Anordnung zum Messen oder Indizieren physikalischer Grossen unter Ausnützung der Magnetostriktionswirkung
Die schweizer. Patentschrift Nr. 401 531 beschreibt eine Anordnung zum Messen physikalischer Grossen unter Ausnutzung der Magnetostitiktionswirkung, d. h. der Eigenschaft eines Eisenstückes, bei Einwirkung einer zusammendrückenden Kraft die Permeabilität in Richtung der Kraft zu vermindern und winkelrecht zur Kraft zu steigern, während das Verhältnis bei Zugbeanspruchung umgekehrt ist.
Die bekannte Anordnung enthält eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Grosses mit wenigstens einem Geber aus ferromagnetischem Material, der von wenigstens einem Paar von Wicklungen teilweise umschlossen ist, deren eine als Magnetisierungswicklung an eine Span- nungsquelle und deren zweite als Messwicklung an ein Messinstrument angeschlossen ist, wobei das magnetische Feld der Magnetisierungswicklung im Geber eine vom Ausmass der zu messenden physikalischen Gr¯sse ab hängige Verformung zufolge des magnetostriktiven Effekts-insbesondere durch mechanische Belastung des Gebers selbst-erleidet,
wodurch das Ausmass der in der Messwicklung induzierten Spannung geändert wird.
Nach dieser Patentschrift sind die Magnetisierungsund die Messwicklung jeweils nebeneinander und in solchem Abstand voneinander angeordnet, dass auch bei unverformtem magnetischem Feld ein wesentlicher Teil des magnetischen Flusses sich durch die Messwicklung hindurch schliesst.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine solche Anordnung, die aus einem Messkörper 1 besteht, der aus einer oder mehreren aufeinander gelegten, Platten aus magnetischem Werkstoff aufgebaut ist, und durch den vier Löcher 2 und 3 derart gefiihrt sind, dass sie die Ecken emes Rechtecks bilden. Durch die übereinander gelegenen Löcher 2 ist eine Magnetisierungswicklung 4 und durch die rechts von den Löchern 2 gelegenen Löcher 3 ist eine Messwicklung 5 gezogen. Letztere ist demgemäss neben und in einigem Abstand von der Magnetisierungs- wicldung 4 gelegan.
Wird die Magnetsierungswicklung 4 an eine Wechselstromquelle angeschlossen, so erhält man im Messkörper ein Magnetfeld, von dessen Kraft Iinien ein Teil durch die Messwicklung und der übrige Teil awsserhalb derselben verlÏuft. Wird nun der Messkörper mechanisch belastet, so werden die Kraftlinien 6 durch den Messkörper auf Grund der Magnetostriktions- wirkung deformiert, so dass sie eine mehr elbiptische Form annehmen, weshalb jetzt eine andere Anzahl Kraftimen durch die ie Messwicklung verlÏuft als bei unbelastetem Messk¯rper. Deshalb wird die in die Mess wioklung induzierte elektromotorische Kraft verändert, welche Anderung ein Mass für die Belastungsänderung darstellt.
Die Magnetisierungs- un Messwicklungen sind hier in voneinander getrennten Ebene und in einem gewissen Abstand voneinander gelegen, weshalb die Messwicklung nur von pcripheren Abschmtten der KrafHinien auf der einen Seite der Magnetisierungswicklung beemflusst wird.
Geometrisch gesehen umgeben die beiden Wicklungen jeweiRs ihren. Teil des Mateniaics im Messkörper, weshalb die Messanordnung nur eine relativ massige Emp finditicbkeit erhält.
Ziel der Erfindung ist es nun, die Empfindlichkeit dieser bekannten Messanordnung wesentlich zu steigern und ausserdem die Dimensionen der Messanordnung zu verkleinern, d. h. dem Messkörper eine handlichere Form zu geben.
