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1. (WO2018229016) BELASTUNGSMESSVERFAHREN, BELASTUNGSMESSVORRICHTUNG UND BELASTUNGSMESSANORDNUNG
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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