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Anordnung zum Messen von mechanischen - Kräften Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen von mechanisehen Kräften durch Bestimmung
der magnetischen Durchlässigkeit eines geschlossenen magnetischen Kreises mit einem
den zu messenden Kräften unterworfenen, mit einer Wicklung versehenen Teil, wobei
der magnetische Kreis durch ein aus einem oder aus mehreren parallel zueinander
liegenden Teilen bestehendes unbewickeltes, den zu messenden Kräften nicht unterworfenes
Joch geschlossen ist.
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Eine solche Anordnung, die im besonderen zum Messen von Druckkräften
geeignet ist, ist beispielsweise nach Art leines Manteltransformators gestaltet,
wobei- der bewickelte Kern I (vgl. Fig. I) den zu messenden Druckkräften dadurch
ausgesetzt wird, daß er mit seiner unteren Stirnfläche auf einer festen Unterlage
4 ruht, während die zu messenden Druckkräfte, beispielsweise mittels eines Druckstempeis
5, auf die obere Stirnfläche einwirken. Das den Rückschluß der Kraftlinien bildende
unbewickelte Joch 3 wur.de bisher mit dem Kern nicht starr verbunden, um es nicht
ebenfalls den zu messenden Kräften auszusetzen.
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Bei der Benutzung derartiger Anordnungen hat sich nun der Übelstand
herausgestellt, daß, besonders bei stoßweiser Beanspruchung oder allgemein bei Beanspruchung
durch Kräfte schnell veränderlicher Größe, eine gegenseitige Verschiebung zwischen
Kern und Joch eintritt. Dadurch ändert sich der magnetische Übergangswiderstand
an den Berührungsstellen zwischen Kern und Joch, was sich als Nullpunktverschiebung
in der Meßeinrichtung bemerkbar macht.
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Um dieslen Fehler zu vermeiden, wird bei einer Einrichtung zum Messen
mechanischer Kräfte durch Bestimmen der magnetischen Durchlässigkeit eines geschlossenen
magnetisicken Kreises, dessen einer Teil mit einer Erregerwicklung versehen und
den zu messenden Kräften unterworfen ist, erfindungsgemäß der den zu messenden Kräften
unterworfene, mit der Wicklung versehene Teil des magenetischen Kreises lediglich
an einer Stelle mit dem den zu messenden Kräften nicht unterworfenen Joch starr,
im übrigen aber
mit möglichst geringem Spiel verschiebbar verbunden.
Dadurch wird eine Änderung des magnetischen Übergangswiderstandes zwischen Kern
und Joch vermieden, ohne daß das Joch ebenfalls den zu messenden Kräften unterworfen
wird.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Befestigungsstelle so gelegt
wird, daß sie bei der Belastung durch die zu messenden Kräfte in Ruhe bleibt. Der
auf diese Weise erdreich bare Vorteil läßt sich am besten an Hand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele erläutern, Die Fig. I bis 4 zeigen ion je zwei
Ansichten, teilweise im Schnitt. zwei verschiedene Ausführungsformen von Anordnungen
zum Messen von Druckkräften, während die Fig. 5 und 6 eine Anordnung zum Messen
von Zugkräften darstellen. Fig. 7 ist mach einem Oszillogramm gezeichnet und dient
zur Erläuterung der Wirkungsweise. In den Fig. I bis 6 sind der Kern mit I, ia,
1b die Meßwicklung mit 2 und das Joch mit 3, 3a, 3b bezeichnet.
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In Fig. 1 und 2 ist der den zu messenden Kräften unterworfene Kern
1 derart in das aus einzelnen Blechen aufgeschichtete mantelförmige Joch 3 eingJepaßt,
daß der magnetische Übergangswiderstand zwar möglichst gering ist, aber dennoch
eine leichte gegenseitige Verschiebbarkeit an den Übergangsstellen vorhanden ist.
Nur an einer Stelle ist der Kern 1 mit dem Joch 3 durch einen fest in beide Teile
eingepaßten Bolzen 6 in einer solchen Lage starr verbunden. daß der K+ern an beiden
Enden ein wenig über das Joch hinausragt. Infolgedessen wird lediglich der Kern
I den zu messenden Kräften unterworfen. wenn er mit seiner unteren Fläche auf eine
feste Unterlage 4 gelegt und. beispielsweise durch einen Stempel 5, in der Pfeilrichtung
belastet wird. In der Zeichnung ist der Fall dargestellt, daß der Bolzen 6 in der
Nähe der unteren Auflagefläche angebracht ist, die auch bei stark wechselnder Belastung
stets in Ruhe bleibt. Dies ist aus folgenden Gründen besonders vorteilhaft: Würde
die Verbindungsstelle etwa in der Nähe der oberen durch den Stempel 5 unmittelbar
belasteten Stirnfläche dles - Kernes liegen oder die dargestellte Anordnung in umgekehrter
Lage belastet werden, so würde die ganze Masse des Jochkörpers 3 bei schnell verlaufenden
Druckänderungen den entsprechend schnell verlaufenden Bewegungen des Druckstempels
5 folgen müssen. Da nun der magnetische Leitwert. des Joches vorzugsweise groß sein
soll im Vergleich zu dem magnetischen Leitwert des bewickelten, den zu messenden
Kräften ausgesetzten Teiles, ist es im allgemeinen nötig, den Eisenquerschnitt des
Joches und damit auch die Masse des Jochkörpers entsprechend groß zu wählen. Infolgedessen
hat es sich gezeigt, daß bei einer derartigen Anordnung durch die verhältnismäßig
große Massenträgheit des Jochkörpers die Messung schnell veränderileher Druckkräfte
in unzulässigem Maße gefälscht wird, wie es durch Fig. 7 veranschaulicht ist.
