SE528554C2 - Kraftmätande anordning - Google Patents

Description

25 30 35 528 554- spänningsnivån i mätkroppen beror på typen av SGHSOI- En magnetoelastisk sensor kräver lägre spänningsnivå än en töj- ningsgivare för att fungera riktigt. Följaktligen är det en önskan att kunna styra storleken och riktningen på spänning* arna i sensorn.

Den optimala spänningsniván för den magnetoelastiska kraft- sensorn är relativt låg, vilket gör det svårt att mäta stora krafter med denna typ av sensor. För att kunna mäta krafter som är större än de optimala krafterna för sensorn är mät- kroppen utformad med en ökad materialmängd i riktningen för den påförda kraften för att minska spänningsnivàn i mät- kroppen. Ett problem med denna lösning är att den ställer höga krav på den omgivande strukturen, vilket försvårar tillverkning. Den stora materialmängden leder också till termiska problem, vilket påverkar mätningen. ÄNDAMÅL OCH REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en förbättrad anordning för mätning av mekaniska krafter.

Detta ändamål uppnås genom en anordning såsom anges i patentkrav 1. Funktionen hos omvandlaren är att skapa optimala spänningsvillkor i den elektromagnetiska kraftsensorn. De krafter som skall mätas pàförs det kraftmottagande elementet, och omvandlaren omvandlar krafterna till lämpliga spänningar för sensorn.

Omvandlaren är exempelvis utformad att omvandla enaxliga spänningar som utövas pà det kraftmottagande elementet till tváaxliga spänningar i sensorn, och att tillhandahålla ett önskat förhållande mellan de tvàaxliga spänningarna. De enaxliga spänningarna är antingen tryck-/drag- eller skjuv- spänningar. Formen hos omvandlaren åstadkommer den önskade omvandlingen och förhållandet mellan spänningarna.

Symmetriska och enhetliga tvàaxliga spänningar i mätkroppen får sensorn att fungera optimalt och förbättrar sålunda mätresultatet hos mätanordningen. 10 15 20 25 30 35 528 554 Omvandlaren är exempelvis utformad för att minska amplituden hos den mottagna kraften till en nivå lämplig för en Sensor- Storleken pà spänningarna styrs genom styvheten hos omvandlaren, dvs längden och tjockleken hos omvandlaren.

Styvheten hos det kraftmottagande elementet påverkar också minskningen av krafterna. När stora krafter mäts är omvandlaren företrädesvis utformad att minska amplituden hos den mottagna kraften till en nivå lämplig för sensorn.

Därmed är det möjligt att mäta krafter som är större än vad sensorn är konstruerad för.

Företrädesvis är mätanordningen anordnad att integreras i en yttre struktur, t ex en lastcell. När spänningsnivàn i sen- sorn styrs, kan den yttre strukturen minimeras och utsättas för högre spänning. Medan omvandlaren kan ge det önskade spänningsvillkoret i sensorn, kan den yttre strukturen optimeras för andra ändamål. En mindre area hos den kraftbärande strukturen ger bättre integrering av den kraft som skall mätas och mindre känslighet för spänningar och temperaturändringar.

Uppfinningen gör det således möjligt att minimera den yttre strukturen, minska det kraftbärande materialet och ändå er- hålla det rätta spänningsvillkoret för sensorn. Uppfinningen gör det möjligt att utforma mätanordningarna för mätning av krafter från 1 kN till 1000 kN.

Vidareutvecklingar av anordningen kännetecknas av särdragen i den övriga patentkraven.

Enligt en utföringsform av uppfinningen har omvandlaren en rörliknande form, och det kraftmottagande elementet och sensorn är monterade pà avstånd från varandra utmed omvandlarens längdaxel. Företrädesvis är sensorn anordnad inuti den rörformiga omvandlaren så att en mätkropp hos sensorn är i mekanisk kontakt med en del av omvandlarens vägg, och det kraftmottagande elementet är monterat på utsidan av omvandlaren. Rörformen är lämplig för överföring av kraften till sensorn. Pà grund av rörformen hos 10 15 20 25 30 35 528 554 ._ omvandlaren omvandlas de enaxliga spänningarna på det kraftmottagande elementet till tvåaxliga spänningar i sen- sorn. Tack vare rörformen minskas den nödvändiga material- mängden för att åstadkomma minskningen av krafterna, och därmed minskas påverkan från termiska variationer.

