DE1220634B

DE1220634B - Magnetoelastische Kraftmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1220634B
Application number: DEV26843A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Eberhard Baumann
Original assignee: AKUSTIK WISSENSCHAFTLICHER IND; SCHWINGUNGSTECHNIK VEB
Current assignee: AKUSTIK WISSENSCHAFTLICHER IND; SCHWINGUNGSTECHNIK VEB
Priority date: 1964-09-24
Filing date: 1964-09-24
Publication date: 1966-07-07

Description

Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Messen mechanischer Kräfte, die den magnetoelastischen Effekt verschiedener Werkstoffe benützt.
Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtungen sind dadurch gegenüber anderen Kraftmeßprinzipien sehr vorteilhaft, daß schon bei kleinen mechanischen Spannungen im Meßkörper und damit kleinen Meßwegen große elektrische Meßsignale erhalten werden können, die zur Anzeige keiner weiteren Verstärkung bedürfen.
Es sind bereits Vorrichtungen bekanntgeworden, die die pauschale Änderung der Permeabilität magnetoelastischer Werkstoffe bei Änderung des mechanischen Spannungszustandes ausnutzen. Solche Vorrichtungen enthalten im wesentlichen eine in den Werkstoff eingebettete Wicklung, deren Induktivität als Maß für die wirkende mechanische Spannung und damit für die wirkende Kraft dient.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die durch einwirkende Kräfte in magnetoelastischen Materialien entstehenden magnetischen Anisotropien zum Messen auszunutzen. Hierzu verwendet man zwei in das Material eingebettete Wicklungen in solcher Anordnung, daß ihre Gegeninduktivität im isotropen, d. h. mechanisch unbelasteten Zustand des Meßkörpers im wesentlichen Null ist. Legt man in diesem Zustand an eine der Wicklungen eine Wechselspannung, so wird in der zweiten Wicklung keine Spannung induziert. Eine solche wird erst beobachtet, wenn das Medium infolge mechanischer Spannungen magnetisch anisotrop wird. Die Größe der Sekundärspannung verwendet man als Maß für die wirkende äußere Kraft.
Die genannten Vorrichtungen haben eine Reihe von Nachteilen. So beobachtet man bei Kraftmeßgeräten der ersten Gruppe eine starke Abhängigkeit der Umwandlungseigenschaften von der Geschwindigkeit der Lastaufbringung. Die hiermit verknüpfte starke Empfindlichkeit gegen Erschütterungen und Stöße steht vielen Anwendungsfällen im Wege. Hinzu kommen noch prinzipielle Unzulänglichkeiten bei der Eliminierung von Temperatureinflüssen. Dies rührt daher, daß die zur Differenzbildung benötigte Vergleichsspannung nicht mit im Meßelement und damit auf gleichartige Weise erzeugt werden kann.
Die bisher bekannten Vorrichtungen der zweiten Gruppe weisen die genannten Nachteile nicht auf.
Bei ihnen hat aber die mit der Kraft verknüpfte Sekundärspannung bei kleinen Kräften, d. h. am Anfang des Meßbereiches, auch nur relativ kleine Werte. Benutzt man zur elektrischen Auswertung einfache und billige Gleichrichterschaltungen zum Speisen der Anzeigeinstrumente oder Registriergeräte, so ergibt sich als Nachteil zwangsweise eine starke Nichtlinearität am Skalen anfang. Es sind zwar Schaltungen, vornehmlich getastete Gleichrichteranordnungen, bekannt, die diesen Nachteil vermeiden. Zu ihrer Realisierung ist jedoch ein beträchtlicher Aufwand erforderlich. Dieser verringert sich auch dann nur unwesentlich, wenn die Tastspannung für die Gleichrichter in einer auf der Vorrichtung zusätzlich aufgebrachten Wicklung erzeugt wird.
Eine zweite Unzulänglichkeit liegt in der Nullpunkts- bzw. Taraeinstellung begründet. Hierfür benötigt man eine zweite Spannungsquelle, die aber, durch die Anordnung bedingt, nicht auf genau gleichartige Weise von der Erregerspannung abhängt wie die eigentliche Meßspannung. Auf diese Weise entstehen zusätzliche Meßfehler bei Schwankungen beispielsweise der Temperatur oder der Speisespannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmeßvorrichtung zu schaffen, die den großen Meßeffekt der bekannten magnetoelastischen Vorrichtungen besitzt, ohne die geschilderten Mängel aufzuweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß so gelöst, daß zu der in das magnetoelastische Medium eingebetteten Primär-(Erreger)wicklung und Sekundär-(Meß)wicklung eine weitere Meßwicklung vorgesehen ist und beide Meßwicklungen so angeordnet sind, daß ihre Gegeninduktivitäten zur Erregerwicklung im mechanisch unbelasteten Zustand endlich groß und annähernd gleich sind und daß sich diese Gegeninduktivitäten zur Erregerwicklung bei mechanischer Belastung verschieden stark ändern. Insbesondere kann die Ausführung so getroffen werden, daß die eine Gegeninduktivität mit wachsender Belastung zunimmt, während die zweite kleiner wird.
Speist man die Primär- oder Erregerwicklung einer solchen Anordnung mit Wechselstrom, so erhält man auch bei kleinen Kräften an beiden Sekundärwicklungen Wechselspannungen endlicher Größe, die sich sehr einfach linear gleichrichten lassen. Führt man beide Spannungen einer Differenzenschaltung zu, so ergibt sich eine einfache Möglichkeit zur Nullpunkt-und Taraeinstellung, ohne eine weitere fremde Spannungsquelle zu benötigen, die zu den genannten Schwierigkeiten führen würde.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung stellt 1 einen Körper aus magnetoelastischem Material dar, auf den in der angegebenen Weise eine mechanische Spannung a wirkt. In dem Körper sind drei Wicklungen angeordnet, deren Wicklungsebenen sämtlich auf der Zeichenebene senkrecht stehen: die Primär-(Erreger)wicklung 2 und die beiden Sekundär-(Meß)wicklungen 3 und 4. Die beiden Sekundärwicklungen sind mit gleicher Windungszahl ausgeführt. Unter dieser Voraussetzung erreicht man die für den spannungsfreien Materialzustand geforderte annähernde Gleichheit der Gegeninduktivitäten zwischen 2 und 3 und 2 und 4 dadurch, daß die Verschränkungswinkel °C25 und °v24 zwischen den Wicklungsflächen annähernd gleich gemacht werden. Die verschiedene Orientierung der Wicklungsebenen von 3 und 4 zur Richtung der mechanischen Spannung ruft die geforderte unterschiedliche Abhängigkeit der beiden Gegeninduktivitäten von der mechanischen Belastung hervor.

