DE2357105C3 - Vorrichtung zur magnetoelastischen Messung von Druckkräften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetoelastischen Messung von Druckkräften mit einem Ringkörper aus magnetostriktivem Material, der -ait zwei auf seiner linearen Hauptachse senkrecht stehenden Stirnflächen und einem zur Hauptachse konzentrischen, umlaufenden Hohlraum ausgebildet ist, der eine Meßwicklung enthält und beidseitig von zur Hauptachse parallelen Seitenwänden begrenzt ist, wobei jede Stirnfläche im Bereich der Verlängerung einer Seitenwand einen umlaufenden Vorsprung aufweist, dereine kreisringförmige, zur Stirnfläche paral-

M lele Kraftaufnahmefläche bildet.

Eine solche magnetoelastische Vorrichtung beruht auf der Eigenschaft magnetostriktiven Materials, seine Permeabilität unter mechanischer Belastung zu ändern. Dies führt zu Änderungen des magnetischen

Flusses durch die Meßwicklung, d. h. zu Änderungen des Wechselstromwiderstandes der Meßwicklung.

Das Verhalten von magnetostriktivem bzw. ferromagnetischem Material unter mechanischer Belastung ist in Fig. 1 der schematischen Zeichnungen darge-

•w stellt. Auf der Abszisse ist dabei die mechanische Spannung σ und auf der Ordinate die Permeabilität des magnetostriktiven Materials, parallel zur Richtung der Spannung σ gemessen, angegeben.

Wird das magnetostriktive Material Druckspan-

J5 nungen ( σ < 0) ausgesetzt, so besteht eine eindeutige, lineare Abhängigkeit zwischen μ und σ. Wird auf das Material eine' Zugspannung ausgeübt, so besteht bis zur Spannung aP ebenfalls ein reversibler Zusammenhang zwischen μ und σ. Wird die Spannung aP überschritten, so ändert sich die Permeabilität μ bis zur Spannung oQ nicht und nimmt dann bei größeren Spannungen ab. Es besteht also kein eindeutiger Zusammenhang zwischen μ und σ mehr; des weiteren wird der Zusammenhang richtungsabhängig, d. h. es tritt eine Hysterese auf.

Die Art der Wechselwirkung zwischen einer Meßwicklung und magnetostriktivem Material ist an Hand der Fig. 2 bis 4 erläutert.

In Fig. 2 führt eine einzelne, wechselstromdurch-

")" flossene Windung 5 durch eine magnetische Schleife ABCDEF aus magneiostriktivem Material. Dabei treten zwei Phänomene auf:

a) Der Wechselstrom / durch die Windung S erzeugt einen magnetischen Fluß 0, der den

ji Strom / umschließt,

b) der Fluß 0 reduziert in der magnetischen Schleife Wirbelströme, die durch kleine, um den den magnetischen Fluß 0 angebenden Pfeil herumreichende Pfeile dargestellt sind.

Der Durchtritt eines magnetischen Flusses 0 durch die magnetische Schleife unterliegt ähnlichen Gesetzen wie das Fließen eines Stromes in einem Stromkreis. Insbesondere bewirkt der in der Schleife ausge= bildete Spalt AF, in dem die magnetische Permeability tat einen gegenüber dem magnetostriktiven Material der Schleife stark unterschiedlichen Wert hat, eine wesentliche Erhöhung des magnetischen Widerstandes bzw. der Reluktanz.

Verändert sich nun die Permeabilität des magnetostriktiven Materials der Schleife infolge auf sie einwirkender Druckkräfte R, so beeinflußt nicht nur diese Permeabilitätsänderung den für den Wechselstromwiderstand der Windung 5 entscheidenden Fluß 0, sondern es übt auch die Größe des Spaltes AF einen Einfluß auf den Wechselstromwiderstand aus.

In Fig. 3 sind magnetische Schleifen, wie ABCDEF gemäß Fig. 2 Seite an Seite !ängs der Windung 5 so angeordnet, daß sie einen vollständigen Kreisring bilden. Bezüglich der Wirbelsröme entsteht auf diese Weise ein schematisch in Fig. 4 dargestellter Transformator, dessen Primärwicklung die Windung S und dessen Sekundärwicklung der Kreisring aus magnetoelastischem Material ist. Dir Sekundärwicklung kann durch eine mit einer Impedanz Z geschaltete Windung ersetzt werden.

