CH327000A - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Beanspruchungen in einem Körper aus magnetostriktivem Werkstoff - Google Patents

Description

  



  Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mechanischer Beanspruchungen in einem Körper aus magnetostriktivem Werkstoff
Es ist eine allgemein bekannte Erseheinung, dass, wenn ein Körper aus magnetisehem Werkstoff einer mechanischen Beanspruchung unterworfen wird, seine magnetischen Eigensehaften sich unter anderem so ändern, dass die Permeabilität geändert wird. Die Ver änderungen werden besonders gross in gewissen magnetischen Legierungen, beispielsweise Permalloy, bei denen die Permeabilität bei Zugbeanspruchungen einen Wert annehmen kann, der um ein Vielfaches grosser ist, als wenn der Werkstoff unbelastet ist. Bei Nickel und gewissen Niekellegierungen steigt dagegen die Permeabilität, wenn der Werkstoff Druck  beanspruehungen    unterworfen wird.

   Dieser sogenannte   magneto-elastisehe    Effekt wurde bei der Konstruktion gewisser Instrumente zur    Messung meehaniseher Kräfte ausgenützt.   



  Diese Instrumente bestanden gewöhnlieh aus   einer Wechsektrombrücke,    die eine den Anderungen der Permeabilität eines Messkörpers entsprechende Änderung   der Wechselspan-    nung ergab.



   Diese Methode der Messung   meehaniseher    Spannungen ist jedoch mit mehreren Nachteilen verbunden, von denen einer darin besteht, dass besondere Werkstoffe in den Körpern verwendet werden müssen, in denen die Messung stattfindet, um einigermassen ausreichende Messspannungen zu erhalten und allzu empfindliche Messinstrumente zu vermeiden. Bei der Messung ist man daher gezwungen, in den mechanischen Kraftlinienweg einen solchen Messkörper aus speziellem Werkstoff einzufügen, was in der Regel einen weitgehenden Eingriff in die   Machine    oder   mecha-    nische Konstruktion bedeutet, die den   Gegen-    stand der Messung bildet.



   Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das eine mechanische Spannungsmessung an jedem Körper aus magnetostriktivem Werkstoff ermöglicht, der einer mechanischen Be  anspruehung    unterworfen ist.



   Das Verfahren nach der Erfindung   zeich-    net sich dadurch aus, dass im Körper ein magnetisches Feld erzeugt wird, das schräg zur   Beanspruchungsriehtung    verläuft, wobei die durch die Beanspruchung im Werkstoff hervorgerufene magnetische Anisotropie bewirkt, dass der vom Feld hervorgerufene Fluss eine vom Feld abweiehende Richtung und   so-    mit eine zum erzeugenden Feld quer   gerich-    tete Komponente erhält, und dass die von der Beanspruchung abhängige Querkomponente des Flusses in einer gegenüber dem erzeugenden Feld feststehenden Abtastspule eine Spannung induziert, die als Mass für die Beanspruchung erfasst wird.



   Die Erfindung beruht auf der Tatsache, dass   ein-magnetischesFeld,    das in einem Körper aus magnetischem Werkstoff verläuft, eine   Grössen-und    Richtungsänderung erfährt, wenn der Körper einer mechanischen Beanspriichung unterworfen wird. Im einfachsten Fall wird das Feld von einem zweipoligen Elektromagneten erzeugt, und die Messung erfolgt ebenfalls mittels eines zweipoligen Elektromagneten, der rechtwinklig zu dem ersteren angeordnet ist. Ist der Körper aus ferromagnetischem Werkstoff magnetisch isotrop, so befinden sich die Pole des letztgenannten Elektromagneten gegenüber magnetisch   äquipotentiellen    Stellen an dem betreffenden Körper.

   Tritt nun infolge von Zug, Torsion oder Druck eine mechanische Spannung im Körper auf, die einen Winkel mit dem magnetischen Feld einschliesst, so wird der von dem erstgenannten Elektromagneten erzeugte magnetische Fluss seine Richtung ändern, was bedeutet, dass die Stellen, an denen sich die Pole des zweiten Elektromagneten befinden, nun abweichendes Potential erhalten, so dass sein Kern von einem   Wechselfluss    durchflossen wird, der in seiner Wicklung eine Spannung hervorruft. Diese Spannung, die in der Regel so gross ist, dass sie direkt oder nach gering  fügiger    Verstärkung von einem   Zeigerinstru-    ment gemessen werden kann, bildet ein Mass für die herrschende mechanische Spannung, sei es, dass sie von einer Zug-, Torsions-oder Druckbeanspruchung herrührt.

