DE29706260U1 - Device for measuring the speed of a body rotating about an axis of rotation - Google Patents
Device for measuring the speed of a body rotating about an axis of rotationInfo
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Description
Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse rotierenden Körpers.The innovation relates to a device for measuring the rotational speed of a body rotating about an axis of rotation.
Zur Drehzahlerfassung von rotierenden Körpern, z.B. Wellen, Zahnrädern, Spindeln und dgl., sind induktiv arbeitende Sensoren bekannt, die nach dem Prinzip des Tachogenerators arbeiten. Der Vorteil dieser induktiven Sensoren liegt in ihrer Robustheit und der Möglichkeit einer einfachen Auswerung der Signalspannung. Diese Vorteile sind insbesondere für die Drehzahlerfassung von rotierenden Körpern in Kraftfahrzeugen von Bedeutung.Inductive sensors that work according to the principle of a tachogenerator are known for measuring the speed of rotating bodies, e.g. shafts, gears, spindles and the like. The advantage of these inductive sensors is their robustness and the possibility of simple evaluation of the signal voltage. These advantages are particularly important for measuring the speed of rotating bodies in motor vehicles.
Die bekannten induktiven Sensoren haben jedoch den Nachteil, daß aufgrund des Induktionsgesetzes bei langsamen Bewegungen, d. h. niedrigen Drehzahlen, des rotierenden Körpers, die Signalspannung sehr klein wird und mechanische Vibrationen sehr große Störsignale bewirken können. Auch kann es wegen des integrierten Magneten zu Verschmutzungen am Sensorkopf und damit zu Verfälschungen des Sensorsignals kommen.However, the known inductive sensors have the disadvantage that, due to the law of induction, the signal voltage becomes very small during slow movements, i.e. low speeds, of the rotating body and mechanical vibrations can cause very large interference signals. The integrated magnet can also lead to dirt on the sensor head and thus to falsification of the sensor signal.
Den letztgenannten Nachteil haben auch Drehzahlsensoren, die auf Hall-Effekt-Basis arbeiten. Hinzu kommt bei diesen Drehzahlsensoren,
daß der Dauer-Temperaturbereich auf die relativ niedrigen
Temperaturen unter 150° C beschränkt ist.The latter disadvantage is also found in speed sensors that operate on a Hall effect basis. In addition, the continuous temperature range of these speed sensors is limited to the relatively low
Temperatures below 150° C are limited.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Zweck zu schaffen, die sich durch einen robusten und verschmutzungsunempfindlichen Aufbau auszeichnet, relativ hohe Dauer-Temperaturen von weit über 200° C auszuhalten vermag und im Stande ist, die elektrischen Signale frei von Störgrößen wie Temperatur oder EMV zu liefern.The innovation is based on the task of creating a device for the purpose stated in the preamble of patent claim 1, which is characterized by a robust and contamination-resistant structure, can withstand relatively high continuous temperatures of well over 200° C and is able to deliver the electrical signals free from interference such as temperature or EMC.
Die vorgenannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 gelöst.The above-mentioned problem is solved by the features of claim 1.
Bei der neuerungsgemäßen Vorrichtung ist die Amplitude des Ausgangssignals im zulässigen Bereich unabhängig von der Drehzahl, der Temperatur und von der Größe des Luftspalts zwischen dem Flugkreis und dem diesem benachbarten Sensor. Die Einzelkomponenten, aus denen der Sensor besteht, können aus Materialien hergestellt werden, die für Temperaturen weit über 200° C geeignet sind und infolge dessen beispielsweise in der Nähe des im Betrieb sehr heiß werdenden Motors eines Kraftfahrzeugs angeordnet werden können. Durch die Auswertung der Phasendifferenz zweier Meßspulen werden Störgrößen wie Temperatur oder EMV schon im Sensor eleminiert. Dadurch kann die Auswerteschaltung, die vorzugsweise in einem kühleren Bereich im Motor oder dgl. plaziert wird und mit dem Sensor über ein Kabel verbunden werden kann, einfacher gestaltet werden.With the new device, the amplitude of the output signal is in the permissible range independent of the speed, the temperature and the size of the air gap between the flight circle and the sensor adjacent to it. The individual components of which the sensor is made can be made of materials that are suitable for temperatures well above 200° C and can therefore be placed, for example, near the engine of a motor vehicle, which gets very hot during operation. By evaluating the phase difference between two measuring coils, interference variables such as temperature or EMC are eliminated in the sensor. This makes it possible to design the evaluation circuit, which is preferably placed in a cooler area in the engine or similar and can be connected to the sensor via a cable, more simply.
