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Um mechanische Kräfte oder Momente, insbesondere solche, die in Teilen von Bauwerken oder
Maschinen auftreten, zu messen, ist bereits vorgeschlagen worden, die bekannte Erscheinung zu benutzen, dass die magnetische Durchlässigkeit eines mit Hilfe einer Spule magnetisierten Eisenkörpers sich ändert, wenn er äusseren Kräften unterworfen wird.
Die Erfindung betrifft in erster Linie eine besonders zweckmässige Einrichtung zur praktischen Lösung dieser Aufgabe und besteht darin, dass der Körper, dessen magnetische Durchlässigkeit gemessen wird, einen durchweg aus magnetisch gut leitendem Werkstoff bestehenden geschlossenen magnetischen Kreis bildet, wobei einzelne Teile des magnetischen Kreises den zu messenden Kräften nicht unterworfen sind und der magnetische Leitwert der den zu messenden Kräften oder Momenten nicht unterworfenen Teile des magnetischen Kreises gross ist im Vergleich zu dem magnetischen Leitwert des den Kräften oder Momenten unterworfenen Teiles.
Hiedurch wird ausserdem der störende Einfluss äusserer Magnetfelder vermieden, der besonders stark in die Erscheinung treten und die Genauigkeit der Messung herabsetzen würde, wenn der den zu messenden Kräften oder Momenten unterworfene Körper aus einer für diesen Zweck im übrigen besonders günstigen Nickel-Eisen-Legierung besteht, deren magnetische Leitfähigkeit verhältnismässig gross ist. Die nachteiligen Wirkungen dieser Erscheinungen werden eben dadurch wesentlich herabgesetzt, dass man einen durchweg aus magnetisch gut leitendem Werkstoff bestehenden geschlossenen magnetischen Kreis bildet.
Wenn die Aufgabe vorliegt, die z. B. in einem Teil einer Maschine auftretenden Kräfte oder Momente zu messen, ohne an der Maschine durch den Einbau einer besonderen Messkapsel bauliche Änderungen vornehmen zu müssen, ist es in manchen Fällen aus baulichen Gründen vorteilhaft, den betreffenden Maschinenteil, sofern er aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. Stahl, besteht, unmittelbar als Messkörper zu benutzen. Diese Verwendung von Maschinenteilen selbst als Messkörper ist bei Masseinrichtungen ohne geschlossenen magnetischen Kreis aus durchweg magnetisch gut leitendem Werkstoff bereits bekannt.
Der für Maschinenteile verwendete Stahl ist aber insofern für die vorliegenden Messungen nicht besonders gut geeignet, als einer Belastungsänderung innerhalb der Elastizitätsgrenze eine Änderung der Permeabilität um nur wenige Prozente ihres ursprünglichen Wertes entspricht. Sehr viel grössere Wirkungen erhält man dagegen, wenn man den Messkörper aus einem für magneto-elastische Messungen besonders geeigneten Werkstoff herstellt. Erfindungsgemäss sind diejenigen ferromagnetischen Werkstoffe für diesen Zweck besonders geeignet, bei deren Einkristallen die Magnetostriktion in der Richtung der kristallographisehen Achsen gleiches Vorzeichen hat und die weiterhin geringe innere Spannungen aufweisen. Hieher gehören besonders die Eisen-Nickel-Legierungen mit 40-80% Nickel.
Meist wird es vorteilhaft sein, den magnetischen Kreis nach Art eines Manteltransformators aus einem Kern, der die Messwicklung trägt, und einem den Eisenschluss bildenden Mantel aufzubauen.
Bei der bei den obenerwähnten Einrichtungen ohne geschlossenen magnetischen Kreis aus durch- weg magnetisch gut leitendem Werkstoff bereits bekannten Magnetisierung durch Wechselströme treten in dem Messkörper Wirbelströme auf, die besonders bei Wechselstrom von höherer Frequenz infolge
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der dadurch bedingten Feldverdrängung eine wesentliche Herabsetzung der Leistung bewirken. Diese störenden Einflüsse der Wirbelströme können durch Unterteilung des Messkörpers beseitigt werden. Die übliche Art der Zusammensetzung von durch Wechselstrom magnetisierten Eisenkernen aus dünnen Blechen bringt aber für den vorliegenden Zweck eine störende Verringerung der mechanischen Festigkeit mit sich.
Eine zur Vermeidung dieser Nachteile besonders geeignete Ausführungsform einer Messkapsel enthält einen Messkörper, der erfindungsgemäss aus einem oder mehreren in der Richtung der mechanischen Belastung durch die zu messenden Kräfte sich erstreckenden dünnwandigen Teilen besteht, die soweit als nötig voneinander elektrisch isoliert sind. Um auch bei Druckkräften eine ausreichende Festigkeit zu erhalten, ist es zweckmässig, als Messkörper einen oder mehrere Hohlzylinder zu verwenden, die in axialer Richtung belastet werden. Die Wandstärke der Hohlzylinder wird je nach der Frequenz des verwendeten Wechselstromes derart gewählt, dass das Auftreten von Wirbelströmen hintangehalten wird.
Diese Ausführungsform hat den Vorzug, dass die Knickfestigkeit des Messkörpers auch bei Verwendung dünnwandiger Rohre verhältnismässig hoch ist. Wenn aber bei sehr grossen Kräften die Festigkeit des eigentlichen Messkörpers nicht ausreicht, kann sie dadurch erhöht werden, dass man im Innern der Hohlzylinder noch ein Vollstüek, z. B. einen Vollzylinder, anbringt, der einen Teil der zu messenden Kräfte aufnimmt.
Wenn die den Messkörper bildenden in der Richtung der zu messenden Kräfte sich erstreckenden dünnwandigen Teile in Form von Blechen aufeinander geschichtet werden sollen, werden die Bleche
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als es nötig ist, um ein Ausbiegen der einzelnen Bleche unter dem Einfluss von Druckkräften zu verhindern.
