DE2365937A1 - MAGNETOELASTIC FORCE MEASURING DEVICE - Google Patents
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Description
"Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung" (Ausscheidung aus P 23 57 105-3) "Magnetoelastic force measuring device" (removal from P 23 57 105-3)
Die Erfindung "betrifft eine magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung mit einem Ringkörper aus magnetostriktivem Material, der zueinander parallele, mit der zu messenden Kraft zu beaufschlagende Stirnflächen aufweist und der in seinem Inneren zumindest teilweise eine Wicklung aufnimmt, die die Achse des Singkörpers umschließt und als Erreger-und Meßwicklung dient.The invention "relates to a magnetoelastic force measuring device with a ring body made of magnetostrictive material, which has parallel end faces to which the force to be measured is to be applied, and which has its Inside at least partially accommodates a winding that encloses the axis of the singing body and acts as an exciter and Measuring winding is used.
Bei einer bekannten Kraftmeßvorrichtung dieser Gattung (Siemens-Zeitschrift 29 (1955) 5/6, S. 219 bis 222) ist der Ringkörper als eine im Querschnitt U-förmigen Ringscheibe ausgebildet, in deren umlaufenden Steg Ringnuten eingefräst sind. In die Ringnuten sind Wicklungen eingelegt, über die wiederum Ringe gelegt sind, die den Rest der Ringnuten füllen. Auf die mit den Ringnuten versehene Stirnfläche der Ringscheibe ist eine Scheibe aufgelegt, deren Durchmesser mit dem der Ringscheibe übereinstimmt.In a known force measuring device of this type (Siemens-Zeitschrift 29 (1955) 5/6, pp. 219 to 222) is the ring body as an annular disc with a U-shaped cross-section formed, in the circumferential web annular grooves are milled. Windings are inserted in the ring grooves, Over which in turn rings are placed that fill the rest of the ring grooves. On the one provided with the ring grooves A disk is placed on the face of the annular disk, the diameter of which corresponds to that of the annular disk.
von Die bekannte Kraftmeßvorrichtung eignet sich zum Messen/auf ihre. Stirnfläche aufgebrachten Drucken, die sich infolge der Magnetoelastizität des Materials des Ringkörpers, d.h. infolgeThe known force measuring device is suitable for measuring / on their. Pressure applied to the end face, which is due to the magnetoelasticity of the material of the ring body, i.e. as a result of
609885/0008609885/0008
> 2 - 48 > 2 - 48
P365937P365937
der Änderung der Magnetisierung des ferromagnetisehen Ringkörpers in Abhängigkeit von den in ihm herrschenden mechanischen Spannungen;als Änderungen des Scheinwiderstandes der Wicklung bemerkbar machen. Die bekannte Kraftmeßvorrichtung ist in ihrer Herstellung . aufwendig, da sie aus mehreren Teilen (Ringscheibe, Ringe, Scheibe) besteht, deren auf- bzw. ineinander passende Flächen genau gefertigt sein müssen.the change in the magnetization of the ferromagnetic ring body as a function of the mechanical stresses prevailing in it ; as changes in the impedance of the winding are noticeable. The known force measuring device is in its manufacture. expensive, as it consists of several parts (washer, rings, washer), the surfaces of which fit onto or into one another must be precisely manufactured.
Aus der SU-PS 23 11 77 ist eine Kraftmeßvorrichtung mit einem massiven Ringkörper bekannt, der zwei Sätze von in verschiedenem Abstand von seinen Stirnflächen angeordneten Kanälen aufweist. Durch diese Kanäle sind, jeweils abwechselnd von einem Kanal des einen Satzes zu einem Kanal des anderen Satzes, zwei verschiedene Wicklungen geführt, von denen eine als Erregerwicklung und die andere durch Messung, der in ihr induzierten Spannung als Meßwicklung dient. Bei einer Druckbelastung der Stirnflächen des Ringkörpers ändern sich sowohl die Winkel, die durch beide Wicklungen gebildete Leiterschleifen zueinander haben, als auch die Magnetisierung des dort anisotropen.Körpermaterials. Beides führt zu einer Änderung der in der Meßwicklung induzierten Spannung. Durch die Verwendung von getrennten Erregerund Meßwicklungen wird diese bekannte Vorrichtung teuer und muß wegen des Einflusses der relativen Lage von Erreger- und Meßwicklung kompliziert geeicht werden.From SU-PS 23 11 77 a force measuring device with a solid ring body is known which has two sets of channels arranged at different distances from its end faces. Through these channels, alternating from a channel of one set to a channel of the other set, two different windings are passed, one of which is used as an excitation winding and the other is used as a measuring winding by measuring the voltage induced in it. When the end faces of the ring body are subjected to pressure, both the angles between the conductor loops formed by the two windings and the magnetization of the anisotropic body material there change. Both lead to a change in the voltage induced in the measuring winding. The use of separate exciter and measuring windings makes this known device expensive and has to be calibrated in a complicated manner because of the influence of the relative position of the exciter and measuring windings.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrem Aufbau einfache und sicher arbeitende magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung zu schaffen.The invention is based on the object of a magnetoelastic magnetoelastic one which is simple and reliable in its structure To create force measuring device.
