DE3518161A1

DE3518161A1 - Komponentensensor, bzw. verfahren zur beruehungslosen messung statischer und dynamischer kraftkomponenten

Info

Publication number: DE3518161A1
Application number: DE19853518161
Authority: DE
Inventors: Gerd 3167 Burgdorf Hörmansdörfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-05-21
Filing date: 1985-05-21
Publication date: 1986-11-27
Also published as: DE3518161C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Sensor, bzw. ein Verfahren zur berührungslosen Messung statischer und dynamischer Kraftkomponenten an ferromagnetischen Prüflingen, insbesondere Wellen, Rohren oder Platten, bei welchen entweder gleichzeitig Zug- und Torsionskräfte oder Zug- bzw. Druckkräfte unbekannter oder zusammengesetzter Angriffsrichtung anliegen können.
Es ist bereits ein berührungslos arbeitendes Verfahren zur Erfassung statischer und dynamischer Drehmomente bekannt, bei welchem eine Welle von drei mit Wicklungen versehenen elektromagnetischen Polringen umgeben ist (US 1 06 334). Abgesehen davon, daß dieses Verfahren von der Montage her nachteilig ist und weder Messungen innerhalb von Rohren noch an ebenen Platten erlaubt, können damit komplexe Kräfte, also zusammengesetzte Kräfte unterschiedlicher Wirkrichtung, nicht aufgelöst werden.
Es ist weiterhin ein anderes berührungslos und unter Heranziehung der Permeabilitätsänderung des Prüflings arbeitendes Verfahren zur Erfassung statischer und dynamischer Drehmomente bekannt (DE-OS 30 31 997), welches aufgrund der vorteilhaften Gestaltung des Sensors in einfacher Weise an Maschinenclementen zum Einsatz gebracht werden kann. Bei diesem Verfahren werden die sich aufgrund einer tordierenden Belastung unter +45° bzw. -45" zur Achsrichtung auf der Oberfläche einer Welle ausbildenden Zug- und Schubspannungen zur Messung des Drehmoments benutzt. Das Ausgangssignal des Sensors ist dem Drehmoment proportional. Überlagerte, in Achsrichtung der Welle wirkende Zug- bzw. Druckkräfte werden mit dem Verfahren nicht erfaßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung der Komponenten einer auf ein ferromagnetisches Konstruktionselement wirkenden resultierenden Kraft unter Heranziehung der Permeabilitätsänderung des Prüflings zu schaffen, so daß z.B. entweder gleichzeitig und unabhängig voneinander sowohl das anstehende Drehmoment als auch die Druck- bzw.
Zuglast an einer Welle gemessen werden können, oder auch undefinierte Kräfte z.B. an flächigen Bauteilen ihrer Größe und genauen Angriffsrichtung nach erfaßt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 7 gegebenen Merk- male gelöst. Zweckmäßige Einzelheiten bzw. Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Vorteile der Erfindung kommen besonders dann zur Geltung, wenn es darum geht, an einer einzigen Meßstelle eines mechanischen Elements resultierende Kräfte aufzulösen, wenn gleichzeitig Relativbewegungen zwischen Prüfling und Sensor auftreten können.
Ein derartiger Fall liegt zum Beispiel vor, wenn ein rohrförmiges Gestänge zum Abteufen einer Tiefbohrung eingesetzt wird. An einem solchen Gestänge treten Druck- bzw. Zugbelastungen während des Bohrens bzw. Ziehens auf, welche aufgrund des rotierenden Gestängeantriebs von Torsionskräften überlagert werden.
Aus bohrtechnischer Sicht ist es wünschenswert, sowohl das am Bohrkopf (Meißel) anstehende Drehmoment, als auch den Andruck während des Bohrens getrennt voneinander zu erfassen. Diese Aufgaben werden vom erfindungsgemäßen Sensor in besonders vorteilhafter Weise erfüllt. Drehmoment und Druck- bzw. Zugkräfte werden berührungslos am rotierenden Prüfling (Rohrwand) in einem Meßpunkt aufgenommen. Es ist nur ein einziger Sensor mit sehr kleinen Abmessungen erforderlich, der in einfacher Weise dem Prüfling gegenübergestellt wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beiden Zeichnungsfiguren näher erläutert werden.
Fig. l zeigt die stirnseitige Ansicht eines vergrößert und vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Komponentensensors entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 4. Die in Meßstellung dem Prüfling zugewandten Polflächen sind abgeschnitten gezeichnet. Der Sensorkopf besteht aus einem topfähnlichen Magnetjoch aus weichmagnetischem Werkstoff, welches sowohl ein zentrales Polstück 1, als auch acht Polstücke 2 bis 9 besitzt, welche im Kreis um das zentrale Polstück herum angeordnet sind. Das zentrale Polstück ist mit einer Erregerwicklung 26, 27 versehen, die von einer Wechselstromquelle geeigneter Frequenz gespeist wird. Dabei kann die Erregerwicklung in bekannter Weise (DE 32 06 008) über einen Kondensator angesteuert werden und mit diesem zusammen einen Reihenschwingkreis bilden, um eine weitgehende Abstandsunabhängigkeit des Sensors zu erzielen.
Die beiden eingezeichneten Achsen A - B mit den Polstücken 2 und6, bzw. CD D mit den Polstücken 4 und 8 bilden ein imaginäres rechtwinkliges Koordinatensystem, dem ein zweites imaginäres rechtwinkliges Koordinatensystem mit den Achsen E-F und den Polstükken 3 und 7, bzw. G-H mit den Polstücken 5 und 9 überlagert ist, welches mit dem ersten Koordinatensystem einen gemeinsamen Mittelpunkt besitzt und um diesen herum gegen das erste Koordinatensystem um 45 Winkelgrade gedreht angeordnet ist. Die auf den Polstücken 2 bis 9 vorhandenen Meßwicklungen 10, 11 bis 24,25 sind so geschaltet, daß jeweils die beiden auf einer gemeinsamen Achse befindlichen Meßwicklungen zunächst in Reihe verbunden sind. Die zwei sich pro Koordinatensystem so ergebenden Spulenpaare sind gegeneinander geschaltet und bilden jeweils die Komplementäre einer gegenphasigen Halbbrücke. Aus dieser Schaltung ergeben sich also zwei getrennte gegenphasige Halbbrücken, welche unabhängig voneinander ein Meßsignal liefern. Beide sich getrennt anschließenden Meßkanäle beinhalten Abgleichkreis, Verstärker, phasenabhängigen Gleichrichter und Ausgangsstufe.
Wird nun der Sensorkopf vor einem Prüfling angeordnet und die Erregerwicklung 26, 27 mit Wechselstrom gespeist, so werden in der dem Sensorkopf zugewandten Oberfläche des Prüflings Wirbelströme induziert. Die magnetischen Feldlinien verlaufen dabei vom zentralen Polstück über einen Luftspalt zur Oberfläche des Prüflings, durchlaufen diesen mit einer bestimmten Eindringtiefe unter verschiedenen Winkelstrahlen, um über einen zweiten Luftspalt in die außenliegenden Polstücke des Magnetjochs einzutreten.
Ist der Prüfling beispielsweise eine Welle oder ein Rohr, welche bzw. welches einem Drehmoment ausgesetzt und damit tordiert wird, so ergeben sich in +45° bzw. 450 von der Achsrichtung Zug- und Schubspannungen, die mit einer Permeabilitätsänderung an der Oberfläche der Welle oder des Rohres einhergehen. In Richtung der Zugspannung wird die Permeabilität größer und in Richtung der Schubspannung entsprechend kleiner.
Wird nun der Sensorkopf so gegenüber einer Welle oder einer Rohrwand angebracht, daß seine Achse A - B parallel zur Rohrachse zu liegen kommt, dann fallen die Achsen E-Fbzw. G-H mit den durch Torsion bedingten Zug- bzw. Schubspannungsrichtungen auf der Oberfläche der Welle oder der Rohrwand überein. Liegt die Zugspannungsrichtung zum Beispiel parallel zur Achse E-F, so wird durch die in dieser Achse vergrößerte Permeabilität in den Meßwicklungen 12, 13 und 20, 21 eine größere Spannung induziert als in den Meßwicklungen 16, 17 und 24, 25, welche der Schubspannungsrichtung zugeordnet sind. Da die Wicklungspaare 12, 13, 20, 21 und 16, 17, 24, 25 gegeneinander geschaltet sind, tritt an den Enden der von ihnen gebildeten gegenphasigen Halbbrücken eine Differenzspannung auf, die dem wirkenden Drehmoment direkt proportional ist.
Wird nun die Welle oder das Rohr anstelle eines Drehmoments mit einer axialen Zugkraft beaufschlagt, so fällt die vorher gemessene Signalspannung auf Null zurück. jetzt entstehen im Prüfling Zugspannungen parallel zur Achse A-B des Sensorkopfes, denen Schubspannungen parallel zur Achse C-D entsprechen. Dadurch wird in den Meßwicklungen 10, 11, 18, 19 eine Spannung induziert, die größer ist als die in den Meßwicklungen 14,15,22,23. An den Enden der aus diesen Meßwicklungen gebildeten gegenphasigen Halbbrücke tritt wiederum eine Differenzspannung auf, die in diesem Fall der auf den Prüfling wirkenden Zugkraft proportional ist.
Für bestimmte Anwendungsfälle, z. B. wenn der Sensorkopf extrem kleine Abmessungen aufweisen soll, oder wenn an flächigen Bauteilen undefinierte Kraftvektoren erfaßt werden sollen, kann es vorteilhaft sein, auf ein dreikanaliges Meßwerterfassungssystem überzugehen. Ein dementsprechender Komponentensensor ist in Fig. 2 dargestellt.
Fig. 2 zeigt, wiederum in vergrößerter und vereinfachter Darstellung eines Ausführungsbeispiels, einen solchen Sensor mit abgeschnitten gezeichneten Polstükken. Das Magnetjoch des Sensorkopfes besitzt ein zentrales Polstück 28 mit der Erregerwicklung 38, 39. Es sind nur drei äußere Polstücke 29, 30, 31 mit Meßwicklungen vorhanden, von denen das Polstück 29 mit der Meßwicklung 32, 33 auf der Achse A - B liegt, während die Polstücke 30 bzw. 31 mit den Meßwicklungen 34,35 bzw. 36, 37 den Achsen W-X bzw. Y-Z zugeordnet sind. Die beiden Achsen W-Xbzw. Y-Zsind um 1200 bzw. 240" gegenüber der Achse A - B gedreht angeordnet. Die auf den drei Polstücken befindlichen Meßwicklungen müssen in Sternschaltung so miteinander verbunden werden, daß im Sternpunkt das gleiche Wick- lungsende aller drei Meßwicklungen zu liegen kommt, so daß an zwei beliebigen Eckpunkten des Sterns immer die Differenzspannung der beiden betreffenden Stränge auftritt.
Für die prinzipielle Funktion des Sensors ist es dabei unbedeutend, ob jeder der drei Achsen A -B, W-X und Y-Zein oder zwei Polstücke zugehören. Der Sensorkopf nach Fig. 2 könnte daher ebensogut sechs anstelle von drei äußeren Polstücken aufweisen. Es ist auch möglich, das zentrale Polstück entfallen zu lassen und die Meßwicklungen auf den äußeren Polstücken gleichzeitig mit dem Erregerstrom zu speisen.
Vorstellbar ist weiterhin, die drei auf den äußeren Polstücken befindlichen Wicklungen in Stern- oder Dreieckschaltung tnit einem dreiphasigen Wechselstrom zu erregen und die auf dem zentralen Polstück befindliche Wicklung als Meßwicklung zu benutzen. Zur Verstärkung des Meßsignals würde dann lediglich ein einziger Verstärker benötigt, dessen Ausgangssignal sich durch eine entsprechende phasensynchrone Zerlegung in die einzelnen den Kraftkomponenten proportionalen Spannungen aufspalten ließe.
