-
Die Erfindung betrifft einen magnetoelastischen, als Magnetverstärker
aufgebauten Kraftmesser.
-
Es ist bekannt, für die Messung physikalischer Größen, z. B. des
Gewichtes einer mechanischen Belastung, des Druckes u. dgl., eine Waage zu benutzen.
-
Dieses Verfahren ist jedoch nur zur Messung der physikalischen Größen
benutzbar und kann nicht zur Aufzeichnung und Regelung benutzt werden. Um diesen
Nachteil zu beseitigen, ist eine Vorrichtung vorgeschlagen worden, bei der die Bewegung
eines Waagebalkens in eine elektrische Größe umgewandelt wird, und zwar mit Hilfe
eines Differentialtransformators oder eines Wandlers, der an einem Ende des Waagebalkens
angebracht ist; die so erhaltene elektrische Größe wird zur Fernanzeige, Fernmessung
und Aufzeichnung benutzt und kann auch als Regelgröße für ein Regelsystem verwendet
werden. Aber auch bei einer derartigen Anordnung, bei der eine Waage als Grundbestandteil
benutzt wird, ergeben sich Nachteile, weil die Ausführung des Gelenkes oder Auflagepunktes
kompliziert ist und hohe Präzision erfordert, so daß die Anordnung sehr sorgfältig
behandelt werden muß. Die Anordnung ist daher für fortlaufende Verfahren, die in
vielen Fabriken gefordert werden, nicht ausreichend. Obwohl eine Zugmeßvorrichtung
und auch Vorrichtungen, welche die Magnetostriktion ausnutzen, kürzlich angegeben
worden sind, um als Meßelement unter Vermeidung eines Waagebalkens zu dienen, wobei
das Grundprinzip dieser Vorrichtungen darauf beruht, daß der Punkt, an dem die zu
messende Kraft angreift, einer Beanspruchung ausgesetzt wird, derart, daß er sich
über einen bestimmten Abstand bewegt und diese Bewegung zur Messung der Kraft verwendet
wird, ist eine gewisse Bewegung, die auf der Beanspruchung beruht, welche durch
die zu messende Kraft hervorgerufen wird, unerläßlich, und wenn diese Bewegung nicht
ausreicht, dann wird die Messung der Kraft sehr schwierig. Außerdem haben die Anordnungen,
bei denen ein Differentialtransformator, eine Federwaage oder eine magnetostriktive
Anordnung benutzt werden, den Nachteil, daß die elektrische Ausgangsgröße außerordentlich
klein ist, daß infolgedessen ein Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor notwendig
ist, um die elektrische Ausgangsgröße zur Anzeige, Aufzeichnung oder Regelung zu
benutzen, so daß die praktischen Anwendungsmöglichkeiten begrenzt sind.
-
Es ist bereits ein magnetoelastischer Kraftmesser zur Verwendung
als Torsionsfühler bekannt, bei dem in einer Rückkopplungsschleife ein magnetischer
Verstärker Verwendung findet, der durch ein bestimmtes Drehmoment mechanisch gesteuert
wird. In diesem Fall dient der Magnetverstärker nicht zur direkten Messung der einwirkenden
Kraft, sondern zur Verstärkung der gemessenen kraftabhängigen Größen.
-
Auf Grund dieses Prinzips ist der Kraftmesser verhältnismäßig kompliziert
in seinem Aufbau.
-
Es ist auch bereits bekannt, bei magnetoelastischen Kraftmessern
zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ein Meßelement und ein Vergleichselement zu benutzen.
