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Messvorrichtung für mechanische Druckkräfte
Die Erfindung betrifft eine magnetoelastische Messvorrichtung für mechanische Druckkräfte, nach der in der Patentschrift Nr. 198975 beschriebenen Art. Die Messvorrichtung enthält also mindestens einen von der zu messenden Kraft beanspruchten Messkörper aus magnetostnktivem Material. Der Messkörper ist mit einer Anzahl, normalerweise vier, durch den Messkörper gehenden Löchern oder Nuten versehen, in welche mindestens zwei Wicklungen verlegt sind, von denen die eine als Erregerspule dient und an eine elektrische Stromquelle angeschlossen ist, während die andere als Messspule dient und an ein elektrisches Messgerät angeschlossen ist.
Die Wicklungen sind normalerweise so angeordnet, dass ihre Wicklungsebenen im wesentlichen senkrecht zueinander liegen und ungefähr einen Winkel von 450 mit der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft bilden. Wegen der magnetostriktiven Eigenschaften des Messkörpers wird die gegenseitige Induktanz der Spulen und damit auch die in der Messspule induzierte Spannung von den mechanischen Spannungen abhängig, die von der den Messkörper beeinflussenden Kraft in den Teilen des Messkörpers erzeugt wird, wo der magnetische Fluss seine grösste Dichte hat, d. h. hauptsächlich in dem von den Wicklungen umschlossenen Teil des Messkörpers.
Diese Teile des Messkörpers werden im folgenden der Einfachheit halber die Messzone genannt.
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beeinflussten Enden des Messkörpers mit vorstehenden Ansätzen versehen, die gerade über der Messzone liegen und eine kleinere Durchschnittfläche als der Messkörper im übrigen haben, und auf welchen die zu messende Kraft angreift. Diese Ansätze bewirken, dass das Messresultat verhältnismässig unabhängig von der Verteilung der zu messenden Kraft über die von ihr beeinflussten Flächen wird.
Die vorstehenden Ansätze sind weiter so bemessen, dass eine eventuelle mechanische Überbelastung des Materials des Messkörpers in den Ansätzen früher entsteht als in den Kanten der in der Messzone liegenden Wicklungsnuten, weshalb die Gefahr für bleibende Formveränderungen der Messzone und damit folgende Messfehler vermindert wird. Messkörper dieser Art haben auch den Vorteil, dass sie sehr empfindlich sind. Sie haben jedoch gewisse Nachteile, die bei gewissen Verwendungen sehr ins Gewicht fallen.
Diese Nachteile haben ihren Grund darin, dass bei der beschriebenen Art von Messkörpern die beeinflussende Kraft sich entweder ungefähr gleichmässig über die Durchschnittfläche des Messkörpers verteilt, oder, wenn der Messkörper mit den oben genannten Ansätzen versehen ist, derart verteilt wird, dass die Messzone von einer grösseren Kraft beeinflusst wird als die in den Aussenkanten des Messkörpers liegenden Teile. Weiter ist, wie bekannt, die mechanische Beanspruchung in den Kanten eines Loches in einem gleichmässig belasteten Körper ungefähr dreimal grösser als in den übrigen Teilen des Körpers. Folglich wird bei den bekannten Messkörpern die mechanische Beanspruchung in den Kanten der Wicklungsnuten und damit in der Messzone beträchtlich grösser als in den übrigen Teilen des Messkörpers, die folglich in mechanischer Hinsicht sehr schlecht ausgenutzt werden.
Dazu kommt, dass ein ausreichend genaues konstantes Verhältnis zwischen der abgegebenen Spannung der Messspule und der den Messkörper beeinflussenden Kraft nur so lange erhalten wird, bis die mechanische Beanspruchung der Messzone nicht einen gewissen Wert überschreitet, und dass dieser Wert für alle in Frage kommenden Materialien niedriger und für viele Materialien beträchtlich niedriger ist als die mechanische Beanspruchung, die von der mechanischen Festigkeit aus zulässig ist. Wenn also der Messkörper nur innerhalb des linearen Messbereichs arbeiten soll, wird er in allen Teilen in mechanischer Hinsicht sehr schlecht ausgenutzt, und bei Messung grosser Kräfte wird
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die Messvorrichtung folglich gross.
Bei Messvorrichtungen für grosse Kräfte, die normalerweise aus mehreren nebeneinanderliegenden Messkörpern bestehen, deren abgegebene Spannungen zueinander addiert werden, ist es indessen natürlich von grundsätzlicher Bedeutung, dass die Messkörper innerhalb des linearen Messbereiches arbeiten, um eine fehlerfreie Messung zu erhalten. Es ist weiter bei mehreren Verwendungen sehr wesentlich, dass die Messvorrichtung so klein wie möglich ist.
