DE602004001444T2

DE602004001444T2 - Temperatursensor für rotierende Teile und Verfahren zur Temperaturmessung hierfür

Info

Publication number: DE602004001444T2
Application number: DE602004001444T
Authority: DE
Inventors: Daniele c/o C.R.F. Soc. Cons. per Az Pullini
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2024-02-07
Also published as: ATE332240T1; CN100504329C; DE602004001444D1; JP2005221508A; ES2268608T3; US20050174224A1; EP1561609B1; EP1561609A1; CN1651879A; US7239232B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Temperatursensorvorrichtung für sich drehend bewegende Teile von dem Typ aufweisend zumindest ein elektromagnetisches Feldursprungselement, zugeordnet zu dem sich drehend bewegenden Teil, und ein Magnetfeldsensorelement, zugeordnet zu einem festen Teil, um Parameter eines magnetischen Feldes zu messen, bestimmt durch das magnetische Feldursprungselement, wobei die Parameter des magnetischen Feldes eine Funktion der Temperatur des sich drehend bewegenden Teils sind.
Das Messen der Temperatur von sich drehenden Teilen, wie etwa Rollenelementen oder Wellen, ist immer schwierig gewesen aufgrund der Unmöglichkeit einer Verdrahtung eines Sensors, welcher auf dem sich bewegenden Teil positioniert ist.
Von besonderem Interesse ist z.B. das Überwachen der Temperatur von Kraftfahrzeugreifen, selbst wenn sich diese Kraftfahrzeuge bewegen, sowohl aus Gründen der allgemeinen Wartung als auch aus Sicherheitsgründen, wenn sich das Kraftfahrzeug mit hoher Geschwindigkeit fortbewegt. Es ist daher von Bedeutung, dass sich der Fahrer jederzeit über die Temperatur der Reifen bewusst ist, was einen dramatischen Einfluss auf das Verhalten des Kraftfahrzeugs haben kann.
Verschiedene Verfahren zum Kontrollieren von Reifendruck und -temperatur sind bekannt. Typischerweise wird eine komplexe Verdrahtungstechnik angewandt oder ansonsten Transmitter und Empfänger von elektromagnetischen Wellen, welche Energieversorgungen und Antennen erfordern.
Das Dokument DE 32 42 291 A1 beschreibt eine Temperatursensorvorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Das US-Patent Nr. 4 570 152 offenbart ein Temperaturmesssystem in Reifen, wobei eine Mehrzahl von magnetischen Nägeln in das Gewebe des Reifens eingeführt ist bei bestimmten Punkten. Ein Magnetfeldsensor wird dann an einem sich nicht drehenden Teil des Fahrzeugs in der Nähe des Reifens montiert und er wird verwendet, um die magnetischen Impulse zu erfassen, welche von der Mehrzahl von sich drehenden magnetischen Nägeln erzeugt werden. Falls die Temperatur des Reifens ansteigt, verringert die dadurch erzeugte Hitze das Magnetfeld, welches durch die magnetischen Nägel erzeugt wird.
Ein solches System erfordert jedoch das Einführen von fremden Körpern in das Gewebe und eine beträchtliche Nähe des Sensorelements zu dem Gewebe, um Magnetfeldintensitätsveränderungen auf präzise Art und Weise zu erfassen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung vorzusehen, welche in der Lage ist, eine magnetische Temperatursensorvorrichtung für Reifen herzustellen, deren Präzision wenig oder gar nicht beeinflusst wird durch die Präzision der Erfassung der Intensität des Magnetfelds.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst Dank einer Temperatursensorvorrichtung und einem entsprechenden Temperaturmessverfahren, die Merkmale aufweisend, welche spezifisch in den Ansprüchen herausgestellt sind, welche folgen.
Die Erfindung soll nun mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, vorgesehen rein im Weg eines nicht beschränkenden Beispiels, in welchen:
1 einen Überblick des Prinzips des Betriebs der magnetischen Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
2A und 2B im Detail Teile der Vorrichtung der 1 zeigen;
3 ein Diagramm zeigt, welches sich auf die Größe bezieht, welche durch die Vorrichtung der 1 gemessen wird.
