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Vorrichtung zur Messung von mechanischen Kräften und deren Zeitableitungen
Nach bekannten Methoden zur Messung von mechanischen Kräften verschiebt sich bei
der Messung der Angrisprnkt der zu messenden Kraft um eine gewisse Wegstrecke, und
diese Verschiebung dient als Maß für die zu messende Kraft. Es hat deshalb bisher
große Schwierigkeiten bereitet, mechanische Kräfte in mechanisch .steifen Konstruktionen
zu messen, in denen die wirksamen Kräfte keine nennenswerte Formveränderung herbeiführen.
Ein Beispiel dafür ist die Messung des Druckes zwischen den Walzen in einem Walzenstuhl,
aber es würde auch bei der Wägung großer Gewichte, beispielsweise von Erzwaagen,
Vorteile bieten, wenn die Wägung mit einer Vorrichtung ohne bewegliche Teile erfolgen
konnte.
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Im zuerst genannten Fall ist man infolge der besonders geringfügigen
Verschiebung des Meßpunktes bisher gezwungen, außerordentlich empfindliche Meßorgane
für die Messung der fast mikroskopisch kleinen Lageveränderung des Angriffspnnktes
der Kraft anzuwenden. Ein solches Meßorgan ist der sogenannte Drahtdehnungsgeber,
der auf der Widerstandsänderung eines dünnen Drahtes beruht, wenn dieser einem mechanischen
Zug oder Druck unterworfen ist. Die Messung erfolgt also elektrisch, was auch bei
einer geringen Zahl anderer bekannter
Meßmethoden der Fall ist.
Alle diese Methoden haben jedoch den Mangel gemeinsam, daß sie Meß-Impulse sehr
kleiner Leistungen ergeben, weshalb oft eine Verstärkung angewendet werden muß,
bevor die Meßergebnisse abgelesen oder von einem Instrument registriert werden können.
Oft will man auch eine Regeleinrichtung mit den erhaltenen Meßwerten steuern, wobei
es ebenfalls notwendig ist, daß eine hinreichlend große Leistung in die Regeleinrichtung
eingeleitet wird.
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Die Erfindung bezweckt die Ausbildung einer Vorrichtung, die den
Mangel der bekannten Meßmethoden behebt und Meßimpulse mit hinreichend großer Leistung
liefert, die es ohne Verstärkung ermöglichen, die Kräfte zu messen oder durch ein
elektrisches Instrument zu registrieren oder sie eine Regeleinrichtung steuern zu
lassen. Die Erfindung verwendet zur Messung die Eigenschaft magnetischen Materials,
die man mit Magnetostriktion zu bezeichnen pflegt, was bedeutet, daß die Permeabilität
des Materials in der Richtung der Kraft verändert wird, wenn es einer mechanischen
Belastung unterworfen wird. Hierbei kann man zwei verschiedene Arten der Magnetostriktion
unterscheiden, nämlich eine positive und eine negative. Die positive Magnetostriktion,
die unter anderem bei der unter der Bezeichnung Perrnalloy bekannten Legierung vorkommt,
bedeutet, daß die Permeabilität bei Zug zunimmt, während die negative Magnetostriktion,
die unter anderem bei Nickel vorliegt, eine Verringerung der Permeabilität bei Zug
bedeutet. Gewöhnliches Eisen hat eine von dem Magnetisierungsgrad abhängige positive
oder negative Magnetostriktion.
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Die Erfindung ist im wesentlichlen durch einen Meßkörper aus magnetischem
Werkstoff gekennzeichnet, der ganz oder teilweise von zwei Spulen umfaßt wird, deren
Wicklungsleblenen so gelagert sind, daß die gegenseitige Induktanz der Spulen in
mechanisch unbelastetem Zustand des Materials Null ist. Die eine Spule, die an eine
elektrische Stromquelle arrgeschlossen ist, erzeugt eine Magnetisiebung im Material,
die bei der von der mechandschen Kraft verursachten Veränderung der Permeabilität
nach verschiedenen Richtungen im Material in der anderen Spule eine Spannung induziert.
