferner ein Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, das mit einem Drehmomentsensor nach einem der diskutierten Aspekte versehen ist, insbesondere wobei in einem jeden Flügel eines Flugzeugs ein Drehmomentsensor angeordnet ist, um einen Vergleich der Drehmomente in den verschiedenen Flügeln zu ermöglichen.The invention further comprises an aircraft, in particular an airplane, which is provided with a torque sensor according to one of the aspects discussed, in particular wherein a torque sensor is arranged in each wing of an aircraft to enable a comparison of the torques in the different wings.

Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Welle des Drehmomentsensors zum Stellen einer Luftleitfläche dient und vorzugsweise in einem Flügel eines Flugzeugs angeordnet ist.Preferably, it can be provided that the shaft of the torque sensor serves to position an air guide surface and is preferably arranged in a wing of an aircraft.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors,
2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors, bei dem die axialen Abschnitte aufgrund eines Stromimpulses unterschiedlich stark magnetisiert sind,
3A: ein Diagramm zur Visualisierung der Feldstärke an einem ersten axialen Abschnitt bei einem anliegenden sich verändernden Drehmoment an der Welle vor und nach einem Stromdurchfluss durch die Welle,
3B: ein Diagramm zur Visualisierung der Feldstärke an einem zweiten axialen Abschnitt bei einem anliegenden sich verändernden Drehmoment an der Welle vor und nach einem Stromdurchfluss durch die Welle,
4: ein Diagramm zum Darstellen des regulären Arbeitsbereichs, eines erweiterten Arbeitsbereichs und eines darüber hinausgehenden Sättigungsbereichs für eine detektierbare Feldstärke eines Magnetfeldsensors,
5: ein schematisches Diagramm zur Funktionsweise des Drehmomentsensors,
6: ein Ablaufdiagramm zum Erläutern der Funktionsweise des Drehmomentsensors,
7: ein Ablaufdiagramm zum Erläutern der Funktionsweise des Drehmomentsensors, der die Möglichkeit einer Bereichsumschaltung der detektierbaren Feldstärke eines Magnetfeldsensors umfasst.

Further features, details, and advantages of the invention will become apparent from the following description of the figures. These show:

1 : a schematic representation of a torque sensor according to the invention,
2 : a schematic representation of a torque sensor according to the invention, in which the axial sections are magnetized to different degrees due to a current pulse,
3A : a diagram for visualising the field strength at a first axial section with a changing torque applied to the shaft before and after a current flow through the shaft,
3B : a diagram to visualise the field strength at a second axial section with a changing torque applied to the shaft before and after a current flow through the shaft,
4 : a diagram showing the regular working range, an extended working range and a saturation range beyond that for a detectable field strength of a magnetic field sensor,
5 : a schematic diagram of the torque sensor's operation,
6 : a flow chart to explain the operation of the torque sensor,
7 : a flow chart to explain the operation of the torque sensor, which includes the possibility of switching the range of the detectable field strength of a magnetic field sensor.

1 zeigt den Grundaufbau des Drehmomentsensors 1, der eine Welle 2 und auf der Welle 2 befindliche magnetisch codierte Bereiche 3, 4 aufweist. Diese sich in Umfangsrichtung der Welle 2 ausbreitenden axialen Abschnitte 3, 4 werden oftmals auch Magnetspuren genannt. In die axialen Abschnitte 3, 4 ist ein Magnetfeld eingeprägt, wobei die Orientierung der Magnetfelder in den axialen Abschnitten 3, 4 zueinander gegenläufig ist. Die gegenläufige Orientierung der eingeprägten Magnetfelder in den axialen Abschnitten 3, 4 ist durch die gegenläufige Orientierung der in den axialen Abschnitten 3, 4 eingezeichneten Pfeile dargestellt. 1 shows the basic structure of the torque sensor 1, which has a shaft 2 and magnetically coded areas 3, 4 located on the shaft 2. These axial sections 3, 4, which extend in the circumferential direction of the shaft 2, are often also called magnetic tracks. A magnetic field is impressed into the axial sections 3, 4, with the orientation of the magnetic fields in the axial sections 3, 4 being opposite to one another. The opposite orientation of the impressed magnetic fields in the axial sections 3, 4 is represented by the opposite orientation of the arrows drawn in the axial sections 3, 4.

