DE2263646B2 - Magnetoelastischer Geber - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoelastischen Geber nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solcher Geber ist im wesentlichen bekannt aus der DT-PS 12 05 313. Diese Geber dienen dazu, die tr einem Objekt auftretenden mechanischen Spannunger zu analysieren.

Bei den bekannten Gebern dieser Art wird ein kreis förmiges zylindrisches Loch in das Material des Meß Objektes gebohrt und in dieses ein Geber des magne toelastischen Typs eingeführt, der Wicklungen zur Er zeugung eines magnetischen Flusses in dem das Locl· umgebenden Material hat sowie Wicklungen zum Mes sen der Änderungen dieses Flusses, die infolge der au das Material wirkenden mechanischen Kräfte verur sacht werden. Diese Geber werden nicht von der Kraf beeinflußt, die gemessen werden soll. Vielmehr erfasser sie, ohne eine kräftemäßige mechanische Verkopplung auf rein elektromagnetischem Wege die Änderunger des magnetischen Flusses, die im Meßobjekt auftreten wenn dieses mechanischen Kräften ausgesetzt wird Diese Meßanordnung hat den Nachteil, daß der stet! zwischen dem Geber und den Wänden des Loches, ir das der Geber eingeführt ist, vorhandene Luftspalt die Reluktanz (magnetischer Widerstand) des magneti sehen Kreises vergrößert. Dieser die Reluktanz vergrö Bernde Luftspalt wird auch unter der Einwirkung dei mechanischen Kräfte etwas verformt, was zu einer ge wissen Verfälschung des Meßeigebnisses führt Schließlich ist diese bekannte Messung auch tempera tui abhängig, da die Eindringtiefe des Flusses von dei Temperatur abhängt.

Aus der ASEA-Zeitschrift 5 (I960), 1, S. 3 bis 12, is ein magnetoelastischer Zweipunktgeber bekannt, dei aus einem Geberelement und einem unverzichtbarer zusätzlichen Gehäuse für dieses Element besteht. Da; Gehäuse ist im oberen Teil mit weichen blattfederarti gen Stegen ausgerüstet, welche die Seitenkräfte auf nehmen, ohne die zu messende vertikale Kraft im we sentlichen zu beeinflussen. Mit solchen Gebern wire eine in einer bestimmten Richtung verlaufende Kraf gemessen. Zum Messen der im Material eines Meßob jektes auftretenden Spannungsverteilung sind sie nich geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu gründe, einen magnetoelastischen Geber nach den Oberbegriff des Anspruches 1 zu entwickeln, bei den einerseits der kraftbeeinflußte magnetische Fluß irr Gebermaterial bleibt und der andererseits einen einfa chen und sicheren Einbau in das Material des Meßob jektes gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein magnetoelasti scher Geber nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeich nenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmal« aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltunger des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprü chen genannt.

Bei dem Geber nach der Erfindung bleibt das Ma gnetfeld im Eisenkern des Gebers, der von den zu mes senden mechanischen Kräften beeinflußt wird.

An Hand der in den Figuren gezeigten Ausführungs beispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. E: zeigen

F i g. 1 einen Geber in Draufsicht,

F i g. 2a eine Seitenansicht eines Kerns mit Kraftan griffsflächen, die auf einem Kreiskegelstumpf liegen,

F i g. 2b eine entsprechende Seitenansicht mit Kraft angriffsflächen, die auf einem Kreiszylinder liegen,

F i g. 3 und 4 zwei weitere Ausführungsmöglichkei ten der Kraftübertragungselemente,

pig. 5 eine Hülle für den Geber,

F i g. 6 die Anwendung von zwei kreiskegelabschnittförmig«¹ Hüllen,

Fig.7 einen Geber, montiert zur Torsionsmessung auf einer Welle,

Fig.8 und 9 den Geber in Anwendung bei einem Manometer,

F i g. 10 und 11 zwei Ausführungsbeispiele, bei denen der Geber Schubbeanspruchungen in einem Material mißt, ίο

Fig. 12a, 12b, 12c, 13a, 13b, 13c. 14a, 14b, 14c den Geber als Radiageanzeiger in Eisenbahnschienen,

F i g. 15a, 55b, 15c das Wägen von Schienenfahrzeugen während des Fahrens,

F i g. 16 die Verwendung des Gebers in einer niedri- t₅ gen Plattformwaage,

Fig. 17 den Geber montiert zum Wiegen in einer Gabel eines Gabelstaplers,

Fig. 18a und 18b die Anwendung des Gebers zum Messen von Druckkraft,

Fig. 19a und 19b die Anwendung des Gebers zum Messen von Zugkraft,

Fig.20. 2Ί, 22a und 22b einen in eine Lastzelle für große Kräfte eingesetzten Geber,

F i g. 23 einen Halter für den Geber beim Messen von vertikalen Kräften,

F i g. 24 eine Anordnung zum Messen von auf eine Welle wirkenden Kräften.

