WO2018229016A1 - Belastungsmessverfahren, belastungsmessvorrichtung und belastungsmessanordnung - Google Patents

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sensor
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Christoph Schanz
Philipp Cörlin
Tobias Kitzler
Tobias Senkbeil
Dieter Zeisel
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Trafag Ag
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    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress

Definitions

  • the invention relates to a method, a device and an arrangement for measuring a mechanical load on a test object. Under loads are understood forces, torques or mechanical stresses on the test object.
  • Measurands of torque, force and position can be determined on ferromagnetic objects.
  • Magnetoelastic (or inverse-magnetostrictive) sensors or eddy current or eddy current sensors are usually used.
  • the ferromagnetic materials used change their permeability under the influence of tensile or compressive stresses (also called Vilari effect).
  • a delineation of the individual effects is usually difficult in practice, only the eddy current sensor is easier to distinguish on the basis of its frequency dependence from the other effects.
  • the state of the magnetization of the object is often unknown or is influenced by processing and handling of the objects sustainably, so that a broad industrial use is often difficult.
  • a prediction of the lifetime of the magnetized objects under the often quite harsh environmental conditions in which the technology is used for example, but not only heavy industry, transmission, hydraulic systems in construction machinery or in agricultural technology and much more) is often not possible.
  • generator and detector coils namely two first magnetic field detection coils A1, A2 and two second magnetic field detection coils B1, B2 and a central generator coil Lg in a cross arrangement (X- Arrangement) used.
  • the difference of the coil pair AB (A1 + A2) - (B1 + B2) is determined in an analog signal processing scheme.
  • the invention has for its object to provide a load measuring method, a load measuring device and a load measuring arrangement with improved signal quality
  • the invention provides the method, the device and the arrangement according to the independent claims.
  • an improved signal-to-noise ratio in particular with an improved possibility of determining a load direction, is to be created.
  • Particularly preferred embodiments relate to a torque sensor circuit for an optimum signal-to-noise ratio without phase effects or a method that can be carried out therewith.
  • the invention provides a load measuring method for measuring a mechanical load on a test object comprising: a) applying a magnetic field to the test object,
  • Magnetic field detection device to generate a first measurement signal, c) detecting a magnetic field changed by the test object as a result of the mechanical load on the test object by means of a second
  • Magnetic field detection device to generate a second measurement signal, and d) computing a third measurement signal from the first
  • the method comprises the steps:
  • step a) comprises:
  • step b) comprises:
  • step c) comprises:
  • Subgroup of magnetic field sensors tap.
  • step b) comprises detecting the changed magnetic field by means of at least one first magnetic field sensor and at least one second magnetic field sensor and analogously picking up a difference signal from the at least one first and the at least one second magnetic field sensor so as to generate the first measurement signal.
  • step c) comprises detecting the changed magnetic field by means of the at least one first magnetic field sensor, so as to comprise the second
  • step d) includes computational determination of the measurement signal of the second magnetic field sensor from the difference signal and the measurement signal of the first magnetic field sensor. It is preferred that step b) detecting the changed magnetic field by means of at least two first magnetic field sensors and at least two second
  • Magnetic field sensors comprises and that step b) using such an interconnection of the magnetic field sensors comprises that each of the signals of a pair of first and a second magnetic field sensor added analogously and the signals of the pairs analog subtracted be output as an analog differential signal.
  • the sum signals of the at least one first magnetic field sensor and the at least one second magnetic field sensor are further tapped and, in particular, evaluated for detecting a distance to the test object
  • an amplitude of the signal of the at least one second magnetic field sensor is determined as the third measurement signal in order to determine as a resulting signal a difference in the amplitudes of the signals from the at least one first magnetic field sensor and the at least one second magnetic field sensor.
  • Solid state magnetic field sensor is used.
  • interconnection of the plurality of magnetic field sensors is varied to tap different sum or difference signals from the plurality of magnetic field sensors.
  • At least one sensor head is used, the
  • Magnetic field sensors of the first and the second magnetic field detection means and a generator coil of the magnetic field generating means are used to detect the first and the second magnetic field generating means.
  • At least one sensor head is used, the
  • Printed circuit board element are arranged.
  • step a) comprises the imposition of an alternating magnetic field, in particular with frequencies of 1 kHz to 1000 kHz.
  • step b) and c) comprise averaging of the measurement signals over a plurality of wave trains, with preferably an averaging of between 10 and 10,000 wave trains.
  • steps b) and c) provide averaged common-mode timing
  • At least one X-array or V-array of magnetic field sensors of the first and second magnetic field detecting devices and the magnetic field generating device having a common ferromagnetic reinforcing core be used.
  • the invention provides a
  • Stress measuring device for measuring a mechanical load on a test object comprising:
  • a magnetic field generating device for applying a magnetic field to the test object
  • a first magnetic field detecting device for detecting one of the
  • Test object as a result of mechanical stress on the test object
  • Test object as a result of mechanical stress on the test object changed
  • a computing device for mathematically determining a third measurement signal from the first measurement signal and the second measurement signal
  • Produce test object indicating output signal from the third measurement signal and at least one of the first and the second measurement signals.
  • the evaluation device is designed to form a difference between one of the first and second measurement signals and the calculated third measurement signal in order to generate an output signal, on the basis of which the mechanical load applied to the test object can be determined.
  • the first magnetic field detection device has at least one first magnetic field sensor and at least one second magnetic field sensor and is configured to tap a difference between amplitudes of signals of the first and second magnetic field sensors from the at least one first and the at least one second magnetic field sensor Difference forms the first measurement signal.
  • Magnetic field sensors which are connected in series to tap a common signal from the plurality of magnetic field sensors.
  • the second magnetic field detection device Detecting magnetic field sensors of the first magnetic field detection device. It is preferable that the second magnetic field detection device
  • the computing device is designed to computationally determine the amplitude of the second magnetic field sensor from the difference signal and the measurement signal of the first magnetic field sensor and to output it as a third measurement signal.
  • the first magnetic field detection device comprises at least two first magnetic field sensors and at least two second magnetic field sensors and such an interconnection or interconnection possibility (eg by means of an interconnection path and / or a switching device) of the magnetic field sensors, that in each case the signals of a pair of first and a second magnetic field sensor added analogously and the signals of the pairs subtracted analogue output as an analog differential signal.
  • a sum signal pickup device for picking up sum signals of the at least one first magnetic field sensor and the at least one second magnetic field sensor, wherein in particular the evaluation device is designed to detect a distance to the test object by evaluating the sum signals.
  • the computing device is designed to, as the third measurement signal, an amplitude of the signal of the at least one second
  • the resulting output signal is designed to determine as the resulting output signal a difference in the amplitudes of the signals from the at least one first magnetic field sensor and the at least one second magnetic field sensor.
  • Solid state magnetic field sensors serve. It is preferred that the magnetic field generating device for imposition of an alternating magnetic field, in particular with frequencies from 1 kHz to
  • the evaluation device is designed for averaging the measurement signals over a plurality of wave trains, with an averaging preferably taking place between 10 and 10,000 wave trains.
  • a common-mode device is provided for the averaged common-mode operation of the magnetic field sensors for measuring the amplitude.
  • Magnetic field detection device and the magnetic field generating device form an X-arrangement or a V-arrangement with a common ferromagnetic reinforcement core.
  • the invention relates to a load measuring arrangement, comprising a load measuring device according to one of the preceding embodiments and a test object whose load is to be measured.
  • the different configurations of the load measuring device are suitable for carrying out embodiments of the load measuring method.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of a sensor head of a
  • FIG. 2 shows a second preferred embodiment of the sensor head
  • Fig. 3 is a side view of the sensor head of Fig. 1 together with the
  • Fig. 4 is a view similar to Fig. 3 a further embodiment of the
  • FIG. 5 shows a view comparable to FIG. 3 of yet another embodiment of the sensor head
  • Fig. 6 is a block diagram of a prior art strain gage
  • Fig. 7 is a graph showing the voltage over time for coil pairs of
  • the prior art strain gage of FIG. 6 shows in the case that a positive torque is applied to the test object
  • FIG. 8 shows the graph of FIG. 7 in the event that no torque is applied to the test object
  • Fig. 9 shows the graph of Fig. 7 in the event that a negative torque on
  • FIG. 10 is a block diagram showing a structure of a strain gauge according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 1 is a circuit diagram of a load measuring device according to an embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 to 5 show various embodiments of sensor heads 10 for a load-measuring device 12.
  • Load measuring device 12 is used for measuring mechanical Loads, in particular torques, forces or stresses, in an at least partially magnetizable test object 14, such as a shaft, a power transmission device, a transmission part, a bolt, a diaphragm (eg a pressure sensor) or the like, which in particular made of or with ferromagnetic materials is.