Diese Spannung bildet dabei lein Maß für die meehanische Spannung im Meßkörper und
folglich ein Maß der auf ihn wirkenden mechanischen Kraft.
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Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die Fig. 1 der Zeichnung verwiesen,
die einen Meßkörper I aus magnetischem Material zeigt, in welchem vier Nuten 2 bis
5 vorhanden sind. In den Nuten 3 und 4 liegt eine Erregerspule 6, die an eine elektrische
Stromquelle angeschlossen ist, und in den Nuten 2 und 5 eine an ein spannungsempfindliches
Organ angeschlossene Meßspule 7. Die Spulen sind in der Figur der Einfachheit halber
nur mit je einer Windung dargestellt, sie können aus mehreren Windungen bestehen.
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Wenn die Erregerspule 6 von einem Strom in der in der Figur gezeigten
Richtung durchflossen wird, entsteht im Meßkörper I ein magnetischer Fluß 8.
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Da die Meßspule 7 in der senkrechten Mittelebene der Erregerspule
6 liegt, also parallel mit den Flußlinien, so wird keine Spannung in der Meßspule
induziert. Läßt man nun eine mechanische KraftP auf den Meßkörper 1 in der durch
die Pfeile in Fig. 2 angegebenen Weise wirken, und besteht der Meßkörper I aus Material
mit positiver Magnetostritttion, so wird die Permeabilität des Materials in der
Richtung der Kraft abnehmen und senkrecht hierzu zunehmen. Das bewirkt eine Änderung
des magnetischen Flusses, die in der Mitte des Meßkörpers am größten ist, da hier
auch die Flußdichte am größten ist. Infolgedessen erhält der magnetische Fluß 8
das in Fig. 2 gezeigte Aussehen, wobei die Meßspule 7 einen Teil des Flusses umfaßt
und in ihr eine Spannung erzeugt wird, deren Größe von dem Fluß abhängig ist, den
die Spule umfaßt, d. h., die Größe der Spannung wird ein Maß für den Winkel, um
den sich das Magnetfeld gedreht hat.
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Da die induzierte Spannung in der Meßspule 7 proportional der Zeitableitung
des magnetischen Flusses ist, so ist es notwendig, daß der Erregerstrom in der Spule
6 zur Messung der Größe der mechanischien Kraft P ein Wechselstrom ist. Wäre der
Erregerstrom ein Gleichstrom, so wäre die in der Meßspule 7 induzierte Spannung
ein Maß der Zeitableitung der mechanischen Kraft.
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Die praktische Ausbildung des Meßkörpers braucht nicht der schematisch
in Fig. I und 2 dargestellten zu entsprechen, sondern der Meßkörper kann in verschiedener
Weise ausgeführt werden, beispielsweise als Achteck, wie Fig. 3 zeigt. Die Spulen
brauchen auch nicht in Nuten des Meßkörpers verlegt zu sein, sondern können ihn
ganz umschließen, wie Fig. 3 zeigt. Das hat den Vorteil, daß der Meßkörper mechanisch
kräftig und sehr leicht herzustellen ist. Der magnetische Fluß muß sich aber in
diesem Fall über ziemlich große Luftspalte schließen, weshalb eine große Stromstärke
für die Erregerspule erforderlich wird und die Empfindlichkeit gering wird. Weiter
ist es nicht notwendig, daß die Wicklungsebenen der Spulen rechtwinklig zueinander
liegen; das Wesentliche ist, daß die gegenseitige Induktanz der Spulen in mechanisch
unbelastetem Zustand Null ist.
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Wenn die Erregung mit Wechselstrom erfolgt, so ist es zweckmäßig,
den Meßkörper aus mehreren aufeinanderliegen den dünnen Blechen oder Lamellen aus
magnetischem Werkstoff zusammenzusetzen. Der Meßkörper kann hierbei durch Bolzen
zusammengepreßt werden, die in ausgestanzten Löchern der Lamellen angeordnet sind.
