DE3508337A1 - Device for the electromagnetic measurement of a load - Google Patents
Device for the electromagnetic measurement of a loadInfo
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Abstract
Description
HITACHI ELECTRONICS ENGINEERING CO., LTD. A 6110 Al/Sch HITACHI LTD.HITACHI ELECTRONICS ENGINEERING CO., LTD. A 6110 Al / Sch HITACHI LTD.
Beschreibungdescription
Vorrichtung zum elektromagnetischen Messen einer Belastung 10Device for electromagnetic measurement of a load 10
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Messen einer Belastung, bei welcher selbst dann, wenn eine Oberfläche eines magnetischen Konstruktions- bzw. Baumaterials (oder Substanz), welches gemessen werden soll, gekrümmt ist, ein Meßergebnis mit hoher Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit erhalten wird, da ein Endabschnitt eines Magnetkerns einer Erregerwicklung und einer Meßwicklung, d. h. ein Meßkopfabschnitt in naher Berührung mit der Oberfläche des magnetischen Baumaterials steht.The present invention relates to a device for electromagnetic measurement of a load at which even if a surface of a magnetic construction material (or substance), which is to be measured, is curved, a measurement result with high reliability and reproducibility is obtained, since an end portion of a magnetic core has an excitation winding and a measuring winding, i.e. H. a measuring head section is in close contact with the surface of the magnetic building material.
Eine einfache und zerstörungsfreie Belastungsmeßmethode zum entgegengesetzten Messen einer Belastung durch Erfassen magnetischer Anisotropie des magnetischen Baumaterials, z. B. eines Stahlmaterials, welche durch die Belastung auftritt, ist bekannt, vergleiche z. B. "Japanese Electric Society, Magnetics working group, document MFG-83-87, September 10, 1983". Wie in diesem Dokument beschrieben ist, weist ein konventioneller Sensor magnetischer Anisotropie, der hierbei verwendet wird, zwei Paare von Erregerwicklungen und Meßwicklungen auf, die jeweils Magnetkerne aufweisen. Ein Magnetkreis, der Erregerwicklungen und Meßwicklungen enthält, wird so ausgebildet, daß Endabschnitte der vier Magnetkerne, welche in ebener Fläche an den jeweiligen Ecken eines Quadrats oder in einem besonderen Fall eines Rhombus angeordnet sind, in BerührungA simple and non-destructive stress measurement method for oppositely measuring stress by sensing magnetic anisotropy of the magnetic building material, e.g. B. a steel material, which by the load occurs is known, compare z. B. "Japanese Electric Society, Magnetics working group, document MFG-83-87, September 10, 1983 ". As described in this document, a conventional sensor has magnetic anisotropy, which is used here, two pairs of excitation windings and measuring windings, each with magnetic cores exhibit. A magnetic circuit containing excitation windings and measuring windings is formed so that end portions of the four magnetic cores, which are in a flat surface at the respective corners of a square or in a special Case of a rhombus arranged in contact
mit der Oberfläche des zu messenden Baumaterials stehen.stand with the surface of the building material to be measured.
Wenn die Oberfläche des zu messenden Baumaterials eben ist, können alle Endabschnitte der Magnetkerne der Wicklungen in enge Berührung mit der Oberfläche des Baumaterials gebracht werden. Wenn die Oberfläche des zu messenden Baumaterials jedoch gekrümmt ist, können nicht alle Endabschnitte in enae Berührung mit der Oberfläche des Baumaterials gebracht werden. Dem hierbei erzielten Ergebnis IQ fehlt daher die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit.When the surface of the building material to be measured is flat, all of the end portions of the magnetic cores of the windings can be brought into close contact with the surface of the building material. However, when the surface of the building material to be measured is curved, not all of the end portions can be brought into close contact with the surface of the building material. The result IQ achieved here is therefore lacking in reliability and reproducibility.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Messen einer Belastung zu schaffen, bei welcher die Unzulänglichkeiten der bisher bekannten Vorrichtungen vermieden werden können und bei welcher ein Endabschnitt, d. h. ein Meßkopf, eines Magnetkerns immer in enge Berührung mit einer Oberfläche eines zu messenden Gegenstandes gebracht werden kann, selbst dann, wenn dessen Oberfläche gekrümmt ist, und bei welcher ein zuverlässiges Ergebnis erzielt werden kann.The present invention is directed to an apparatus for electromagnetic measurement of stress to create in which the shortcomings of the previously known devices can be avoided and at which is an end portion, d. H. a measuring head, a magnetic core always in close contact with a surface of a object to be measured can be brought even if its surface is curved, and in which a reliable result can be achieved.
Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß drei Wicklungen, insbesondere zwei Erregerwicklungen und eine Meßwicklung oder eine Erregerwicklung und zwei Meßwicklungen, welche auf einem magnetischen Substrat hoher magnetischer Permeabilität vorgesehen sind, benutzt werden, um die magnetische Anisotropie des zu messenden Gegenstandes zu erfassen. Durch Verwendung von drei Wicklungen, bzw. drei Magnetkernen können die jeweiligen Endabschnitte oder Meßköpfe von drei Magnetkernen in enge Berührung mit der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes gebracht werden, selbst wenn die Oberfläche des Gegenstandes gekrümmt ist. In diesem Falle sind die Endabschnitte der Magnetkerne halbkugelförmig ausgebildet, um die enge Be-This is achieved according to the present invention in that three windings, in particular two excitation windings and a measuring winding or an excitation winding and two measuring windings which are higher on a magnetic substrate magnetic permeability are provided, can be used to measure the magnetic anisotropy of the object to be measured capture. By using three windings or three magnetic cores, the respective end sections or measuring heads of three magnetic cores brought into close contact with the surface of the object to be measured even if the surface of the object is curved. In this case the end sections are the Magnetic cores are hemispherical in order to
Q5 rührung der Endabschnitte der Magnetkerne mit der Oberfläche des Gegenstandes gleichmäßig zu verwirklichen.Q5 the end sections of the magnetic cores touch the surface to realize the object evenly.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten derFurther advantages, features and possible uses of the
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:The present invention emerges from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the drawing. Show in it:
Figur 1A eine Vorderansicht eines Hauptteils einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche mit drei Wicklungen und drei Meßköpfen versehen ist,Figure 1A is a front view of a main part of an apparatus according to the present invention, which with three windings and three measuring heads is provided
Figur 1B eine Draufsicht des Hauptteils, Figur 1C eine Ansicht zur Illustrierung einer Erregerwicklung, welche durch kumulative Verbindung von Wicklungen 3a und 3c um Kerne 2a und 2c zur Erzeugung eines Magnetflusses 5a gebildet wird,Figure 1B is a plan view of the main part, Figure 1C is a view illustrating an excitation winding, which are formed by cumulatively connecting windings 3a and 3c around cores 2a and 2c to generate a magnetic flux 5a will,
Figur 1D eine Ansicht zur Illustrierung eines Aufbaus, in welchem jeweils Magnetflüsse 5d, 5e in zwei Kraftlinienwegen einer um einen Kern 2b gewickelten Spule 3b als Erregerspule erzeugt werden, welche zueinander rechtwinklig verlaufen, Figur 2A einen Schaltplan entsprechend Figur 1C, Figur 2B einen Schaltplan entsprechend Figur 1D, Figur 3A eine Ansicht einer unter TorsionsbelastungFigure 1D is a view to illustrate a structure, in each of which magnetic fluxes 5d, 5e are wound in two lines of force paths one around a core 2b Coil 3b are generated as an excitation coil, which run at right angles to each other, FIG. 2A shows a circuit diagram corresponding to FIG. 1C, FIG. 2B shows a circuit diagram corresponding to FIG. 1D, Figure 3A is a view of an under torsional load
stehenden Welle,standing wave,
Figur 3B eine Ansicht eines Zustandes, in welchem eine Hauptbelastung in einer Richtung von 45° zuFigure 3B is a view of a state in which a main load in a direction of 45 °
einer maximalen Scherbelastung erzeugt wird, Figur 4 eine Ansicht eines Zustandes, in welchem Meßköpfe entsprechend der vorliegenden Erfindung in einer Meßposition in enger Berührung mit der Welle angeordnet sind,a maximum shear stress is generated, Figure 4 is a view of a state in which measuring heads according to the present invention in a measuring position in close contact with the Shaft are arranged,
Figur 5 eine erläuternde Ansicht zur Illustrierung eines Zustandes zum Messen einer Axialbelastung der Schiene mit Hilfe eines Sensors magnetischer Anisotropie und eines magnetischen Störfeldes, gg Figur 6, 7A, 7B und 8 erläuternde Ansichten über UrsacheFIG. 5 is an explanatory view for illustrating a condition for measuring an axial load of the Rail with the help of a sensor of magnetic anisotropy and a magnetic interference field, gg Figs. 6, 7A, 7B and 8 are explanatory views of cause
und Wirkung des magnetischen Störfeldes,and effect of the magnetic interference field,
Figur 9 einen Schaltplan eines Hauptteils einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, undFIG. 9 is a circuit diagram of a main part of another embodiment of the present invention, and FIG
-χ--χ-
Figur 10 ein Beispiel eines Schaltkreises zum Messen der Axialbelastung der Schiene unter Verwendung des Sensors magnetischer Anisotropie und zum elektrischen Eliminieren des Einflusses des magnetischen Störfeldes.Figure 10 shows an example of a circuit for measuring the axial load on the rail using the Magnetic anisotropy sensor and to electrically eliminate the influence of the magnetic interference field.
