Anordnung zum elektromagnetischen Messen von mechanischen Kräften
Seit mehreren Jahrzehnten hat man die magnetostriktiven Eigenschaften gewisser Materialien beim Messen von mechanischen Kräften ausgenutzt, und verschiedene Typen von magnetostriktiven Gebern sind hergestellt worden. Bei einem dieser Typen besteht der Geber aus einem oder mehreren induktiven Elementen mit einem Kern aus magnetostriktivem Material und einer stromdurchflossenen Wicklung, wobei die Induktanz des Gebers sich verändert, wenn er von einer mechanischen Kraft beeinflusst wird. Die Induktanzänderung wird als Mass der einwirkenden Kraft genommen, und die Messung erfolgt auf elektrischem Wege. Wenn nur ein Geber verwendet wird, misst man die Induktanzänderung in irgendeiner bekannten Weise und führt sie einem Messinstrument eventuell nach Verstärkung zu.
Bei Verwendung mehrerer Geber können diese zu einer rahmenähnlichen Konstruktion zusammengebaut werden, bei der gewisse Geber gezogen und andere gedrückt werden.
Die induktiven Elemente, die die Geber bilden, sind dann oft in einer Messbrücke geschaltet, und die Grösse der von der Brücke erhaltenen Spannung entspricht der einwirkenden Kraft. Das Charakteristische für diese Geber ist, dass die Messung auf elektrischem Wege ausgeführt wird, dadurch dass die Geber Elemente in stromgespeisten Brückenschaltungen ver schiedener Art ausmachen. Solche Messanordnungen sind z. B. durch die deutschen Patentschriften 715 232 und 740 762 bekannt.
Ein anderer Typ von kraftbeeinfiussten magnetostriktiven Gebern besteht aus einem Körper aus lamelliertem magnetostriktivem Material. Der Geber hat eine Magnetisierungswicklung, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, sowie eine Messwicklung, die an ein Messorgan angeschlossen ist. Wenn der Körper von einer mechanischen Kraft beeinflusst wird, verändern sich seine magnetischen Eigenschaften je nach der Grösse und Richtung der applizierten Kraft. Dabei ändern sich auch Grösse und Richtung des Magnetfeldes in den verschiedenen Teilen des Körpers. Die Messwicklung misst die entstehende magnetische Unbalance, und die in der Messwicldung induzierte Spannung ergibt ein Mass der Grösse der Kraft.
Die Aufgabe der Magnetisierungswicklung ist, dem magnetostriktiven Körper magnetomotorische Kraft zuzuführen und dadurch einen magnetischen Fluss mit einer gewissen Form im Körper zu erzeugen. Die Aufgabe der Messwicklung ist, die Änderung dieses Flusses abzutasten, die entsteht, wenn der Körper der Einwirkung einer mechanischen Kraft ausgesetzt wird. Ein Geber dieser Art arbeitet somit nach einem ganz anderen Prinzip als der erstgenannte. Die Schweizer Patentschrift 327 001 zeigt eine Ausführungsform eines solchen Gebers.
Beim letztgenannten Geber sind die zwei Wicklungen derart in Löchern im Körper angeordnet, dass sie sich ausserhalb des Körpers kreuzen. Diese Anordnung der Wicklungen bedeutet, dass sie von Hand angebracht werden müssen. Das Sichkreuzen der Wicklungen ausserhalb des Körpers kann in gewissen Fällen den Nachteil haben, dass sie zu viel Platz in seitlicher Richtung einnehmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche Anordnung zum elektromagnetischen Messen von mechanischen Kräften, die aus einem Messkörper aus magnetostriktivem Material sowie Wicklungen zum Erzeugen und Erfassen der magnetischen Flüsse im Messkörper besteht, die den Vorteil hat, dass diese Wicklungen, wenn es als zweckmässig erachtet wird, auch maschinell hergestellt werden können. Erfindungsgemäss weist der Messkörper vier Schenkel auf; ferner sind Mittel vorhanden, um die Schenkel der zu messenden Kraft auszusetzen, und es ist ein mit den Schenkeln verbundenes Joch vorgesehen, um einen Teil des Flussweges der durch die Schenkel strömenden Magnetflüsse zu bilden, wobei mindestens zwei der genannten Teile je von wenigstens einer Wicklung zum Erzeugen und Erfassen der Magnetflüsse in ihnen umschlossen sind.
