AT200362B - Verfahren zur Anzeige oder Messung mechanischer Beanspruchungen in einem Körper aus magnetostriktivem Werkstoff von dessen Oberfläche aus - Google Patents

Description

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  Verfahren zur Anzeige oder Messung mechanischer Beanspruchungen in einem Körper aus magnetostriktivem Werkstoff von dessen   Oberfläche   aus 
Es ist allgemein bekannt, dass die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Werkstoffes durch die mechanischen Beanspruchungen im Werkstoff beeinflusst werden. Diese sogenannte Magnetostriktion wurde bereits zur Messung mechanischer Beanspruchung verwendet, indem man die durch die Beanspruchung hervorgerufene 
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 für die Beanspruchung verwendet hat. 



   Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wurden zwei Erregermagneten derart an der Oberfläche eines mechanisch beanspruchten Kör- 
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 Magnetfelder in der Oberflächenschicht des Körpers entstanden, von denen das eine parallel der Zugspannung und das andere parallel der dazu senkrechten Druckspannung im Körper verläuft. Die Erregerspulen der zwei Erregermagneten waren dabei zusammen mit zwei Vergleichsimpedanzen in einer Wechselstrommessbrücke geschaltet, deren Diagonalspannung als Mass für die mechanische Beanspruchung verwendet wurde. Diese Messspannung ist aber nicht nur von den 
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 luktanzänderungen abhängig, sondern hängt auch in grossem Masse von dem unvermeidlichen Luftspalt zwischen den Erregermagneten und dem Körper ab, was praktisch eine bedeutende Herabsetzung der Messgenauigkeit zur Folge hat. 



   Dieser Nachteil des bekannten Verfahrens wird bei der Erfindung vermieden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels eines Erregermagneten ein inhomogenes magnetisches Wechselfeld im beanspruchten Teil des Körpers erzeugt wird, das einen von   0  und 90  abweichenden Winkel   mit der Beanspruchungsrichtung einschliesst, wobei die durch die Beanspruchung im Werkstoff hervorgerufene magnetische Anisotropie einen aus der Oberfläche des Körpers austretenden Streufluss hervorbringt, und dass der von der Beanspruchung abhängige Streufluss in einer den Streuungsweg umgebenden Messspule eine Spannung induziert, die als Mass für die Beanspruchung angezeigt oder gemessen wird. 



   Das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip, dass die in magnetostriktivem Werkstoff durch mechanische Beanspruchung hervorgerufene magnetische Anisotropie eine Verformung des magnetischen Feldes im Werkstoff zur Folge hat, ist an sich bereits bekannt und zur Messung mechanischer Beanspruchung verwendet worden. 
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 "umgekehrten   Wiedemann-Effekt"zur Messung   einer Torsionsbeanspruchung, setzt aber einen besonderen Messkörper voraus, der mit einer Bohrung versehen ist.

   Dieses Verfahren ist daher mit dem vorliegenden Verfahren nicht vergleichbar, das die Messung von der Oberfläche eines 
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Die Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnung erläutert, in der die Fig. 1 eine Ansicht in Perspektive einer Messvorrichtung zur Durchführung der Erfindung und die Fig. 2 den Verlauf der magnetischen Kraftlinien an der Oberfläche eines Körpers zeigt, an dem die Messvorrichtung nach Fig. 1 anliegt. Die Fig. 4 zeigt eine abweichende Ausführungsform der Messvorrichtung nach Fig. 1, und die Fig. 3 und 5 zeigen zwei verschiedene Schaltschemata der Messvorrichtungen nach den Fig. 1 und 4. 



   In Fig. 1 bezeichnen die Ziffern 1 und 3 zwei kreuzweise angeordnete zweipolige Magnetkerne, die je mit zwei Spulen 2 bzw. 4 versehen sind. Die beiden Magnetkerne 1 und 3 sind mit ihren Spulen 2 und 4 in einem Gehäuse 5 untergebracht, wo sie in einer vorbestimmten Lage gegeneinander fixiert worden sind, vorzugsweise durch Eingiessen in Kunstharz. 
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 des Messobjekts an oder in einem kleinen Abstand davon. Die Spulen 2 werden in Reihe an eine Wechselstromquelle angeschlossen und die Spulen 4 werden an ein elektrisches Messinstrument angeschlossen. Die Schaltung des Messgerätes stimmt also mit dem in Fig. 3 gezeigten Schaltschema überein, wo die Wechselstromquelle mit 11 und das Messinstrument mit 9 bezeichnet ist. 