Dies wird bei einer Anordnung zum Messen oder Indizieren physikalischer Grossen unter Ausnutzung der Magnetostriktionsww irkung mit eimem aus einem Messkörper aus ferromagnetischem Mater, bestehenden Geber, der mechanischen Belastungen ausgesetzt wird, wenigstens einer den Messkörper ganz oder teilwaise umschliessenden Magnetisierungswicklung und wenigstens s einer Messwicklung, welche Wicklungen im Abstand voneinander so angeordnet sind, dass ein Teil des von der Magnetiaierungswicklung in dem Messkörper induzierten magnetischen Flusses sowohl in mechanisch belastetem wie unbelastetem Zustand dos Messkörpers sich durch die Messwicklung schliesst, crfindungsgsmäss dadurch erreicht, dass die eine Wicklung innerhalb der anderen Wicklung gelegen ist,
und dass die beiden Wicklungs- ebenen zusammenfallen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und der beiliegenden Zeichnung näher beschmeban.
In der Zaichnung sind Fig. 2 und 3 Draufsichten auf eine ausgeführte Messanordnung in unbelastetem bzw. belastetem Zustand gezeigt.
Fig. 4 veranschaulicht die Wirkung, die ein Loch in einem Körper auf die Verteilung der Beanspruchung durch eine mechanische Belastung längs einem Querschnitt des Körpers ausübt.
Fig. 5 veranschaulicht die Beanspruchungsverteilung in einigen Querschnitten eines Körpers von einer zentral gegen die eine Körperfläche angesetzte Belastung.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Messanordnung mit zwai Gebern in einer perspektivischen Ansicht.
Fig. 7 zeigt einen stabförmigen Geber in perspektivischer Ansicht.
Der in Fig. 2 und 3 gezeigte Geber unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Geber dadurch, dass die Löcher 3 für die Messwicklung 5 in den Bereich zwischen den Löchern 2 für die Magnetiaie- rungswicklung 4 verlegt worden sind, wodurch die beiden Wicklungen im wesentlichen in ein und derselben Wick lungsebene zu Kögen gekommen sind, wobei die Messwicklung das innerhalb der Magaetisierungswicklung 4 vorhandene Material des Messkörpers 1 mindestens teil- waise umschliesst.
Auf Grund dieser Anordnung der Wicklungen gewinnt man mehrere wesentliche Vorteile. Wie sich bei einem Vergleich zwischen Fig. 1 einerseits und Fig. 2 und 3 andererseits näher ergibt, kommt im letzteren Fall die Messwidklung innerhalb der zentralen Toile der Kraftlinien 6 zu liegen, wodurch der Messwicklung eine grössere induzierende elektromotorische Kraft vermittelt wird.
Bei der in Fig. 2 und 3 gezeigten Anordnung der Löcher 2 und 3 in Nähe der zentralen Teile des Messkörpers kommen die Kraftlinien in der Zone des Messkörpers dichter zu liegen, wo die Löcher 3 der Messwicklung gelegen sind. Wird nun der Messkörper durch eine mechanische Kraft F gegen zwei voneinander abgewandte Flächen 7 des Messkörpers parallel zur Wicklungsebene beaufschlagt, wie in Fig. 3 angedeutet ist, so werden die e Kraftlinien in starkem Masse von der Mitte des Messkörpers fortgedrängt, so dass die Anzahl der die Messwicklung passierenden Kraftlinien einer starken Reduktion unterworfen wird. Diasos übt eine grosse Ver änderung auf die in die Messwicklung induzierte elektro- motor.
ische Kraft aus, weswegen der Geber eine bedeut- same Empfindlichkeit erhält. Die Empfindlichkeit wird grösser, wenn die beiden Wicklungen derart angeordnet sind, dass deren Magnebisierungsachsen zusammenfallen.
Hierzu kommt ferner ein Faktor von Bedeutung, der in Fig. 4 veranschaulicht ist. Ein Loch 8 in einem einer mechanischen Belastung ausgesetzten Körper 9, z. B.
Druck F gegen voneinander abgewandte Flächen 10 und d 11 eines gemäss der Erfindung angeordneten Messkörpers, bedeutet einen Abbruch in der mechanischen Kraftüber- führung zwischen genanntem Flächen, wobei die Bean- spruchung sich in einem Querschnitt winkelrecht zur Kraftrichtung durch das Loch so verteilt, dass die Beanspruchung in der Nähe des Loches bedeutend grösser als und oft etwa dreimal so gross wie weiter von diesem entfernt ist. Dieses wird durch das Diagramm 12 in Fig. 4 veranschaulicht. In der zum genannten Querschnitt win kelrechten Wicklungsebene erhält man dagegen bis an die Löcher Zugbeanspruchungen im Material.