Claims

Patentansprüche: 1. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung mit einer in das zu belastende magnetoelastische Ma- terial eingebetteten Primär-(Erreger)wicklung und mit einer Sekundär-(Meß)wicklung, d a du r c h gekennzeichnet, daß eine weitere Meßwicklung vorgesehen ist und beide Meßwicklungen so angeordnet sind, daß ihre Gegeninduktivitäten zur Erregerwicklung im mechanisch unbelasteten Zustand endlich groß und annähernd gleich sind und sich diese Gegeninduktivitäten außerdem mit der mechanischen Belastung verschieden stark ändern.
2. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gegeninduktivität mit wachsender mechanischer Belastung zunimmt, die andere dagegen kleiner wird.
3. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem magnetoelastischen Medium bestehende Verformungskörper zwei parallele Begrenzungsflächen hat, auf - denen die Wicklungsflächen aller drei Spulen senkrecht stehen.
4. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen mit gleicher Windungszahl ausgeführt sind und ihre Wicklungsflächen annähernd gleiche Winkel mit der Wicklungsfläche der Erregerwicklung bilden.
5. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper aus isolierten Blechen geschichtet wird, die parallel zu den ausgezeichneten Begrenzungsflächen orientiert sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 955 272; österreichische Patentschrift Nr. 212 933.