Die Erfindung betrifft eine magnetoelastische Messvorrichtung der oben beschriebenen Art, die mit den erwähnten Nachteilen nicht behaftet ist. Die Messvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Messkörpers, der aus der Messzone und den zwischen dieser und den von der zu messenden Kraft beeinflussten Enden des Messkörpers liegenden Materialpartien besteht, mit innerhalb seines Umrisses liegenden durch den Messkörper gehenden Ausnehmungen versehen ist, die zwischen der Messzone und den von der zu messenden Kraft beeinflussten Enden des Messkörpers liegen, so dass infolge der Querschnittschwächung in der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft dieser Teil einen kleineren Anteil der beeinflussenden Kraft aufnimmt, als seiner Querschnittfläche senkrecht zu der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft entspricht.
Hiedurch wird erreicht, dass das Verhältnis zwischen der mechanischen Beanspruchung in der Messzone und der mechanischen Beanspruchung in den übrigen Teilen des Messkörpers beträchtlich kleiner wird als bei bisher bekannten Messkörpern, weshalb die übrigen Teile des Messkörpers in mechanischer Hinsicht beträchtlich besser ausgenutzt werden können, ohne dass die mechanische Beanspruchung in der Messzone den für lineare Messung zulässigen Wert überschreitet.
Die Erfindung gibt folglich eine Messvorrichtung, die im Vergleich mit bisher bekannten Messvorrichtungen bei derselben Grösse beträchtlich grössereKräfte messen kann unter Beibehaltung einer gutenMesslinearität.
Mehrere verschiedene praktische Ausführungsformen der Erfindung sind möglich, und in der Zeichnung zeigen Fig. l und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen eines einzelnen Messkörpers, während Fig. 3 und 4 zwei verschiedene Ausführungsformen einer Messvorrichtung zeigen, die aus mehreren Messkörpern besteht.
Fig. 1 zeigt einen Messkörper 1, der in bekannter Weise. mit vier zentral im Messkörper angeordneten
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2 versehen ist, in welche die Erreger-und Messspulen des Messkörpersschrift Nr. 198975 beschriebenen Weise verlegt sind. Die Messzone 3 besteht im wesentlichen aus der zwischen den Wicklungsnuten liegenden Partie. Nach der Erfindung ist der Messkörper weiter mit zwei Löchern oder Ausnehmungen 4 versehen, die auf beiden Seiten der Messzone 3, in der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft P gerechnet, liegen. Die Wirkungsweise der Erfindung ist leicht verständlich, wenn man sich vorstellt, dass der Messkörper aus drei verschiedenen Teilen besteht, die in Fig. 1 mit 5,6 und 7 bezeichnet und durch gestrichelte Linien getrennt sind.
Es ist offenbar, dass der Mittelteil 6 wegen der Ausnehmungen 4 in mechanischer Hinsicht beträchtlich weicher ist als die massiven Aussenteile 5 und 7. Der
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zu messende Kraft P angreift, wodurch die Kraftverteilung das Messresultat weniger beeinflusst. Die Aus- nehmungen 4können für die Bolzen verwendet werden, die zur Steuerung und Zusammenhaltung der nebeneinanderliegenden dünnen Bleche erforderlich sind, aus welchen der Messkörper normalerweise besteht.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Messkörpers nach der Erfindung, der auch mit Ausnehmungen 9 versehen ist, die indessen in diesem Fall so geformt sind, dass sie die Messzone 3 mit den Wicklungsnuten 2 von dem übrigen Teil des Messkörpers ganz abschneiden, mit Ausnahme von zwei diametral von der Messzone in der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft P ausgehenden Materialbrücken 10, die eine beträchtlich kleinere Querschnittfläche senkrecht zur Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft haben als die übrigen Teile des Messkörpers. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es zweckmässig, sich vorzustellen, dass der Messkörper aus drei Teilen 11, 12 und 13 besteht, die von der Kraft P ebensoviel zusammengedrückt werden sollen.
Es ist selbstverständlich, dass eine beträchtlich grössere Kraft erforderlich ist, um die steifen Aussenteile 11 und 13 zusammenzudrücken als den Mittelteil 12, der wegen der schmalen Brücken 10 beträchtlich weicher ist. Die Messzone 3 wird folglich von einem beträchtlich kleineren Anteil der totalen Kraft P beeinflusst, als ihrer Querschnittfläche entspricht.
Nach der Erfindung ist es auch möglich, einen Messkörper sowohl mit Ausnehmungen entsprechend den
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mit 9 in Fig. 2 bezeichneten als auch mitAusnehmungen entsprechend den mit 4 in Fig. l bezeichneten zu versehen.