Darüber hinaus gibt es für jeden der mindestens zwei axialen Abschnitte 3, 4 einen zugehörigen Magnetfeldsensor 5, 6, der dazu ausgebildet ist, das von dem axialen Abschnitt 3, 4 herrührende Magnetfeld in seiner Feldstärke zu detektieren. Wie einleitend bereits erwähnt, führt ein auf die Welle 2 einwirkendes Drehmoment dazu, dass die magnetisierten axialen Abschnitt 3, 4 in ihrer Feldstärke beeinflusst werden. Ursächlich hierfür ist der direkte magnetoelastische Effekt, der bewirkt, dass dann, wenn die magnetisierten axialen Abschnitte 3, 4 der Welle einem Drehmoment ausgesetzt werden, das magnetisierte Material der Welle mechanische Spannungen erfährt, die zu einer Veränderung der Magnetisierung der axialen Abschnitte 3, 4 führen. Die durch die jeweiligen Sensoren gemessene Veränderung der Feldstärke der von den axialen Abschnitten 3, 4 ausgehenden Magnetfelder kann dann in ein an der Welle 2 anliegendes Drehmoment umgerechnet werden.In addition, for each of the at least two axial sections 3, 4 there is an associated magnetic field sensor 5, 6 which is designed to detect the field strength of the magnetic field emanating from the axial section 3, 4. As already mentioned in the introduction, a torque acting on the shaft 2 leads to the field strength of the magnetized axial sections 3, 4 being influenced. The reason for this is the direct magnetoelastic effect, which means that when the magnetized axial sections 3, 4 of the shaft are subjected to a torque, the magnetized material of the shaft experiences mechanical stresses which lead to a change in the magnetization of the axial sections 3, 4. The change in the field strength of the magnetic fields emanating from the axial sections 3, 4 measured by the respective sensors can then be converted into a the torque applied to shaft 2 must be converted.

Um eine besonders genaue Bestimmung des Drehmoments zu erhalten, wird typischerweise die Differenz der beiden erfassten Feldstärken der Feldstärkesensoren 5, 6 als Ausgangspunkt für die Bestimmung des Drehmoments verwendet. Hierbei ist es besonders hilfreich, wenn die Stärke der gegenläufig orientierten in die jeweiligen Magnetspuren eingeprägten Magnetisierungen gleich stark ist, so dass sich dann die nachfolgenden Verarbeitungsschritte besonders einfach realisieren lassen. Von der Erfindung ist aber auch umfasst, dass die Feldstärken der Magnetisierungen der unterschiedlichen Magnetspuren unterschiedlich stark eingeprägt worden sind, wobei dies dann die nachfolgenden Verfahrensschritte zum Berechnen der Asymmetrie von den erwarteten Werten zum Bestimmen des Drehmoments etwas komplexer macht. Für das Durchführen der Erfindung und des grundsätzlichen Messprinzips ist es lediglich erforderlich, dass die eingeprägte Feldstärke der Magnetspuren bekannt ist, wohingegen es nicht zwangsläufig erforderlich, jedoch vorteilhaft ist, dass die Feldstärken der unterschiedlichen Magnetspuren einen in etwa identischen Betrag aufweisen.In order to obtain a particularly precise determination of the torque, the difference between the two detected field strengths of the field strength sensors 5, 6 is typically used as the starting point for determining the torque. In this case, it is particularly helpful if the strength of the oppositely oriented magnetizations impressed into the respective magnetic tracks is equal, so that the subsequent processing steps can then be implemented particularly easily. However, the invention also encompasses the field strengths of the magnetizations of the different magnetic tracks being impressed with different strengths, whereby this then makes the subsequent method steps for calculating the asymmetry of the expected values for determining the torque somewhat more complex. To implement the invention and the basic measuring principle, it is only necessary that the impressed field strength of the magnetic tracks is known, whereas it is not absolutely necessary, but advantageous, for the field strengths of the different magnetic tracks to have an approximately identical amount.

2 zeigt den Drehmomentsensor 1, nachdem durch die Welle 2 ein Strom I mit einer hohen Stromstärke geflossen ist. Der durch die Welle 2 geflossene Strom I ist dabei durch einen Pfeil und eine durch den fließenden Strom hervorgerufene idealisierte dargestellte kreisförmige Magnetfeldlinie abgebildet. 2 shows the torque sensor 1 after a high current I has flowed through the shaft 2. The current I flowing through the shaft 2 is represented by an arrow and an idealized circular magnetic field line caused by the flowing current.

Man erkennt, dass das Fließen des Gleichstroms durch die Welle das idealisierte dargestellte zirkulare Magnetfeld induziert, dessen Richtung und Stärke abhängig von der Fließrichtung und der Stärke des durch die Welle 2 fließenden Stroms ist.It can be seen that the flow of the direct current through the shaft induces the idealized circular magnetic field shown, the direction and strength of which depends on the direction and strength of the current flowing through shaft 2.

Das bereits zuvor in die Welle 2 eingeprägte, typischerweise permanente Magnetfeld in den axialen Abschnitten 3, 4 wird von einem so induzierten Magnetfeld beeinflusst, sodass dieses abgeschwächt bzw. verstärkt wird. Welches der beiden Magnetfelder der axialen Abschnitte dabei verstärkt und welches abgeschwächt wird, hängt ebenfalls von der Strömungsrichtung des durch die Welle 2 fließenden Stroms I ab.The typically permanent magnetic field previously impressed on the shaft 2 in the axial sections 3, 4 is influenced by the induced magnetic field, so that it is weakened or amplified. Which of the two magnetic fields of the axial sections is amplified and which is weakened also depends on the direction of the current I flowing through the shaft 2.