Bei diesem System kann man denselben Aufbau der Wicklungen anwenden wie bei Transformatoren, wenn die Teile des Gebers, die die Wicklungen tragen, verhältnismässig langgestreckt und z. B. mit einem konstanten, quadratischen Querschnitt hergestellt werden. Vorzugsweise können die Wicklungen dann maschinell auf teilbaren Spulenkörpern angebracht werden, die mit einem zweckmässigen Spielraum auf den genannten Teilen des Gebers angebracht werden, so dass die Spulenkörper rotieren können und die Wicklungen durch ein gewöhnliches Wickelverfahren hergestellt werden können. Die Teile oder Schenkel des Kernes, die die Wicklungen tragen, werden zweckmässigerweise verhältnismässig lang ausgeführt, teils um Platz iür Wicklungen mit einem grossen Kupferquerschnitt zu erhalten, teils um Platz für sowohl Magnetisierungs- als auch Messwicklungen auf demselben Schenkel zu haben.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Fig. 1 zeigt eine beispielsweise Anordnung nach der Erfindung mit einem Geber, der mit Wicklungen des oben beschriebenen Typs versehen ist. Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen alternative Anordnungen der Primär- und Sekundärwicklungen. Fig. 5 zeigt, wie dieselbe Flussverteilung mit einer einzigen Wicklung nach der Patentschrift Nr. 327 001 erhalten werden kann. In den Fig. 6 und 7 sind verschiedene Anschlussmöglichkeiten der Primärwicklungen des Gebers gezeigt, wenn nur solche Wicklungen verwendet werden. Die Fig. 8, 9, 10 und 12 zeigen eine andere beispielsweise Ausführungsform des Eisenkerns eines Gebers mit dem vorgeschlagenen WicMungstyp, während Fig. 11 die Kraftverteilung bei einem solchen Geber zeigt.
Die Fig. 13 und 14 zeigen schliesslich einen Geber, bei dem der Eisenkern aus Stahlband ausgeführt ist.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung besteht die magnetische Brücke aus vier Teilen in der Form von Streben 1, 2, 3 und 4, die in einem rechtwinkligen Kreuz angeordnet sind. Die Aussenenden des Kreuzes werden von einem rechteckigen Rahmenteil 5 zusammengehalten, der einen notwendigen Teil des flussweges für die in den Brükkenteilen 1, 2, 3 und 4 verlaufenden Magnetflüsse bildet. Die magnetischen Flüsse in der aus den Streben 1, 2, 3 und 4 bestehenden magnetischen Brücke werden mit Hilfe von vier reihengeschalteten Wicklungen P,, P2, P5 und P4 erzeugt, von denen je eine auf jedem Arm des Kreuzes angeordnet und an eine Wechselstromquelle G angeschlossen ist.
Die Wicklungen Pl und P2 erzeugen einen horizontalen Fluss t in dem aus den Streben 1 und 2 gebildeten horizontalen Teil des Kreuzes, während die Wicklungen P3 und P4 einen gleich grossen vertikalen Fluss sEv im anderen Teil des Kreuzes erzeugen. Die Flüsse schliessen sich über den äusseren Rahmen 5. Im ersten und dritten Quadranten sind die zwei Flüsse entgegengerichtet, und bei unbelastetem Geber ist deshalb die algebraische Summe der zwei Flüsse Null. Im zweiten und vierten Quadranten sind die Flüsse gleich gerichtet, und der resultierende Fluss ist die Summe der beiden Flüsse. Die Magnetflüsse in der magnetischen Brücke werden mit vier Sekundärwicklungen S,, S2, S, und S4 abgetastet.