Der hier vorgeschlagene magnetische Temperatursensor für sich drehend bewegende Teile weist auf zumindest ein magnetisches Feldursprungselement, zugeordnet zu dem sich drehend bewegenden Teil, in einer bevorzugten Version in einem inneren Teil eines Reifens, wie etwa dem inneren Schlauch, und ein Magnetfeldsensorelement, zugeordnet zu einem festen Teil, bevorzugt dem Chassis eines Kraftfahrzeugs, um Parameter des Magnetfelds des Ursprungselements zu messen, wobei die Parameter des Magnetfelds insbesondere die Richtung des Magnetfelds aufweisen, was zu einer Funktion der Temperatur des sich drehbar bewegenden Teils gemacht wird durch die Anpassung von geeigneten Drehmitteln als Funktion der Temperatur.
1 zeigt ein Diagramm des Prinzips des Betriebs einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Ein Reifen 11, welcher sich um eine Drehachse 12 dreht, weist auf eine Magnetfeldquelle 13 bzw. ein magnetische Feldursprungselement 13, versehen mit ihrer eigenen Magnetisierung und in der Lage, ein Magnetfeld H zu bestimmen.
Die Magnetfeldquelle 13 ist bevorzugt positioniert im Inneren des Reifens 11 in dem inneren Schlauch. An einem festen Teil, insbesondere einem Kotflügel 15 des Kraftfahrzeugs, in seiner Gesamtheit aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt, ist ein Magnetfeldsensor 14 positioniert.
Dem Magnetfeld H, erzeugt durch die Magnetfeldquelle 13 im Bereich zwischen den Reifen 11 und dem festen Teil 15, sind eine Feldstärke und -richtung zugeordnet.
Das Magnetfeld H der Magnetfeldquelle 13 kann sich drehen und möglicherweise seine Intensität als Funktion der Temperatur ändern, welche durch den Reifen 11 erreicht wird. Der magnetische Feldsensor 14 misst im Abstand das magnetische Feld H, wodurch er indirekt die Temperatur misst. Das von dem Magnetfeldsensor 14 gemessene Signal wird dann zu einer Elektronikeinheit des Kraftfahrzeugs gesandt, auch in 1 nicht dargestellt, zur Verarbeitung und Erzeugung von Signalen und Alarmen.
2A und 2B zeigen in größerem Detail die Magnetfeldquelle 13, welche dem Reifen 11 zugeordnet ist.
2A zeigt die Magnetfeldquelle 13 in einer ersten Betriebskonfiguration, Bezug nehmend auf einen Wert der Temperatur T gleich T1, während 2B die Magnetfeldquelle 13 in einer zweiten Betriebskonfiguration zeigt, Bezug nehmend auf einen Wert der Temperatur T gleich T2, wobei T2 größer als T1 ist.
Die Magnetfeldquelle 13 gemäß der Erfindung weist ein Permanentmagnetelement 21 auf, welches ein magnetisches Feld H mit konstantem Betrag und Richtung erzeugt. Das Permanentmagnetelement 21 ist jedoch vorteilhafterweise einem Drehelement 22 zugeordnet, welches sich gemäß einer Fortbewegungsbewegung entlang einer Achse 25 dreht, radial bezüglich dem Umfang, definiert durch den Reifen 11. Das Drehelement 22 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Formgedächtniselement gebildet, z.B. konstruiert mit Nickel-Titan-Legierungen oder anderen SMAs (Shape Memory Alloys – Formgedächtnislegierungen), welches in der Lage ist, sich um seine Hauptachse bei Anwesenheit einer Temperaturveränderung zu winden. Wie in 2 gezeigt, weist das Drehelement 22 einen Balken 23 des Formgedächtnismaterials auf, positioniert entlang der Achse 25 innerhalb eines koaxialen Behälterzylinders 24, in der Lage, die Vibrationen zu begrenzen, welche durch die Bewegung des Reifens 11 erzeugt werden.