Wenn nötig, können auch hier den den Messkörper bildenden Blechen ein oder mehrere Vollstücke beigefügt werden, die einen Teil der zu messenden Kräfte aufnehmen, wobei auch die zum Zusammenhalten dienenden Klemmbacken selbst zur Entlastung dienen können.
Da die verschiedenen ferromagnetischen Werkstoffe im allgemeinen bei Zugkräften nicht das gleiche Verhalten zeigen wie bei Druckkräften, können Schwierigkeiten auftreten, wenn eine Messkapsel der beschriebenen Art Kräften wechselnder Richtung unterworfen wird. Um diese zu vermeiden, kann der Messkörper einer dauernd wirkenden gleichbleibenden Zug- oder Druckvorspannung ausgesetzt werden. Diese Massnahme hat bei unter Zugvorspannung stehenden Körpern noch den weiteren Vorteil einer gewissen durch die Vorspannung bewirkten mechanischen Versteifung.
Um bei Messkapseln für die Messung von Zugkräften Messkörper aus solchen Stoffen verwenden zu können, die besonders für Druckbeanspruchung geeignet sind, kann man ferner die zur Übertragung der zu messenden Kräfte auf den Messkörper dienenden Druckstücke mit Mitteln zur Übertragung von in entgegengesetzter Richtung wirkenden Zugkräften versehen. In entsprechender Weise kann verfahren werden, wenn für die Messung von Druckkräften Messkörper aus solchen Stoffen verwendet werden sollen, die besonders für Zugbeanspruchung geeignet sind.
In manchen Fällen kann es zweckmässig sein, den Eisenkörper so aufzubauen, dass der den zu messenden Kräften unterworfene Messkörper durch einen Teil der Ringfläehe einer oder mehrerer dünner ringförmiger Blechseheiben gebildet wird, die senkrecht zur Fläche durch die zu messenden Kräfte belastet werden. Wenn der Querschnitt eines einzelnen Bleches nicht ausreicht oder, z. B. bei hoher Frequenz des Wechselstromes, noch weiter unterteilt werden muss, kann man als Messkörper auch mehrere aufeinandergesehiehtete voneinander isolierte ringförmige Bleche verwenden, jedoch muss ein Isoleirstoff gewählt werden, dessen Festigkeit für die zu messenden Kräfte ausreicht.
Zur Messung der magnetischen Durchlässigkeit des Messkörpers wird vorzugsweise ein Verfahren verwendet, darin bestehend, dass die zur Magnetisierung des Messkörpers dienende Erregerwicklung von Wechselstrom durchflossen wird. Dabei hat sich nun gezeigt, dass es vorteilhaft ist, eine über das bisher übliche Mass hinausgehende Erhöhung der Magnetisierung anzuwenden.
Fig. 1 der Zeichnung stellt die Änderung der Induktivität L eines mit verschiedenen Erregerstromstärken J, J2, J3 magnetisierten Messkörpers unter dem Einfluss veränderlicher mechanischer Kräfte P von 0 bis Pm dar. Man erkennt daraus, dass in allen Fällen mit zunehmender Belastung des Messkörpers die Induktivität abnimmt. Bei der Stromstärke J1, die etwa der bisher üblichen Höhe der Magnetisierung entspricht, erhält man bei zu-und abnehmender Belastung wegen Hystereseerscheinungen verschieden verlaufende Kurven. Diese Erscheinungen verschwinden jedoch praktisch vollkommen, wenn man erfindungsgemäss die Erregerstromstärke über die durch die Koerzitivkraft des Werkstoffes gegebene Grenze steigert.
Bei höheren, über der Grenze der Koerzitivkraft liegenden Stromstärken J2 und J3 erhält man eindeutige Messergebnisse, unabhängig davon, ob bei ansteigenden oder abnehmenden Kräften gemessen wird.
In Fig. 2 ist durch die mit P = 0 und P = Pm bezeichneten Kurven dargestellt, wie die Induktivität L sich mit Zunahme der Erregerstromstärke J bei unbelastetem und bei mit der Kraft Pm belastetem
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und P = Pm auf, so erhält man die mit A L bezeichnete Kurve, die einen Höchstwert bei einem Werte der Erregerstromstärke zwischen Jk und J2 aufweist.
In Fig. 3 ist der A L entsprechende Unterschied des induktiven Widerstandes A R = M. A L abhängig von J aufgetragen, der natürlich an der gleichen Stelle einen Höchstwert erreicht. Nun ent- spricht die für die Messung, z. B. in einer Kompensationsschaltung, zur Verfügung stehende lessspannung dem Produkt J. A R, das ebenfalls in Fig. 3 aufgetragen ist. Der Höchstwert der Messspannung liegt etwa bei der Stromstärke J3. Die Kurve J2. A R stellt ein Mass für die entsprechende Leistung dar, deren Höchstwert noch wesentlich weiter im Sinne einer stärkeren Magnetisierung verschoben ist.
Aus diesen Darstellungen ergibt sich, dass eine Steigerung der Erregerstromstärke über den Wert Jk hinaus den weiteren Vorteil bietet, dass die für die Messung zur Verfügung stehende Spannung J. A R weiter anwächst. Unter Umständen kann es sogar vorteilhaft sein, die Erregerstromstärke, noch über die dem Höchstwert von J. A R entsprechende Stromstärke J3 hinaus bis J4 zu steigern, um in den
Bereich der grössten Leistung J2. A R zu gelangen. Dies wird besonders dann zweckmässig sein, wenn kleine Kräfte zu messen sind und demgemäss der Querschnitt des Messkörpers und sein Rauminhalt verhältnismässig klein gewählt werden muss, da in diesem Falle auch die zur Verfügung stehende Leistung klein ist.
Einen weiteren wichtigen Vorteil bietet die Erhöhung der Magnetisierung insofern, als man bei geeigneter Wahl der Erregerstromstärke bis zu einem gewissen Grade Schwankungen der Erregerspannung ausgleichen kann. Zu diesem Zwecke ist es vorteilhaft, eine Stromstärke in der Nähe von J3 zu benutzen, da hier die Kurve der Messspannung J. Il Reinen Grösstwert aufweist und Änderungen der Stromstärke infolge von Spannungssehwankungen daher den geringsten Einfluss auf die Höhe der der zu messenden Kraft entsprechenden Spannung J. A. B ausüben.
