DE3017202A1

DE3017202A1 - Einrichtung zur ermittlung von drehbewegungen

Info

Publication number: DE3017202A1
Application number: DE19803017202
Authority: DE
Inventors: Sigeyuki Akita; Yoshiyuki Kago; Masao Kotera
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1980-05-05
Publication date: 1980-11-27
Also published as: US4339713A; DE3017202C2; JPS55156810A

Description

Einrichtung zur Ermittlung von Drehbewegungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Umdrehungen von Drehbewegungen ausführenden Körpern und betrifft insbeson-■ dere eine Einrichtung zur Messung der Drehzahl von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, die sich vor allem für Dieselmaschinen eignet.

Übliche Einrichtungen dieser Art ermitteln die Drehzahl eines Ottomotors auf der Basis von dessen Zündsignalen oder mittels eines Fühlers, wie eines elektromagnetischen Aufnehmers bzw. Gebers, der die Bewegung von Zähnen eines Kurbelgetriebes der Brennkraftmaschine erfaßt.
30

Während die erstgenannte Meßeinrichtung jedoch nicht bei Dieselmaschinen Verwendung finden kann, da diese nicht mit Fremdzündung arbeiten, erfordert die letztere Meßeinrichtung die Anbringung von Montageboh- . rungen an der Brennkraftmaschine.

X/rs

- 5 - DE 0376

Darüber hinaus ist bekannt, daß eine Umdrehung eines magnetischen Körpers mit zwei von einem externen Magnetfeld zwangsweise hervorgerufenen entgegengesetzten Polen (Nordpol und Südpol) eine Änderungsperiode in dem Magnetfeld erzeugt. Im Rahmen der Erfindung wurde ferner nach Durchführung einer Anzahl unterschiedlicher Versuche festgestellt, daß auch ein ferromagnetischer Körper ohne äußere Magnetisierung bei einer Umdrehung eine Änderungsperiode in dem Magnetfeld aufgrund seiner Eigenmagnetisierung hervorruft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Ermittlung von Drehbewegungen zu schaffen, die eine genaue berührungslose Messung der Fre-. quenz von Dreh- oder Schwingbewegungen, wie z. B. der Drehzahl einer Brennkraftmaschine unabhängig vom Maschinentyp ermöglicht.-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelost, daß in einem gewissen Abstand von einem aus ferromagnetischem Material, wie schmiedbarem Gußeisen bestehenden und aufgrund seiner Eigenmagnetisierung schwach magnetisieren Drehkörper, wie z. B. der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, ein magnetischer Meßfühler angeordnet ist, dessen Ausgangssignale von einer SignalVerarbeitungseinrichtung ausgewertet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

030048/0648

- 6 - DE 0376

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine bei dem ersten Ausführungsbeispiel

verwendete elektrische Schaltungsanordnung,

Fig. 3 Signalverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2, die die

Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels veranschaulichen,

Fig. '4 ein charakteristisches Beispiel'für eine unter Verwendung des ersten Ausführungsbei

spiels erhaltene Messung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zweiten' Ausführungsbeispiels, und

, :

Fig. 6 Signalverläufe an verschiedenen Punkten des zweiten Ausführungsbeispiels, die deren Arbeitsweise veranschaulichen.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. und 2 ist ein magnetischer Meßfühler 1 an einem Punkt A in der Nähe einer an der Kurbelwelle 4 einer Brennkraftmaschine 3 angebrachten Riemenscheibe 4a angeordnet, die z. B. einen (nicht dargestellten) Wechselspannungsgenerator antreibt. Ein Getriebe 3a verbindet die· Kurbelwelle 4 mit. der Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs. Der magnetische Meßfühler 1 umfaßt eine Treiberspule 5, eine Meßspule 6 und ein sog. Fluxgate-Magnetometer (Förstersonde), das einen ringförmigen Permalloy-Magnetkern 7 aufweist, der mit der Treiberspule 5 und

