DE2335249A1

DE2335249A1 - Vorrichtung zum messen von spannungen an der oberflaeche von bauteilen u. dgl., welche aus einem magnetostruktiven stoff bestehen

Info

Publication number: DE2335249A1
Application number: DE19732335249
Authority: DE
Inventors: Claude J Fraudin
Original assignee: CT D ETUDES ET DE RECH RS de l
Current assignee: CT D ETUDES ET DE RECH RS de l
Priority date: 1972-07-25
Filing date: 1973-07-11
Publication date: 1974-02-07
Also published as: GB1432160A; DE2335249C2; NL7310307A; CH577167A5; US3866462A; IT991847B; JPS5637489B2; FR2194311A5; JPS49109077A; BE802656A

Description

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CENTRE D»ETUDES ET DE RECHERCHES DE LA MACHINE-OUTIL, 150 Boulevard Bineau, 92 Neuillv S/Seine/Frankreich

Vorrichtung zum Messen von Spannungen an der Oberfläche von Bauteilen u. dgl., welche aus einem magneto striktiven Stoff bestehen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Messen von Spannungen, welche an der Oberfläche von Bauteilen u. dgl. auftreten, die aus einem magnetostriktiven Stoff "besteheni die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Meßvorrichtung zum Messen von Spannungen an der Oberfläche von Aufbauten und Konstruktionen aus Metall»

Zur Messung von Oberflächenspannungen verwendet man im allgemeinen Spannungs-MeSgeräte. Die z. Zt. gängigen Meßgeräte dieser Art sind im Aufbau außerordentlich kompliziert und sehr θηιρΛίΓαΤ,.ΊΛ, namentlich dann, wess Messungen an sich drehenden Se~er?rt£nci3n vorgenommen werden ο

Man kennt bereits Meßgeräte, welche sich die Tatsache zunutze machen, daß eine mechanische Spannung, welcher.ein aus einem magnetostriktiven Stoff bestehender Bauteil u. dgl. unterworfen wird, die mechanischen Eigenschaften dieses Bauteiles verändert. Der Betrieb dieser bekannten Meßgeräte beruht auf der ■

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Messung der Verdrehung oder Verzerrung eines Magnetflusses, welcher in einem ersten Magnetkreis erzeugt wird, der das zu messende Objekt aufnimmt, wobei dieser Magnetfluß von einem zweiten Magnetkreis aufgenommen wird, der ebenfalls das Werkstück aufnimmt und relativ zu dem ersten Magnetkreis so gelagert ist, daß im Falle des Mangels von irgendwelchen Spannungen der Magnetfluß bzw. magnetische Zirkulation in diesem zweiten Magnetkreis den Wert Null hat. Die Anordnung der beiden getrennten, also unterschiedlichen Magnetkreise führt zu einem erhöhten Raumbedarf dieser bekannten Meßvorrichtung, welche aus diesem Grunde nur begrenzt eingesetzt wird.

Die Erfindung zielt daher auf die Beseitigung der Mangel und Unzuträglichkeiten dieser bekannten Meßvorrichtung, indem eine Meßvorrichtung geschaffen wird, deren Spulen so angeordnet sind, daß die Vorrichtung schnell und einfach und auch sehr vielseitig eingesetzt werden kann.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine Vorrichtung zum Messen von Oberflächenspannungen von Bauteilen, die aus einem magnetostriktiver. Material bestehen. Die erxindungsgemäße Vorrichtung besitzt zwei Spulen, welche an eine Wechselstromquelle bzw. an eine Meßvorrichtung angeschlossen sind und die um einen Kern aus magnet!sierbarem Material herum gelagert sind, wobei die eine der Flächen dem Meßobjekt gegenüberliegt.

Erfindungsgemäß besitzt der aus magnetisierbarem Material bestehende Kern auf so.iner Fläche zumindest vier identische Pole, welche an den Eckpunkten eines Viereckes oder Rechteckes gelagert sind. Die erste Spule besteht dabei aus zwei in Reihe geschalteten Wicklungen, von welchen eine jede um die eine Gruppe der beiden hintereinanderliegenden Pole herumgewickelt ist derart, daß ein Magnetfluß- welcher von einem diese Spule durchsetzenden Strom erzeugt wird - zwischen den beiden Grujpen der auf diese Weise gebildeten beiden Pole in einem Stromkreis zirkuliert, welcher gebildet wird durch den aus magnetisierbarem Stoff bestehenden Kern und dem zu messenden Objekt.

