DE2025200B2 - Vorrichtung zum magnetostriktiven Messen einer Kraft - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum magnetostriktiven Messen einer Kraft, bestehend aus einem ferromagneli-chen Meßkörper und mit in Öffnungen des Meßkörpers angeordriten, sich im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur Kraftangriffsrichtung erstreckender Erreger- und Meßwicklungen.

Bei solchen kraftmessenden Vorrichtungen umschließt die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossene Erregerwicklung mindestens einen Teil des Meßkörpers, um in diesen einen magnetischen Wechselfluß zu erzeugen. Wenn der Meßkörper physikalisch nicht beansprucht wird, verläuft dieser magnetische Wechselfluß kreisförmig um die Erregerwicklung und nimmt in seiner Stärke mit dem Abstand von der Wicklung ab. Wenn sich die magnetische Leitfähigkeit bei Kraftangriff ändert, wird der magnetische Fluß gewissermaßen aus der Erregerwicklung in Zugrichtung herausgezogen und in Druckrichtung zusammengedrückt. Die Meßwicklungen sind mit dem Meßkörper so verkettet, daß in diesen Wechselspannungen induziert werden, die den Zug- und Druckbeanspruchungen dadurch entsprechen, daß je nach der Größe der physikalischen Kraft eine größere oder kleinere Anzahl von Flußlinien die Meßwicklungen schneidet. Dies geschieht bei bekannten Meßvorrichtungen z. B. so, daß die Meßwicklungen so verteilt werden, daß die Gegeninduktivität zwischen ihnen und der Erregerwicklung im wesentlichen zu Null wird, wenn der Meßkörper physikalisch unbeansprucht ist. Nachteilig ist bei den bisher bekannten Meßvorrichtungen, daß für Erreger- und Meßwicklungen getrennte öffnungen im Meßkörper vorgesehen sind und daß, da die Meßwicklungen vom Bereich stärkster Beanspruchungen entfernt liegen, nur kleine Ausgangssignale gewonnen werden können. Dies gilt auch für vorbekannte Meßvorrichtungen, bei denen Erreger- und Meßwicklungen teilweise ineinander angeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftmcßvorrichtung der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß sehr große Ausgangssignale, große Empfindlichkeiten und sehr gute Linearitäten im gesamten Meßbereich erzielt werden. Auch soll die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit geben, eine eventuell vorhandene Signalspannung im unbelasteten Zustand, die z.B. durch physikalische Unsymmetrie hervorgerufen sein kann, elektrisch auszugleichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale öffnung zur Durchführung sowohl der Erregerwicklung als auch aller zugeordneten Meßwicklungen angeordnet ist und daß im Bereich der sich bei Krafteinwifkuhg um die zentrale öffnung ausbildenden Zonen hoher mechanischer Spannungen mindestens zwei kleinere, diese mechanischen Spannungen nur vernachlässigbar beeinflussende, allein zur Durchführung der Meßwicklungen bestimmte Öffnungen vorgesehen sind.

Die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnung erläutert bevorzugte Ausführungsheispiele der Erfindung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemüBe Vorrichtung zum Messen von Zugkräften,

Fig.2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäl3e Vorrichtung zum Messen von Druckkräften,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße ringförmig ausgebildete Vorrichtung zum Messen kleiner Zug- und Druckkräfte und

Fig.4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen von Biegemomenten.

In den F i g. 1 und 2 verweist das Bezugszeichen 1 auf einen Meßkörper aus magnetostnktivem Material, beispielsweise mit Silizium legiertes Transformatorenblech. Der Meßkörper 1 kann entweder aus einem einzigen Blech oder aus einer Anzahl von Blechen des vorgenannten Materials bestehen, die miteinander verklebt sind. Der MeGkörper I hat eine Mittelöffnung 2 von solcher Größe, daß um diese Öffnung herum Zug- und Druckbeanspruchungen auftreten können, wenn der Meßkörper 1 mit Kräften beansprucht wird. Vier weitere Öffnungen 3 bis 6 umgeben die Mittelöffnung 2 derart, daß sie an den Ecken eines gedachten Quadrates liegen. Eine an eine Wechselspannungsquelle angeschlossene Erregerwicklung 7 ist durch die öffnung 2 gewickelt und erzeugt einen um die öffnung herum verlaufenden magnetischen Wechselfluß. Durch die öffnung 2 und jede der öffnungen 3 bis 6 sind vier Meßwicklungen 8 bis 11 gewickelt, die an eine nicht dargestellte Meßvorrichtung, beispielsweise eine Meßbrücke, angeschlossen sind.

