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Die Erfindung betrifft einen Meßumformer zum Messen oder Anzeigen
physikalischer Größen unter Ausnutzung der Magnetostriktionswirkung, d. h. der Eigenschaft
eines Eisenstückes, bei Einwirkung einer zusammendrückenden Kraft, die Permeabilität
in Richtung der Kraft zu vermindern und rechtwinklig zur Kraft zu steigern, während
das Verhältnis bei Zugbeanspruchung umgekehrt ist.
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Eine bekannte Anordnung (schwedische Patentschrift 180 348) enthält
wenigstens einen aus einem Meßkörper aus ferromagnetischem Material bestehenden
Geber, der dazu bestimmt ist, einer von genannter Größe abhängigen mechanischen
Belastung ausgesetzt zu werden, weiter wenigstens eine den Meßkörper teilweise umgebende
Magnetisierungswicklung und wenigstens eine Meßwicklung.
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Diese Wicklungen sind dazu vorgesehen, an eine Spannungsquelle bzw.
an ein Meßinstrument angeschlossen zu werden, wobei die Magnetisierungs-und die
Meßwicklungen in einigem Abstand voneinander gelegen sind, und wobei eine von einer
Fläche zu einer dieser abgewandten Fläche des Meßkörpers reichende Partie der Magnetisierungswicklung
wenigstens beim Messen von der Meßwicklung durch einen diesen Wicklungsbereich umgebenden
magnetischen Stoff getrennt ist, so daß ein wesentlicher und von der mechanischen
Belastung des Meßkörpers abhängiger Teil des von der Magnetisierungswicklung in
den Meßkörper induzierten magnetischen Flusses sich durch besagten Stoff außerhalb
der Meßwicklung schließt, ohne diese zu passieren, während sich gleichzeitig ein
anderer wesentlicher Teil des Flusses sich durch die Meßwicklung schließt.
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Aufgabe der Erfindung ist es in erster Linie, die Empfindlichkeit
einer derartigen Meßanordnung wesentlich zu erhöhen. Zu diesem Zweck geht die Erfindung
aus von einer Einrichtung zum Messen oder Anzeigen physikalischer Größen unter Ausnutzung
der Magnetostriktionswirkung, bestehend aus einem Meßkörper aus ferromagnetischem
Material, der mechanischen Belastungen ausgesetzt werden soll, sowie aus wenigstens
einer den Meßkörper ganz oder teilweise umschließenden Magnetisierungswicklung und
wenigstens einer Meßwicklung, welche so im Verhältnis zueinander angeordnet sind,
daß ein Teil des von der Magnetisierungswicklung in den Meßkörper induzierten magnetischen
Flusses sowohl in mechanisch belastetem wie unbelastetem Zustand des Meßkörpers
sich durch die Meßwicklung schließt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Wicklungsebenen
der beiden Wicklungen zusammenfallen und die eine Wicklung das innerhalb der anderen
Wicklung befindliche Material wenigstens teilweise umschließt.
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Vorteilhaft ist diese eine Wicklung von der Meßwicklung gebildet.
Auch die Magnetisierungsachsen der beiden Wicklungen fallen vorzugsweise zusammen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Wicklungsebenen verhältnismäßig
kleine Bereiche zweier entgegengesetzter Endflächen des Meßkörpers schneiden, die
beim Messen einer mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Vorteilhaft ist hierbei
der Meßkörper als Stab mit entgegengesetzten Endflächen ausgebildet.
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Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung
näher erläutert.
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Fig. 1 und 2 sind Draufsichten auf eine gemäß
der Erfindung ausgeführte
Meßeinrichtung in unbelastetem bzw. belastetem Zustand; F i g. 3 veranschaulicht
die Wirkung, die ein Loch in einem Körper auf die Verteilung der Beanspruchung durch
eine mechanische Belastung längs einem Querschnitt des Körpers ausübt; F i g. 4
veranschaulicht die Beanspruchungsverteilung in einigen Querschnitten eines Körpers
von einer zentral gegen die eine Körperfläche angesetzten Belastung; F i g. 5 zeigt
ein Beispiel einer Meßanordnung mit zwei Meßumformern in einer perspektivischen
Ansicht; F i g. 6 zeigt einen stabförmigen Meßumformer in perspektivischer Ansicht.
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Die F i g. 1 und 2 der Zeichnung zeigen den Gegenstand der Erfindung,
der einen Meßkörper umfaßt, der aus einer oder mehreren aufeinandergelegten Platten
aus magnetischem Werkstoff aufgebaut ist und durch den vier Löcher 2 und 3 derart
geführt sind, daß sie im wesentlichen in ein und derselben Ebene liegen. Durch die
beiden äußeren Löcher 2 ist eine Magnetisierungswicklung 4 und durch die zwischen
diesen äußeren Löchern 2 gelegenen Löcher 3 ist eine Meßwicklung 5 gezogen. Diese
Wicklungen sind nur in F i g. 5 und 6 gezeigt. Im Gegensatz zu der bekannten Einrichtung
kommen somit bei der Erfindung die beiden Wicklungen 4, 5 in ein und derselben Wicklungsebene
zu liegen, wobei die Meßwicklung das innerhalb der Magnetisierungswicklung 4 vorhandene
Material des Meßkörpers 1 mindestens teilweise umschließt.