  • the test object 14 and the load measuring device 12 together form a load measuring arrangement 16.
  • the load measuring device 12 has a magnetic field generation device 18 and a plurality of magnetic field detection devices 20, 22.
  • the magnetic field generating device 18 has a generator coil Lg and a driver circuit 24 (see FIGS. 6, 11 and 12) for driving the generator coil Lg.
  • the magnetic field detection devices 20, 22 have magnetic field sensors 26 in the form of detector coils A1, A2, B1, B2 or solid-state magnetic field sensors 27 and an evaluation device 25 (see FIGS. 6, 11 and 12) for evaluating the signals of the magnetic field sensors 26.
  • FIG. 3 The embodiment of the sensor head 10 shown in FIG. 1 with a view to the front side to be directed onto the test object 14 is shown in FIG. 3 from the side.
  • This embodiment has two first magnetic field sensors 26-1 designed as first detector coils A1, A2 and two second magnetic field sensors 26-2 designed as second detector coils B1, B2.
  • the detector coils A1, A2, B1, B2 are provided in a cross-shaped arrangement or X-arrangement 28 on a common flux concentrator 30 made of ferromagnetic material.
  • the generator coil Lg is centrally provided - here also on a corresponding projection of the flux concentrator 30 -, wherein the first
  • Detector coils A1 and A2 are opposite and the second detector coils B1 and B2 are opposite.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the sensor head 10 with a V-arrangement 32, where only a first magnetic field sensor 26-1 - eg the first one Detector coil A1 - and only a second magnetic field sensor 26-1 angularly arranged to each other with the generator coil Lg are provided at the top of Winkelelfomr.
  • Solid-state magnetic field sensors 27 may be provided as first and second magnetic field sensors 26-1, 26-2.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the sensor head 10 in which the coil - detector coils A1, A2, B1, B2 and generator coil Lg - as planar coils 34 in a printed circuit board element 36 - e.g. executed as PCB plates - are provided.
  • the strain gauge 12 implements a new signal processing concept for tapping and processing the signals of the magnetic field sensors 26-1, 26-2.
  • the signal processing concept described herein may be applied to any sensor system including a plurality of magnetic field sensors 26-1, 26-2, e.g. four detector coils (A1, A2, B1, and B2 form an X-variant) or even only two detector coils (A1 and B1 form a V-variant).
  • a plurality of magnetic field sensors 26-1, 26-2 e.g. four detector coils (A1, A2, B1, and B2 form an X-variant) or even only two detector coils (A1 and B1 form a V-variant).
  • FIG. 6 shows a known load measuring device 1 12, in which such sensor heads 10 are used so far and which are the signals of the detector coils A1, A2, B1, B2 taps analog to perform an analog differential measurement.
  • Fig. 6 shows the basic set-up of the purely analog, active magnetization (prior art - is sold by the company Torque and More under the name TAM A3 technology).
  • the generator coil Lg is operated, for example, between 1 and 20 kHz
  • the pair of first detector coils A1, A2 are connected in series and the pair of second detector coils B1, B2 is likewise connected in series, the pairs being in the opposite direction to one another are connected in series.
  • U (B2) is the voltage of the other second detector coil B2.
  • the measurement signal is the amplitude of UAB.
  • the phase of UAB is not measured. As a result, the sign information is lost.
  • Fig. 7 shows the voltages UAB, UAT and UBT in the case of a positive
  • FIG. 8 shows the voltages UAB, UAT and UBT when no torque acts on the test object 14, and FIG. 8 shows the voltages UAB, UAT and UBT in the case of a negative torque on the test object 14.
  • the difference signal AB is a directly analog measured variable-in the form of the amplitude of the voltage UAB explained above -for an optimum S / N ratio to get.
  • Another problem is that in the signal UAB (corresponds to AB) at the same time an amplitude information and a
  • Phase information is available.
  • the phase information leads to a
  • Torque direction can not be determined.
  • phase offset between the detected signals of the two sensor coils (or the two pairs of sensor coils) which should be compensated to give a correct result, i. E. to get a suitable difference. Due to the phase shift, therefore, the signal values of the two sensor coils (or the two pairs of sensor coils) may not be used at the same time, but the phase offset must be taken into account and for the
  • Difference formation those signal values are used, which are present by the determined phase offset relative to each other.
  • the zero crossings of the signals of the two sensor coils are used.
  • Particularly preferred embodiments of the method and the device for measuring loads on test objects by means of active magnetization use a temporal sampling of the difference between the amplitudes of (A-B) and one of the two coil pairs A or B and from this the arithmetic
  • the sampling takes place at very high frequencies (some 100 kHz), so that several thousand wave trains of the magnetic alternating field (samples) can be evaluated.
  • After averaging can be between 100 and 1000 samples per
  • the resulting "signal-to-noise" value is between 8 ⁇ 00 and 12,500 (corresponding to a mechanical load of 60 and 150 MPa), which corresponds to a noise of approximately 2 ⁇ or 0.013 % FS ... 0.008% FS related to a measuring range of 16 ... 25 mV useful signal.
  • both channels are measured separately and thus determines amplitude and phase separately.
  • Fig. 10 a preferred embodiment of the load measuring method is shown in a temporal block flow, while in Fig. 1 1 is a schematic block diagram representation of a preferred embodiment of
  • Load measuring device 12 is shown.
  • a first magnetic field detection device 20 which supplies a first measurement signal U1 on a first channel, the first
  • Magnetic field detection device 20 the analog structure and the analog channel of the single-channel known circuit of Fig. 6. As a measurement signal, the difference signal UAB is supplied.
  • a second magnetic field detection device 22 is provided for supplying a second measurement signal U2, UAT, which includes only the at least one first magnetic field sensor 26-1 (eg only the one first magnetic field sensor 26-1 in the V arrangement or only the pair of first magnetic field sensors A1 + A2 in the X-arrangement) and the measurement signal only of the at least one first magnetic field sensor 26-1 (eg only the one first magnetic field sensor 26-1 in the V arrangement or only the pair of first magnetic field sensors A1 + A2 in the X-arrangement) and the measurement signal only of the at least one first
  • Magnetic field sensor 26-1 supplies. As measurement signal U2 UAT is thus supplied.
  • a computing device 40 which consists of these
  • Measurement signals UAB and UAT the measured signal of the at least one second magnetic field sensor 26-2 calculated.
  • the tapped measurement signals U1, U2 undermined in step S4 a vibration damping by RC circuits R2-C2-R4 and R3-C3-R5 and a gain in a respective amplifier 42. Subsequently, they are digitized in an AD converter and in the evaluation device 25th processed.
  • Fig. 10 shows the digital signal evaluation path (from left to right), the last arrow stands for the digital output, the signal processing allows compensation of the temperature, the hysteresis and the distance sensor - test object.
  • Fig. 1 1 shows a basic circuit for the two-channel measurement data processing.
  • R1 and C1 are used to generate sinusoidal signals from the square wave signals. For example, Magnetic fields are generated with frequencies in the range of 1 kHz to 20 kHz.
  • the sampling is preferably at frequencies in the range of 1 kHz to several 100 kHz, and more preferably, a common mode (implemented, for example, as software in a microprocessor) improved
  • the outputs of the individual magnetic field sensors 26-1, 26-2, A1, A2, B1, B2 individually tapped and individually or in different combinations, can be tapped and evaluated as a difference signal or sum signal. It can be so different
  • the first and second magnetic field measuring devices 20, 22 can thus be constructed from different magnetic field sensors 26-1, 26-2, A1, A2, B1, B2.
  • the four detector coils (A1, A2, B1, B2) can be used depending on the purpose
  • the interconnection of the coils, or more generally the magnetic field sensors 26-1, 26-2, may be implemented as hardware - e.g. via a correspondingly designed printed circuit board element 36 - or in a switching electronics - e.g. controlled by software - done.
  • the outputs of the detector coils A1, A2, B1, B2 can be individually connected to a sensor electronics, which interconnects the outputs depending on the purpose or evaluates individually.
  • subgroups of the detector coils can be tapped rectified in order to generate a sum signal or tapped with mutually different polarity to tap a difference signal.
  • An advantage of such a preferred embodiment of the signal processing described here consists in a mutual BeClten the coil pairs, so allows the wiring (A1 -B1) - (A2-B2) that you can detect local defects (for example, cracks in the wave) (the is not designed today with the A3 Integral Sensor as X).