Wie schon behandelt, muss eine Messvorrichtung für grosse Kräfte normalerweise mehrere Messkörper enthalten, die von je ihrem Anteil der totalen Kraft beeinflusst werden, und deren abgegebene Span- nungen zueinander addiert werden. Die Messvorrichtung wird dabei zweckmässigerweise so angeordnet, dass die nebeneinanderliegenden Messkörper eine gemeinsame mechanische Einheit bilden, in der in der Patent- schrift Nr. 198975 beschriebenen Weise. Bei einer solchen Ausbildung einer Messvorrichtung mit Messkörpern nach der Erfindung entstehen indessen gewisse Schwierigkeiten.
Die Ursache dafür ist u. a., dass in einem Mess- körper nach der Erfindung im Gegensatz zu bei bisher bekannten Messkörpern grosse mechanische Beanspruchungen bis zu den Aussenkanten des Messkörpers entstehen, weshalb eine gegenseitige mechanische
Beeinflussung zwischen nebeneinanderliegenden Messkörpern entsteht, wenn diese längs ihrer Seitenkanten zu einer mechanischen Einheit vereinigt sind. Bei einem einzelnen ganz freien Messkörper wird die von der beeinflussenden Kraft erzeugte Zusammendrückung von einer entsprechenden Ausdehnung senkrecht zu der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft begleitet.
Wenn der Messkörper indessen längs seiner Seitenkanten mit danebenliegenden Messkörpern vereinigt ist, wird diese Ausdehnung verhindert, was teils die Bmpfindlichkeitdes Messkörpers vermindertundteilseine mechanische Rückwirkung zwischen den Mess- körpern verursacht. Diese mechanische Rückwirkung zwischen den verschiedenen Messkörpern hat zur Folge, dass die von einem gewissen Messkörper erhaltene Ausspannung nicht nur von der Belastung dieses Messkörpers, sondern auch von der Belastung der angrenzenden Messkörper abhängig ist.
Die Messkörper, die die Aussenkanten der Messvorrichtung bilden, werden indessen keiner solchen Rückwirkung auf ihren freien Aussenkanten ausgesetzt, weshalb die Grösse der beschriebenen mechanischen Rückwirkung zwischen nebeneinanderliegenden Messkörpern offenbar von der Lage der Messkörper innerhalb der Messvorrichtung abhängig ist. Die Summe der abgegebenen Spannungen der Messkörper wird deshalb von der Verteilung der totalen Kraft zwischen den verschiedenen Messkörpern abhängig.
Bei einer Messvorrichtung mit mehreren nebeneinanderliegenden Messkörpern, die eine mechanische Einheit bilden, ist es deshalb nach der Erfindung zweckmässig, dass schmale Schlitze zwischen den verschiedenen Messkörpern angeordnet sind, welche Schlitze sich in der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft erstrecken.
Fig. 3 zeigt eine Messvorrichtung, die aus zweiMesskorpern 14 der in Fig. 1 dargestellten Type besteht, die eine mechanische Einheit bilden. Nach der Erfindung sind Schlitze 15 längs der Grenzlinien zwischen den verschiedenen Messkörpern 14 angeordnet. Die Schlitze 15 erstrecken sich bis nahe an die von der zu messenden Kraft beeinflussten Endflächen der Messvorrichtung, so dass die Messkörper mechanisch durch verhältnismässig schmale Materialbrücken 16 verbunden werden. Die Messkörper sind folglich sowohl magnetisch als auch mechanisch völlig unabhängig voneinander. Diese Ausführungsform ist jedoch natürlich gegenüber Seitenkräften verhältnismässig weich.
Weiter können Messfehler entstehen, wenn die zu messende Kraft sehr ungleichmässig über die Endflächen der Messvorrichtung verteilt ist. Wenn man voraussetzt, dass die Kraft in einem extremen Fall so ungleichmässig auf einen Messkörper verteilt ist wie von den Pfeilen P auf den linken Messkörper angedeutet ist, wird diese Kraft P in der Messzone des Messkörpers nur eine diagonale Schubspannung erzeugen, die die abgegebene Spannung des Messkörpers nicht nennenswert be- einflusst, weshalb ein Messfehler entsteht. Besonders in der letztgenannten Hinsicht ist die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung vorteilhafter.
Auch Fig. 4 zeigt eine Messvorrichtung mit drei Messkörpern 17 der in Fig. 1 dargestellten Type. Die Messkörper werden durch schmale Schlitze 18 längs der Grenzlinien zwischen den Messkörpern voneinander getrennt. Diese Schlitze 18 enden indessen in einem wesentlichen Abstand von den von der zu messenden
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mässig steife "Balken", die zu einem Ausgleich zu grosser Variationen in der Kraftverteilung über die Endflächen der Messvorrichtung beitragen. Die Schlitze 18 verhindern indessen im wesentlichen alle ungünstigen magnetischen und mechanischen Rückwirkungen zwischen nebeneinanderliegenden Messkörpern.
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