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Ferriagnetischer Druckwandler'£ Die Erfindung bezieht sich auf ferrimagnetische
Druckwandler und insbesondere auf Mikro-Druckwandler mit einem Fühlelement aus ferrimagnetischem
Material, das ungewö.hnlich empfindlich für hydrostatische und in einer Richtung
wirkende Drücke ist, ein Zustand, der dadurch erzielt wurde, dass die Curietemperatur
des Materials erhöht wurde, um dadurch seine Beanspruchungs- oder Druckempfindlichkeit
stark zu verbessern.
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In der früheren Technik sind Vorrichtungen zum Messen sowohl hydrostatischer
als auch in einer Richtung wirkender Drücke allgemein bekannt und schaffen nützliche
und geeignete Vorrichtungen zum Messen solcher Drücke unter einer
Vielzahl
von Bedingungen. Die Druckwandler nach dem Stande der Technik gab es in verschiedenen
Formen, und sie benutzten verschiedene Materialien als Fühlelement in solchen Vorrichtungen.
Beispielsweise hat es sich gezeigt, dass Silizium- und Germanium-Dioden ziemlich
empfindlich für Druckftlhlvorrichtungen sind und eine Charakteristik ve wenden,
die als"Twnneleffekt"bezeichnet wird, um den Fühivorgang durchzuführen. Ein Beispiel
einer bekannten Druckwandlervorrichtung erreicht Messungen des Druckes durch die
Verwendung von Strom, der in den Dioden induziert wurde, und zwar durch Schwankungen
der Druckwerte, die auf die Wandler zur Einwirkung gebracht werden. Die Ströme,
die in der Vorrichtung erzeugt werden, werden hauptsächlich durch einen Mechanismus
erzeugt, der als 11innere Feldemission" bezeichnet wird. Ein nachteiliges Merkmal
dieser Art von Vorrichtung nach dem Stande der Technik ergibt sich aus der Tatsache,
dass ihre Spannungsabgabe gegenüber der Druckempfindlichkeit eine positive Neigung
hat und als solche eine inhärent unstabile Vorrichtung bei hohen Drücken ist, weil
der Ausgangsstrom eine direkte Funktion des zur Einwirkung gebrachten Druckes ist.
In anderen Worten ausgedrückt, erfolgt die grösste Abgabe bei den höchsten Drücken,
so dass eine Möglichkeit ffr einen grösseren Fehlerbereich in den Ablesungen der
gemessenen Drücke geboten ist. Bei vielen Anwendungsgebieten der heutigen Technik
werden Wandler gefordert, die nur einen kleinen Prozentsatz
der
Grösse der Vorrichtungen nach dem Stande der Technik haben dürfen. Beispielsweise
bestand ein. grosser Bedarf fur einen Wandler, der verwendet werden kann, um Druck
oder Beanspruchung der Verbindungsstelle zwischen zwei verschiedenen Materialien
zu messen, die verschiedene Dehnungskoeffizienten aufweisen. Zusätzlich zur kleinen
körperlichen Grösse muss der wandler auch robust, im wesentlichen temperaturunempfindlich
und strahlungsfest sein.
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Die bisher zur Verfügung stehenden FUhlelemente oder Vorrichtungen
haben nicht alle vorstehend genannten Eigenschaften gezeigt.
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Während die Druckwandler nach dem Stande der Technik auf die Verwendung
von nicht-ferrimagnetischen Materialien als das druckempfindliche Element in solchen
Wandlern beschränkt waren, ist dennoch erkannt worden, dass gewisse isolierte, metallische
ferrimagnetische Materialien einen begrenzten Wert an Druckempfindlichkeit zeigen.
In Fällen, in denen solche Ferrite irgendwelche Druckempfindlichkeitsmerkmale zeigten,
wurde dies als ausserordentlich unerwünscht angesehen. Das traf insbesondere dort
zu, wo solche Ferrite als magnetische Speicherkerne verwendet wurden. So wurde beträchtliche
MUhe auf die Verbesserung lediglich ihrer magnetischen Eigenschaften verwendet und
auf die Ausschaltung aller Beanspruchungsmerkmale, einschliesslich magnetostriktiver
Beanspruchungswirkungen.
Demgemäss wurde der grösste Teil dieser Bemühungen zur Verbesserung von Speicherkernen
aufgewendet, um Beanspruchungsempfindlichkeitsmerkmale auszuschalten. Diese Eigenschaften
niedrigerer Beanspruchung wurden erfolgreich verringert oder ausgeschaltet durch
magnetisches Glühen derartiger Kerne, um dem Material bei Umgebungstemperaturen
vorgewählte magnetische Eigenschaften zu verleihen.
