AT502314B1 - Vorrichtung zur messung der belastung eines entlang einer messstrecke verlagerbaren gegenstandes - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Belastung eines entlang einer Meßstrecke verlagerbaren Gegenstandes durch in Verlagerungsrichtung wirksame Kräfte mit einer magnetostriktiven Meßeinrichtung, die einen entlang der Meßstrecke verlaufenden, an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Meßfühler und einen mit dem Meßfühler zusammenwirkenden, dem Gegenstand zugeordneten, magnetischen Lagegeber aufweist.

Magnetostriktive Meßeinrichtungen beruhen darauf, daß bei der Überlagerung eines entlang eines Wellenleiters verlaufenden, zum Wellenleiter koaxialen Magnetfeldes und eines dazu senkrechten, in Längsrichtung des Wellenleiters ausgerichteten Magnetfeldes aufgrund der Magnetostriktion eine mechanische Torsionswelle entsteht, die sich in beiden Richtungen entlang des Wellenleiters ausbreitet. Wird durch einen an einen Stromimpulsgenerator angeschlossenen Stromleiter innerhalb des rohrförmigen Wellenleiters ein Stromimpuls geführt, dessen Magnetfeld mit dem Magnetfeld eines magnetischen Lagegebers zusammenwirkt, so kann aus der Laufzeit des Stromimpulses und der rücklaufenden Torsionswelle aufgrund der bekannten Geschwindigkeiten des Stromimpulses und der Torsionswelle die Lage des Lagegebers mit einer hohen Auflösung bestimmt werden. Mit der Zuordnung des Lagegebers zu einem Gegenstand, der entlang des als Meßfühler dienenden Wellenleiters verlagert wird, kann somit eine vorteilhafte Meßeinrichtung für die Lage dieses Gegenstandes entlang einer durch den Meßfühler bestimmten Meßstrecke erreicht werden. Vorteilhaft solcher magnetostriktiver Meßeinrichtungen ist vor allem, deren berührungslose und damit verschleißfreie Meßvorgänge bei einer hohen Auflösung, die allerdings durch die Temperaturabhängigkeit der elektronischen Auswerteschaltung für die Meßgrößen nachteilig beeinflußt werden kann. Zur Temperaturkompensation bei einer solchen Lagebestimmung ist es bekannt (US 4 654 590 A), mehrere Permanentmagneten in einem vorgegebenen Abstand als Lagegeber für den hinsichtlich seines Verschiebeweges zu messenden Gegenstand vorzusehen. Aufgrund des bekannten gegenseitigen Abstandes dieser Lagegeber kann im Vergleich zum gemessenen Abstand eine Temperaturkompensation vorgenommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Einsatzgebiet von Vorrichtungen zur Messung der Lage eines entlang einer Meßstrecke verlagerbaren Gegenstandes so zu erweitern, daß neben der Lagemessung auch Belastungen des entlang der Meßstrecke verlagerbaren Gegenstandes durch in Verlagerungsrichtung wirksame Kräfte vorgenommen werden können.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Gegenstand zwei in Längsrichtung des Meßfühlers mit Abstand angeordnete, magnetische Lagegeber aufweist und daß die Auswerteschaltung den auf einen Referenzabstand bezogenen Abstand der beiden Lagegeber voneinander anhand ihrer Lagemeßwerte als Maß für die Belastung des Gegenstandes bestimmt.