  • various methods of controlling or eliminating faults can be supported, enabling on-the-fly monitoring to detect random faults and to safely handle detected faults and transition to a safely defined state
  • constellation is not used exclusively in applications where varying axle loads and different
  • the methodology can advantageously be used to arrange a plurality of individual sensors around a rotating shaft (as described and shown in DE 10 2017 107 1 1 1 .3) and then calculate their measurements - the signal to be analyzed in this case is based on the multiple wiring n [(A1 + A2) - (B1 + B2)], which is then averaged in a second step
  • n the number of measuring points assumes values between four and sixteen.
  • All described interconnections and constellations can generally be operated either in an "X" mode (X-array 28, FIG. 1) or in a "V" -mode (V-array 32, FIG. 2), in the first case besides the Generator coil Lg four detector coils, in the second case two detector coils are provided in a special arrangement (angle between 70 and 1 10 °).
  • V arrangement 32 one chooses A1 -B1, which has the advantage that a simple integral sensor consisting of two to for example sixteen
  • a preferred embodiment of the method for measuring a force or voltage applied to a test object 14 comprises the following steps: generating a magnetic field;
  • Magnetic field detection device 20 (“A-B");
  • Magnetic field detecting means 22 ("A” or "B”);
  • the sum signals of the coils A1 + A2 + B1 + B2 can be tapped and evaluated, so that advantageously a distance measurement to the test object 14 can be realized.
  • the distance of the sensor head 10 to the test object 14 can be measured.
  • two or four solid-state magnetic field sensors 27 can also be used.
  • the concept illustrated here also works with direct current and / or a non-alternating magnetic field.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

Zur Verbesserung der Ausgangssignalqualität einer Belastungsmessung mittels aktiver Aufmagnetisierung schafft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt (14), umfassend: a) Erzeugen und Applizieren eines Magnetfelds auf das Testobjekt (14), b) Erfassen eines von dem Testobjekt (14) als Folge einer mechanischen Belastung auf das Testobjekt (14) veränderten Magnetfelds mittels einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung (20), um ein erstes Messsignal (U1, UAB) zu erzeugen, c) Erfassen eines von dem Testobjekt (14) als Folge der mechanischen Belastung auf das Testobjekt (14) veränderten Magnetfelds mittels einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (22), um ein zweites Messsignal (U2, UAT) zu erzeugen, d) Rechnerisches Ermitteln eines dritten Messsignals (UBT) aus dem ersten Messsignal (U1, UAB) und dem zweiten Messsignal (U2, UAT), und vorzugsweise die Schritte e) Bilden der Differenz aus einem (U2, UAT) der ersten und zweiten Messsignale und dem rechnerisch ermittelten dritten Messsignal (UBT), um ein Ausgangssignal zu erzeugen, f) Ermitteln der an dem Testobjekt (14) anliegenden mechanischen Belastung aufgrund des Ausgangssignals. Weiter wird eine entsprechende Belastungsmessvorrichtung zum Durchführen des Belastungsmessverfahrens vorgeschlagen.

Description

Belastungsmessverfahren, Belastungsmessvorrichtung und
Belastungsmessanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Anordnung zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen an dem Testobjekt verstanden.
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen
Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder Eddy- Current-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch Vilari- Effekt genannt). Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist. Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschliesslich Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich.
Aus EP 3Ό51 '265 A1 ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive
Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1 , A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1 , B2 und eine mittige Generatorspule Lg in einer Kreuzanordnung (X- Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1 +A2) - (B1 +B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, ein Belastungsmessverfahren, eine Belastungsmessvorrichtung und eine Belastungsmessanordnung mit verbesserter Signalqualität zu schaffen
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung das Verfahren, die Vorrichtung und die Anordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise soll mit vorteilhaften Ausgestaltungen ein verbesserter Signal-zuRausch-Verhältnis, insbesondere bei verbesserter Möglichkeit einer Bestimmung einer Belastungsrichtung, geschaffen werden.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen betreffen eine Drehmomentsensor- Schaltung für ein optimales Signal-zu-Rausch-Verhältnis ohne Phaseneffekte bzw. ein damit durchführbares Verfahren.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt umfassend: a) Applizieren eines Magnetfelds auf das Testobjekt,
b) Erfassen eines von dem Testobjekt als Folge einer mechanischen
Belastung auf das Testobjekt veränderten Magnetfelds mittels einer ersten
Magnetfelderfassungseinrichtung, um ein erstes Messsignal zu erzeugen, c) Erfassen eines von dem Testobjekt als Folge der mechanischen Belastung auf das Testobjekt veränderten Magnetfelds mittels einer zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung, um ein zweites Messsignal zu erzeugen, und d) Rechnerisches Ermitteln eines dritten Messsignals aus dem ersten
Messsignal und dem zweiten Messsignal und
Ermitteln der Belastung aus dem dritten Messsignal und wenigstens eines der ersten und zweiten Messsignale. Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte:
e) Bilden der Differenz aus einem der ersten und zweiten Messsignale und dem rechnerisch ermittelten dritten Messsignal, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, und
f) Ermitteln der an dem Testobjekt anliegenden mechanischen Belastung aufgrund des Ausgangssignals.
Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:
Erzeugen eines Magnetfelds und Applizieren des erzeugten Magnetfelds auf das Testobjekt.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels mehrerer in Reihe geschalteter Magnetfeldsensoren und Abgreifen eines Summen- oder Differenzsignals aus diesen Magnetfeldsensoren und
dass Schritt c) umfasst:
Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels eines oder einer Untergruppe dieser Magnetfeldsensoren, um ein Teilsignal aus diesem einen oder der
Untergruppe der Magnetfeldsensoren abzugreifen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels wenigstens eines ersten Magnetfeldsensors und wenigstens eines zweiten Magnetfeldsensors und analoges Abgreifen eines Differenzsignals aus dem wenigstens einen ersten und dem wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor umfasst, um so das erste Messsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt c) Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels des wenigstens einen ersten Magnetfeldsensors umfasst, um so das zweite
Messsignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt d) rechnerisches Ermitteln des Messsignals des zweiten Magnetfeldsensors aus dem Differenzsignal und dem Messsignal des ersten Magnetfeldsensors umfasst. Es ist bevorzugt, dass Schritt b) Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels wenigstens zwei ersten Magnetfeldsensoren und wenigstens zwei zweiten
Magnetfeldsensoren umfasst und dass Schritt b) Verwenden einer derartigen Verschaltung der Magnetfeldsensoren umfasst, dass jeweils die Signale eines Paars eines ersten und eines zweiten Magnetfeldsensors analog addiert und die Signale der Paare analog subtrahiert als analoges Differenzsignal ausgegeben werden.
Es ist bevorzugt, dass weiter die Summensignale des wenigstens einen ersten Magnetfeldsensors und des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors abgegriffen und insbesondere zum Erfassen eines Abstands zum Testobjekt ausgewertet werden
Es ist bevorzugt, dass als drittes Messsignal eine Amplitude des Signals des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors ermittelt wird, um als resultierendes Signal eine Differenz der Amplituden der Signale aus dem wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor und des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass als Magnetfeldsensor eine Spule oder ein
Festkörpermagnetfeldsensor verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Verschaltung der mehreren Magnetfeldsensoren variiert wird, um unterschiedliche Summen- oder Differenzsignale aus den mehreren Magnetfeldsensoren abzugreifen.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Sensorkopf verwendet wird, der
Magnetfeldsensoren der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung und eine Generatorspule der Magnetfelderzeugungseinrichtung aufweist.
Es ist bevorzugt, dass mehrere Sensorköpfe, die jeweils Magnetfeldsensoren der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung und eine Generatorspule der Magnetfelderzeugungseinrichtung aufweisen, um das Testobjekt herum verteilt angeordnet werden und zur gemeinsamen Messsignalerzeugung eingesetzt werden.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Sensorkopf verwendet wird, der
Planarspulen als Magnetfeldsensoren der ersten und der zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung und als eine Generatorspule der
Magnetfelderzeugungseinrichtung aufweist, die in oder an einem
Leiterplattenelement angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass Schritt a) die Auferlegung eines Wechselmagnetfeldes umfasst, insbesondere mit Frequenzen von 1 kHz bis 1000kHz.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) und c) Mittelung der Messsignale über mehrere Wellenzüge umfasst, wobei vorzugsweise eine Mittelung über zwischen 10 und 10000 Wellenzüge erfolgt.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) und c) eine gemittelte Gleichtaktung zur
Amplitudenmessen umfassen.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine X-Anordnung oder V-Anordnung aus Magnetfeldsensoren der ersten und zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung und der Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einem gemeinsamen ferromagnetischen Verstärkungskern verwendet werden.