Zur Messung der magnetischen Durchlässigkeit des Messkörpers benutzt man, wie erwähnt, vorzugsweise eine Kompensationsschaltung, z. B. mit einer Wheatstone-Brücke. Dabei wird der Betrag des Scheinwiderstandes der Erregerwicklung des Messkörpers (Messwicklung) mit dem Betrage eines bekannten Widerstandes verglichen. Besonders vorteilhaft ist die Benutzung einer Wheatstone-Brüeke, die im unbelasteten Zustande des Messkörpers so abgeglichen wird, dass der Strom in dem im Diagonalzweig liegenden Messgerät verschwindet. so dass der Ausschlag des Messgerätes bei Belastung des Messkörpers durch die zu messenden Kräfte oder Momente ein Mass für diese bildet.
Fig. 4 zeigt schematisch die Gleichstromkompensationsschaltung. Die Wechselstromquelle 15 ist über einen Vorwiderstand 16 an die Verzweigungspunkte der Brücke angeschlossen, in deren einen Zweig zwei Gleichrichter 17 und 18 und in deren andern Zweig die Messwicklung 2 des Messkörpers 1 und ein zweckmässig regelbarer Vergleichswiderstand 19 eingeschaltet sind. Der Messkörper 1 ist als zylindrischer Kern dargestellt, der von einem Eisenmantel 3 umgeben ist und mittels der Druckstücke 4 und 5 durch eine Kraft P belastet werden kann. In dem Diagonalzweig der Brücke liegt ein Gleichstrommessgerät 20. Zunächst wird der Widerstand 19 so eingestellt, dass bei unbelastetem Messkörper das Gerät 20 keinen Ausschlag zeigt.
In diesem Falle ist der Betrag des Widerstandes 19 gleich dem Betrag des Scheinwiderstandes R der Wicklung 2. Belastet man nun den Messkörper 1 durch die zu messende Kraft P, so ändert sich der Betrag des Scheinwiderstandes R der Wicklung 2 und das Gerät 20 zeigt einen dieser Änderung # R entsprechenden Ausschlag, der als Mass für die Kraft P dienen kann.
Da für die Messung die einfachen Beträge der Widerstände ohne Rücksicht auf die Phasenlage der Spannungen in Betracht kommen, kann als Vergleichswiderstand ein einfacher ohmscher Widerstand benutzt werden, und es ist nicht erforderlich, den Brüekenstrom der Phase nach abzugleichen. Allerdings wird in diesem Falle das im Diagonalzweig liegende Gerät auch noch von einer Wechselstromkomponente durchflossen. Wenn dies als störend. empfunden wird, können mit bekannten Mitteln auch die Phasen der zu vergleichenden Seheinwiderstände der Messwicklung 2 und des Widerstandes 19 gleich- gemacht werden, so dass der Gleichstrom und der Wechselstrom im Gerät 20 verschwinden.
Infolge der Widerstandsänderung A R der Wicklung 2 würde sich bei gleichbleibender Spannung der Wechselstromquelle auch die Erregerstromstärke J in der Wicklung in umgekehrtem Sinne ändern.
Dadurch würde das für die Grösse des Zeigerausschlages massgebende Produkt J. A R verkleinert werden. Um dies zu verhindern, ist es eben zweckmässig, die Brücke über einen Vorwiderstand 1G an die Wecbselstromquelle anzuschliessen und diesen so gross zu wählen, dass der veränderliche Widerstand der Wicklung 2 dagegen nahezu verschwindet und die Erregerstromstärke somit unabhängig von der Belastung des Messkörpers annähernd gleich bleibt.
Die Schaltung nach Fig. 4 weist noch den Nachteil auf. dass der den Messkörper magnetisierende Strom in den beiden Halbperioden verschieden gross ist, da ja in der Sperrichtung der Gleichrichter der
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ist der Vergleichswiderstand 19 nicht regelbar. Dafür ist in den die Gleichrichter enthaltenden Brückenzweig zwischen die Gleichrichter 17 und 18 ein Widerstand 24 eingeschaltet, der mit einer veränderbaren
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Abzweigstelle zum Anschluss des Gerätes 20 versehen ist. Dadurch kann die Brücke bei der Belastung Null abgeglichen werden. Ein gleich grosser Widerstand 25 liegt in dem die Gleichrichter 21 und 22 enthaltenden Brückenzweig. Der Vorwiderstand 16 hat wieder den Zweck, die Stromstärke unabhängig von der Belastung des Messkörpers annähernd gleich zu halten.
Um auch bei kleineren Kräften einen genügend grossen Ausschlag am Messgerät zu erhalten, ist es zweckmässig, eine E. nirchtung zu verwenden, um die an den Klemmen der Messwicklung liegende Spannung zu verstärken. Eine derartige Schaltung ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt, die im übrigen im Aufbau grundsätzlich der Schaltung nach Fig. 4 entspricht. Parallel zur Wicklung 2 liegt die Primärwicklung eines Transformators 26, an dessen Sekundärwicklung die Glühkathode und das Gitter einer Verstärkerröhre 27 angeschlossen sind.
Der Anodenkreis der Röhre 27 ist über den Transformator 28 so an den Gleichrichter 17 und das Gleichstromgerät 20 angeschlossen, dass die Sekundärwicklung des Transformators 28 gewissermassen an Stelle der Wicklung 2 mit dem Widerstand 19 den einen und die Gleichrichter 17 und 18 den andern Brüekenzweig der Schaltung bilden, wobei das Gerät 20 im Diagonalzweig liegt. Dadurch wird die an den Klemmen der Wicklung 2 liegende Spannung verstärkt in der Gleieh- stromkompensationsschaltung zur Wirkung gebracht.