Der Geber besteht gemäß F i g. 1 aus einem Kern 1 aus lameliiertem magnetischem Material in Form von im wesentlichen kreisförmig gestanzten Blechen. In den Blechen sind vier Löcher ausgestanzt und so angeordnet, daß sie in den Ecken einer vorzugsweise quadratischen Figur liegen. Wenn die Bleche geschichtet werden, bilden sich vier parallele und rechtwinklig zu der Lamellenebene liegende Kanäle in dem Kern. Diese Kanäle nehmen zwei rechtwinklig zueinander liegende Wicklungen 3 und 4 auf, von denen die erste zwecks Erzeugung eines magnetischen Flusses im Kern an eine Wechselstromquelle 5 angeschlossen ist. Die zweite Wicklung ist an eine Meßvorrichtung 6 angeschlossen zur Anzeige der Änderungen des Magnetflusses im Kern, die auftreten, wenn auf den Kern mechanische Kr he einwirken. In gewissen Fällen, besonders wenn dei Geber keinen großen Kräften ausgesetzt wird, kann der Kern auch aus Ferritmaterial bestehen.

Der Kern hat an seinem Umfang vier radial gerichtete Vorsprünge 7, die zur Übertragung der mechanischen Kraft auf den Geber dienen. Die vom Kern abgewandten freien Flächen 8 der Vorsprünge 7 sind als Kraftangriffsflächen für die Kräfte ausgebildet, deren Unterschied gemessen werden soll. Die Vcrsprünge sind mit gleichen Abständen voneinander angeordnet, so daß sie sich paarweise diametral gegenüberliegen. Außerdem liegen sie symmetrisch zwischen den Diagonalen des Quadrates, in dessen Ecke die '-ocher 2 angeordnet sind.

F i g. 2a zeigt eine Seitenansicht eines Kerns, bei dem die Kraftangriffsflächen so ausgebildet sind, daß sie auf einem Kegel liegen, dessen Mittelachse rechtwinklig zur Kernebene verläuft. F i g. 2b zeigt eine entsprechende Seitenansicht eines Kerns, bei dem die Kraftangriffsflächen auf einem Zylinder liegen.

Der Geber wird in ein vorzugsweise konisches Loch in dem Material eingeführt, dessen Beanspruchungen gemessen werden sollen. Der Geber ist in diesem Fall so bearbeitet, daß die Kraftangriffsflächen auf einer Kegelfläche liegen. Um ein gutes Anliegen zwischen dem Geber und dem Material zu erhalten, sollten die Kegelfläche und das Loch in dem Material denselben Kegelwinkel haben. F i g. 3 und 4 zeigen zwei weitere Beispiele, wie die Kraftübertragung zwischen dem Material und dem Kern des Gebers erfolgen kann, wobei jedoch zu erwähnen ist, daß die it> F i g. 1 gezeigte Geberform die praktischste ist, da der Vorsprung 7, der das Kraftübertragungselement bildet, gleichzeitig mit den Löchern für die Wicklungen gestanzt werden kann. Die auf den Körper 32 wirkenden Kräfte, z. B. die Kräfte F, werden auf den Geber mittels Kraftübertragungselementen übertragen, die in Fig.3.von in das Loch hineinragenden Leisten 30 gebildet werden, deren freie, dem Loch zugewandte Seiten so bearbeitet sind, daß sie gut gegen den Kern 1 des Gebers anliegen.

Gemäß F i g. 4 sind sowohl das Loch im Körper 32 wie auch die Fläche des Gebers glatt, und die Kraftübertragung geschieht mit Hilfe von Schienen 31 od. dgl., die zwischen dem Geber und den Lochwänden eingeschoben werden.