Es ist bevorzugt, dass mehrere X- oder V-Anordnung um das Testobjekt herum verteilt verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt umfassend:
eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Applizieren eines Magnetfelds auf das Testobjekt, eine erste Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines von dem
Testobjekt als Folge einer mechanischen Belastung auf das Testobjekt
veränderten Magnetfelds und zum Liefern eines ersten Messsignals,
eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines von dem
Testobjekt als Folge der mechanischen Belastung auf das Testobjekt veränderten
Magnetfelds und zum Liefern eines zweiten Messsignals, und
eine Recheneinrichtung zum rechnerischen Ermitteln eines dritten Messsignals aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal,
und eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein die Belastung auf das
Testobjekt anzeigendes Ausgangssignal aus dem dritten Messsignal und wenigstens einem der ersten und der zweiten Messsignale zu erzeugen.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, eine Differenz aus einem der ersten und zweiten Messsignale und dem rechnerisch ermittelten dritten Messsignal zu bilden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, aufgrund dessen die an dem Testobjekt anliegende mechanische Belastung ermittelbar ist.
Es ist bevorzugt, dass die erste Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor und wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor aufweist und dazu ausgebildet ist, aus dem wenigstens einen ersten und dem wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor eine Differenz von Amplituden von Signalen des ersten und des zweiten Magnetfeldsensors abzugreifen, wobei diese Differenz das erste Messsignal bildet.
Es ist bevorzugt, dass die erste Magnetfelderfassungseinrichtung mehrere
Magnetfeldsensoren aufweist, die in Reihe geschaltet sind, um ein gemeinsames Signal aus den mehreren Magnetfeldsensoren abzugreifen.
Es ist bevorzugt, dass die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung einen oder eine Untergruppe dieser zu der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung gehörigen Magnetfeldsensoren aufweist, um ein Signal nur aus einem Teil der
Magnetfeldsensoren der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung abzugreifen. Es ist bevorzugt, dass die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung den
wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor umfasst und dazu ausgebildet ist, eine Amplitude aus dem ersten Magnetfeldsensor als zweites Messsignal auszugeben.
Es ist bevorzugt, dass die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, rechnerisch die Amplitude des zweiten Magnetfeldsensors aus dem Differenzsignal und dem Messsignal des ersten Magnetfeldsensors zu ermitteln und als drittes Messsignal auszugeben.
Es ist bevorzugt, dass die erste Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens zwei erste Magnetfeldsensoren und wenigstens zwei zweite Magnetfeldsensoren und eine derartige Verschaltung oder Verschaltungsmöglichkeit (z.B. mittels eines Verschaltungspfads und/oder einer Schalteinrichtung) der Magnetfeldsensoren umfasst, dass jeweils die Signale eines Paars eines ersten und eines zweiten Magnetfeldsensors analog addiert und die Signale der Paare analog subtrahiert als analoges Differenzsignal ausgegeben werden.
Es ist bevorzugt, dass weiter eine Summensignalabgreifeinrichtung zum Abgreifen von Summensignalen des wenigstens einen ersten Magnetfeldsensors und des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors vorgesehen ist, wobei insbesondere die Auswerteeinrichtung zum Erfassen eines Abstands zum Testobjekt durch Auswertung der Summensignale ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, als drittes Messsignal eine Amplitude des Signals des wenigstens einen zweiten
Magnetfeldsensors zu ermitteln, und dass die Auswerteeinrichtung dazu
ausgebildet ist, als resultierendes Ausgangssignal eine Differenz der Amplituden der Signale aus dem wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor und des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor zu ermitteln.
Es ist bevorzugt, dass als Magnetfeldsensoren Spulen oder
Festkörpermagnetfeldsensoren dienen. Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Auferlegung eines Wechsel magnetfeldes, insbesondere mit Frequenzen von 1 kHz bis
1000kHz, auf das Testobjekt ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung zur Mittelung der Messsignale über mehrere Wellenzüge ausgebildet ist, wobei vorzugsweise eine Mittelung über zwischen 10 und 10000 Wellenzüge erfolgt.
Es ist bevorzugt, dass eine Gleichtakteinrichtung zur gemittelten Gleichtaktung der Magnetfeldsensoren zur Amplitudenmessung vorgesehen ist.
Es ist bevorzugt, dass Magnetfeldsensoren der ersten und zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung und die Magnetfelderzeugungseinrichtung eine X-Anordnung oder eine V-Anordnung mit einem gemeinsamen ferromagnetischen Verstärkungskern bilden.
Weiter betrifft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung, umfassend eine Belastungsmessvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und ein Testobjekt, dessen Belastung zu messen ist.
Die unterschiedlichen Ausgestaltungen der Belastungsmessvorrichtung sind zum Durchführen von Ausgestaltungen des Belastungsmessverfahrens geeignet.
Die unterschiedlichen Ausgestaltungen des Belastungsmessverfahrens sind mittels Ausgestaltungen der Belastungsmessvorrichtung oder der
Belastungsmessanordnung durchführbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Sensorkopfes einer
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer mechanischen
Belastung, wie insbesondere Kraft, Spannung oder Drehmoment an einem Testobjekt; Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Sensorkopfes;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Sensorkopfes von Fig. 1 zusammen mit dem
Testobjekt;
Fig. 4 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 einer weiteren Ausführungsform des
Sensorkopfes;
Fig. 5 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 noch einer weiteren Ausführungsform des Sensorkopfes;
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Belastungsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 7 einen Graph, der die Spannung über der Zeit für Spulenpaare der
Belastungsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik von Fig. 6 im Falle zeigt, dass ein positives Drehmoment am Testobjekt anliegt;
Fig. 8 den Graph von Fig. 7 im Falle, dass kein Drehmoment am Testobjekt anliegt;
Fig. 9 den Graph von Fig. 7 im Falle, dass ein negatives Drehmoment am
Testobjekt anliegt;
Fig. 10 ein Blockdiagramm eines Aufbaus einer Belastungsmessvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 1 1 ein Schaltungsdiagramm einer Belastungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen von Sensorköpfen 10 für eine Belastungsmessvorrichtung 12 dargestellt. Die
Belastungsmessvorrichtung 12 dient zum Messen von mechanischen Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in einem zumindest teilweise magnetisierbaren Testobjekt 14, wie z.B. einer Welle, einer Kraftübertragungseinrichtung, einem Getriebeteil, einem Bolzen, einer Membran (z.B. eines Drucksensors) oder dergleichen, welches insbesondere aus oder mit ferromagnetischen Materialien gebildet ist. Das Testobjekt 14 und die Belastungsmessvorrichtung 12 bilden zusammen eine Belastungsmessanordnung 16.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Generatorspule Lg und eine Treiberschaltung 24 (siehe Figuren 6, 1 1 und 12) zum Treiben der Generatorspule Lg auf.
Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form von Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 oder Festkörpermagnetfeldsensoren 27 und eine Auswerteeinrichtung 25 (siehe Fig. 6, 1 1 und 12) zum Auswerten der Signale der Magnetfeldsensoren 26 auf.
Die in Fig. 1 mit Blick auf die auf das Testobjekt 14 zu richtende Vorderseite gezeigte Ausführungsform des Sensorkopfs 10 ist in Fig. 3 von der Seite gezeigt. Diese Ausführungsform weist zwei als erste Detektorspulen A1 , A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Detektorspulen B1 , B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 auf einem gemeinsamen Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Dabei ist mittig die Generatorspule Lg - hier ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 - vorgesehen, wobei sich die ersten
Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorkopfes 10 mit einer V- Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - z.B. die erste Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-1 winkelförmig zueinander angeordnet mit der Generatorspule Lg an der Spitze der Winkelfomr vorgesehen sind.
Wie Fig. 4 zeigt, können anstatt Detektorspulen auch
Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Sensorkopfes 10, bei der die Spulen - Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 und Generatorspule Lg - als Planarspulen 34 in einem Leiterplattenelement 36 - z.B. ausgeführt als PCB-Platten - vorgesehen sind.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung implementiert ein neues Signalverarbeitungskonzept zum Abgreifen und Verarbeiten der Signale der Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2.
Das hier beschriebene Signalverarbeitungskonzept kann auf jedes Sensorsystem angewandt werden, das mehrere Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 wie z.B. vier Detektorspulen (A1 , A2, B1 , und B2 bilden eine X-Variante) oder auch nur zwei Detektorspulen (A1 und B1 bilden eine V-Variante), aufweist.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wird das Magnetfeld über den
Flusskonzentrator 30 mit der Erregerspule oder Generatorspule Lg erzeugt.