Die bauliche Ausführung von Einrichtungen zum Messen von Kräften oder Momenten nach der
Erfindung ist in einer Reihe von Beispielen in Fig. 7-22 der Zeichnung dargestellt. Fig. 7 und 8 zeigen den grundsätzlichen Aufbau von Messkapseln zum Messen von Druckkräften, Fig. 9-11 solche zum
Messen von Druckkräften oder Drehmomenten. Fig. 12-22 dienen zur Erläuterung von besonders beim
Anschluss an Wechselstrom zweckmässigen Ausführungsformen, u. zw. zeigen Fig. 12 und 13 bzw. 14 und 15
Messkapseln für Druckkräfte, Fig. 16-18 eine Einrichtung zum Messen von Zugkräften, Fig. 19 und 20 solche für Zug- und Druckkräfte und Fig. 21 und 22 eine besonders einfache Ausführung zum Messen von Druckkräften.
Die Messkapsel zur Messung von Druckkräften nach Fig. 7 besteht aus einem die Erregerwicklung 2 tragenden Kern 1', der von einem mit ihm starr verbundenen Mantel 1" allseitig oder rahmenförmig umgeben ist. Das Ganze bildet so einen nach Art eines Manteltransformators gebauten Eisenkörper, der in der durch die Pfeile gekennzeichneten Weise so belastet werden kann, dass nahezu alle Teile des geschlossenen magnetischen Kreises den zu messenden Druckkräften ausgesetzt sind.
Bei der ähnlich aufgebauten Form einer zur Messung von Druckkräften dienenden Vorrichtung nach Fig. 8 wird nur der mit der Wicklung 2 versehene, vorzugsweise aus Nickeleisen bestehende Kern 1 den zu messenden Druckkräften unterworfen, während der Mantel 3, der z. B. aus einer Wicklung aus Eisendraht oder Eisenband bestehen oder aus einzelnen Blechen aufgebaut sein kann, lediglich den magnetischen Schluss bildet und erfindungsgemäss so bemessen wird, dass sein magnetischer Leitwert im Vergleich zu dem des Messkörpers gross ist. Damit die zu messenden Druckkräfte nur den Kern belasten, steht dieser ein wenig gegenüber dem Mantel hervor.
Ist ein Bruch des Kernes unter dem Einfluss der Druckkräfte zu befürchten, so kann man den Mantel so stark ausführen, dass er nach dem Bruch des Kernes den Kräften standhält.
Auch für die Messung von Drehkräften oder Drehmomenten kann man einen Messkörper nach Art des in Fig. 7 dargestellten verwenden, der z. B. an den beiden Stirnflächen mit Kupplungsteilen zum Einschalten in den Kraftfluss einer Welle versehen ist, deren Verdrehungswiderstand gemessen werden soll. In diesem Falle müssen die Enden der Wicklung, da diese mit der Welle umläuft, an Schleifringe geführt werden, die in bekannter Weise auf der Welle isoliert befestigt sind und auf denen Stromabnehmer gleiten, die an die Messeinrichtung angeschlossen werden.
Bei der Ausführungsform einer Einrichtung zur Messung der in einer Welle auftretenden Drehungsspannungen oder Drehmomente nach Fig. 9 wird die Welle unmittelbar als ein Teil des magnetischen Kreises benutzt. Dies hat den Vorteil, dass es sich erübrigt, eine besondere Messkapsel in die Welle einzubauen. Zu beiden Seiten der Erregerwicklung 2 sind die beiden Ringscheiben. 3" fest mit der Welle 3' verbunden, und das als Messkörper dienende vorzugsweise aus Nickeleisen hergestellte zylindrische Rohr 1 ist an beiden Enden ebenfalls fest mit den Scheiben 3"verbunden. Wird die Welle Drehkräften ausgesetzt, so wird auch das Rohr 1 mit verdreht.
Bei der in Fig. 10 angedeuteten Ausführungsform wird nur die mit der Wicklung : 2 versehene Welle 1 auf Drehung beansprucht, während der lediglieh den Eisensehluss bewirkende Mantel aus zwei Teilen 3'und 3"besteht, die in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise mit geringem Spiel ineinandergreifen und an je einem Ende fest mit der Welle verbunden sind. Wird nun die Welle unter dem Einfluss der zu messenden Kräfte verdreht, so können die beiden Teile. 3' und 3"des Mantels sich entsprechend gegeneinander verschieben. Als Sicherung für den Fall eines Bruches der als Messkörper dienenden
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des äusseren Mantelteiles 3'mit geringem Spiel eingreifen.
Die in Fig. 11 sehematiseh dargestellte Anordnung ist besonders dann zweckmässig, wenn das
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Messkörper 1 in das Innere der Hohlwelle 2 eingeschoben und an den beiden Flanschen l'und J'1 mit der Hohlwelle fest verbunden, so dass er unter dem Einfluss der Drehkräfte ebenfalls verdreht wird. Man kann auch einen gemäss Fig. 7 ausgeführten Messkörper in das Innere der Hohlwelle einbauen und den Mantel J'1 z. B. durch Schrumpfen fest mit der Welle verbinden, so dass ein Teil des Drehmomentes vom
Kern l'und dem Mantel 1" Übertragen wird. Auch dann dienen Schleifringe und Stromabnehmer zur
Verbindung mit der Messschaltung.
Fig. 12 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine teilweise im Schnitt gezeichnete Ansicht einer Messkapsel und Fig. 13 die zugehörige Draufsicht mit abgenommenem oberem Druckstück. Der Messkörper 1 besteht aus drei dünnwandigen gleichachsigen Rohren, die z. B. durch Luft an den Umfängen voneinander isoliert sind. Eine Isolierung der Stirnflächen zur Vermeidung von Wirbelströmen ist nicht erforderlich und mit Rücksicht auf eine möglichst unmittelbare Übertragung der zu messenden Druckkräfte von dem Druckstück 30 auf die Stirnseiten der Rohre 1 auch nicht erwünscht. Zur teilweisen Entlastung kann ein Vollzylinder 29 im Inneren der Rohre 1 angeordnet werden. Zur gleichmässigen Übertragung der Druckkräfte ist es zweckmässig, die Endflächen sämtlicher Druckstücke, z.