Um das Einführen des Gebers zu erleichtern und um mit Sicherheit die richtige Vorspannung zu erhalten, ist es manchmal zweckmäßig, den Geber in eine Hülle einzuspannen, die dann in das Loch in dem Körper eingeführt wird, dessen Beanspruchungen untersucht werden sollen. In den Fällen, in denen störe.ide äußere Magnetfelder auftreten können, besteht die Hülle zweckmäßigerweise aus nichtmagnetischem Material, z. B. Messing oder einem anderen Material, das vorzugsweise im wesentlichen denselben Ausdehnungskoeffizienten hat wie Stahl. Ein solches Material ist eine Legierung, die unter dem Namen Inconel bekannt ist. Die Hülle wirkt dann als magnetische Abschirmung gegen störende Magnetfelder. F i g. 5 zeigt ein Beispiel dafür, wie eine solche Hülle 9 geformt sein kann. Damit die Hülle in radialer Richtung nachgiebig wird, ist sie mit mehreren längsgehenden Schlitzen 10 versehen. Der Geber wird in die Hülle so eingeschoben, daß die Vorsprünge 7 mit ihren Kraftangriffsflächen 8 an den zwischen den Schlitzen liegenden Partien oder Rippen 11 anliegen. Die Breite der Vorsprünge 7 ist dabei vorzugsweise, aber nicht notwendig, gleich der Breite der genannten Partien. Eine gewisse Elastizität in radialer Richtung, die in vielen Fällen bereits ausreichend ist, kann man auch dadurch erhalten, daß die Hülle aus so dünnem Material hergestellt wird, daß sie etwas deformiert wird, wenn der Geber hineingepreßt wird. Die Teile der Hülle, die sich zwischen den Vorsprüngen des Gebers befinden, werden etwas ausgedehnt und tragen dazu bei, den Geber in der Hülle zu halten. Auch andere Formen der Hülle sind denkbar. Wesentlich ist, daß der Geber in der Hülle festgehalten wird und daß die Hülle gut in dem Loch in dem von Kräften beanspruchten Material anliegt. Die Hülle kann innenseitig wie außenseitig konisch bzw. zylindrisch sein, außenseitig konisch und innenseitig zylindrisch oder umgekehrt.

F i g. 6 zeigt eine Möglichkeit, mit Hilfe zweier konischer Hülsen 12 und 13 einen zylindrischen Geber in einem zylindrischen Loch festzuspannen. Der Geber ist in die innere Hülse 12 eingepreßt, die innenseitig zylindrisch und außenseitig konisch ist. Die äußere Hülse 13 ist außenseitig zylindrisch und innenseitig konisch. Die Konizität der beiden einander zugewandten Flächen ist vorzugsweise gleich groß. Bei der Montage des Gebers am Meßplatz wird die äußere Hülse 13 in das zylindrische Loch in dem zu messenden Material eingeschoben. Danach wird die innere Hülse 12 in die äußere geschoben und so weit hineingepreßt, daß man die ge-

wünschte Vorspannung auf den Geber erhält.

F i g. 7 zeigt, wie der Geber zum Messen der Torsion in einer Welle 14 verwendet werden kann. In der Oberfläche der Weile ist ein rundes Loch 15 angeordnet und der Geber darin placiert, so daß die Verbindungslinie s zwischen zwei diametral gelegenen Vorsprüngen parallel zu den Hauptachsen +<5 und -ό der Schubbeanspruchung verläuft

F i g. 8 und 9 zeigen den Geber als abtastendes Element in einem Manometer. In einem Manometergehäu- ₎₀ se 16 ist ein Kanal 17 angeordnet, dem der Druck zugeführt wird, der gemessen werden soll. Rechtwinklig zum Druckmittelkanal 17 ist ein zweiter Kanal 18 für einen Geber S9 angeordnet Der Abstand zwischen den beiden Kanälen ist so gewählt, daß sich zwischen ihnen eine Membrane 20 bildet und der Geber ist in seinem Kanal so placiert, daß ein druckaufnehmender Vorsprung am Zentrum der Membrane anliegt.

Gemäß F i g. 10 kann der Geber symmetrisch in einem Dreibein 20 montiert werden, dessen drei Beine an ihrem freien Ende abgestützt werden, was mit den drei nach oben gerichteten Pfeilen 21 angedeutet ist. Die Geber sind in Löcher 22 in den Beinen eingesetzt, und die Kraft die gemessen werden soll, wird auf das Zentrum des Dreibeins gerichtet, wie durch Pfeil 23 angedeutet. Wenn das Dreibein in Richtung des Pfeils 23 belastet wird, entstehen Schubspannungen in den drei Beinen. Die Geber sind in den Löchern so ausgerichtet, daß sie die Schubspannungen abtasten können. Durch Summierung der Signale von den drei Gebern erhält man die insgesamt wirkende Kraft