030048/0848

der Meßspule 6 in der in Fig. 2 dargestellten Weise umwickelt ist. Der magnetische Meßfühler 1 ist derart angeordnet, daß die Achsen des Magnetkerns 7 und der Kurbelwelle 4 senkrecht zueinander verlaufen, während die Achsen der Meßspule 6 und der Kurbelwelle 4 parallel zueinander angeordnet sind, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht j st. Ferner ist der magnetische Meßfühler 1 mit einem Prozessor bzw. einer Signalverarbeitungsschal tung 2· verbunden, die eine Erregerschaltung 8 zur Ansteuerung des magnetischen Meßfühlers 1 und eine Meßschaltung 9 zur Auswertung des Ausgangssignals des magnetischen Meßfühlers 1 aufweist. Die Signalverarbeitungsschaltung 2 ist über einen Stromversorgungsanschluß 2a mit einer Konstantspannungsschaltung verbunden, während über einen Ausgangsanschluß 2b das Meßsignal abgegeben wird. Die Erregerschaltung 8 weist eine astabile Kippstufe oder eine Oszillatorschaltung auf und ist mit Invertern 10, 11 und 12,-Widerständen 13, 14 und 16, einem Kondensator 15 und einem Transistor versehen. Die Meßschaltung 9 umfaßt einen Wechselspannung !.-.verstärker 18, eine Diode 19, einen Kondensator 20, einen Widerstand 21 und eine Schmitt-Triggerschaltung 22.

Machstehend sei näher auf die Arbeitsweise dieses Auwführungabe L£jρ LeIy eingegangen :

Das periodische Dreieck-Ausgangssignal (Fig. 3a) der die Inverter 10 und 11, die Widerstände 13 und 14 ^ou sowie den Kondensator 15 umfassenden astabilen Kippstufe wird über den Transistor 17 der Treiberspule 5 des magnetischen Meßfühlers 1 aufgeprägt. Die Frequenz des periodischen Dreieck-Ausgangssignals, die bei diesem Ausführungsbeispiel 5 kHz beträgt, muß beträchtlich höher als die maximale Umlauffrequenz (0,1 kHz) der

030048/0648

""'."*- 8' - ■- " DE 0376

Kurbelwelle 4 sein. Alternativ können auch andere Signalverläufe, z. B, ein sinusförmiges Signal, als periodisches Ausgangssignal Verwendung finden. Dieses Signal erzeugt in dem Magnetkern 7 ein kräftiges Trei-. bermagnetfeld, dem ein schwaches äußeres Magnetfeld überlagert und wie ein Signal hinzuaddiert wird, v/as dazu führt, daß sich in der Meßspule 6 ein Signal bilde/t, dessen Amplitude der resultierenden magnetischen Feldstärke proportional ist (Fig. 3(b)). Die Amplitude dieses Signals ist somit konstant, wenn sich die Kurbelwelle 4 im Stillstand befindet, wie dies durch den links der Linie A verlaufenden Abschnitt des Signalverlaufs gemäß Fig. 3(b) veranschaulicht ist, während bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle eine Amplitudenmodulation des Ausgangssignals der Meßspule 6 erfolgt, wie dies durch den rechts der Linie A verlaufenden Abschnitt des Signals gernäß Fig. 3(b) veranschaulicht ist.

Hierbei wird davor} ausgegangen, daß die Kurbelwel-Ie 4 (aufgrund unbestimmter magnetischer Quellen) ein stärkeres Magnetfeld als das Erdmagnetfeld mit sich führt und als Teil eines schwachen Magneten mit einem einzigen Magnetpol angesehen v/erden kann, wodurch bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine Periode des amplitudenmodulierten Signals gebildet wird. Das Ausgangssignal der Meßspule 6 wird von dem Wechselspannungsverstärker 18 verstärkt und von einer aus der Diode 19, dem Kondensator 20 und dem Widerstand'21 bestehenden Gleichrichterschaltung einer Hüllkurvengleichrichtung zur Bildung des Signalverlaufs gemäß Fig. 3(c) unterworfen. Dieses Signal wird von einer Signalfornierschaltung bzw. der Schmitt-Triggerschaltung 22 in Impulse umge.-setzt, die über den Ausgangsanschluß 2b in Form des in Fig. 3(d) dargestellten Signals abgegeben werden. Die Meßschaltung 9 kann auch derart aufgebaut sein, daß das

030 048/0 84 8

Ausgangssignal des Wechselspannungsverstärkers 18 zur Ermittlung der Hüllkurve periodisch abgetastet wird. Ein Impuls des erhaltenen Signals entspricht somit einer Umdrehung der Kurbelwelle, so daß die Umlauffrequenz der Brennkraftmaschine durch Zählen dieser Impulse auf einfache Weise erhalten werden kann.

Bei der Messung der Umlauffrequenzen einer Dieselmaschine mit Hilfe des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels wurde festgestellt, daß das maximale Magnetfeld nahe der an der Kurbelwelle angebrachten Riemenscheibe auftrat, in deren Nähe der magnetische Meßfühler 1 angebracht war. Die bei' dieser Messung ermittelten Daten sind in Fig. 4 in Form eines Schaubildes wiedergegeben, bei dem über der Abszisse die Drehzahl N der Brennkraftmaschine und über der Ordinate die Ausgangsimpulsfrequenz f aufgetragen sind. Fig. 4 ist zu entnehmen, daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine

bis zu 4000 min genau .gemessen werden kann.

