CH635935A5 - Verfahren zum messen oder erfassen einer veraenderung des mechanischen zustandes in einem koerper mit magnetostriktiven effekten. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mes- 55 sich auf ein Messverfahren gemäss der Erfindung, während die sen oder Erfassen der Änderung eines mechanischen Zustandes anderen sich auf herkömmliche Messverfahren beziehen. Figur wie beispielsweise des Zustandes der mechanischen Belastung, 5 zeigt im einzelnen eine Ausführungsform einer erfindungsge-des Eintretens, des Beginnens oder des Fortschreitens von Brü- mässen Vorrichtung, womit Messungen an runden Proben verdien, der Trennung innerhalb des Materiales oder der Vibration anschaulicht werden sollen. Figur 6 zeigt in einer Projektionsoder einer Änderung des mechanischen Zustandes in Bezug auf darstellung eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Durchfüh-die Zeit innerhalb eines Körpers, der magnetostriktive Wirkun- ren von Messungen an einer genuteten Dreipunkt-Biegeprobe, gen zeigt, und zwar dann, wenn unter der Einwirkung einer die Biegekräften ausgesetzt wird.

magnetischen Feldstärke (H) ein zugeordneter magnetischer

Fluss in wenigstens einem Teil des Körpers erzeugt wird. Zufol- Wege zur Ausführung der Erfindung ge dieses Flusses ruft die Änderung des mechanischen Zustan- 65 In Figur 1 erkennt man einen ferromagnetischen Körper 1,

des über die Magnetisierung (M) des Körpers eine messbare der als Prüfling dient. Dieser wird mechanischen Beanspruchun-

oder erfassbare Störung hervor. Die Erfindung betrifft ferner gen unterworfen, beispielsweise einer Spannung, einem Druck eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. oder einer Torsion, wie durch die Pfeile 2 veranschaulicht.

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Dabei kann die einzelne Spannungsart entweder für sich alleine oder in Kombination als Zugspannung-Torsion oder als Druckspannung-Torsion wirken. Die Spannungen führen eine Veränderung des mechanischen Zustandes der Probe herbei, was sich in einer elastischen oder plastischen Verformung ausdrücken kann, ferner in einer Trennung innerhalb des Materiales, in Rissbildung, Rissvertiefung oder sogar in einem Bruch. Es sei darauf verwiesen, dass eine Änderung des mechanischen Zustandes auch von thermischen Beanspruchungen herrühren kann. Zum Zwecke der Messungen oder des Erfassens von Veränderungen des mechanischen Zustandes des Körpers ist eine Anzahl von Jochen 3 vorgesehen, von denen eines in der Figur veranschaulicht ist. Dieses dargestellte Joch weist eine Primärspule 4 und eine Sekundärspule 5 auf. Durch Anwendung eines Spannungsgenerators 6, der über einen Spannungs-Strom-Transformer 7 an die Primärspule 4 angeschlossen ist, wird ein Strom erzeugt, der seinerseits ein magnetisches Feld erzeugt. Dies führt zu einem Fluss durch einen magnetischen Kreis, der aus dem Joch 3 und einem Teil der Probe 1 besteht. Das Joch ist in Bezug auf die Probe derart angeordnet, dass der magnetische Kreis im wesentlichen frei von Luftspalten ist und das Joch durch die Spannung nicht beeinträchtigt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Joch 3 entlang der Probe 1 zu gleiten vermag. Es versteht sich, dass die Spulen an irgendeiner Stelle entlang des magnetischen Kreises angeordnet werden können. Der genaue Ort der Spulen ist nur durch praktische Erwägungen zu ermitteln. Um einen symmetrischen Fluss zu erreichen, sollte eine Anzahl von zueinander parallelen Jochen verwendet werden.