Auch andere Aufbauten und Designs können für die beschriebene
Signalverarbeitung genutzt werden, so zum Beispiel kann mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Magnetfeldsensoren 27 (Hallsensoren, MR oder GMR-Sensoren = Giant magneto resistance, deutsch,„Riesenmagnetowiderstandseffekt") oder den unterschiedlichsten am Markt erhältlichen magnetischen Flusskonzentratoren 30 (englisch flux concentrator) gearbeitet werden.
Fig. 6 zeigt eine bekannte Belastungsmessvorrichtung 1 12, in der bisher derartige Sensorköpfe 10 einsetzt sind und die die Signale der Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 analog abgreift, um eine analoge differentielle Messung durchzuführen. Fig. 6 zeigt das prinzipielle Set-Up der rein analogen, aktiven Aufmagnetisierung (Stand der Technik - wird von der Firma Torque and More unter der Bezeichnung TAM A3 Technologie vertrieben). Die Generatorspule Lg wird beispielsweise zwischen 1 und 20 kHz betrieben, die Detektorspulen Ai oder Bi (mit i=1 oder 2) werden zwischen 1 kHz und 100 kHz betrieben.
Wie man der Verschaltung der Spulen auf der linken Seite von Fig. 6 entnehmen kann, sind hierzu das Paar erster Detektorspulen A1 , A2 in Reihe geschaltet und das Paar zweiter Detektorspulen B1 , B2 ist ebenfalls in Reihe geschaltet, wobei die Paare zueinander in entgegengesetzter Richtung in Reihe geschaltet sind.
Hierdurch ergibt sich als Ausgangsignal UAB:
UAB = UAT - ÜBT = (U(A1 ) + U(A2)) - (U(B1 ) + U(B2),
wobei
UAT die Spannung des Paares A erster Detektorspulen A1 , A2,
ÜBT die Spannung des Paares B zweiter Detektorspulen B1 , B2,
U(A1 ) die Spannung der einen ersten Detektorspule A1 ,
U(A2) die Spannung der anderen ersten Detektorspule A2,
U(B1 ) die Spannung der einen zweiten Detektorspule B1 , und
U(B2) die Spannung der anderen zweiten Detektorspule B2 ist.
Das Messsignal ist die Amplitude von UAB. Die Phase von UAB wird nicht gemessen. Dadurch geht die Vorzeichen Information verloren.
Fig. 7 zeigt die Spannungen UAB, UAT und ÜBT im Falle eines positiven
Drehmoments auf das Testobjekt 14, Fig. 8 zeigt die Spannungen UAB, UAT und ÜBT, wenn kein Drehmoment auf das Testobjekt 14 wirkt, und Fig. 8 zeigt die Spannungen UAB, UAT und ÜBT im Falle eines negativen Drehmoments auf das Testobjekt 14.
Für eine Signalverarbeitung mit dem analogen Prinzip empfiehlt es sich, das Differenzsignal A-B als direkt analoge Messgröße - in Form der Amplitude der oben erläuterten Spannung UAB - zu verwenden um ein optimales S/N Ratio zu bekommen. Typisch erreichbare Werte des Rauschens liegen dabei bei ca. 8μν bezogen auf eine Signalhöhe von einigen mV (0.1 %...0.5% bezogen auf den gesamten Messbereich = FS). Ein weiteres Problem dabei ist, dass in dem Signal UAB (entspricht A-B) zugleich eine Amplitudeninformation und eine
Phaseninformation vorhanden ist. Die Phaseninformation führt zu einer
Nichtlinearität im Messsignal, welche bei großen Signaländerungen dazu führen kann, dass die Kennlinie sich sehr stark krümmt; eine eindeutige
Drehmomentrichtung kann nicht bestimmt werden. Durch gezieltes Einbringen einer Asymmetrie (z.B. durch Verwenden von Spulen mit unterschiedlicher
Windungsanzahl) kann zwar der Arbeitspunkt verschoben werden, es bleiben jedoch Unsicherheiten bezüglich dem nichtlinearem Verhalten am Minimum, dem nicht bekannten oder wechselnden Arbeitspunkt (bevor bei der Kalibration ein kompletter Messbereich durchfahren wurde) und eventuelle Nachteile bzgl.
Temperatur- und Abstandsempfindlichkeit.
Der in Fig. 6 gezeigte bekannte differentielle, einkanalige Ansatz führt (in jedem Fall, unabhängig von der Anzahl der Spulen) zudem dazu, dass ein
Phasenversatz zwischen den erfassten Signalen der beiden Sensorspulen (oder der beiden Paare von Sensorspulen) vorliegt, der ausgeglichen werden sollte, um ein korrektes Ergebnis, d.h. eine passende Differenz, zu erhalten. Auf Grund des Phasenversatzes dürfen also nicht die Signalwerte der beiden Sensorspulen (oder der beiden Paare von Sensorspulen) zum gleichen Zeitpunkt verwendet werden, sondern es muss der Phasenversatz berücksichtigt werden und für die
Differenzbildung diejenigen Signalwerte herangezogen werden, welche um den ermittelten Phasenversatz relativ zueinander vorliegen. Um diesen Phasenversatz zu ermitteln, werden die Nulldurchgänge der Signale der beiden Sensorspulen herangezogen.
Eine Methode, diese Nachteile zu umgehen, besteht, indem man das magnetische Wechselfeld diskret abtastet und damit statt einer zeitkontinuierlichen Messung eine zeitdiskrete Messung vornimmt. Misst man direkt die Amplituden von
A=(A1 +A2) und B=(B1 +B2) aus, so ergibt sich jedoch ein etwas schlechteres S/N Ratio (Rauschleistung von etwa 50 V bezogen auf ein Nutzsignal von 10...20 mV) aber eine eindeutige Bestimmung der Drehmomentrichtung und eine Separation von Phase und Amplitude ist möglich.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung zum Messen von Belastungen auf Testobjekte mittels aktiver Aufmagnetisierung nutzen eine zeitliche Abtastung (Sampling) der Differenz der Amplituden von (A-B) und einem der beiden Spulenpaare A oder B und daraus die rechnerische
Ermittlung von B (Amplitude und Phase) oder für den zweiten Fall A (Amplitude und Phase).
Vorzugsweise findet die Abtastung bei sehr hohen Frequenzen statt (einige 100kHz), damit einige tausend Wellenzüge des magnetischen Wechselfeldes (samples) ausgewertet werden können.
Nach Mittelung können zwischen 100 und 1000 Abtastwerte (samples) pro
Sekunde als Ausgangssignal ausgegeben werden, damit ist die zeitliche
Auflösung des Ausgangssignals im Bereich von einem bis wenige Millisekunden.
Der so erzielte„Signal-to-Noise" (S/N Rauschabstand) Wert liegt hierbei je nach verwendetem Sicherheitsfaktor zwischen 8Ό00 und 12'500 (entsprechend einer mechanischen Belastung von 60 und 150 MPa). Dies entspricht einem Rauschen ca. 2μν oder 0.013%FS ... 0.008%FS bezogen auf einen Messbereich von 16...25 mV Nutzsignal.
Vorzugsweise werden im Unterschied zur rein analogen Messung von UAT-UBT beide Kanäle separat ausgemessen und damit Amplitude und Phase separat bestimmt.
Vorteilhafterweise werden keine gewickelten Spulen, sondern Planarspulen 34 integriert in einer Leiterplatte 36, eingesetzt wie sie seit einiger Zeit bekannt sind, um eine hohe Reproduzierbarkeit der Fertigungsprozesse bei geleichzeitig geringen Kosten zu erreichen (siehe Fig. 5). In Fig. 10 ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Belastungsmessverfahrens in einem zeitlichen Blockablauf dargestellt, während in Fig. 1 1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der
Belastungsmessvorrichtung 12 dargestellt ist.
Bei dieser Ausführungsform weist eine erste Magnetfelderfassungseinrichtung 20, die ein erstes Messsignal U1 auf einem ersten Kanal liefert, die ersten
Magnetfeldsensoren 26-1 , A1 , A2 und die zweiten Magnetfeldsensoren 26-2, B1 und B2 auf, wobei die Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2, A1 , A2, B1 , B2 wie zuvor anhand des Stands der Technik beschrieben - falls paarweise vorhanden - paarweise in Reihe (A1 +A2) und (B1 +B2) und zueinander in umgekehrter
Richtung in Reihe geschaltet sind. Somit entspricht die erste
Magnetfelderfassungseinrichtung 20 dem analogen Aufbau und dem analogen Kanal der einkanaligen bekannten Schaltung aus Fig. 6. Als Messsignal wird das Differenzsignal UAB geliefert.