Enligt en utföringsform av uppfinningen ligger avståndet mellan det kraftmottagande elementet och sensorn inom inter- vallet 5-100 mm. Den egenskap hos omvandlaren som mest påverkar nedväxlingen av den påförda kraften är avståndet mellan det kraftmottagande elementet och sensorn, dvs omvandlarens längd. Ett avstånd inom intervallet 5-100 mm åstadkommer en nedväxlingsfaktor av ungefärligen 2-20.

Företrädesvis är avståndet mellan det kraftmottagande elementet och sensorn större än 5 mm. Det har visat sig att förhållandet mellan huvudspänningarna i sensorn blir nära ett om avståndet mellan det kraftmottagande elementet och sensorn är större än 5 mm.

Enligt en utföringsform av uppfinningen ligger tjockleken hos omvandlarens vägg inom intervallet 0.5-10 mm. Tjockleken hos den rörformiga omvandlarens vägg har även en påverkan på nedväxlingen av den påförda kraften, dock inte i samma grad som avståndet mellan det kraftmottagande elementet och sensorn.

Enligt en utföringsform av uppfinningen har omvandlaren cylindrisk form. Tack vare omvandlarens cylindriska form är det möjligt att styra förhållandet mellan huvudspänningarna i sensorn, eftersom förhållandet mellan huvudspänningarna i sensorn är beroende av förhållandet mellan två ortogonala diametrar hos cylindern.

Enligt en utföringsform av uppfinningen har omvandlaren cirkulärcylindrisk form. Tack vare omvandlarens cirkulärcylindriska form blir förhållandet mellan huvudspänningarna i sensorn minus ett, vilket innebär att de har sama storlek men olika riktningar. Detta förhållande 10 15 20 25 30 35 528 554 hos de tvåaxliga spänningarna är ett optimalt villkor för sensorn. I Enligt en utföringsform av uppfinningen är omvandlaren och det kraftmottagande elementet rotationssymmetriska kring omvandlarens längdaxel. Det kraftmottagande element är exempelvis en fläns som sträcker sig utåt i radiell riktning från omvandlaren. På grund av omvandlarens och det kraftmottagande elementets rotationssymmetri, samt förmågan att styra spänningar i sensorn och värmeflödet, blir omvandlaren nästan okänslig för krafter i icke uppmätta riktningar.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar anord- ningen ett andra kraftmottagande element monterat på motsatt sida om sensorn utmed omvandlarens längaxel, och på väsentligen lika avstånd från sensorn som det förstnämnda kraftmottagande elementet. Om anordningen endast har ett kraftmottagande element blir krafterna hos sensorns mätkropp ensidiga och det finns en risk att mätkroppen blir krökt, vilket skulle kunna vara skadligt för kraftmätningen. Denna' utföringsform tillhandahåller en förbättrad mätning, då krafterna på omvandlarens mätkropp blir lika på båda sidorna av kroppen och böjning av kroppen därmed undviks.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar sensorn en mätkropp av magnetoelastiskt material samt två spolar som innesluter åtminstone en del av mätkroppen och är anordnade så att spolarnas ömsesidiga induktans är väsentligen noll när ingen kraft verkar pà mätkroppen, och den ena spolen är ansluten till en strömkälla, och den andra spolen är anslu- ten till en elektrisk mätanordning. Uppfinningen är särskilt användbar för denna typ av sensor, vilken har höga krav på spänningsvillkoren för att fungera pá rätt sätt.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är mätkroppen, omvandlaren_och det kraftmottagande elementet tillverkade av magnetoelastiskt material, och omvandlaren, det kraftmottagande elementet och mätkroppen är tillverkade i 10 15 20 25 30 35 528 554 ett stycke. Denna utföringsform gör det möjligt att tillverka mätkroppen, omvandlaren och det kraftmottagande elementet i ett stycke och därmed att minska tillverkningskostnaderna.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer nu att förklaras närmare genom beskriv- ning av olika utföringsformer av uppfinningen och med hän- visning till de bifogade figurerna.

Figur l visar en perspektivvy av en anordning för mätning av mekaniska krafter enligt en utföringsform av uppfin- ningen.

Figur 2 visar en sidovy av anordningen i figur 1.

Figur 3 visar en vy framifrån av anordningen i figur l.

Figur 4 visar anordningen i figur 1 monterad i en yttre struktur.

Figur 5 visar ett tvärsnitt genom anordningen som visas i figur 4 längs en linje A-A.

