Elektromagnetischer Dehnungsmesser
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Dehnungsmesser zur Messung der geringfügigen Längenänderungen, welche z. B. durch Matenalspan nungen, Temperaturänderungen und dergleichen verursacht werden.
Es sind bereits eine ganze Reihe mechanischer und elektrischer Dehnungsmesser verschiedener Bauart bekannt, von denen der Widerstands-Dehnungs- messstreifen am häufigsten verwendet wird. Die Bauart des erfindungsgemässen elektromagnetischen Dehnungsmessers gleicht, was den Gebrauch in der Men technik betrifft, am meisten dem Dehnungsmesser dieser Art. Obzwar der Dehnungsmessstreifen auf den ersten Blick einfach zu sein scheint, ist die Herstellung desselben sehr schwierig, und die mit ihm erzielbaren Ergebnisse hängen von seiner sorgfältigen Fertigung ab. Ausserdem ist er äusserst empfindlich in bezug auf seine Behandlung, Temperatur- und Feuchtigkeits änderungen sowie die Alterung. Zudem kann er nur einmal benützt werden, da eine anschliessend notwendige Kontrolle und eventuelle Nacheichung des Dehnungsmessers nicht möglich ist.
Für die eigentliche Messung ist eine komplizierte und kostspielige Apparatur erforderlich. Werden hingegen einfachere Messapparaturen verwendet, so müssen die Dehnungsmesser entsprechend der verlangten Messgenauigkeit komplizierter Bauart sein, oder aber die Messgenauigkeit und das Anwendungsgebiet werden stark beschränkt.
Der erfindungsgemässe Dehnungsmesser soll ein exaktes Messen bei unkomplizierter Bauweise ermög lichen. Er nützt eine dem Wiedemanneffekt entsprechende Erscheinung aus, nämlich, dass die in einem durch einen elektrischen Wechselstrom zirkular magnetisierten ferromagnetischen Stab aufgebauten, kreisförmigen und koaxial verlaufenden, magnetischen Feldlinien bei einer Torsionsbeanspruchung des Stabes zu Schraubenlinien verzerrt werden, deren Steigung einer (in Achsrichtung verlaufenden) Längskom ponente des Magnetfeldes gleichkommt.
In einer entsprechend angeordneten Ausgangsspule wird dann durch eine Längskomponente eine elektromotorische Kraft induziert, die der Torsionsbeanspruchung des Stabes proportional ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Dehnungsmesser, der aus einem ferromagnetischen Torsionskörper besteht, welcher durch den in einem Erregerstromkreis fliessenden Strom oder einen Dauermagneten zirkular magnetisiert und mit einer Ausgangsspule versehen ist, in welcher bei der Torsion durch Verformung des magnetischen Feldes des Torsionskörpers eine elektromotorische Kraft erregt wird.
Der erfindungsgemässe Dehnungsmesser ist dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionskörper r an beiden Enden mit senkrecht zu seiner Achse verlaufenden Platten versehen ist, die abgewinkelte, parallel zur Achse des Torsionskörpers in einer Ebene liegende Fortsätze von dreieckiger Form besitzen, welche auf je einem von zwei parallelen Bändern aus elastischem, widerstandsfähigem Material so angeordnet sind, dass die Platten senkrecht auf der durch die Bänder bestimmten Ebene stehen, wobei an den Enden der Bänder zur Verbindung mit dem zu messenden Material je ein Fuss oder eine Schneide angeordnet ist.
Die Überführung der Materialverformung in eine elektromotorische Kraft weist t zum Unterschied von andern Messmethoden die hervortretende Eigenschaft auf, dass die elektromotorische Kraft unter Mithilfe einer einfachen Erregnngs sowie Ausgangsvorrichtung erzielt wird, wobei die Anordnung frei von Zwischenstufen ist, welche Ungenauigkeiten mit sich bringen und den Wirkungsgrad der Überführung beeinträch- tigen.
Der elektromagnetische Dehnungsmesser nach der Erfindung kann in verschiedenen Varianten, die von der Gebrauchsart und der Grösse abhängig sind, ausgeführt werden. Eine typische beispielsweise Ausführungsform ist schematisch in der Zeichnung dargestellt, wobei die
Fig. 1 den Dehnungsmesser im Aufriss, geschnitten entlang der Linie 1-1 in Fig. 2 (Windungen der Ausgangsspule 6 nicht gezeichnet),
Fig. 2 im Grundriss und
Fig. 3 im Seitenriss, teilweise geschnitten entlang der Linie III-III in Fig. 2 (Drähte der Spule 6 wiederum nicht gezeichnet) darstellt.