Diese Wicklungen sind in einer Reihenschaltung mit S, und 82 in derselben Richtung wie P, und P2, und 83 und S4 in entgegengesetzter Richtung zu P3 und P4 zusammengeschaltet und an eine Messanordnung M angeschlossen. Bei unbelastetem Geber ist deshalb die resultierende induzierende Spannung in den Sekundärwicklungen Null. Wenn der Geber mit einem vertikalen Druck belastet wird, nimmt çv ab, und von den Sekundärwicklungen erhält man eine Spannung, die der Differenz 0 iv entspricht.
Da die Flüsse çv und fH sich in den vier Quadranten aus dem äusseren RahmenS zusammensetzen, so dass sie im zweiten und vierten Quadranten zusammenwirken und einander im ersten und dritten Quadranten entgegenwirken, ist es klar, dass dieWicklungen zum Erzeugen und Abtasten der Magnetflüsse auch um den Rahmen 5 herum angeordnet werden können, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Es ist demnach möglich, die Magnetisierungswicklungen P um den Rahmen im zweiten und vierten Quadranten oder nur in dem einen von diesen anzubringen. Im letzteren Fall wird jedoch die Empfindlichkeit des Gebers herabgesetzt. Die Messwicklungen S können in ähnlicher Weise um den Rahmen im ersten und dritten Quadranten oder nur in einem von diesen angebracht werden.
Man hat also die Möglichkeit, die Magnetflüsse zu erzeugen und abzutasten, indem man entweder die dafür vorgesehenen Wicklungen um die Arme des Kreuzes, das von den Streben 1, 2, 3 und 4 gebildet wird, anbringt oder um den Rahmen 5 an verschiedenen Stellen des Rahmens. Es ist jedoch offensichtlich, dass auch eine Kombination der beiden Wicklungsmethoden möglich ist, da der Flussverlauf im Geber zu einem gewissen Grad unabhängig von der Plazierung der Wicklungen ist. Es ist deshalb denkbar, die Magnetisierungswicklungen P um die Arme des Kreuzes anzuordnen und die Messwicklungen um den Rahmen 5 gemäss Fig. 3 oder umgekehrt gemäss Fig. 4. Welche Plazierung in einem bestimmten Fall vorzuziehen ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab.
Beim erstgenannten Wicklungsverfahren, bei dem sämtliche Wicklungen um die Arme des Kreuzes herum angeordnet sind, werden die Wicklungen völlig innerhalb des Rahmens 5 liegen. In einer öffnung des Gebers, beispielsweise der oberen rechten, wird dann die Hälfte der Wicklungen P2, S2, P4 und S4 liegen, und dadurch wird der Platz für die Wicklungen verhältnismässig begrenzt. In dem anderen extremen Fall mit sämtlichen Wicklungen um den Rahmen 5 herum wird dieselbe Öffnung des Rahmens eine einzigeWicklung aufnehmen. Der Platz für die Wicklungen wird in diesem Fall beträchtlich grösser.
Das Wesentliche für alle Wicklungsausführungen ist, dass die Magnetisierungswicklungen den Summenfluss von R und çv und die Messwicklungen den Differenzfluss von b und div umschliessen sollen.
Die Flussverteilung, die mit dem Wicklungssystem gemäss Fig. 1 erhalten wird, kann auch mit einer einzigen Wicklung P erhalten werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Ebenso können Flussveränderungen auf Grund von mechanischer Krafteinwirkung im Geber mit einer einzigen Wicklung S abgetastet werden.
Dieser Wicklungstyp stimmt überein mit dem des in der Beschreibungseinleitung genannten magnetoelastischen Gebers.
Es ist auch möglich, die Sekundärwicklungen wegzulassen und nur Primärwicklungen zu verwenden. Diese können dann in einer Brücke geschaltet sein, wie in Fig. 6 gezeigt ist, oder in einer Differentialschaltung nach Fig. 7. Im letzteren Fall kann eine richtige Nullkompensierung für den Grundton beispielsweise durch eine zweckmässige Anzapfung des Differentialtransformators erhalten werden.