  Das Gerät 10 hat zur Aufgabe, eine Wechselspannung einstellbarer Grösse und einstellbarem Phasenwinkel im Messkreis einzuführen, wobei der Nullpunkt des Messinstruments in üblicher Weise verschoben werden kann. 



   Der Erregermagnet 1 mit den wechselstromdurchflossenen Erregerspulen 2 ruft in der Oberflächenschicht des Messobjekts ein magnetisches 

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Feld hervor, dessen Verlauf in Fig. 2 dargestellt ist. In dieser Fig. sind die Polflächen des Erreger- magneten 1 mit 6 und die Polflächen des Abtast- magneten 2 mit 7 bezeichnet. Wenn das Mess- objekt aus isotropen, ferromagnetischem Werk- stoff besteht, verlaufen die magnetischen Induk- tionslinien in der Oberflächenschicht parallel den
Feldlinien, d. h. wie die ausgezogenen Kurven der Fig. 2, und die Polflächen 7 des Abtastma- gneten 3 befinden sich an magnetisch äquipoten- tialen Stellen im Feld. Wird aber das Messobjekt von Zug, Druck oder Torsion beansprucht, ent- steht im Werkstoff wegen der Magnetostriktion eine magnetische Anisotropie, die das Magnetfeld entstellt. Tritt z.

   B. eine Druckspannung in der mit den Pfeilen 8 angegebenen Richtung auf, so wird die Permeabilität in der Richtung 9 vermindert, weshalb das Feld in der Oberflächenschicht des Messobjekts den gestrichelten Verlauf erhält. Dabei entsteht zwischen den Stellen an der Oberfläche, wo die Polfläche 7 des Abtastmagneten 3 anliegen, ein Potentialunterschied, der einen Wechselfluss durch den Abtastmagneten 2 treibt. 



  Dieser Wechselfluss induziert in den Messspulen 4 eine Spannung, die im Messinstrument 9 (Fig. 3) gemessen wird und als Mass für die Beanspruchung dient. Das Messinstrument 9 wird durch eine Probemessung bei einer bekannten Beanspruchung geeicht. 



   Der Fluss im Abtastmagneten 3 ist tatsächlich ein Streufluss, der aus der Oberfläche des Messkörpers austritt. Der Magnetkern 3 hat dabei nur zur Aufgabe, die Reluktanz im Streuungsweg klein zu halten und einen wohldefinierten Streuungsweg zu schaffen. Der Verlauf des Magnetfeldes Im Messobjekt ist selbstverständlich von den Luftspalten zwischen den Polflächen 6,7 und dem Messobjekt unabhängig, weshalb der Instrumentausschlag bei unbeanspruchtem Messobjekt Null bleibt, unabhängig von Änderungen dieser Luftspalte. Für das Entstehen des zu messenden 
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 gnetfeld zwischen den Polflächen 6 des Erregermagneten 1 inhomogen (linsenförmig) verläuft. 



  Wenn die Feldlinien parallel verlaufen, bleiben die magnetischen Aequipotentiallinien in der Oberfläche des Messobjekts unverändert, auch wenn die parallelen Kraftlinien infolge der Anisotropie gedreht werden, weshalb in diesem Falle kein von der Beanspruchung abhängiger Streufluss entstehen kann. 



   Oft ist das Messobjekt auch in mechanisch unbelastetem Zustand magnetisch anisotrop, was eine Nullpunktverschiebung des Messwertes zur Folge hat. Diese Nullpunktverschiebung kann durch eine einstellbare Zusatzspannung im Messkreis kompensiert werden, wie in Fig. 3 durch das Gerät 10 angedeutet ist, oder sie kann durch ein Drehen des Abtastmagneten 3 gegenüber dem 
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Fig. 4 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Messvorrichtung, in der 
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 Messinstrumentes 9 einstellbar ist. In dieser Ausführung ist der Magnetkern 3 mit einem Zahnrad 13 versehen, in das eine Schneckenschraube 14 
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 kann.

   Mittels des Rades   14'kann   man beim unbeanspruchten Messobjekt den Abtastmagneten 3 gegenüber dem Erregermagneten 1 drehen, bis seine Polflächen 7 an Aequipotentiallinien des Magnetfeldes liegen, was durch Verschwinden des Instrumentausschlages ersichtlich ist. Dem- 
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 ändert gehalten und die Messung einer Beanspru- chung geschieht in der oben beschriebenen Weise. 