B. durch gemeinsames Planschleifen, möglichst genau eben herzustellen. 2 ist wieder die den Messkörper umgebende Messwicklung und 3 der aus Blechen in der üblichen Weise zusammengesetzte Eisenmantel, der zwecks Herstellung eines guten magnetischen Schlusses mit einer passenden Ausbohrung zur Aufnahme des zylindrischen Messkörpers versehen ist.
Die in Fig. 14 und 15 in einer Ansicht mit im Schnitt angegebener Messwieldung und der zugehörigen Draufsicht dargestellte Messkapsel zeigt einen nach Art eines Mantelkernes aus Blechen 1 von der aus Fig. 14 erkennbaren Form zusammengesetzten Messkörper. Die Bleche werden in dem durch Druckkräfte zu belastenden Mittelteil durch Klemmbacken 31 mittels der Bolzen 32 soweit zusammengehalten, als es nötig ist, um ein Ausbiegen der Bleche zu verhindern. Zur Vervollständigung des magnetischen Flusses dienen die an den Seitenteilen zwischen die Bleche 1 eingeschachtelten Mantelblech 3, die z. B. durch Schrauben mit den Blechen 1 verbunden werden können. Vorher wird der Kern mit der Messwicklung 2 versehen. Die Bleche 1 könnten z. B. durch Anbringen von Zugösen auch für die Messung von Zugkräften geeignet gemacht werden.
Bei der in Fig. 16 und 17 in zwei Ansichten und in Fig. 18 im Schnitt nach der Linie A-A der
Fig. 16 dargestellten besonders für die Messung von Zugkräften geeigneten Messkapsel besteht der Mess- körper aus z. B. drei länglichen Blechen 1, die an den beiden Enden mit Löchern zur Aufnahme von
Mitteln zur Übertragung von Zugkräften versehen sind. Der Messkörper trägt in der Mitte eine Mess- wicklung 2. Zur Herstellung des magnetischen Schlusses nach Art eines Mantelkernes dienen die Joch- bleche 3 und die dazwischengeschachtelten Mantelbleche-3'.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 19 im Schnitt, wobei die Messwicklung und das Schluss- joch weggelassen sind. Der Messkörper besteht aus einem Hohlzylinder 1, der an einem Ende durch einen als Druckstück ausgebildeten Boden l'geschlossen ist. Dieser trägt in der Mitte einen kurzen zylin- drischen Ansatz, über den ein Rohr 10 geschoben ist. Das offene Ende des Hohlzylinders 1 ist mittels der Schrauben 7 mit einem zweiten Druckstück 8 verbunden, das eine Gewindebohrung zur Aufnahme einer Druckschraube 11 trägt. Das kolbenartige gestaltete Ende der Schraube 11 wird in dem Rohr 10 geführt, das eine Druckfeder 9 aufnimmt. Mittels der Schraube 11 kann die Spannung der Feder 9 ver- ändert und dadurch die auf den Messkörper 1 wirkende Zugvorspannung eingestellt werden.
Zweckmässig wird die Vorspannung so gewählt, dass sie ein wenig grösser ist als der Höchstwert der zu messenden
Druckkräfte. In ähnlicher Weise kann auch, z. B. mittels einer Zugfeder, eine Druckvorspannung auf den Messkörper ausgeübt werden.
In Fig. 20 ist der aus einem zylindrischen Rohr 1 bestehende Messkörper durch Schrauben 34 mit den AnsatzstÜcken 85, 36 verbunden, die derart mit Zugstangen 32 und 33 verbunden sind, dass mittels der Ösen 42 und 43 ausgeübte Zugkräfte sich als Druckkräfte auf das Rohr j ! übertragen. Durch Lösen der Befestigungsmuttern 37 und 88 sind die Zugstangen abnehmbar, so dass die Messkapsel nach Fig. 20 auch zur Messung von Druckkräften durch unmittelbare Einwirkung auf die Ansatzstücke 35 und 36 benutzt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 21 in einer Ansicht und in Fig. 22 in der zugehörigen Draufsicht dargestellt ist, dient als Messkörper der vordere verengte Teil der Ringfläche eines ringförmig ausgeschnittenen Bleches 1, der mittels der Druckstempel 14 den zu messenden Druckkräften senkrecht zur Fläche des Bleches ausgesetzt ist. Zur Verringerung des magnetischen Widerstandes an den zum Rückschluss der Kraftlinien dienenden Teil des magnetischen Kreises kann der Querschnitt des Eisens durch Aufschichten abgestufter Bleche 3 unter Zwischenfügung von Isolationsschichten nach Bedarf vergrössert werden.
Die Messwicklung 2 ist in diesem Falle als Ringwicklung auf dem den magnetischen Rückschluss bildenden Teil des magnetischen Kreises angebracht.
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To mechanical forces or moments, especially those in parts of structures or
Machines occur to measure, it has already been proposed to use the known phenomenon that the magnetic permeability of an iron body magnetized with the aid of a coil changes when it is subjected to external forces.
The invention primarily relates to a particularly useful device for the practical solution of this problem and consists in the fact that the body, whose magnetic permeability is measured, forms a closed magnetic circuit consisting entirely of magnetically highly conductive material, with individual parts of the magnetic circuit being the are not subject to measuring forces and the magnetic conductance of the parts of the magnetic circuit that are not subjected to the forces or moments to be measured is large compared to the magnetic conductance of the part that is subjected to the forces or moments.
This also avoids the disruptive influence of external magnetic fields, which would be particularly pronounced and reduce the accuracy of the measurement if the body subjected to the forces or moments to be measured consists of a nickel-iron alloy that is otherwise particularly favorable for this purpose whose magnetic conductivity is relatively high. The disadvantageous effects of these phenomena are significantly reduced by the fact that a closed magnetic circuit consisting entirely of magnetically highly conductive material is formed.