Die Ähnlichkeit zwischen den Messanordnungen nach Fig. 6 und 7 und der in der Beschreibungseinleitung genannten elektrischen Brückenschaltung ist bei oberflächlicher Betrachtung recht gross. Um die vorliegende Erfindung zu verstehen, ist es notwendig darüber klar zu sein, dass es nicht die Induktanzen in den Spulen P1 bis P4 sind, die gemessen werden, was dagegen bei einer elektrischen Brückenschaltung der Fall ist. Die Anordnung arbeitet mit einer rein magnetischen Brücke, die nur auf elektrischem Wege abgetastet wird. Dieser wesentliche Unterschied geht am besten daraus hervor, dass die verschiedenen Spulen P1 bis P4 in den Fig. 6 und 7 magnetisch aneinander geschaltet sind, was bei den bekannten elektrischen Brückenschaltungen nicht der Fall ist.
Eine andere Voraussetzung dafür, dass die Messung mit einer magnetischen Brücke erfolgen kann, ist, dass es einen gemeinsamen Rückgangsweg für die Magnetflüsse von zwei verschiedenen belasteten Streben gibt, was bei den bekannten elektrischen Brückenschaltungen nicht vorkommt.
Mit der in Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsform des Messkörpers erhält man einen Geber mit sehr grosser Empfindlichkeit. Um grosse Empfindlichkeit zu bekommen, muss der grösstmögliche Teil des mechanischen Kraftflusses durch die Messzone und der kleinstmögliche Teil durch die notwendigen magnetischen Rückgangswege geleitet werden. Ausserdem muss die Messzone bei einer gewissen Maximalhöhe des Gebers so lang wie möglich gemacht werden, da die Ausgangsleistung der Länge der Messzone proportional ist. Diese beiden Forderungen werden von dem gezeigten Geber voll erfüllt. Praktisch geht der ganze Kraftfluss durch die Mittelsäule, weil die beiden von den Rahmenhälften gebildeten gebogenen Balken eine vernachlässigbare Steifheit haben.
Gleichzeitig gewinnt man den Vorteil einer langen Messzone, in der der Kraftfluss und der Magnetfluss in einer langen Strecke homogen und parallel sind. Da der äussere Rahmen in magnetischer Hinsicht nur als Rückgangsweg für den Fluss dient, muss er einerseits so schwach wie möglich gemacht werden, aber auf der anderen Seite doch einen um so viel grösseren Querschnitt als das messende Kreuz haben, dass nur ein vernachlässigbarer Teil der magnetisierenden Amperewindungszahl in diesen äusseren Rückgangswegen verbraucht wird.
Mit der nun vorgeschlagenen Wicklungsausführung kann man einen Geber mit noch grösserer Empfindlichkeit herstellen. Das Prinzip dieses Gebers geht aus den Fig. 8 bis 11 hervor. Der in Fig. 8 gezeigte Geber hat eine fachwerkähnliche Konstruktion, die aus vier Streben 1, 2, 3 und 4 aufgebaut ist, die die Schenkel einer magnetischen Brücke bilden. Jede Strebe ist von Magnetisierungswicklungen P,, P2, P3, P4 und Messwicklungen Sl, S2, S3 und S4 umschlossen.
Zwei diagonal entgegengesetzte Ecken der Konstruktion sind mittels eines U-förmigen Rahmens verbunden, der aus einem horizontalen Teil 7 und zwei zu diesem senkrechten Schenkeln 6 besteht.
Die zwei anderen Ecken der Konstruktion sind mit einem geraden Balken 8 verbunden, auf dessen oberem Ende 9 die zu messende Kraft appliziert wird.
Um eine Überbelastung des Gebers zu verhindern, kann ein Distanzstück 10 zwischen der unteren Fläche des Balkens 11 und dem horizontalen Teil 7 des Rahmens angebracht werden. Die hauptsächliche Aufgabe des Rahmens ist, den Rückweg für einen magnetischen Fluss zu bilden. Aus herstellungstechnischen Gründen ist es jedoch zweckmässig, den Rahmen als mechanisch zusammenhaltendes Element für die fachwerkähnliche Konstruktion dienen zu lassen.