Es gilt aber, dass dann, wenn die durch den Strom I induzierte Magnetfeldstärke hoch genug ist, sich eine permanente Veränderung der ursprünglichen Magnetisierung der axialen Abschnitte 3, 4 einstellt. Ein typischer Fall, in dem die Stromstärke des Stroms I ausreichend hoch ist, um eine Veränderung der Magnetisierung in den Magnetspuren zu bewirken, ist ein Blitzeinschlag und der dabei durch die Welle 2 fließenden Strom.However, if the magnetic field strength induced by the current I is high enough, a permanent change in the original magnetization of the axial sections 3, 4 occurs. A typical case in which the current I is sufficiently high to cause a change in the magnetization in the magnetic tracks is a lightning strike and the resulting current flowing through the shaft 2.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene zeitgleiche, separate Messung der beiden axialen Abschnitte 3, 4 ist eine Asymmetrie der Magnetisierungen detektierbar, sodass ein durch die Welle 2 geflossener Gleichstrom, typischerweise hervorgerufen aufgrund eines Blitzschlages, erfasst werden kann. Dies ermöglicht einen Integritäts-Check des Drehmomentsensors 1, indem die Symmetrie der Magnetisierungen der axialen Abschnitte 3, 4 (auch genannt: Magnetspuren) überprüft wird.The simultaneous, separate measurement of the two axial sections 3, 4 proposed by the invention allows an asymmetry of the magnetizations to be detected, allowing a direct current flowing through the shaft 2, typically caused by a lightning strike, to be recorded. This enables an integrity check of the torque sensor 1 by verifying the symmetry of the magnetizations of the axial sections 3, 4 (also called magnetic tracks).

3A zeigt dabei die Feldstärken des in den (in 2 linken) axialen Abschnitts 3 eingeprägten Magnetfelds für unterschiedliche Situationen. Zum einen, in einem Ursprungszustand A und zum anderen nach dem erstmaligen B, zweimaligen C und dreimaligen D Durchfließen eines typischerweise durch Blitzeinschlag hervorgerufenen Stroms in der in 2 dargestellten Richtung. 3A shows the field strengths of the (in 2 left) axial section 3 for different situations. Firstly, in an initial state A and secondly after the first B, two C and three D times flowing through a current typically caused by lightning strikes in the 2 direction shown.

3B zeigt die korrespondierenden Feldstärken des (in 2 rechten) axialen Abschnitts 4 der Welle 2. Die Orientierung des Magnetfelds im axialen Abschnitt 4 ist gegenläufig zu demjenigen Magnetfeld orientiert, welches durch das Durchfließen des durch Blitzeinschlag hervorgerufenen Stromimpulses I hervorgerufen wird. 3B shows the corresponding field strengths of the (in 2 right) axial section 4 of the shaft 2. The orientation of the magnetic field in the axial section 4 is opposite to the magnetic field which is caused by the flow of the current pulse I caused by the lightning strike.

Bei Betrachtung der 3A und 3B erkennt man unmittelbar, dass derjenige axiale Abschnitt 3, welcher gleichlaufend zu dem durch den Stromimpuls I eingeprägten Magnetfeld orientiert ist, nur eine sehr geringe Veränderung in seiner Feldstärke erfährt, vgl. 3A.When considering the 3A and 3B one immediately recognizes that the axial section 3 which is oriented parallel to the magnetic field impressed by the current pulse I experiences only a very slight change in its field strength, cf. 3A .

Anders verhält sich dies bei dem anderen axialen Abschnitt 4, welcher gegenläufig zu dem Magnetfeld des Stromimpulses I orientiert ist. Hier erkennt man, dass das Magnetfeld des Stromimpulses I zu einer signifikanten Abschwächung des eingeprägten Magnetfeldes des axialen Abschnitts 4 geführt hat.The situation is different for the other axial section 4, which is oriented opposite to the magnetic field of the current pulse I. Here, it can be seen that the magnetic field of the current pulse I has led to a significant attenuation of the impressed magnetic field of the axial section 4.

Die Diagramme zeigen beide die Veränderung einer Feldstärke aufgrund eines angelegten Drehmoments an der Welle 2. Für A gilt, dass der Stromimpuls, typischerweise in Form eines Blitzschlages, noch nicht aufgetreten ist und die beiden axialen Abschnitte 3, 4 mit ihren gleich stark eingeprägt Magnetisierungen in etwa identische Feldstärkenbeträge aufweisen. Aufgrund der gegenläufigen Orientierung der Magnetfelder ist das Vorzeichen der detektierten Feldstärken unterschiedlich, sodass bei einem in etwa gleichen Feldstärkenbetrag mit unterschiedlichem Vorzeichen von Symmetrie gesprochen wird.Both diagrams show the change in field strength due to an applied torque on shaft 2. For A, the current pulse, typically in the form of a lightning strike, has not yet occurred, and the two axial sections 3 and 4, with their equally strong magnetizations, exhibit approximately identical field strengths. Due to the opposing orientation of the magnetic fields, the signs of the detected field strengths are different, so that an approximately equal field strength with a different sign is referred to as symmetry.

