Geber zur Bestimmung von mechanischen Beanspruchungen in magnetostriktivem Material
Es ist bekannt, mechanische Beanspruchungen in magnetostriktivem Material dadurch zu messen, dass man mittels eines Magnetsystems einen inhomogenen Magnetfluss in der Oberfläche des Materials erzeugt und mit Hilfe eines Spulensystems die Veränderungen im Magnetfluss misst, die entstehen, wenn das Material einer mechanischen Krafteinwirkung ausgesetzt wird.
Das Abtasten findet in zwei symmetrisch angeordneten Punkten im inhomogenen Magnetfeld statt, und die Inhomogenität ist eine Voraussetzung dafür, dass eine Messung vorgenommen werden kann.
Um mechanische Beanspruchungen in einem magnetostriktiven Material zu messen, ist ein Geber vorgeschlagen worden, der im Prinzip nach demselben System mit einem inhomogenen Magnetfeld arbeitet.
Der Geber wird in eine zylindrische Bohrung im Material eingeführt, und mit Hilfe von zwei Magnetspulen mit ganz getrennten Eisenkernen werden inhomogene Magnetfelder in den Wänden der Bohrung erzeugt. Die Deformation des Magnetfeldes, die entsteht, wenn das Material einer mechanischen Krafteinwirkung ausgesetzt wird, wird mit mit Wicklungen versehenen Eisenkernen abgetastet, die symmetrisch im Verhältnis zu dem den Fluss erzeugenden Magnetsystem und in einer Ebene winkelrecht zu der Ebene durch dieses Magnetsystem angeordnet sind. Um die grösstmögliche Empfindlichkeit des Gebers zu erhalten, wird dieser so orientiert, dass Kerne und Spulen im wesentlichen winkelrecht zu den mechanischen Beanspruchungen liegen.
Dabei wird die bekannte Kraftverteilung ausgenützt, die um eine kreisrunde Bohrung herum in einem Material entsteht, das einer einseitig gerichteten mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird. Wenn das Material einer mechanischen Beanspruchung aO ausgesetzt wird, wird die Beanspruchung = 3 a0 in der Bohrungskante in den zwei diametral entgegengerichteten Punkten, deren Verbindungslinie winkelrecht zu der Beanspruchungsrichtung ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Geber zur Bestimmung von mechanischen Beanspruchungen in magnetostriktivem Material, der in einer, vorzugsweise kreisrunden, Ausbohrung im magnetostriktiven Material winkelrecht zur Beansprucbungsrichtung anzuordnen ist. Der Geber enthält eine an eine Wechselstromquelle angeschlossene Magnetisierungsanordnung und eine an ein Mess- oder Anzeigeorgan angeschlossene Abtastanordnung. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Geber als zylindrischer, langgestreckter Körper ausgebildet ist, und die Magnetisierungsanordnung in einer Diametralebene und die Abtastvorrichtung in einer zweiten Diametralebene des Körpers angeordnet sind, wobei die zwei Diametralebenen einen Winkel miteinander bilden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht und Fig. 2 eine Endansicht eines beispielsweisen Gebers nach der Erfindung. Fig. 3 zeigt die Verteilung der mechanischen Spannung in der Kante einer zylindrischen Ausbohrung in einem Material, das einer einachsigen Beanspruchung = aO ausgesetzt ist. Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung des Gebers.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Geber hat die Form eines zylindrischen, langgestreckten Körpers mit einem Kern 1 aus magnetischem Material. Der Kern ist wie ein Kreuz mit vier Armen 2, 3, 4 und 5 ausgebildet, die zweckmässig gleich lang und winkelrecht zueinander sind. Auf jedem der zwei Arme 2 und 4, die die eine Diametralebene des Körpers bilden, ist eine Magnetisierungswickiung 6 und 8 angeordnet. Die beiden Wicklungen sind reihengeschaltet und so gerichtet, dass die Magnetflüsse in den beiden Armen 2, 4 in derselben Richtung gerichtet sind, was mit gestrichelten Linien in Fig. 2 gezeigt ist. Die Wicklungen sind bei 10 und 11 an eine Wechselspannungsquelle 14 angeschlossen.