Wenn der Kreisring durch voneinander elektrisch isolierte magnetische Schleifen gebildet ist, ist der Realteil von Z quasi unendlich, was bedeutet, daß die Sekundärwicklung des Transformators geöffnet sind und die Wirbelströme minimal sind.

Ist der Kreisring dagegen einstückig ausgebildet, so ist der Realteil von Z der Gleichstromwiderstand des Kreisrings aus magnetostriktivem Material.

In beiden letztgenannten Fällen wird durch Beaufschlagung des Kreisrings mit einer äußeren Kraft möglicherweise der Wechselstromwiderstand der Schleife verändert, sei es durch Ausbildung von äußeren Kurzschlüssen zwischen den magnetischen Schleifen, sei es durch Änderung des Gleichstromwiderstandes des Materials selbst.

Zusammenfassend ergibt sich, daß bei Verwendung von magnetoelastischem Material zur Kraftmessung zahlreiche Einflußgrößen bestehen, die den Zusammenhang zwischen mechanischer Belastung und Meßgröße, ζ. B. Wechselstromwiderstand der Meßspule, kompliziert oder sogar irreversibel machen können.

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung (Siemens-Zeitschrift, 29. Jahrgang, Mai 1975. Seiten 219 bis 222) ist der Ringkörper als ein mit einem umlaufenden Randflansch ausgebildeter, scheibenförmiger Druckkörper und ein auf den Randflansch aufgepreßter Deckel ausgebildet. Im Randflansch sind zwei umlaufende Ringnuten ausgebildet, in die Meßwicklungen eingelegt sind. Die Stirnfläche sowohl des Deckels als auch des Druckkörpers ist im Bereich des zwischen den Ringnuten im Randflansch verbleibenden Steges mit einem umlaufenden Vorsprung ausgebildet, wobei die Breite dieses Vorsprungs größer ist als die Breite des Steges zwischen den Ringnuten. Diese Vorsprünge, die als Druckkraft aufnehmende Fläche dienen, haben die Aufgabe, die Druckkräfte gleichmäßig zu verteilen. Dadurch, daß als kraftaufnehmende Fläche eine Ringfläche gewählt ist, die nur einen kleinen Teil des gesamten Querschnitts der Kraftmeßdose einnimmt, soll eine homogene Druckverteilung über den Querschnitt des Ringkörpers erreicht werden. Tatsächlich aber trifft dies nur in begrenztem Ausmaß zu. Eine Druckbeaufschlagung der Stirnflächen der beiden Vorsprünge führt nämlich auf Grund der Tatsache, daß diese breiter sind als der Steg zwischen den beiden Ringnuten im Ringflansch des Druckkörpers, dazu, daß sowohl der Druckkörper als auch der Deckel in den den Stegen benachbarten Bereichen als auch insbesondere die seitlichen Stege verformt werden, wodurch nicht nur reine Druckspannungen, sondern auch Biegespannungen auftreten, die zu auf Zug beanspruchten Bereichen des magnetostriktiven Materials führen. Dadurch wreden, wie oben an Hand Fig. 1 erläutert, die Ungenauigkeiten bei der Messung hervorgerufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur magnetoelastischen Messung von Druckkräften mit einem Ringkörper aus magneto-

ι« striktivem Material zu schaffen, der bei Beaufschlagung mit Druck ausschließlich oder zumindest so weitgehend ausschließlich auf Kompression beansprucht wird, daß ein schädlicher Einfluß von bei der Belastung auftretenden Zugspannungen im Material

¹' auf die Genauigkeit des Meßergebnisses ausgeschaltet ist, daß also möglichst genau gemessen werden kann. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Stirnfläche des Ringkörpers

-° eine zu dem Hohlraum ausgerichtete Ringnut mit einer Breite aufweist, die im wesentlichen so groß ist wie die Breite des Hohlraums, so daß an jeder Stirnfläche zwei kreisringförmige Vorsprü ige ausgebildet sind, von denen je einer eine der beiden S; :itenwände

-> des Ringkörpers verlängert und die zusammen die Kraftaufnahmefläche bilden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden somit die S'irnflächen des Ringkörpers nur in denjenigen Bereichen mit einer Druckkraft beaufschlagt, die

ίο sich unmittelbar über die Seitenwände des Ringkörpers gegenseitig abstützen. Das magnetostriktive Material wird somit ausschließlich auf Druck beansprucht, Biege- bzw. Zugspannungen treten nicht auf. Das Meßergebnis ist frei von Hysterese-Einflüssen

J3 und entsprechend genau.