Da der Abstand zwischen den beiden dem zu messenden Gegenstand zugeordneten Lagegebern bekannt ist und mit der magnetostriktiven Meßeinrichtung Veränderungen dieses Abstandes aufgrund äußerer Einflüsse mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden können, können über den Abstand zwischen den beiden Lagegebern des zu messenden Gegenstandes physikalische Parameter bestimmt werden, die sich auf die Länge des Gegenstandes in Längsrichtung des Meßfühlers auswirken, wie dies bei Krafteinwirkungen oder Temperaturbelastungen der Fall ist. Mit der Bestimmung des Abstandes zwischen den Lagegebern des Gegenstandes über deren Lageerfassung ergibt sich der Vorteil, daß sich Meßwertfehler aufgrund der Temperaturdrift der Auswerteschaltung der Meßeinrichtung weitgehend ausgleichen, weil sich der jeweilige Abstand der beiden Lagegeber des Gegenstandes aus der Differenz der Lagewerte dieser Lagegeber errechnet. Wird bei einer Messung gegenüber einem bei der Justierung einer solchen Vorrichtung gemessenen Referenzwert des Abstandes zwischen den Lagegebern ein Längenunterschied festgestellt, so kann aufgrund dieses Längenunterschiedes auf die Belastung des Gegenstandes rückgeschlossen werden. Zur Ermittlung einer auf den Gegenstand wirkenden Zug- oder Druckkraft ist hiefür das elastische Dehnungsverhalten des Gegenstandes zu berücksichtigen. 3 AT 502 314 B1

Um bei einer Kraftmessung die Temperaturbelastung berücksichtigen zu können, braucht keine gesonderte Temperaturmessung vorgenommen zu werden. Zu diesem Zweck können dem Meßfühler zumindest zwei magnetische Lagegeber in einem gegenseitigen Abstand in Längsrichtung des Meßfühlers ortsfest zugeordnet werden.

Aufgrund der beiden dem Meßfühler ortsfest zugeordneten Lagegeber kann der Abstand zwischen diesen Lagegebern in Längsrichtung des Meßfühlers durch die Differenz der für diese beiden Lagegeber gemessenen Lagewerte ermittelt werden. Da wiederum die durch die Wärmebelastung der Auswerteschaltung der Meßeinrichtung auftretenden Meßwertfehler bei der Lageerfassung der beiden Lagegeber des Meßfühlers weitgehend übereinstimmen, haben diese schaltungsbedingten Meßwertfehler keinen Einfluß auf die Größe des durch die Differenzbildung der beiden Lagewerte gebildeten Abstandswertes. Wird daher dieser bei einer beliebigen Temperatur ermittelte Abstand mit einem bei einer vorgegebenen Bezugstemperatur bestimmten Referenzwert dieses Abstandes verglichen, so ist ein anfälliger Unterschied zwischen dem jeweils ermittelten Abstand und dem Referenzwert dieses Abstandes auf den jeweiligen Temperaturunterschied zurückzuführen, so daß aufgrund des bekannten Wärmedehnungsverhaltens des Meßfühlers auf dessen Wärmebelastung geschlossen werden kann. Unter der Annahme, daß die Wärmebelastungen des Meßfühlers und des zu messenden Gegenstandes im wesentlichen übereinstimmen, was im allgemeinen zutrifft, kann über die magnetostriktive Meßeinrichtung zusätzlich eine Temperaturinformation erhalten werden, über die eine Temperaturkompensation der Kraftmessung in einfacher Weise vorgenommen werden kann.

Die beiden ortsfest dem Meßfühler zugeordneten Meßwertgeber erlauben aber auch eine Temperaturkompensation für die Lagebestimmung des zu messenden Gegenstandes. Hiefür kann ein Verfahren angewandt werden, das sich dadurch auszeichnet, daß zunächst der gegenseitige Abstand zweier dem Meßfühler ortsfest zugeordneter, magnetischer Lagegeber durch eine bei einer Bezugstemperatur gemessenen Lage dieser beiden Lagegeber berechnet und zusammen mit wenigstens einem der Lagemeßwerte als Referenzwert abgespeichert wird und daß dann die Meßwerte für die Lage des Gegenstandes in Abhängigkeit von den zugleich ermittelten, auf die Referenzwerte bezogenen Meßwerten für den Abstand und die Lage der dem Meßfühler zugeordneten Lagegeber korrigiert werden.