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Insbesondere wurde festgestellt, dass eine wesentliche Ausschaltung
der Beanspruchungsempfindlichkei t in den ferrimagnetischen Kernen auftritt, wenn
die Koerzitivkraftcharakteristik der Magnetisierungsschleife des Materials niedrig
ist. Die niedrigere Koerzitivkraftcharakteristik gestattet derartigen Vorrichtungen,
auf niedrigeren Leistung pegeln zu arbeiten, wenn sie als Schalt- oder Speicherelemente
in Computern verwendet werden. Wenn ausserdem derartige Kerne thermomagnetisch behandelt
wurden, um die Hystereseschlaufe durch Senken ihrer Koerzitivkraft zu verändern,
dann haben diese Materialien einen Curiepunkt, der nicht höher liegt als 4000 C.
So wurde im Stande der Technik besonderer Nachdruck darauf gelegt, zu versuchen,
einen Magnetkern zu schaffen, der als ein Magnetspeicher oder Schaltelement verwendet
werden kann im Gegensatz zum Betrachten solcher Vorrichtungen als Elemente, die
in Wandlern verwendet werden,
um hydrostatische oder in einer Richtung
wirkende Beanspruchungen oder Drücke zu bestimmen. In anderen Worten ausgedrückt
wurde im Stande der Technik alles getan, um eine Eigenschaft von Ferriten auszuschalten,
die sich für die vorliegende Erfindung als äusserst wichtig erwiesen hat.
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Infolge der geringen körperlichen Grösse und Robustheit von Magnetkernen
haben sie sich als ideal zur Verwendung als Fühlelement in Druckwandlern erwiesen.
Es ist auch festgestellt worden, dass, wenn derartige Kerne hohe Druckempfindlichkeitseigenschaften
aufweisen, sie ausgezeichnete Elemente für Druckwandler bilden. Insbesondere ist
festgestellt worden, dass ein Kern kleiner Grösse in der Grössenordnung von 50 mil
in Materialien wie etwa sich bei Wärme verfestigendem Kunststoff, Spannbeton od.
dgl, eingebettet werden kann, um innere Beanspruchungen zu messen, die in solchen
Materialien entwickelt werden, wenn sie sich verfestigen. Die Messung dieser inneren
Beanspruchungen erfolgt ohne wesentliche Nebenwirkungen infolge des Vorhandenseins
des in dem Material eingebetteten Kerns. Weiterhin ist festgestellt worden, dass
zusätzliche innere Beanspruchungen, die sich in derartigen Materialien infolge radioaktiver
Strahlung, Ausdehnung und Zusammenziehung usw. des Materials entwickeln, ohne weiteres
mit diesen Kernen gemessen werden können. Die Leistungsabgabe von einer solchen
Messung hat eine
lineare Proportionalität zur Grösse der innerhalb
dieses Materials unter den vorstehend genannten Bedingungen entwickelten Beanspruchung.
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Es ist hier darauf hinzuweiseg, dass die druckempfindlichen, ringförmigen
Kerne nach der Erfindung nicht nur gegen statische Drücke empfindlich sind, sondern
auch in der lage sind, Drücke in der Form von hohen Stosswellen langer oder kurzer
Dauer und mit hohen Wiederholungsgeschwindigkeiten festzustellen, So eignen sie
sich auch fUr Explosions-oder Beschleunigungsmessungen.
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Demgemäss überwindet die Erfindung viele der Nachteile, die bei Druckwandlern
nach dem Stande der Technik vorhanden waren, und schafft ein Werkzeug, das eine
seit langem empfundene Lücke im Standeder Technik schliesst, in dem ein Druckwandlerelement
geschaffen wird, das von geringer körperlicher Grösse, robust, temperaturunempfindlich,
strahlungsfest, wirtschaftlich in der Herstellung und einfach im Betrieb und in
der Anwendung ist.