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Die zweite Spule besteht aus zwei, in Reihe geschalteten Windungen, wobei eine jede Windung um dio beiden hintereinanderliegenden Pole herumgewickelt wird, welche der einen bzw. der anderen Gruppen der beiden Pole angehören, die durch die erste Spule bestimmt werden derart, daß eine Zirkulation des Magnetflusses erzeugt wird, die äquivalent derjenigen der ersten Spule ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der aus einem magnetisierbaren Material bestehende.Kern an eine dichte Krone angepaßt, deren Innenfläche mit einer Vielzahl von hinteusLnanderliegenden Anordnungen von vier Polen ausgerüstet ist, welche mit den beiden vorgenannten Spulen ausgestattet sind. Die Wicklungen der ersten Spulen sind in Reihe oder parallel zu einem der Stromerzeugungs-Organe oder aber zu dem Meßapparat geschaltet. Die Wicklungen der zweiten Spulen sind in Reihe oder aber parallel zu dem anderen der Organe geschaltet derart, daß die Zirkulationen der Magnetflüsse, welche vorstehend als für eine jede Spule der Gesamtanordnung bestimmt angegeben wurden, in entgegengesetzten Richtungen für zwei nachfolgende Anordnungen der vier Pole erfolgen.

Nach einer etwas abgewandelten Ausführungsform ist die allgemeine Spule der Krone dadurch vereinfacht, daß die geometrisch zusammenfallenden und von entgegengesetzten Strömen durchsetzten Abzweigwicklungen entfallen.

Vorzugsweise wird die Krone von zwei Ringen gleichen Innendurchmessers gebildet, von welchen ein jeder eine identische Innenkrone trägt, wobei ferner eine Anzahl von hintereinanderliegenden Polpaaren vorgesehen ist. Diese Ringe werden über ihre Planken andauernd in Berührung miteinander gehalten und sind in der Lage, relativ zueinander in geringen Grenzen verdreht zu werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung noch etwas näher erläutert. In dieser zeigen in rein s&anatischör Weise: - 4 -

Fig. 1 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles f der Anordnung nach Figur 1,

Fig. 3 bis 5» schematische Darstellungen, welche den

Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutern,

Fig. 6 eine Teildarstellung einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F-Lg. 7 eine Teildarstellung der in die waagerechte

Ebene abgewickelten Spulen der Anordnung nach Fig. 6,

Fig. 8 eine in die waagerechte Ebene abgewickelte Teildarstellung einer vereinfachten Spule der Krone,

Fig. 9 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Oberflächenspannungen. Diese Vorrichtung besitzt einen aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Kern 1, dessen Fläche 1a dem Meßobjekt 2 gegenüberliegt. Der aus dem magnetisierbaren Material bestehende Kern 1 besitzt zwei Aussparungen 3, 4, in welchen die Spulen 5, 6 gelagert sind.

Die Figur 2 zeigt den aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Kern 1 von seiner Seitenfläche 1a her. In diese Fläche 1a sind Aussparungen 3, 4 eingearbeitet, wobei vier identische Pole 7 bis 10 vorgesehen sind. Man sieht auf der Zeichnung gleichermaßen eine erste Spule 5, welche von den beiden, in Reihe geschalteten Wicklungen 5a und 5b gebildet wird. Die

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Wicklung 5a ist dabei um die beiden hintereinanderliegenden Pole 7 und 9 herumgewickelt, während die Wicklung 5b um die beiden hintereinanderliegenden Pole 8 und 9 herum angeordnet ist. Die Drehrichtung dieser Wicklungen entspricht der Richtung der eingetragenen Pfeile und ist so gewählt, daß ein Magnetfluß - wel-_: eher von einem diese Spule durchsetzenden und beispielsweise in Richtung der Wicklung fließenden Strom erzeugt wird - zwischen den beiden Polgruppen 7 und 10 einerse-its und 8 und 9 andererseits sowie in dem magnetischen Kreis zirkuliert, welch letzterer von dem Kern' 1 und dem Werkstück 2 gebildet wird, wie dies in der Zeichnung mit einem gestrichelten Pfeil 13 angedeutet ist (Figur 1).

Die Figur 2 zeigt ebenfalls zwei Spulen 6, welche zwei in Reihe geschaltete Wicklungen 6a und 6b besitzt.