Es ist experimentell festgestellt worden, daß eine Belastung proportional zur magnetischen Permeabilität innerhalb eines elastischen Bereichs ist, obwohl dies theoretisch nicht zufriedenstellend bewiesen worden ist.It has been experimentally found that a stress is proportional to the magnetic permeability within of an elastic range, although this has not been satisfactorily demonstrated theoretically.
Aufgrund dieser Erkenntnis ist eine elektromagnetische Belastungsmeßvorrichtung geschaffen worden. In dieser Vorrichtung wird die Richtung der Belastung durch Erfassen einer Richtung gemessen, in welcher ein Magnetfluß leicht hindurchführbar ist, und einer Richtung, in welcher der Magnetfluß schwierig hindurchführbar ist, in einem zu messenden magnetischen Material, d. h. durch Erfassen einer magnetischen Anisotropie dieses Materials.Based on this finding, an electromagnetic stress measuring device has been created. In this device the direction of stress is measured by detecting a direction in which magnetic flux is easy can be passed through, and a direction in which the magnetic flux is difficult to pass through, in one to measuring magnetic material, d. H. by detecting a magnetic anisotropy of this material.
Die Größe der Belastung kann gemessen werden, da die Differenz aufgrund der Richtung der magnetischen Permeabilität als gemessenes Ergebnis ausgegeben wird, wobei vorher eine Beziehung zwischen der magnetischen Permeabilität und der Belastung unter Verwendung eines Teststückes aus dem gleichen Material wie dem zu messenden magnetischen Material festgelegt wird.The magnitude of the stress can be measured as the difference is due to the direction of magnetic permeability is output as a measured result, with a relationship between the magnetic permeability and the load using a test piece made of the same material as the magnetic material to be measured is set.
Die Anordnung von jeweils zwei Erregerwicklungen und zwei Meßwicklungen, welche die Differenz der Magnetflüsse erfassen, welche durch die Erregerwicklungen in den Kraftlinienwegen unterschiedlicher Richtungen in dem zu messenden magnetischen Material erzeugt werden, ist zum Erfassen der magnetischen Anisotropie ausreichend, aber nicht notwendig.The arrangement of two excitation windings and two measuring windings, which detect the difference in magnetic fluxes, which by the excitation windings in the lines of force paths in different directions in the to measuring magnetic material is sufficient to detect the magnetic anisotropy, but unnecessary.
Die Magnetkreise, in welchen die Magnetflüsse durch zwei Erregerwicklungen in den jeweiligen unterschiedlichen Kraft-The magnetic circuits, in which the magnetic fluxes through two excitation windings in the respective different force
linienwegen erzeugt werden, haben einen Magnetkern gemeinsam. In einem solchen Fall kann die Erfassung der magnetischen Anisotropie durch zwei Erregerwicklungen und eine Meßwicklung erfolgen, indem die Meßwicklung um den vorhergehenden Magnetkern gewickelt wird. In ähnlicher Weise kann die Erfassung der magnetischen Anisotropie durch eine Erregerwicklung und zwei Meßwicklungen erfolgen.linear paths have a magnetic core in common. In such a case, the detection of the magnetic anisotropy by two excitation windings and one Measurement winding take place by winding the measurement winding around the preceding magnetic core. In a similar way the detection of the magnetic anisotropy can be done by an excitation winding and two measuring windings.
Die Erfassung der magnetischen Anisotropie gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von drei Wicklungen, in anderen Worten von drei Magnetkernen erfolgen.The detection of magnetic anisotropy according to the present invention can be performed using three windings, in other words made of three magnetic cores.
Demzufolge können drei Meßköpfe, welche Endabschnitte der Magnetkerne sind, in enger Berührung mit einer freien gekrümmten Oberfläche angeordnet werden, wenn keine Bereichsbegrenzung existiert. As a result, three measuring heads, which are end portions of the magnetic cores, can be in close contact with a free curved one Surface can be arranged if there is no area boundary.
In Figur1A ist eine Vorderansicht zur Illustrierung eines Hauptteils einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt, welche drei Wicklungen und drei Meßköpfe aufweist, welche auf einem gemeinsamen Substrat aus einem magnetischen Material mit hoher magnetischer Permeabilität installiert sind. Figur 1B ist eine Draufsicht dieses Hauptteils. Eine gemeinsame Kernbasis 1 besteht z. B. aus Permalloy und dergleichen und Kerne 2a, 2b und 2c bestehen ebenfalls z. B. aus Permalloy,und Wicklungen 3a, 3b und 3c sind vorgesehen, welche rechtwinklig zu der Kernbasis 1 installiert und an den jeweiligen Ecken eines rechtwinkligen, gleichschenkligen Dreiecks angeordnet sind, dessen Scheitelpunkt an der Position des Kerns 2b liegt.In Fig. 1A is a front view for illustrating one Main part of an apparatus of the present invention is shown which has three windings and three measuring heads, which are installed on a common substrate made of a magnetic material with high magnetic permeability are. Figure 1B is a plan view of this main part. One common core base 1 consists e.g. B. from Permalloy and the like and cores 2a, 2b and 2c also consist of, for. B. made of permalloy, and windings 3a, 3b and 3c are provided which are installed and attached at right angles to the core base 1 the respective corners of a right-angled, isosceles triangle are arranged, the vertex of which at the Position of the core 2b lies.