Jeder der beiden übrigen Arme 3 und 5, die die andere Diametralebene des Körpers bilden, ist mit einer Messwicklung 7 und 9 versehen, die reihengeschaltet und bei 12 und 13 an ein an sich bekanntes Messgerät angeschlossen sind, das mit 15 bezeichnet ist.
In Fig. 2 ist der Geber in einer kreisrunden Ausbohrung 16 in einem magnetostriktiven Material gezeigt.
Der Kern ist so ausgeführt, dass der kleinstmögliche Luftspalt zwischen dem Kern und der Oberfläche der Ausbohrung erhalten wird. damit die Luftspaltreluktanzen so klein wie möglich werden. Wenn die Wicklungen 6 und 8 von Strom in einer gewissen Richtung durchflossen werden. wird der erzeugte Magnetfluss schräg nach oben rechts gerichtet. wie die Pfeile auf den Armen 2 und 4 zeigen. Der Fluss in dem magnetostriktiven Material teilt sich nach rechts und links, passiert die Oberfläche der Ausbohrung 16 und fliesst in dem Kreuzarm nach links herunter. Wenn das magnetostriktive Material isotrop und keinen mechanischen Bean spruchungeil ausgesetzt ist, ist die magnetische Potentialdifferenz gleich Null zwischen den beiden Bereichen auf der Ausbohrungsfläche, die an den freien Enden der Kreuzarme 3 und 5 liegen.
Diese beiden Arme werden deshalb von keinem magnetischen Fluss durchflossen. und in den Wicklungen 7 und 9 wird keine Spannung induziert.
Wenn dagegen das magnetostriküve Material einer mechanischen Beanspruchung o"ausgesetzt ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, werden mechanische Tangentialspannungen (it in der Ausbohrungsfläche entstehen. Die Grösse und das Vorzeichen der Spannungen werden nach der Formel ot = 2 (1-2 cos 2(f) variieren.
In der Formel ist zur der Winkel zwischen der Richtung der Beanspruchung o,, und der Richtung vom Mittelpunkt der Ausbohrung zum Punkt auf der Fläche der Ausbohrung. wo man ot bestimmen will. In Fig. 3 zeigt die Kurve 20, wie At um die Ausbohrung herum variiert. Charakteristische Werte für ot bekommt man, wenn l = 0, 30 und 90± ist. Wenn g = 0± ist, wird - = =-5-,.
Bei r = = 30^ wird At = 0. und bei ç = 900 wird ast = 3 o,,. Aus der Formel geht auch hervor, dass bei l = = 45± (3t = do wird.
Aus Fig. 3 geht hervor, dass o immer Null in den Punkten 21, 22, 23 und 24 ist, und rein prinzipiell würde man also den empfindlichsten Geber erhalten, wenn der Winkel zwischen der Magnetisierungs- und der Abtastanordnung 603 wäre. Dies beruht darauf, dass die Reluktanzänderungen, die auf Grund der Zugspannung zwischen den Punkten 21 und 24 bzw. 22 und 23 entstehen, mit den Reluktanzänderungen zusammenwirken, die auf Grund der Druckspannung zwischen den Punkten 23 und 24 bzw. 21 und 22 entstehen. so dass man die grösstmögliche Potentialdifferenz über der Abtastanordnung erhält.
Eine Folge dieser symmetrischen Konstruktion ist jedoch, dass man auch bei einer Beanspruchung Null im Material ein Signal von der Abtastanordnung bekommt; aber dieses Signal kann auf magnetischem Wege im Geber dadurch kompensiert werden, dass Körper aus magnetischem Material zwischen den Punkten 21 und 22 bzw. 23 und 24 eingeführt werden. Die Kompensierung kann auch elektrisch im Messgerät stattfinden. Ein Nachteil dieser schrägen Konstruktion ist jedoch, dass der Wicklungsraum kleiner wird.
Wenn die Magnetisierungs-und Abtastanordnungen winkelrecht zueinander angeordnet werden, erhält man den grösstmöglichen Wicklungsraum und das kleinstmögliche Signal bei der Beanspruchung Null, dagegen wird aber der Geber weniger empfindlich. In der Regel ist jedoch das Aussignal so stark, dass der genannte Nachteil keine Rolle spielt.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführung des Gebers gezeigt. Fig. 4a zeigt die Magnetisierungsanordnung mit einem Kern in der Form eines H und mit : der Magne- tisierungswicklung 31 auf dem quergehenden Teil 32 des Kerns angeordnet und an eine Wechselspannungsquelle 14 angeschlossen. Die beiden nach unten gerichteten Kernschenkel 33 sind erheblich länger als die beiden nach oben gerichteten Kernschenkel 34. Die Abtastanordnung ist in Fig. 4b gezeigt. Ihr Kern ist innen wie der der Magne;isierungsanordnung ausgebildet, aber umgekehrt angeordnet in bezug auf den querstehenden Teil 32 des Kerns. Die Magnetisierungswicklung 35 ist an das Messgerät 15 angeschlossen.