Die aufgenommene Kennlinie B ist nach einem Durchleiten eines Stromimpulses I erstellt worden, der in etwa der Entladekurve eines Kondensators ähnelt und eine maximale Stromstärke von 4,4 kA aufweist. Man erkennt, dass das einen so starken Stromimpuls begleitende Magnetfeld beim Durchleiten der geradlinigen Welle 2 die eingeprägte Magnetisierung in dem axialen Abschnitt 4 verringert hat. So kommt es infolgedessen bei Anlegen eines Drehmoments bei dieser Magnetspur zu einem deutlich weniger stark ausgeprägten Detektieren von auf diese Magnetspur zurückzuführender Feldstärke.The recorded characteristic curve B was created after passing a current pulse I, which roughly resembles the discharge curve of a capacitor and has a maximum current of 4.4 kA. It can be seen that the magnetic field accompanying such a strong current pulse reduced the impressed magnetization in the axial section 4 when passing through the straight wave 2. Consequently, when a torque is applied to this magnetic track, the field strength attributable to this magnetic track is detected to a significantly lesser extent.

Wiederholt man das Durchleiten des Stromimpulses I ein weiteres Mal, so ergibt sich beim erneuten Bestimmen einer Feldstärke ein erneuter Abfall, wie aus C ersichtlich ist.If the current pulse I is repeated one more time, a new drop results when the field strength is determined again, as can be seen from C.

Leitet man den Stromimpuls I ein drittes Mal durch die Welle 2, so erkennt man in D ein weiteres Absinken der Feldstärke durch die rechte Magnetspur 4 bei einem Anlegen eines Drehmoments an die Welle 2.If the current pulse I is passed through shaft 2 a third time, a further decrease in the field strength through the right magnetic track 4 can be seen in D when a torque is applied to shaft 2.

Man erkennt, dass die Effekte des durch die Welle 2 geleiteten Stromimpulses I auf den axialen Abschnitt, dessen Magnetisierung der des Stromimpulses I entgegensteht, deutlich ausgeprägter sind, als bei dem axialen Abschnitt 3, dessen Magnetisierung gleichlaufend zu dem durchgeleiteten Stromimpuls I ist. In 3A ist zwar ein kontinuierliches Anwachsen der Feldstärke mit einem Anstieg der Durchleitungen der Stromimpulses I zu erkennen, dieses fällt jedoch deutlich geringer aus, als das Verringern der Feldstärke auf der anderen Magnetspur. Für die Fälle A, B, und C ist die Feldstärke fast identisch, lediglich bei D ist ein Unterschied ablesbar.It can be seen that the effects of the current pulse I conducted through the shaft 2 on the axial section, whose magnetization opposes that of the current pulse I, are significantly more pronounced than on the axial section 3, whose magnetization is concurrent with the current pulse I. In 3A Although a continuous increase in field strength can be seen with an increase in the conduction of current pulse I, this is significantly less pronounced than the decrease in field strength on the other magnetic track. For cases A, B, and C, the field strength is almost identical; only in D is a difference noticeable.

Es lässt sich also zusammenfassend festhalten, dass im Normalbetrieb mit ursprünglich gleich stark eingeprägten Magnetisierungen die Beträge des Feldstärke-Amplituden der unterschiedlichen Magnetspuren (innerhalb gewisser Toleranzen) gleich hoch sind. Aufgrund der gegenläufigen Signalrichtungen der Magnetspur sind diese jedoch einander entgegengesetzt.In summary, it can be stated that during normal operation with originally equally strong magnetizations, the field strength amplitudes of the different magnetic tracks are equal (within certain tolerances). However, due to the opposing signal directions of the magnetic track, these amplitudes are opposite to each other.

Eine erfindungsgemäß durch eine Recheneinheit vollzogene Verarbeitung bzw. ein durch die Recheneinheit vollzogener Vergleich der Beträge der Feldstärken der unterschiedlichen Magnetspuren miteinander, kann jedoch zur Fehlererkennung verwendet werden. Dabei wird untersucht, ob der Betrag der Feldstärken der unterschiedlichen Magnetspuren eine unerwartete Abweichung aufweist, die einen gewissen Schwellenwert (akzeptierte Toleranz) übersteigt. Ist dies nicht der Fall, wird auf einen fehlerhaften Drehmomentsensor geschlossen, wobei ursächlich hierfür ein Blitzeinschlag angesehen werden kann.However, processing performed according to the invention by a computing unit or a comparison of the field strengths of the different magnetic tracks with each other by the computing unit can be used for error detection. This involves examining whether the field strengths of the different magnetic tracks exhibit an unexpected deviation that exceeds a certain threshold (accepted tolerance). If this is not the case, it is concluded that the torque sensor is faulty, with a lightning strike possibly being the cause.