Die Änderung des mechanischen Zustandes wirkt, über die Magnetisierung des Körpers (im folgenden mit M bezeichnet), als Störung des Flusses 0. Diese wird in der Sekundärspule 5 erfasst und an einem mit der Spule verbundenen Anzeigegerät 8 angezeigt. Gemäss der Erfindung werden sowohl das Magnetfeld, um folgenden H0 genannt, als auch die mittlere Länge 1 des magnetischen Kreises im wesentlichen konstant und unabhängig von der Veränderung des mechanischen Zustandes gehalten. Wie zuvor erwähnt, wird die Durchschnittslänge 1 dadurch konstant gehalten, dass man wenigstens einen der beiden Stege des Joches entlang der Probe gleiten lässt. Die magnetische Feldstärke H0 wird dadurch konstant gehalten, dass man der Spule 4 einen konstanten Gleichstrom zuführt. Dieser Strom wird durch eine Spannungsteilerschaltung U mittels eines Potentiometers 9 erhalten. Die Spannung wird über einen Sum-mierungspunkt 10 im Spannungsgenerator 6 dem Umformer 7 zugeführt, in welchem die Spannung in konstanten Strom umgewandelt wird. Wie man aus Figur 2 erkennen kann, entspricht jeder Wert der magnetischen Feldstärke H0 einer Anzahl von Werten des Flusses 0, von denen zwei Werte, nämlich a und b, auf der Hysteresis-Kurve des Körpers, und einer, nämlich der Wert c, auf der anhysteretischen Kurve markiert sind. Von jenen Punkten ist der Punkt c derjenige, der dem Wert des Flusses 0 entspricht, bei welchem die Probe ihre geringsten Verluste für einen gegebenen Wert H0 der magnetischen Feldstärke erreicht hat.

Versucht man zum Beispiel, wie dies aus Mess- oder Anzeigeverfahren bekannt ist, von Punkt a oder b ausgehend, eine sagezahnartig sich verändernde, mechanische Belastung zu erfassen, die auf Probe 1 einwirkt, so verändert sich der Fluss in jener Weise, die durch die beiden äusseren Kurven in Figur 4 dargestellt ist. Wie man sieht, ist der Fluss nicht gleich in den beiden einander entsprechenden Punkten zweier aufeinanderfolgender Belastungszyklen. Die Änderung des mechanischen Zustandes, die im Körper durch die Last hervorgerufen wird, kann somit nicht eindeutig aus der Störung oder Abweichung des Flusses durch die Last ermittelt werden.

Gemäss der Erfindung wird daher beim Beginn des Messens ein alternierender Fluss 0V, der langsam verschwindet, überlagert. Dieser Fluss wird durch einen Generator 11 erzeugt, der eine Spannung ub liefert, die allmählich auf einen Minimalwert abnimmt. Die Aufgabe des alternierenden Flusses 0V besteht darin, den getesteten Körper dazu zu veranlassen, einen stabilen 5 Ausgangszustand auf der anhysteretischen Kurve zu erreichen. Um den Wert der magnetischen Feldstärke zu bestimmen, bei welchem dies eintritt, wird eine dreieckige Spannung ut dem Summationspunkt 10 in Einrichtung 6 von Figur 1 eingespeist. Sodann wird die Hysteresis-Kurve registriert und von dort ein io geeigneter Wert der magnetischen Feldstärke H0 auf der anhysteretischen Kurve ausgewählt. Sodann lässt sich die Bestimmung gemäss der Erfindung vornehmen.