Diese Aufgabe wird mit einer Kraftmeßvorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ringkörper als massiver Ring ausgebildet ist, der seine sich gegenüberliegenden Oberflächen miteinander verbindendeThis task is carried out with a force measuring device of the introduction described genus according to the invention solved in that the ring body is designed as a solid ring which connects its opposing surfaces to one another
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- 3 - 48 369- 3 - 48 369
Kanäle aufweist, durch die die Wicklung geführt ist.Has channels through which the winding is guided.
'Die erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung ist somit in ihrem Aufbau überaus einfach, da lediglich ein massiver Ring aus magnetostriktivem Material mit Kanälen versehen zu werden braucht,.die in einfacher Weise gebohrt werden können. Die Messung der Kraft, mit denen die Stirnflächen des Ringkörpers beaufschlagt werden, geschieht - wie bei der eingangs gewürdigten Kraftmeßvorrichtung - durch Messung des Scheinwiderstandes der Wicklung, kann aber auch durch Messung des Wirk- oder Blindwiderstandes geschehen, wobei die Frequenz des verwendeten Wechselstroms zusätzlich variiert werden kann.'The force measuring device according to the invention is thus in their structure is extremely simple, as only a solid ring made of magnetostrictive material is provided with channels needs to be .which can be drilled in a simple manner. The measurement of the force with which the end faces of the ring body are acted upon, happens - as with the force measuring device mentioned at the beginning - by measurement the impedance of the winding, but can also be done by measuring the real or reactive resistance, whereby the frequency of the alternating current used can also be varied.
Ein weiterer Vorteil, der mit der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung erzielt wird, ist folgender: Die Kanäle benötigen nur einen sehr kleinen Volumenbruchteil des Ringkörpers, so daß die sich infolge einer äußeren Belastung der Stirnflächen im Ringkörper aufbauenden Spannungen kaum merklich beeinflußt werden. Insbesondere kommt es in dem Ringkörper der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung bei Druckbeanspruchung zu keiner Zugspannung innerhalb des Ringkörpermaterials, wie sie bei komplizierteren Ringkörperformen nicht ausgeschlossen werden können. Ganz allgemein besteht bei magnetostriktivem Material eine lineare Beziehung zwischen im Material herrschender Druckspannung und Permeabilität. Dies führt dazu, daß die erfindungsgemäße Kraftmeßvorrichtung bei Beanspruchung des Ringkörpers auf Druck eine gute Linearität zwischen dem aufgebrachten Druck und dem angezeigten Meßergebnis liefert, so daß ein Ableseinstrument direkt in Drucken bzw. Kräften geeicht werden kann.Another advantage achieved with the force measuring device according to the invention is as follows: The channels require only a very small fraction of the volume of the ring body, so that the stresses that build up in the ring body as a result of an external load on the end faces are hardly noticeably influenced. In particular, it comes in the ring body of the force measuring device according to the invention under compressive stress to any r tension within the annular body material, as they can not be excluded in more complex ring body shapes. In general, with magnetostrictive material there is a linear relationship between the compressive stress prevailing in the material and permeability. This leads to the fact that the force measuring device according to the invention provides good linearity between the applied pressure and the displayed measurement result when the ring body is subjected to pressure, so that a reading instrument can be calibrated directly in terms of pressures or forces.
besteht
ijn allgemeinen /hur für geringe Zugbeanspruchungen ein linearerconsists
In general, a linear one for low tensile loads
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- 4 - 48 369- 4 - 48 369
Zusammenhang zwischen Permeabilität des magnetostriktiven Materials und der Zugspannung, Bei höheren Zugspannungen besteht kein linearer Zusammenhang mehr und es tritt eine starke Hysterese auf.Relationship between permeability of the magnetostrictive Material and tensile stress, at higher tensile stresses there is no longer a linear relationship and a strong hysteresis.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous developments of the force measuring device according to the invention are characterized in the subclaims.
