DE1573408C - Induktiver Kraftumformer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Kraftumformer mit einem Kern aus magnetischem Material, einer Magnetisierungswicklung, deren Induktivität von der einwirkenden Druckkraft abhängt, zwei planparallelen Kraftangriffsflächen und mehreren den Kern rechtwinklig zur Kraftrichtung durchsetzenden Kanälen zur Aufnahme der Magnetisierungswicklung.

Solche Kraftumformer dienen zum Messen von mechanischen Druckkräften. Die Induktivität der Magnetisierungswicklung ist abhängig von der auf den Kraftumformer ausgeübten Druckkraft. In der Regel liegt die Magnetisierungswicklung in einer Brückenschaltung, mit der die Änderung ihrer Induktivität gemessen wird, wenn der Kern der Einwirkung einer mechanischen Kraft ausgesetzt ist. Die Wicklung bzw. die Brücke wird mit Wechselstrom gespeist.

Bei einem bekannten induktiven Kraftumformer besteht der Kern aus massivem, magnetischem Material. Der Nachteil eines solchen Umformers ist, daß die mechanische Beanspruchung nur in einer dünnen Schicht um die Wicklungsnut herum gemessen wird, weil die Eindringtiefe des Flusses begrenzt ist. Die Empfindlichkeit ist daher in hohem Grade davon abhängig, wie die Kraft angebracht wird. Um den Angriff der Kraft gut definieren zu können, muß ein solcher Kraftumformer eine große Höhe haben. Es ist ein anderer induktiver Kraftumformer bekannt (ASEA-Zeitschrift 1960, S. 3 bis 12), dessen Kern vorzugsweise aus lamelliertem Blech hergestellt ist und bei dem eine Magnetisierungs- und Meßwicklung in voneinander getrennten parallelen Kanälen im Kern angeordnet sind. Sowohl die Wicklungsanordnung als auch die Tatsache, daß ein großer Teil des Kraftflusses bei diesem Kraftumformertyp seitlich zur Meßzone geleitet wird, bewirkt, daß die Höhe des Kraftumformers nicht allzu niedrig gewählt werden kann, wenn ein wohldefinierter Prozentsatz des Kraftflusses gemessen werden soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Kraftumformer zu entwikkeln, dessen Höhe im Verhältnis zu den Flächen, an denen die zu messende Kraft angreift, relativ gering ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein induktiver Kraftumformer der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Magnetkern Quaderform hat, daß in Richtung der zu messenden Kräfte die Höhe des Quaders gegenüber seiner Breite und Länge gering ist und daß zur Aufnahme der Magnetisierungswicklung der Kern mehrere parallel verlaufende und gleichmäßig verteilte Bohrungen aufweist, die in einer zu den kraftaufnehmenden Flächen parallelen Ebene liegen.

Der Kraftumformer nach der Erfindung hat gegenüber den bekannten Kraftumformern den Vorteil, daß

ίο man eine Kraftintegrierung über die ganze Fläche erhält, die von der Druckkraft beeinflußt wird. Dies bedeutet, daß die Höhe des Kraftumformers außergewöhnlich klein gemacht werden kann, von der Größenordnung 1 cm, wodurch es möglich wird, den Kraftumformer auch in sehr kleine Räume einzubauen. Ein erfindungsgemäßer Kraftumformer kann aus massivem Material hergestellt werden unter Beibehalten der Eigenschaft, daß die Integrierung über die ganze Fläche zufriedenstellend wird. In derZeich-

ao nung zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftumformers in perspektivischer Darstellung,

F i g. 2 die Anwendung des Kraftumformers zur Messung des Gewichtes eines Behälters und

F i g. 3 eine Schaltung zum Wiegen eines Behälters.

Der Kraftumformer nach der Erfindung umfaßt einen Kernl aus magnetischem Material; er kann aus massivem oder lamelliertem Material ausgeführt sein. Der Kern hat zwei vorzugsweise planparallele Flächen 2 und 3, auf welche die zu messenden Kräfte einwirken. Diese Flächen sind vorteilhaft mit großer Genauigkeit bearbeitet, so daß die Kraft bei Anlage der Flächen an solche von gleicher Beschaffenheit gleichmäßig verteilt wird. Mehrere Kanäle 4 sind im Kern parallel mit den Flächen 2 und 3 angeordnet. Die Kanäle sind zweckmäßig gleichmäßig im Kern verteilt, so daß die kraftaufnehmenden Teile 5 zwischen den Kanälen die gleiche Breite haben. Um die gleiche Empfindlichkeit im ganzen Kern zu erhalten, ist die Breite des Teiles 6 zwischen dem äußersten Kanal und der Seitenkante 7 des Kerns halb so groß wie bei den übrigen Teilen. Der Abstand zwischen den Kanälen ist bedeutend kleiner als die Dicke des Kerns in der Meßrichtung. Der Querschnitt der Kanäle kann kreisförmig oder elliptisch sein. Eine Meßwicklung 8 ist durch die Kanäle entweder in Mäanderform, wie in F i g. 1 gezeigt, oder in irgendeiner anderen zweckmäßigen Weise geführt und in bekannter Weise an einer Stromquelle 9 und einer messenden oder registrierenden Anordnung 10 angeschlossen. Die messende oder registrierende Anordnung kann, wie F i g. 3 zeigt, eine wohlbekannte Brückenschaltung sein, die eine Vergleichsinduktanz 11, ein Potentiometer 12 und ein Nullanzeigeinstrument 13 enthält.