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Der Ausdurck"Curie-Temperatur", wie er in der Beschreibung und in
den Ansprüchen verwendet wird, ist als die Temperatur zu verstehen, über der der
magnetische Bereich des ferrimagnetischen Materials eine zufällig beliebige Verteilung
oder
keine bevorzugte Ausrichtung aufweist und dadurch seinen Magnetismus verliert. Bei
der Curie-Temperatur zeigen solche ferrimagnetischen Materialien eine Unfähigkeit,
einen Ausgang zu erzeugen, wenn sie als Wandlerelement verwendet werden. Wenn so
das ferrimagnetisehe Material auf seine Curie-Temperatur erhitzt und dann einem
zur Einwirkung gebrachten magnetischen Feld einer vorgeschriebenen Grösse ausgesetzt
und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, zeigen die magnetischen Bereiche des
Materials eine bevorzugte Ausrichtung entlang dem Pfad der angewendeten Feldlinien.
Diese bevorzugte Ausrichtung der magnetischen Bereiche in dem Material wird im allgemeinen
als "Anistrophie" bezeichnet.
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Die Ziele dieser Erfindung können erreicht werden, indem magnetisch
in einer Luftatmosphäre oder einem anderen Glffhmedium oder Ferritmaterial mit beträchtlichen
Mengen an Nickel bei einer erhöhten Temperatur geglüht wird und dann eine Abkühlung
auf Raumtemperatur während eines vorher gewählten Zeitraumes durchgeführt wird.
Die Zusammensetzung von Ferritmaterial, das nur Nickel in beträchtlichen Mengen
enthält, wurde primär als ein hydrostatisches Druckfühlelement verwendet, während
die Verwendung anderer vorgewahlter Bestandteile, wie etwa Lithium und Kobalt in
vorgewählten geringeren Mengen mit dem Nickel einen Kern erzeugt, der Drücke in
nur einer Richtung misst.
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Insbesondere werden die Ferritkernmaterialien behandelt, indem die
Kerne auf eine Temperatur von ungefähr 7500 C. gebracht und dort während eines vorgewählten
Zeitraumes gehalten werden, während gleichzeitig ein magnetischer Antrieb in der
Form eines Eingangssignals zur Einwirkung gebracht wird und dieses überwacht wird,
bis die Kerne keine magnetischen Eigenschaften zeigen, wonach der Kern auf Raumtemperatur
während einer vorgewählten Zeit abgekühlt wird, während ein magnetischer Antrieb
von vorgeschriebener Grösse auf den Kern zur Einwirkung gebracht wird. Das sich
dadurch ergebende Verfahren verschiebt die Curie-Temperatur auf mindestens 7500
C., was zu einer Druckempfindlichkeit führt,die imwesentlichen über einen Bereich
vonmindestens 1.406 kg/cm2 (20.000 psi) linear ist, wenn hydrostatischer Druck auf
einen Kern zur Einwirkung gebracht wird oder mindestens 7,03 Kg/cm2 (100 psi), wenn
ein Druck in einer Richtung zur Einwirkung gebracht wird. Die Beanspruchungsmessungen
unter Verwendung der Kerne werden durchgeführt, indem ein Eingangssignal auf eine
Primärspule zur Einwirkung gebracht wird, die darauf aufgewickelt ist und der darauf
zur Einwirkung gebrachte Druck aufgezeichnet wird, was einen Strom in einer zweiten
Ausgangsspule erzeugt, die ebenfalls auf den Kern aufgewickelt ist.
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Die neuartigen Merkmale, die als chrakteristisch für die
Erfindung
sowohl bezüglich ihrer Auslegung, Herstellungsart und Betrieb angesehen werden,
zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen der Erfindung, ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügte Zeichnungen, in denen illustrierende
Ausführungsformen der Erfindung als Beispiel dargelegt sind. Es gilt ausdrücklich
als selbstverständlich, dass die Zeichnungen nur zu Illustrationszwecken sind und
keine Beschränkungen der Erfindung darstellen.
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In den Zeichnungen ist: Fig. 1 eine Diagrammdarstellung des magnetischen
Gldhzyklus zum Heben der Curie-Temperatur von Ferrimagnetischen Kernen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 ist eine diagrammatische Darstellung des
Abkühlzyklus der magnetisch geglühten ferrimagnetischen Kerne in Übereinstimmung
mit der Erfindung, Fig. 3 ist ein schematisches Stromkreisschaubild, das die Art
zeigt, in der ein Eingangssignal dem ferrimagnetischen Kern zugeführt wird und die
Art, in der ein Eingang davon zu Anzeigezwecken abgeleitet wird,
Fig.