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Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Komponenten statischer und dynamischer Kräfte, wobei auf der Prüflingsoberfläche ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die durch die am Prüfling anliegenden Kräfte hervorgerufenen Permeabilitätsänderungen herangezogen werden, und diese Permeabilitätsänderungen mittels eines sondenförmigen, an den Prüfling heranbringbaren Magnetjochs mit Polstücken erfaßt werden, deren Polflächen der Prüflingsoberfläche gegenüberstehen, während der Prüfling bis in seinen Sättigungsbereich ummagnetisiert wird und die magnetische Erregung entweder über die auf den Polstücken angeordneten Meßwicklungen oder über ein im Zentrum der Polstückanordnung befindliches Polstück mit einer Erregerwicklung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke so angeordnet sind, daß außer einem oder mehreren Polstücken, welches oder welche sich auf einer oder den beiden Achsen eines vom Mittelpunkt des Magnetjochs ausgehenden rechtwinkligen Koordinatensystems befindet oder befinden, mindestens ein weiteres oder mehrere Polstükke auf einer Achse oder den beiden Achsen mindestens eines weiteren rechtwinkligen Koordinatensystems zu liegen kommt oder kommen, welches gegenüber dem erstgenannten Koordinatensystem um einen bestimmten Winkelbetrag verdreht angeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Koordinatensystem gegen das erste Koordinatensystem um den Winkelbetrag von 45" verdreht angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem oder den im ersten Koordinatensystem liegenden Polstück oder Polstücken zu den Achsen zweier weiterer Koordinatensysteme gehörende Polstücke vorhanden sind, wobei das eine Koordinatensystem um der Winkelbetrag von 1200 und das andere Koordinatensystem um den Winkelbetrag von 240° gegen das erste Koordinatensystem verdreht angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum ersten Koordinatensystem vier Polstücke (2.4,6,8) und zum zweiten Koordinatensystem vier Polstücke (3,5,7,9) gehören.
5. Verfahren nach Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zu den Polstücken eines Koordinatensystems gehörenden Wicklungen zu separaten Halbbrücken verschaltet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Polstücken der drei Koordinatensysteme gehörenden Wicklungen in Stern-oder Dreieckschaltung verbunden sind.
7. Komponentensensor für die berührungslose Erfassung statischer und dynamischer Kraftkomponenten, entsprechend den Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einem vorzugsweise zylinderförmigen Gehäuse, welches den Meßkopf, eine möglicherweise integrierte Verstärkungs- und Auswerteelektronik, und den Meßkabelanschluß enthält, wobei der Meßkopf aus einem topfähnlichen Magnetjoch aus weichmagnetischem Material, vorzugsweise Ferrit, besteht, welches Polstücke aufweist, die mit ihren Polflächen die Stirnseite des Meßkopfs bilden und mit Erreger- und Meßwicklungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß außer einem Meßkreis, zu welchem ein oder mehrere Polstücke und Wicklungen gehören und welche um die Mittelachse des Magnetjochs herum auf einem oder mehreren der Schenkel mit den Winkeln 0°, 90°, 1800.

270° angeordnet sind. entweder ein weiterer Meßkreis mit einem oder mehreren Polstücken und Wicklungen vorhanden ist, wobei das oder die Polstücke auf einem oder mehreren der Schenkel mit den Winkeln 45°, 135", 225°, 315" um den Mittelpunkt des Magnetjochs herum angeordnet ist oder sind, oder zwei weitere Meßkreise mit jeweils dazu gehörenden Polstücken und Wicklungen vorhanden sind, von denen das oder die Polstücke des einen Meßkreises auf einem oder den beiden Schenkeln mit den Winkeln 1200 und 300°, und das oder die Polstücke des anderen Meßkreises auf einem oder den beiden Schenkeln mit den Winkeln 240° und 60° um den Mittelpunkt des Magnetjochs herum angeordnet sind.