   In der Schaltung nach Fig. 3 kann die Rich- tung der Beanspruchung nicht bestimmt werden, sondern das Messinstrument 9 schlägt immer in derselben Richtung aus, auch wenn die Beanspru- chung ihre Richtung wechselt. Diese Ungelegen- heit der Anordnung nach Fig. 3 wird durch eine
Schaltung nach Fig. 5 vermieden, in der die
Messspannung in einer an sich bekannten phasen- empfindlichen Gleichrichteranordnung mit der
Erregerspannung verglichen wird. Die gezeigte phasenempfindliche Gleichrichteranordnung um- fasst zwei Brückengleichrichter 16, deren Gleich- stromklemmen über Strombegrenzungswiderstän- de an je eine Sekundärwicklung eines Transformators 17 angeschlossen sind, der primärseitig parallel zu den Erregerspulen 2 geschaltet ist. Die beiden Gleichrichter 16 sind wechselseitig in Reihe an den Messspulen 4 angeschlossen.

   Das Messinstrument 9 ist zwischen dem Verbindungspunkt der Gleichrichter 16 und einer Mittelanzapfung der Messspule 4 angeschlossen. 



   Die an den Sekundärwicklungen des Transformators 17 abgegriffenen Spannungen sind immer grösser als die Messspannung von der Messspule 4 und sie beeinflussen die Gleichstromseiten der Gleichrichter 16 mit entgegengesetzter Phase. Die beiden Brückengleichrichter 16 werden deshalb synchron mit der Erregerspannung 2 abwechselnd leitend und gesperrt gehalten, so dass der Strom im Messinstrument 9 synchron mit der Erregerspannung abwechselnd durch den rechten und den linken Gleichrichter 16 fliesst. Das Messinstrument 9 ist in diesem Fall ein   Drehspulinstru- !   ment, das nur auf Gleichstrom anspricht, und es kann gezeigt werden, dass sein Ausschlag proportional dem Cosinus des Phasenwinkels der Messspannung gegenüber der Erregerspannung ist. 



  Wenn die zu messende Beanspruchung ihre   Rich- I   tung um 180  ändert, ändert sich selbstverständlich auch der Phasenwinkel der Messspannung um 180 , was nach dem Obenstehenden einen Richtungswechsel des Instrumentausschlages zur Folge hat. Bei der Messanordnung nach Fig.   5 I   kann man also sowohl das Zeichen als auch die Grösse der Beanspruchung am Messinstrument 9 ablesen. 

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   Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können zur Messung von mechanischen Spannungen in ruhenden Maschinenteilen, beispielsweise in Walzenstühlen, oder der Setzschrauben in Walzwerken oder Trägern und Streben in Brückenkonstruktionen und andern Bauwerken angewendet werden, sie können aber auch zum Wägen einer Last, die in einem Kran oder Kranbalken hängt, oder zum Wägen von Eisenbahnwagen und andern Fahrzeugen Anwendung finden. Ebenso können sie für die Messung der Torsionsbeanspruchungen in rotierenden oder stillstehenden Wellen und Kupplungen verwendet werden. Die Rotation der Welle gegenüber der Messvorrichtung beeinflusst die Messgenauigkeit nicht, wenn nur der Luftspalt zwischen Welle und Messvorrichtung während der Rotation unverändert bleibt. 



   PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Anzeige oder Messung mechanischer Beanspruchungen in einem Körper aus magnetostriktivem Werkstoff, von dessen Oberfläche aus mit Hilfe der durch die mechanische Beanspruchung im Werkstoff verursachten magnetischen Anisotropie, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Erregermagneten ein inhomogenes magnetisches Wechselfeld im beanspruchten Teil des Körpers erzeugt wird, das einen von   00 und 900 abweichenden   Winkel mit der Bean- spruchungsrichtung einschliesst, wobei die durch die Beanspruchung im Werkstoff hervorgerufene magnetische Anisotropie einen aus der Oberfläche des Körpers austretenden Streufluss hervorbringt, und dass der von der Beanspruchung abhängige Streufluss in einer den Streuungsweg umgebenden Messspule eine Spannung induziert, die als Mass für die Beanspruchung angezeigt oder gemessen wird.

Claims (1)

1. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei im wesentlichen rechtwinklig zueinander kreuzweise angeordneten zweipoligen Magnetkernen besteht, von denen der eine von einer wechselstromgespeisten Erregerwicklung und der andere von einer an ein Anzeige- oder Messinstrument angeschlossenen Messwicklung umschlossen ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messinstrument an die Messspule über einen phasenempfindlichen Gleichrichter angeschlossen ist, der von einer mit dem magnetischen Feld synchronen Spannung gesteuert wird.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach Phase und Grösse einstellbare Hilfsspannung zur Nullpunktverschiebung und Kompensation der im Werkstoff vorhandenen Initialanisotropie in Reihe mit der Messspule aufgedrückt ist.