Vorteilhafterweise ist die Ringnut zwischen zwei auf die Stirnfläche aufgesetzten Auflageringen ausgebildet, die die Vorsprünge bilden. Auf diese Weise ist der Ringkörper besonders einfach herstellbar.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß bei Einbettung der Meßwicklung in einer Isolationsmasse der Ring parallel zur Wicklung einen Schaumkörper enthält, damit die Wicklung nicht Cdzu neigt, unter Belastung des Rings auf die

·»■> Seitenwände zu drücken.

Der Ringkörper kann beispielsweise aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt sein.

Bei einer speziellen Ausführungsform der letztgenannten Ausführungsform besteht wenigstens ein

>o Ringsegment, das eine öffnung für den Draht der Meßwicklung aufweist, aus zwei, im Querschnitt U-förmigen Halbschalen, die mit ihren Stegen aufeinandergelegt sind.

Bevorzugt ist der Ringkörper aus zwei im Quer-

V) schnitt U-förmigen Ringschalen zusammengesetzt, die mit ihre'¹ Schenkeln aufeinanderlegen und unter Belastung miteinander verschweißt sind.

In einer abgeänderten Ausführungsforr.i ist der Ringkörper aus einer im Querschnitt U-förmigen

bo Ringschale, deren Basisfläche die Innenseite des Ringkörpers bildet und einer Ringplatte zusammengesetzt, die die äußere offene Seite der Ringschale verschließt.

In einer weiteren, abgeänderten Ausführungs'orm ist der Ringkörper aus einzelnen, etnander gleichen U-förmigen Flachteilen zusammengesetzt, die mit ihrer Basis abwechselnd nach oben und unten angeordnet sind, so daß die Stirnflächen des Ringkörpers je-

weils aus Basisflächen und Endflächen der Schenkel der U-formigen Flachteile gebildet sind.

Vorzugsweise sind alle, den Ringkörper bildenden Teile elektrisch leitend miteinander verbunden. Auf diese Weise werden durch Änderungen des elektrischen Widerstandes zwischen benachbarten Teilen des Ringkörpers bedingte Einflüsse auf das Meßergebnis ausgeschaltet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für alle Arten von Druckkraftmessungen verwendet werden. Sie ist einfach herstellbar. Der Ringkörper ist nicht notwendigerweise kreisförmig, sondern kann entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten abgeändert werden. Die Vorrichtung hat einen kleinen Platzbedarf; beispielsweise weist eine Ausführungsform, mit der Druckkräfte von 100 t gemessen werden können, einen Ringkörper mit 10 cm Durchmesser und quadratischem Querschnitt von 2 cm Seitenlänge auf.

Die Vorrichtung arbeitet sehr genau. Störende Einflüsse der eingangs genannter· Ari sind weitgehend vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei wichtige Details nur in Fig. 15 und 16 dargestellt sind.

Es stellt dar:

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer eisten Ausführungsform der Vorrichtung mit keilförmigen, seitlich aneinander anliegenden U-Flachteilen.

Fig. 6 eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die Flachteile nicht keilförmig ausgebildet sind,

Fig. 7 und H perspektivische Ansichten einer Ausführungsform, deren Ringkörper aus Ringsegmenten zusammengesetzt ist.

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Vorrichtung, deren Ringkörper aus zwei Ringschalen zusammengesetzt ist,

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform, deren Ringkörper aus einer Ringschalc und einer Ringplatte zusammengesetzt ist,

Fig. 11 bis 14 perspektivische Ansichten verschiedener Herstellungsabschnitte eines aus einem Stab gebildeten Ringkörpers, und

Fig. 15 bis 17 Querschnittsansichten der Vorrichtung zur Darstellung wichtiger Details.