In Figur 1C ist eine Ansicht zur Illustrierung einer Erregerwicklung gezeigt, welche durch kumulative Verbindung der um die Kerne 2a und 2c gewundenen Wicklungen 3a und 3c zur Erzeugung eines Magnetflusses 5a gebildet wird. Darüber hinaus ist ein zu messender Gegenstand 4 dargestellt. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen den Bezugszeichen in den Figuren 1A und 1B. Die Wicklungen 3a und 3c erzeugenFIG. 1C is a view for illustrating an exciting winding which is obtained by cumulatively connecting the windings 3a and 3c wound around the cores 2a and 2c for generating a magnetic flux 5a is formed. In addition, an object 4 to be measured is shown. The remaining reference symbols correspond to the reference symbols in FIGS. 1A and 1B. Generate the windings 3a and 3c
nicht nur den Magnetfluß 5a, sondern auch Magnetflüsse bb und 5c in sich jeweils unter einem rechten Winkel kreuzenden Kraftlinienwegen. Wenn die magnetische Anisotropie erzeugt wird, sind die Werte μχ und μγ der magnetischen Permeabilität, wie in der Figur gezeigt, verschieden. Demzufolge fließt der Magnetfluß entsprechend der Differenz der Magnetflüsse 5b und 5c, welche in den beiden Kraftlinienwegen erzeugt werden, in dem Kern 2b der Wicklung 3b. Diese Differenz wird durch die Wicklung 3b gemessen bzw. erfaßt.not only the magnetic flux 5a but also magnetic fluxes bb and 5c in force line paths crossing each other at a right angle. When the magnetic anisotropy is generated, the values μχ and μγ are the magnetic ones Permeability, as shown in the figure, different. As a result, the magnetic flux flows according to the difference of the magnetic fluxes 5b and 5c generated in the two force line paths in the core 2b of the winding 3b. This difference is measured or detected by the winding 3b.
In Figur 1D ist eine Ansicht zur Illustrierung eines Aufbaus gezeigt, in welchem jeweils Magnetflüsse 5d und 5e in zwei Kraftlinienwegen der um den Kern 2b als Erregerspule gewickelten Spule 3b erzeugt werden, welche zueinander rechtwinklig sind. Wenn der zu messende Gegenstand die magnetische Anisotropie erzeugt, werden die magnetischen Permeabilitätswerte μχ und μγ verschieden. Demzufolge werden in diesem Fall die jeweiligen Magnetflüsse 5d und 5e durch die Wicklungen 3a und 3c erfaßt. Die beiden Meßergebnisse werden elektrisch umgewandelt und voneinander subtrahiert.In Fig. 1D is a view for illustrating a structure shown in which respectively magnetic fluxes 5d and 5e in two lines of force paths around the core 2b as an exciting coil wound coil 3b, which are perpendicular to each other. When the object to be measured generates magnetic anisotropy, the magnetic permeability values μχ and μγ become different. As a result In this case, the respective magnetic fluxes 5d and 5e are detected by the windings 3a and 3c. The two measurement results are converted electrically and subtracted from each other.
Bei den oben beschriebenen Verbindungsmethoden wird die Position der Meßköpfe, in welcher das maximale Ausgangssignal der Meßwicklungen entsprechend der Differenz der Magnetflußbeträge, die in den beiden sich rechtwinklig schneidenden Kraftlinienwegen erzeugt werden, gemessen wird, dadurch bestimmt, daß die Position, in welcher die Meßköpfe in 3Q enger Berührung mit dem zu messenden Gegenstand sind, Zentimeter um Zentimeter verschoben wird. Hierbei wird festgestellt, daß die Hauptbelastungen in den beiden gleichseitigen Richtungen des vorhergehenden rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecks bestehen.With the connection methods described above, the position of the measuring heads in which the maximum output signal of the measuring windings according to the difference in the magnitudes of the magnetic flux, which are generated in the two perpendicularly intersecting force line paths is measured thereby determines that the position in which the measuring heads are in close contact with the object to be measured, Is shifted centimeter by centimeter. It is found that the main stresses in the two consist of equilateral directions of the preceding right-angled isosceles triangle.
Figur 2A zeigt einen Schaltplan entsprechend Figur 1C.Figure 2A shows a circuit diagram corresponding to Figure 1C.