Dieses wirkt mit zu einer weiteren Deformation der Kraftlinien bei mechanischer Belastung und damit einer Steigerung der Empfindlichkeit des Gebers.
Um von Fall zu Fall ungefähr die gleiche Verteilung der Beanspruchung im Messkörper von Gebern dieser Art zu erhalten, setzt man am besten die Kraft gegen den Messkörper relativ zentral gegen die der Belastung ausgesetzte Flächen an. Hierbei erhält man eine Beanspru- chungsvertoilung in verschiedenen Querschnitten des Körpers, der in Fig. 5 veranschaulicht wird. Eine gegen den Körper 9 zentral angesetzte Druckkraft ist hier mit dem Pfeil F angegeben. In einem Querschnitt unmittelbar unter dem Ansatzpunkt 13 erhält man hierbei eine Bean- spruchungsverteilung, die dem Diagramm 14 entspricht und wo die Beanspruchung ein ausgeprägtes Maximum unter dem Punkt 13 aufweist.
Je länger man sich dann vom Punkt 13 entfernt, desto flacher wird die Beanspru chungskurve, wie aus den Diagrammen 15 und 16 hervorgeht.
Die erfindungsgemässe Anordnung bietet die Möglich- keit, die Löcher 2 und 3 in den Zonen des Messkörpers 1 anzuordnen, wo die Beanspruchungskurve ein mehr oder weniger ausgeprägtes Maximum aufweist, was die Empfindlichkeit des Gebers bei Belastungsveränderungen weiterhin steigert. Zu diesem Effekt kommt dann der oben angegebene Locheffekt von den Löchern der beiden Wicklungen.
Die in Fig. 5 gezeigte Beanspruchungsverteilung in Nähe des betreffenden Ansatzpunktes 13 der Belastung erhält man sicherer, wenn die Belastung gegen reduzierte Flächen des Messkörpers 1 angesetzt wird, wie durch die abgeschnittenen schraffierten Partien 17 veran schaulicht wird.
Auf Grund der grossen Ansprechbarkeit des neuen Gebers, fünf-bis zehnmal grösser als des bekannten Gebers gomäss Fig. 1, beeinträchtigen eventuelle Temperaturveränderungen der Anordnung die Grosse der Aus gangswerte in geringem Masse.
Fig. 6 zeigt eine Messanordnung, zu der zwei go mäss der Erfindung angeordnete Geber 18 und 19 geh¯ ren. Die Geber sind mit den einen Enden ihrer Messkörper 1 durch Nieten, Kleben oder Löten auf jeweils einer Seite eines fest angeordneten Armes 20 und mit den anderen Enden an einem freien Arm 21 befestigt.
Wird nun der Arm 21 mit einer nach unten gerichteten Kraft P belastet, so wird der Messkörper des oberen Gobers 18 einer Zugbelastung und der Messkörper des unteren Gebers 19 einer Druckbelastung ausgesetzt. Die Messwicklungen der beiden Geber werden hier deshalb so in Serie zueinander geschaltet, damit man über die gemeinsamen Klammern 22 und 23 der Messwioklungen in mechanisch unbelastetem Zustand des Messkörpers Nullspannung erhält.
Bei einer Belastung durch die Kraft P werden dabei die Werte von den beiden Messwicklungen mit ihren Zeichen voneinander subtrahiert, wobei der Ausgangswert von den Klammem 22 und 23 der Belastungsveränderung vollkommen entspricht
Fig. 7 zeigt einen Geber gemäss der Erfindung, dessen Messkörper 1 als Stab ausgeführt ist. In einem solchen wird der in Fig. 4 verdeutliche Locheffekt und der in Fig. 5 gezeigte Beanspruchungsverteilungseffekt noch stärker hervorgehoben.
Werden in diesem Falle die durch die mechanische Belastung F beaufschlagten Endflächen 24 des tabes abgefast, so erhält man eine weitere Ver stärkung der genanntenEffekte mit einer folglich be- deutend gesteigerten Ansprechbarkeit.
Der erfindungsgemässe Geber kann in bezug auf die Wicklungsebene völlig symmetrisch ausgebildet werden, was bei dem bekannten Geber gemÏss Fig. 1 nicht möglich ist.