WO1984001624A1 - Method for measuring the load of oblong shaft-like objects, and unit implementing such method - Google Patents

Method for measuring the load of oblong shaft-like objects, and unit implementing such method Download PDF

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    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring the load on elongated, wave-shaped objects, in particular for measuring the load on waves, which is in particular the force measurement when deformations occur. Both the tensile and the compressive forces as well as the bending forces affecting a shaft are to be measured. The method should make it possible to continuously measure and show the load on shafts during the load.
  • the invention further relates to a device for carrying out the proposed method.
  • annular recess is formed in the wavy object at one end, which extends axially outwards.
  • the dimensions of the wave-shaped object do not allow the simple creation of an annular recess, then it is also possible to make an axial bore in the wave-shaped object and to insert a rod into it, which fills the bore with the release of an air gap.
  • a magnetic field is formed in the area thereof, the strength of which changes as a function of the air gap thickness. The change in the magnetic field is then monitored with a sensor.
  • a device which has an iron ring which is arranged at the end of the shaft which has an annular, axially extending air gap. Permanent magnets are distributed on the inner circumference of the iron ring and are connected to sensors which indicate the changes in the magnetic flux.
  • the Hall effect sensors which are arranged in the area of the air gap, are suitable as sensors. These are then connected via an amplifier to the display device, which registers and displays the changes in the air gap that occur depending on the load.
  • FIG. 1 shows an axial section through a wave-shaped object with a measuring device
  • FIG. 2 shows a schematically drawn frontal view of FIG. 1
  • Figure 3 shows a variant
  • the load on a shaft 1 is to be determined, which by means of bearings 2 carries a drive pulley 3 which is intended to transmit a given power.
  • annular recess 5 running concentrically to the shaft axis 4 is created, which extends to the central plane 6 of the drive pulley 3 forming the load. If the creation of the annular recess causes difficulties, a bore with the outer diameter D of the annular recess 5 up to the central plane 6 is first created, whereupon a smaller bore 7 provided with a thread is created. This extends further inward from the end wall of the first bore and serves to receive a threaded rod which has a rod-shaped part 8 and a threaded part 9 (FIG. 3). In this way, an annular recess 5 remains.
  • a measuring device which has an iron ring 10 whose outer diameter corresponds to the diameter of the shaft 1.
  • permanent magnets 11 are arranged on the Q inner circumference of the ring 10 in a uniformly distributed manner. According to the illustrated embodiment, there are four such magnets.
  • a Hall effect sensor 12 is arranged upstream of each magnet 11 and is arranged in the region of the air gap, formed by the annular recess 5, 5.
  • Such Hall effect sensors consist of small plates of a semiconductor with high carrier mobility. When a current flows through these plates, a voltage that is dependent on the magnetic field arises perpendicular to this current and perpendicular to an existing magnetic field.
  • the magnetic flux generated by the magnets 11 is influenced by the change in the air gap.
  • the change in the magnetic flux brings about a response of the Hall 5 sensors, with changes in the air layer of the order of 1 to 10 microns being indicated by the Hall effect sensors.
  • the Hall effect sensors 12 are connected to a common sum amplifier (not shown) which actuates a display device. 0 This shows a curve that corresponds to the load profile. In this way, the tensile and compressive forces as well as the bending forces can be determined precisely. - 5 -
  • the described method and setup can be changed in many ways. It is essential that an intermediate layer of non-magnetizable material is always created and the change in this layer is measured.
  • the intermediate layer is an air gap.

Abstract

To measure the load of a shaft (1), the modifications occurring in a non magnetizable layer provided in the shaft (1) are measured. To this effect, a measuring unit is used which has an iron ring (10) on the inner circonference of which are arranged permanent magnets (11) provided with Hall effect sensors (12). The iron ring (10) is secured with the magnet (11) and the Hall effect sensors (12) to the outer surface of the shaft (1) so that the Hall effect sensors (12) are arranged in the region of the non magnetizable layer (5).