Fig. 4c zeigt, wie die beiden Kerne mit ihren Wicklungen. zu einem kompletten Geber kombiniert werden, und Fig. 4d zeigt diesen Geber von oben gesehen in einem horizontalen Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 4c.
Der Geber ist also aus zwei gleichen Teilen zusam mengesetzt, und die beiden Teile sind nicht miteinander verbunden. Man hat deshalb die Möglichkeit. bei der Zusammenstellung der zwei Geberteile den Winkel zu bestimmen, den man zwischen den Magnetisierungsund Abtastwicklungen haben will. Ein weiterer Vorteil der getrennten Magnetisierungs- und Abtastwicklungen ist, dass die innere magnetische Schaltung prakt sch eli- miniert ist, was in hohem Grad die Einwirkung von eventuellen Exzentrizitäten auf die Nullpunktspannung vermindern dürfte.
Bei beiden Gebertypen werden die Magnetisierungsund Abtastanordnungen zweckmässig in einen zylindrischen Körper aus Kunststoff eingegossen, der dann auf einen genau definierten Durchmesser geschliffen wird, so dass der kleinstmögliche Luftspalt zwischen den Eisenkernen und der Fläche der Ausbohrungen entsteht. Um den Geber in der Ausbohrung festzuhalten, ist er mit Vorteil an jedem Ende mit einem Ring aus einem elastischen Material versehen. Die Ringe bilden ausserdem eine effektive Dichtung und hindern fremde und schädliche Stoffe am Eindringen in den Raum zwischen dem Geber und der Ausbohrung.
Beim Eingiessen des Gebers werden zweckmässig zwei oder vier gewundene Löcher symmetrisch nahe der Geberfläche verteilt, wobei ihre Längsrichtung parallel zur Längsrichtung des Gebers ist. In diese Löcher können dann Körper aus magnetischem Material, zweckmässig Eisenschrauben, zur Kalibrierung des Gebers eingeschraubt werden. Dies ist besonders erwünscht, wenn das Material, in das die Ausbohrungen gemacht sind, gewalzt ist. Ein solches Material ist in der Regel anisotrop, so dass der Geber ein Aussignal sendet, auch wenn die Beanspruchung Null ist. Mit der vorgeschlagenen Anordnung kann jedoch eine durch die Anisotropie veranlasste Unbalance zum grössten Teil kompensiert werden.
Der Geber nach der Erfindung kann als magnetische Brücke betrachtet werden. bei der die magnetomotorische Kraft in die Diagonale eingeschaltet ist, die aus der Magnetisierungsanordnung besteht, während das Messgerät in die Diagonale eingeschaltet ist, die die Abtastanordnung bildet. Die Brückenzweige bestehen aus den vier Teilen der Wand der Ausbohrung, die zwischen den Enden der Eisenkerne in den Magnetisierungs- und Abtastanordnungen liegen. Da die mechanische Beanspruchung im Material Null ist und das Material isotrop ist, ist die Brücke in Gleichgewicht und die Ausspannung Null. Wenn dagegen das Material einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird, wird die Permeabilität in zwei Zweigen steigen und in den andern beiden abnehmen, wodurch die Brücke ausser Gleichgewicht gerät.
Der prinzipielle Unterschied zwischen den in der Einleitung genannten Gebern und dem erfindungsgemässen Geber ist, dass der letztere nicht an inhomogene Magnetfelder gebunden ist, sondern der Geber kann mit Vorteil gleich lang wie die Dicke des Messobjektes ausgeführt werden, wobei homogene Magnetflüsse über der ganzen Breite des Materials erhalten werden. Hierdurch erhält man eine viel grössere effektive Messfläche, was natürlich eine entsprechende Zunahme der Messleistung und der Empfindlichkeit mit sich bringt.