Hierbei sind die Wicklungen 3a und 3c mit einem Oszillator 8 verbunden und arbeiten als Erregerwicklungen. Das Aus-The windings 3a and 3c are connected to an oscillator 8 and work as excitation windings. The end-
gangssignal der Meßwicklung 3b wird durch einen Verstärker 9 verstärkt und durch einen Demodulator 10 gleichgerichtet, synchronisiert mit der Spannung des Oszillators 8.output signal of the measuring winding 3b is amplified by an amplifier 9 and rectified by a demodulator 10, synchronized with the voltage of the oscillator 8.
Figur 2B entspricht der Figur 1D. Hierbei ist die Wicklung 3b mit dem Oszillator 8 verbunden und arbeitet als Erregerwicklung. Die in den beiden Kraftlinienwegen mit sich rechtwinklig schneidenden Richtungen erzeugten Magnetflüsse werden jeweils durch die Wicklungen 3a und 3c erfaßt. Das entsprechende Ausgangssignal V wird über den Verstärker 9 und den Demodulator 10 erhalten.Figure 2B corresponds to Figure 1D. Here the winding 3b is connected to the oscillator 8 and works as an excitation winding. The magnetic fluxes generated in the two lines of force paths with directions intersecting at right angles are detected by the windings 3a and 3c, respectively. The corresponding output signal V is transmitted via the amplifier 9 and the demodulator 10 received.
In Figur 3A ist eine Ansicht einer zu messenden Welle gezeigt, der eine Torsionsbelastung auferlegt ist. Hierdurch wird, wie in Figur 3B gezeigt ist, eine maximale Scherbelastung "C1 erzeugt. Hauptbelastungen (T 1 und - xf. werden in einer Richtung von 45° zu der Richtung der maximalen Scherbelastung "C1 erzeugt. Wenn der Durchmesser der Welle d und das Drehmoment T ist, gilt folgende Beziehung: FIG. 3A shows a view of a shaft to be measured which is subjected to a torsional load. As a result, as shown in Figure 3B, a maximum shear stress "C 1 is created. Major stresses (T 1 and -xf. Are created in a direction 45 ° to the direction of the maximum shear stress" C 1. When the diameter of the shaft d and the torque is T, the following relationship applies:
τ1 * * T * σ1 Ϊ6 * d τ 1 * * T * σ 1 Ϊ6 * d
In Figur 4 ist eine Ansicht eines Zustandes gezeigt, in welchem die Meßköpfe in der zu messenden Position in enger Berührung mit der Welle angeordnet sind. Da, wie oben festgestellt worden ist, die Belastung proportional zur magnetischen Permeabilität ist, gilt folgende Beziehung:In Figure 4 is a view of a state is shown in which the measuring heads in the position to be measured in closer Are arranged in contact with the shaft. Since, as stated above, the load is proportional to the magnetic Permeability, the following relationship applies:
MX - ]xy = k (+O1) - k (- MX -] xy = k (+ O 1 ) - k (-
Für das Ausgangssignal V gilt daher folgendes:The following applies to the output signal V:
Vo = Ko V o = K o
-J--J-
Da T = σ, · —2 d^ gilt, wird folgendes ausgegeben:Since T = σ, · −2 d ^, the following is output:
1 161 16
2KO 16 ο2K O 16 ο
Alle drei Meßköpfe können in- enger Berührung mit der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes gebracht werden, selbst dann, wenn die Oberfläche des zu messenden magnetischen Baumaterials nicht eben ist, sondern eine zylindrisehe Oberfläche einer Welle oder eine konkave Oberfläche in einem Loch oder eine gekrümmte Oberfläche wie z. B. eine Kugeloberfläche oder eine kompliziert gekrümmte Oberfläche mit konkaven und konvexen Abschnitten oder dergleichen ist. Demzufolge kann die Belastungsmessung mit großer Zuverlässigkeit, Stabilität und Reproduzierbarkeit durchgeführt werden.All three measuring heads can be brought into close contact with the surface of the object to be measured, even if the surface of the magnetic building material to be measured is not flat, but rather close to a cylinder Surface of a shaft or a concave surface in a hole or a curved surface such as B. a spherical surface or a complicated curved surface with concave and convex portions or the like is. As a result, the stress measurement can be performed with great reliability, stability and reproducibility be performed.
Bei den vorhergehenden Ausführungsformen kann die Veränderung der Richtung der drei Wicklungen zur Oberfläche äes zu messenden Gegenstandes für die tatsächliche Erfassung der magnetischen Anisotropie erforderlich sein. In einem solchen Fall sind die Endabschnitte der Magnetkerne halbkugelförmig ausgebildet, um einen gleichmäßigen bzw. glatten engen Kontakt der Endabschnitte der Magnetkerne mit der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes zu verwirklichen.In the previous embodiments, the change the direction of the three windings to the surface of the object to be measured for the actual detection magnetic anisotropy may be required. In such a case, the end portions are the magnetic cores hemispherical in order to ensure a uniform or smooth close contact of the end portions of the magnetic cores to be realized with the surface of the object to be measured.