4 ist eine diagrammatische Darstellung der Abgabewellenform von verschiedenen Drucken,
die auf einen typischen Wandlerzur Einwirkung gebracht werden gegenüber der Zeit,
wobei die Schaltzeit des Kernes dargestellt wird, Fig. 5 ist eine diagrammatische
Darstellung der Ausgangsspannung eines magnetischen Kernes als Funktion eines zur
Anwendung gebrachten hydrostatischen oder in einer Richtung wirkenden Druckes, Fig.
6 ist eine diagrammatische Darstellung der Ausgangsspannung eines magnetischen Kernes
Uber einen vorgewählten Temperaturbereich, der die linearität des Ausgangsansprechens
darstellt, Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm, das eine andere Ausführungsform
der Erfindung zum Messen eines in einer Richtung wirkenden Druckes darstellt, und
Fig. 8 ist ein schematisches Stromkreisdiagram, das eine andere Ausführungsform
der Erfindung zum Messen von Differentialdrücken zeigt.
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Die Anfangs schritte, die benutzt werden, um Ferritmaterialien
in
Übereinstimmung mit der Erfindung herzustellen, weichen nicht wesentlich von wohlbekannten
Verfahren zum Herstellen anderer Ferrite ab. Beispielsweise umfassen die normalen
Arbeitsgänge, die erforderlich sind, um solche Ferrite herzustellen, das Mischen,
Kalzinieren, Wiedervermahlen, Hinzufügen von 3indemitteln, Pranulieren und Pressen,
und diese Arbeitsgänge werden in der üblichen und wohlbekannten Art und Weise durchgeführt.
In Ubereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine weitere Verarbeitung
erforderlich, um dem Ferritmaterial die Druck und Beanspruchungsempfindlichkeitscharakteristiken
zu vermitteln.
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Bevor das GlUhverfahren für die gebildeten Kerne besprochen wird,
wird die Zusammensetzung der Ferritmaterialien angegeben. Die Zusammensetzung von
Material, von dem sich gezeigt hat, dass es auf magnetisches GliXhen anspricht,
um Curie- (Tc) Temperatur zu verschieben, ist leicht verschieden für einen gegen
hydrostatischen, druckempfindlichen und einen gegen einen in einer Richtung wirkenden
Druck empfindlichen Kern. Dieser letztere Kern wird auch als ein"Punkt-gegen-Punkt
empfindlicher Kern"bezeichnet. Für den hydrostatisch empfindlichen Kern ist ein
verwendbarer bevorzugter Bereich der Zusammensetzungen in Gewichtsprozent 0, 5NiFe204
+ 0.5Fe3O4 bis 0.6NiFe2O4+0.4Fe3O4.
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Für den auf in einer Richtung wirkende Drücke empfindlichen Kern umfasst
die Zusammensetzung der Materialien O.OlCo+
0. 49NiFe204+O.5Fe304
und O.O1Li+0.49NiFe2O4+0.5Fe3O4.
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Obwohl die vorstehend angegebenen Zusammensetzungen zufriedenstellend
dem Glühverfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung entsprechen,
um die Curie-Temperatur auf einen Wert von mindestens 7500 C. zu verschieben, gilt
es als ausdrücklich klar, dass diese Werte nicht als eine Begrenzung der Erfindung
anzusehen sind. Insbesondere ist die Zusammensetzung der verwendeten Materialien
wichtig für das erfolgreiche Funktionieren der Erfindung, aber es wird angenommen,
dass der technische Fortschritt der Erfindung in der magnetischen Glühtechnik liegt,
die verwendet wird, um die Curie-Temperatur auf ein hohes Niveau zu verschieben,
das bisher als unerwünscht angesehen wurde, und in der Entdeckung oder Erkenntnis,
dass diese bisher unerwünschte Eigenschaft verwendet werden kann, um eine Vorrichtung
zu schaffen, die eine nicht erkannte NAtzlichkeit hat, um bisher unbekannte Ergebnisse
in der Verwendung zu erbringen.
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Zur Illustration eines Beispieles eines hydrostatisch empfindlichen
Kernes, der in Übereinstimmung mit dieser Erfindung hergestellt ist, bestand die
Zusammensetzung des Materials in Gewichtsprozent aus 0,60NiFe204+0.4OFe 304.
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Das Material hatte die Form eines ringförmigen Kernes von 1,270 mm
(50 mil) Aussendurchmesser und 0,72 mm (28 mil) Innendurohmesser und eine Stärke
von 0,254 mm (10 mil). Es
wird ausdrücklich erwähnt, dass die Grösse
des Kernes nicht als Beschränkung für die Erfindung anzusehen ist.