Zusätzlich ist eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 22 zum Liefern eines zweiten Messsignals U2, UAT vorgesehen, die nur den wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor 26-1 (z.B. nur den einen ersten Magnetfeldsensor 26-1 bei der V-Anordnung oder nur das Paar erster Magnetfeldsensoren A1 +A2 bei der X- Anordnung) umfasst und das Messsignal nur des wenigstens einen ersten
Magnetfeldsensors 26-1 liefert. Als Messsignal U2 wird somit UAT geliefert.
Zusätzlich ist eine Recheneinrichtung 40 vorgesehen, die aus diesen
Messsignalen UAB und UAT das Messsignal des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors 26-2 rechnerisch ermittelt.
In Fig. 10 ist die Magnetfelderzeugung S1 mittels einer H-Brücke als
Treiberschaltung 24 (siehe Fig. 1 1 ) mit anschließender Flankenabschwächung S2 dargestellt. Das so erzeugte Magnetfeld wird mittels des Sensorkopfes 10 und insbesondere der Generatorspule Lg auf das Testobjekt 14 auferlegt. Im Schritt S3 - Magnetfelderfassung - wird mit der Spulenanordnung des Sensorkopfes 10 das Signal A-B (in Form von U1 =UAB) abgegriffen und außerdem das Signal des oder der ersten Magnetfeldsensor(s/en) U2= UAT - entspricht A - abgegriffen. Die abgegriffenen Messsignale U1 , U2 unterlaufen im Schritt S4 einer Schwingungsdämpfung durch RC-Schaltungen R2-C2-R4 bzw. R3-C3-R5 und einer Verstärkung in einem jeweiligen Verstärker 42. Anschließend werden sie in einem AD-Wandler digitalisiert und in der Auswerteeinrichtung 25 verarbeitet.
Fig 10 zeigt den digitalen Signalauswertungspfad (von links nach rechts), der letzte Pfeil steht für den digitalen Ausgang, die Signalverarbeitung ermöglicht Kompensation der Temperatur, der Hysterese und des Abstandes Sensor - Testobjekt.
Fig. 1 1 zeigt eine Basisschaltung für die zwei-kanalige Messdatenaufbereitung. Die Treiberschaltung 24 in Form einer H-Bridge (Vierquadrantensteller, ein typischer Motorentreiber = elektronische H-Brückenschaltung bestehend aus vier Halbleiterschaltern (Transistoren), die eine Gleichspannung (Supply) in eine Wechselspannung variabler Frequenz und variabler Pulsbreite umwandeln (Out_1 , Out_2)) treibt die Generatorspule Lg (Gen). R1 und C1 werden dazu benutzt, um aus den Rechtecksignalen sinus-förmige Signale zu erzeugen. Z.B. werden Magnetfelder mit Frequenzen im Bereich von 1 kHz bis 20 kHz erzeugt.
Die Abtastung erfolgt vorzugsweise mit Frequenzen im Bereich von 1 kHz bis mehrere 100 kHz, wobei weiter vorzugsweise eine (z.B. als Software in einem Mikroprozessor implementierte) Gleichtaktung zur verbesserten
Amplitudenmessung und eine Mittelung über mehrere Wellenzüge (10 bis 1000 Wellenzüge) erfolgt.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Signalverarbeitung ist die Wahlfreiheit an ferromagnetischen Materialien für den Flusskonzentrator 30, die im vorliegenden Verfahren in den jeweiligen Kombinationen Spule - ferromagnetisches Material benutzt werden können. Bei gegenwärtigen Sensorköpfen 10 werden neben Eisenkernen, die aus dem Rohmaterial gefräst werden, auch Kerne verwendet, die 3D gedruckt werden, oder Transformatorbleche verwendet, die kostenaufwendig zusammengefügt werden müssen. Es besteht nun die Aussicht, neben
kommerziellen, günstigen Ferritkernen auch den Kern selbst ganz wegzulassen und die hintere Abdeckung mit einer metallischen Folie abzudecken. Bei weiteren, hier nicht näher dargestellten Ausführungsformen sind die Ausgänge der einzelnen Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2, A1 , A2, B1 , B2 einzeln abgreifbar und einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen, als Differenzsignal oder Summensignal abgreifbar und auswertbar. Es können so unterschiedliche
Messsignale abgegriffen und daraus weitere Messsignale rechnerisch ermittelt werden. Die erste und die zweite Magnetfeldmesseinrichtung 20, 22 können somit aus unterschiedlichen Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2, A1 , A2, B1 , B2 aufgebaut werden.
Die vier Detektorspulen (A1 , A2, B1 , B2) können je nach Einsatzzweck
unterschiedlich miteinander verschaltet werden, um über einen Verstärker 42 zu einem nutzbaren Messsignal zu kommen.
Die Verschaltung der Spulen oder allgemeiner der Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 kann als Hardware - z.B. über ein entsprechend ausgelegtes Leiterplattenelement 36 - oder in einer Schaltelektronik - z.B. gesteuert mittels Software - erfolgen.
Hierzu können die Ausgänge der Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 einzeln mit einer Sensorelektronik verbunden sein, die die Ausgänge je nach Einsatzzweck zusammenschaltet oder einzeln auswertet. Insbesondere können Untergruppen der Detektorspulen gleichgerichtet abgegriffen werden, um ein Summensignal zu erzeugen oder mit zueinander unterschiedlicher Polarität abgegriffen werden, um ein Differenzsignal abzugreifen.
Ein Vorteil einer derartigen bevorzugten Ausgestaltung der hier beschriebenen Signalaufbereitung besteht in einem wechselseitigen Beschälten der Spulenpaare, so erlaubt die Beschaltung (A1 -B1 ) - (A2-B2), dass man damit lokale Defekte (beispielsweise Risse in der Welle) detektieren kann (das geht heute mit dem A3 Integralsensor als X ausgelegt nicht).
Diese Möglichkeit einer wechselnden (z.B. wechselseitigen) Beschaltung hat noch einen weiteren Vorteil, denn im Rahmen von sicherheitsrelevanten Anwendungen (beispielsweise der SIL- Einstufung gemäß der Normenreihe IEC 61508 "Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener
elektrischer/elektronischer/programmierbar elektronischer Systeme") können diverse Methoden zur Beherrschung oder Eliminierung von Fehlern unterstützt werden. So kann die Überwachung im laufenden Betrieb zur Erkennung von zufälligen Fehlern sowie die sichere Beherrschung von erkannten Fehlern und der Übergang in einen sicher definierten Zustand ermöglicht werden. Hierzu kann mit zwei Signalpfaden gearbeitet werden, in denen im ersten Kanal (A1 -B1 ) und im zweiten Kanal (A2-B2) ausgewertet werden. Weichen diese zwei, ursprünglich gleichen Werte um beispielsweise mehr als ihre doppelte Spezifikation ab, so können die beiden Informationen miteinander verrechnet und ggf. plausibilisiert werden.
Verschaltet man die Spulen gemäß (A1 +B1 ) - (A2+B2), so kann man vorteilhaft herausfinden, ob Spannungsgradienten oder Querkräfte auftreten - diese
Konstellation wird beispielsweise aber nicht ausschließlich in Anwendungen eingesetzt, in denen variierende Achslasten und unterschiedliche
Traktionsverhältnisse ermittelt werden sollen.
Tastet man die Spulen A1 , A2, B1 und B2 direkt ab und verrechnet sie in einem zweiten Prozessschritt miteinander, so kann zusätzliche Information zur zeitlichen Signalinvarianz gewonnen werden.
Im Bereich großer Durchmesser > 100mm des Testobjekts 14 (z.B. Welle) kann die Methodik vorteilhaft dazu verwendet werden, um mehrere Einzelsensoren um eine rotierende Welle herum anzuordnen (wie dies in der DE 10 2017 107 1 1 1 .3 beschrieben und gezeigt ist) und dann deren Messungen zu verrechnen - das zu analysierende Signal basiert in diesem Fall auf der mehrfachen Beschaltung n[(A1 +A2)-(B1 +B2)], die dann in einem zweiten Schritt gemittelte
Datenverarbeitung erlaubt. Z.B. nimmt n = die Anzahl der Messstellen Werte zwischen vier und sechzehn an.
Alle beschriebenen Verschaltungen und Konstellationen können generell entweder in einem„X"-Modus (X-Anordnung 28, Figur 1 ) oder in einem„V"-Modus (V- Anordnung 32, Figur 2) betrieben werden, im ersten Fall sind neben der Generatorspule Lg vier Detektorspulen, im zweiten Fall sind zwei Detektorspulen in einer speziellen Anordnung (Winkel zwischen 70 und 1 10°) vorgesehen. Im Fall von zwei Spulen (V-Anordnung 32) wählt man A1 -B1 , das hat den Vorteil, dass ein einfacher Integralsensor bestehend aus zwei bis beispielsweise sechzehn
Elementen, wie er in DE 10 2017 107 1 1 1 .3 für vier Messelemente beschrieben ist, eine deutlich höhere Auflösung um die Welle herum erlaubt und damit die Signal-Nichtuniformität bei schlechtem Rundlauf noch weiter verbessert werden kann (von 1 % FS auf 0.2% FS).