Wenn der zu messende Gegenstand magnetisiert worden ist, ist es möglich, die Belastung genau zu messen durch Entmagnetisierung des Gegenstandes durch einen Wechselstrom unmittelbar vor der Belastungsmessung, wie in der obengenannten Veröffentlichung "Japanese Electric Society, Magnetics working group, document MFG-83,87, 10. September 1983" beschrieben.When the object to be measured has been magnetized, it is possible to accurately measure the load by demagnetization of the object by an alternating current immediately before the stress measurement, as in the above Publication "Japanese Electric Society, Magnetics working group, document MFG-83,87, September 10th 1983 ".
Wie in Figur 5 gezeigt ist, wird ein Sensor 13 magnetischer Anisotropie auf eine Schiene 14 gesetzt, um eine Axialbelastung der Schiene 14 zu messen. Normalerweise fließenAs shown in Figure 5, a sensor 13 becomes more magnetic Anisotropy is set on a rail 14 in order to measure an axial load on the rail 14. Usually flow
zusammengesetzte Ströme, die zum Antreiben eines Zuges und zum Steuern von Signalen verwendet werden, durch die Schiene 14. Hierdurch wird ein Magnetfeld 16 entsprechend der Dreifingerregel der rechten Hand erzeugt.composite currents used to power a train and control signals through which Splint 14. This creates a magnetic field 16 in accordance with the three-finger rule of the right hand.
Wie in Figur 6 gezeigt ist, wird durch das Magnetfeld 16 ein Magnetfluß 16-1 in einer Erregerwicklung 11 und ein Magnetfluß 16-2 in einer Meßwicklung 12 erzeugt. Das Ausgangssignal der Meßwicklung ist so groß, daß es über den dynamischen Bereich eines Verstärkers gesättigt werden könnte. Das Magnetfeld 16 wird durch die durch die Schiene strömenden Ströme erzeugt und ist senkrecht zur axialen Richtung der Schiene. Das Magnetfeld 16 ist daher ein magnetisches Störfeld, das verschieden ist von dem Magnetfluß, der durch die Belastung in Axialrichtung der Schiene erzeugt wird, welcher durch den Sensor magnetischer Anisotropie gemessen wird.As shown in FIG. 6, the magnetic field 16 causes a magnetic flux 16-1 in an excitation winding 11 and a Magnetic flux 16-2 is generated in a measuring winding 12. The output signal of the measuring winding is so large that it is about the dynamic range of an amplifier could become saturated. The magnetic field 16 is generated by the rail flowing currents and is perpendicular to the axial direction of the rail. The magnetic field 16 is therefore a magnetic interference field, which is different from the magnetic flux, which is generated by the load in the axial direction of the rail, which is caused by the sensor of magnetic anisotropy is measured.
In Figur 7 sind die Richtungen der durch die Schiene 14 fließenden Ströme, des Magnetfeldes 16, welches durch diese Ströme erzeugt wird, und der Erregerwicklung 11 und der Meßwicklung 12 gezeigt. In Figur 7A ist ein Zustand gezeigt, in welchem der Magnetfluß in axialer Richtung der zu messenden Schiene leicht durch die Meßwicklung 12 erfaßt werden kann. In Figur 7B ist ein Zustand gezeigt, in welchem die Meßwicklung leicht durch das magnetische Störfeld 16 beeinflußt werden kann.In Figure 7, the directions of the currents flowing through the rail 14, the magnetic field 16, which through this Currents is generated, and the field winding 11 and the Measuring winding 12 is shown. In Figure 7A, a state is shown in which the magnetic flux in the axial direction of the to be measured rail can easily be detected by the measuring winding 12. A state is shown in FIG. 7B, in which the measuring winding can easily be influenced by the magnetic interference field 16.
Normalerweise ist bei dem vorhergehenden Sensor magnetischer Anisotropie ein Spulensystem, welches die Erregerwicklung und die Meßwicklung umfaßt, als Ganzes in bezug zu dem zu messenden Gegenstand drehbar. Figur 8 zeigt einen Zustand, in welchem die Meßwicklung durch das magnetische Störfeld beeinflußt ist und demzufolge der Verstärker gesättigt ist. In der Zeichnung entspricht ein Winkel von θ = 0 als Startpunkt einer Position, in welcher die Meßwicklung kein Ausgangssignal erzeugt. In anderen Worten, Figur 8 zeigt eine Beziehung zwischen dem Winkel θ im Be-Usually the previous sensor is more magnetic Anisotropy a coil system, which comprises the excitation winding and the measuring winding, as a whole with respect to the object to be measured rotatable. Figure 8 shows a state in which the measuring winding by the magnetic Interference field is influenced and consequently the amplifier is saturated. In the drawing, an angle corresponds to θ = 0 as the starting point of a position in which the measuring winding does not generate an output signal. In other words, Figure 8 shows a relationship between the angle θ in the
-yr--yr-
reich von 0 - 360° und dem Ausgangssignal V~ der Meßwicklung .range from 0 - 360 ° and the output signal V ~ of the measuring winding .