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Insbesondere hat es sich gezeigt, dass geeignete Kerne im Bereich
von 0,58 mm (20 mil) bis zu 3,9 mm (150 mil) Aussendurchmesser und ungefähr 0,254
bis Q, 508 mm (10 bis 20 mil) alle diesen Curie-Temperaturverschiebungsverfahren
entsprechen und daher nach der vorliegenden Erfindung druckempfindlich sind. Wenn
so eine Beschränkung vorhanden ist, dann ergibt sie sich lediglich aus Überlegungen
der Anwendung. Das heisst, die Grösse des Kernes wird der begrenzende Faktor, wenn
er so gross ist, dass er eine Verzerrung des Materials verursacht, indem der Kern
für innere Beanspruchungsmessungen eingebettet werden kann, oder wenn er verwendet
wird, um Beanspruchungen zu messen, die an der Verbindungsstelle zwischen zwei ungleichen
Materialien entwickelt werden. Die Grösse des Kernes kann die aufgezeichneten Messungen
bedeutungslos machen.
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In Fig. 1 ist eine typische Glühkurve gezeigt, die das Verhältnis
zwischen der tatsächlichen Temperatur in Celsiusgraden zeigt, denen der ferrimagnetische
Kern ausgesetzt wird, gegenüber dem magnetischen Antrieb ausgedrückt in Ampdrewindungen
(NI) geteilt durch die mittlere Umfangslänge (1) des Kernes der auf den Kern während
des Glühens zur Einwirkung gebracht wird. Zusätzlich zur Temperatur gegenüber dem
magnetischen Antriebt wie in
Fig. 1 gezeigt, sind verschiedene
bedeutsame Punkte entlang der diagrammatischen Darstellung der Kurve gezeigt, die
allgemein mit "a" bezeichnet ist. Insbesondere wird der Punkt ;, der in der Grössenordnung
von 1000 C. liegt, allgemein als die inhärente Cprie-Temperatur von gewöhnlich verfügbaren
ferrimagnetischen Materialien bezeichnet, wie sie bisher im Stande der Technik bekannt
waren. In übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde dieser Punkt als
der Ausgangspunkt für ungeglthte Kerne bezeichnet.
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Der Punkt B entlang dem Teil nan der Kurve stellt den Punkt dar, an
dem die Viereckschleifenmerkmale eines ferrimag,-netischen Materials zum erstenmal
beobachtet werden, wird traditionsgemäss als ein Ausgangspunkt für hergestellte
Viereckschleifenmagnetkerne verwendet, die hauptsächlich als Speicherkerne in Computern
verwendet werden können.
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Wenn auf der Kurve "a" weitergegangen wird, tritt ein dritter Punkt
C bei ungefähr 400° C auf, der in dem Stand der Technik als ein sehr bedeutsamer
insofern angesehen wurde, als es der Curie-Punkt für Quadratschleifenkerne der früheren
Technik ist, wie sie zur magnetische Speicherkerne verwendet werden. Der Punkt C
stellt auch den Punkt der niederen Koerzitivkräftecharakteristik für den oben erwähnten
Kern dar. Wenn entlang dem Teil "a" der Kurve fortgefahren wird, tritt der Punkt
D bei ungefahr 750° C
auf, was die bevorzugte höchste Temperatur
ist, der der Kern während des AusglEhens in Ubereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ausgesetzt wird.. Es hat sich gezeigt, dass kein Vorteil mehr erzielt
wird, wenn die Temperatur des Kernes auf ein höheres Niveau angehoben wird. Die
Temperatur 7500 C., wie sie zu Illustrationszwecken dargelegt ist, wird während
eines vorher gewählten Zeitraumes aufrecht erhalten, während der magnetische Antrieb
auf ein Maximum von ungefähr 1200 Milliampere Umgängen am Punkt E von 800 Milliampdre
Umgängen am Punkt D gesteigert wird. Da die Anzahl der Eingangsumgänge in dieser
Ausführungsform zwei ist, sind die Gesamtantriebsampèreumgänge 1200 oder 800 Milliampereumgänge.
Anschliessend wird der Kern langsam auf Raumtemperatur oder ungefähr 200 C. in Übereinstimmung
mit der Kurve nach Fig. 2 abgekühlt mit einem magnetischen Antrieb in der Grössenordnung
von 800 Milliampßre Umgängen. Der Kern ist nunmehr bereit zur Verwendung als das
Herz eines Mikrowandlers.