Ausführungsbeispiele mit weiteren Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Embodiments with further details of the invention are explained below with reference to schematic drawings.
Es stellen dar:They represent:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmeßvorrichtung, teilweise aufgeschnitten,Fig. 1 is a perspective view of a first embodiment of the force measuring device according to the invention, partially cut open,
Fig. 2 einen waagerechten Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1,FIG. 2 shows a horizontal section through the device according to FIG. 1,
Fig. 3 einen waagerechten Schnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung,3 shows a horizontal section through a modified embodiment the device,
Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform der Vorrichtung,FIG. 4 is a view similar to FIG. 1 of a modified embodiment the device,
Fig. 5 eine abgewickelte Schnittansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 4,Fig. 5 is a developed sectional view of part of the device according to Fig. 4,
Fig. 6 eine abgewickelte Schnittansicht einer abgeänderten Ausführungsform ,6 is a developed sectional view of a modified embodiment ,
Fig. 7 bis 9 der Fig. 1 ähnliche Ansichten nochmals abgeänderter Ausführungsformen7 to 9 of FIG. 1 are similar views of further modified embodiments
B09885/0008B09885 / 0008
Fig. 10 einen senkrechten Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 9 undFig. 10 is a vertical section along the line X-X in Fig. 9 and
ig. 11 eine abgew.ickelteSchnittansicht eines Seils der Vorrichtung gemäß Fig. 9·ig. 11 is a developed sectional view of a rope of FIG Device according to Fig. 9
weist Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung /einen massiven Eing 1 aus magnetostriktivem Material auf,- in dem radial verlaufende Kanäle 45 in gleichmäßigen Winkelabständen und von den beiden Stirnflächen 46 gleich weit entfernt ausgebildet sind. Eine Wicklung 4 ist durch die Kanäle 45 des Rings 1 derart geführt, daß jeder Kanal 45 von zwei Drähten der Wicklung durchquert wird, die sich kreuzen und deren Enden 5 und. 6 durch zwei benachbarte Kanäle austreten. An der Innen- und Außenfläche des Rings 1 sind Nuten 47 und 48 mit einer solchen Tiefe ausgebildet, daß die Wicklung 4 darin sicher aufgenommen ist und gegen äußere Beschädigungen geschützt ist.The device shown in Fig. 1 and 2 / has a massive Input 1 made of magnetostrictive material on - in the radial extending channels 45 at regular angular intervals and are formed equidistant from the two end faces 46. A winding 4 is through the channels 45 of the Ring 1 guided in such a way that each channel 45 is traversed by two wires of the winding which cross each other and their Ends 5 and. 6 exit through two adjacent channels. On the inner and outer surfaces of the ring 1, grooves 47 and 48 are formed with such a depth that the winding 4 is safely received and protected against external damage.
Die Stirnflächen 46 des Rings 1 sind einander parallel und werden mit der zu messenden Druckkraft beaufschlagt. Die daraus resultierende Änderung der Permeabilität des magnetostriktiven Materials des Rings 1, der beispielsweise aus normalem Stahl, Magnetstahl oder Ferrit bestehen kann, führt zu einer Änderung des Wechselstromwiderstands in der Wicklung 4, die ein Maß für die auf die Stirnflächen wirkende Druckkraft ist. Zur Messung von Druckkräften von etwa 100 Tonnen genügt ein Ring mit 10 cm Durchmesser und einem quadratischen Querschnitt von 2 cm Seitenlänge, so daß die Vorrichtung nur wenig Platz beansprucht.The end faces 46 of the ring 1 are parallel to each other and are applied with the compressive force to be measured. the resulting change in the permeability of the magnetostrictive material of the ring 1, for example can consist of normal steel, magnetic steel or ferrite results in a change in the alternating current resistance in of the winding 4, which is a measure of the compressive force acting on the end faces. For measuring compressive forces A ring with a diameter of 10 cm and a square cross-section with a side length of 2 cm is sufficient for around 100 tons, so that the device takes up little space.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. J verlaufen die Kanäle 45 schräg zu der Innen- bzw. Außenfläche des Rings 1 und schneiden sich in den genannten Flächen. In dem Ring 1 sindIn the embodiment according to FIG. J, the channels run 45 obliquely to the inner or outer surface of the ring 1 and intersect in said surfaces. In the ring 1 are