Gemäß Fig. 5 ist ein Ringkörper 1 der Vorrichtung aus magnetostriktiven Flachteilen 2 und 3 geringerer Dicke (einige mm) und insgesamt der Form eines U oder eines E (nicht dargestellt), d. h. mit flachem Boden und parallelen Seitenwänden, gebildet, die abwechselnd in entgegengesetzter Richtung über eine Meßwicklung 4 aus isoliertem, elektrischem Draht gesetzt sind, so daß ein geschlossener Kreisring entsteht, den nur die Enden 5 und 6 der Meßwicklung 4 verlassen. Die Seitenwände der Flachteile 2 und 3 sind parallel zur Achse des Ringkörpers 1.

Die an den Böden der Flachteile 2 und 3 ausgebildeten Basisflächen sind mit Vorsprüngen ausgebildet, die ihre Seitenwände verlängern, wie im einzelnen weiter unten an Hand der Fig. 15 und 16 erläutert werden wird. Auf diese Weise ist ein Kreisring geschaffen, der bei Beaufschlagung seiner Stirnflächen mit Druckkräften nur auf Kompression beansprucht wird. Um zu verhindern, daß die Flachteile 2 und 3 kippen, können sie, wie aus Fig. 5 ersichtlich, mit ra dial zunehmender Dicke ausgebildet sein, so daß sie in gegenseitiger Anlage befindlich einen Kreisring bil-

den. Die Flachteile 2 und 3 können durch eine metallische Verbindung mit geringem elektrischen Widerstand (Kupferdraht, Leitlack usw.) kurzgeschlossen sein.

Gemäß Fig. ο können auch Flachteile 2 und 3 mit konstanter Dicke verwendet wcirden, die beispielsweise aus einem Blech ausgestanzt sind. Diese Flachteile können in Kunststoff 7 eingebettet sein, so daß sie gegenseitig elektrisch isoliert sind.

Die in Fig. 7 und 8 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung weist einen Ringkörper aus hohlen Ringsegmenten 15 auf. in denen die Meßwicklung 4 untergebracht ist. Der Ringkörper ist durch Ringsegmente 17 und 18 geschlossen, die im Querschnitt U-förmig sind und bei Aufeinanderlegen eine Öffnung 19 für die Enden 5 und 6 der Meßwicklung 4 frei lassen. Die verschiedenen Ringsegmente können miteinander verbunden oder gegenseitig beweglich sein, so daß sie an Lageunterschiede am Ort der jeweiligen VprwpnHiino annafthar sind

Fig. 9 zeigt einen aus zwei Ringschalen 20 und 21 zusammengesetzten Ringkörper, bei dem die Ringschalen im Querschnitt U-förmig sind und in dem durch sie gebildeten Hohlraum die Meßwicklung 4 aufnehmen. Für den Durchlaß der Enden 5 und 6 der Meßwicklung 4 ist eine Öffnung 19 vorgesehen. Die beiden Ringschalen 20 und 22 sind unter Belastung miteinander verschweißt, wie durch 22 dargestellt. Die Verxhweißung stellt sicher, daß sich bei Beanspruchung der Stirnflächen des Ringkörpers auf Kompression keine Spalträume ändern können.

In Fig. 10 ist ein Ringkörper dargestellt, der aus einer Ringschale 23 mit U-förmigem Querschnitt, deren Basisfläche die Innenseite des Ringkörpers bildet, und einer Ringplatte 25 zusammengesetzt ist, die die äußere offene Seite der Ringschale 23 verschließt.

Fig. 11 bis 14 zeigen die Herstellung eines Ringkörpers aus einem Stab 26 mit rechteckigem Querschnitt, in dem ein Längskanal 27 ausgebildet ist. Der Stab wird gebogen (Fig. 14) und seine Enden miteinander bei 28 verschweißt (Fig. 15). Nach Tempern zum Beseitigen innerer Spannungen wird eine seitliche öffnung 29 ausgebildet, die in den Längskanal 27 mündet und das Einführen einer Meßwicklung 4 ermöglicht.