Figur 6 visar ett tvärsnitt genom en alternativ utförings- form av anordningen som visas i figur 4.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Figur 1, 2 och 3 visar en anordning 1 för mätning av meka- niska krafter enligt en utföringsform av uppfinningen. An- ordningen 1 innefattar två kraftmottagande element 2a-b an- ordnade att motta de krafter som skall mätas, en sensor 3 anordnad att mäta en spänningsskillnad i två ortogonala mät- riktningar 5a-b samt en omvandlare 4 anordnad att överföra 10 15 20 25 30 35 i 528 554 krafterna från de kraftmottagande elementen 2a-b till sensorn 3 och att omvandla de mottagna krafterna till krafter som är lämpliga för sensorn. Omvandlaren 4 är anordnad mellan det kraftmottagande elementet och sensorn.

Sensorn är exempelvis en magnetoelastisk sensor eller en töjningsomvandlare. I denna utföringsform är sensorn en magnetoelastisk sensor som innefattar en mätkropp 6 tillverkad av ett magnetoelastiskt material med fyra genomgående hål 7 och två ortogonalt monterade spolar 8a-b lindade genom hålen 7 och anordnade så att spelarnas ömsesidiga induktans är väsentligen noll när inga krafter verkar på mätkroppen. Den ena spolen 8a, magnetise- ringsspolen, är ansluten till en strömkälla, och den andra spolen 8b, mätspolen, är ansluten till en voltmeter.

Det första kraftmottagande elementet 2a är monterat på ett avstånd från sensorn 3 i en riktning vinkelrätt mot sensorns mätriktning, vilket också är ortogonalt mot förlängninge- planet hos sensorns mätkropp 6. Det andra kraftmottagande elementet 2b är monterat på lika avstånd från sensorn 3 men i motsatt riktning. Avståndet mellan det kraftmottagande elementet 2a-b och sensorn 3 ligger företrädesvis inom in- tervallet 5-100 mm. Tjockleken hos omvandlarens vägg ligger företrädesvis inom intervallet 0.5-l0 mm.

Omvandlaren 4 har en ihålig, rörliknande form och är i denna utföringsform tillverkad av ett magnetoelastiskt material, såsom martensitiskt rostfritt stål. Såsom visas i figurerna har omvandlaren 4 ett cirkulärcylindriskt tvärsnitt. Sensorn 3 är anordnad inuti den rörformiga omvandlaren så att omvandlarens mätkropp 6 är i direkt kontakt med en del av omvandlarens vägg. De kraftmottagande elementen 2a-b har formen av flänsar som sträcker sig utåt i radiell riktning från omvandlaren 4. Den första flänsen 2a är anordnad i ena änden av omvandlaren, den andra flänsen 2b är anordnad i motsatta änden av omvandlaren och sensorn 3 är anordnad i mitten av omvandlaren 4. Den kraft som skall mätas påförs vid flänsarna 2a-b. Omvandlaren 4 kommer då att skapa de rätta huvudspänningarna för sensorn 3. Storleken på 10 15 20 25 30 35 528 554 8 spänningarna styrs av styvheten hos omvandlaren, dvs dess längd och tjocklek, och styvheten hos flänsarna 2a-b, dvs deras bredd och höjd. Företrädesvis tillverkas mätkroppen, flänsarna och omvandlaren i ett stycke av magnetoelastiskt material, såsom martensitiskt rostfritt stål; Företrädesvis är omvandlaren 4 monterad i en yttre struktur 10, såsom visas i figur 4. Den yttre strukturen är exempelvis en lastcell. Figur 4 visar ett längdtvärsnitt genom den kraftmätande anordningen l och den yttre strukturen 10. Den yttre strukturen 10 är monterad i direkt kontakt med de kraftmottagande elementen 2a-b. Sålunda fungerar flänsarna 2a-b också som fästelement för att fästa den yttre strukturen 10. Mätanordningen 1 är ansluten till den yttre strukturen 10 genom svetsförband l2a-d. Den yttre strukturen 10, flänsarna 2a, 2b och omvandlaren 4 avgränsar ett hålrum 14 som medger att omvandlarens vägg deformeras på grund av de överförda krafterna. Anordningen 1 och den yttre strukturen 10 hopsvetsas exempelvis genom lasersvetsning.

För att reducera inre spänningar i mätkroppen efter tillverkning är en efterbehandling användbar, t ex värmebehandling.

Pilarna i figur 4 illustrerar krafterna i anordningen. Såsom visas i figur 4 överförs de krafter som verkar på den yttre strukturen genom den yttre strukturens material till de kraftmottagande elementen 2a-b. De krafter som verkar på de kraftmottagande elementen 2a-b överförs sedan till sensorn 3 via omvandlaren 4 och därvid reduceras storleken på krafterna i beroende av avståndet l mellan de kraftmottagande elementen 2a-b och sensorn 3 och tjockleken d på omvandlaren 4. Avståndet l och tjockleken d inställs till de krafter som skall mätas. Beroende på omvandlarens och de kraftmottagande elementens form kan anordningen inställas för mätkrafter på den yttre strukturen från 1 kN till 1000 kN.