Eine jede Wicklung ist um ein Paar hintereinanderliegenden Pole herumgewickelt, und zwar werden die beiden Pole 7, 8 von der Wicklung 6a umschlungen, während die Pole 9 und 10 von der Wicklung 6b umgeben werden. Ein jeder dieser beiden Pole gehört dabei zu der einen und zu der anderen Gruppe der beiden Pole 10, 7 und 8, 9, welche von den Wicklungen der ersten Spule 5 eingeschlossen werden. Die Drehrichtung der Wicklungen, wie sie durch die eingetragenen Pfeile angedeutet ist, ist so gewählt, daß ein Magnetfluß - welcher von einem in der zweiten Spule erzeugten Strom gebildet wird - zwischen den beiden Polgruppen 7, 8 und 9, 10 und in dem magnetischen Kreis zirkuliert, welch letzterer von dem aus einem magnetisierbaren Stoff bestehenden Kern 1 und dem Werkstück 2 gebildet wird. j

Die Spulen 5 und 6 sind mit den Vorrichtungen 11 bzw 12 verbunden, wobei es sich bei diesen Geräten um eine Wechselstromquelle und um eine Meßvorrichtung handeln kann und umgekehrt.

Wie aus der Figur 2 ersichtlich, stehen die beiden Spulen 5 und 6 senkrecht zueinander, was zur Folge hat, daß der

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magnetische Fluß - welcher von einem durch eine dieser Wicklungen fließenden Strom erzeugt wird - wobei einmal angenommen werden soll, daß das Werkstück 2 isotrop ist, in der anderen Spule keinen Strom erzeugt. Die Pfeile 14 in Figur 3 zeigen die Strömungsrichtung des magnetischen Flusses, welcher von einem Wechselstrom in der Spule 6 in Richtung der Pfeile erzeugt wird, wobei der magnetische Fluß aus dem Teil 1 über die Pole 9 und 10 austritt und über die Pole 7 und 8 wider eintritt, und zwar nach dem Durchgang durch das isotrope, magnetische Werkstück 2. Zwischen den Polgruppen 7, 10 und 8, 9 gibt es daher keine Zirkulation des Magnetflusses und somit auch keinen Induktionsstrom in der Spule 5.

Demgegenüber zeigt die Figur 4 eine Zirkulation des Magnetflusses, der mit dem Pfeil 15 angedeutet ist. Dieser Magnetfluß wird in dem Teil 2 unter der Einwirkung der Spannungen abgelenkt, wobei die Hauptrichtungen dieser Spannungen durch die Pfeile 16 symbolisiert sind. Geht man einmal davon aus, daß die Spule ein Generator ist, dann wird der Magnetfluß abgelenkt, wobei in der Spule 5 ein Induktionsstrom auftritt, der proportional zu den in dem Bauteil 2 herrschenden Spannungen ist.

Die gleichen Überlegungen gelten auch für die Anordnung nach Figur 5, bei welcher die Spsinungen (Pfeile 17) eine Ablenkung des Magnetflusses (Pfeil 18) bewirken, wobei in der Spule 5 ein Strom erzeugt wird, der proportional der Größe der Spannungen ist.

Die Induktions ströme in der Spule 5 der Anordnung nach Figur 5 haben entgegengesetzte Richtungen gegenüber denjenigen der Anordnung nach Figur 4.

Man erkennt aus der Zeichnung gleichzeitig auch die Anordnung der Spannungsmeßvorrichtung relativ zu der Richtung der auftretenden Spannungen. Die Hauptrichtungen dieser Spannun-i· gen liegen unter einem Winkel von 45° gegenüber den beiden Spulen 5 und 6 geneigt. Durch diese Anordnung erhält man einen direkteii

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Meßwert der Größe der Spannung entsprechend der Hauptrichtung, also dem maximalen Spannungswert.

Die Figur 6 zeigt den aus einem magnetisierbaren Mate-i rial bestehenden Kern 1 in Form einer Krone, welche an ihrer Innenfläche 1a eine Vielzahl von Anordnungen besitzt, die aus hintereinanderliegenden, vier Polen bestehen, wie sie mit Bezug auf die Figur 2 im einzelnen beschrieben werden.