Eine ähnlich Anordnung kann gemäß F i g. 11 dczu verwendet werden, die Torsionskraft in einer Welle od. dgl. zu bestimmen. Ein dreiarmiges Kreuz 24 ist auf einer Welle 25 befestigt. Jeder Arm des Armkreuzes trägt einen Geber in einem Loch 26. Die Geber sind so angeordnet daß sie die in den Armen auftretenden Schubspannungen abtasten. Wenn die Welle mit einer bestimmten Kraft F, markiert mit dem Pfeil 27, im Uhrzeigersinn gedreht wird, muß eine Kraft fauf die Arme des Armkreuzes, beispielsweise an ihren freien Enden, ausgeübt werden, damit das System im Gleichgewicht bleibt Diese Kräfte werden mit Pfeilen 28 markiert und verursachen Schubbeanspruchungen in den Armen, die von den Gebern angezeigt werden. Die Summe der Ausgangssignale der Geber ist somit ein Maß für die Torsionskraft der Welle 25.

F i g. 12a zeigt eine Seitenansicht des Gebers 19, befestigt im Steg einer Eisenbahnschiene 33 zwecks Anzeige der Radlagen. F i g. 12b zeigt einen Querschnitt durch die Schiene. Der Geber ist mitten über einer Schwelle 34 zum Messen von vertikaler Druckbeanspruchung angeordnet Die Anordnung gibt eine einfache Lagenanzeige mit mäßiger Genauigkeit wie aus der Kurve in Fig. 12c ersichtlich, die das Ausgangssignal des Gebers zeigt

Die Fig. 13a und 13b zeigen den Geber als Radlagenanzeiger wie in F i g. 12a, jedoch ist der Geber hier zwischen zwei Schwellen 34 placiert und zur Schubspannungsmessung eingestellt Wenn das Rad den Geber passiert ändert sich die Schubspannung am Geber, und dabei ändert sich auch — wie in F i g. 13c gezeigt — das Signal von dem phasenempfindlichen Gleichrichter, der zu dem Signalverarbeitungskreis des Gebers gehört Der steile Nulldurchgang ergibt eine scharfe Lagenanzeige.

Als eine Variante der Anordnung gemäß Fig. 13a kann man auch zwei entgegengesetzt geschaltete Schubspannungsgeber mit kleinem Abstand voneinander zwischen zwei Grundschwellen anordnen, wie in Fig. 14a gezeigt ist. Wenn sich das Rad zwischen den beiden Gebern befindet, erhält man ein stark ausgeprägtes Signalmaximum, wie in Fig. 14c gezeigt ist, während das Signal Null wird, wenn das Rad ein Stück von den Löchern entfernt ist.

Der Geber kann auch zum Wiegen von Schienenfahrzeugen während des Fahrens verwendet werden. Dabei benutzt man zwei Geber 19, wie in F i g. 15a gezeigt ist. Der Abstand zwischen den Gebern ist so groß wie möglich, ohne daß sie jedoch den Schwellen 34 zu nahe kommen. Während der Zeit wo das Rad Kontakt mit der Schiene 33 im Bereich 35 in Fig. 15c hat, die die Ausgangssignale der Geber zeigt ist der Meßwert konstant, da die Summe der Absolutwerte der Schubbeanspruchungen an den beiden Meßpunkten konstant ist.

F i g. 16 zeigt eine niedrige Plattformwaage, die nach demselben Prinzip arbeitet wie Waagen gemäß F i g. 15a. Ein Geberhalter 36 mit zwei Gebern 19 ist in einem starren Rahmen 37 eingebaut Der Halter hat eine Wiegefläche 38 für den Gegenstand, der gewogen werden soll. Eine alternative Ausführung, deren Oberseite mit einer in der Figur mit gestrichtelten Linien angedeuteten federnden Membrane 39 bedeckt ist, ist besonders zum Wiegen von nicht schienengebundenen Fahrzeugen, beispielsweise Automobilen, geeignet. Die Waage kann dabei zweckmäßigerweise in einem Senkkasten im Erboden versenkt sein.

Beim Wiegen einer Last auf Gabelstaplern können ein oder zwei Geber in der Hebegabel 40 placiert werden, wie in F i g. 17 gezeigt ist Die Geber werden nahe der Krümmung der Gabel in einem Abschnitt 41 mit etwas versenkter Oberfläche angeordnet, um sicherzustellen, daß die ganze Last von den Gebern als Schub abgetastet wird.