4 zeigt den regulären Arbeitsbereich eines Magnetfeldsensors 5, 6, dessen erweiterten Arbeitsbereich sowie einen darüber hinausgehenden Bereich, der durch den Magnetfeldsensor 5, 6 nicht verarbeitet werden kann, da die hier vorhandenen Feldstärken im Sättigungsbereich des Sensors liegen und demzufolge nicht mehr korrekt erfassbar sind. 4 shows the regular working range of a magnetic field sensor 5, 6, its extended working range and a range beyond that which cannot be processed by the magnetic field sensor 5, 6, since the field strengths present here are in the saturation range of the sensor and therefore can no longer be correctly detected.

Der reguläre Arbeitsbereich geht nach 4 von -2mT bis +2mT, sodass bei einem Auftreten einer Feldstärke in diesem Bereich die Umrechnung auf einen die Feldstärke angegebenen Spannungswert sowie der hierzu passenden Einwirkung des Drehmoments regulär erfolgen kann.The regular work area goes to 4 from -2mT to +2mT, so that if a field strength occurs in this range, the conversion to a voltage value specified for the field strength and the corresponding effect of the torque can be carried out regularly.

Übersteigt die Stärke des Magnetfelds in ihrem Betrag 2mT, bleibt aber betragsmäßig unterhalb von 3,6 mT, so ist dies der erweiterte Arbeitsbereich. Es wird in einem solchen Fall erkannt, dass das gemessene Magnetfeld in dem erweiterten Arbeitsbereich liegt, sodass es zu einer automatischen Messbereichsumschaltung kommt, die eine höhere Magnetfelderfassung mit reduzierter Auflösung ermöglicht. Die Möglichkeit der automatischen Messbereichsumschaltung erlaubt eine robuste Erkennung von hohen Magnetfeldern (jedoch mit reduzierter Auflösung für einen Spannungswert) und ermöglicht zudem die Erfassung und Abspeicherung dieser Werte für ein hinterlegtes Health- oder Condition-Monitoring. Vorteilhaft hieran ist, dass nicht bereits bei einem Auftreten einer zu messenden Feldstärke von größer 2mT ein Fehlerfall ausgegeben wird, sondern automatisch auf den Messbereich mit reduzierter Auflösung umgeschaltet wird, der aber einen größeren Messbereich abdeckt.If the strength of the magnetic field exceeds 2 mT in magnitude but remains below 3.6 mT in magnitude, this is the extended operating range. In such a case, the measured magnetic field is detected to be within the extended operating range, resulting in automatic measuring range switching, which enables higher magnetic field detection with reduced resolution. The option of automatic measuring range switching allows robust detection of strong magnetic fields (albeit with reduced resolution for a voltage value) and also enables the recording and saving of these values for stored health or condition monitoring. The advantage of this is that an error is not output as soon as a field strength of greater than 2 mT is detected; instead, the system automatically switches to the measuring range with reduced resolution, which covers a larger measuring range.

5 zeigt das für den Drehmomentsensor herangezogene Messverfahren. Dabei wird grundsätzlich die Differenz der Magnetfeldmessungen der jeweiligen Magnetspuren bestimmt und auf Grundlage davon dann ein Drehmoment abgeleitet. 5 shows the measurement method used for the torque sensor. The measurement method essentially involves determining the difference between the magnetic field measurements of the respective magnetic tracks, and then deriving a torque based on this difference.

Man erkennt, dass die Drehmomente-Sensorelektronik über die beiden Signale „Supply_1_+“ und „Supply_1_-“ mit einer Spannung versorgt ist. Dabei versorgt der als „Power 1“ bezeichnete Block die beiden Magnetfeldsensoren 5, 6 mit Energie.It can be seen that the torque sensor electronics are supplied with voltage via the two signals "Supply_1_+" and "Supply_1_-". The block labeled "Power 1" supplies the two magnetic field sensors 5 and 6 with energy.

Die Magnetfeldsensoren 5, 6 messen das Magnetfeld der beiden gegenläufigen Magnetspuren (axiale Abschnitte 3, 4) und wandeln dieses in ein magnetfeldabhängiges Spannungssignal um. Diese unabhängig voneinander gemessenen Signale der beiden gegenläufig magnetisierten Magnetspuren 3, 4 werden dann als Spannungssignal über die jeweiligen Leitungen („Tl_MF_P_-+“ und „Tl_-MF_-P_--“ für den axialen Abschnitt mit der P-Magnetisierung und „T1_MF_N_+“ und „Tl_-MF_-N_--“ für den axialen Abschnitt mit der N-Magnetisierung) ausgegeben, sodass das eine nachfolgende Differenzberechnung durchgeführt werden kann.The magnetic field sensors 5, 6 measure the magnetic field of the two counter-rotating magnetic tracks (axial sections 3, 4) and convert it into a magnetic field-dependent voltage signal. These independently measured signals from the two counter-magnetized magnetic tracks 3, 4 are then output as a voltage signal via the respective lines ("Tl_MF_P _- +" and "Tl _- MF _- P _- -" for the axial section with P magnetization and "Tl_MF_N_+" and "Tl _- MF _- N _- -" for the axial section with N magnetization). so that a subsequent difference calculation can be carried out.