Måtten på omvandlaren och flänsarna styr spänningarnas amplitud i mätkroppen och förhållandet mellan tryck- 10 15 20 25 30 35 528 554 /dragspänningarna. När flänsarna 2a-b utsätts för tryck- eller skjuvkrafter omvandlar omvandlaren dem till tvàaxliga tryck-/dragspänningar vinkelrätt mot varandra i sensorns mätkropp. Följaktligen utsätts sensorn för spänningar som är optimala för denna typ av sensor. Simuleringar har visat att när omvandlarens totala längd är mer än 10 mm blir förhållandet mellan tryck- och dragkrafterna i sensorn ungefär 0,9-1.1. Genom att justera tjockleken hos omvandlarens vägg, samt flänsarnas mått, är det möjligt att justera förhållandet till ungefär 1. På samma sätt som för spänningarna reducerar omvandlaren temperaturgradienten över mätkroppen. En omvandlare som reducerar spänningarna med 20 % reducerar också temperaturgradienten över mätkroppen med ungefär 20 %.

En kraftmätande anordning som t ex visas i figur 1, lämplig för mätning av låga krafter, såsom 1-5 kN, kan ha en omvandlare med en diameter på 15-20 mm, en längd pà 10-15 mm och en väggtjocklek på 1-2 mm, samt ett kraftmottagande element med en höjd på 1-2 mm och en bredd på 1-3 mm. Denna kraftmätande anordning reducerar de päförda krafterna med en faktor på ungefär 1,5-3.

En kraftmätande anordning som t ex visas i figur 1, lämplig för mätning av stora krafter, såsom 200-1000 kN, kan ha en omvandlare med en diameter på 30-35 mm, en längd på 40-50 mm och en väggtjocklek pà 3-4 mm, samt ett kraftmottagande element med en höjd på 2-5 mm och en bredd på 3-5 mm. Denna kraftmätande anordning reducerar de pàförda krafterna med en faktor på ungefär 5-20.

Den kraftmätande anordningen 1 förmår såväl mäta tryck- /dragkrafter som skjuvkrafter i beroende av sin monterings- riktning. Figur 5 visar sensorn 3 monterad för mätning av tryckkrafter som verkar pà den yttre strukturen 10. De tryckkrafter som verkar på den yttre strukturen 10, som illustreras med pilar i figur 5, skapar enaxliga tryckspän- ningar i den yttre strukturen. De enaxliga tryckspänningarna i den yttre strukturen omvandlas till tvåaxliga spänningar i 10 15 20 25 30 35 528 554- 10 mätkroppen 6 hos sensorn 3. De tvàaxliga spänningarna om- fattar tryckspänningar som verkar i samma riktning som de påförda krafterna, och dragspänningar som verkar i en rikt- ning vinkelrätt mot de pàförda krafterna. Pilarna i figur 5 illustrerar tryck- och dragspänningarna i mätkroppen. Sålun- da leder tryckkrafterna som verkar på den yttre strukturen 10 till tvàaxliga ortogonala drag- och tryckspänningar i mätkroppen 6. Sensorn 3 är anordnad att mäta skillnaden mellan tryck- och dragspänningarna i mätkroppen.

Figur 6 visar sensorn 3 monterad för mätning av skjuvkrafter som verkar på den yttre strukturen 10. Sensorn 3 är vänd 45 grader jämfört med monteringen för mätning av tryckkrafter, såsom visas i figur 5. Skjuvkrafterna som verkar på den yttre strukturen 10, illustrerad genom pilar i figur 6, skapar enaxliga skjuvspänningar i den yttre strukturen. De enaxliga skjuvspänningarna i den yttre strukturen omvandlas till tvâaxliga spänningar i sensorns 3 mätkropp 6. De tväax- liga spänningarna omfattar tryckspänningar som verkar i en riktning vänd 45 grader från de pàförda krafterna samt drag- spänningar som verkar i en riktning vinkelrätt mot tryck- spänningarna i mätkroppen. Pilarna i figur 6 illustrerar tryck- och dragspänningarna i mätkroppen. Sålunda leder skjuvkrafterna som verkar på den yttre strukturen 10 till tvàaxliga ortogonala drag- och tryckspänningar i sensorns 3 mätkropp. Sensorn 3 är anordnad att mäta skillnaden mellan tryck- och dragspänningarna i mätkroppen.