Die Meßvorrichtung der F i g. 1 dient zum Messen von Zugkräften, die in F i g. 1 durch die Pfeile 12 symbolisiert sind. Am Meßkörper 1 befinden sich durchbrochene Befestigungsansätze 13. Wie durch Pfeile 14 angegeben, ist die Meßvorrichtung der Fig. 2 zum Messen von Druckkräften vorgesehen und zu diesem Zweck mit flachen Druckflächen 15 versehen.

Der von der Erregerwicklung 7 erzeugte magnetische Fluß verläuft kreisförmig um die öffnung!, solange der Meßkörper nicht durch physikalische Kräfte beansprucht wird. Die Meßwicklungen 8 bis 11 werden daher von gleichviclen magnetischen Flußlinien geschnitten, so daß die in den Meßwicklungen 8 bis 11 erzeugten Spannungen die gleiche Größe haben und sich Diffcrenzspannimgen Null ergeben. Wenn nun der Mcßkörpcr 1 einer Zuckraft

ausgesetzt wird, entstehen in diesem Zugbeanspru- Als Folge des Kraftangriffes entstehen Zugbeanchungen, die am größten an den Randteilen der öff- spruchungen am Rand der öffnung 17, oder genauer nung 2 sind, an denen die Wicklungen 8 und 10 an- in Richtung der Kraftpfeile 21, wie bei der zuvor beliegen. Andererseits entstehen maximale Druckkräfte schriebenen Ausführungsform. Dem Kraftangriff entan den Rändern der öffnung 2, an denen sich die 5 sprechende Druckbeanspruchungen entstehen jedoch Wicklungen 9 und 11 befinden. Auf Grund des ma- auch entlang des Umfanges des Meßkörpers 16. Die gnetostrikaven Effektes ändert sich der von der Er- Meßwicklungen 25 und 26 sind durch die öffnungen regerwicklung 7 erzeugte Magnetfluß derart gegen- 18 bzw. 19 und über den Außenumfang gewickelt über dem Magnetfluß im Meßkörper im unbelasteten und verlaufen somit senkrecht zu den Zugbeanspru-Zustand, daß die Wicklungen 8 und )0 von einer io chungen im Meßkörper 16. Der von der Erregergrößeren Anzahl und die Wicklungen 9 und 10 von wicklung 22 erzeugte magnetische Fluß ändert sich, einer geringeren Anzahl von magnetischen Flußlinien wie schon erwähnt, in Abhängigkeit vom Kraftangeschnitten werden. Die in den Wicklungen 8 und 10 griff. Die Verminderung des Flusses durch die MeC-induzierten Spannungen nehmen daher zu, während wicklungen 23 und 24 entspricht genau der Vergrödie in den Wicklungen 9 und 11 induzierten Span- 15 ßerung des Flusses durch die Meßwicklungen 25 und nungen kleiner werden. 26.

Somit ist die Differenz der Spannungen nicht Die Meßvorrichtung ge- .'iß Fig.3 ist verständmehr Null, sondern hat eine bestimmte Größe, die ab- licherweise auch zur Messung kleiner Zugspannunhängig ist von der am Meßkörper angreifenden gen geeignet, wenn man sie in Übereinstimmung mit Kraft. Dieser Wert läßt sich mit einem Instrument, 20 der Meßvorrichtung der Fig. 1 mit Befestigung-andas in geeigneter Weise unmittelbar in Krafteinheiten Sätzen versieht,
geeicht ist, messen oder aufzeichnen. Die Vorrichtung der F i g. 4 dient zur Messung

Wenn die Meßvorrichtung der Fig.2 der Druck- von Biegemomenten. Sie ist mit vier Meßwicklunsen kraft 14 ausgesetzt wird, ergeben sich die größten 27 bis 30 versehen, die bezüglich einer Mittelöffnuüg Zugbeanspruchungen an den Stellen, an denen sich 25 31 eines Meßkörpers 32 aus magnetostriktivem Madie Wicklungen 8 und 10 befinden, und die größten terial so angeordnet sind, daß sich bezüglich der Druckbeanspruchungen an den Stellen, an denen die Wicklungen die gleiche Ausrichtung ergibt wie bsi Wicklungen 9 und 11 liegen. Im übrigen gilt für diese der Vorrichtung der Fi g. 3. Bei Abgriff einer Kraft, Meßvorrichtung das gleiche wie für die Meßvorrich- die von dem Kraftpfeil 33 angedeutet wird, entstehen tung der F i g. 1. ₃₀ i_n der über der öffnung 31 liegenden Hälfte des

