Magnetoelastische Messvorrichtung für mechanische Druckkräfte
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetoelastische Messvorrichtung für mechanische Druckkräfte, nach der im Patent Nr. 327001 beschriebenen Art. Die Messvorrichtung enthält also mindestens einen von der zu messenden Kraft beanspruchten Messkörper aus magnetostriktivem Material. Der Messkörper ist mit einer Anzahl, vorzugsweise vier, durch den Messkörper gehenden Löchern oder Nuten versehen, in welche mindestens zwei Wicklungen verlegt sind, von denen die eine als Erregerspule dient und an eine elektrische Stromquelle angeschlossen ist, während die andere als Messspule dient und an ein elektrisches Messgerät angeschlossen ist.
Die Wicklungen sind vorzugsweise so angeordnet, dass ihre Wicklungsebenen im wesentlichen senkrechtzueinander liegen und ungefähr einen Winkel von 45" mit der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft bilden. Wegen der magnetostriktiven Eigenschaften des Messkörpers wird die gegenseitige Induktanz der Spulen und damit auch die in der Messspule induzierte Spannung von den mechanischen Spannungen abhängig, die von der den Messkörper beeinflussenden Kraft in den Teilen des Messkörpers erzeugt wird, wo der magnetische Fluss seine grösste Dichte hat, d. h. hauptsächlich in dem von den Wicklungen umschlossenen Teil des Messkörpers. Diese Teile des Messkörpers werden im folgenden der Einfachheit halber als Messzone bezeichnet.
Bei den bekannten Ausführungsformen von Messkörpern dieser Art sind die von der zu messenden Kraft beeinflussten Enden des Messkörpers mit vorstehenden Ansätzen versehen, die gerade über der Messzone liegen und eine kleinere Querschnittsfläche als der übrige Messkörper haben und auf welchen die zu messende Kraft angreift. Diese Ansätze bewirken, dass das Messresultat verhältnismässig unabhängig von der Verteilung der zu messenden Kraft über die von ihr beeinflussten Flächen wird. Die vorstehenden Ansätze sind weiter so bemessen, dass eine eventuelle mechanische Überlastung des Materials des Messkörpers in den Ansätzen früher entsteht als in den Kanten der in der Messzone liegenden Wicklungsnuten, weshalb die Gefahr für bestehende Formveränderungen der Messzone und daraus folgende Messfehler vermindert wird.
Messkörper dieser Art haben auch den Vorteil, dass sie sehr empfindlich sind. Sie haben jedoch gewisse Nachteile, die bei gewissen Verwendungen sehr ernst sind.
Diese Nachteile haben ihre Ursache darin, dass bei der beschriebenen Art von Messkörpern die beeinflussende Kraft sich entweder ungefähr gleichmässig über die Querschnittsfläche des Messkörpers verteilt, oder, wenn der Messkörper mit den obengenannten Ansätzen versehen ist, derart verteilt wird, dass die Messzone von einer grösseren Kraft beeinflusst wird als die in den Aussenkanten des Messkörpers liegenden Teile. Weiter ist, wie bekannt, die mechanische Beanspruchung in den Kanten eines Loches in einem gleichmässig belasteten Körper ungefähr dreimal grösser als in den übrigen Teilen des Körpers. Folglich wird bei den bekannten Messkörpern die mechanische Beanspruchung in den Kanten der Wicklungsnuten und damit in der Messzone beträchtlich grösser als in den übrigen Teilen des Messkörpers, die folglich in mechanischer Hinsicht sehr schlecht ausgenützt werden.
Dazu kommt, dass ein ausreichend genaues konstantes Verhältnis zwischen der abgegebenen Spannung der Messspule und der den Messkörper beeinflussenden Kraft nur so lange erhalten wird, bis die mechanische Beanspruchung der Messzone nicht einen gewissen Wert überschreitet, und dass dieser Wert für alle in Frage kommenden Materialien niedriger und für viele Materialien beträchtlich niedriger ist als die mechanische Beanspruchung, die von der mechanischen Festigkeit aus zulässig ist. Wenn also der Messkörper nur innerhalb des linearen Messbereichs arbeiten soll, wird er in mechanischer Hinsicht sehr schlecht ausgenützt, und bei Messung grosser Kräfte wird die Messvorrichtung folglich gross.
Bei Messvorrichtungen für grosse Kräfte, die normalerweise aus mehreren nebeneinander liegenden Messkörpern bestehen, deren angegebene Spannungen zueinander addiert werden, ist es indessen von grundsätzlicher Bedeutung, dass die Messkörper innerhalb des linearen Messbereiches arbeiten, um eine fehlerfreie Messung zu erhalten. Es ist weiter bei vielen Verwendungen sehr wesentlich, dass die Messvorrichtung so klein wie möglich ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetoelastische Messvorrichtung der oben beschriebenen Art, die mit den erwähnten Nachteilen nicht behaftet ist.