Description

- 1 - - 1 -
Verfahren zur Messung der Belastung von länglichen, wellenförmigen Gegenständen und Einrichtung zur Ausübung des VerfahrensMethod for measuring the load on elongated, wavy objects and device for carrying out the method
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Belastung von länglichen, wellenförmigen Gegenständen, insbesondere zur Messung der Belastung von Wellen, wobei es sich insbesondere um die Kräftemessung bei auftretenden Deformationen handelt. Es sollen sowohl die Zug- als auch die Druckkräfte sowie die sich auf eine Welle auswirkenden Biegungskräfte gemessen werden. Das Verfahren soll ermöglichen, die Belastung von Wellen während der Belastung kontinuierlich zu messen und aufzu- zeigen. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Ausübung des vorgeschlagenen Verfahrens.The present invention relates to a method for measuring the load on elongated, wave-shaped objects, in particular for measuring the load on waves, which is in particular the force measurement when deformations occur. Both the tensile and the compressive forces as well as the bending forces affecting a shaft are to be measured. The method should make it possible to continuously measure and show the load on shafts during the load. The invention further relates to a device for carrying out the proposed method.
Zur Messung der Belastung von Wellen während der Be¬ lastung waren bis jetzt keine brauchbaren einfachen Ver- fahren bekannt, die es ermöglicht hätten, die Belastung kontinuierlich zu messen und zu registrieren. Erfindungs- gemäss wurde erkannt, dass die Messung der Deformation von länglichen, wellenförmigen Gegenständen aus magneti¬ sierbaren Materialien in einfacher Weise durchgeführt werden kann, wenn im wellenförmigen Gegenstand eine nicht magnetisierbare Schicht erstellt und deren durch die Belastung bedingte Veränderung durch Sensoren er- fasst wird. Zweckmässigerweise wird im wellenförmigen Gegenstand eine sich axial nach aussen erstreckende Ring- - 2 -To date, no usable simple methods for measuring the load on waves during the load have been known which would have made it possible to continuously measure and register the load. According to the invention, it was recognized that the measurement of the deformation of elongated, wave-shaped objects made of magnetizable materials can be carried out in a simple manner if a non-magnetizable layer is created in the wave-shaped object and its change due to the load is detected by sensors . Advantageously, an axially outwardly extending ring - 2 -
schiebt erstellt, wobei die Ringschicht als Luftspalt erscheint. Der Einfachheithalber wird im wellenförmigen Gegenstand einerends eine ringförmige Ausnehmung er¬ stellt, die sich axial nach aussen erstreckt.pushes created, whereby the ring layer appears as an air gap. For the sake of simplicity, an annular recess is formed in the wavy object at one end, which extends axially outwards.
Falls die Abmessungen des wellenförmigen Gegenstandes die einfache Erstellung einer ringförmigen Ausnehmung nicht erlauben, so ist es auch möglich, im wellenförmigen Gegenstand eine Axialbohrung anzubringen und in diese einen Stab einzusetzen, der die Bohrung unter Freilassung eines Luftspaltes ausfüllt.If the dimensions of the wave-shaped object do not allow the simple creation of an annular recess, then it is also possible to make an axial bore in the wave-shaped object and to insert a rod into it, which fills the bore with the release of an air gap.
Zur Messung der Veränderung des Luftspaltes wird im Be¬ reiche desselben ein magnetisches Feld gebildet, dessen Stärke in Abhängigkeit mit der Luftspaltdicke sich ändert. Die Aenderung des magnetischen Feldes wird dann mit einem Sensor überwacht.To measure the change in the air gap, a magnetic field is formed in the area thereof, the strength of which changes as a function of the air gap thickness. The change in the magnetic field is then monitored with a sensor.
Zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen, die einen Eisenring besitzt, der am Ende der einen ringförmigen sich axial erstrecken¬ den Luftspalt aufweisenden Welle angeordnet ist. Am inneren Umfang des Eisenringes sind Permanentmagnete verteilt, die mit die Aenderungen des magnetischen Flusses anzeigenden Sensoren in Verbindung stehen. Als Sensoren eignen sich die Hall-Effekt-Sensoren, die im Bereiche des LuftSpaltes angeordnet sind. Diese stehen dann über einen Verstärker mit dem Anzeigegerät in Verbindung, das die in Abhängigkeit der Belastung auftretenden Aenderungen im Luftspalt re- gistriert und anzeigt.To implement the proposed method, a device is proposed which has an iron ring which is arranged at the end of the shaft which has an annular, axially extending air gap. Permanent magnets are distributed on the inner circumference of the iron ring and are connected to sensors which indicate the changes in the magnetic flux. The Hall effect sensors, which are arranged in the area of the air gap, are suitable as sensors. These are then connected via an amplifier to the display device, which registers and displays the changes in the air gap that occur depending on the load.
OMPI Auf beiliegender Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung rein schematisch dargestellt, und zwar zeigenOMPI In the accompanying drawing, an embodiment of the device is shown purely schematically, namely show
Figur 1 einen Axialschnitt durch einen wellen¬ förmigen Gegenstand mit Messeinrichtung1 shows an axial section through a wave-shaped object with a measuring device
Figur 2 eine schematisch gezeichnete Frontalan¬ sicht der Fig. 1FIG. 2 shows a schematically drawn frontal view of FIG. 1