Der Dehnungsmesser besitzt zwei Platten 1, die aufrechtstehend, mittels im rechten Winkel abgewinkelter Fortsätze 1' von dreieckiger Form, auf je einem mit einem Fuss 2 oder einer Schneide versehenen Band 3 aus elastischem, widerstandsfähigem Material befestigt sind. Die beiden Bänder 3 liegen in derselben Ebene. Der rohrförmige Torsionskörper 4 verbindet beide Platten 1, indem er mit je einem seiner Enden in eine der Platten 1 unverdrehbar und fest eingesetzt ist. Den Erregungsteil bildet die Spule 5, die durch und beidseits um den hohlen Torsionskörper 4 gewickelt ist, und den Aufnahmeteil die Spule 6, die um den Torsionskörper herum gewickelt ist. Der Ausgangs- und der Erregungsstromkreis können untereinander vertauscht werden.
Der Erregungsstrom wird durch einen Strommesser überwacht, und die Ausgangsspannung wird mit einem Spannungsmesser gemessen (nicht dargestellt). Die Erregung kann anstatt durch einen Erregungsstrom auch permanentmagnetisch erfolgen, indem beispielsweise der Torsionskörper selbst als Dauermagnet ausgebildet wird, wobei natürlich der Erregungsstromkreis entfällt.
Die Messung mit diesem Dehnungsmesser r wird so durchgeführt, dass die Füsse 2 desselben mit dem zu messenden Material fest verbunden werden. Eine Verlängerung oder Verkürzung des Materials überträgt sich durch Vermittlung der Bänder 3 auf die Platten 1 und dadurch auch auf den Torsionskörper 4. In diesem Torsionskörper 4 wird eine überlagerte Beanspruchung, welche eine Torsionskomponente enthält, verursacht. Wenn durch den Erregungsstrom in der toroidalen Spule 5 im Torsionskörper 4 ein zirkulares elektromagnetisches Feld erzeugt wird, dann wird dieses elektromagnetische Feld durch die Torsionsbeanspruchung so deformiert, dass eine der Grösse der Verdrehung proportionale Längskomponente auftritt.
Diese erregt in der Ausgangsspule 6 eine mit dem Spannungsmesser zu messende elektromotorische Kraft, welche ebenfalls der Verdrehung des Torsionskörpers und damit der Längenänderung des Materials proportional ist.
Der elektromagnetische Dehnungsmesser in dieser Anordnung dientzum Messen von Verformungen durch Zug- und Druckspannungen. Man kann ihn auch zum Messen von Verformungen durch Schubspannungen und daher auch zum Messen der Beanspruchung auf Biegung und Verdrehung benützen. Bei verschiedenem Wärmeausdehnungsvermögen des zu messenden Materials und des Dehnungsmessers kann man auch die jeweilige Temperatur messen; anderseits ist es im Falle der Messung von Verformungen notwendig, den Temperatureinfluss durch einen Ausgleichsdehnungsmesser, ganz ähnlich wie bei den Dehnungsmessstreifen, zu kompensieren.
Der Dehnungsmesser dient in allen technischen Zweigen zum Messen geringfügiger Längenänderungen, gleichgültig, ob diese durch Materialspannung, Wärmedehnung oder durch Bodenbewegung usw. verursacht werden.
So kann man diesen Dehnungsmesser vorteilhaft zur Messung der Verformungen von Talsperrendammkronen, der Bewegung von Gesteinen, insbesondere in Bergwerken, zum Messen der Grösse von Bergdrücken, von Walzdrücken, Drücken von Bergbaumaschinen und andern Grossmaschinen auf das Fundament, zum Messen der Zugkraft von Ketten, der Beanspruchung von Maschinenteilen an gefährdeten Stellen (als Sicherheitseinrichtung) usw. verwenden.
In allen diesen Fällen werden die Änderungen auf einfache und genaue Weise in eine elektromotorische Kraft übergeführt, welche mit einem Spannungsmesser ferngemessen und registriert werden kann, oder welche ein Sicherheitsrelais einschaltet usw.
Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Dehnungsmessers liegt in der einfachen Messapparatur, welche ohne elektronische Hilfsmittel arbeiten kann.
Electromagnetic extensometer
The invention relates to an electromagnetic extensometer for measuring the slight changes in length which, for. B. voltages caused by Matenalspan, temperature changes and the like.
A number of mechanical and electrical strain gauges of various types are already known, of which the resistance strain gauge is the most commonly used. The construction of the electromagnetic strain gauge according to the invention resembles, as far as use in men technology is concerned, most of the strain gauge of this type. Although the strain gauge appears to be simple at first glance, the production of the same is very difficult and the results that can be achieved with it depend on its careful manufacture. It is also extremely sensitive to its treatment, changes in temperature and humidity, and aging. In addition, it can only be used once, as a subsequent necessary control and possible recalibration of the extensometer is not possible.