6 zeigt dabei ein Ablaufdiagramm beim Messen eines Drehmoments mit dem erfindungsgemäßen Drehmomentsensor 1. 6 shows a flow chart when measuring a torque with the torque sensor 1 according to the invention.

Nach dem Beginn der Messroutine wird in Schritt S1 der Sensor aktiviert und initialisiert. Danach werden von einem Speicher im Schritt S2 Kalibrierungsdaten gelesen, bevor im Schritt S3 der Messbereich für die Magnetfeldsensoren auf den normalen Arbeitsbereich über die Leitung MRange_1 (vgl. 5) eingestellt wird. Im Schritt S4 werden dann die jeweiligen Stärken der Magnetfelder durch die Magnetfeldsensoren 5, 6 gemessen, sodass die dazu korrespondierenden Spannungswerte B_P1 und B_N1 vorliegen. Im darauffolgenden Schritt S5 wird mithilfe einer Differenzbildung der einzelnen Magnetfelder B_P1 und B_N1 das Magnetfeld B1 bestimmt. Danach wird im Schritt S6 der in der Differenzbildung erhaltene Spannungswert in einen entsprechenden Drehmomentwert umgewandelt, wobei als Umrechnungstabelle eine solche Tabelle herangezogen wird, die mit dem normalen Arbeitsbereich der Magnetfeldsensoren 5, 6 korrespondiert. Im Anschluss daran ist das Messverfahren abgeschlossen.After the measurement routine begins, the sensor is activated and initialized in step S1. Calibration data is then read from a memory in step S2, before the measurement range for the magnetic field sensors is set to the normal operating range via the MRange_1 line (see step S3). 5 ). In step S4, the respective strengths of the magnetic fields are then measured by the magnetic field sensors 5, 6, so that the corresponding voltage values B _P1 and B _N1 are available. In the following step S5, the magnetic field B1 is determined by calculating the difference between the individual magnetic fields B _P1 and B _N1 . Then, in step S6, the voltage value obtained from the difference is converted into a corresponding torque value, with a table corresponding to the normal operating range of the magnetic field sensors 5, 6 being used as the conversion table. The measuring process is then completed.

7 zeigt ein etwas komplexeres Ablaufdiagramm, bei dem auch der Fall abgedeckt ist, wonach unterschiedliche Messbereich zum Erfassen eines außerhalb des normalen Messbereichs liegenden Magnetfelds der Magnetfeldsensoren mit geringerer Auflösung erfasst werden kann. Nach dem Beginn wird im Schritt S1 der der Drehmomentsensor 1 mit Energie versorgt und initialisiert. Dabei werden von S2 Kalibrierungsdaten von einem (nicht flüchtigen) Speicher für den normalen Arbeitsbereich der Magnetfeldsensoren eingelesen. 7 shows a somewhat more complex flowchart, which also covers the case where different measuring ranges can be used to detect a magnetic field outside the normal measuring range of the magnetic field sensors with lower resolution. After the start, in step S1, torque sensor 1 is supplied with power and initialized. During this process, calibration data for the normal operating range of the magnetic field sensors is read from a (non-volatile) memory by S2.

Im darauffolgenden Schritt S3 wird überprüft, ob der Drehmomentsensor voll funktionsfähig ist oder nicht. Dies wird durch einen Integritäts-Check durchgeführt, bei dem unter anderem bei Anlegen eines Drehmoments auf die Symmetrie der durch die beiden Magnetfeldsensoren bestimmten Beträge der Magnetfelder abgestellt wird.In the subsequent step S3, it is checked whether the torque sensor is fully functional or not. This is performed by an integrity check, which, among other things, checks the symmetry of the magnetic field magnitudes determined by the two magnetic field sensors when a torque is applied.

Wird hier geurteilt, dass die Integrität des Drehmomentsensors nicht gewährleistet werden kann, wird zu Schritt S16 gegangen, der einen Fehlerzustand des Drehmomentsensors angibt.If it is judged here that the integrity of the torque sensor cannot be guaranteed, it goes to step S16, which indicates a fault condition of the torque sensor.

Wenn im Schritt S3 jedoch geurteilt wird, dass die Integrität des Drehmomentsensors vorliegt, wird zu Schritt S4 fortgerückt. Danach wird der Messbereich des Drehmomentsensors für den normalen Arbeitsbereich an die Drehmomentsensor-Elektronik über die Leitung „MRange_1“ gegeben. Im anschließenden Verfahrens Schritt S5 werden durch die beiden verschiedenen Magnetfeldsensoren 5, 6 die jeweiligen Feldstärken der zugehörigen Magnetspuren bestimmt und in einen entsprechenden Spannungswert B_P1 und B_N1 umgewandelt. Im nachfolgenden Schritt S6 wird die Differenz B1 aus den beiden von den jeweiligen Magnetspuren herrührenden Feldstärken bestimmt. Im Schritt S7 erfolgt dann das Mapping von Spannungswert auf Drehmoment, wobei hierzu eine Tabelle oder ein mathematischer Zusammenhang herangezogen werden kann, der mit dem regulären Arbeitsbereich der Magnetfeldsensoren verknüpft ist.However, if step S3 determines that the torque sensor is intact, the process proceeds to step S4. The torque sensor's measuring range for the normal operating range is then sent to the torque sensor electronics via the "MRange_1" line. In the subsequent process step S5, the two different magnetic field sensors 5, 6 determine the respective field strengths of the associated magnetic tracks and convert them into a corresponding voltage value B _P1 and B _N1 . In the following step S6, the difference B1 between the two field strengths originating from the respective magnetic tracks is determined. In step S7, the voltage value is then mapped to the torque. This can be done using a table or a mathematical relationship that is linked to the regular operating range of the magnetic field sensors.