Der Punkt c in den Figuren 2 und 3 entspricht dem Wert des magnetischen Flusses 0, bei welchem der Körper magnetischen 15 Gleichgewichtszustand bei der Feldstärke H0 annimt. Selbstverständlich sind anderen Werten der Fledstärke andere Werte des Magnetflusses zugeordnet, die aus der Anhysteresis-Kurve des Körpers aufzufinden sind. Misst man gemäss der Erfindung das Ansprechen des Magnetflusses auf eine mechanische Belastung, 20 d.h. die Veränderung des Flusses über der Zeit als Funktion der auf den Körper einwirkenden Belastung, und geht man von einem elektromagnetischen Gleichgewichtszustand aus so stellt man fest, dass der Magnetfluss eine eindeutig bestimmte Funktion der Belastung ist. Hat die Belastung beispielsweise die Ge-25 stalt eines Sägezahnes, so verändert sich der Magnetfluss in der Weise wie durch die Zwischenkurve in Figur 4 veranschaulicht. Bei dieser Kurve ist die Veränderung des Flusses bei zwei miteinander identischen und aufeinanderfolgenden Lastzyklen in entsprechenden Punkten gleich. Der Mittelwert der Kurve ist 30 während eines oder mehrerer Zyklen zeitunabhängig. Dies ist natürlich nicht der Fall bei den beiden oben beschriebenen, äusseren Kurven, welche Messungen gemäss bekannter Verfahren veranschaulichen. Der Mittelwert dieser Kurve ist nicht konstant, sondern tendiert zum Mittelwert der Zwischenkurve. Dies 35 lässt sich durch die Annahme erklären, dass zum Erreichen des Flusses auf dasselbe Niveau wie bei c Energie erforderlich ist. Diese Energie wird aus der Änderung des mechanischen Zustandes hergeleitet. Die durch die Änderung des mechanischen Zustandes erzeugte Magnetflussänderung, die von der Messspu-40 le 5 als Spannung ermittelt wird, lässt sich in einer Anzahl von Möglichkeiten durch die Anzeigeeinheit 8 gemäss Figur 1 ausnutzen. An Ausgang A wird ein Signal erzeugt, das dieser Spannung proportional ist ; desgleichen wird an Ausgang B ein Signal erzeugt, das dem Zeitintegral der Spannung entspricht. An den « Ausgängen C und D erhält mein Signale, die der Spannung nach dem Durchgang eines Hochpass-Filters und eines Tiefpass-Fil-ters jeweils, sowie der Integration entsprechen. Je nach der nachfolgenden-Auswertung der Messung kann die Spannung auf verschiedenerlei Weise behandelt werden, beispielsweise digita-50 lisiert werden.

In den Figuren 5 und 6 sind Elemente, die dieselben oder ähnlichen Funktionen wie die in Figur 1 haben, mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. In Figur 5 stellt Körper 551 einen herkömmlichen, zylindrischen Prüfling dar, an welchem Verformungen hauptsächlich in dem eingeschnürten Bereich stattfinden; der Durchmesser dieses Bereiches ist wesentlich kleiner als derjenige anderer Bereiche des Prüflings. Die Primärspule 4 und die Sekundärspule 5 sind auf einen hülsenförmi-60 gen Kern 13 mit Stirnwänden aufgewickelt. Die zentrale Bohrung des Spulenkernes ist derart bemessen, dass ein leichtes Durchdringen des Körpers möglich ist. Die Spulen 4 und 5 sind durch einen Mantel 14 geschützt. Die örtliche Anordnung der Spulen 4 und 5 ist derart gewählt, dass der Magnetfluss die 65 kleinstmögliche Leckage und die grösstmögliche Homogeneität erreicht. Um einen symmetrischen Fluss durch den Körper 1 zu erzielen, wurde eine Anzahl von Jochen 3 symmetrisch um den Spulenkern herumgelegt. Diese U-förmigen Platten sind in ra

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dial angeordnete Schlitze in den Stirnwänden des Spulenkernes 13 eingeschoben.

Körper 1 kann relativ frei in der Zentralbohrung des Spulenkernes 13 gleiten. Dies bewirkt eine konstante Durchschnittslänge des magnetischen Kreises, unabhängig der aufgebrachten mechanischen Belastung. Die Joche 3 sind während des Messens durch Magnetkräfte zwischen den Jochen und dem Körper an Ort und Stelle gehalten. Wird nicht gemessen, so lassen sich die Joche fixieren, beispielsweise durch elastische Federn oder Bügel, die die Joche abschliessen.

Der in Figur 6 dargestellte Körper 1 ist ein herkömmlicher Dreipunkt-Biegeprüfling. Im mittleren Bereich des Prüflings befindet sich eine Nut 15. Die Primärspule 4 und die Sekundärspule 5 sind auf Jochen 3 aufgebracht, von denen in Figur 6 nur eines dargestellt ist. Die Joche sind in Bezug auf die Nut 15 symmetrisch an denjenigen Längsflächen angeordnet, die sich an die obere Fläche anschliessen.

Während des Messens ist der Prüfling Kräften ausgesetzt, die in der Figur durch Pfeile veranschaulicht sind. Diese Kräfte beanspruchen den Prüfling im wesentlichen auf Biegespannungen. Die Kräfte P/2 wirken von oben ein, und zwar in Bezug auf die Nut 15 symmetrisch, während die Kraft P von unten einwirkt, und zwar gerade an der Nut 15. Gemäss der Erfindung beeinträchtigt die Spannung nicht die durchschnittliche Länge des Magnetflusses. Demgemäss sind die Joche relativ zum Prüfling gleitbar angeordnet. Die Messung wird so ausgeführt, wie dies in Verbindung mit Figur 1 oben beschrieben ist.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Stattdessen s kann das Messverfahren in zahlreichen Messanwendungen verwendet werden. Mit einem oder mehreren Jochen, die mit Primär- und Sekundärspulen ausgestattet sind und einem willkürlich magnetisierbaren Körper zugeordnet sind, beispielsweise einer Ankerstütze, einem Balken, einem Stab oder einer Platte, io auf welche eine Last einwirkt, lässt sich die Veränderung des mechanischen Zustandes infolge Belastung messen. Dabei wird davon ausgegangen, dass man von einem Punkt auf der Anhy-steresis-Kurve des Körpers beginnt, und dass die Durchschnittslänge des Magnetflusses durch die Belastung nicht beeinflusst 15 wird.

Der magnetische Hauptfluss wurde bei den oben angeführten Ausführungsbeispielen durch Anwendung einer oder mehrerer Primärspulen erzeugt. Er kann natürlich auch durch Permanentmagneten erzeugt werden, wie eine weitere Ausgestal-20 tung der Erfindung lehrt. Diese Permanentmagneten sind derart angeordnet, dass der Hauptfluss konstant ist.

Zum Messen des magnetischen Flusses sind auch andere Möglichkeiten denkbar als die oben beschriebenen Sekundärspulen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein sogenanntes 25 Hall-Element verwendet werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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   PATENTANSPRÜCHE Stand der Technik

   Verfahren zum Messen oder Erfassen einer Veränderung Seit Joule im Jahre 1842 zum ersten Male die Magnetostrik-des mechanischen Zustandes in einem Körper mit magnetost- tion vorgeführt hatte, und Villari im Jahre 1865 das umgekehrte riktiven Effekten, wobei unter dem Einfluss einer magnetischen Phänomen, nämlich den sogenannten Villari-Effekt, wurden Feldstärke (H) ein zugeordneter magnetischer Fluss in wenig- 5 zahlreiche Messvorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen, stens einem Teil des Körpers erzeugt wird, auf welchen magne- die eine Kopplung zwischen dem magnetsichen Fluss und der tischen Fluss die Änderung des mechanischen Zustandes über Veränderung des mechanischen Zustandes zum Inhalt hatten, die Magnetisierung (M) als messbare oder erfassbare Störung Allen diesen Messvorrichtungen und Messverfahren ist gemeineinwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Feld- sam, dass man hierbei die Durchschnittslänge des magnetischen stärke (H0) und die Durchschnittslänge (1) des Magnetkreises 10 Kreises sich mit der Änderung des mechanischen Zustandes im wesentlichen konstant und unabhängig von der Änderung verändern lässt. Es ist bekannt, dass die Feldstärke ungekehrt-des mechanischen Zustandes gehalten werden, wobei der ma- proportional dieser Durchschnittslänge ist. Die Magnetisierung gnetische Fluss zum einen Teil aus einem Hauptfluss (0o) be- hängt sowohl mit Änderungen des mechanischen Zustandes wie steht, der der magnetischen Feldstärke (H0) zugeordnet ist, und auch mit Änderungen der Durchschnittslänge des magnetischen zum anderen Teil aus einem alternierenden, nach und nach ver- 15 Kreises bei solchen Messvorrichtungen zusammen, schwindenden Fluss (0V) besteht der dem Hauptfluss überlagert ist, wobei der alternierende Fluss eine derartige Anfangsgrösse Darstellung der Erfindung hat, dass in beiden Richtungen des alternierenden Flusses (0V) Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obener-