Figur 3 eine Variante.Figure 3 shows a variant.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel soll die Belastung einer Welle 1 ermittelt werden, die mittels Lagern 2 eine Antriebsscheibe 3 trägt, die eine gegebene Leistung zu übertragen bestimmt ist.According to the exemplary embodiment, the load on a shaft 1 is to be determined, which by means of bearings 2 carries a drive pulley 3 which is intended to transmit a given power.
Zur Ermittlung der Belastung der Welle wird eine konzen¬ trisch zur Wellenachse 4 verlaufende ringförmige Aus- nehmung 5 erstellt, die sich bis zur Mittelebene 6 der die Belastung bildenden Antriebsscheibe 3 erstreckt. Falls die Erstellung der ringförmigen Ausnehmung Schwierig¬ keiten verursacht, so wird zuerst eine Bohrung mit dem Aussendurchmesser D der ringförmigen Ausnehmung 5 bis zur Mittelebene 6 erstellt, worauf eine kleinere mit Ge¬ winde versehene Bohrung 7 erstellt wird. Diese erstreckt sich von der Stirnwand der ersten Bohrung aus weiter einwärts und dient zur Aufnahme eines Gewindestabes, der einen stabförmigen Teil 8 und einen mit Gewinde versehenen Teil 9 aufweist (Figur 3) . Auf diese Weise verbleibt wiederum eine ringförmige Aus¬ nehmung 5.In order to determine the load on the shaft, an annular recess 5 running concentrically to the shaft axis 4 is created, which extends to the central plane 6 of the drive pulley 3 forming the load. If the creation of the annular recess causes difficulties, a bore with the outer diameter D of the annular recess 5 up to the central plane 6 is first created, whereupon a smaller bore 7 provided with a thread is created. This extends further inward from the end wall of the first bore and serves to receive a threaded rod which has a rod-shaped part 8 and a threaded part 9 (FIG. 3). In this way, an annular recess 5 remains.
Zur Messung der Belastung der Welle 1 wird die Aenderung 5 des in der ringförmigen Ausnehmung 5 entstandenen Luft¬ spaltes gemessen. Zu diesem Zweck ist eine Messeinrich¬ tung vorgesehen, die einen Eisenring 10 aufweist, dessen Aussendurchmesser dem Durchmesser der Welle 1 entspricht. Im Innern des Ringes 10 sind Permanentmagnete 11 am Q Innenumfang des Ringes 10 gleichmässig verteilt angeordnet. Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier solche Magnete vorhanden. Jedem Magnet 11 wird ein Hall- Effekt-Sensor 12 vorgeschaltet, die im Bereiche des Luft¬ spaltes, gebildet durch die ringförmige Ausnehmung 5, 5 angeordnet sind.To measure the load on the shaft 1, the change 5 of the air gap created in the annular recess 5 is measured. For this purpose, a measuring device is provided which has an iron ring 10 whose outer diameter corresponds to the diameter of the shaft 1. In the interior of the ring 10, permanent magnets 11 are arranged on the Q inner circumference of the ring 10 in a uniformly distributed manner. According to the illustrated embodiment, there are four such magnets. A Hall effect sensor 12 is arranged upstream of each magnet 11 and is arranged in the region of the air gap, formed by the annular recess 5, 5.
Solche Hall-Effekt-Sensoren bestehen aus kleinen Plätt¬ chen eines Halbleiters hoher Trägerbeweglichkeit. Wenn ein Strom durch diese Plättchen fliesst, entsteht senk- Q recht zu diesem Strom und snekrecht zu einem vorhandenen Magnetfeld eine magnetfeldabhängige Spannung. Durch die Aenderung des Luftspaltes wird der durch die Magnete 11 erzeugte magnetische Fluss beeinflusst. Die Aenderung des magnetischen Flusses bringt ein Ansprechen der Hall- 5 Sensoren mit sich, wobei Aenderungen der Luftschicht in der Grössenordnung von 1 - 10 Mikron von den Hall- Effekt-Sensoren angezeigt werden. Die Hall-Effekt-Sensoren 12 stehen mit einem gemeinsamen Summenverstärker (nicht gezeigt) in Verbindung, der ein Anzeigegerät betätigt. 0 Dieses zeigt eine Kurve an, die dem Belastungsverlauf entspricht. Auf diese Weise können die auftretenden Zug- und Druckkräfte sowie die Biegungskräfte genau ermittelt werden. - 5 -Such Hall effect sensors consist of small plates of a semiconductor with high carrier mobility. When a current flows through these plates, a voltage that is dependent on the magnetic field arises perpendicular to this current and perpendicular to an existing magnetic field. The magnetic flux generated by the magnets 11 is influenced by the change in the air gap. The change in the magnetic flux brings about a response of the Hall 5 sensors, with changes in the air layer of the order of 1 to 10 microns being indicated by the Hall effect sensors. The Hall effect sensors 12 are connected to a common sum amplifier (not shown) which actuates a display device. 0 This shows a curve that corresponds to the load profile. In this way, the tensile and compressive forces as well as the bending forces can be determined precisely. - 5 -
Das beschriebene Verfahren und die Einrichtung können in vieler Weise geändert werden. Wesentlich ist, dass immer eine Zwischenschicht aus nicht magnetisierbarem Material erstellt und die Aenderung dieser Schicht ge- messen wird. Gemäss dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Zwischenschicht ein Luftspalt. Es ist aber auch möglich, die Zwischenschicht aus Kunststoff zu erstellen oder aus einer Flüssigkeit zu bilden. Die Aenderung dieser Zwischenschicht muss immer die Aenderung des magnetischen Flusses mit sich bringen, welche Aenderung dann von den Hall-Effekt-Sensoren wahrgenommen wird.The described method and setup can be changed in many ways. It is essential that an intermediate layer of non-magnetizable material is always created and the change in this layer is measured. According to the exemplary embodiment described, the intermediate layer is an air gap. However, it is also possible to create the intermediate layer from plastic or to form it from a liquid. The change in this intermediate layer must always bring about the change in the magnetic flux, which change is then perceived by the Hall effect sensors.
O PI O PI