Der Balken 23 ist bevorzugt am Boden des Zylinders 24 befestigt nur mittels seinen eigenen distalen Endes relativ zu der Oberfläche des Reifens 11, und daher ist er ansonsten frei, um sich innerhalb des Zylinders 24 zu verwinden. An dem freien Ende, und somit dem proximalen davon relativ zu Oberfläche des Reifens 11, des Balkens 23 ist der Permanentmagnet 21 positioniert, welcher, wie in 2A gezeigt ist, seine eigenen beiden Pole aufweist, und somit das zugeordnete magnetische Feld H, angeordnet gemäß einer Richtung, welche im Wesentlichen tangential ist zu der Oberfläche des Reifens 11. In 2A bestimmt insbesondere die Position des Permanentmagneten 21 ein Magnetfeld H, welches tangential und ausgerichtet ist entlang der Richtung der Rotation des Reifens 11.
In 2B ist, wie erwähnt, die Magnetfeldquelle 13 einer Temperatur T2 ausgesetzt, höher als die Temperatur T1. Der Balken 23 des Formgedächtnismaterials neigt aufgrund des Temperaturanstiegs dazu, sich zu verwinden, so dass sein proximales Ende, welches den Permanentmagnet 21 trägt, sich um die Achse 25 dreht. In 2B ist der Permanentmagnet 21 um im Wesentlichen 90° verdreht und bestimmt eine Magnetisierung in im Wesentlichen rechtwinkliger Richtung zu der Richtung der Drehung des Reifens 11.
Der Magnetfeldsensor 14 misst indirekt die Temperatur T des Reifens 11, wobei er direkt die Richtung des Magnetfelds H misst, bestimmt durch die Magnetisierung des Permanentmagneten 21, welcher an dem Drehelement 22 positioniert ist.
Der Magnetfeldsensor 14, welcher z.B. ein Drehventilsensor sein kann, empfindlich auf Umschaltungen in der Magnetfeldrichtung, ist in der Lage, die Veränderung der Richtung des Magnetfelds H zu erfassen, so dass er den Temperaturanstieg detektieren kann. Insbesondere können geeignete Schaltungen und Mikro-Controller in der Elektronikeinheit eingesetzt werden, um die Anzahl von Dre hungen des Permanentmagneten 21 zu messen, welche über die Zeit stattfinden, z.B. mittels eines einfachen Zählers, und somit die Temperatur des Reifens 17 zu bestimmen.
Der Permanentmagnet kann mittels Bulk-magnetischen Materialien oder harten ferromagnetischen Dünnfilmen erhalten werden, abgelagert durch entsprechende Dünnfilmablagerungstechniken, wie etwa Sputtern oder Elektroablagerung (electrodeposition). In diesem Fall kann der Permanentmagnet 21 einen einzelnen Film oder einen Stapel von mehreren Filmen aufweisen, wie auch Kompositmaterialien, gebildet durch ferromagnetische Partikel, welche verschiedene Größe (von Nanometern bis Millimetern) und Formen aufweisen, eingebettet und magnetisiert in eine Polymermatrix. Partikel können vor Ort oder außerhalb in dem Polymer synthetisiert werden. In der hier beschriebenen Ausführungsform ändert sich die Magnetisierung des Permanentmagneten 21 nicht als Funktion der Temperatur.
In jedem Fall ist von einigen magnetischen Materialien bekannt, dass sie sich in einer Art und Weise verhalten, welche für die Anwendung, die oben beschrieben ist, geeignet sind, d.h. mit einer Magnetisierungsantwort, welche sich bemerkbar verändert, nicht nötigerweise in linearer Form, über einem Bereich von Temperaturen zwischen –40° C und 300° C. 3 zeigt in diesem Zusammenhang das Profil des absoluten Wertes Abs(M) der Magnetisierung eines Materials, geeignet, um den Permanentmagneten 21 zu bilden, als Funktion der Temperatur T. Es ist sofort ersichtlich, dass eine Magnetisierung einen absoluten Minimalwert bei einer Kompensationstemperatur Tcomp annimmt und bei der Curie-Temperatur Tcurie.