Eine jede, aus vier Polen bestehende Einheit-ist mit ihren beiden Spulen 5 und 6 ausgerüstet, die in den Nuten 19 oder 20 gelagert sind, welche die Pole begrenzen. Das zu messende Werkstück u. dgl. ist beispielsweise eine Welle 21, die in Figur 6 dargestellt ist. Die Anordnung dieser Spulen zeigt die Figur 7 in einer in die waagerechte Ebene abgewickelten Teildarstellung.

Aus dieser Figur ist auch ersichtlich, daß die beiden hintereinanderliegenden Anordnungen 22 und 23 der vier Pole mit den identischen beiden Spulen 5, 6 ausgerüstet sind. Die in-diese Wicklungen eingetragenen Pfeile zeigen die Richtung derjenigen Ströme an, welche diese Wicklungen bzw. Spulen durchsetzen, sofern sie mit einem Wechselstromerzeuger in Reihe oder parallel verbunden sind. Man sieht, daß die Ströme in den Spulen der Anordnungen 23 bzw, 22 entgegengesetzt gerichtet sind, um bei der Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen magnetischen Gesamtfluß zu erhalten, welcher von einer der mit dem Wechselstromerzeuger verbundenen Spule geschaffen wird und der keineswegs den Wert Null besitzt. Es genügt also, die Verbindungen zwischen einer jeden der Spulen und der Erzeugerorgane oder der Meßorgane genau herzustellen, um einen Magnetfluß in der Größenordnung Null zu erhalten. Die Durchflußrichtung des Stromes in den Spulen 5 und 6 kann sich global über die gesamte Krone ^: hinweg ändern, ohne daß der Effekt dadurch geändert wird.

Wie aus der Figur 7 der Zeichnung ersichtlich, werden; die Anschlüsse der Spule 6, welche in einer Nut, beispielsweise.

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in der mit der Bezugsziffer 24 bezeichneten Nut liegen, von Strömen entgegengesetzter Richtung durchsetzt, wodurch die Effekte aufgehoben werden. Hierdurch wird eine Vereinfachung der Spule 6 erreicht, wie dies die Figur 8 zeigt. Dieser Spule ist eine besonders leichte Ausführungsform der Spule 5 zugeordnet.

Die Figur 9 zeigt einen aus magnetisierbarem Werkstoff bestehenden Kern 1, welcher mit Polen versehen ist, die von Wicklungen umgeben werden, wie dies auch beispielsweise die Figur 8 zeigt. Dieser, aus einem magnetisierbaren Stoff bestehende Teil 1 wird aus zwei Ringen 1b und 1c gebildet, von welchen ein jeder die Hälfte der Pole der Krone trägt. Diese beiden Ringe 1b, 1c stehen über ihre Flanken 25 und 26 miteinander in Berührung und können relativ zueinander in geringem Umfang verdreht werden.

Im Betrieb steht die Spule mit einer Wechselstromquelle in Verbindung. In der Spule wird dabei ein Magnetfluß erzeugt, der zwischen der Welle 21 und der Krone 1 strömt. Unterstellt man einmal, daß die Welle 21 aus einem homogenen Material besteht und keinerlei Spannungen unterworfen ist, so hat der Magnetfluß keinerlei Einfluß auf die andere Spule, wobei eine jede Anordnung der vier Pole so reagiert, wie dies im Zusammenhang mit der Figur 3 im einzelnen beschrieben ist. Wenn Spannungen auftreten, ist das Phänomen für eine jede Gesamtanordnung der vier Pole ähnlich demjenigen Phänomen, wie es im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 beschrieben wird. Es entsteht also ein Induktionsstrom, der proportional der Größe der Spannung ist.

Man erkennt also, daß mit einem Versorgungskreis und einem Meßkreis, die erfindungsgemäße Vorrichtung die Feststellung und Messung der mittleren Oberflächenspannung einer Welle ermöglicht, wobei entsprechende Informationen an mehreren Punkten des Umfanges dieser Welle aufgenommen werden. In dem besonderen: Fall der Torsion dieser Welle erhält man durch Messung diejeni-' gen Spannungen, welche den Hauptrichtungen folgen und welche | unter einem Winkel von 45° relativ zu den Wicklungen der Krone ;

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liegen.

Wenn sich die Welle dreht, ist die Vorrichtung im Grunde genommen nichts anderes als ein Drehmomentenmeßgerät, welches in der Lage ist, das auf diese Welle aufgebracht Drehmoment zu messen.

Die Vielzahl der Pole und damit Wicklungen erlaubt es, sich von etwaigen Unrundheiten dieser Welle und Fehlern in der Homogenität desjenigen Metalles freizumachen, aus welchem diese Welle hergestellt ist.

Die beiden Teile 1b, 1c der Krone 1, welche gegeneinander in geringen Grenzen verdrehbar sind, ermöglichen eine leichte Einstellung des Kupplungsvorganges der Wicklungen und damit der Nulleinstellung, und zwar in Abhängigkeit von etwaigen Fehlern des Meßobjektes.

Die Verwendung eines einzigen magnetischen Kreises als Erregerkreis sowie der Meßkreis der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlauben die Verwirklichung einer baulich kompakten, robusten und raumsparenden Einrichtung.

Die Anordnung der Wicklungen, wie sie namentlich im Zusammenhang mit der Figur 2 beschrieben ist, erlaubt die Verwirklichung eines Drehmomenten-Meßgerätes, welches wegen seiner kleinen Abmessungen gleichermaßen interessant ist. Andererseits setzt die Drehgeschwindigkeit der Welle der Anwendung einer derartigen Vorrichtung als Drehmomenten-Messer, der keinerlei Verschleiß unterworfen ist, insofern keine Grenzen, als zwischen dem sich drehenden Teil und der Meßvorrichtung keinerlei Berührung besteht. ' ■ \

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf dem Gebiet j des allgemeinen Maschinenbaues außerordentlich interessant. !

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Die Erfindung ist auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform keineswegs beschränkt. Vielmehr noch weitere praktische Verwirklichungsformen möglich und denkbar, ohne daß hierdurch der Rahmen der Grundkonzeption gesprengt wird.

- Patentansprüche -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Messen von Spannungen an der Oberfläche von Bauteilen und dergleichen, welche aus einem magnetostriktiven Stoff bestehen, mit zwei Spulen, welche mit einer Wechselstromquelle bzw. einer Meßvorrichtung verbunden und um einen aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Teil herumgelagert sind, von welchem die eine der Flächen dem Meßobjekt gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fläche aus zumindest einer Gesamtanordnung von vier Polen gebildet wird, welche in den Eckpunkten eines Viereckes oder eines Rechteckes angeordnet sind, daß die erste Spule aus zwei in Reihe geschalteten Wicklungen besteht, von welchen eine jede um eine der Gruppen der beiden hintereinanderliegenden Pole angeordnet ist derart, daß ein von einem diese Spule durchsetzenden Strom gebildeter magnetischer Fluß zwischen den beiden Gruppen der beiden auf diese Weise bestimmten Pole in einem Kreis zirkuliert, welcher von dem aus dem magnetisierbaren Stoff bestehenden Kern und dem Meßobjekt gebildet wird, und daß die zweite Spule aus zwei, in Reihe geschalteten Wicklungen besteht, von welchen eine jede um die beiden benachbarten Pole herumgewickelt ist, die zu der einen bzw. der anderen Gruppe der beiden von der ersten Spule bestimmten Spule zählen derart, daß ein Magnetfluß entsteht, der gleich ist demjenigen der ersten Spule.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der aus einem magnetisierbaren Material bestehende Kern aus einer dichten Krone gebildet wird, deren Innenfläche mit einer Vielzahl von hintereinanderliegenden Anordnungen von vier Polen ausgerüstet ist, die mit den beiden Spulen ausgestattet sind, daß die Wicklungen der ersten Spulen in Reihe oder parallel zu der Stromquelle bzw. der Meßvorrichtung geschaltet sind, und daß die Wicklungen der zweiten Spulen in Reihe oder parallel zu dem anderen, der vorgenannten Organe (Stromquelle bzw. Meßvorrichtung) geschaltet sind derart, daß

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die Bewegungsrichtungen der vorstehend erwähnten magnetischen Flüsse für eine jede Spule der Gesamtanordnung für zwei hintereinanderliegende Anordnungen von vier Polen entgegengesetzt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule der Krone durch Fortfall der geometrisch sich deckenden und von entgegengesetzten Strömen durchflossenen Wicklungsanschlüsse vereinfacht wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krone aus zwei Ringen gleichen Innendurchmessers gebildet wird, von welchen ein jeder Ring eine identische Krone einer geraden Anzahl von hintereinanderliegenden Polen trägt, und daß die Ringe über ihre Flanken in Berührung miteinander gehalten werden und in der Lage sind, relativ zueinander in geringen Grenzen verdreht zu werden.

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