Diese Löcher und Bolzen stören jedoch das magnetische Feldbild im Meßkörper, es
ist daher besser, eine Platte aus kräftigem Material zu beiden Seiten des Meßkörpers
anzuordnen, zwischen denen die Bleche des Meßkörpers mit Hilfe von Bolzen zusammengepreßt
werden, die außerhalb des eigentlichen Meßkörpers angeordnet sind. Fig. 4 zeigt
eine solche Konstruktion, in der I den Meßkörper bezeichnet, der zwei; schen zwei
Platten 9 mit Hilfe einer Anzahl Bolzen 10 zusammengehalten wird. Diese Konstruktion
hat indessen den Nachteil, daß ein gewisser mechanischer Hystereseeffekt infolge
der Reibungskräfte
auftritt, die zwischen den Platten und dem Meßkörper
entstehen. Diese Hysterese wird jedoch wirksam ausgeschaltet, wenn. die Bleche durch
ein geeignetes Klebemittel miteinander verklebt sind.
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Die Verwendbarkeit der Erfindung ist nicht nur auf Druckkräfte beschränkt,
wie in Fig. 2 gezeigt, sondern Zugkräfte haben, wie aus der Einleitung hervorgeht,
eine ähnliche Wirkung auf das magneti!-suche Material. Der Meßkörper muß hierbei
so ausgeführt sein, daß die Zugkraft leicht angebracht werden kann. Man kann sich
auch denken, die mechanische Kraft parallel zu den Spulenebenen wirken zu lassen,
d. h. winkeirecht zu den Blechebenen, so daß Biegungsspannungen im Meßkörper auftreten.
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Bei der Messung von Druckkräften bringt die Anbringung der Kraft,
wenn sie gleichmäßig über den ganzen Querschnitt des Meßkörpers verteilt ist, wie
in Fig. 2 angedeutet, mehrere Nachteile. Die Meßergebnisse werden stark davon abhängig,
ob die Kraft wirklich über die Fläche gleichmäßig verteilt ist, was sehr ebene,
parallele und absolut steife Oberflächen sowohl am Meßkörper als auch an den Oberflächen
erfordert, die gegen ihn drücken, und dabei auch die Gefahr in sich birgt, daß die
Meßergebnisse nicht reproduzierbar siind. Aus Fig. 2 geht weiter hervor, daß die
Druckspannung, die in den Teilen des Meßkörpers entsteht, Edie außerhalb der Spule
liegen, eine Wirkung hat, die entgegengesetzt der gewünschten ist. Ein weiterer
Mangel ist, daß der Werkstoff um die Nuten 2, 3, 4 und 5 herum, in denen die Spulen
liegen, die höchste mechanische Beanspruchung erfährt. Würde also der Meßkörper
versehentlich überbelastet, so beginnt das die Löcher leinschließende Material zu
fließen, mit der Folge, daß permanente Spannungen auftreten, die die magnetischen
Eigenschaften des Meßkörpers verändern und damit die Meßergebrisse. Diese Nachteile
können jedoch beseitigt werden, indem die beiden der mechanischen Kraft unterworfenen
Endflächen des Meßkörpers Umit je einem vorstehenden Absatz versehen werden, auf
den die mechanische Kraft wirken kann. Fig. 5 zeigt im Prinzip einen solchen Meßkörper,
in dem I den Meßkörper selbst mit den beiden vorstehenden Ansätzen 1 1 bezeichnet.
Diese dienen hierbei als Ausgieichsstrecken, so daß an ihrer Grundlinie die Kraft
ziemlich gleich verteilt ist, unabhängig davon, wie die Kraft an ihren freien Enden
angreift.
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Gleichzeitig wird durch diese Gestaltung die Kraft auf die Mitte des
Meßkörpers konzentriert, wodurch man eine größere Empfindlichkeit erhält. Die vorstehenden
Ansätze werden zweckmäßigerweise 60 bemessen, daß bei einer eventuellen Überbelastung
das Fließen in ihnen früher eintritt als an den Loahw rändern, so daß sie also als
mechanische Sicherung dienen. Es ist daher zweckmäßig, den Übergang vom Meßkörper
zu den vorstehenden Ansätzen über Abrundungen zu vermitteln, weil man sonst nicht
definierte mechanische Spannungen im magnetisch wirksamen Teil des Meßkörpers erhält.