   Um das In  strument    zu eichen, ist eine   Probemessung    bei einer bekannten Beanspruchung erforderlich, die auch an einem   Eichkörper    ausgeführt werden kann, der dem   Prüfling    messtechnisch gleichwertig ist.



   Ist der zu messende Körper magnetisch anisotrop, so muss die Vorrichtung zuerst bezüglich dieser Anisotropie kompensiert werden, was beispielsweise dadurch geschehen kann, dass die beiden Magnete gegeneinandergedreht werden, so dass der zur Messung be  nützte    Elektromagnet sich mit seinen Polen an   äquipotentiellen    Stellen des Körpers befindet, wenn er unbelastet ist. Diese Kompensierung kann auch durch Einführung einer Zusatzspannung in den Messkreis erfolgen.



   Der Erfindungsgegenstand soll unter   Hin-    weis auf die Zeichnung beispielsweise be  schrieben    werden, in der die
Fig.   1    eine Ansicht in Perspektive einer Aus  führungsform    der erfindungsgemässen   Mess-    vorrichtung und die
Fig. 2 den Verlauf der magnetischen Kraftlinien an der Oberfläche eines Werkstoffes zeigt, einerseits, wenn der Werkstoff keiner Beanspruchung ausgesetzt ist und anderseits, wenn der Werkstoff einer Beanspruchung in der durch Pfeile angegebenen Richtung unterworfen ist.



   Die Fig. 3 zeigt   sehematisch    das Schaltbild für die betreffende Vorrichtung.



   Fig.   4    zeigt eine andere Ausführung der in Fig.   1    dargestellten Vorrichtung, wobei die Magnete gegeneinander verdrehbar sind, und
Fig. 5 ein Schaltbild für eine Vorrichtung, in der die Messspule über einen phasenempfindliehen Gleichriehter an das   Messinstru-    ment geschaltet ist.



   In Fig.   1    bezeiehnet 1 einen Magnetkern, der von zwei Spulen 2 umgeben ist, die an eine   Weehselstromquelle    angeschlossen sind. 3 bezeichnet einen Magnetkern, der rechtwinklig zum Kern 1 angeordnet und mit zwei an das Messinstrument angeschlossenen Spulen 4 versehen ist. Die beiden   Magnetkerne    sind mit ihren Spulen in ein Gehäuse 5, vorzugsweise aus Kunststoff, eingegossen, wodurch die Magnete in ihrer richtigen Lage zueinander fixiert sind.   



   Fig. 2 zeigt sehematisch einen Teil der    Oberfläche des   Prüflings,    an dem die   Mess-      vorriehtung    gemäss Fig.   1    angeordnet ist. 6 bezeichnet die Polflächen   des Magnetkernes    1 und 7 die Pole des   Magnetkernes    3. Die ausgezogenen Kurven geben die magnetischen Kraftlinien an, solange der Messkörper keiner mechanischen Beanspruchung unterworfen ist, und die gestriehelten Kurven deuten die ma  gnetischen    Kraftlinien an, wenn der Körper einer Beanspruchung in Richtung der Pfeile 8 ausgesetzt ist.

   In Fig. 3 ist die Schaltung der in Fig.   1    dargestellten Vorriehtung angegeben, wobei   2    die Wicklung ist, die das magnetische Feld in der äussern Schicht des   Prüflings    erzeugt, und 4 die Wicklung auf dem Magnetkern 3, die zur Messung der Änderung des Flusses verwendet wird. 9 ist ein   Messinstru-    ment und 10 eine mit diesem in Reihe   gesehal-      tete Anordnung    zur Erzeugung einer nach   grouse    und Phasenlage regelbaren Zusatzspannung, die von   dem Wechselstromanschluss    11 entnommen wird, an dem auch die Wicklung 2 angeschlossen ist.



   Fig.   4    zeigt im Schnitt eine abgeänderte Ausführung der in Fig.   1    gezeigten Vorrich  tung,    die sich dadurch von dieser unterseheidet, dass die   Magnetkerne    1 und 3   gegenein-    ander verdrehbar sind, wobei der Magnetkern 3 mit einem Zahnrad 13 versehen ist, in das eine Sehneckenschraube   14    eingreift, die durch ein Rad   14l    gedreht werden kann. Diese Vorrichtung wird verwendet in dem Fall, dass der unbelastete   Prüfling    schon anisotrop ist oder wenn aus irgendeinem andern Grund eine Unsymmetrie besteht.