Die Wicklungen Pl, P2, P5 und P4 sind gleich und in Reihe an eine Wechselspannungsquelle G angeschlossen. Die Wicklungsrichtung ist so gewählt, dass der Magnetfluss in dem aus den Teilen 1 und 2 bestehenden oberen Zweig dem Fluss in dem unteren Zweig entgegengerichtet ist. Die Messwicklungen St und 8, im oberen Zweig sind in derselben Richtung gewickelt wie die Wicklungen P1 und P2, während die Wicklungen S3 und S4 entgegengerichtet zu den Wicklungen P5 und P4 gewickelt sind. Die beiden Magnetflüsse schliessen sich über den Rahmen 6 und 7.
Wenn der Geber überbelastet ist, sind die Flüsse in beiden Zweigen gleich, und die resultierende induzierte Spannung in den Wicklungen S1 bis S4 ist gleich Null.
Wenn der Geber dadurch belastet wird, dass eine Kraft F auf die Fläche 9 wirkt, werden die Streben 1 und 2 gedrückt und die Streben 3 und 4 gezogen. Die Reluktanz in den zwei erstgenannten Streben nimmt zu, während sie in den zwei anderen abnimmt. Da die magnetomotorische Kraft für alle Spulen gleich ist, wird der Fluss in dem oberen Zweig abnehmen und im unteren zunehmen. Die resultierende induzierte Spannung in den Wicklungen 8i bis S4 ist nicht mehr Null, und das an die Messwicklungen angeschlossene Messinstrument M zeigt einen Ausschlag, der der Kraft F proportional ist.
Es ist auch möglich, wie in Fig. 3 gezeigt, die Magnetisierungswicklungen P, bis P4 auf den Schenkeln der fachwerkähnlichen Konstruktion und die Messwicklungen auf dem Rahmen 6, 7 anzuordnen, der den Rückweg der Flüsse durch die Messzone darstellt. Bei unbelastetem Geber ist der resultierende Fluss im Rahmen Null. Bei Belastung entsteht im Rahmen ein Differenzfluss, der der einwirkenden Kraft proportional ist. Es ist natürlich auch möglich, in der in Fig. 4 gezeigten Weise die Magnetisierungswicklungen um den Rahmen 6, 7 und die Messwicklungen um die Teile 1, 2, 3 und 4 in der Messzone zu legen.
Um den Geber so empfindlich wie möglich zu machen, muss man zusehen, dass die Reluktanz hauptsächlich in den messenden Streben 1 bis 4 liegt.
Deshalb muss der Querschnitt des Rahmens möglichst gross sein. Dies hat zur Folge, dass die Wicklungen, die um diesen herum angebracht sind, gross werden. Den geringsten Verbrauch an Material und Raum für die Wicklungen erhält man daher, wenn sämtliche Wicklungen um die Streben herum ange- ordnet sind. Es ist auch möglich, wie aus Fig. 6 und 7 hervor geht, dieselben Wicklungen für Magnetisierung und Messung zu verwenden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist angenommen, dass die Kraft zwischen gedrückten und gezogenen Elementen gleich verteilt ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass nicht derselbe lineare Zusammenhang zwischen I Kraft und elektri- scher Spannung bei Zug- wie bei Druckbeanspruchungen herrscht. Es kann deshalb zweckmässig sein, die Beanspruchung in den gezogenen Streben u. U. bis auf Null zu senken. In der Fachwerkkonstruktion wird dies dadurch erreicht, dass die gezogenen Streben 3, 4 mehr horizontal gemacht werden und dass sie theoretisch bei voller Entlastung nach Fig. 9 horizontal sind. In der Praxis ist es schwer, den Rahmen ganz steif zu machen, und bei praktischen Ausfüh rungsformen erhält man eine kleine Ausbiegung der freien Enden der Schenkel 6, wenn der Geber belastet wird.