Die Gestaltung der Stirnflächen des Ringkörpers der beschriebenen Vorrichtungen, die in den bisher genannten Figuren nur unvollständig dargestellt ist. ist in Fig. 15 und 16 angegeben. Gemäß Fig. 15 weist jede Stirnfläche des Ringkörpers eine zu dem die Meßwicklung 4 aufnehmenden Hohlraum im Innern des Ringkörpers ausgerichtete Ringnut 30 mit ~iner Breite auf, die im wesentlichen so groß ist wie die Breite des Hohlraums. Auf diese Weise sind an jeder Stirnfläche Vorsprünge ausgebildet, von denen je einer eine der beiden Seitenwände des Ringkörpers verlängert und die zusammen die Kraftaufnahmefläche bilden. Werden die Vorsprünge mit Druckkraft beaufschlagt, so besteht keine Gefahr, daß der zwischen ihnen liegende Bereich 31 des Ringkörpers auf Biegung beansprucht wird. Vielmehr werden nur die Seitenwände des Ringkörpers auf Kompression beansprucht, was zu einem eindeutigen Meßergebnis führt.

In Fig. 16 sind die die Seitenwände des Ringkörpers verlängernden Vorsprünge durch Auflageringe 32 gebildet, die auf die Stirnflächen des dort mit recht eckigem Querschnitt ausgebildeten Ringkörpers gelegt sind. Der Raum zwischen den Auflageringen 32.

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der der Ringnut 30 gemäW Fig. 15 entspricht, kann masse 34 eingebettet ist. Damit die Isolationsmasse

mit einem Ring 33 aus einem Schaumstoff ausgeklei- 34 bei Druekbeanspruchung des Ringkörpers nicht

det sein. auf dessen Seitenwände drückt, ist im Hohlraum des

Fig. 17 zeigt eine Ausführiingsforni der Vorrich- Ringkörpers zusätzlich ein Schaumkörper 35 angc-

tung, bei der die Meliwicklung 4 in eine Isolations- -, ordnet.

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Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur magnetoelastischen Messung von Druckkräften mit einem Ringkörper aus magnetostriktivem Material, der mit zwei auf seiner linearen Hauptachse senkrecht stehenden Stirnflächen und einem zur Hauptachse konzentrischen, umlaufenden Hohlraum ausgebildet ist, der eine Meßwicklung enthält und beidseitig von zur Hauptachse parallelen Seitenwänden begrenzt ist, wobei jede Stirnfläche im Bereich der Verlängerung einer Seitenwand einen umlaufenden Vorsprung aufweist, der eine kreisringförmige, zur Stirnfläche parallele Kraftaufnahmefläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stirnfläche des Ringkörpers eine zu dem Hohlraum ausgerichtete Ringnut (30) mit einer Breite aufweist, die im wesentlichen so groß ist wie die Breite des Hohlraums, so daß an jeder Stirnfläche zwei kreisringförmige Vorsprünge ausgebildet sind, von denen je einer eine der beiden Seitenwände des Ringkörpers verlängert, und die zusammen die Kraftaufnahmefläche bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut zwischen zwei auf die Stirnfläche aufgesetzten Auflageringen (32) ausgebildet ist, die die Vorsprünge bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einbettung der Meßwicklung (4) in einer Isolationsmasse (34) der Ring parallel zur Wicklung (4) einen Schaumkörper (35) enthält, damit die Wicklung (4) nicht dazu neigt, unter Belastung des Rings auf die Seitenwände zu drücken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß d· ν Ringkörper aus einzelnen Ringsegmenten (15,17,18) zusammengesetzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ringsegment, das eine öffnung (19) für den Draht der Meßwicklung (4) aufweist, aus zwei, im Querschnitt U-förmigen Halbschalen (17,18) besteht, die mit ihren Stegen aufeinandergelegt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper aus zwei im Querschnitt U-förmigen Ringschalen (20,21) zusammengesetzt ist, die mit ihren Schenkeln aufeinanderliegen und unter Belastung miteinander verschweißt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper aus einer im Querschnitt U-förmigen Ringschale (23), deren Basisfläche die Innenseite des Ringkörpers bildet, und einer Ringplatte (25) zusammengesetzt ist, die die äußere offene Seite der Ringschale verschließt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper aus einzelnen, einander gleichen U-förmigen Flachteilen (2, 3) zusammengesetzt ist, die mit ihrer Basis abwechselnd nach oben und unten angeordnet sind, so daß die Stirnflächen des Ringkörpers jeweils aus Basisflächen und Endflächen der Schenkel der U-förmigen Flachteile gebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß alle den Ringkörper bildenden Teile elektrisch leitend miteinander verbunden sind.