Diese Konstruktion eignet sich auch zur Messung von Zugkräften, wenn die vorstehenden
Ansätze so ausgebildet werden, daß eine Zugkraft auf sie wirken kann.
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Es ist natürlich möglich, mechanisch den Meßkörper im Verhältnis
zu der zu messenden Kraft zu bemessen. Da indessen der Meßkörper einen im w,esentlichZen
symmetrischen Querschnitt haben soll, winkeirecht zu den Nuten, ergibt sich eine
unförmig hohe Konstruktion bei großen Kräften. Es ist daher besser, mehrere kleine
Meßkörper nebeneinander anzuordnen, so daß jeder von ihnen einen Teil der mechanischen
Kraft aufnimmt, und ihre Meßspule so in Reihe zu schalten, daß man ein Maß der Summe
der aufgenommenen Kräfte erhält. Um eine mechanisch stabile Konstruktion zu erhalten,
kann man hierbei mehrere neben,ei,nanderliegende Meßkörper aus denselben Blechen
stanzen, so daß, wenn sie gestaplelt sind, sie eine gemeinsame mecha. nische Einheit
bilden. Man umuß jedoch hierbei die Erregerspulen so schalten, daß die einzelnen
Meßkörper sich nicht magnetisch ,stören. Fig. 6 zeigt eine solche Konstruktion,
in der sowohl die Erregerals auch die Meßspulen in der Weise in Reihe geschaltet
sind, daß die Magnetielder sich gegenseitig nicht stören und die Meßergebnisse von
den verschiedenen Meßkörper richtig addiert werden.
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Wenn, wie oben beschrieben, mehrere Meßkörper in Reihe geschaltet
werden, ist es erforderlich, um eine richtige Summierung zu erh alten, daß entweder
sämtliche Meßkörper von gleich großen Kräften beeinflußt werden, was schwer zu verwirklichen
ist, oder daß ein konstantes Verhältnis zwischen der induzierten Spannung in der
Meßspule und der angebrachten mechanischen Kraft herrscht.
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Diese geradlinige Abhängigkeit zwischen Kraft und Meßsparlgung kann
jedoch mit ziemlich guter Genauiglçeit erzielt werden, wenn eine geeignete Größe
des Erregerstromes gewählt wird, und vor allem, wenn nur die Grundfrequenz der in
der Meßspule induzierten Spannung gemessen wird. Zweckmäßigerweise wird der Erregerstrom
so groß gewählt, daß in den Teilen des Meßkörpers, die von den Spulen umfaßt werden,
Sättigung eintritt.
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Dadurch, daß man den Meßkörper mit den obenerwähnten vorstehenden
Ansätzen versieht, tritt eine magnetische Unsymmetrie auf, mit der Folge, daß eine
gewisse Spannung in der Meßspule induziert wird, auch wenn der Meßkörper mechanisch
unbelastet ist. Diese Nullspannung kann auch von anderen Faktoren herrühren, beispielsweise
von der Unsymmetrie der Nuten für die Spulen, die immer bei der fferstellung auftritt,
oder davon, daß die Bleche aus gewalztem Material bestehen, das immer mit einer
gewissen magnetischen A;lisotropie behaftet ist. Es ist jedoch möglich, diese Nullspannung
zu beseitigen, indem man den Winkel zwischen den Wicklungsebenen der Spulen und
damit ihre gegen. seitige Indol'tan entsprechend wählt.
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Es ist indessen auch ganz einfach, elektrisch die Nullspannung durch
eine Zusatzspannung zu kompensieren, die jedoch sowohl in bezug auf Amplitude als
auch auf Phasenwinkel veränderlich sein muß, weil die Größe und der Phaslenvinkel
der Nullspannung unter anderem mit dem Erregerstrom sich
älrdert.
Die Zusatzspannung kann von einer äußeren Spannungsquelle bezogen werden, aber auch
von einer besonderen Wicklung, die in die gleiche Nut eingelegt ist wie die Erregerspule.