Claims

- 6 -P a t e n t a n s p r ü c h e - 6-patent claims
1. Verfahren zur Messung der Belastung von länglichen, wellenförmigen Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, dass im wellenförmigen Gegenstand eine nicht magneti- sierbare Schicht erstellt und deren durch die Be- lastung bedingte Veränderung durch Sensoren erfasst wird.1. A method for measuring the load on elongated, wave-shaped objects, characterized in that a non-magnetizable layer is created in the wave-shaped object and the change caused by the load is detected by sensors.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im wellenförmigen Gegenstand eine sich axial nach aussen erstreckende Ringschicht erstellt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that an axially outwardly extending annular layer is created in the wavy object.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 , dadurch gekenn¬ zeichnet, dass als Ringschicht ein Luftspalt erstellt wird.3. The method according to claims 1 and 2, characterized gekenn¬ characterized in that an air gap is created as an annular layer.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass im wellenförmigen Gegenstand einerends eine ringförmige, sich axial nach aussen erstreckende Ausnehmung erstellt wird.Method according to claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that an annular, axially outwardly extending recess is created at one end in the wave-shaped object.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass im wellenförmigen Gegenstand eine Axial¬ bohrung angebracht und in diese ein die Bohrung unter Freilassung eines Luftspaltes ausfüllender Stab einge- setzt wird. 7 -5. The method according to claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that an axial bore is made in the wave-shaped object and in this a hole that fills the hole while leaving an air gap is inserted. 7 -
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass im Bereich des Luftspaltes ein magneti¬ sches Feld gebildet, dessen Stärke in Abhängigkeit der Luftspaltdicke sich ändert und das magnetische Feld mit einem Sensor überwacht wird.6. The method according to claims 1 to 5, characterized gekenn¬ characterized in that a magnetic field is formed in the area of the air gap, the strength of which changes as a function of the air gap thickness and the magnetic field is monitored by a sensor.
7. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach den An¬ sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass diese einen Eisenring besitzt, der am Ende der einen ringförmigen, sich axial erstreckenden Luftspalt aufweisenden Welle angeordnet ist, wobei am inneren Umfang des Eisenringes Permanentmagnete verteilt sind, die mit die Aenderungen des magnetischen Flusses anzeigenden Sensoren in Ver¬ bindung stehen.7. Device for carrying out the method according to claims 1 to 3, characterized in that it has an iron ring which is arranged at the end of the shaft having an annular, axially extending air gap, permanent magnets being distributed on the inner circumference of the iron ring which are connected to sensors indicating the changes in the magnetic flux.
8. Einrichtung nach "Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Luftspaltes Hall-Effekt-Sensoren ange¬ ordnet sind.8. Device according to " Claim 7, characterized in that Hall effect sensors are arranged in the region of the air gap.
9. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Sensoren über einen Verstärker mit einem Anzeigegerät in Verbindung stehen. 9. Device according to claims 7 and 8, characterized gekenn¬ characterized in that the sensors are connected via an amplifier with a display device.
PCT/CH1983/000118 1982-10-22 1983-10-20 Method for measuring the load of oblong shaft-like objects, and unit implementing such method WO1984001624A1 (en)

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NO842506L (en) 1984-06-21
JPS59501920A (en) 1984-11-15
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