60988 5/0008 ORIG1nALINSPECTED60988 5/0008 ORIG 1n ALINSPECTED
auf diese Weise Innenkanten 49 und 50 gebildet, an denen die Wicklung 4 anliegt, die so geführt ist, daß sie die Achse des Rings 1 einmal umschließt«, Die Wicklung 4 befindet sich gänzlich im Ring 1 und ist so geschützt, daß die Nuten 47 und 48 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 überflüssig sind.formed in this way inner edges 49 and 50 on which the winding 4 is applied, which is guided in such a way that it encloses the axis of the ring 1 once «, the winding 4 is located entirely in the ring 1 and is protected so that the grooves 47 and 48 of the embodiment according to FIG and 2 are superfluous.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 sind die Kanäle 45 axial gerichtet und verlaufen in gleichem gegenseitigen Abstand zwischen den Mitten der Stirnflächen 46 des Rings In den Stirnflächen 46 sind Nuten 51 ausgebildet, die die Wicklung 4 schützen, deren Enden 5 und 6 durch nicht dargestellte seitliche Kerben austreten. Die Wicklung 4 kann, wie in Figo 24 dargestellt, durch jeden Kanal 45 zweimal hindurchgeführt sein» In der geschilderten Ausführungsform verlaufen die Kanäle 45 etwa parallel zu den Kräften, die auf die Stirnflächen 46 aufgebracht werden»In the embodiment of FIGS. 4 and 5, the channels are 45 axially directed and run at the same mutual distance between the centers of the end faces 46 of the ring In the end faces 46 grooves 51 are formed which protect the winding 4, the ends 5 and 6 by not emerge shown lateral notches. As shown in FIG. 24, the winding 4 can pass through each channel 45 be passed through twice »In the embodiment described, the channels 45 run approximately parallel to the forces that are applied to the end faces 46 »
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 verlaufen die Kanäle schräg zu den Stirnflächen 46 und schneiden sich in diesen«, Auch hier sind Innenkanten 52 gebildet, an denen sich die Wicklung 4 abstützt, so daß sie, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig* 3, mechanisch und magnetisch geschützt ist, ohne daß besondere Nuten erforderlich wären.In the embodiment according to FIG. 6, the channels run obliquely to the end faces 46 and intersect in these. Here, too, inner edges 52 are formed on which the winding 4 is supported so that, as in the embodiment according to FIG. 3, it is mechanically and magnetically is protected without the need for special grooves.
Es können auch mehrere, zueinander koaxiale Sätze von Kanälen 45 vorgesehen sein.A plurality of sets of channels 45 coaxial with one another can also be provided.
Die Kraftmeßvorrichtung gemäß den Fig. 4 bis 6 mit Kanälen 45, die parallel oder im wesentlichen parallel zur Kraftrichtung sind, ist deshalb von besonderem Interesse, weil sich der magnetische Kraftfluß etwa kreisförmig um die Kanäle 45 entwickelt. Die Vorrichtung spricht daher auf senk-The force measuring device according to FIGS. 4 to 6 with channels 45 which are parallel or essentially parallel to the direction of force is of particular interest because the magnetic flux is approximately circular around the Channels 45 developed. The device therefore speaks to lower
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- 7 - 4S 369- 7 - 4 S 369
recht zur Hauptkraft auftretende Spannungen an. Wenn die Änderung dieser Spannungen zweimal schwächer als im Fall der Parallelität mit der Hauptkraft ist, was Induktionsänderungen von bis zu 25 % erzeugt, sind die Spannungen daher homogener und man erhält eine gute Linearität der Eichung, die bis zum völligen Stauchen des Rings erhalten bleibt.tensions occurring right at the main force. If the change in these tensions is twice weaker than in the case the parallelism with the principal force is what creates induction changes of up to 25% are the tensions therefore more homogeneous and a good linearity of the calibration is obtained, which is maintained up to the complete compression of the ring remain.