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In dem Diagramm deü Fig. 7 ist durch den stark ausgezogenen Linienzug
ein Belastung fall dargestel]t, bei dem eine auf den Kern wirkende Kraft P0 zur
Zeit t0 plötzlich aufgehoben wird, so daß die Belastung den Wert Null annimmt. Wird
die in Fig. und 2 dargestellte Anordnung in der gezeichneten Lage einer solchen
Belastung ausge setzt, so zeigt die durch starke Strichelung angedeutete Linie den
Verlauf des mit einer Oszillographenschleife aufgenommenen Diagramms. Zu diesem
Zweck wurde die Meßwicklung in den einen Brückenzweig einer mit einer genügend hohen
Trägerfrequenz gespeisten Brückenschaltung gelegt und die Oszillographenschleife
über einen Verstärker und einen Gleichrichter an den Diagonalzweig angeschlossen.
Man erkennt. daß das Diagramm den Verlauf des Druckvorganges richtig wiedergibt
bis auf eine vernachlässigbar kleine Verzögerung t1 bis t0, die durch die elektrischen
Größen der Meßschaltung und die geringe mechanische Trägheit der Oszillographenschleife
bedingt ist. Wurde jedoch die Meßanordnung umgekehrt eingelegt, so daß die Verbindungsstelle
in der Nähe der oberen Stirnfläche des Kernes liegt. so wurde der durch feine Strichelung
angedeutete Verlauf des Oszillogramms erhalten, bei dem der Vorgang erst nach einer
Zeit t abklingt. also mit einer verhältnismäßig großen Verzögerung t2 bis to wiedergegeben
wird.
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Durch einen Vorschlag voll N e t t m a n n ist bereits eine Einrichtung
zur Bestimmung von Torsionskräften mittels des bekannten SIagnetisierungsapparates
nach K o e p 5 e 1 bekanntgeworden. Bei dieser Anordnung sollte ein den zu messenden
Torsionskräften unterworfener, mit Wicklungen versehener Stab an zwei Punkten nahe
an seinen Enden mit einem Schlußjoeh fest verbunden werden. Wenn ein solcher Stab
durch eilen in seinem mittleren Teile befestigten Hebel verdreht wird, so verkürzt
er sich, und die dadurch bedingten Verschiebungen seiner Enden pflanzen sich auf
das Joch fort. so daß auch dieses bei schnellen Änderungen der Torsionskraft mitschwingt.
Bei einer solchen Einrichtung befinden sich also die Befestigungsstellen bei wechselnder
Belastung durch die zu messenden Kräfte nicht in Ruhe, so daß die durch die vorliegende
Erfindung ermöglichte
weitgehend verzerrungsfreie Wiedergabe schnell
veränderlicher Vorgänge nicht erreicht werden kann.
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In Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für leine Anordnung
zum Messen von Druckkräften dargestellt. Auch hier ist der Kern 1a derart in ein
aus einzelnen Blechen zusammengesetztes mantelförmiges Joch 3a eingepaßt, daß bei
möglichst geringem magnetischem Übergangswiderstand keine Übertragung der zu messenden
Kräfte auf den Jochkörper stattfindet. Im übrigen ist der im wesentlichen zylindrisch
gestaltete Kern 1a am unteren Ende mit einem niedrigen Ansatz 7 und einem daran
anschließenden Gewinde 8 versehen zum Einschrauben in einen aus unmagnetisierbar,em
Werkstoff, z. B. Messing, hergestellten U-förmigen Tragkörper 9.
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Zwischen die Schenkel des U-förmigen Tragkörpers ist der Jochkörper
3a eingepaßt, des sen einzelne Bleche zweckmäßig durch Schraubenbolzen IO zusammengehalten
und mit dem Tragkörpler g verbunden sind.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen leine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,
die besonders für die Messung von Zugkräften geeignet ist. Der den zu messenden
Kräften unterworfene Teil des magnetischen Kreises besteht aus einer Flachschiene
1b, die - in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise in einen aus einzelnen Blechen
aufgeschichteten mantelförmigen Jochkörper 3b in der bereits bei der Beschreibung
der Fig. I bis 4 angegebenen Weise eingepaßt ist. Die Verbindung zwischen Kern und
Joch erfolgt durch zwei Stifte 6, die in ,der Nähe des oberen Endes des Kerns angebracht
sind. Durch den Bolzen 11 ist das Ganze an dem festen Teil 12 einer Einspannvorrichtung
aufgehängt. Wenn die Flachschiene Ib nun durch eine am unteren Ende in der Pfeilrichtung
angreifende Zugkraft belastet wird, so wirkt diese Zugkraft lediglich auf die Flachschiene
Ib, und die schwere Masse des Jolchkörpers bleibt auch bei schnellen Änderungen
der Zugkraft in Ruhe, da sie in der Nähe der Einspannstelle mit dem Kern verbunden
ist.
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Die Erfindung ist nicht auf Anordnungen zum Messen von Zug- oder
Druckkräften beschränkt, sondern läßt sich sinngemäß auch bei Anordnungen zum Messen
von Torsionskräften oder Drehmomenten anwenden.