Nachstehend sind die Ergebnisse von Messungen wiedergegeben, die an einer hochdrehenden Dieselmaschine (Typ H) und einer niedrigdrehenden Dieselmaschine (Typ N) der Firma Toyota Motor Company vorgenommen wurden. Die beiden Maschinentypen befanden sich jeweils auf einem Prüfstand, wobei folgende Meßbedingungen vorlagen:

Umgebungstemperatur: 20 C

Abstand zwischen dem magnetischen Meßfühler 1 und dem Meßobjekt: 10 mm

Windungszahl der Treiberspule 5: 140 Windungen (Drahtdurchmesser 0,16 ram)

Windungszahl der Meßspule 6: 180 Windungen (Drahtdurchmesser 0,12 mm)
Meßpunkte: A - unterhalb der Riemenscheibe 4a,

B - unter der vorderen Unterseite der Brennkraftmaschine 3

030048/0648

-10- DE 0376

1 C- unter der hinteren Unterseite der Brenn

kraftmaschine 3,'

D- unterhalb des Getriebes 3a

Meßgröße: Amplitudenmodulationsgrad des Ausgangs¹-* 5 signals des magnetischen Meßfühlers 1 gemäß der Defini tion [M^mfi>) /(&.+/&)] 100 % für den Signal verlauf gemäß ; Fig. 3(d). ' . ^:

Ergebnisse: 10

Maschinentyp Meßpunkt Meßpunkt Meßpunkt Meßpunkt

■ A BC- D

N 67% 17% 4% 4%

H 17 % 5 % 1 % 1 %

20

■ Die diesen Amplitudenmodulationswerten zugeord-

i .-.-■ neten'Impulssignale wurden am Ausgangsanschluß 2b gemes-

i ■ - . ■

⁵ sen und erwiesen sich als ausreichend stark zur Messung

;■ "..-.· der Umlauffrequenzen in sämtlichen Fällen, bei denen

der Modulationsgrad nicht unter 4 % lag, wiesen jedoch j : eine unzureichende Stärke in denjenigen Fällen auf, bei

\ '·- denen der Modulationsgrad 1 % betrug.

30

Unter Ausnutzung der Richtwirkung des magnetischen

Meßfühlers 1 wurde der Einfluß des Erdmagnetfeldes auf den Meßfühler 1 untersucht und festgestellt, daß trotz einer bei einigen Richtungsorientierungen des Meßfüh-

; . lers 1 auftretenden geringen Beeinflussung des Modui · 35
,l· lationsgrades durch das Erdmagnetfeld Meßimpulse propor-

030048/0648

■ ■ - r. ι - 11 - DE 0376 ·. ί

tional zu der jeweiligen UmIauffrequenz erhalten werden

können, wenn der Modulationsgrad 4 % und mehr beträgt. , · ■ i

■- ■ f '

Bei Verwendung des vorstehend beschriebenen ersten .'"" ''^;

Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einem Ottomotor . ■.

muß der magnetische Meßfühler 1 innerhalb eines Ab-. . t/

Standsbereiches von 1 bis 2 mm von der Riemenscheibe 4a · !>-

angeordnet werden, und zwar aufgrund der Tatsache,. da,ß > ^1:t"

das Zündsystem Störungen des Magnetfeldes verursachen l;'

kann, die dann zu Fehlfunktionen bzw. falschen Meßwer- ' Γ j

ten der Meßeinrichtung führen. Wird jedoch die Riemen- ■ (:

scheibe 4a von einem äußeren Magnetfeld zwangsweise · i.

magnetisiert, läßt sich die UmI auf frequenz bzw« Dreh- ' ■ "· . | zahl der Riemenscheibe 4a auch bei einem Abstand von 10 mm zwischen dem magnetischen Meßfühler 1 und der Riemen- ' M scheibe 4a leicht ermitteln. " ;