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Unter Hinweis auf Fig. 3 ist ein schematisches Stromkreisdiagramm
gezeigt, das die Art und Weise darstellt, in der ein Mikrowandler 8 einschliesslich
eines druckempfindlichen Kernes 10, der von einem Impulsgenerator 12 erregt wird,
welcher mit einer friliirspule 14 von zwei Umgängen, die auf den Kern 10 aufgewickelt
sind, sowie-mit einer zweiten Spule 16 von zehn Umgängen verbunden ist, für Beanspruchungsmessungen
verwendet
werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Verwendung von zwei Umgängen der
Primärspule und zehn Umgängen für die Sekundärspule Beispiele sind, die nicht als
eine Begrenzung ausgelegt werden dürfen. Als weiteres Beispiel kann ein grösserer
Ausgang erzielt werden, indem bei der Sekundärspule weitere Umgänge hinzugefügt
werden. Bei einer gewissen Anwendung kann dies vorteilhaft sein, als es die Neigung
haben kann, das Geräusch zu überdecken, das von dem Ausgangssignal stammt.
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In einem typischen Anwendungsgebiet kann der Wandler 8 in einem Epoxyharz
eingebettet sein, wobei die inneren Beanspruchungen, die innerhalb des Epoxyharzes
während seines Vulkanisierungszeitraumes erzeugt werden, durch Überwachen einer
Ausgangsspannung beobachtet werden können, die in der Sekundärspule 16 induziert
wird, die auf den Kern 10 gewickelt ist. Das Ausgangssignal wird einem Verstärker
18 zur Wiedergabe auf einem üblichen Oszilloskop 20 geführt. Der Widerstand 22 ist
zwischen der Spule 14 und Erde geschaltet und wird verwendet, um eine Stromquelle
im Zusammenhang mit der Signalquelle 12 gegenüber einer Spannungsquelle zu schaffen,
und ein Widerstand 24 ist parallel mit der Sekundärspule 16 verbunden und wird als
ein Endwiderstand verwendet, um einen optimalen Ausgang zum Verstärker 18 zu schaffen.
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Mit der Anordnung wie in Fig 3 gezeigt, kann der Kern 10
in
eine hydrostatische Umgebung gebracht werden, um statisch zur Anwendung gebrachte
Drücke oder Beanspruchungen oder Impulsartdrücke zu messen, wie etwa Explosionen
oder Hochenergieschockimpulse von kurzer Dauer. Das Messen von Explosions- oder
Hochschockimpulsen ist möglich infolge der Tatsache, dass die Schaltzeit des Ausgangssignalesvom
Kern 10, wenn durch einen Querwelleneinleitungsimpuls erregt, der ein Ansprechen
in der Grössenordnung von mehreren Mikrosekunden hat, geringer als eineMikrosekunde
und im wesentlichen für verschiedene Druckwerte konstant ist. Das Verfahren des
Auslösens oder Schaltens des Kerns wird dadurch einen positiven Impuls bewirkt,
der als Einstellimpuls bezeichnet wird und zum Originalzustand durch einen wiedereingestellten
negativen Impuls zurückgeschaltet wird. Im allgemeinen stellen die eingestellten
und wiedereingestellten Impulse einen Zyklus zum Schalten des Kernes dar.
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In Fig. 4 ist ein Teil der Ausgangswellenform für verschiedene Drücke
in Pfund je Quadratzoll dargestellt, angewendet auf einen typischen Wandler 8 in
einer hydrostatischen Umgebung gegenüber der Zeit in Mikrosekunden, wobei die Schaltzeit
(tsw) oder das Ansprechen des Kernes 10 gezeigt ist, wenn ein eingestellter Impuls
in der Grössenordnung von einer Mikrosekunde mit einer Geschwindigkeit von 300 Kilozyklen
Je Sekunde zur Einwirkung gebracht wird. Die Bedeutung dieser Kurve liegt in der
Tatsache,
dass die Schaltzeit (tsw) des Kernes 10 im wesentlichen
die gleiche bei allen Drücken innerhalb des gemessenen Bereiches von O bis 20 x
103 Pfund Je Quadratzoll ist und einen Maximalspannungsausgang (tp) bei im wesentlichen
der gleichen Zeit für jede Messung erreicht. Zusätzlich ist darauf hinzuweisen,
dass jede Kurve den gleichen Wert bei den zehn Prozent und neunzig Prozent Punkten
erreicht.
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Dies illustriert die Tatsache, dass der Kern bei ungefähr dem gleichen
Punkt schaltet, unabhängig von dem zur Einwirkung gebrachten Druck.
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Die Besprechung der Erfindung wird unter Hinweis auf Fig. 5 fortgesetzt,
worin eine Kurve der Ausgangsspannung in MV Millivolt je Umgang ( ) beider Typen
von magnetischen N Wandlerkernen als Funktion eines zur Anwendung gebrachten hydrostatischen
und in einer Richtung wirkenden Druckes gezeigt ist, wobei dies ihre negativen Druckcharakteristika
illustriert. So ergibt sich aus Fig. 5, dass der Höchstausgang von beiden Druckwandlern
auftritt, wenn keine Drücke auf den Wandler zur Einwirkung gebracht werden und der
vom Wandler erzeugte Ausgang mit zunehmenden Drücken abnimmt.
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Versuche, die mit typischen Wandlern durchgeführt wurden, zeigen,
dass die Kerne keine mechanische Hysterese aufweisen, wenn sie Drücken von O bis
100 psi (O bis 7,03 kg/cm2) für den in einer Richtung belasteten Kern, oder von
0 bis mehr als 20.000 psi (O bis mehr als 1.406 kg/cm2) für den hydrostatisch belasteten
Kern zeigen, und zwar dargestellt in
den Kurven A und B. Das Verfahren
ist umkehrbar ohne irgendein Anzeichen der Diskontinuität oder der mechanischen
Hysterese. So ist klar, dass der hydrostatische magnetische Kern in der Lage ist,
wiederholte Beanspruchungsereignisse grosser Magnituden auszuhalten, ohne körperlich
dadurch beeinträchtigt zu werden. Vorteilhafterweise gestattet dieses Merkmal im
Zusammenhang mit hoher Schaltgeschwindigkeit des Kernes diesen als Wandlerelement
in solchen Anwendungsgebieten zu verwenden, wie Beschleunigungsmesser, Explosionsfeststel
ler in Automobilzylinderkammern, Unterwasserstossfeststellvorrichtungen od. dgl.
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Besonders sollte in diesem Zusammenhang auf die Kurve A der Fig. 5
hingewiesen werden, die den Kern z gt ; der gegen Drücke in einer Richtung empfindlich
ist. Es ist aus der Kurve A ohne weiteres klar, dass die Empfindlichkeit des Kernes
für in einer Richtung wirkende Drücke grösser ist als die des hydrostatisch empfindlichen
Kerns. Mit anderen Worten ausgedrückt ist der Spannungsausgang je Druckbereich (mV/psi)
für die Kurve A grösser als die Kurve B. Vom Standpunkt der Anwendung aus ist aus
den in Fig. 5 gezeigten Kurven klar, dass ein Kern für Drücke in einer Richtung
nützlicher zur Anwendung ist, vwen der zur Einwirkung gebrachte Druck geringer ist
als 7,03 kg/cm2.
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Unter Hinweis auf Fig. 6 ist eine Kurve der Spannungsabgabe eines
Magnetkernes im Verhältnis zu einem vorgewählten Temperaturbereich gezeigt, worin
die Linearität des Ausgangsansprechens dargestellt ist. Die relative lineare Charakteristik
des in Fig. 6 gezeigten Kernes ist sowohl für in einer Richtung wirkende als auch
hydrostatisch empfindliche Kerne anwendbar. Wie gezeigt, ist die abgetragene Kurve
im wesentlichen flach im Bereich von 400 bis +900 C. Mit der Raumtemperatur als
Bezugsgrösse hat sich gezeigt, dass die Veränderung weniger als plus oder minus
3 Prozent war. So ist klar, dass die Kerne über einen weiten Bereich von Temperaturen
verwendet werden können, worin die Veränderung in der Linearität des Ausgangs gegenüber
dem Temperaturbereich plus oder minus 3 Prozent vom Ausgangswert bei Raumtemperatur
ist.
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Die B eschreibung der vorliegenden Erfindung wird mit einer Besprechung
der Fig. 7 und 8 abgeschlossen. In Fig. 7 ist eine Ausführungsform der Erfindung
gezeigt, die einen Wandler benutzt, der die gleichen Mittel zum Kuppeln eines Signales
zu und vom Kern 10 aufweist, wie in Fig. 3 dargestellt. Zusätzlich ist ein fester
Träger 26 und ein zur Einwirkung gebrachtes Gewicht 28 gezeigt. Die Kraft vom Gewicht
28, die auf den Kern wirkt, ist entlang einer imaginären Linie zwischen den Punkten
30 und 32 über den
Durchmesser des Kernes 10 gerichtet. Die maximale
Empfindlichkeit wird erreicht, wenn die Punkte 30 und 32 180 Grad voneinander entfernt
liegen.