Eine Möglichkeit, den Meßkörper aus magneto- Meßkörpers Zugbeanspruchungen und in der unteren

striktivem Material für physikalische Kräfte empfind· Hälfte Druckbeanspruchungen. Der Magnetfluß um

licher zu machen, liegt darin, die Querschnittsfiäche die öffnung 31 herum wird von einer Erregerwick-

zu vermindern. Wenn zusätzlich noch dem Meßkör- lung 34 erzeugt und ändert sich unter der Einwir-

per eine geeignete Gestalt gegeben wird, werden die 35 kung der Kraft so, daß der Fluß in den Meßwicklun-

SpannUi.gszug- und Druckbeanspruchungen im Meß- gen 27 und 29 zu- und in den Meßwicklungen 28

körper vergleichsweise schon dann recht groß, wenn und 29 entsprechend abnimmt. Zur Erfassung von

mäßige Zug- oder Druckkräfte am Meßkörper an- Zug- und Druckbeanspruchungen sind erfindungsge-

greifen. maß mindestens zwei Meßwicklungen erforderlich.

Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen 40 Wie schon erwähnt, werden in diesen Meßwicklun-

Vorrichtung gemäß F i g. 3 ist der Meßkörper 16 gen Spannungen induziert, deren Größe von der am

ähnlich ausgebildet wie bei den zuvor beschriebenen Meßkörper angreifenden Kraft abhängt. Die Span-

Ausführungsformen. Der Meßkörper 16 ist ringför- nungen sind phasengleich und haben gegensinnige

mig ausgebildet und weist eine große Mittelöffnung Polaritäten, so daß, wenn man die eine Spannung

17 und zwei kleinere öffnungen 18 und 19 auf, die 45 von der anderen abzieht, eine Differenzspannung

auf einem Durchmesser des Meßkörpers parallel zu entsteht, die sich doppelt so stark ändert wie die aus-

zwei Druckflächen 20 liegen. Die zu messende Kraft geübte Kraft, d. h. die Empfindlichkeit ist verdoppelt

wirkt an den Flächen 20 ein und ist mit den Pfeilen werden.

21 angedeutet. Die Meßvorrichtung enthält eine Er- in den Zeichnungen sind die Ausführungsformen

regerwicklung 22, die durch die öffnung 17 gewik- 50 der erfindungsgemäßen magnetostriktiven Meßvor-

kelt ist, und vier Meßwicklungen 23 bis 26. Die zwei richtungen mit vier Meßwicklungen versehen, die die

Wicklungen 23, 24 sind durch die Öffnung 17 und Brückenzweige einer Meßbrücke bilden können,

durch die öffnungen 18 und 19 gewickelt. Soweit be- Durch eine solche Anordnung erhält man zusätzlich

steht eine Übereinstimmung mit der Meßvorrichtung zu einem gußen Ausgangssignal in der Brücke einen

der Fig.2. Die öffnungen 18 und 19 liegen in einer 55 thermischen Ausgleich, ohne daß man besondere

Ebene, die senkrecht zum Kraftangriff in dem Meß- Kompensationswicklungen außerhalb der Meßvor-

körper 16 verläuft. richtung anzubringen braucht, wie es sonst üblich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum magnetostriktiven Messen einer Kraft, bestehend aus einem ferromagnetisehen Meßkörper und mit in öffnungen des Meßkörpers angeordneten, sich im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur Kraftangriffsrichtung erstreckenden Erreger- und Meßwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale öffnung (2j 17, 31) zur Durchführung sowohl der Erregerwicklung (7, 22, 34) als auch aller zugeordneten Meßwicklungen (8, 9, 24, 25, 28, 30) angeordnet ist und daß im Bereich der sich bei Krafteinwirkung um die zentrale Öffnung ausbildenden Zonen hoher mechanischer Sparnungen mindestens zwei kleinere, diese mechanischen Spannungen nur vernachlässigbar beeinflussende, allein zur Durchführung der Meßwicklungen bestimmte öffnungen (3 bis 6, 18,19) vorgesehen sind.