Die "Reichweite" des Sensors hängt von dessen Größe ab, so daß auch diese Eigenschaft des Sensors in weiten Grenzen gestaltet werden kann. Es bereitet auch keine Schwierigkeiten, die Auswerteschaltung so einzurichten, daß nicht nur die Drehzahl sondern auch die Drehrichtung erkennbar ist.The "range" of the sensor depends on its size, so that this property of the sensor can also be designed within wide limits. It is also not difficult to set up the evaluation circuit so that not only the speed but also the direction of rotation can be recognized.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung gemäß Schutzanspruch 1 zum Gegenstand.The subclaims relate to preferred embodiments of the device according to claim 1.
Die Funktion der Spiralwicklungen können prinzipiell auch anderweitige flache Spulen erfüllen, so daß der Begriff "Spiralwicklung" auch aus Draht ggf. mehrlagig gewickelte Spulen umfassen soll.In principle, the function of spiral windings can also be fulfilled by other flat coils, so that the term "spiral winding" should also include coils made of wire, possibly wound in multiple layers.
Die Neuerung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The innovation is explained in more detail below using the drawing of an example. The drawing shows:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne die Auswerteschaltung in perspektivischer, auseinandergezogener Darstellung,Fig. 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention without the evaluation circuit in a perspective, exploded view,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die mit dem Sensor und der Auswerteschaltung in ein Gehäuse eingebaute Vorrichtung,Fig. 2 a longitudinal section through the device with the sensor and the evaluation circuit installed in a housing,
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Fig. 3 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführung der Auswerteschaltung, undFig. 3 shows the block diagram of a preferred embodiment of the evaluation circuit, and
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Relativstellungen zwischen Sensor und Drehglied und der jeweils zugehörigen Phasenverschiebung der von den sekundären Spiralwicklungen gelieferten Spannungen in Bezug aufeinander und bezüglich der Primärspannung.Fig. 4 is a diagram showing different relative positions between the sensor and the rotary member and the corresponding phase shift of the voltages supplied by the secondary spiral windings in relation to each other and to the primary voltage.
Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtungrrichtung zum Messen der Drehzahl eines um eine Drehachse D rotierenden Körpers, hier einer Welle 1, ein um eine vorgegebene Drehachse, hier die Drehachse D der Welle 1, drehbares Drehglied 2 aus elektrisch leitfähigem Material in Form eines Zahnrades 2 auf, das von der Welle 1 mit gleicher Drehzahl angetrieben ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt das in Fig. 1 nur teilweise dargestellte Zahnrad 2 die ebenfalls nur teilweise dargestellte Welle 1 koaxial. Die Zähne 3 des Zahnrades 2 haben einen äußeren Flugkreis 4, und nahe bei diesem ist ein Sensor 5 angeordnet, der mit in Fig. 1 nicht dargestelltem nicht magnetischem Material eingehäust ist.According to Fig. 1, the device for measuring the speed of a body rotating about an axis of rotation D, here a shaft 1, has a rotary member 2 made of electrically conductive material in the form of a gear 2 that can rotate about a predetermined axis of rotation, here the axis of rotation D of the shaft 1, and that is driven by the shaft 1 at the same speed. In the embodiment shown, the gear 2, which is only partially shown in Fig. 1, coaxially surrounds the shaft 1, which is also only partially shown. The teeth 3 of the gear 2 have an outer flight circle 4, and a sensor 5 is arranged close to this, which is housed in non-magnetic material not shown in Fig. 1.