Fig. 18a und 18b zeigen die Verwendung des Gebers zum Messen von Druckkräften. Der Geber 19 befindet sich dabei vorzugsweise in einem konischen Loch 42 in einem säulenförmigen Meßelement 43. Um den linearen Meßbereich zu vergrößern, kann man hier auf beiden Seiten des Gebers Entlastungslöcher 44 anordnen, wie mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Beim Messen von Zugkräften wird das Meßelement 43 verlängert und in seinen Enden werden Löcher 45 angeordnet, um die Zugkraft anzuschließen, wie in F i g. 19a und 19b gezeigt wird.

Beim Messen großer Kräfte kann man gemäß F i g. 20 einen rohrförmigen Belastungskörper 46 als Halter für mehrere Geber verwenden. Dabei werden in konischen Löchern um den Halter herum Geber angeordnet und auch hier über und unter den Gebern Entlastungslöcher 44.

F i g. 21 zeigt wie die Lastzelle gemäß F i g. 20 modifiziert werden kann. Die Geber werden hier zur Schubspannungsmessung verwendet Der rohrförmige Belastungskörper 46 ist an seinen Enden mit Anschlägen 47 versehen, die zwischen den Löchern für die Geber liegen.

F i g. 22a und 22b zeigen eine besonders niedrige Lastzelle, ausgeführt als ein auf der Kante stehender Biegebalken 48. Die Geber 19 sind in konische Löcher 42 an der oberen Kante des Balkens eingesetzt und tasten dort die Druckspannung ab. Die Summierung der Signale der Geber ergibt einen Meßwert, der im Prinzip von einer gewissen Verschiebung des Angriffspunktes der Kraft in Längsrichtung unabhängig ist.

F i g. 23 zeigt einen Halter 49 für den Geber 19, bei dem horizontale Störkräfte von einer horizontalen Membrane 50 aufgenommen werden. Vertikale, in Richtung des Pfeils 51 wirkende Kräfte wirken auf eine Ausnehmung 52 am oberen Teil des Halters und werden durch den zentralen Teil 53 des Halters auf den Geber 19 übertragen, der zum Messen von Druck- oder Zugkräften vorgesehen ist.

Die Meßanordnung gemäß F i g. 24 hat eine feste Achse 54, die von festen Stützen 55 getragen wird. Ein rotierender Mantel, eine Scheibe od. dgl. 56 wird mittels Lagern 57 von der Achse getragen. Zwischen den Lagern 57 und den Stützen 55 werden die querwirkenden Kräfte in den Achszapfen von dem schubspannungsmessenden Geber 1!J gemessen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Magnetoelastischer Geber zum Messen mechanischer Kräfte in einem Meßobjekt, bestehend aus S einem scheibenförmigen Kern aus ferromagnetischem Material, der zur Messung in einem im Meßobjekt vorgesehenen Loch angeordnet ist und der mit vier rechtwinklig zu der Kernscheibenebene angeordneten Kanälen versehen ist, die in den Ecken einer im wesentlichen quadratischen Figur liegen und in denen Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetflusses in dem Kern sowie Wicklungen zum Messen der Änderungen des Magnetflusses angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Loches (15) kreisförmig ist, daß zur Übertragung der im Meßobjekt herrschenden Kräfte auf den Kern (1) vier Kraftübertragungselemente (7, 11, 30, 31) vorhanden sind, die kraftübertragend zwischen dem Kern (1) und der Innenwand des Loches (15) angeordnet sind, und daß die Kraftübertragungselemente mit gleichem Abstand voneinander und im Verhältnis zu den Diagonalen der genannten im wesenttlichen quadratischen Figur symmetrisch angeordnet sind.

2. Geber nach Anspruch 1, dessen Kern aus einer Anzahl Bleche aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche im wesentlichen kreisförmig sind.

3. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungselemente aus auf dem Kern ausgebildeten und radial gerichteten Vorsprüngen (7) bestehen, deren vom Kern abgewandte freie Flächen (8) als Kraftangriffsflächen ausgebildet sind.

4. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kra^ftübertragungselemente aus Leisten (30) bestehen, die an den Wänden des Loches im Meßobjekt angeordnet sind, das beim Messen den Geber aufnimmt.

5. Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungselemente aus Schienen (31) bestehen, die zwischen dem Kern und den Wänden des Loches im Meßobjekt einschiebbar sind.

6. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Kraftangriffsflächen (8) auf einem Kreiskegelstumpf liegen, dessen Achse mit der des scheibenförmigen Gebers zusammenfällt.

7. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafiangriffsflächen (8) auf einem Kreiszylinder liegen, dessen Achse mit der des scheibenförmigen Gebers zusammenfällt.

8. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er in eine in radialer Richtung federnde Hülle (9) eingespannt ist.

9. Geber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus nichtmagnetischem Material ist.