Die obigen beschriebene Lösung gestattet es, beachtliche Vorteile gegenüber den Lösungen des Standes der Technik zu erzielen.
Die Temperatursensorvorrichtung gemäß der Erfindung gestattet vorteilhafterweise die Temperatur mit Drehungen in der Richtung des Magnetfelds zu korrelieren, so dass die richtige Bestimmung der Intensität des Magnetfelds zum Sensor weniger Einfluss hat, da die Übergänge, welche durch das Drehelement bestimmt werden, gemessen werden können.
Insbesondere verwendet die magnetische Temperatursensorvorrichtung, welche hier vorgeschlagen ist, vorteilhafterweise als Drehelement ein Formgedächtnismaterial, welches für Temperaturänderungen empfindlich ist.
Natürlich können ohne Veränderung des Prinzips der Erfindung die Konstruktionsdetails und die Ausführungsformen breit variieren bezüglich dem, was hier beschrieben ist und rein im Wege eines Beispiels dargestellt ist, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Das Drehelement kann auch vorgesehen sein mit einer Schrauben-Typ- oder spiralförmigen vorwärts schreitenden Bewegung entlang der Achse 25, z.B. durch geeignetes Versehen des Zylinders und des Balkens des Formgedächtnismaterials mit einem Gewinde. Auf diese Art und Weise setzt sich die Temperaturveränderung um sowohl in eine Drehung des Magnetfelds als auch in eine Änderung in seiner Intensität. Diese Parameter können gleichzeitig gemessen werden durch den Magnetfeldsensor, was es gestattet, eine Temperatur mit besserer Präzision zu messen.
Darüber hinaus kann das Element, welches in der Lage ist, sich als Funktion der Temperatur zu drehen, ausgebildet werden durch Mittel, welche unterschiedlich sind von dem Balken aus Formgedächtnismaterial, was als die bevorzugte Ausführungsform beschrieben ist. Zum Beispiel ist es möglich, die Veränderungen im Volumen einer Zelle auszunutzen, welche Gas enthält, um eine mechanische Verschiebung zu erhalten, welche übertragen werden kann in eine Drehbewegung des magnetischen Elements.
Der Magnetfeldsensor kann erhalten werden mit irgendeinem digitalen oder analogen Magnetfeldsensor, wie etwa einem einfachen Elektromagnet bzw. Solenoid, oder einem AMR-(Anisotropic Magnetic Resistance), Hall-, GMR-(Giant Magnetic Resistance), TMR-(Tunnel junction Magneto Resistance)-Sensor.
Eine Temperatursensorvorrichtung der oben beschriebenen Art kann verwendet werden in einer Vielzahl von Anwendungen, welche das Messen einer Temperatur erfordern.
Im Zusammenhang mit dem Messen einer Temperatur in einem Reifen kann der Temperatursensor Teil einer geeigneten Messeinheit sein, welche weiter Reifenabnutzungsensoren und/oder Drucksensoren und möglicherweise Aktuatoren oder Ventile aufweist, um eine Reifentemperatur wiederherzustellen, wobei die Einheit direkt an dem Reifen angeordnet ist und unabhängig durch die Umwandlung von Vibrationsenergie mit Energie versorgt werden kann, abgeleitet von der Bewegung des Reifens.
Insbesondere ist es möglich, den Sensor, positioniert am festen Teil, auszunutzen, um Magnetfeldänderungen in einer Intensität und/oder Richtung von anderen Magnetfeldquellen unter Steuerung bzw. Kontrolle von anderen Größen, wie etwa einem Druck, zu erfassen.
Es ist jedoch klar, dass die vorgeschlagene Vorrichtung in allen Temperaturmessungen angewandt werden kann, welche mit einer magnetischen Temperatursensorvorrichtung kompatibel sind, wie die hier beschriebene, welche zumindest ein magnetisches Feldursprungselement, zugeordnet mit einem sich drehend bewegenden Teil, und ein Magnetfeldsensorelement, zugeordnet mit einem festen Teil, einschließt, um Parameter eines Magnetfelds zu messen, bestimmt durch das Magnetfeldursprungselement, wobei die Parameter des Magnetfelds eine Funktion der Temperatur des sich drehend bewegenden Teils sind, wobei das Magnetfeld ursprungselement Mittel aufweist zum Drehen der Richtung des emittierten Magnetfelds entlang zumindest einer Achse.

Claims

Magnetische Temperatursensorvorrichtung für sich drehend bewegende Teile, von dem Typ aufweisend zumindest ein magnetisches Feldursprungselement (13), zugeordnet zu dem sich drehend bewegenden Teil (11), und ein Magnetfeldsensorelement (14), zugeordnet zu einem festen Teil (15), um Parameter eines magnetischen Felds (H) zu messen, bestimmt durch das magnetische Feldursprungselement (13), wobei die Parameter des magnetischen Felds (H) eine Funktion der Temperatur (T) des sich drehend bewegenden Teils (11) sind, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feldursprungselement (13) Mittel (22) aufweist zum Drehen der Richtung des magnetischen Felds (H) entlang zumindest einer Achse (25) als eine Funktion der Temperatur (T) des drehbar sich bewegenden Teils (11).
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (22) zum Drehen der Richtung des magnetischen Felds (H) entlang zumindest einer Achse (25) ein Element (23), welches sich als Funktion der Temperatur (T) dreht, und einen Permanentmagneten (21) aufweisen.
Vorrichtung wie in Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das drehende Element (23) ein Element aufweist, hergestellt aus einem Formgedächtnismaterial, insbesondere einer Nickel-Titan-Legierung.
Vorrichtung wie in Anspruch 2 oder 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (22) zum Drehen der Richtung des Magnetfelds (H) entlang zumindest einer Achse (25) auch in der Lage sind, den Permanentmagneten (21) entlang der Achse (25) als eine Funktion der Temperatur (T) zu verschieben.
Vorrichtung wie in Anspruch 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Magnetfelds (H), gemessen durch den Magnetfeldsensor (14), die Richtung und/oder die Intensität des Magnetfelds (H) aufweisen.
Vorrichtung wie in Anspruch 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (14) in der Lage ist, die Magnetfeldparameter von zusätzlichen Magnetfeldursprüngen zu messen, variabel gemäß einer physikalischen Größe und zugeordnet zu dem sich drehend bewegenden Teil, wobei eine physikalische Größe insbesondere ein Druck ist.
Vorrichtung wie in einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (11) ein Reifen für ein Kraftfahrzeug ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 7 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthalten ist in einer Messeinheit, weiter aufweisend Reifenverschleißsensoren und/oder Drucksensoren und möglicherweise Aktuatoren oder Ventile zum Wiederherstellen der Temperatur des Reifens, wobei die Einheit direkt an dem Reifen (11) positioniert ist.
Vorrichtung wie in einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (21) ausgebildet ist mit bulk-magnetischen Materialien oder harten ferromagnetischen Dünnfilmen oder Kompositmaterialien, gebildet aus ferromagnetischen Partikeln, eingebettet und magnetisiert in einer Polymermatrix.
Vorrichtung wie in einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (14) eine Drehventilvorrichtung ist.
Verfahren zum Messen der Temperatur von sich drehend bewegenden Teilen, unter Verwendung der Vorrichtung, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 10 beansprucht ist, dadurch gekennzeichnet, dass es Veränderungen in einer Temperatur (T) Veränderungen in der Richtung des Magnetfelds (H) zuordnet, erzeugt durch ein Magnetfeldursprungselement (13) und gemessen durch den Magnetfeldsensor (14).
Verfahren wie in Anspruch 11 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter Veränderungen in einer Temperatur (T) Veränderungen in der Intensität des Magnetfelds (H) zuordnet, erzeugt durch das Magnetfeldursprungselement (13) und gemessen durch den Magnetfeldsensor (14).