Um den Meßfehler zu kompensieren, der durch Variationen der Spannung, Frequenz und Temperatur entstehen kann, wird die Vergleichsinduktanz 11 vorzugsweise wie ein identischer, aber unbelasteter Kraftumformer, ein sogenannter »Dummy«, ausgeführt, wodurch die von den genannten Störungen verursachten Fehler einander entgegengerichtet werden. Die beiden Kraftumformer werden natürlich so angeordnet, daß sie dieselbe Temperatur bekommen.

Auf Grund seiner niedrigen Höhe ist der Kraftumformer besonders geeignet für Verwendung in engen Räumen. Ein Beispiel dafür ist die Messung eines Pro-

pellerdruckes, wobei mehrere Kraftumformer im Längsdrucklager angebracht werden, entweder hinter dem Lagerbock oder hinter dem Blockhaltering. Wenn die »Dummy«-Kraftumformer in entsprechender Weise auf der »Rückwärts«-Seite des Längsdrucklagers plaziert werden, erhält man Meßwerte mit verschiedenen Zeichen für »vorwärts« und »rückwärts«.

F i g. 2 zeigt eine andere Verwendung des Kraftumformers. Die Außenwand 20 eines Behälters ist mit einer Anzahl herausragender parallel-epipedischer Befestigungselemente 21 versehen. Zwischen einem solchen Element und einem Fundament 22 ist ein Geber 23 eingefügt. Ein identischer Kraftumformer 24 ist oberhalb des Elementes 21 angeordnet. Der Behälter ist im Freien aufgestellt und ist deshalb Seitenkräften ausgesetzt, z. B. dem Winddruck, wie der Pfeil 25 zeigt. Um zu verhindern, daß der Behälter umfällt, wird er am Fundament mit Hilfe eines am Fundament beweglich angeordneten Armes 26 festgehalten. Der« Arm wird gegen den Kraftumformer mit Hilfe eines Gelenksystems gepreßt, das aus zwei Gelenken 28 und 29 besteht, die in einem Gelenkpunkt 30 gelenkig verbunden sind. Das Gelenk 29 ist drehbar an einer Stütze 31 befestigt, und das Gelenk 28 ist drehbar am Arm 26 befestigt. Der Gelenkpunkt 30 ist wie ein Kniegelenk ausgeführt, das bei einer Aufwärtsbewegung in der in der Figur gezeigten Lage gesperrt ist, das aber, wenn eine gewisse Zugkraft in der Richtung des Pfeils 32 ausgeübt wird, nach unten schwingt, so daß der Arm 26 im Uhrzeigersinn um seinen Lagerungspunkt im Fundament weg von seinem Platz oberhalb des Kraftumformers 24 schwingen kann.

Der Zylinder beeinflußt über das Befestigungselement 21 den unteren Kraftumformer 23 mit einer Kraft P, während der Hebelarm 26 beide Geber mit einer Kraft F beeinflußt. Wenn das Signal vom Kraftumformer 24 vom Signal vom Kraftumformer 23 subtrahiert wird, erhält man ein Signal, das der Kraft P entspricht. Der Behälter ist mit rundherum gleichmäßig verteilten Anordnungen nach F i g. 2 versehen. Eine vom Pfeil 25 dargestellte Windkraft wirkt so, daß die auf den gezeigten Kraftumformer 23 ausgeübte Druckkraft? abnimmt, aber die auf den gleichen

ίο Kraftumformer in der diametral entgegengesetzt gelegenen Stützanordnung wirkende Druckkraft P um denselben Betrag zunimmt. Wenn also die Kraftumformer 23 in sämtlichen Stützanordnungen reihenge-' schaltet werden und von dem dabei erhaltenen Signal das Signal von sämtlichen Kraftumformern 24 subtrahiert wird, erhält man ein Signal, das dem Gesamtgewicht des Behälters entspricht, unabhängig vom Winddruck und der Festhaltekraft der Anordnungen 26 bis 31. Ein aktuelles Anwendungsgebiet für eine

ao solche Anordnung sind Raumraketen, bei denen die Rakete den Behälter bildet. Hier kann man z. B. mit der gezeigten Anordnung der Kraftumformer in einer einfachen Weise .bestimmen, wieviel Brennstoff eingefüllt worden ist. Da die Signale von den beiden Kraftumformern einander entgegengeschaltet sind, erhält man eine automatische Kompensierung der Variationen der Festhaltekraft F, z. B. auf Grund von Temperaturänderungen.

Die zuvor angegebenen Anwendungen sind nur einige unter vielen Beispielen der Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Kraftumformers. Die Konstruktion, Signalbehandlung und der Einbau des Kraftumformers können, je nach den verschiedenen Umständen, von Fall zu Fall variiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Induktiver Kraftumformer mit einem Kern aus magnetischem Material, einer Magnetisierungswicklung, deren Induktivität von der einwirkenden Druckkraft abhängt, zwei planparallelen Kraftangriffsflächen und mehreren den Kern rechtwinklig zur Kraftrichtung durchsetzenden Kanälen zur Aufnahme der Magnetisierungswicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern Quaderform hat, daß in Richtung der. zu messenden Kräfte die Höhe des Quaders gegenüber seiner Breite und Länge gering ist und daß zur Aufnahme der Magnetisierungswicklung der Kern mehrere parallel verlaufende und gleichmäßig verteilte Bohrungen aufweist, die in einer zu den kraftaufnehmenden Flächen parallelen Ebene liegen.