Wenn die Axialbelastung der Schiene mit Hilfe des Sensors magnetischer Anisotropie gemessen wird, ist es erforderlich, die Schiene durch die Erregerwicklung zu erregen und den erregten Zustand der Schiene durch die Meßwicklung zu erfassen. In diesem Fall ist die jeweilige durch die Erregerwicklung und Meßwicklung gebildete Ebene in einer Richtung von 45° zu der Schiene angeordnet. Aus Figur 8 geht hervor, daß die Existenz einer leicht magnetisierten Achse und der Umfang der Magnetisierungsfähigkeit aufgrund der in axialer Richtung der Schiene erzeugten Belastung nicht erfaßt werden kann für den Fall, in welchem die durch die Meßwicklung gebildete Ebene in der Richtung von 45° zu der Schiene angeordnet ist.When measuring the axial load on the rail using the magnetic anisotropy sensor, it is necessary to to excite the rail through the excitation winding and the excited state of the rail through the measuring winding capture. In this case, the respective plane formed by the excitation winding and measuring winding is in one Direction of 45 ° to the rail. From Figure 8 it can be seen that the existence of a slightly magnetized Axis and the extent of the magnetization ability due to the load generated in the axial direction of the rail cannot be detected for the case in which the plane formed by the measuring winding is in the direction of 45 ° to the rail.
Die Vorrichtung, in welcher die axiale Belastung der Schiene unter Verwendung eines Quersensors magnetischer Anisotropie gemessen werden kann, ohne durch das magnetische Störfeld beeinflußt zu sein, wird hiernach erläutert.The device in which the axial load on the rail using a transverse sensor is magnetic Anisotropy can be measured without being influenced by the interference magnetic field is explained below.
In Figur 9 ist der Hauptteil einer anderen Ausführungsform illustriert. Die Meßwicklungen 22-1 und 22-2 des einen Sensors 20-1, welche kumulativ verbunden sind, werden als eine Wicklung betrachtet. In ähnlicher Weise werden die Meßwicklungen 24-1 und 24-2 des anderen Sensors 20-2, welche kumulativ verbunden sind, als eine Wicklung betrachtet. Wenn die Sensoren 20-1 und 20-2 unter gleichem Winkel zur Schiene angeordnet sind, ist die Spannung, welche aufgrund des magnetischen Störfeldes in den Meßwicklungen 22-1 und 22-2 induziert wird, gleich derjenigen Spannung, welche aufgrund des magnetischen Störfeldes in den Meßwicklungen 24-1 und 24-2 induziert wird. Wenn andererseits die einen Meßwicklungen 22-1, 22-2 und die anderen Meßwicklungen 24-1, 24-2 differentiell verbunden sind,sind die beiden in den Meßwicklungen 22-1, 22-2 und den Meßwicklungen 24-1, 24-2 induzierten magnetischen Stör-In Fig. 9, the main part of another embodiment is illustrated. The measuring windings 22-1 and 22-2 of the a sensor 20-1 which are cumulatively connected are regarded as one winding. In a similar way the measuring windings 24-1 and 24-2 of the other sensor 20-2 which are cumulatively connected become one winding considered. If the sensors 20-1 and 20-2 are arranged at the same angle to the rail, the voltage is which is induced in the measuring windings 22-1 and 22-2 due to the magnetic interference field, the same as that Voltage which is induced in the measuring windings 24-1 and 24-2 due to the magnetic interference field. if on the other hand, the one measuring windings 22-1, 22-2 and the other measuring windings 24-1, 24-2 differentially connected are, the two are in the measuring windings 22-1, 22-2 and the measuring windings 24-1, 24-2 induced magnetic interference
felder versetzt, und demzufolge ergibt sich kein Ausgangssignal. fields offset, and consequently there is no output signal.