-
Bei diesem Verfahren wird jedoch die gegenseitige Induktivität zwischen
einer Primär- und einer Sekundärwicklung bei den entsprechenden Elementen für die
Kraftmessung benutzt. Dadurch ist dieser Kraftmesser verhältnismäßig unempfindlich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetoelastischen
Kraftmesser zu schaffen, bei dem
die obengenannten Nachteile vermieden werden und
der in einem weiten Bereich zur Messung von Gewichten, Drücken, mechanischen Belastungen
u. dgl. geeignet ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kraftmesser aus
zwei einen luftspaltfreien Eisenkern aufweisenden Magnetverstärkern besteht, von
denen einer in bekannter Weise als Meßelement und einer als Vergleichselement geschaltet
ist und die Steuerwicklung des Meß- und Vergleichselements in Serienschaltung vom
gleichen Strom durchflossen wird, daß die Hauptwicklungen des Meßelements in Serie
mit einem ersten Lastwiderstand an eine Stromversorgung angeschlossen und von einem
der Permeabilitätsänderung entsprechend der auf das Meßelement einwirkenden Kraft
proportionalen Strom durchflossen sind, daß die Hauptwicklungen des Vergleichselements
in Serie mit einem zweiten Lastwiderstand parallel zum Meßelement an die Stromversorgung
angeschlossen sind und von einem vom Strom durch das Meßelement unabhängigen Strom
durchflossen werden und daß die Lastwiderstände Teil einer Vergleichsschaltung zur
Messung der Differenz der Ausgangsgrößen beider Magnetverstärker sind.
-
Ein nach den vorstehenden Merkmalen der Erfindung ausgeführter magnetoelastischer
Kraftmesser bietet den Vorteil, daß der Magnetverstärker unmittelbar zur Messung
der einwirkenden Kraft verwendet wird und damit auch verhältnismäßig kleine Kräfte
meßbar sind, da durch die Wirkung des Magnetverstärkers die an seinem Ausgang erscheinenden
Größen bereits verstärkt sind.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
-
Fig. 1 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt ein
Diagramm der Ausgangsgröße, die sich in Abhängigkeit von der von außen aufgebrachten
Kraft ändert; F i g. 3 zeigt die Schaltung eines weiteren Ausführungsbeispiels,
und F i g. 4 und 5 zeigen Ansichten von Transformatoren, die gemäß der Erfindung
verwendet werden können.
-
Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild soll das Prinzip der Erfindung
erläutern. Die Schaltung enthält zwei Magnetverstärker (oder sättigungsfähige Drosseln)
MA 1 und MA 2, die genau gleiche elektrische und magnetische Eigenschaften aufweisen.
-
Sie enthalten jeweils Hauptwicklungen L1, L2, L3, L4 und SteuerwicklungenLCl
und LC2. Von den Verstärkern wird der eine als aktives Element und der andere als
Vergleichs element benutzt. Die Schaltung enthält ferner Gleichrichter S1, S2, S3,
S4 und Ausgangswiderstände RL1 und RL2 sowie einen Einstellwiderstand RC zur Einstellung
des Steuerstromes, einen Transformator T mit einer Mittelanzapfung, eine Gleichspannungsquelle
CB zur Lieferung des Steuerstromes, ein Meßinstrument VM zur Anzeige der gemessenen
Größen und Anschluß-Memmen T1 und T2. Die von außen wirkende Kraft ist durch den
Pfeil A dargestellt.
-
Wenn die Kraft A von außen auf den Magnetverstärker MA 1 wirkt, ergibt
sich eine Differenz zwischen den Ausgangsgrößen der Magnetverstärker MA 1 und MA
2, die der Beanspruchung entspricht, welche durch die Kraft hervorgerufen wird.
Die Ausgangsgröße an den Klemmen T1 und T2 wird dem
erforderlich,
und für die direkte Anzeige oder Aufzeichnung ist ein Verstärker im üblichen Sinne
nicht erforderlich. Da die Anordnung von sich aus eine Verstärkung ergibt, ist es
möglich, auch kleine Drücke oder Gewichte zu messen, deren Messung nach den üblichen
Verfahren unmöglich ist, und da die Anordnung gemäß der Erfindung keine empfindlichen
Teile oder Mechanismen aufweist, kann sie in den verschiedensten Betrieben auch
bei rauher Behandlung benutzt werden.