Die Messvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ihr Messkörper bzw. ihre Messkörper so angeordnet sind, dass der Teil des Messkörpers, der aus der Messzone und den zwischen dieser und den von der zu messenden Kraft beeinflussten Enden des Messkörpers liegenden Materialpartien besteht, mechanisch weicher als die übrigen Teile des Messkörpers ist, so dass dieser Teil einen kleineren Anteil der beeinflussenden Kraft aufnimmt, als seiner Querschnittsfläche senkrecht zu der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft entspricht.
Hierdurch wird erreicht, dass das Verhältnis zwischen der mechanischen Beanspruchung in der Messzone und der mechanischen Beanspruchung in den übrigen Teilen des Messkörpers beträchtlich kleiner wird als bei den bisher bekannten Messkörpern, weshalb die übrigen Teile des Messkörpers in mechanischer Hinsicht beträchtlich besser ausgenützt werden können, ohne dass die mechanische Beanspruchung in der Messzone den für lineare Messung zulässigen Wert überschreitet.
Eine Messvorrichtung nach der Erfindung kann somit im Vergleich zu den bisher bekannten Messvorrichtungen bei derselben Grösse beträchtlich grössere Kräfte messen unter Beibehaltung einer guten Messlinearität.
In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 und 2 zwei beispielsweise Ausführungsformen eines einzelnen Messkörpers, während die Fig. 3 und 4 zwei beispielsweise Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Messvorrichtung zeigen, die aus mehreren Messkörpern besteht.
Fig. 1 zeigt einen Messkörper 1, der in bekannter Weise mit vier zentral im Messkörper angeordneten Löchern 2 versehen ist, in welche die Erreger- und Messspulen des Messkörpers im Prinzip nach der im Patent Nr. 327001 beschriebenen Weise verlegt sind.
Die Messzone 3 besteht im wesentlichen aus der zwischen den Wicklungsnuten liegenden Partie. Nach der Erfindung ist der Messkörper weiter mit zwei Löchern oder Ausnehmungen 4 versehen, die auf beiden Seiten der Messzone 3 in der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft P liegen. Die Wirkungsweise der Erfindung ist leicht verständlich, wenn man sich vorstellt, dass der Messkörper aus drei verschiedenen Teilen besteht, die in Fig. 1 mit 5, 6 und 7 bezeichnet und durch gestrichelte Linien getrennt sind. Es ist offenbar, dass der Mittelteil 6 wegen der Ausnehmungen 4 in mechanischer Hinsicht beträchtlich weicher ist als die massiven Aussenteile 5 und 7. Der Mittelteil 6 wird folglich einen wesentlich kleineren Anteil der totalen Kraft P aufnehmen, als seiner Querschnittsfläche entspricht.
Durch Variieren der Grösse der Ausnehmungen 4 und ihrer Abstände von der Messzone ist es möglich, die Grösse der die Messzone beeinflussenden Kraft zu variieren und dadurch auch das Verhältnis zwischen der mechanischen Beanspruchung in der Messzone 3 und in den Teilen 6 und 7, so dass diese Teile in mechanischer Hinsicht völlig ausgenützt werden. Auch bei einem solchen Messkörper ist es zweckmässig, die von der zu messenden Kraft beeinflussten Enden des Messkörpers mit-vorstehenden Ansätzen 8 zu versehen, die eine kleinere Querschnittsfläche als der übrige Messkörper haben und auf welchen die zu messende Kraft P angreift, wodurch die Kraftverteilung das Messresultat weiter beeinflusst.
Die Ausnehmungen 4 können für die Bolzen verwendet werden, die zur Steuerung und zum Zusammenhalten der nebeneinander liegenden dünnen Bleche erforderlich sind, aus welchen der Messkörper normalerweise besteht.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Messkörpers, der auch mit Ausnehmungen 9 versehen ist, die indessen in diesem Fall so sind, dass sie die Messzone 3 mit den Wicklungsnuten 2 von dem übrigen Teil des Messkörpers ganz abschneiden, mit Ausnahme von zwei diametral von der Messzone in der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft P ausgehenden Materialbrücken 10, die eine beträchtlich kleinere Querschnittsfläche senkrecht zur Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft haben als die übrigen Teile des Messkörpers. Auch bei dieser Aus führungsform der Erfindung ist es zweckmässig, sich vorzustellen, dass der Messkörper aus drei Teilen 11, 12 und 13 besteht, die von der Kraft P gleich stark zusammengedrückt werden sollen.
Es ist selbstverständlich, dass eine beträchtlich grössere Kraft erforderlich ist, um die steifen Aussenteile 11 und 13 zusammenzudrücken als den Mittelteil 12, der wegen der schmalen Brücken 10 beträchtlich weicher ist. Die Messzone 3 wird folglich von einem beträchtlich kleineren Anteil der totalen Kraft P beeinflusst, als ihrer Querschnittsfläche entspricht.
Es ist auch möglich, einen Messkörper mit Ausnehmungen sowohl entsprechend den mit 9 in Fig. 2 bezeichneten als auch mit Ausnehmungen entsprechend den mit 4 in Fig. 1 bezeichneten zu versehen.
