DE2025200C - Vorrichtung zum magnetostrik tiven Messen einer Kraft - Google Patents

Description

Die Erfindung hetnflt eine Vorrichtung zum magnetostriktiv en Messen einer Kiaft. bestehend aus einem ferromagnetische!! MeBkörper und mit in Öffnungen des Meßkörpers aneeordnnen, sich im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht /i;r Kraftangriffsrichtung erstreckenden Errege,- unii Meßwicklungen.

Bei solchen kraltmessenden Vorrichtungen umschließt die an eine WechsL-lspannungMiuelle a:iüe schlossene Erregerwicklung mind·, liens einen Teil des MeBkörper·,. um in diesen einen magnetischer Weehselfluß zu erzeugen. Wenn der Mel.'.körpcr physikalisch nicht beansprucht wird, verläuft dieser magnetische WeehselfluB kreisförmig um die Erregerwicklung und nimmt in seiner Starke mit dem Abstand von der Wicklung ab. Wenn sich die magnetische Leitfähigkeit bei Krallangriff ändert, wird der magnetische FUiß gewissermaßen aus der Erregerwicklung in Zugrichtung herausgezogen und in Druckrichtung zusammengedrückt. Die Meßvvicklungen sind mit dem MeBkörper so verkettet, daß in diesen Wechselspaniuingen 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 McBwicklimgcn so verteilt werden, daß die Gegenindiiktivität 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 Erregerund MeBwicklungen getrennte ÖiTnungtn im Meßkörper vorgesehen sind und daß, da die MeBwicklungen vom Bereich stärkster Beanspruchungen entlernt licvn. nur kleine Ausgangssignale gewonnen werden können. Dies gilt auch für vorbekannte Meßvorrichtungen. bei denen Erreger- und Meß wicklungen teilweise ineinander ungeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftmeßvorne'ilung tier einleitend genannten Art so zu sei bessern, daß sehr große Alisgangssignale, große Empfindlichkeiten und sehr nute l.inearitäten im uesanilen Meßbereich erzielt werden. Auch soll die erfindun^sgemäße 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 erfindungsgeiiiäüe Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Öffnung zur Durchführung sowohl der Errcgerwicklung als auch aller zugeordneten Meßwicl·.-Iungen angeordnet ist und daß im Bereich der sich bei Krafteinwirkung 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 erläiutii bevorzugte Ausführungsbei-

-.0 spiele der Erfindung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine er^findungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Zugkräften,

F i g. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Druckkräften.

F i g. 3 eine Dt.,ufsicht auf eine erfindungsgemäße ringförmig ausgebildete Vorrichtung zum Messen kleiner Zug- und Druckkräfte und

F-" 1 μ 4 wine schematische Darstellung einer erl'indungsg^niäßen Vorrichtung zum Messen von BiegeniiiM'cntcn.

In den Fig. I und 2 verweist das Bezugs/eichen 1 auf einen Meßkörper aus magnetostriktivem Material, beispielsweise mit Silizium liiertes Transformatorenblech. Der MeBkörper 1 kann entweder aus einem einzigen Blech oder aus einer Anzahl von Blechen des vorgenannten Materials bestehen, die mit einander verklebt sind. Der Meßkörper 1 hat euu Mittelöffnung 2 von solcher Größe, daß um diese Öffnung herum Zug- und Druckbeanspruchungen auftreten können, wenn der MeBkörper 1 mit Kräften beansprucht wird. Vier weitere öffnungen 3 bis 6 umgeben die Mittelöffnung2 derart, daß sie an den Ecken eines gedachten Quadrates liegen. Fine an eine Wcchselspannungsquelle angeschlossene Erregerwicklung7 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 Meßvorrichlung der F' i g. 2 zum Messen von Druckkräften vorgesehen und zu diesem Zweck mit flachen Druckflächen 15 versehen.

Der von der Erregerwicklung? erzeugte magnetische Fluß verläuft kreisförmig um die öffnung2, solange der MeBkörper nicht durch physikalische Kräfte beansprucht wird. Die MeBwicklungen 8 bis 11 werden daher von gleichvielcn magnetischen Flußlinien geschnitten, so daß die in den "Meßwicklungen 8 bis 11 erzeugten Spannungen die gleiche Größe haben und sich Differenzspannungen Null ergeben. Wenn nun der MeBkörper 1 einer Zugkraft

ausgesetzt wird, entstehen in diesem Zugbeanspruchungen, die am größten an den Randteilen der öffnung! sind, an (Jenen die Wicklungen S und 10 anliegen. Andererseits entstehen maximale Druckkräfte an den Rätricrn der öffnung!, an dentil sich die Wicklungen 9 und II befinden. Auf Grund des magnetostriktiven Effektes ändert sich der von der Erreget wicklung 7 erzeugte Magnetfluß derart gegenüber dem Magnetfluß im Meßkörper im unbelasteten Zustand, daß die Wicklungen 8 und 10 von einer größeren Anzahl und die Wicklungen 9 und 10 von einer geringeren Anzahl von magnetischen Flußlinien geschnitten werden. Die in den Wicklungen 8 und 10 induzierten Spannungen nehmen daher zu. während die in den Wicklungen 9 und Il indu/ierten Spannungen kleiner werden.

Somit ist die Differenz der Spannungen nicht mehr Null, sondern hat eine bestimmte Größe, die abhangig ist von der am Meßkörper angreifenden Kräh. Dieser Wert läßt sich mit einem Instrument, das in geeigneter Weise unmittelbar in Krafteinheiten geeicht ist. messen oder aufzeichnen.

Wenn die Meß\orriehtung der F i g. 2 der Druckkraft 14 ausgesetzt wird, ergeben sich die größten Zugbeanspruchungen an den Stellen, an denen sich die Wicklungen 8 und 10 befinden, und die größten Druckbeanspruchungen an den Stellen, an denen die Wicklungen 9 und 11 liegen. Im übrigen gilt für diese Nietvorrichtung das gleiche wie für die Meßvorrichtung der Fig. I.

Eine Möglichkeit, den Meßkörper aus magnetostriktivem Material für physikalische Kräfte empfindlicher zu machen, liegt darin, die Querschnittsfläche zu vermindern. Wenn zusätzlich noch dem Meßkörper eine geeignete Gestalt gegeben wird, werden die Spannungszug- und Druckbeanspruchungen im Meßkörper vergleichsweise schon dann recht groß, wenn mäßige Zug- oder Druckkräfte am Meßkörper angreifen.

Bei der Ausfiihrungsform der erfindungsgemäüen Vorrichtung gemäß F i g. 3 ist der Meßkörpei 16 ähnlich ausgebildet wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Der Meßkörper 16 ist ringförmig ausgebildet unü weist eine große Mittelöffnung 17 und zwei kleinere öffnungen 18 und 19 auf, die auf einem Durchmesser des Meßkörpers parallel zu zwei Druckflächen 20 liegen. Die zu messende Kraft wirkt an den Flächen 20 ein und ist mit den Pfeilen 21 angedeutet. Die Meßvorrichtung enthält eine Erregerwicklung 22, die durch die Öffnung 17 gewikkelt ist, und vier Meßwicklungen 23 bis 26. Die zwei Wicklungen 23, 24 sind durch die öffnung 17 und durch die öffnungen 18 und 19 gewickelt. Soweit bestellt eine Übereinstimmung mit der Mci3vorriclitung der Fig. 2. Die öffnungen 18 und 19 liegen in einer Ebene, die senkrecht zum Kraftangriff in dem Meßkörper 16 verläuft.

Als Folge des Kraftangriffes entstehen Zugbeanspruchungen am Rand der Öffnung 17, oder genauer in Richtung der Kraftpfeile 21. wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Dem Kraftangriff er.tsprechende Druckbeanspruchungen entstehen jedoch auch entlang des Umfanges des Meßkörpers 16. Die Meßwicklungen 25 und 26 sind durch die öffnungen 18 bzw. 19 und über den Außenumfang gewickelt und verlaufen somit senkrecht zu den Zugbeanspruchungen im Meßkörper 16. Der von der Erregerwicklung 22 erzeugte magnetische Fluß ändert sich, wie schon erwähnt, in Abhängigkeit vom Kraftangriff. Die Verminderung des Flusses durch die Meßwicklungen 23 und 24 entspricht genau der Vergrö-Bei .;]>' des Flusses durch die Meßwicklunsen 25 und 26.

Die Meßvorrichtung gemäL'. F i g. 3 ist verständlicherweise auch zur Messung kleiner Zugspannungen geeignet, wenn man sie in Übereinstimmung mit der Meßvorrichtung der F i g. 1 mit Befestigungsansät_en versieht.

Die Vorrichtung der F i g. 4 dient /ur Messung von Biegemomenten. Sie ist mit vier Meßwicklungen 27 bis 30 versehen, die bezüglich einer Mittelöffnung 31 eines Meßkörpers 32 aus mjtmetostriktivem Material so angeordnet sind, daß sich bezüglich der Wicklungen die gleiche Ausrichtung ergibt wie bei der Vorrichtung der Fig. 3. Bei Angriff einer Kraft, die von dem Kraftpfeil 33 angedeutet wird, entstehen in der über der öffnung 31 liegenden Hälfte des Meßköioers Zugbeanspruchungen und in der unteren Hälfte Druckbeanspruchungen. Der Magnetfluß um die Öffnung 31 herum wird von einer Erregerwicklung 34 erzeugt und ändert sich unter der Einwirkung der Kraft so, daß der Fluß in den Meßwickhmgen 27 und 29 zu- und in den Meßwicklungen 28 und 29 entsprechend abnimmt. Zur Erfassung von Zug- und Druckbeanspruchungen sind erfindungsgemäß mindestens zwei Meßwicklungen erforderlich.

Wie schon erwähnt, werden in diesen Meßwicklungen Spannungen induziert, deren Größe von der am Meßkörper angreifenden Kraft abhängt. Die Spannungen sind phasengleich und haben gegensinnige Polaritäten, so daß, wenn man die eine Spannung von der anderen abzieht, eine Differenzspannung entsteht, die sich doppelt so stark ändert wii· die ausgeübte Kraft, d. h. die Empfindlichkeit ist verdoppelt worden.

In den Zeichnungen sind die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen r":ignetostiiktiven Meßvorrichtungen mit vier Meßwicklungen versehen, die die Brückenzweige einer Meßbrücke bilden können. Durch eine solche Anordnung erhält man zusätzlich zu einem großen Ausgangssignal in der Brücke einen

thermischen Ausgleich, ohne daß man besondere Kompensationswicklungen außerhalb der Meßvornchtung anzubringen braucht, wie es sonst üblich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum magnetostriktiv en Messen einer Kraft, bestehend aus einem ferromagnetischen Meßkörper und mit in öffnungen des Meßkörpers angeordneten, sich im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur Kraftangriffsrichtung erstreckenden Erreger- und Meßwicklungen. dadurch g e k e η η ζ e i c h net. daß eine zentrale Öffnung (2, 17. 31) zur Durchführung sowohl dei Erregerwicklung (7. 22. 34) als auch, aller zugeordneten Meßwicklungen (8. 9. 24. 25. 28. 30) angeordnet ist und daß im Bezieh der siL!' bei Krafteinwirkung um die zentrale Öffnung ausbildenden Zonen hoher mechanischer Spannungen mindestens zwei kleinere, diese mechanischen Spannungen nur vcrnachlässiebar beeinflussende, alle ι zur Durchführung der Meßwieklungen bestimmte Öffnungen (3 bis 6. 18. 19) vorgesehen sind.