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In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, worin
zwei Wandler verwendet werden, um eine Differentialdruckablesung zu schaffen, die
die Empfindlichkeit des Wandlers erhöht. Die in Fig. 8 gezeigte Anordnung umfasst
ein-Paar Kerne 60 und 70, die in Serie durch Primärspulen 34 bzw. 36 verbunden sind,
um ein Eingangssignal zu empfangen, das seinerseits in Serie mit dem Signalgenerator
12 und dem Widerstand 38 verbunden ist, um eine Stromquelle darzustellen. Ein Paar
Sekundärspulen 40 und 42 ist in Serie mit einem veränderlichen Kondensator 44, einem
Paar veränderlicher Vliderstände 46 und 48 und der Primärspule 52 eines Transformators
50 verbunden. Der Ausgang von der Anordnung wird in der Sekundärspule 54 des Transformators
50 gemessen.
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Die Ausgangsspannung der Spule 54 wird durch V1 und V2 dargestellt,
die den dazugehörigen Drücken P1 und P2 entsprechen. Die tatsächliche Spannungsablesung
ist der Unterschied zwischen V1 und V2, d. h. eine Differentialspannung.
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Die in Fig. 8 gezeigte Anordnung ist ebenfalls auf hydrostatisch
und
in einer Richtung empfindliche Kerne anwendbar.
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Im Betrieb ist kein Ausgang an der Spule 54 vorhanden, wenn die beiden
Kerne 60 und 70 dem gleichen Druck oder der gleichen Beanspruchung ausgesetzt werden.
Wenn jedoch ein Unterschied in dem Druck vorhanden ist, der auf die Kerne zur Einwirkung
gebracht wird, Jann stellt dieser Unterschied einen Ausgang dar. Der Vorteil dieser
Anordnung ergibt sich aus der Tatsache, dass kleine Druckunterschiede bei hohen
Drücken oder Beanspruchungen, beispielsweise bei 703 kg/cm2 (10.000 psi) ohne weiteres
abgelesen werden können. So ist ein Wandler einem bekannten Druck ausgesetzt und
der andere einem unbekannten Druck innerhalb mehrerer hundert psi des bekannten
Druckes. Der Ausgang ist eine direkte Ablesung des Unterschiedes dazwischen und
ist genauer als jeglicher Versuch, den unbekannten Druck -zu messen. Dies trifft
insbesondere zu, wenn der Druckunterschied klein und auf hohen Niveaus liegt.
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In der Praxis hat es sich gezeigt, dass die Verwendung der Grundgedanken,
wie sie hierin dargelegt sind, ferrimagnetische Druckwandler schafft, die in einer
Anzahl von Anwendungsgebieten arbeiten können, um Angaben von Drücken und Beanspruchungen
in zahlreichen Vorrichtungen, Materialien und in Umgebungen zu machen, wo das früher
nicht möglich war. Zusätzlich sind die Kosten zur Herstellung von Wandlern nach
der Erfindung ungewöhnlich gering und die Reproduzierbarkeit
ist
ausgezeichnet. Die als Darstellung beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
sollten nicht als Begrenzung der Erfindung ausgelegt werden. So ist es beispielsweise
klar, dass die vorliegende Erfindung als Beschleunigungsmesser, Mikrofon, Aufnahmekopf
usw. verwendet werden kann, wenn sie im Zusammenhang mit Fig. 7 angewendet wird,
wo der Punkt-auf-Punkt oder in einer Richtung beeinflusste Kern für Druck oder Beanspruchungsmessungen
verwendet wird.
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Während die ferrimagnetischen Druckwandler nach der Erfindung unter
Hinweis auf nur wenige Anwendungsgebiete beschrieben wurden, ist es selbstverständlich
klar, dass Abänderungen und Abwandlungen an den gezeigten Ausführungsformen durchgeführt
werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Demgemäss wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung lediglich zur Illustration
der Erfindung gegeben wurde und dass der Umfang der Erfindung lediglich durch die
beigefügten Ansprüche in ihrer weitesten Auslegung bezüglich der Grundgedanken der
Erfindung begrenzt sein soll.