Sodann wird in S8 geprüft, ob die durch die jeweiligen Magnetfeldsensoren bestimmten Feldstärkewerte im normalen Arbeitsbereich liegen oder außerhalb dieses Bereichs angeordnet sind. Liegen diese im normalen Arbeitsbereich so schreitet das Verfahren fort zu Schritt S9, in dem bestimmt wird, dass der vormals bestimmte Drehmomentwert mit der Nominalauflösung valide ist, da die detektierten Feldstärkenwerte der Magnetfeldsensoren im normalen Arbeitsbereich liegen. Im Schritt S10 werden diese gemessenen Werte in eine Speichereinheit geschrieben, wobei dieser Schritt optional ist, es jedoch vereinfacht, eine Historie an gemessenen Werten nachzuvollziehen.Then, in step S8, a check is made to determine whether the field strength values determined by the respective magnetic field sensors are within the normal operating range or outside this range. If they are within the normal operating range, the method proceeds to step S9, where it is determined that the previously determined torque value with the nominal resolution is valid because the field strength values detected by the magnetic field sensors are within the normal operating range. In step S10, these measured values are written to a memory unit. This step is optional but simplifies the reconstructing of a history of measured values.

Wird im Schritt S8 jedoch erkannt, dass die durch die einzelnen Magnetfeldsensoren gemessenen Feldstärkewerte außerhalb des normalen Arbeitsbereichs liegen, wird im Schritt S11 der Messwertebereich mit der verringerten Auflösung über die Leitung „MRange_1“ eingestellt, wobei hierzu von S12 die entsprechenden Kalibrierungsdaten für die Magnetfeldsensoren von einem (nicht flüchtigen) Speicher für diesen Messbereich bezogen werden.However, if it is detected in step S8 that the field strength values measured by the individual magnetic field sensors are outside the normal working range, the measured value range with the reduced resolution is set via the line “MRange_1” in step S11, whereby the corresponding calibration data for the magnetic field sensors are obtained from a (non-volatile) memory for this measuring range by S12.

Im Schritt S13 wird dann geprüft, ob die durch die Magnetfeldsensoren gemessenen Feldstärkewerte noch im erweiterten Messbereich liegen, oder sich außerhalb diesem befinden. Befinden Sie sich ebenfalls außerhalb des erweiterten Messwertebereichs und des regulären Messbereichs der Magnetfeldsensoren, wird zu Schritt S16 gegangen, der einen Fehlerzustand des Drehmomentsensors angibt.In step S13, a check is then made to determine whether the field strength values measured by the magnetic field sensors are still within the extended measuring range or outside it. If they are also outside the extended measuring range and the regular measuring range of the magnetic field sensors, the system proceeds to step S16, which indicates a fault condition of the torque sensor.

Ist dies nicht der Fall, liegen also die Messwerte der Magnetfeldsensoren in dem erweiterten Messbereich, jedoch außerhalb des normalen Messbereichs, wird im Schritt S14 die Umrechnung in einen Spannungswert und einen darauf basierenden Drehmomentwert auf Grundlage einer Umrechnungstabelle oder eines mathematischen Zusammenhangs durchgeführt, welche an den erweiterten Messbereich gekoppelt sind. Im Schritt S5 wird dann festgelegt, dass die Drehmomentwerte für den erweiterten Messbereich mit verringerter Auflösung valide sind und, falls dies gewünscht ist, im Schritt S 10 in einem Speicherbaustein abgelegt. Dabei kann zusätzlich die Information abgespeichert werden, dass es sich hierbei um einen Wert handelt, der im erweiterten Messbereich der Magnetfeldsensoren liegt, sodass im Nachhinein analysiert werden kann, dass es sich hierbei um einen Wert mit geringerer Auflösung in Bezug auf die Feldstärkeerfassung des Magnetfeldsensors handelt.If this is not the case, i.e., if the measured values of the magnetic field sensors are within the extended measuring range but outside the normal measuring range, the conversion into a voltage value and a torque value based on this value is carried out in step S14 based on a conversion table or a mathematical relationship that is linked to the extended measuring range. In step S5, it is then determined that the torque values for the extended measuring range with reduced resolution are valid. and, if desired, stored in a memory chip in step S 10. In this case, the information that this is a value that lies within the extended measuring range of the magnetic field sensors can also be stored, so that it can be subsequently analyzed that this is a value with lower resolution with respect to the field strength detection of the magnetic field sensor.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11: DrehmomentsensorTorque sensor
22: WelleWave
33: erster axiale Abschnittfirst axial section
44: zweiter axiale Abschnittsecond axial section
55: erster Magnetfeldsensorfirst magnetic field sensor
66: zweiter Magnetfeldsensorsecond magnetic field sensor
77: RecheneinheitComputing unit
88: Drehmoment-SensorelektronikTorque sensor electronics
99: Speichereinheitstorage unit

Claims

Torque sensor (1), in particular a magnetoelastic torque sensor, comprising: a shaft (2) for transmitting a torque, a first axial section (3) of the shaft (2) which is magnetized in a first circumferential direction, a second axial section (4) of the shaft (2) which is magnetized in a second circumferential direction which is opposite to the first circumferential direction, a first magnetic field sensor (5) which is designed to detect a magnetic field emanating from the first axial section (3) which, due to a direct magnetoelastic effect, depends on a torque applied to the shaft (2), and a second magnetic field sensor (6) which is designed to detect a magnetic field emanating from the second axial section (4) which, due to the direct magnetoelastic effect, depends on the torque applied to the shaft (2), characterized by a computing unit (7) which is designed to conclude that an error has occurred if the respective values detected by the first magnetic field sensor (5) and the second magnetic field sensor (6) Magnetic fields are asymmetric to each other.

Torque sensor (1) according to the previous Claim 1 , wherein an asymmetry of the respective opposing magnetic fields is detected by adding the field strengths of the respective magnetic fields, which leads to a result which is greater in magnitude than a predetermined threshold value, wherein an asymmetry is preferably concluded if the result is more than 5%, in particular more than 3% of the maximum detectable field strength of the first and/or second magnetic field sensor (5, 6) and is preferably not equal to zero.

Torque sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the first axial section (3) is not further away from the second axial section (4) in the axial direction than the axial extension of the first or the second axial section (4), preferably wherein the first axial section (3) directly adjoins the second axial section (4).

Torque sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the originally impressed strength of the magnetization of the first axial section (3) is equal in magnitude to the originally impressed strength of the magnetization of the second axial section (4) and/or the magnetization of the first axial section (3) and the second axial section (4) is a permanent magnetization.

Torque sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein, in the event of a fault, the computing unit (7) is further designed to determine the direction of a current flowing through the shaft (2) which is the cause of the detected asymmetry and to output a corresponding signal indicating the direction.

Torque sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the computing unit (7) is further designed to convert the magnetic field detected by the first magnetic field sensor (5) and/or the magnetic field detected by the second magnetic field sensor (6) into a torque acting on the shaft (2).

Torque sensor (1) according to the previous Claim 6 , wherein the computing unit (7) is designed to carry out the conversion into a torque acting on the shaft (2) by forming the difference between the two detected magnetic fields.

Torque sensor (1) according to the previous Claim 7 , wherein the computing unit (7) is designed to use a first conversion table to infer a torque applied to the shaft (2) if the amount of the detected field strength values does not exceed the first threshold value and to use a second conversion table to infer a torque applied to the shaft (2) if the amount of the detected field strength values exceeds the first threshold is reached or exceeded, whereby the resolution of the second conversion table is reduced compared to that of the first conversion table.

Torque sensor (1) according to the previous Claim 8 , wherein the computing unit (7) is designed to output an error value when the detected field strength exceeds a second threshold value which is greater than the first threshold value, preferably wherein the error value indicates that the detected field strength lies within a saturated range of the magnetic field sensor (5, 6).

Torque sensor (1) according to one of the preceding Claims 8 or 9 , wherein the computing unit (7) is designed to write the field strength value or values together with further information, in particular the time of occurrence, into an error memory when the detected field strength exceeds a first threshold value.

Torque sensor (1) according to one of the preceding Claims 8 until 10 , further comprising a storage unit on which the first conversion table and the second conversion table are stored and which has access for changing the tables in order to implement different measuring ranges.

A method for measuring torque with a torque sensor (1), preferably with a torque sensor according to one of the preceding claims, comprising the steps of: detecting a field strength of a magnetized first axial section (3) of a shaft (2), detecting a field strength of a second axial section (4) of the shaft (2) magnetized in the opposite direction, checking whether the detected field strengths of the first axial section (3) and the second axial section (4) are symmetrical to one another, and outputting an error signal if the compared field strengths are asymmetrical to one another.

Procedure according to Claim 12 , wherein, if an asymmetry is detected in the field strengths of the two axial sections (3, 4) of the shaft (2), the direction of a current flow is determined which must have been the cause of the detected asymmetry and a corresponding signal is output in order to trigger further actions depending on the direction of the current flow.

Aircraft, in particular airplane, which is equipped with a torque sensor (1) according to one of the preceding Claims 1 - 11 is provided, in particular wherein a torque sensor (1) is arranged in each wing of an aircraft in order to enable a comparison of the torques in the various wings.

Aircraft to Claim 14 , wherein the shaft (2) of the torque sensor (1) serves to position an air guide surface and is preferably arranged in a wing of an aircraft.