Der Sensor 5 weist einen ersten flächigen Träger 6 auf, der sich, etwa tangential zu dem Flugkreis 4 erstreckt und auf seinen beiden Seiten je eine flache primäre Spiralwicklung 7 trägt. Die Spiralwicklungen 7 sind durch den Träger 6 hindurch seriell oder parallel miteinander verbunden und belegen auf dem Träger 6 einen vorgegebenen ersten Flächenbereich 8.The sensor 5 has a first flat carrier 6, which extends approximately tangentially to the flight circle 4 and has a flat primary spiral winding 7 on each of its two sides. The spiral windings 7 are connected to one another in series or parallel through the carrier 6 and occupy a predetermined first surface area 8 on the carrier 6.
Des weiteren weist der Sensor 5 einen zweiten flächigen Träger 9 auf, der sich im wesentlichen parallel zu dem ersten Träger 6 nahe bei diesem erstreckt und auf seinen beiden Seiten je zwei nebeneinander angeordnete flache sekundäre Spiralwicklungen 10 und 11 trägt, die in zusammengehörenden deckungsgleichen Paaren miteinander seriell oder parallel durch den Träger 9 hindurch miteinander verbunden sind und auf dem zweiten Träger 9, jeweils hälftig, einen zweiten Flächenbereich 12 belegen, der den ersten Wicklungs-Flächenbereich 8 auf dem ersten Träger 6 überdeckt.Furthermore, the sensor 5 has a second flat carrier 9, which extends essentially parallel to the first carrier 6 close to it and carries on both sides two flat secondary spiral windings 10 and 11 arranged next to one another, which are connected to one another in series or parallel through the carrier 9 in matching congruent pairs and occupy on the second carrier 9, half of each, a second surface area 12 which covers the first winding surface area 8 on the first carrier 6.
Die aus dem ersten Träger 6 mit den primären Spiralwicklungen 7 und dem zweiten Träger 9 mit den sekundären Spiralwicklungen 10, 11 bestehende Trägeranordnung ist auf der von dem Flugkreis 4 abgewendeten Seite etwa über den Bereich der Spiralwicklungen 7, 10 und 11 mit einem Ferritplättchen 13 hinterlegt, das sich etwa parallel zu den Trägern 6 und 9 erstreckt.The carrier arrangement consisting of the first carrier 6 with the primary spiral windings 7 and the second carrier 9 with the secondary spiral windings 10, 11 is backed on the side facing away from the flight circle 4 approximately over the area of the spiral windings 7, 10 and 11 with a ferrite plate 13 which extends approximately parallel to the carriers 6 and 9.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung zwecks Erzielung des größtmöglichen Einflusses der Zähne 3 des Zahnrads 2 auf die sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 so getroffen, daß sich der Träger 9 mit den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 zwischen dem Flugkreis 4 und dem Träger 6 mit den primären Spiralwicklungen 7 befindet.In the embodiment shown in the drawing, the arrangement is such that the carrier 9 with the secondary spiral windings 10 and 11 is located between the flight circle 4 and the carrier 6 with the primary spiral windings 7 in order to achieve the greatest possible influence of the teeth 3 of the gear 2 on the secondary spiral windings 10 and 11.
Die jeweils auf einer gleichen Seite des zweiten Trägers 9 befindlichen Spiralwicklungen 10 und 11 sind auf der einen bzw. anderen Seite einer sich bezüglich des Flugkreises 4 senkrecht erstreckenden Symmetrielinie 14 angeordnet und haben auf dem zweiten Träger 9 einen Mittenabstand, der im wesentlichen dem Mittenabstand der der Zähne 3 des Zahnrads 2 entspricht.The spiral windings 10 and 11, each located on the same side of the second carrier 9, are arranged on one or the other side of a line of symmetry 14 extending perpendicularly with respect to the flight circle 4 and have a center distance on the second carrier 9 that essentially corresponds to the center distance of the teeth 3 of the gear 2.