"■. - j."·. In. Fig. 5 ist ein zv/eites AusfUhrungsbeispiel der |,|

Meßeinrichtung dargeste.llt, bei der zwei gegenüberliegende magnetische Meßfühler 1 und 1' in einem Winkelab- ;■"":- stand von 180° zueinander in der Nähe der Riemenscheibe 4a angeordnet sind. Während der Drehbewegung der Riemen- -_; scheibe 4a nehmen die magnetischen Meßfühler 1 und 1' jeweils amplitudenmodulierte Signale gemäß Fig. 6(a) bzw. gemäß Fig. 6(b) auf, die eine Phasenverschiebung

von 180° zueinander aufweisen. Diese Ausgangssignale .. ■!-

der magnetischen Meßfühler 1 und 1' werden in einer, | j

jeweiligen SignalVerarbeitungsschaltung 2 bzw. 2* ver- . ' stärkt, demoduliert und einer Impulsformung unterwor- I

fen, so daß phasenverschobene Impulssignale erhalten . ' | werden, wie sie in Fig. 6(c) bzw. Fig. 6(d) dargestellt . sind. Ein ODER-Verknüpfungsglied 23 nimmt sodann eine logische Summenbildung dieser Ausgangssignale der Signalverarbeitungsschaltungen 2 und 2' vor und bildet ein Impulssignal, wie es in Fig. 6(e) dargestellt .ist.

0300A8/06A8

- 12 - DE 0376

Hierdurch lassen sich somit für jede Umdrehung der Riemenscheibe 4a zwei Impulse erhalten, so daß die Zählgenauigkeit gesteigert werden kann.

Im Vergleich zu einer Meßeinrichtung, die mit

einem Zahnkranz und einem Meßfühler, wie einem elektromagnetischen Aufnehmer bzw. Geber, zur Erfassung des oder der Zähne des Zahnkranzes arbeitet, weisen die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele folgende ] 10 Vorteile auf:

'. ■ (1) Im Gegensatz zu einem Zahnkranz-Meßfühler, der

in der Nähe eines Zahnkranzes (in. einem Abstand von 2 .... mm oder weniger) angebracht werden muß und somit ein

Anbohren des Maschinengehäuses erfordert, ist bei der . erfindungsgemäßen Meßeinrichtung keine derartige Bear-

: beitung erforderlich.

:J ·■ }\ (2) Während ein Zahnkranz-Meßfühler dicht bei

einem Zahnkranz (in einem Abstand von 2-mm oder weni- ;,\ , ger) angeordnet werden muß, kann die Montageposition des erfindungsgeniaßen magnetischen Meßfühlers mit einem viel größeren Freiheitsgrad gewählt werden, da ein solcher Meßfühler die Drehbewegung der Maschinen-Riemenscheibe auch noch in einem Abstand von 20 bis 30 mm erfassen kann.

-^: . (3) Der erfindungsgemäße magnetische Meßfühler zeigt auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringen Umlaufgeschwindigkeiten, bei denen ein Zahnkranz-Meßfühler unempfindlich is.t, eine ausreichende Empfindlichkeit.

35

030 048/0 848

Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf die Ermittlung der Umlauffrequenz bzw. Drehzahl einer Brennkraftmaschine bezieht, ist die Erfindung natürlich nicht nur in Verbindung mit derartigen Drehbewegungen verwendbar, sondern kann auch bei anderen Bewegungsarten unter Einschluß von Hin- und Herbewegungen eines Körpers Verwendung finden, solange der Körper von einem erfaßbaren Magnetfeld umgeben ist.

Da der vorstehend beschriebene magnetische Meßfühler in der Nahe eines vorhandenen ferromagnetischen beweglichen Körpers angeordnet ist, der - falls erforderlich - von einem äußeren Magnetfeld magnetisiert werden kann, und da die Ausgangssignale des magnetisehen Meßfühlers in der vorstehend beschriebenen Weise von einer SignalVerarbeitungsschaltung in Impulssignale umgesetzt werden, ergibt sich der Vorteil, daß sich die Bewegung eines beweglichen Körpers ohne Berührung und Bearbeitung desselben erfassen läßt und daß die Lage bzw. Anbringung des magnetischen Meßfühlers mit einem höheren Freiheitsgrad gewählt werden kann.

Zur Feststellung bzw. Überwachung, der Bewegung von beweglichen Körpern, die aus ferromagnetischen Stoffen bestehen und von äußeren Magnetfeldern magnetisierbar sind, wird somit eine Meßeinrichtung vorgeschlagen, die einen in der Wahe des beweglichen Körpers angeordneten magnetischen i-leßfühler zur Feststellung von auf der Bewegung des Körpers beruhenden Änderungen des Magnetfeldes und eine SignalVerarbeitungseinrichtung zur Umsetzung der Ausgangssignale des magnetischen Meßfühlers in Impulssignale aufweist.