In diesem Falle sind jedoch die zu messenden Ausgangssignale, welche durch die Erregerwicklungen 21-1, 21-2 und 23-1, 23-2 induziert werden, ebenfalls gleichzeitig mit der Versetzung der magnetischen Störfelder versetzt. Hierzu sind die Erregerwicklungen 23-1 und 23-2 in Gegenphase verbunden, so daß die Signalspannungen, welche in den Meßwicklungen 22-1 und 22-2 induziert werden, ebenfalls Gegenphase aufweisen. Da diese Meßwicklungen differentiell mit den Meßwicklungen 24-1 und 24-2 verbunden sind, werden die Ausgangssignale addiert. Demzufolge wird das erfaßte Ausgangssignal, welches repräsentativ für die Magnetisierung der Schiene aufgrund der Erregerwicklung des Sensors magnetischer Anisotropie ist, zweimal so groß und das zu messende Ausgangssignal aufgrund der Erregerwicklungen kann sicher erfaßt werden, da die magnetischen Störfelder versetzt bzw. ausgeglichen sind.In this case, however, the output signals to be measured, which are generated by the excitation windings 21-1, 21-2 and 23-1, 23-2 are induced, also displaced simultaneously with the displacement of the magnetic interference fields. For this purpose, the excitation windings 23-1 and 23-2 are connected in phase opposition, so that the signal voltages, which in the measuring windings 22-1 and 22-2 are induced, also have antiphase. Since these measuring windings differentially are connected to the measuring windings 24-1 and 24-2, the output signals are added. As a result, the detected Output signal which is representative of the magnetization of the rail due to the excitation winding of the sensor magnetic anisotropy is twice as large and the output signal to be measured is due to the excitation windings can be reliably detected because the magnetic interference fields are offset or balanced.
Bei dieser Methode wirken die magnetischen Störfelder gleich auf die jeweiligen Sensoren 20-1 und 20-2 unabhängig von deren Richtungen und Intensitäten. Obwohl die magnetischen Störfelder auch versetzt sein können, wenn der Sensor 20-2 nicht erregt ist, ist das Ausgangssignal gleich demjenigen im Falle eines Sensors. Vorzugsweise wird vorab die Beziehung zwischen der Belastung und den Ausgangsspannungen in bezug auf eine Probe aus dem gleichen Material wie der Schiene vor der tatsächlichen Belastungsmessung gemessen.With this method, the magnetic interference fields act equally on the respective sensors 20-1 and 20-2 independently of their directions and intensities. Although the magnetic interference fields can also be offset if the Sensor 20-2 is not energized, the output is same as that in the case of a sensor. Preferably, the relationship between the load and the Output voltages with respect to a sample of the same material as the rail before the actual stress measurement measured.
In Figur 10 ist ein Schaltkreisbeispiel zum Messen der axialen Belastung der Schiene unter Verwendung des Sensors magnetischer Anisotropie und unter elektrischer Eliminierung des Einflusses des magnetischen Störfeldes gezeigt. Die SummierungsSpannung des Signals, erfaßt durch den Sensor 20 und das magnetische Störfeld, wird durch einen Verstärker 25 verstärkt und zu einer Gleichspannung durchReferring to Figure 10, there is an example of a circuit for measuring the axial loading of the rail using the magnetic anisotropy sensor and with electrical elimination the influence of the magnetic interference field is shown. The summation voltage of the signal detected by the Sensor 20 and the magnetic interference field is amplified by an amplifier 25 and converted to a direct voltage
einen Demodulator 26 umgewandelt. Hiernach wird das Ausgangssignal in einem Abtast-Halteschaltkreis 28-1 gehalten. Anschließend werden Schalter 27 mit den jeweiligen entgegengesetzten Klemmen verbunden. Hierdurch wird ein Nichterregungsstand erzeugt, so daß eine Störspannung in einem Abtast-Halteschaltkreis 28-2 gehalten werden kann. Daher kann nur das zu erfassende Ausgangssignal durch einen Differentialverstärker 29 geliefert werden.a demodulator 26 converted. After that the output signal becomes held in a sample and hold circuit 28-1. Then switch 27 with the respective opposite Terminals connected. As a result, a non-excitation state is generated, so that an interference voltage in one Sample and hold circuit 28-2 can be held. Therefore, only the output signal to be detected can be passed through a Differential amplifier 29 are supplied.
Wie oben im einzelnen erläutert worden ist, ist es mit der vorliegenden Vorrichtung möglich, die Meßköpfe in enger Berührung mit der Oberfläche des zu messenden magnetischen Baumaterials zu bringen, selbst wenn die Oberfläche des Baumaterials gekrümmt ist. Demzufolge kann bei der Belastungsmessung ein genaues und zuverlässiges Ergebnis erzielt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die axiale Belastung einer Schiene zu messen, ohne durch das magnetische Störfeld und die Sättigung des Verstärkers behindert zu sein.As has been explained in detail above, it is possible with the present device, the measuring heads in closer Contact with the surface of the magnetic building material to be measured, even if the surface of the Construction material is curved. As a result, an accurate and reliable result can be obtained when measuring the load be achieved. In addition, it is possible to measure the axial load on a rail without going through the magnetic Interference field and the saturation of the amplifier to be hindered.
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