Complicated and expensive equipment is required for the actual measurement. If, on the other hand, simpler measuring apparatuses are used, the strain gauges must be of a complicated design in accordance with the required measuring accuracy, or the measuring accuracy and the area of application are severely limited.
The strain gauge according to the invention is intended to enable precise measurement with an uncomplicated design. It exploits a phenomenon corresponding to the Wiedemann effect, namely that the circular and coaxial magnetic field lines built up in a ferromagnetic rod that is circularly magnetized by an alternating electrical current, are distorted into helical lines when the rod is subjected to torsional stress, the gradient of which is a (axially extending) Longitudinal component of the magnetic field equals.
In a correspondingly arranged output coil, an electromotive force is then induced by a longitudinal component which is proportional to the torsional stress on the rod.
The present invention relates to an electromagnetic extensometer, which consists of a ferromagnetic torsion body which is circularly magnetized by the current flowing in an excitation circuit or a permanent magnet and is provided with an output coil in which an electromotive force is generated during torsion by deformation of the magnetic field of the torsion body is excited.
The extensometer according to the invention is characterized in that the torsion body r is provided at both ends with plates running perpendicular to its axis, which have angled, triangular-shaped extensions lying parallel to the axis of the torsion body in one plane, each on one of two parallel bands made of elastic, resistant material are arranged in such a way that the plates are perpendicular to the plane defined by the bands, with a foot or a cutting edge being arranged at each end of the bands for connection to the material to be measured.
In contrast to other measurement methods, the conversion of the material deformation into an electromotive force has the prominent property that the electromotive force is achieved with the help of a simple excitation and output device, the arrangement being free of intermediate stages, which result in inaccuracies and the efficiency affect the transfer.
The electromagnetic extensometer according to the invention can be designed in different variants, which are dependent on the type of use and the size. A typical example embodiment is shown schematically in the drawing, wherein the
1 shows the strain gauge in elevation, sectioned along the line 1-1 in FIG. 2 (turns of the output coil 6 not shown),
Fig. 2 in plan and
Fig. 3 shows in side elevation, partially sectioned along the line III-III in Fig. 2 (wires of the coil 6 again not shown).
The extensometer has two plates 1, which are attached upright, by means of extensions 1 'of triangular shape angled at right angles, on each of a band 3 of elastic, resistant material provided with a foot 2 or a cutting edge. The two bands 3 are in the same plane. The tubular torsion body 4 connects the two plates 1 by being inserted firmly and non-rotatably into one of the plates 1 with one of its ends. The excitation part is formed by the coil 5, which is wound through and on both sides around the hollow torsion body 4, and the receiving part is formed by the coil 6, which is wound around the torsion body. The output and excitation circuits can be interchanged.
The excitation current is monitored by an ammeter and the output voltage is measured with a voltmeter (not shown). The excitation can also take place permanently magnetically instead of by an excitation current, for example by designing the torsion body itself as a permanent magnet, with the excitation circuit being of course omitted.
The measurement with this extensometer r is carried out in such a way that the feet 2 of the same are firmly connected to the material to be measured. A lengthening or shortening of the material is transmitted through the intermediary of the bands 3 to the plates 1 and thereby also to the torsion body 4. In this torsion body 4, a superimposed stress, which contains a torsion component, is caused. If a circular electromagnetic field is generated in the torsion body 4 by the excitation current in the toroidal coil 5, this electromagnetic field is deformed by the torsional stress in such a way that a longitudinal component proportional to the magnitude of the twist occurs.
This excites in the output coil 6 an electromotive force to be measured with the voltmeter, which is also proportional to the rotation of the torsion body and thus the change in length of the material.
The electromagnetic extensometer in this arrangement is used to measure deformations due to tensile and compressive stresses. It can also be used to measure deformations due to shear stresses and therefore also to measure the stress on bending and torsion. If the material to be measured and the extensometer have different thermal expansion capacities, the respective temperature can also be measured; on the other hand, in the case of measuring deformations, it is necessary to compensate for the influence of temperature using a compensating strain gauge, very similar to the one used with strain gauges.
The extensometer is used in all technical branches to measure slight changes in length, regardless of whether these are caused by material tension, thermal expansion or movement of the ground, etc.
This strain gauge can be used advantageously for measuring the deformation of dam crests, the movement of rocks, especially in mines, for measuring the magnitude of mountain pressures, rolling pressures, pressures of mining machines and other large machines on the foundation, for measuring the tensile force of chains, the Use stress on machine parts in endangered areas (as a safety device) etc.
In all of these cases, the changes are converted in a simple and precise manner into an electromotive force, which can be remotely measured and registered with a voltmeter, or which switches on a safety relay, etc.
Another advantage of the extensometer described is the simple measuring apparatus that can work without electronic aids.