Wie bereits ausgeführt wurde, heben sich die durch die Wärmebelastung der Auswerteschaltung bedingten Meßwertfehler bei der Lageermittlung der beiden dem Meßfühler ortsfest zugeordneten Lagegeber bei der Ermittlung des gegenseitigen Abstandes dieser Lagergeber auf, so daß der ermittelte Lagegeberabstand mit dem bei einer Bezugstemperatur gemessenen, abgespeicherten Referenzwert dieses Abstandes verglichen werden kann, um aufgrund des temperaturbedingten Längenunterschiedes die temperaturabhängigen Meßwertfehler im Bereich der Auswerteschaltung berücksichtigen zu können. Zu diesem Zweck kann der durch die Temperaturbelastung der Auswerteschaltung bedingte Meßwertfehler aus dem Vergleich eines der gemessenen Lagewerte der dem Meßfühler zugehörigen Lagegeber mit dem abgespeicherten Referenzwert der zugehörigen Lage in einfacher Weise ermittelt werden, weil der über die temperaturbedingte Längenabweichung hinausgehende Längenunterschied zwischen dem jeweils gemessenen Lagewert und dem abgespeicherten Referenzwert dieser Lage dem schaltungsbedingten Meßwertfehler entsprechen muß, der dann bei der Auswertung der eigentlichen Meßgröße, nämlich der Lage des Gegenstandes entlang der Meßstrecke, in einfacher Weise berücksichtigt werden kann.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Belastung eines entlang einer Meßstrecke verlagerbaren Gegenstandes durch in Verlagerungsrichtung wirksame Kräfte in einem schematischen Längsschnitt gezeigt.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der hinsichtlich seiner Lage zu messende Gegenstand 1 durch den Kolben 2 eines Zylinders 3 gebildet, in dessen Boden eine magne-

Claims (3)