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Wird die Magnetisierungswicklung 4 an eine Wechselsstromquelle angeschlossen,
so erhält man im Meßkörper 1 ein Magnetfeld, von dessen Kraftlinien 6 ein Teil durch
die Meßwicklung 3 und der übrige Teil außerhalb derselben verläuft. Wird nun der
Meßkörper mechanisch belastet, so werden die Kraftlinien 6 durch den Meßkörper auf
Grund der Magnetostriktionswirkung deformiert, so daß sie eine mehr elliptische
Form annehmen, weshalb jetzt eine andere Anzahl Kraftlinien durch die Meßwicklung
verläuft als bei unbelastetem Meßkörper. Deshalb wird die in die Meßwicklung induzierte
elektromotorische Kraft verändert, welche Änderung ein Maß für die Belastungsänderung
darstellt.
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Auf Grund dieser Anordnung der Wicklungen gewinnt man mehrere wesentliche
Vorteile. Wie sich aus Fig. 1 und 2 näher ergibt, kommt die Meßwicklung innerhalb
der zentralen Teile der Kraftlinien 6 zu liegen, wodurch der Meßwicklung eine größere
induzierende elektromotorische Kraft vermittelt wird. Bei der in F i g. 1 und 2
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 F i g. 2 angedeutet ist, so werden die Kraftlinien in starkem
Maße von der Mitte des Meßkörpers fortgedrängt, so daß die Anzahl der die Meßwicklung
passierenden Kraftlinien einer starken Reduktion unterworfen wird. Dieses übt eine
große Veränderung auf die in die Meßwicklung induzierte elektromotorische Kraft
aus, weswegen der Geber eine bedeutsame Empfindlichkeit erhält. Die Empfindlichkeit
wird
größer, wenn die beiden Wicklungen derart angeordnet sind, daß deren Magnetisierungsachsen
zusammenfallen.
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Hierzu ist ferner ein Faktor von Bedeutung, der in Fig. 3 veranschaulicht
ist. Ein Loch 8 in einem einer mechanischen Belastung ausgesetzten Körper 9, z.
B. Druck F gegen voneinander abgewandte Flächen 10 und 11 eines Meßkörpers, bedeutet
einen Abbruch in der mechanischen Kraftüberführung zwischen den genannten Flächen,
wobei die Beanspruchung sich in einem Querschnitt rechtwinklig 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 F i g. 3 veranschaulicht. In der zum genannten Querschnitt
rechtwinkligen Wicklungsebene erhält man dagegen bis an die Löcher Zugbeanspruchungen
im Material. Dieses bewirkt eine weitere Deformation der Kraftlinien bei mechanischer
Belastung und damit eine Steigerung der Empfindlichkeit des Gebers.
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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 ausgesetzten Flächen an. Hierbei
erhält man eine Beanspruchungsverteilung in verschiedenen Querschnitten des Körpers,
die in F i g. 4 veranschaulicht ist. Eine gegen den Körper 9 zentral angesetzte
Druckkraft ist hier mit dem Pfeil F angegegeben. In einem Querschnitt unmittelbar
unter dem Ansatzpunkt 13 erhält man hierbei eine Beanspruchungsverteilung, die dem
Diagramm 14 entspricht und die ein ausgeprägtes Maximum unter dem Punkt 13 aufweist.
Je länger man sich dann vom Punkt 13 entfernt, desto flacher wird die Beanspruchungskurve,
wie aus den Diagrammen 15 und 16 hervorgeht.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bietet die Möglichkeit, 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 angebene Locheffekt von den Löchern der beiden Wicklungen.
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Die in F i g. 4 gezeigte Beanspruchungsverteilung in Nähe des betreffenden
Ansatzpunktes 13 der Belastung erhält man sicherer, wenn die Belastung gegen reduzierende
Flächen des Meßkörpers 1 angesetzt wird, wie durch die abgeschnittenen schraffierten
Partien 17 veranschaulicht ist.
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Auf Grund der großen Ansprechbarkeit des neuen Gebers, die fünf-
bis zehnmal größer als die des bekannten Gebers ist, beeinträchtigen eventuelle
Temperaturveränderungen der Einrichtung die Größe der Ausgangswerte nur in geringem
Maße.
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F i g. 5 zeigt eine Meßeinrichtung, zu der zwei gemäß der Erfindung
angeordnete Geber 18 und 19 gehören. 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 Gebers 18 einer Zugbelastung und der Meßkörper des unteren Gebers 19
einer Druck-
belastung ausgesetzt. Die Meßwicklungen der beiden Geber werden hier
deshalb so in Serie zueinander geschaltet, damit man über die gemeinsamen Klemmein
22 und 23 der Meßwicklungen 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 Klemmen 22 und 23 der Belastungsveränderung vollkommen entspricht.
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F i g. 6 zeigt einen Geber, dessen Meßkörper 1 als Stab ausgeführt
ist. In einem solchen wird der in Fig. 3 verdeutlichte Locheffekt und der in Fig.4
gezeigte Beanspruchungsverteilungseffekt noch stärker hervorgehoben. Werden in diesem
Falle die durch die mechanische Belastung F beaufschlagten Endflächen 24 des Stabes
abgefaßt, so erhält man eine weitere Verstärkung der genannten Effekte mit einer
folglich bedeutend gesteigerten Ansprechbarkeit.
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Der erfindungsgemäße Geber kann in bezug auf die Wicklungsebene völlig
symmetrisch ausgebildet werden, was bei dem bekannten Geber nicht möglich ist.