Um diese Ausbiegung zu kompensieren, kann es zweckmässig sein, den unteren Streben eine solche Richtung zu geben, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist. Wenn die Längsrichtung der Streben einen gewissen Winkel mit der Horizontalebene bildet, werden die Streben bei Druckbelastung von oben auf den Geber einer gewissen Druckbeanspruchung ausgesetzt, während sie gleichzeitig einer im wesentlichen gleich grossen Zugbeanspruchung auf Grund der Ausbiegung der Schenkelenden ausgesetzt werden, so dass sie im wesentlichen unbeeinflusst bleiben.
Ein Geber des in den Fig. 8-10 gezeigten Typs erhält eine hohe Empfindlichkeit dadurch, dass man eine gewisse Vergrösserung der wirkenden Kraft bekommt. Das Grundprinzip der Kraftvergrösserung bei einem Geber nach Fig. 8 geht aus Fig. 11 hervor, wobei das Fachwerk als ideal betrachtet wird, d. h. mit Gelenken in dem Knotenpunkt, so dass reine Stabkräfte in den Streben erhalten werden. Wenn der Balken 8 von einer vertikalen Kraft F beeinflusst wird, wird die Reaktionskraft bei der Befestigung der Stre
F ben in den Schenkeln 5 und 6 gleich 2 Wenn der Winkel zwischen den Streben an deren Befestigung in den Schenkeln 2 a ist, wird die Beanspruchung f in den
F Streben = 4 sin a . Bei einer Ausführung nach Fig.
8 müssen jedoch die Streben wie in beiden Enden fest eingespannte Balken betrachtet werden, und die Kraft F wird dann nicht mehr nur von den reinen Druckund Zugkräften f getragen, sondern auch von dem Biegsmoment in den Streben. Dies bedeutet eine variierende Beanspruchung über dem Querschnitt der Streben, was den linearen Messbereich vermindert.
Bti einer gewissen Balkenhöhe der Streben darf deshalb der Winkel a nicht zu klein sein, da eine Ver kleinerung des Winkels a bedeutet, dass ein immer grösserer Teil der Kraft über Biegemomente in den Streben übergeführt wird.
Fig. 12 zeigt eine Variation des Gebers nach Fig. 8, bei der der Rahmen, der den Rückweg des Magnetflusses bildet, durch eine fachwerkähnliche Konstruktion derselben Art wie die ersetzt ist, die für Messen benützt wird. Das eine Fachwerk dient dann als Rückweg für den Fluss in dem anderen.
Im Vorhergehenden ist angenommen worden, dass die Geber durch Zusammenleimen von ausgestanzten Blechen hergestellt sind, wobei die Ebenen der Bleche der wirkenden Kraft parallel sind. Weil beim Stanzen die Streben der Teile eine geringste Breite haben müssen, erhält man eine gewisse Biegefestigkeit der Streben. Gemäss dem Vorhergesagten muss der Beitrag der Biegefestigkeit zu der Steifheit des Fachwerkes in der Richtung der Kraft unbedeutend sein. In den Fig. 13 und 14 ist gezeigt, wie man einen Geber herstellen kann, bei dem die Biegefestigkeit bis zu einer Grenze herabgesetzt werden kann, die von der Kniclcungsgefahr bestimmt wird.
Das Fachwerk ist aus sehr dünnem Blechband aufgebaut, und die Streben 13, 14, 15, 16 werden aus einem oder mehreren Bändern gebildet, die in Steuernuten in einen zentralen Balken 17 und zwei Seitenstützen 18 gelegt werden, die von einem Stativ 19 getragen werden. Der magnetische Rückweg wird dadurch erhalten, dass die Enden des Bandes um das Stativ wie Blätter geschichtet und an diesem in einer bekannten Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Bandage, befestigt werden. Damit der Geber auch in seitlicher Richtung stabil wird, kann er mit zwei zueinander winkelrechten Fachwerken mit einem gemeinsamen zentralen Balken und einem gemeinsamen Stativ ausgeführt werden.