Termen innefattar/innefattande som används i denna beskriv- ning används för att specificera närvaron av angivna sär- drag, heltal, steg eller komponenter. Termen utesluter dock inte att det finns eller läggs till ett eller flera ytter- ligare särdrag, heltal, steg eller komponenter eller grupper därav.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de beskrivna utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom ramen för de följande patentkraven. Formen på röret skulle exempelvis kunna varieras. Tvärsnittet hos röret skulle 10 528 554 ll exempelvis kunna göras ovalt. I en annan utföringsform kan anordningen omfatta endast ett kraftmottagande element som är monterat vid ena änden av omvandlaren och sensorn är monterad vid den andra änden av omvandlaren. Omvandlaren och de kraftmottagande elementen kan tillverkas i vilket som helst material som är tillräckligt hàllfast att tàla de pàförda krafterna och som inte påverkar mätningen.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 528 554 12 PATENTKRAV

1. Anordning (1) för mätning av mekaniska krafter inne- fattande en sensor (3) anordnad att mäta en spännings~ skillnad i två ortogonala mätriktningar (5a-b), varvid anordningen innefattar åtminstone ett kraftmottagande element (2a~b) anordnat att motta de krafter som skall mätas, och sensorn är anordnad att mäta de krafter som pàförs det kraftmottagande elementet, kännetecknad av att: - anordningen vidare innefattar en omvandlare (4) anordnad att överföra krafterna från det kraftmottagande elementet till sensorn och att omvandla de av det kraftmottagande elementet mottagna krafterna till krafter lämpliga för sensorn för att göra det möjligt för sensorn att arbeta under optimala förhållanden, - omvandlare har en rörliknande form, - det kraftmottagande elementet (2a-b) innefattar en fläns som sträcker sig utåt i riktning från omvandlaren, och - det kraftmottagande elementet och sensorn är monterade på ett avstånd (l) från varandra längs omvandlarens längdaxel och i en riktning vinkelrätt mot nämnda ortogonala mätriktningar hos sensorn.

2. Anordning enligt patentkrav 1, varvid nämnda omvandlare (4)-är utformad att omvandla en enaxlig spänning som utövas' pá nämnda kraftmottagande element (2a-b) till tvàaxliga spänningar i sensorn.

3. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, varvid nämnda omvandlare är utformad att reducera amplituden på den mottagna kraften till en nivå lämplig för sensorn. 10 15 20 25 30 35 i 528 554 /3

4. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid nämnda avstånd (l) ligger inom intervallet 5-100 mm.

5. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid tjockleken (d) på omvandlaren ligger inom intervallet 0,5-10 mm!

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid omvandlaren har cylindrisk form.

7. Anordning enligt patentkrav 6, varvid omvandlaren (4) har cirkulärcylindrisk form.

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid omvandlaren (4) och det kraftmottagande elementet (2a-b) är rotationssymmetriska kring omvandlarens längdaxel.

9. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid anordningen innefattar ett andra kraftmottagande element (2b) monterat på motsatt sida av sensorn (3) längs med omvandlarens (4) längdaxel och på väsentligen lika avstånd (l) från sensorn som det förstnämnda kraftmottagande elementet (2a).

10. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid sensorn (3) är en magnetoelastisk sensor.

11. ll. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid sensorn (3) innefattar en mätkropp (6) av ett magnetoelas- tiskt material samt två spolar (8a~b) som innesluter åtmin- stone en del av mätkroppen och är anordnade så att spolarnas ömsesidiga induktans är väsentligen noll när ingen kraft verkar på mätkroppen, och den ena spolen är ansluten till en strömkälla och den andra spolen är ansluten till en elek- trisk mätanordning.

12. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid sensorn (3) innefattar en mätkropp (6) och är anordnad inuti 10 15 528 554 i /Ll den rörformiga omvandlaren (4) så att sensorns mätkropp är i mekanisk kontakt med en del av omvandlarens vägg.

13. Anordning enligt patentkrav 12, varvid mätkroppen (6), omvandlaren (4) och det kraftmottagande elementet (2a-b) är tillverkade i ett magnetoelastiskt material, och omvandlaren, det kraftmottagande elementet och mätkroppen är tillverkade i ett stycke.

14. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid anordningen är anpassad för att integreras i en lastcell

15. Anordning enligt något av föregående patentkrav, varvid anordningen är lämplig för att mäta krafter från 1 kN till 1000 kN.