Schließlich kann aus den Wechselfeldern an Lg und an Ai, Bi (mit i= 1 oder die relative Phasenbeziehung zwischen Signal A und B, die Phase zwischen A oder B relativ zum Generator wie auch das abgetastete Signal (A-B) relativ zum
Generator abgeleitet werden und nutzbringend weiterverrechnet werden.
In diesem Zusammenhang gelten auch die reverse-connected (siehe Ausrichtung der Spule mit Beginn der Wicklungen) und die gleichgeschaltete Konstellation aller beschriebenen Varianten als unter die Erfindung fallend.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zum Messen einer an einem Testobjekt 14 anliegenden Kraft oder Spannung weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen eines Magnetfeldes;
Applizieren des erzeugten Magnetfelds auf das Testobjekt 14;
Anbringen einer Kraft auf das Testobjekt 14;
Erfassen des von dem Testobjekt 14 als Ergebnis der angebrachten Kraft veränderten Magnetfeldes mit einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung 20 und Bereitstellen eines ersten Messsignals U1 , UAB mit der ersten
Magnetfelderfassungseinrichtung 20 („A-B");
Erfassen des von dem Testobjekt 14 als Ergebnis der angebrachten Kraft veränderten Magnetfeldes mit einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung 22 und Bereitstellen eines zweiten Messsignals U2, UAT mit der zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung 22 („A" oder„B");
Rechnerische Ermittelung des dritten Messignals ÜBT („B" oder„A") aus dem ersten Messsignal („A-B") und dem zweiten Messsignal („A" oder„B"); Ermitteln des resultierenden Signals„Ausgangssignals A*-B*" als Differenz zwischen dem zweiten Messsignal und dem dritten, rechnerisch ermittelten Messsignal = Amplitude (A) - Amplitude (B);
Ermitteln der an dem Testobjekt anliegenden Kraft resp. Spannung basierend auf dem resultierenden Signal.
Vorzugsweise können die Summensignale der Spulen A1 +A2+B1 +B2 abgegriffen und ausgewertet werden, damit kann vorteilhafterweise eine Abstandsmessung zum Testobjekt 14 realisiert werden. Somit kann neben der Kraft oder einer Spannung auch der Abstand des Sensorkopfs 10 zum Testobjekt 14 gemessen werden.
Weiter ist eine gemittelte Gleichtaktung, um eine vereinfachte Amplitudenmessung zu erreichen, bevorzugt.
Vorzugsweise lässt sich zusätzlich oder alternativ ein Messsignal einer
Verschaltung (A1 +B1 ) - (A2+B2) abgreifen.
Wie erwähnt können anstatt der Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2, auch zwei oder vier Festkörpermagnetfeldsensoren 27 verwendet werden. Insbesondere wenn derartige Magnetfeldsensoren 27 eingesetzt werden, funktioniert das hier dargestellte Konzept auch mit Gleichstrom und/oder einem nicht wechselnden Magnetfeld.
Bezugszeichenliste:
10 Sensorkopf
12 Belastungsmessvorrichtung
14 Testobjekt
16 Belastungsmessanordnung
18 Magnetfelderzeugungseinrichtung
20 erste Magnetfelderfassungseinrichtung
22 zweite Magnetfelderfassungseinrichtung
24 Treiberschaltung
25 Auswerteeinrichtung
26 Magnetfeldsensor
26-1 erster Magnetfeldsensor
26-2 zweiter Magnetfeldsensor
27 Festkörpermagnetfeldsensor
28 X-Anordnung
30 Flusskonzentrator
32 V-Anordnung
34 Planarspule
36 Leiterplattenelement
40 Recheneinrichtung
42 Verstärker
44 A/D-Wandler
1 12 Belastungsmessvorrichtung (Stand der Technik)
A1 erste Detektorspule
A2 erste Detektorspule
B1 zweite Detektorspule
B2 zweite Detektorspule
Lg Generatorspule
S1 Magnetfelderzeugung
S2 Flankenabschwächung
S3 Magnetfelderfassung
S4 Schwingungsdämpfung, Verstärkung
S5 A/D-Wandlung, Signalverarbeitung

Claims

Ansprüche:
1 . Belastungsmessverfahren zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt (14), umfassend:
a) Erzeugen und Applizieren eines Magnetfelds auf das Testobjekt (14), b) Erfassen eines von dem Testobjekt (14) als Folge einer mechanischen Belastung auf das Testobjekt (14) veränderten Magnetfelds mittels einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung (20), um ein erstes Messsignal (U1 , UAB) zu erzeugen,
c) Erfassen eines von dem Testobjekt (14) als Folge der mechanischen Belastung auf das Testobjekt (14) veränderten Magnetfelds mittels einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (22), um ein zweites Messsignal (U2, UAT) zu erzeugen,
d) Rechnerisches Ermitteln eines dritten Messsignals (ÜBT) aus dem ersten Messsignal (U1 , UAB) und dem zweiten Messsignal (U2, UAT), und
e) Ermitteln eines Ausgangssignals aus dem dritten Messsignal und wenigstens einem der ersten und zweiten Messsignale (u1 , U2) und
f) Ermitteln der an dem Testobjekt (14) anliegenden mechanischen Belastung aufgrund des Ausgangssignals.
2. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
2.1 dass Schritt e) umfasst:
Bilden der Differenz aus einem (U2, UAT) der ersten und zweiten Messsignale und dem rechnerisch ermittelten dritten Messsignal (ÜBT), um das
Ausgangssignal zu erzeugen, und/oder
2.2 dass Schritt b) umfasst:
Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels mehrerer in Reihe geschalteter Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) und Abgreifen eines Summenoder Differenzsignals (UAB, U1 ) aus diesen Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2), und dass Schritt c) umfasst:
Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels eines (A1 ) oder einer Untergruppe (26-1 , A1 , A2) dieser Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2), um ein Teilsignal (U2, UAT) aus diesem einen oder der Untergruppe der
Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) abzugreifen.
3. Belastungsmessverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt b) Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels wenigstens eines ersten Magnetfeldsensors (26-1 ) und wenigstens eines zweiten
Magnetfeldsensors (26-2) und Abgreifen eines Differenzsignals aus dem wenigstens einen ersten (26-1 ) und dem wenigstens einen zweiten (26-2) Magnetfeldsensor umfasst, um so das erste Messsignal zu erzeugen und dass Schritt c) Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels des wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor (26-1 ) umfasst, um so das zweite Messsignal zu erzeugen und
dass Schritt d) rechnerisches Ermitteln des Messsignals des zweiten
Magnetfeldsensors (26-2) aus dem Differenzsignal und dem Messsignal des ersten Magnetfeldsensors (26-1 ) umfasst.
4. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
4.1 dass Schritt b) Erfassen des veränderten Magnetfelds mittels wenigstens zwei ersten Magnetfeldsensoren (26-1 , A1 , A2) und wenigstens zwei zweiten Magnetfeldsensoren (26-2, B1 , B2) umfasst und dass Schritt b) Verwenden einer derartigen Verschaltung der Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2) umfasst, dass jeweils die Signale eines Paars eines ersten (A1 , A2) und eines zweiten (B1 , B2) Magnetfeldsensors analog addiert und die Signale der Paare (A1 , A2; B1 , B2) analog subtrahiert als analoges Differenzsignal (U1 , UAB) ausgegeben werden, und/oder
4.2 dass weiter die Summensignale des wenigstens einen ersten
Magnetfeldsensors (26-1 ) und des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors (26-2) abgegriffen und insbesondere zum Erfassen eines Abstands zum
Testobjekt (14) ausgewertet werden und/oder
4.3 dass als drittes Messsignal eine Amplitude des Signals des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors (26-2) ermittelt wird, um als resultierendes Ausgangssignal eine Differenz der Amplituden der Signale aus dem wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor (26-1 ) und dem wenigstens einen zweiten
Magnetfeldsensor (26-2) zu ermitteln und/oder
4.4 dass als Magnetfeldsensor (26-1 , 26-2) eine Spule (A1 , A2, B1 , B2) oder ein Festkörpermagnetfeldsensor (27) verwendet wird und/oder
4.5 dass die Verschaltung der mehreren Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) variiert wird, um unterschiedliche Summen- oder Differenzsignale aus den mehreren Magnetfeldsensoren abzugreifen.
5. Belastungsmessverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
5.1 dass Schritt a) die Auferlegung eines Wechselmagnetfeldes umfasst, insbesondere mit Frequenzen von 1 kHz bis 1000kHz, und
dass Schritt b) und c) Mittelung der Messsignale über mehrere Wellenzüge umfasst, wobei vorzugsweise eine Mittelung über zwischen 10 und 10000
Wellenzüge erfolgt und/oder
5.2 dass wenigstens ein Sensorkopf (10) verwendet wird, der
Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und eine Generatorspule (Lg) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) aufweist, und/oder
5.3 dass mehrere Sensorköpfe (10), die jeweils Magnetfeldsensoren (26-1 , 26- 2; A1 , A2, B1 , B2) der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und eine Generatorspule (Lg) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) aufweisen, um das Testobjekt (14) herum verteilt angeordnet werden und zur gemeinsamen Messsignalerzeugung eingesetzt werden,
5.4 dass wenigstens ein Sensorkopf (10) verwendet wird, der Planarspulen (34) als Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und als eine Generatorspule (Lg) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) aufweist, die in oder an einem
Leiterplattenelement (36) angeordnet sind.
6. Belastungsmessverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt b) und c) eine gemittelte Gleichtaktung zur Amplitudenmessung umfassen.
7. Belastungsmessverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine X-Anordnung (28) oder V-Anordnung (32) aus
Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2) der ersten und zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und der
Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) mit einem gemeinsamen
ferromagnetischen Verstärkungskern (30) verwendet werden.
8. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere X- oder V-Anordnungen (28, 32) um das Testobjekt (14) herum verteilt verwendet werden.
9. Belastungsmessvorrichtung (12) zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt (14) umfassend:
eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Applizieren eines Magnetfelds auf das Testobjekt (14),
eine erste Magnetfelderfassungseinrichtung (20) zum Erfassen eines von dem Testobjekt (14) als Folge einer mechanischen Belastung auf das Testobjekt (14) veränderten Magnetfelds und zum Liefern eines ersten Messsignals (U1 , UAB), eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (22) zum Erfassen eines von dem Testobjekt (14) als Folge der mechanischen Belastung auf das Testobjekt (14) veränderten Magnetfelds und zum Liefern eines zweiten Messsignals (U2, UAT), und
eine Recheneinrichtung (40) zum rechnerischen Ermitteln eines dritten
Messsignals (ÜBT) aus dem ersten Messsignal (U1 , UAB) und dem zweiten Messsignal (U2, UAT),
und eine Auswerteeinrichtung (25), die dazu ausgebildet ist, aus dem dritten Messsignal (ÜBT) und wenigstens einem des ersten (UAB) und des zweiten Messsignals (UAT) ein die mechanische Belastung anzeigendes Ausgangssignal zu erzeugen.
10. Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
10.1 dass die Auswerteeinrichtung (25) dazu ausgebildet ist, eine Differenz aus einem (UAT) der ersten und zweiten Messsignale und dem rechnerisch ermittelten dritten Messsignal (ÜBT) zu bilden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, aufgrund dessen die an dem Testobjekt (14) anliegende mechanische Belastung ermittelbar ist, und/oder
10.2 dass die erste Magnetfelderfassungseinrichtung (20) mehrere
Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, um ein gemeinsames Signal (UAB, U1 ) aus den mehreren
Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) abzugreifen, und
dass die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (22) einen (A1 ) oder eine Untergruppe (26-1 , A1 , A2) dieser zu der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung (20) gehörigen Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) aufweist, um ein Signal nur aus einem Teil der Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) der ersten Magnetfelderfassungseinrichtung (20) abzugreifen.
1 1 . Belastungsmessvorrichtung (12) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Magnetfelderfassungseinrichtung (20) wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor (26-1 ) und wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor (26-2) aufweist und dazu ausgebildet ist, aus dem wenigstens einen ersten (26-1 ) und dem wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor (26-2) eine Differenz von Amplituden von Signalen des ersten und des zweiten Magnetfeldsensors (26-1 , 26-2) abzugreifen, wobei diese Differenz das erste Messsignal (U1 , UAB) bildet, und
dass die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (22) den wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor (26-1 ) umfasst und dazu ausgebildet ist, eine Amplitude aus dem ersten Magnetfeldsensor (26-1 ) als zweites Messsignal auszugeben, und dass die Recheneinrichtung (40) dazu ausgebildet ist, rechnerisch die Amplitude des zweiten Magnetfeldsensors (26-2) aus dem Differenzsignal (UAB) und dem Messsignal des ersten Magnetfeldsensors (26-1 ) zu ermitteln und als drittes Messsignal auszugeben.
12. Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
12.1 dass die erste Magnetfelderfassungseinrichtung (20) wenigstens zwei erste Magnetfeldsensoren (26-1 , A1 , A2) und wenigstens zwei zweite
Magnetfeldsensoren (26-2, B1 , B2) und eine derartige Verschaltung der
Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2, A1 , A2, B1 , B2) umfasst, dass jeweils die
Signale (UAT, ÜBT) eines Paars (A1 , A2; B1 , B2) eines ersten (26-1 ) und eines zweiten (26-2) Magnetfeldsensors analog addiert und die Signale der Paare analog subtrahiert als analoges Differenzsignal (U1 , UAB) ausgegeben werden, und/oder
12.2 dass weiter eine Summensignalabgreifeinrichtung zum Abgreifen von Summensignalen des wenigstens einen ersten Magnetfeldsensors (26-1 ) und des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors (26-2) vorgesehen ist, wobei insbesondere die Auswerteeinrichtung (25) zum Erfassen eines Abstands zum Testobjekt (14) durch Auswertung der Summensignale ausgebildet ist und/oder
12.3 dass die Recheneinrichtung (40) dazu ausgebildet ist, als drittes Messsignal eine Amplitude des Signals des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensors (26- 2) zu ermitteln, und dass die Auswerteeinrichtung (25) dazu ausgebildet ist, als resultierendes Ausgangssignal eine Differenz der Amplituden der Signale aus dem wenigstens einen ersten Magnetfeldsensor (26-1 ) und des wenigstens einen zweiten Magnetfeldsensor (26-2) zu ermitteln, und/oder
12.4 dass als Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2) Spulen (A1 , A2, B1 , B2) oder Festkörpermagnetfeldsensoren (27) dienen und/oder
12.5 dass eine Einrichtung zum variablen Verschalten der Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2, A1 , A2, B1 , B2) vorgesehen ist, insbesondere zum Umkehren oder Gleichrichten der Polarität eines oder einer Teilgruppe (26-1 , A1 , A2) der
Magnetfeldsensoren relativ zu den verbleibenden Magnetfeldsensoren (26-2, B1 , B2).
13. Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zur Auferlegung eines
Wechselnnagnetfeldes, insbesondere mit Frequenzen von 1 kHz bis 1000kHz, auf das Testobjekt ausgebildet ist, und
dass die Auswerteeinrichtung (25) zur Mittelung der Messsignale über mehrere Wellenzüge ausgebildet ist, wobei vorzugsweise eine Mittelung über zwischen 10 und 10000 Wellenzüge erfolgt.
14. Belastungsmessvorrichtung (12) nach einem der voranstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
14.1 dass eine Gleichtakteinrichtung zur gemittelten Gleichtaktung der
Magnetfeldsensoren zur Amplitudenmessung vorgesehen ist und/oder
14.2 dass Magnetfeldsensoren (26, 26-1 , 26-2) der ersten und zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und die
Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) eine X-Anordnung (28) oder eine V- Anordnung (32), vorzugsweise mit einem gemeinsamen ferromagnetischen Verstärkungskern (30), bilden, und/oder
14.3 dass wenigstens ein Sensorkopf (10) vorgesehen ist, der
Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und eine Generatorspule (Lg) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) aufweist, und/oder
14.4 dass mehrere Sensorköpfe (10), die jeweils Magnetfeldsensoren (26-1 , 26- 2; A1 , A2, B1 , B2) der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und eine Generatorspule (Lg) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) aufweisen, um das Testobjekt (14) herum verteilt angeordnet sind und zur gemeinsamen Signalerzeugung ausgebildet sind,
14.5 dass wenigstens ein Sensorkopf (10) vorgesehen ist, der Planarspulen (34) als Magnetfeldsensoren (26-1 , 26-2; A1 , A2, B1 , B2) der ersten und der zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) und als eine Generatorspule (Lg) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) aufweist, die in oder an einem
Leiterplattenelement (36) angeordnet sind.
15. Belastungsmessanordnung (16), umfassend eine
Belastungsmessvornchtung (12) nach einem der voranstehenden Ansprüche und ein Testobjekt (14), dessen Belastung zu messen ist.
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