Die Träger 6 und 9 bestehen jeweils aus einer Folie aus hoch temperaturbeständigem Isoliermaterial, vorzugsweise einer Kunststoffolie, und sind beidseitig mit den zugehörigen Spiralwicklungen beschichtet.The supports 6 and 9 each consist of a film made of high temperature-resistant insulating material, preferably a plastic film, and are coated on both sides with the associated spiral windings.
Bei der praktischen Ausführung sind die Träger mit gegeneinander isolierten Spiralwicklungen zusammengeklebt, und die Trägeranordnung ist auf das Ferritplättchen aufgeklebt.In the practical design, the carriers are glued together with spiral windings that are insulated from each other, and the carrier arrangement is glued to the ferrite plate.
Die auf dem ersten Träger 6 befindlichen beidseitigen primären Spiralwicklungen 7 werden mit im wesentlichen konstantem höherfrequenten Wechselstrom in der Größenordnung von einigen 10 kHz gespeist und erzeugen ein die sekundären Wicklungen 10 und 11 auf dem zweiten Träger 9 durchsetzendes Magnetfeld.The double-sided primary spiral windings 7 located on the first carrier 6 are fed with a substantially constant high-frequency alternating current in the order of a few 10 kHz and generate a magnetic field that penetrates the secondary windings 10 and 11 on the second carrier 9.
Wie generell in Fig. 2 und in näheren Einzelheiten in Fig 3 dargestellt, weist die Drehzahlerfassungsvorrichtung ferner eine Schaltungsanordnung 15 auf, die die Erregerspannung für die primären Spiralwicklungen 7 auf dem ersten Träger 6 liefert, die von diesen Wicklungen.7 in den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 auf dem zweiten Träger 9 induzierten Spannungen empfängt und aus der von der augenblicklichen Relativstellung der Zahnradzähne 3 bezüglich der sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 abhängigen Phasenverschiebung zwischen den von den Wicklungspaaren 10 bzw. 11 gelieferten Spannungen bzw. Strömen oder aus der Phasenverschiebung zwischen einer dieser induzierten Spannungen und dem konstanten Erregerwechselstrom ein der augenblicklichen Drehzahl der Welle entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.As shown generally in Fig. 2 and in more detail in Fig. 3, the speed detection device further comprises a circuit arrangement 15 which supplies the excitation voltage for the primary spiral windings 7 on the first carrier 6, receives the voltages induced by these windings 7 in the secondary spiral windings 10 and 11 on the second carrier 9 and generates an electrical output signal corresponding to the instantaneous speed of the shaft from the phase shift between the voltages or currents supplied by the winding pairs 10 and 11, which depends on the instantaneous relative position of the gear teeth 3 with respect to the secondary spiral windings 10 and 11, or from the phase shift between one of these induced voltages and the constant excitation alternating current.
Wie in Fig.2 dargestellt, wird für die Einsatzmöglichkeit der Vorrichtung auch bei sehr hohen Temperaturen an der mit dem Sensor 5 zu erfassenden Meßstelle, die Schaltungsanordnung 15 vorzugsweise in einem erheblichen radialen Abstand von dem Sensor 5 angeordnet und mit dem Sensor 5 über ein Kabel 5b verbunden.As shown in Fig.2, in order to enable the device to be used even at very high temperatures at the measuring point to be detected by the sensor 5, the circuit arrangement 15 is preferably arranged at a considerable radial distance from the sensor 5 and connected to the sensor 5 via a cable 5b.
Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, daß das aus unmagnetischem Material bestehende Sensorgehäuse 5a mit den darin befindlichen Bauteilen mit einem vorzugsweise hoch temperaturbeständigen Gießharz vergegossen werden kann.From Fig. 2 it is also clear that the sensor housing 5a, which is made of non-magnetic material, with the components located therein can be cast with a preferably high temperature-resistant casting resin.
Als Träger für die Spiralwicklungen eignen sich prinzipiell auch andere Materialien als Folien, z. B. dünne, harte Plättchen.In principle, materials other than foils, such as thin, hard plates, are also suitable as carriers for the spiral windings.
Die Fig 3 zeigt das Blockschaltbild einer für die Zwecke der Erfindung geeigneten, beispielsweisen Schaltung zur Auswertung der von den sekundären Spiralwicklungen 10 und 11 gelieferten Signale (Spannungen).Figure 3 shows the block diagram of an example circuit suitable for the purposes of the invention for evaluating the signals (voltages) supplied by the secondary spiral windings 10 and 11.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich weist die Auswerteschaltung auch einen Oszillator auf, der die Erreger-Wechselspannung für die primären Spiralwicklungen 7 erzeugt und an diese liefert. Die primären Spiralwicklungen sind Teil des Oszillatorschwingkreises, der im Aus-As can be seen from Fig. 3, the evaluation circuit also has an oscillator that generates the excitation alternating voltage for the primary spiral windings 7 and supplies it to them. The primary spiral windings are part of the oscillator circuit, which in the
führungsbeispiel bei 100 kHz schwingt. Befindet sich kein Zahn vor dem Sensor 5, ist die Phasenverschiebung zwischen den beiden von den primären Spiral wicklungen 7 in dem einen bzw. anderen der beiden sekundären Spiralwicklungspaare 10 und 11 induzierten Spannungen 0°. Diesen Zustand gibt die oberste Abbildung in Fig. 4 wieder. Sobald sich ein Zahn 3 des Zahnrades 2 einem der sekundären Spiralwicklungspaare 10 bzw. 11 nähert, werden in diesem Zahn Wirbelstromverluste erzeugt. Diese Wirbelstromverluste verursachen eine Phasenverschiebung der in dem betreffenden sekundären Spiralwicklungspaar induzierten Spannung gegenüber der Primärspannung sowie auch gegenüber der in dem anderen Spiralwicklungspaar induzierten Spannung. Diese Zustände sind für einen ankommenden Zahn in der mittleren Abbildung in Fig 4 und für einen sich entfernenden Zahn in der unteren Abbildung in Fig. 4 dargestellt.example oscillates at 100 kHz. If there is no tooth in front of the sensor 5, the phase shift between the two voltages induced by the primary spiral windings 7 in one or the other of the two secondary spiral winding pairs 10 and 11 is 0°. This state is shown in the top figure in Fig. 4. As soon as a tooth 3 of the gear 2 approaches one of the secondary spiral winding pairs 10 or 11, eddy current losses are generated in this tooth. These eddy current losses cause a phase shift of the voltage induced in the relevant secondary spiral winding pair compared to the primary voltage as well as compared to the voltage induced in the other spiral winding pair. These states are shown for an incoming tooth in the middle figure in Fig. 4 and for a receding tooth in the bottom figure in Fig. 4.
Des weiteren enthält die aus Fig. 3 ersichtliche Auswerteschaltung Schaltkreise, die die in den sekundären Spiralwicklungspaaren induzierten Spannungen getrennt empfangen und phasenrichtig in Rechteckspannungen umformen. Diese Rechteckspannungen werden in einen Phasendemodulator eingespeist, der aus ihnen ein Rechtecksignal erzeugt, das proportional zur Drehzahl ist und am Sensorausgang zur Verfügung steht.Furthermore, the evaluation circuit shown in Fig. 3 contains circuits that separately receive the voltages induced in the secondary spiral winding pairs and convert them into square-wave voltages in the correct phase. These square-wave voltages are fed into a phase demodulator, which generates a square-wave signal from them that is proportional to the speed and is available at the sensor output.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19970807 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20000623 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20030514 |
|
| R158 | Lapse of ip right after 8 years |
Effective date: 20051101 |