Bei den Ausführungen gemäß Fig. 7 und 8 weist der Ring 1 an jeder seiner Stirnflächen 46 einen Eingwulst 53 auf, dessen.eine Seitenfläche mit einem Gewinde 54- versehen ist, an dem ein Teil festgeschraubt werden kann, mit dem Zug-' kräfte übertragbar sind. Dies ermöglicht, die'Kraftmeßvorrichtung zum Messen von Druck und Zug zu verwenden. Hierbei sei nochmals darauf hingewiesen, daß die zulässigen Zugspannungen aufgrund der eingangs geschilderten Hysteresephänomene schwächer als die Druckspannungen sind.In the embodiments according to FIGS. 7 and 8, the ring 1 has on each of its end faces 46 a bulge 53, one side face of which is provided with a thread 54- to which a part can be screwed tight, with which tensile forces can be transmitted. This enables die'Kraftmeßvorrichtung to be used for measuring pressure and tension. It should be pointed out again that the permissible Tensile stresses due to the hysteresis phenomena described above are weaker than the compressive stresses.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 7 ist die Wicklung 4- in den Kanälen 45 ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 sind zwei koaxiale Reihen parallel zur Kraftrichtung, verlaufende?Kanäle 45 gebildet, in denen die Wicklung 4 ähnlich wie bei der Ausführungsf orm gemäß Fig. 5 angeordnet ist. Beide Stirnflächen 46 weisen Ringwulste 53 auf. In den Stirnflächen 46 sind zusätzlich Nuten 51 zur Aufnahme der Wicklung 4 ausgebildet.In the embodiment of the device according to FIG. 7, the Winding 4- arranged in the channels 45 similar to the embodiment according to FIG. In the embodiment 8, two coaxial rows are formed parallel to the direction of force, running channels 45 in which the winding 4 similar to the embodiment according to FIG Fig. 5 is arranged. Both end faces 46 have annular beads 53. In the end faces 46 are additional Grooves 51 are designed to receive the winding 4.
Die erwähnten Teile zum Übertragen von Zugspannungen können in einer nicht dargestellten abgeänderten Ausführungsform auch mit dem Ring 1 an den Ringwulsten 53 in bekannter Weise verschweißt sein. · . .The mentioned parts for transmitting tensile stresses can in a not shown modified embodiment also known with the ring 1 on the annular beads 53 Way to be welded. ·. .
Die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 9 bis 11 weist ebenfalls Ringwulste 53 zur Aufnahme von Kraft übertragenden Teilen auf. Die Kanäle 45 bilden hier zweiThe embodiment of the device according to FIGS. 9 to 11 also has annular beads 53 for receiving force-transmitting parts. The channels 45 form two here
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koaxiale Sätze gleicher Känalzahl, wobei ein Satz innerhalb der Ringwulste 53 und der andere Satz außerhalb der Ringvrulste 53 angeordnet sind. Die Kanäle verlaufen jeweils in einem Winkel von 45° zu den Stirnflächen 46, einmal in der einen, dann in der anderen Richtung, so daß sie sich in Öffnungen . 55 der Stirnflächen 46 schneiden, wobei jeweils eine Öffnung 55 zwei Kanälen gleichzeitig angehört .coaxial sets of the same number of channels, with one set within the annular beads 53 and the other set outside the annular bulges 53 are arranged. The channels each run at an angle of 45 ° to the end faces 46, once in one direction, then the other, so that they fit into openings. 55 of the end faces 46 cut, one opening 55 belonging to two channels at the same time.
In der Basis der Ringwulste 53 sind Radialkanäle 56 ausgebildet, die jeweils zwei Öffnungen 55 miteinander verbinden. Radial channels 56 are formed in the base of the annular beads 53, each of which connects two openings 55 to one another.
Die Wicklung 4 weist zwei Leiterfamilien auf, die abwechselnd durch einen Kanal 45 eines Satzes und einen Kanal des anderen Satzes und zwischendurch durch den zugehörenden Radialkanal 56 (Mg. 10) hindurchtreten.The winding 4 has two families of conductors alternating through a channel 45 of a set and a channel of the other set and in between through the associated radial channel 56 (Mg. 10).
Des weiteren sind die Leiter der beiden Familien so angeordnet, daß ihre in zwei benachbarten Kanälen 45 liegenden Bereiche einen Winkel von 90° miteinander bilden, wie aus Fig. 11 ersichtlich, wo der Leiter 4a der einen Familie strichpunktiert und .der Leiter 4b der anderen Familie gestrichelt ist.Furthermore, the conductors of the two families are arranged in such a way that theirs lie in two adjacent channels 45 Areas form an angle of 90 ° with each other, like from Fig. 11 can be seen where the head 4a of one family and .the head 4b of the other family is dashed.
Entsprechend der Summe oder der Differenz der Impedanzen bzw. Wechselstromwiderstände der beiden Familien kann die axiale Kraft oder das Torsionsmoment bestimmt werden,der der dem der Ring 1 ausgesetzt ist.According to the sum or the difference of the impedances or alternating current resistances of the two families, the axial force or the torsional moment can be determined to which the ring 1 is exposed.
PATENTANSPRÜCHE: XXIV PATENT CLAIMS: XXIV
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