   eine Sättigung eintritt, so dass beim Verschwinden des alternie- wähnte, doppelte Abhängigkeit der Magnetisierung zu vermei-renden Flusses ein Arbeitspunkt auf der anhysteretischen Kurve 20 den, so dass diese lediglich von der Änderung des mechanischen erreicht ist, und dass anschliessend die durch die Veränderung Zustandes abhängt. Dies wird dadurch erreicht, dass man die des mechanischen Zustandes erzeugte Störung angezeigt oder magnetische Feldstärke (H0) und die Durchschnittslänge (1)

   registriert wird, und zwar als Spannung, die durch die Änderung des magnetischen Kreises im wesentlichen konstant und beim des der Störung entsprechenden magnetischen Flusses induziert Messen oder Erfassen unabhängig von der Veränderung des wird. 25 mechanischen Zustandes hält. Der Fluss besteht teilweise aus
2. 2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach An- einem Hauptfluss (0O), der mit der magnetischen Feldstärke spruch 1, mit Mitteln zum Erzeugen des magnetischen Flusses (H0) verbunden ist, und teilweise aus einem überlagerten, alter-im Körper, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel nierenden Fluss (0V), der nach und nach verschwindet. Dieser einen Magnetkreis bilden, der wenigstens einen Teil des Kör- altenierende Fluss muss eine derartige Auffangsgrösse haben, pers umfasst, im wesentlichen frei von Luftspalten ist und eine 30 dass die Sättigung in zwei Richtungen des alternierenden Flus-durchschnittliche Länge (1) hat, die unabhängig von der Verän- ses (0V) erreicht wird, das heisst derart, dass bein Verschwinden derung des mechanischen Zustandes ist, und den Hauptfluss des alternierenden Flusses (0V) ein Gleichgewichtszustand er-(0O) und den überlagernden alternierenden Fluss (0V) erzeu- reicht ist. Nach dem Verschwinden des alternierenden Flusses gen und dass die Vorrichtung ein System von Spulen aufweist, (0V) wird die Störung, die durch die Änderung des mechani-die an eine Mess- oder Anzeigeeinrichtung angeschlossen sind, 35 sehen Zustandes erzeugt wird, als Spannung registriert, die um-die die Flussänderung erfasst. gekehrt durch die Änderung der Störung induziert wird.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   dass die genannten Mittel mindestens ein Joch mit mindestens Kurze Beschreibung der Zeichnungen einer Spule umfassen, ferner einen Stromerzeuger, der derart Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert,

   gestaltet und angeordnet ist, dass er der mindestens einer Spule 40 Darin zeigt Figur 1 schematisch eine Vorrichtung, die entspre-

   einen Gleichstrom liefert, der dem Hauptfluss entspricht, und chend der Erfindung dann betrieben wird, wenn eine Änderung einen über die Zeit hinweg schwindenden Wechselstrom, der des mechanischen Zustandes in einem belasteten Körper ge-

   dem schwindenden alternierenden Fluss entspricht. messen wird. Figur 2 veranschaulicht in ausgezogenen Linien
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, eine Hälfte der Magnetisierungskurve für einen ferromagneti-dass die genannten Mittel ein System von Permanentmagneten 45 sehen Festkörper, und durch gestrichelte Linien den entspre-zum Erzeugen des Hauptflusses umfassen. chenden Teil der anhysteretischen Kurve des Körpers. Figur 3
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, zeigt einen vergrösserten Teil von Figur 2 und veranschaulicht dass das Joch oder die Joche an dem Körper gleitbar angeordnet hierbei für einen gegebenen Wert von Ho der magnetischen sind. Feldstärke, wie der magnetische Fluss 0 eine Anzahl von Wer-

   50 ten annehmen kann, von denen drei Werte in der Figur beson-

   ders dargestellt sind. Figur 4 zeigt anhand von drei Kurven, wie der magnetischen Fluss in einem Körper über der Zeit dann variiert, wenn der Körper dreieckf örmigen mechanischen Bela-

   Technisches Gebiet stungsimpulsen ausgesetzt ist. Die mittlere der Kurven bezieht