   Die Drehbarkeit der beiden   Magnetkerne    gegeneinander kann auch durch einen Kompensationskörper ersetzt werden, der die Form einer in der Zeichnung nicht dargestellten, in das Gehäuse 15 eingesetzten   Sehraube    hat.



   Fig. 5 zeigt eine Anordnnng, die es er  rnöglieht,    die Richtungsänderung der magnetisehen Beanspruchung anzuzeigen und die Empfindlichkeit der Messvorriehtung zu erhöhen und schliesslich die Einwirkung von höheren Harmonischen in der Spannung auszuschalten und bei der Messung von   umlaufen-    den Körpern Störungen durch überlagerte Schwingungen zu beseitigen. Die Anordnung besteht aus einer   Gleichriehterschaltung    16, die aus zwei Gleiehriehterbrücken in Graetz Schaltung besteht, an die die Messwieklung 4 und das Messinstrument 9 angeschlossen sind.



  Diese   Gleichrichterbrüeken    werden von einem Transformator 17 entnommenen Spannungen gesteuert, die den   Grleiehstromklemmen    der Brüeken zugeführt werden, während die   Mess-      wieklung    4 und das Messinstrument 9 an die   Weehselstromklemmen    der Brüeken ange  sehlossen    sind.



   Diese Anordnung wirkt in der Weise, dass die von den beiden Sekundärwieklungen des Transformators 17 abgenommenen Spannungen abwechselnd die Brücken sperren, so dass die in der Wieklung 4   erzeugte Wechselspan-    nung einen Gleichstrom durch das Instrument 9   hervorruft,'der    in seiner Richtung von der Phasenlage der Wechselspannung über der Wicklung 2 und der in der Messwicklung 4 er  zeugten    Wechselspannung abhängig ist.



   Die in der Zeichnung dargestellten Aus  führungsformen    der Erfindung können zur Messung von mechanischen Spannungen in ruhenden   Masehinenteilen,    beispielsweise in   Walzenstühlen    oder der Setzschrauben in Walzwerken oder   Trägem und    Streben in Brückenkonstruktionen und andern   Bauwer-    ken angewendet werden ; sie können aber auch zum Wägen einer Last, die an 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 be  einflusst    die Messgenauigkeit nicht, wenn nur der Luftspalt zwischen Welle und   Messvorrich-    tung während der Rotation unverändert bleibt.



   Ersetzt man den   Wechselstrommagneten    der oben erwähnten Messvorrichtung durch einen Permanentmagneten oder einen gleichstromerregten Elektromagneten, wird eine Spannung in der Abtastspule nur dann induziert, wenn die Beanspruchung geändert wird.



  Die   Messspannung    wird also in diesem Fall der Zeitableitung der Beanspruchung proportional.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Bestimmung mechani seher Beanspruchungen in einem KÏrper aus magnetostriktivem Werkstoff, dadurch ge- kennzeichnet, dass im Körper ein magnetisches Feld erzeugt wird, das schräg zur Beanspruehungsriehtung verläuft, wobei die durch die Beanspruchung im Werkstoff hervorgerufene magnetische Anisotropie bewirkt, dass der vom Feld hervorgerufene Fluss eine vom Feld abweichende Richtung und somit eine zum erzeugenden Feld quer gerichtete Komponente erhält, und dass die von der Beanspruchung abhängige Querkomponente des Flusses in einer gegenüber dem erzeugenden Feld fest stehenden Abtastspule eine Spannung induziert, die als Mass für die Beanspruchung erfasst wird.

   Il. Vorriehtung zur Durchführung des im Patentanspruch I angegebenen Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus zwei mindestens angenähert reehtwinklig zueinander kreuzweise angeordneten zweipoligen Magnetkernen besteht, von denen der eine von einer wechselstromgespeisten Wicklung umgeben ist und der andere von einer an ein Messinstrument angeschlossenen Messspule umschlossen ist.

   FNTERANSPRÜCHE 1. Vorriehtung nach Patentansprueh II, dadurch gekennzeichnet, dass das Messinstru- ment an die Messspule über einen phasenempfindliehen Gleiehriehter angeschlossen ist, der von einer mit dem magnetischen Feld syn chronen Spannung gesteuert wird.

   2. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach Phase und Grosse einstellbare Hilfsspannung zur Nullpunktverschiebung und Kompensation der im Werkstoff vorhandenen Anfangsanisotropie in Reihe mit der Messspule aufgedrückt ist.