-
Patentansprüche: 1. Magnetoelastischer, als Magnetverstärker aufgebauter
Kraftmesser, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Kraftmesser aus
zwei einen luftspaltfreien Eisenkern aufweisenden Magnetverstärkern (MA1, MA 2)
besteht, von denen einer in bekannter Weise als Meßelement und einer als Vergleichs
element geschaltet ist und die Steuerwicklung des Meß- und Vergleichselements in
Serienschaltung vom gleichen Strom durchfiossen wird, daß die Hauptwicklungen (L1,
L2) des Meßelements (MA1) in Serie mit einem ersten Lastwiderstand (RLl) an eine
Stromversorgung
angeschlossen und von einem der Permeabilitätsänderung entsprechend
der auf das Meßelement einwirkenden Kraft (A) proportionalen Strom durchflossen
sind, daß die Hauptwicklungen (L3, L4) des Vergleichselements (MA 2) in Serie mit
einem zweiten Lastwiderstand (RL2) parallel zum Meßelement an die Stromversorgung
angeschlossen sind und von einem vom Strom durch das Meßelement unabhängigen Strom
durchflossen werden, und daß die Lastwiderstände (RL 1, Ru 2) Teil einer Vergleichsschaltung
zur Messung der Differenz der Ausgangsgrößen beider Magnetverstärker sind.
-
2. Magnetoelastischer Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur magnetischen Isolierung der äußeren Kraft eine Kugel (Ba) aus rostfreiem
Stahl an derjenigen Stelle angebracht ist, an der die äußere Kraft angreift.
-
3. Magnetoelastischer Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur magnetischen Isolierung der äußeren Kraft ein Haken aus rostfreiem Stahl
an derjenigen Stelle vorgesehen ist, an der eine äußere Zugspannung angreift.
-
Meßinstrument VM zugeführt, so daß die Kraft A gemessen wird.
-
Die Schaltung der Fig. 1 arbeitet in der weiter unten beschriebenen
Weise.
-
In F i g. 2 ist die Ausgangskennlinie der Magnetverstärker MA 1 und
MA 2 dargestellt, wobei ein Steuerstrom, der durch die Steuerwicklung fließt, auf
der Abszisse und die elektrischen Ausgangsgrößen der Magnetverstärker auf der Ordinate
eingetragen sind. Die Kurve I zeigt die Ausgangsgrößen der Magnetverstärker MA 1
und MA 2, wenn keine äußeren Kräfte auf die Verstärker wirken. Die Kurve II zeigt
die Ausgangskennlinie für den Fall, daß eine äußere Kraft nur auf den Magnetverstärker
MA 1 einwirkt. Wenn der Steuerstrom durch die Steuerwicklung mit Hilfe der Spannungsquelle
CB und des Einstellwiderstandes RC so eingestellt ist, daß er den Wert P erreicht
und die Ausgangsgröße des Magnetverstärkers MA 1 der Kennlinie II bei Anlegen der
Kraft A entspricht, ergibt sich eine Differenz A E zwischen den Ausgangsgrößen der
Verstärker MA 2 und MA 1, die dem Meßinstrument VM als elektrische Größe zugeführt
wird. Die Differenz AE ist proportional der Größe der äußeren Kraft A und nimmt
den Wert A Ea an, wenn die Kennlinie des Magnetverstärkers MA 1 der Kurve III entspricht.
Der Wert P des Steuerstromes entspricht im allgemeinen einem stabilen und empfindlichen
Arbeitspunkt.
-
Das Beispiel der F i g. 3 ähnelt dem der F i g. 1 mit der Abweichung,
daß die Spannung zur Erregung der Steuerspule direkt von dem Transformator T als
Hauptstromquelle geliefert wird und daß zwei weitere Gleichrichter S5 und S6 mit
ihren Anoden an die beiden Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen
sind, während ihre anderen Elektroden mit der Mittelanzap fung des Transformators
T über den Einstellwiderstand RC und die Steuerwicklungen LC2 und LC1 verbunden
sind.
-
Die in Fig.3 benutzten Schaltelemente können folgende Werte haben:
| Kraft A |
| 300 kg 1 100 kg |
| Transformator T |
| Primärspannung .. 100 V l 100 V |
| Sekundärspannung 25 V 8 V |
| Frequenz ... . 50 oder 60 Hz 50 oder 60 Hz |
| Windungszahl |
| L1, L2, L3, .. je 1400 je 1400 |
| LC1, . . .. je 500 je 500 |
| Gleichrichter |
| S1, S2, S3, S4, S5, |
| 86 . . . Siliziumdioden Siliziumdioden |
| Widerstände |
| REl,RL2. .. je 2000hm je 500hm |
| RC. . . . 1000 Ohm 400 Ohm |
| Meßinstrument VM Voltmeter Voltmeter |
| für 3 V für 1V |
In Fig. 4 sind die wichtigen Teile des Magnetverstärkers MA 1 dargestellt, der einen
Eisenkern C aus Lamellen von Siliziumstahlblech und die Wick-
lungen E aufweist und
auf den die äußere Kraft A einwirkt.
-
F i g. 5 zeigt, wie die äußere Kraft zweckmäßig auf den Magnetverstärker
aufgebracht wird. Eine Kugel Ba aus rostfreiem Stahl, die magnetisch ist, ist in
ein Loch eingesetzt, das sich in der Platte Bp befindet, die auf dem Eisenkern C
aufliegt. Auf diese Weise kann der die äußere Kraft aufbringende Bauteil magnetisch
von den empfindlichen Teilen des Gerätes getrennt werden. An Stelle der Kugel Ba
aus rostfreiem Stahl kann auch ein Haken aus rostfreiem Stahl an der Platte Bp befestigt
werden, wobei der Haken durch die zu messende Kraft nach unten gezogen wird, so
daß der Eisenkern entweder auf Druck oder auf Zug beansprucht wird, um diese Größen
zu messen.
-
Dei charakteristische Eigenschaft, die bei der Er-B findung ausgedrückt
wird, ist die Neigung (, = HS wobei H die magnetische Feldstärke, B die magnetische
Induktion und u die magnetische Permeabilität darstellen) der Magnetisierungskune
des Eisenkerns, d. h. die Permeabilität ja, wird durch die zu messende Kraft geändert,
und ein Steuerstrom wird in einem Punkt auf dem geradlinigen Stück der Kurve zugeführt
und entspricht einem Wert, der eine einfache Messung gestattet, so daß die elektrische
Abweichung A E gemessen werden kann, die durch die Kraft A hervorgerufen wird. Wenn
die Kraft A auf die Kugel Ba in der Pfeilrichtung einwirkt, ändert sich die Permeabilität
des Kernes, so daß sich der magnetische Fluß in dem Kern C ändert. Die Anderung
des magnetischen Flusses ruft die gleiche Wirkung hervor, wie ein elektrischer Strom
durch die Steuerspule des Magnetverstärkers, so daß eine elektrische Ausgangsgröße
erhalten wird. In diesem Fall wird die mechanische Festigkeit des Eisenkernes C
entsprechend der Größe der Kraft A so eingestellt, daß der aufgebrachte Druck proportional
der Anderung der Ausgangsgröße des Magnetverstärkers im Bereich der elastischen
Formänderungsgrenzen des Eisenkerns ist.
-
Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3 sind die Magnetverstärker
MA 1 und MA 2 so geschaltet, daß die Ausgänge entgegengesetzte Polarität haben.
Infolge dieser Schaltung lassen sich verschiedene unerwünschte Wirkungen, z. B.
infolge von Temperaturänderungen, Spannungsschwankungen u. dgl., ausgleichen, so
daß eine stabile und genaue Anzeige erhalten wird.
-
Die Erfindung hat folgende Vorteile: Dem Eisenkern der sättigungsfähigen
Drossel oder des Magnetverstärkers wird von außen eine Kraft, z. B. ein Druck zugeführt,
so daß sich die Permeabilität des Kernes und infolgedessen auch der magnetische
Fluß ändern. Diese Änderung des magnetischen Flusses wird durch die verstärkende
Wirkung der Vorrichtung verstärkt. Diese verstärkende Änderung wird als Ausgangsgröße
abgenommen, so daß das Meßelement den üblichen Meßgeraten weit überlegen ist.