Wie schon erwähnt, muss eine Messvorrichtung für grosse Kräfte normalerweise mehrere Messkörper enthalten, die je von einem Anteil der totalen Kraft beeinflusst werden, und deren abgegebene Spannungen zueinander addiert werden. Die Messvorrichtung wird dabei zweckmässigerweise so angeordnet, dass die nebeneinander liegenden Messkörper eine gemeinsame mechanische Einheit bilden, z. B. in der in Patent Nr. 327001 beschriebenen Weise. Bei einer solchen Ausformung einer erfindungsgemässen Messvorrichtung entstehen indessen gewisse Schwierigkeiten.
Die Ursache dafür ist u. a., dass in dem Messkörper im Gegensatz zu bei bisher bekannten Messkörpern grosse mechanische Beanspruchungen bis zu den Aussenkanten des Messkörpers entstehen, weshalb eine gegenseitige mechanische Beeinflussung zwischen nebeneinander liegenden Messkörpern entsteht, wenn diese längs ihrer Seitenkanten zu einer mechanischen Einheit vereinigt sind. Bei einem einzelnen, ganz freien Messkörper wird die von der beeinflussenden Kraft erzeugte Zusammendrückung von einer entsprechenden Ausdehnung senkrecht zu der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft begleitet. Wenn der Messkörper indessen längs seiner Seitenkanten mit daneben liegenden Messkörpern vereinigt ist, wird diese Ausdehnung verhindert, was teils die Empfindlichkeit des Messkörpers vermindert und teils eine mechanische Rückwirkung zwischen den Messkörpern verursacht.
Diese mechanische Rückwirkung zwischen den verschiedenen Messkörpern hat zur Folge, dass die von einem gewissen Messkörper erhaltene Ausspannung nicht nur von der Belastung dieses Messkörpers, sondern auch von der Belastung der angrenzenden Messkörper abhängig ist. Die Messkörper, die die Aussenkanten der Messvorrichtung bilden, werden indessen keiner solchen Rückwirkung auf ihren freien Aussenkanten ausgesetzt, weshalb die Grösse der beschriebenen mechanischen Rückwirkung zwischen nebeneinander liegenden Messkörpern offenbar von der Lage der Messkörper innerhalb der Messvorrichtung abhängig ist. Die Summe der abgegebenen Spannungen der Messkörper wird deshalb von der Verteilung der totalen Kraft auf die verschiedenen Messkörper abhängig.
Bei einer Messvorrichtung mit mehreren nebeneinander liegenden Messkörpern, die eine mechanische Einheit bilden, ist es deshalb zweckmässig, schmale Schlitze zwischen den verschiedenen Messkörpern anzuordnen, welche Schlitze sich in der Beanspruchungsrichtung der zu messenden Kraft erstrecken.
Fig. 3 zeigt eine Messvorrichtung, die aus drei Messkörpern 14 der in Fig. 1 dargestellten Typs besteht, die eine mechanische Einheit bilden. Die Schlitze 15 sind längs der Grenzlinien zwischen den verschiedenen Messkörpern 14 angeordnet und erstrecken sich bis nahe an die von der zu messenden Kraft beeinflussten Endflächen der Messvorrichtung, so dass die Messkörper mechanisch durch verhältnismässig schmale Materialbrücken 16 verbunden werden.
Die Messkörper sind folglich sowohl magnetisch als auch mechanisch völlig unabhängig voneinander.
Diese Ausführungsform ist jedoch gegenüber Seitenkräften verhältnismässig weich. Weiter können Messfehler entstehen, wenn die zu messende Kraft sehr ungleichmässig über die Endflächen der Messvorrichtung verteilt ist. Wenn man voraussetzt, dass die Kraft in einem extremen Fall so ungleichmässig auf einen Messkörper verteilt ist, wie durch die Pfeile P1 auf dem linken Messkörper angedeutet ist, wird diese Kraft P1 in der Messzone des Messkörpers nur eine diagonale Schubspannung erzeugen, die die abgegebene Spannung des Messkörpers nicht nennenswert beeinflusst, weshalb ein Messfehler entsteht. Besonders in der letztgenannten Hinsicht ist die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform vorteilhafter.
Auch Fig. 4 zeigt eine Messvorrichtung mit drei Messkörpern 17 des in Fig. 1 dargestellten Typs. Die Messkörper werden durch schmale Schlitze 18 längs der Grenzlinien zwischen den Messkörpern voneinander getrennt. Diese Schlitze 18 enden indessen in einem wesentlichen Abstand von den von der zu messenden Kraft beeinflussten Endflächen der Messvorrichtung. Dadurch wird erreicht, dass bei jedem dieser Enden der Messvorrichtung eine verhältnismässig kräftige, sich durch alle Messkörper ununterbrochen erstreckende Materialpartie 19 entsteht. Diese Materialpartien 19 wirken als zwei für alle Messkörper gemeinsame, verhältnismässig steife Balken , die zu einem Ausgleich zu grosser Variationen in der Kraftverteilung über die Endflächen der Messvorrichtung beitragen.
Die Schlitze 18 verhindern indessen im wesentlichen alle ungünstigen magnetischen und mechanischen Rückwirkungen zwischen nebeneinander liegenden Messkörpern.