If the task is the z. B. to measure forces or moments occurring in a part of a machine without having to make structural changes to the machine by installing a special measuring capsule, it is in some cases advantageous for structural reasons to use the relevant machine part, provided it is made of a ferromagnetic material , e.g. B. steel, is to be used directly as a measuring body. This use of machine parts themselves as measuring bodies is already known in measuring devices without a closed magnetic circuit made of a material with good magnetic conductivity throughout.
The steel used for machine parts is, however, not particularly well suited for the present measurements, as a change in load within the elastic limit corresponds to a change in permeability of only a few percent of its original value. In contrast, much greater effects are obtained if the measuring body is made from a material that is particularly suitable for magneto-elastic measurements. According to the invention, those ferromagnetic materials are particularly suitable for this purpose, in whose single crystals the magnetostriction in the direction of the crystallographic axes has the same sign and which also have low internal stresses. Iron-nickel alloys with 40-80% nickel belong here in particular.
In most cases it will be advantageous to build the magnetic circuit in the manner of a jacket transformer from a core that carries the measuring winding and a jacket that forms the iron connection.
In the case of the magnetization by alternating currents, which is already known in the above-mentioned devices without a closed magnetic circuit made of consistently good magnetically conductive material, eddy currents occur in the measuring body, which result particularly with alternating currents of higher frequency
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the resulting field displacement cause a significant reduction in performance. These disruptive influences of the eddy currents can be eliminated by dividing the measuring body. The usual way of composing iron cores magnetized by alternating current from thin metal sheets, however, brings about a disruptive reduction in mechanical strength for the present purpose.
An embodiment of a measuring capsule particularly suitable for avoiding these disadvantages contains a measuring body which, according to the invention, consists of one or more thin-walled parts extending in the direction of the mechanical load by the forces to be measured, which are electrically insulated from one another as far as necessary. In order to obtain sufficient strength even with compressive forces, it is expedient to use one or more hollow cylinders as the measuring body, which are loaded in the axial direction. The wall thickness of the hollow cylinder is chosen depending on the frequency of the alternating current used in such a way that the occurrence of eddy currents is prevented.
This embodiment has the advantage that the buckling strength of the measuring body is relatively high even when thin-walled tubes are used. If, however, the strength of the actual measuring body is not sufficient with very large forces, it can be increased by adding a full piece inside the hollow cylinder, e.g. B. a solid cylinder, which absorbs part of the forces to be measured.
If the thin-walled parts in the form of sheets that form the measuring body and extend in the direction of the forces to be measured are to be stacked on top of one another, the sheets
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than is necessary to prevent the individual sheets from bending out under the influence of compressive forces.
If necessary, one or more full pieces can be added to the metal sheets forming the measuring body, which absorb part of the forces to be measured, whereby the clamping jaws themselves used for holding together can serve to relieve the load.
Since the various ferromagnetic materials generally do not show the same behavior with tensile forces as they do with compressive forces, difficulties can arise if a measuring capsule of the type described is subjected to forces in alternating directions. In order to avoid this, the measuring body can be exposed to a constant tensile or compressive prestress that acts continuously. In the case of bodies under tensile prestress, this measure has the further advantage of a certain mechanical stiffening caused by the prestress.
In order to be able to use measuring bodies made of materials that are particularly suitable for compressive stress in measuring capsules for the measurement of tensile forces, the pressure pieces used to transmit the forces to be measured to the measuring body can also be provided with means for transmitting tensile forces acting in the opposite direction. The same procedure can be used if measuring bodies made of materials that are particularly suitable for tensile loads are to be used for the measurement of compressive forces.
In some cases it can be useful to construct the iron body in such a way that the measuring body subjected to the forces to be measured is formed by part of the annular surface of one or more thin, annular sheet-metal washers that are loaded perpendicular to the surface by the forces to be measured. If the cross-section of a single sheet is insufficient or, for. B. at high frequency of the alternating current, has to be further subdivided, you can also use several mutually isolated ring-shaped sheets as a measuring body, but an insulating material must be selected whose strength is sufficient for the forces to be measured.
In order to measure the magnetic permeability of the measuring body, a method is preferably used which consists in that alternating current flows through the excitation winding used for magnetizing the measuring body. It has now been shown that it is advantageous to use an increase in magnetization that goes beyond what was previously the norm.
1 of the drawing shows the change in inductivity L of a measuring body magnetized with different excitation currents J, J2, J3 under the influence of variable mechanical forces P from 0 to Pm. It can be seen from this that in all cases with increasing load on the measuring body, the inductance decreases. With the current intensity J1, which corresponds approximately to the level of magnetization customary up to now, curves which run differently due to hysteresis phenomena are obtained with increasing and decreasing load. However, these phenomena practically disappear completely if, according to the invention, the excitation current strength is increased beyond the limit given by the coercive force of the material.
At higher currents J2 and J3 that are above the limit of the coercive force, clear measurement results are obtained, regardless of whether the measurement is carried out with increasing or decreasing forces.
In FIG. 2, the curves labeled P = 0 and P = Pm show how the inductance L changes with an increase in the excitation current J when it is unloaded and when it is loaded with the force Pm
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and P = Pm, the curve denoted by A L is obtained, which has a maximum value at a value of the excitation current strength between Jk and J2.
In FIG. 3 the difference corresponding to A L in the inductive resistance A R = M. A L is plotted as a function of J, which of course reaches a maximum value at the same point. Now corresponds to the measurement, e.g. B. in a compensation circuit, available less voltage the product J. A R, which is also plotted in FIG. The maximum value of the measuring voltage is approximately at the current level J3. The curve J2. A R represents a measure of the corresponding power, the maximum value of which is shifted even further in the sense of stronger magnetization.
These representations show that an increase in the excitation current strength beyond the value Jk offers the further advantage that the voltage J. A R available for the measurement continues to increase. Under certain circumstances, it can even be advantageous to increase the excitation current strength beyond the current strength J3 corresponding to the maximum value of J. AR to J4 in order to be able to enter the
Area of greatest power J2. A R to arrive. This is particularly useful when small forces are to be measured and accordingly the cross-section of the measuring body and its volume must be selected to be relatively small, since in this case the available power is also small.
The increase in magnetization offers a further important advantage insofar as, with a suitable selection of the excitation current strength, fluctuations in the excitation voltage can be compensated to a certain extent. For this purpose it is advantageous to use a current strength close to J3, since here the curve of the measuring voltage J. II has a pure maximum value and changes in the current strength due to voltage fluctuations therefore have the least influence on the level of the voltage corresponding to the force to be measured Exercise YES B.
To measure the magnetic permeability of the measuring body, as mentioned, preferably a compensation circuit, e.g. B. with a Wheatstone bridge. The amount of the impedance of the excitation winding of the measuring body (measuring winding) is compared with the amount of a known resistance. The use of a Wheatstone bridge is particularly advantageous, which is balanced in the unloaded state of the measuring body in such a way that the current in the measuring device located in the diagonal branch disappears. so that the deflection of the measuring device when the measuring body is loaded by the forces or moments to be measured forms a measure for these.
4 schematically shows the DC compensation circuit. The alternating current source 15 is connected via a series resistor 16 to the branch points of the bridge, in one branch of which two rectifiers 17 and 18 and in the other branch the measuring winding 2 of the measuring body 1 and an expediently controllable comparison resistor 19 are switched on. The measuring body 1 is shown as a cylindrical core which is surrounded by an iron jacket 3 and can be loaded by a force P by means of the pressure pieces 4 and 5. A direct current measuring device 20 is located in the diagonal branch of the bridge. First, the resistor 19 is set so that the device 20 shows no deflection when the measuring body is not loaded.
In this case, the amount of the resistor 19 is equal to the amount of the impedance R of the winding 2. If the measuring body 1 is now loaded by the force P to be measured, the amount of the impedance R of the winding 2 changes and the device 20 shows one of these Change # R corresponding deflection, which can serve as a measure for the force P.
Since the simple values of the resistances come into consideration for the measurement regardless of the phase position of the voltages, a simple ohmic resistor can be used as a comparison resistor and it is not necessary to adjust the bridge current according to the phase. However, in this case the device in the diagonal branch is also traversed by an alternating current component. If this is bothersome. is felt, the phases of the visual resistances to be compared of the measuring winding 2 and the resistor 19 can also be made equal with known means, so that the direct current and the alternating current in the device 20 disappear.
As a result of the change in resistance A R of the winding 2, if the voltage of the alternating current source remained the same, the excitation current intensity J in the winding would also change in the opposite sense.
This would reduce the product J. AR, which is decisive for the size of the pointer deflection. In order to prevent this, it is advisable to connect the bridge to the alternating current source via a series resistor 1G and to select it so large that the variable resistance of winding 2 almost disappears and the excitation current remains almost the same regardless of the load on the measuring body .
The circuit according to FIG. 4 still has the disadvantage. that the current magnetizing the measuring body is different in the two half-periods, since the rectifier is in the reverse direction
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the comparison resistance 19 cannot be regulated. For this purpose, a resistor 24 is connected in the bridge branch containing the rectifier between the rectifiers 17 and 18, which has a variable
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Branch point for connecting the device 20 is provided. This allows the bridge to be balanced when the load is zero. An equally large resistor 25 is located in the bridge branch containing the rectifiers 21 and 22. The series resistor 16 again has the purpose of keeping the current strength approximately the same regardless of the load on the measuring body.
In order to obtain a sufficiently large deflection on the measuring device even with smaller forces, it is advisable to use a device to increase the voltage applied to the terminals of the measuring winding. Such a circuit is shown, for example, in FIG. 6, which in other respects basically corresponds in structure to the circuit according to FIG. The primary winding of a transformer 26, to whose secondary winding the hot cathode and the grid of an amplifier tube 27 are connected, is parallel to winding 2.
The anode circuit of the tube 27 is connected to the rectifier 17 and the direct current device 20 via the transformer 28 in such a way that the secondary winding of the transformer 28 to a certain extent replaces the winding 2 with the resistor 19 and the rectifiers 17 and 18 the other bridge branch of the circuit form, the device 20 is in the diagonal branch. As a result, the voltage applied to the terminals of the winding 2 is brought into effect in the traction current compensation circuit.
The structural design of facilities for measuring forces or moments after
The invention is illustrated in a number of examples in Figures 7-22 of the drawings. 7 and 8 show the basic structure of measuring capsules for measuring compressive forces, FIGS. 9-11 those for
Measurement of compressive forces or torques. Fig. 12-22 are used to explain especially in
Connection to alternating current expedient embodiments, u. FIGS. 12 and 13 and 14 and 15 show between FIGS
Measuring capsules for compressive forces, FIGS. 16-18 a device for measuring tensile forces, FIGS. 19 and 20 those for tensile and compressive forces, and FIGS. 21 and 22 a particularly simple embodiment for measuring compressive forces.
The measuring capsule for measuring compressive forces according to FIG. 7 consists of a core 1 'carrying the excitation winding 2, which is surrounded on all sides or in a frame by a jacket 1 "rigidly connected to it. The whole thus forms an iron body built in the manner of a jacket transformer, the can be loaded in the manner indicated by the arrows so that almost all parts of the closed magnetic circuit are exposed to the pressure forces to be measured.
In the similarly structured form of a device used for measuring compressive forces according to FIG. 8, only the core 1 provided with the winding 2, preferably made of nickel iron, is subjected to the compressive forces to be measured, while the jacket 3, the z. B. consist of a winding made of iron wire or iron strip or can be made up of individual metal sheets, only forms the magnetic circuit and is dimensioned according to the invention so that its magnetic conductance is large compared to that of the measuring body. So that the compressive forces to be measured only load the core, it protrudes a little from the jacket.
If a breakage of the core is to be feared under the influence of the compressive forces, the jacket can be made so strong that it withstands the forces after the breakage of the core.
