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Magnetostriktiver Wandler mit Ferritkern zum Messen von hydrostatischen oder einseitig wirkenden Drücken und Verfahren zur Herstellung eines solchen Kernes
Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Wandler mit Ferritkern zum Messen von hydrostatischen oder einseitig wirkenden Drücken und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kernes, der einer Magnetfeldglühung unterworfen wird, wobei das Kernmaterial auf eine Temperatur von mindestens 7500C erhitzt und während seiner Erhitzung der Wirkung einer ersten Magnetisierungskraft ausgesetzt wird, die einer mit einer festgelegten Milliamperewindungszahl vorbestimmten Feldstärke entspricht.
Bekannte Einrichtungen zum Messen von hydrostatischen und Richtdrücken unter verschiedenen Bedingungen sind in verschiedenen Formen bekannt, wobei für die Fühlelemente verschiedenartige Materialien verwendet worden sind. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung von Silicium- und Germaniumdioden die Schaffung von sehr empfindlichen Druckfühlern, wobei zur Messung der sogenannte Tunneleffekt ausgenutzt wird. In einer Ausführungsform eines derartigen bekannten Druckwandlers erfolgt eine Druckmessung mit Hilfe des Stroms, der in Abhängigkeit von dem auf den Wandler wirkenden Druck in den Dioden fliesst. Die Stromerzeugung in dem Druckwandler erfolgt vorwiegend durch die sogenannte innere Feldemission.
Dieser bekannte Druckwandler hat aber den Nachteil, dass seine Druckempfindlichkeit mit seiner Ausgangsspannung zunimmt, so dass der Druckwandler bei höheren Drücken unstabil ist, weil der Ausgangsstrom eine direkte Funktion des angelegten Druckes ist. Das heisst, dass unter den höchsten Drücken der Ausgangsstrom am grössten ist, so dass ein grösserer Fehler in der Druckanzeige auftreten kann.
Oft werden Wandler gefordert, deren Grösse nur einen kleinen Bruchteil der Grösse der bekannten Druckwandler beträgt. Beispielsweise besteht sei langem ein Bedürfnis nach einem Druckwandler, der zum Messen des Druckes oder der Beanspruchung an der Stossstelle zwischen zwei verschiedenen Materialien mit verschiedenen Wärmedrehzahlen verwendet werden kann. Ein derartiger Wandler soll nicht nur klein, sondern auch robust, im wesentlichen temperaturunempfindlich und strahlungsbeständig sein.
Die bekannten Messeinrichtungen erfüllen nicht alle vorstehend angegebenen Forderungen.
In den bekannten Druckwandlern besteht das druckempfindliche Element aus Ferriten. Es ist jedoch schon erkannt worden, dass manche Ferrite eine begrenzte Druckempfindlichkeit besitzen. In den bisherigen Anwendungen dieser Ferrite wurde deren Druckempfindlichkeit jedoch als äusserst unerwünscht angesehen, insbesondere bei der Verwendung der Ferrite als magnetische Speicherkerne. Man hat sich daher nur bemüht, die magnetischen Eigenschaften der Ferrite zu verbessern und ihre Abhängigkeit von mechanischen Spannungen, insbesondere von Spannungen infolge von Magnetostriktion, zu beseitigen.
Infolgedessen hatten die bisherigen Bemühungen zur Verbesserung von Magnetkernen vor allem die Beseitigung der Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen zum Gegenstand. Diese Abhängigkeit gegenüber geringeren mechanischen Spannungen sind dadurch herabgesetzt oder beseitigt worden, dass die Kerne einer Magnetfeldglühung unterworfen worden sind, die bewirkt, dass das Material bei
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Umgebungstemperaturen vorherbestimmte magnetische Eigenschaften aufweist.
Insbesondere hat es sich gezeigt, dass die Empfindlichkeit der Ferritkerne gegenüber mechanischen Spannungen im wesentlichen beseitigt wird, wenn die Koerzitivkraft in der Hysteresisschleife des Materials niedrig ist. Diese niedrigere Koerzitivkraft ermöglicht den Betrieb derartiger Einrichtungen mit niedrigeren Leistungspegeln bei ihrer Verwendung als Schalt- oder Speicherelement in elektronischen Rechenmaschinen.
Durch die Magnetfeldglühung derartiger Kerne zwecks Änderung der Hysteresisschleife durch Herabsetzung der Koerzitivkraft erhalten die Materialien einen Curie-Punkt, dernicht höher ist als 400 C. Bisher hat man sich bemüht, einen Magnetkern zu schaffen, der als Magnetspeicher oder als Schaltelement verwendet werden kann, nicht aber für die Verwendung in Wandlern zum Messen von hydrostatischen oder einseitig wirkenden, mechanischen Beanspruchungen oder Drücken. Das heisst, dass man bisher danach gestrebt hat, in Ferriten eine Eigenschaft zu beseitigen, die sich im Rahmen der Erfindung als sehr wichtig erwiesen hat.
Da magnetische Kerne sehr klein und robust sind, eignen sie sich ideal als Messelemente in Druckwandlern. Ferner wurde entdeckt, dass sich derartige Kerne ideal als Druckwandler eignen, wenn sie eine hohe Druckempfindlichkeit besitzen. Man kann einen kleinen Kern in einer Grössenordnung von etwa 1, 3 mm beispielsweise in duroplastischem Material, Spannbeton u. dgl. einbetten und zum Messen der Innenspannungen verwenden, die in diesen Materialien während ihres Abbindens erzeugt werden. Bei der Messung dieser Innenspanungen führt die Tatsache, dass der Kern in dem Material eingebettet ist, nicht zum Auftreten von Nebenwirkungen. Es hat sich ferner gezeigt, dass mit Hilfe dieser Kerne auch andere Innenspannungen gemessen werden können, die in Materialien der genannten Art infolge von radioaktiver Bestrahlung, Wärmedehnung und -schrumpfung usw. auftreten.
Die Messergebnisse sind dem Wert der unter den genannten Bedingungen in dem Material erzeugten Spannungen linear proportional.
Der erfindungsgemässe Wandler ist dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens einen Ferritkern, der in an sich bekannterWeise durchGlühen auf eine Curie-Temperatur von mindestens 7500C gebracht und dadurch druckempfindlich ist, einen an eine Primärwicklung des Ferritkernes angeschlossenen Stromimpulsgenerator und einer an eine Sekundärwicklung des Ferritkemes gegebenenfalls über einen Verstärker angeschlossenen Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines von dem Kern abgeleiteten, zu dem auf diesen ausgeübten Druck im wesentlichen verkehrt proportionalen Ausgangssignals.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung von Ferritkernen zur Verwendung in einem erfindungsgemässen Wandler ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial während einer vorbestimmten Zeit auf der genannten Temperatur gehalten wird und dabei das auf das Material einwirkende Magnetfeld auf eine einer zweiten Feldstärke entsprechenden Magnetisierungskraft mit vorbestimmter Milliamperewindungszahl verstärkt wird, danach das Magnetfeld in an sich bekannter Weise auf die erste Milliamperewindungszahl herabgesetzt und danach das Kernmaterial während eines Zeitraumes von mindestens 4 h langsam auf etwa 200C abgekühlt und dabei das Magnetfeld auf der zweitgenannten Milliamperewindungszahl gehalten wird.
Die nach diesem neuen Verfahren hergestellten Ferritkerne sind nicht nur gegenüber statischen Drücken empfindlich, sondern können auch zur Anzeige von Drücken verwendet werden, die in Form von starken Stosswellen auftreten, die eine lange oder kurze Dauer und eine hohe Wiederholungsfrequenz besitzen können. Die erfindungsgemässen Kerne eignen sich daher auch zum Messen von Explosionen oder Beschleunigungen. Dadurch werden zahlreiche Schwierigkeiten beseitigt, die bei bekannten Wandlern auftreten. Der erfindungsgemässe Wandler ist klein, robust, temperaturunempfindlich, strahlungsbeständig, wirtschaftlich herstellbar und einfach im Betrieb und in der Anwendung.
In der Beschreibung und den Patentansprüchen wird als Curie-Temperatur die Temperatur bezeichnet, oberhalb der die Weissschen Bezirke der Ferrite verloren geht. Bei der Curie-Temperatur sind diese Ferrite bei ihrer Verwendung als Wandlerelemente nicht imstande, ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Wenn man daher solche Ferrite auf ihre Curie-Temperatur erhitzt, dabei einem Magnetfeld von vorgeschriebener Grösse aussetzt und danach auf Zimmertemperatur abkühlt, zeigen die Weissschen Bezirke der Ferrite eine bevorzugte Orientierung längs der Bahn der Kraftlinien des Magnetfeldes. Diese bevorzugte Orientierung wird gewöhnlich als Anisotrophie der Ferrite bezeichnet.
Ferrite, die grösstenteils aus Nickel bestehen, eignen sich besonders zum Messen von hydrostatischen Drücken. Mit Hilfe von Zusätzen aus Lithium und Kobalt lassen sich Kerne herstellen, die zum Messen von Richtdrücken besonders geeignet sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht die Herstellung von Ferritkernen mit einer Druckempfindlichkeit, die bei der Einwirkung von hydrostatischen Drücken bis zu mindestens 1400 kg/cm und
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bei Richtdrücken bis zu mindestens 7 kgcm* im wesentlichen linear ist.
Zum Messen von mechanischen Spannungen mit Hilfe der Kerne wird an eine auf die Kerne gewickelte Primärspule ein Eingangssignal gelegtund der angelegte Druck gemessen, der in der Sekundäroder Ausgangswicklung des Kernes zur Erzeugung eines Stromes führt.
Vorzugsweise ist der Ferritkern nach der Erfindung torroidförmig ausgebildet, wodurch eine Vereinfachung bei seiner Herstellung erzielt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung folgen aus der nachstehenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 in einem Diagramm den Verlauf der erfindungsgemässen Magnetfeldglühung zur Erhöhung der Curie-Temperatur von ferrimagnetischen Kernen, Fig. 2 ebenfalls in einem Diagramm den Verlauf der Abkühlung der erfindungsgemässen ferrimagnetischen Kerne nach der Magnetfeldglühung, Fig. 3 in einem Schaltschema das Anlegen eines Eingangssignals an den ferrimagnetischen Kern und das Abnehmen eines zur Anzeige verwendeten Ausgangssignals von dem Kern, und Fig. 4 in einem Diagramm die Form der Ausgangsimpulse, die bei einem Wandler unter der Einwirkung von verschiedenen Drücken als Funktion der Zeit erhalten werden, wobei die Schaltzeit des Kerns erläutert wird. Fig. 5 zeigt in einem Diagramm die Ausgangsspannung eines Magnetkerns als Funktion eines angelegten hydrostatischen bzw.
Richtdruckes, Fig. 6 in einem Diagramm die Ausgangsspannung eines Magnetkerns in einem ausgewählten Temperaturbereich zur Darstellung der Linearität der Ansprache, Fig. 7 schematisch eine zum Messen von Richtdrücken dienende, weitere Ausführungsform der Erfindung und Fig. 8 in einem Schaltschema eine zum Messen von Druckdifferenzen dienende Ausführungsform der Erfindung.
Die ersten Schritte des Verfahrens zur Herstellung von Ferritmaterialien gemäss der Erfindung unterscheiden sich im wesentlichen nicht von den bekannten Verfahren zur Herstellung anderer Ferrite. Beispielsweise wird das Material gemischt, kalziniert, gemahlen, mit Bindemittel versetzt, granuliert und gepresst. Diese Massnahmen werden in der üblichen Weise durchgeführt. Die Erfindung erfordert jedoch eine zusätzliche Behandlung, damit das Ferritmaterial die erforderliche Empfindlichkeit gegen- über Druck oder mechanischen Beanspruchungen hat.
Vor der Betrachtung des Glühverfahrens, dem die hergestellten Kerne unterworfen werden, sei die Zusammensetzung der Ferritmaterialien besprochen. Es hat sich gezeigt, dass die Zusammensetzung eines Materials, dessen Curie-Temperatur --Tc-- durch Magnetfeldglühung verändert werden kann, je nach seiner Verwendung zum Messen von hydrostatischem bzw. Richtdruck gewählt werden muss.
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rialien mit der vorstehend angegebenen Zusammensetzung durch die erfindungsgemäss vorgenommene Glühung auf mindestens 7500C erhöht wird, doch ist die Erfindung auf diese Zusammensetzungen nicht eingeschränkt.
Die Zusammensetzung des Materials ist für die einwandfreie Funktion des Erfindungsgegenstandes zwar wichtig, doch wird angenommen, dass der durch die Erfindung gegebene technische Fortschritt in erster Linie in der Magnetfeldglühung zum Erhöhen der Curie-Temperatur besteht, während eine derartige Erhöhung bisher als unzweckmässig angesehen wurde, und in der Entdeckung, dass diese bisher unerwünschte Eigenschaft für die Schaffung einer Einrichtung ausgenutzt werden kann, die in naheliegender Weise zu bisher nicht erkannten Ergebnissen führt.
Ein zum Messen von hydrostatischen Drücken verwendeter Kern gemäss der Erfindung hatte auf Ge-
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NiFe200, 25 mm. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Abmessungen des Kerns eingeschränkt, und es hat sich gezeigt, dass bei Kernen mit einem Aussendurchmesser von 0, 5 bis 3, 8 mm die Curie-Temperatur in der angegebenen Weise verändert werden kann und die Kerne danach die erfindungsgemäss erwünschte Druckempfindlichkeit besitzen. Einschränkungen hinsichtlich der Grösse des Kerns können daher nur durch die Verwendung gegeben sein, z. B. wenn der Kern so gross ist, dass er beim Einbetten. in ein Material zum Zweck des Messens von Innenspannungen das Material verformt oder wenn der Kern zum Messen von Beanspruchungen verwendet wird, die an der Stossstelle zwischen zwei unterschiedlichen Materialien auftreten.
Bei einem zu grossen Kern können die aufgezeichneten Messergebnisse jede Bedeutung verlieren.
Fig. l zeigt in einer Glühkurve die Beziehung zwischen der Temperatur des ferrimagnetischen Kerns
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in Celsiusgraden und der in Amperewindungen (NI), geteilt durch die mittlere Umfangslänge des Kerns, ausgedrückten Magnetisierungskraft, welcher der Kern während der Glühung ausgesetzt ist. Fig. l zeigt ausser der Beziehung zwischen der Temperatur und der Magnetisierungskraft mehrere bedeutsame Stellen des Teils-a-der Kurve. Der Punkt --A--, der etwa bei 1000C liegt, wird gewöhnlich als die ursprüngliche Curie-Temperatur der gewöhnlich erhältlichen, bekannten ferrimagnetischen Materialien bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung wird dieser Punkt als der Anfangspunkt für ungeglühte Kerne bezeichnet. An dem Punkt B des Teils --a-- der Kurve wird zuerst die Rechteckschleife bei dem ferrimagnetischen Material beobachtet.
Dieser Punkt wird in bekannter Weise als Anfangspunkt für Magnetkerne mit Rechteckschleife verwendet, beispielsweise für die Verwendung als Speicherkerne bei der Datenverarbeitung.
Bei etwa 4000C hat der Kurventeil-a-- einen Punkt-C--, der bisher als sehr wichtig angesehen wurde, weil er die Curie-Temperatur für die bekannten Kerne mit Rechteckschleife zur Verwendung als magnetische Speicherkerne ist. An dem Punkt-C-hat der Kern der vorstehend genannten Art eine niedrige Koerzitivkraft. Bei etwa 7500C ist auf dem Teil--a-- der Kurve der Punkt --D-- bezeichnet, welcher der höchsten Temperatur entspricht, auf die der Kern erfindungsgemäss vorzugsweise geglüht wird. Es hat sich gezeigt, dass eine weitere Erhitzung des Kerns keinen Vorteil mit sich bringt. Die beispielsweise angegebene Temperatur von 7500C wird während eines Vorgewählten Zeitraumes aufrecht erhalten.
Gleichzeitig wird die Magnetisierungskraft von 800 mA-Windungen am Punkt --D-- auf etwa 1200 mA-Windungen am Punkt --E-- erhöht. Da in dieser Ausführungsform zwei Eingangswindungen vorhanden sind, beträgt die Gesamt-Amperewindungszahl1200 oder 800 mA-Windungen. Danach wird der Kern gemäss der in Fig. 2 gezeigten Kurve langsam auf Zimmertemperatur oder etwa 200C abgekühlt, wobei eine Magnetisierungskraft von etwa 800 mA-Windungen auf den Kern einwirkt. Danach kann der Kern in einem Wandler verwendet werden.
Fig. 3 zeigt in einem Schaltschema, wie ein Mikrowandler --8-- mit einem druckempfindlichen Kern zum Messen von mechanischen Spannungen verwendet werden kann. Der Kern --10-- wird durch einen Impulsgenerator --12-- erregt, der an eine Primärwicklung --14-- von zwei Windungen angelegt wird. Diese Wicklung ist auf dem Kern --10-- gewickelt, der ferner mit einer Sekundärwicklung - von 10 Windungen versehen ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Windungszahl zwei für die Primärwicklung und die Windungszahl 10 für die Sekundärwicklung eingeschränkt, da diese Werte hier nur beispielsweise angeführt sind. Durch Verwendung einer Sekundärwicklung mit einer höheren Windungszahl kann der Ausgang erhöht werden.
Dies kann in manchen Fällen zum Herabsetzen des Rauschpegels in dem Ausgangssignal vorteilhaft sein.
In einem Anwendungsbeispiel kann der Wandler --8-- in einem Epoxydharz eingebettet werden.
Die während des Aushärtens des Epoxydharzes in diesem erzeugten, mechanischen Spannungen werden durch die Ausgangsspannung angezeigt, die in der auf den Kern --10-- gewickelten Sekundärwicklung - induziert wird. Das Ausgangsmaterial wird an einen Verstärker --18-- angelegt, dessen Ausgang von einem üblichen Oszillographen --20-- angezeigt wird. Die Wicklung --14-- ist über den Widerstand --22-- geerdet, der so mit der Signalquelle --12-- zusammenwirkt, dass keine Spannungsquelle sondern eine Stromquelle erhalten wird. Der Sekundärwicklung --16-- ist ein Widerstand --24-parallelgeschaltet, der als Abschlusswiderstand zur Anpassung an den Verstärker --18-- dient.
In der Anordnung nach Fig. 3 kann der Kern in ein gasförmiges oder flüssiges Druckschwankungen ausgesetztes Medium eingeführt und zum Messen von statischen Drücken oder Spannungen oder von impulsartigen Drücken verwendet werden, beispielsweise von Explosionen oder von sehr kurzen, energiereichen Stossimpulsen. Die Messung von Explosionen oder starken Stossimpulsen wird dadurch ermöglicht, dass bei einer Erregung des Kernes --10-- durch einen Rechteckimpuls von mehreren Mikrosekunden die zur Abnahme des Ausgangssignals von dem Kern erforderliche Schaltzeit kürzer ist als 1 itsec und für verschiedene Druckwerte im wesentlichen konstant ist. Zum Magnetisieren oder Schalten des Kernes wird an diesen ein positiver oder Magnetisierungsimpuls angelegt und der Kern dann durch einen negativen oder Löschimpuls in den ursprünglichen Zustand zurückgeführt.
Im allgemeinen bilden der Magnetisierrungs-und der Löschimpuls ein Schaltspiel des Kerns.
Fig. 4 zeigt einen Teil des Impulsausganges eines in einem Druckschwankungen unterworfenen Medium befindlichen Wandlers --8-- unter der Wirkung von verschiedenen Drücken kg/crr ?, u. zw. in Abhängigkeit von der Zeit in Mikrosekunden. Man erkennt die Schaltzeit-tsw--oder Ansprechzeit des Kernes --10-- beim Anlegen eines Magnetisierungsimpulses von 300 kHz während einer Zeit von etwa 1 Jlsec. Aus diesem Diagramm geht hervor, dass die Schaltzeit-tsw--des Kernes in dem Messbereich von 0 - l'3. 10'kg/cnÍ im wesentlichen gleich ist und der Kern bei jeder Messung die
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In der Praxis hat es sich gezeigt, dass die magnetostriktiven Druckwandler gemäss der Erfindung zum Messen von Drücken und mechanischen Spannungen in zahlreichen Einrichtungen, Materialien und Anwendungsbereichen werden können, bei denen dies bisher nicht möglich war. Ferner sind die erfindungsgemässen Wandler mit sehr geringen Kosten und in reproduzierbarer Weise mit ausgezeichneter Ausbeute herstellbar. Beispielsweise kann der Erfindungsgegenstand in der Ausführungsform nach Fig. 7 mit einem richtdruckempfindlichen Kern zum Messen von Drücken oder mechanischen Spannungen als Beschleunigungsmesser, Mikrophon, Tonabnehmer u. dgl. verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Magnetostriktiver Wandler mit Ferritkern zum Messen von hydrostatischen oder einseitig wirkenden Drücken, gekennzeichnet durch mindestens einen Ferritkern, der in an sich bekannter Weise durch Glühen auf eine Curie-Temperatur von mindestens 7500C gebracht und dadurch druckempfindlich ist, einen an eine Primärwicklung (14) des Ferritkernes angeschlossenen Stromimpulsgenerator (12) und einer an eine Sekundärwicklung (16) des Ferritkernes (10) gegebenenfalls über einen Verstärker (18) angeschlossenen Anzeigeeinrichtung (20) zur Anzeige eines von dem Kern (10) abgeleiteten, zu dem auf diesen ausgeübten Druck im wesentlichen verkehrt proportionalen Ausgangssignals.