Claims

Einrichtung zur Ermittlung von Drehbewegungen, insbesondere der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, die ein aus magnetisch permeablem Material bestehendes drehbares Bauteil aufweist, gekennzeichnet durch einen in der Nähe des drehbaren Bauteils (4, 4a) angeordneten Magnetkern (7), durch eine dem Magnetkern zugeordnete Teiberspule (5), die bei Erregung einen durch den Magnetkern hindurchfließenden magnetischen Fluß erzeugt, dessen Betrag von dem magnetischen Drehfeld des drehbaren Bauteils moduliert wird, durch eine mit der Treiberspule verbundene Erregerschaltung (8), die die Treiberspule durch periodische Signale mit einer erheblich über der maximal erreichbaren Drehfrequenz des drehbaren Bauteils liegenden vorgegebenen Frequenz erregt, durch eine dem Magnetkern zugeordnete Meßspule (6), die dem Modulationsbetrag des magnetischen Flusses proportionale Ausgangssignale erzeugt, und durch eine mit der Meßspule verbundene Meßschaltung (9), die die Ausgangssignäle durch Hüllkurvenermittlung in Impulssignale mit einer der Umlaufgeschwindigkeit oder Drehzahl des drehbaren Bauteils proportionalen Frequenz umsetzt.

030048/0648

Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070

Dresdner Bank (Manchen) Kto. 3939844

Postscheck (Manchen) Kto. 670-43-804
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (3) eine Dieselmaschine ist, die an einem Ende des drehbaren Bauteils eine Riemenscheibe (4a) aufweist, und daß der Magnet^· , kern in der Nähe der Riemenscheibe angeordnet ist.
3. Einrichtung zur Ermittlung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, die ein aus magnetisch permeablem Material bestehendes drehbares Bauteil aufweist, gekenn-

1Ö zeichnet durch einen in der Nähe des drehbaren Bauteils (4a) angeordneten ersten Magnetkern (7), durch einen in • der Mähe des drehbaren Bauteils dem ersten Magnetkern gegenüberliegend angeordneten zweiten Magnetkern (7.'), durch eine dem ers.ten Magnetkern zugeordnete erste Treiberspule (5), die bei Erregung einen durch den ersten Magnetkern hindurchf1ießenden ersten magnetischen Fluß erzeugt, dessen Betrag von dem magnetischen Drehfeld des drehbaren Bauteils moduliert wird, durch eine dem zweiten Magnetkern zugeordnete zweite Treiberspule ." = (5·), die bei Erregung einen durch den zweiten Magnetkern hindurchfließenden zweiten magnetischen- Fluß erzeugt, dessen Betrag von dem magnetischen Drehfeld des drehbaren Bauteils moduliert wird, durch eine mit der ersten Treiberspüle verbundene erste Erregerschaltung (8), die die erste Treiberspule durch periodische Si- ' gnale mit einer erheblich über der maximal erreichbaren ■ Drehfrequenz des drehbaren Bauteils liegenden vorgegebenen J Frequenz erregt, durch eine mit der zweiten Treiberspu^ Ie verbundene zweite Erregerschaltung (8¹), die die !

zweite Treiberspule durch periodische Signale mit einer erheblich über der maximal erreichbaren Drehfrequenz j des drehbaren Bauteils liegenden vorgegebenen Frequenz j erregt, durch eine dem ersten Magnetkern zugeordnete ; erste Meßspule (6), die dem Modulationsbetrag des er- j sten magnetischen Flusses proportionale erste Ausgangs-i

- 3 - DE 0376

signale erzeugt, durch eine dem zweiten Magnetkern zugeordnete zweite Meßspule (6¹), die dem Modulationsbetrag des zweiten magnetischen Flusses proportionale zweite Ausgangssignale erzeugt, die in bezug auf die ersten Ausgangssignale eine Phasenverschiebung um 180 aufweisen, durch eine mit der ersten Meßspule verbundene erste Meßschaltung (9), die die ersten Ausgangssignale durch Hüllkurvenermittlung in erste Impulssignale mit einer der Umlaufgeschwindigkeit oder Drehzahl des drehbaren Bauteils proportionalen Frequenz umsetzt, durch eine mit der zweiten Meßspule verbundene zweite Meßschaltung (9¹), die die zweiten Ausgangssignale durch Hüllkurvenermittlung in zweite Irnpulssignale mit einer der Umlaufgeschwindigkeit oder Drehzahl des drehbaren Bauteils proportionalen Frequenz umsetzt, und durch ein mit der ersten und der zweiten Meßschaltung verbundenes ODER-Verknüpfungsglied (23), das die ersten und zweiten Ausgangssignale logisch miteinander verknüpft.

03QQ48/Q648