A measuring body of the type shown in FIG. 7 can also be used for measuring torsional forces or torques. B. is provided on the two end faces with coupling parts for switching on the power flow of a shaft, the torsional resistance is to be measured. In this case, the ends of the winding, since it rotates with the shaft, must be guided to slip rings which are insulated on the shaft in a known manner and on which current collectors slide which are connected to the measuring device.
In the embodiment of a device for measuring the torsional stresses or torques occurring in a shaft according to FIG. 9, the shaft is used directly as part of the magnetic circuit. This has the advantage that there is no need to install a special measuring capsule in the shaft. On both sides of the excitation winding 2 are the two ring disks. 3 ″ firmly connected to the shaft 3 ', and the cylindrical tube 1, which is preferably made of nickel iron and which serves as the measuring body, is likewise firmly connected to the disks 3 ″ at both ends. If the shaft is exposed to torsional forces, the tube 1 is also rotated.
In the embodiment indicated in FIG. 10, only the shaft 1 provided with the winding: 2 is subjected to rotation, while the jacket, which merely effects the iron sheath, consists of two parts 3 'and 3 ", which in the manner shown in the drawing with little Play in one another and are firmly connected to the shaft at one end. If the shaft is now rotated under the influence of the forces to be measured, the two parts. 3 'and 3 "of the jacket can move against each other accordingly. As a safeguard in the event of breakage of the measuring prisms
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engage the outer shell part 3 'with little play.
The arrangement shown schematically in FIG. 11 is particularly expedient when the
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Measuring body 1 pushed into the interior of the hollow shaft 2 and firmly connected to the hollow shaft at the two flanges 1 'and J'1 so that it is also rotated under the influence of the rotational forces. You can also install a measuring body designed according to FIG. 7 in the interior of the hollow shaft and the jacket J'1 z. B. by shrinking firmly to the shaft so that part of the torque from
Core 1 'and the jacket 1 "is transferred. Slip rings and current collectors are also used in this case
Connection to the measuring circuit.
As a further exemplary embodiment, FIG. 12 shows a partially sectioned view of a measuring capsule and FIG. 13 shows the associated top view with the upper pressure piece removed. The measuring body 1 consists of three thin-walled equiaxed tubes which, for. B. are isolated from each other by air at the circumference. Isolation of the end faces in order to avoid eddy currents is not necessary and, in view of the most direct possible transmission of the pressure forces to be measured from the pressure piece 30 to the end faces of the tubes 1, it is also not desired. A full cylinder 29 can be arranged in the interior of the tubes 1 for partial relief. For even transmission of the pressure forces, it is useful to open the end faces of all pressure pieces, e.g.
B. by joint surface grinding to produce as precisely as possible. 2 is again the measuring winding surrounding the measuring body and 3 is the iron jacket, which is composed of metal sheets in the usual manner and which is provided with a suitable bore to accommodate the cylindrical measuring body in order to produce a good magnetic connection.
The measuring capsule shown in FIGS. 14 and 15 in a view with the measuring coil indicated in section and the associated top view shows a measuring body composed of sheet metal 1 in the manner of a jacket core and of the shape shown in FIG. The metal sheets are held together in the central part to be loaded by compressive forces by clamping jaws 31 by means of bolts 32 as far as is necessary to prevent the metal sheets from bending out. To complete the magnetic flux, the cladding sheet 3 nested on the side parts between the sheets 1, which z. B. can be connected to the metal sheets 1 by screws. The core is provided with the measuring winding 2 beforehand. The sheets 1 could, for. B. can also be made suitable for measuring tensile forces by attaching drawbar eyes.
In the in Fig. 16 and 17 in two views and in Fig. 18 in section along the line A-A of
16, the measuring capsule, which is particularly suitable for measuring tensile forces, consists of e.g. B. three elongated metal sheets 1, which are at the two ends with holes for receiving
Means for the transmission of tensile forces are provided. The measuring body has a measuring winding 2 in the middle. The yoke plates 3 and the casing plates 3 'nested between them serve to produce the magnetic connection in the manner of a jacket core.
FIG. 19 shows a further exemplary embodiment in section, the measuring winding and the terminal yoke being omitted. The measuring body consists of a hollow cylinder 1, which is closed at one end by a base 1 ′ designed as a pressure piece. This has a short cylindrical extension in the middle, over which a tube 10 is pushed. The open end of the hollow cylinder 1 is connected by means of the screws 7 to a second pressure piece 8, which has a threaded bore for receiving a pressure screw 11. The piston-like end of the screw 11 is guided in the tube 10, which receives a compression spring 9. The tension of the spring 9 can be changed by means of the screw 11 and the tensile prestress acting on the measuring body 1 can thereby be adjusted.
The preload is expediently chosen so that it is a little larger than the maximum value to be measured
Compressive forces. Similarly, e.g. B. by means of a tension spring, a pressure bias can be exerted on the measuring body.
In Fig. 20, the measuring body consisting of a cylindrical tube 1 is connected by screws 34 to the extension pieces 85, 36, which are connected to tie rods 32 and 33 in such a way that tensile forces exerted by means of the eyelets 42 and 43 result as compressive forces on the tube j ! transfer. The tie rods can be removed by loosening the fastening nuts 37 and 88, so that the measuring capsule according to FIG. 20 can also be used to measure compressive forces by acting directly on the extension pieces 35 and 36.
In the exemplary embodiment, which is shown in a view in FIG. 21 and in the associated top view in FIG. 22, the front narrowed part of the annular surface of an annularly cut out sheet metal 1 serves as the measuring body, which by means of the plunger 14 the pressure forces to be measured perpendicular to Surface of the sheet is exposed. In order to reduce the magnetic resistance at the part of the magnetic circuit used for the inference of the lines of force, the cross section of the iron can be enlarged as required by stacking stepped metal sheets 3 with the interposition of insulating layers.
In this case, the measuring winding 2 is attached as a ring winding on the part of the magnetic circuit that forms the magnetic yoke.
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