1. 4 AT 502 314 B1 tostriktive Meßeinrichtung 4 eingesetzt ist. Diese Meßeinrichtung 4 weist ein Gehäuse 5 mit einem Meßfühler 6 auf, der koaxial zum Zylinder 3 verläuft und in eine axiale Bohrung 7 des mit einer Kolbenstange 8 verbundenen Kolbens 2 eingreift. Der Meßfühler 6 wirkt mit zwei magnetischen Lagegebern 9, 10 des Kolbens 2 zusammen, die den Meßfühler 7 ringförmig umschließen und einen gegenseitigen Abstand X in Längsrichtung des Meßfühlers 6 besitzen. Der Meßfühler 6 ist ebenfalls mit zwei Lagegebern 11, 12 verbunden, die mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Mit Hilfe der Meßeinrichtung 4 können somit die Lagen x1t x2 für die Lagegeber 9, 10 und l1( l2 für die Lagegeber 11,12 gemessen und aus der Differenz dieser Lagemeßwerte x1f x2 und l1p l2 die Abstände X und L zwischen den beiden Lagegebern 9, 10 einerseits und 11,12 anderseits berechnet werden. Da die Lagemeßwerte x^ x2 und h, l2 aufgrund der Temperaturdrift der Auswerteschaltung, die im Gehäuse 5 untergebracht ist, mit einem weitgehend übereinstimmenden Fehler behaftet sind, heben sich diese Fehler bei der Ermittlung der Abstände X = x2 - und L = l2 - h auf. Wird zum Justieren der Meßeinrichtung 4 der Abstand L bei einer vorgegebenen Bezugstemperatur bestimmt und zusammen mit einem der dabei gemessenen Lagewerte als Referenzwerte Lr und lr abgespeichert, so sind alle Voraussetzungen für eine vorteilhafte Temperaturkompensation geschaffen. Der allenfalls auftretende Unterschied zwischen dem jeweils bestimmten Abstand L und dem abgespeicherten Referenzwert Lr zeigt eine temperaturbedingte Längenänderung an, so daß sich aus dem jeweils auf den Referenzwert Lr bezogenen Abstand L aufgrund der bekannten Dehnungskoeffizienten des Meßfühlers 6 eine Temperaturinformation ergibt, mit deren Hilfe die Temperaturdrift der Auswerteschaltung bei der Messung der Lage x des zu messenden Gegenstandes 1 berücksichtigt werden kann, und zwar entweder aufgrund der bekannten Abhängigkeit der Meßwertfehler von der Temperatur oder mit Hilfe des abgespeicherten Referenzwertes lr für einen Lagewert h bzw. I2 der beiden Lagegeber 11 12. Der über die temperaturbedingte Längenänderung hinausgehende Meßwertunterschied zwischen beispielsweise dem Meßwert h und dem zu diesem Meßwert li abgespeicherten Referenzwert lr ist auf den Meßwertfehler zufolge der Temperaturdrift der Auswerteschaltung zurückzuführen. Dieser temperaturabhängige, schaltungsbedingte Meßwertfehler kann somit in einfacher Weise zur Korrektur der gemessenen Lage x des Gegenstandes 1 entlang der durch den Meßfühler 6 bestimmten Meßstrecke herangezogen werden. Für die Messung des auf einen Referenzwert Xr bezogenen Abstandes X zwischen den beiden Lagegebern 9, 10 des Gegenstandes 1 gelten grundsätzlich vergleichbare Überlegungen, weil die Temperaturinformation aufgrund des auf den Referenzwert Lr bezogenen Abstandes L zwischen den Lagegebern 11, 12 des Meßfühlers 6 für eine Temperaturkompensation des jeweils gemessenen Abstandes X zwischen dem Lagegebern 9, 10 des Gegenstandes 1 herangezogenen werden kann, was dazu führt, daß der Bezug dieses korrigierten Meßwertes für den Abstand X auf den Referenzabstand Xr einen eindeutigen Rückschluß auf die den Gegenstand 1 in Längsrichtung des Meßfühlers 6 belastenden Zug- und Druckkräfte zuläßt. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Messen der Belastung eines entlang einer Meßstrecke verlagerbaren Gegenstandes durch in Verlagerungsrichtung wirksame Kräfte mit einer magnetostriktiven Meßeinrichtung, die einen entlang der Meßstrecke verlaufenden, an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Meßfühler und einen mit dem Meßfühler zusammenwirkenden, dem Gegenstand zugeordneten, magnetischen Lagegeber aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (1) zwei in Längsrichtung des Meßfühlers (6) mit Abstand (X) angeordnete, magnetische Lagegeber (9, 10) aufweist und daß die Auswerteschaltung den auf einen Referenzabstand (Xr) bezogenen Abstand (X) der beiden Lagegeber (9, 10) voneinander anhand ihrer Lagemeßwerte (Xi, x2) als Maß für die Belastung des Gegenstandes (1) bestimmt. 5 AT 502 314 B1
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßfühler (6) zumindest zwei magnetische Lagegeber (11, 12) in einem gegenseitigen Abstand in Längsrichtung des Meßfühlers (6) ortsfest zugeordnet sind.
3. 3. Verfahren zur Temperaturkompensation einer Vorrichtung zum Messen der Belastung eines entlang einer Meßstrecke verlagerbaren Gegenstandes durch in Verlagerungsrichtung wirksame Kräfte nach den Ansprüchen 1 und 2 mit einer magnetostriktiven Meßeinrichtung, die einen entlang der Meßstrecke verlaufenden, an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Meßfühler und wenigstens einen mit dem Meßfühler zusammenwirkenden, dem Gegenstand zugeordneten, magnetischen Lagegeber aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der gegenseitige Abstand zweier dem Meßfühler (6) ortsfest zugeordneter, magnetischer Lagegeber (11, 12) durch eine bei einer Bezugstemperatur gemessenen Lage dieser beiden Lagegeber (11, 12) berechnet und zusammen mit wenigstens einem der Lagemeßwerte (h, l2) als Referenzwert (Lr, lr) abgespeichert wird und daß dann die Meßwerte (Xi) für die Lage des Gegenstandes (1) in Abhängigkeit von den zugleich ermittelten, auf die Referenzwerte (Lr, lr) bezogenen Meßwerten (L, h, l2) für den Abstand und die Lage der dem Meßfühler (6) zugeordneten Lagegeber (11, 12) korrigiert werden. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen