DE3819083A1 - Magnetoelastische kraftmessvorrichtung - Google Patents
Magnetoelastische kraftmessvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine magnetoelastische Kraftmeß
vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist eine gattungsgemäße magnetoelastische Kraftmeß
vorrichtung bekannt (DE-OS 23 65 937), bei welcher der
Druckringkörper als massiver Ring ausgebildet ist und
der seine sich gegenüberliegenden Oberflächen miteinander
verbindende Kanäle aufweist, durch welche die Wicklung ge
führt ist. Werden hierbei die Stirnflächen des Ringes, der
beispielsweise aus normalem Stahl, Magnetstahl oder Ferrit
bestehen kann, mit der zu messenden Druckkraft beaufschlagt,
so führt die daraus resultierende Änderung der Permeabilität
des magnetostriktiven Materials des Ringes zu einer Änderung
des Wechselstromwiderstandes in der mit Wechselstrom er
regten Wicklung, die ein Maß für auf die Stirnflächen
wirkende Druckkraft ist.
Ferner ist allgemein bekannt (DE-Z: Technisches Messen tm,
Heft 5/1985, S.189-198, insb.S.192 ff), magnetoelastische
Sensoren zur Messung von Drehmomenten in Wellen oder als
Kraftaufnehmer einzusetzen.
Aufgabe der Erfindung ist, eine einfache magnetoelastische
Kraftmeßvorrichtung so auszubilden, daß eine gute thermische
Fehlerkompensation bei hoher Meßempfindlichkeit gewährleistet
ist.
Ferner soll die Vorrichtung auch für den Dauerbetrieb unter
schwierigen physikalischen und chemischen Umweltbedingungen
geeignet sein.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kraftmeß
vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merk
malen des Anspruches 1 gelöst, wobei besonders vorteil
hafte Aus- und Weiterbildungen durch die Merkmale der Unter
ansprüche gekennzeichnet sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs
gemäßen Kraftmeßvorrichtung in schematischer
Darstellung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungs
gemäßen Kraftmeßvorrichtung in schematischer
Darstellung, bei welcher u.a. die zu messende
Kraft in zu Fig. 1 anderer Weise eingeleitet wird
und
Fig. 3 in schematischer Darstellung die elektrische
Schaltung der verwendeten Wicklungen.
Die in den Figuren dargestellte magnetoelastische Kraft
meßvorrichtung 1 besteht jeweils aus einem metallischen
Druckringkörper 2 und einem metallischen Zughülsenkörper 3,
welche jeweils eine kleine elastomechanische Hysterese
aufweisen.
Der Druckringkörper 2 ist topfförmig ausgebildet und
weist eine ringflanschförmige Stirnfläche 2.1 und ein dünn
wandiges Hülsenteil 2.2 mit einer Stirnfläche 2.3 als Boden
auf. Ebenso ist der Zughülsenkörper 3 topfförmig ausgebildet
und weist einen Ringflansch 3.1 und ein dünnwandiges Hülsen
teil 3.2 mit einer Aufnahme 3.3 als Bodenteil auf, welche
mit einem Bolzen 4 zur Einleitung einer Kraft verbindbar ist.
Der Zughülsenkörper 3 ist gegenüber dem Druckringkörper 2
so dimensioniert, daß einerseits der Ringflansch 3.1 auf
der Stirnfläche 2.1 als Widerlager und zur Zentrierung auf
Anlage liegt, während die Stirnfläche 3.3.1 der Aufnahme 3.3
gegenüber der Bodenfläche 2.3.1 der Stirnfläche 2.3 einen
vorbestimmten Abstand a aufweist, und daß andererseits
zwischen dem Außenmantel des Hülsenteils 3.2 des koaxial
in den Hülsenteil 2.2 des Druckringkörpers 2 eingeschobenen
Zughülsenkörpers 3 und dem Innenmantel des Hülsenteils 2.2
nur ein geringer Abstand von beispielsweise 0,5 bis 2 mm
besteht.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bestehen sowohl der
Druckringkörper 2 als auch der Zughülsenkörper 3 aus nicht
magnetischem, elastischem Edelstahl, welche zur Verleihung
von magnetostriktiven Eigenschaften jeweils mit einer dünnen,
homogenen, gleichmäßigen, weichmagnetischen Meßschicht 2.4
bzw. 3.4 versehen sind. Die Meßschicht 2.4 ist hierbei
auf den Außenmantel 2.2.1 des Hülsenteils 2.2 des Druck
ringkörpers 2 und die Meßschicht 3.4 auf den Innenmantel
3.2.1 des Hülsenteils 3.2 des Zughülsenkörpers 3 aufge
bracht.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 hingegen bestehen
sowohl der Druckringkörper 2 als auch der Zughülsenkörper 3
aus teilmagnetischem oder magnetischem Material. Im Unter
schied zu Fig. 1 ist hierbei die dem Druckringkörper 2
magnetostriktive Eigenschaften verleihende Meßschicht 2.4
auf einer auf den Außenmantel 2.2.1 des Hülsenteils 2.2
aufgebrachten nichtweichmagnetischen, nichtmagneto
striktiven Zwischenschicht 2,5 und die dem Zughülsenkörper 3
magnetostriktive Eigenschaften verleihende Meßschicht 3.4
auf einer auf den Innenmantel 3.2.1 des Hülsenteils 3.2
aufgebrachten nichtweichmagnetischen, nichtmagnetostriktiven
Zwischenschicht 3.5 aufgebracht, wobei die Zwischenschichten
den Zweck haben, den Eigenmagnetismus des Druckringkörpers
und des Zughülsenkörpers über diese Zwischenschicht jeweils
magnetisch kurzzuschließen.
Die Meßschichten 2.4 und 3.4 bestehen aus einem fein
kristallinen oder amorphen Metall, insbesondere aus einer
chemisch und physikalisch optimierten NiP x -Schicht mit
einem Phosphoranteil von kleiner 7 Gewichts-Prozent bei
einer Schichtdicke von kleiner gleich 100 Mikrometern. Zum
Schutz der Meßschichten vor mechanischen oder chemischen
Beschädigungen können diese noch mit einer nichtmagnetischen,
nichtmagnetostriktiven Siegelschicht 2.4.1 bzw. 3.4.1 ver
siegelt sein, welche aus einer NiP x -Schicht mit einem
Phosphoranteil von größer 12 Gewichts-Prozent besteht.
Sämtliche Schichten können chemisch oder galvanisch in
einem einfachen und kostengünstigen Abscheideverfahren
auf ihre jeweilige Unterlage abgeschieden werden, wobei
bevorzugt das chemische Abscheideverfahren aufgrund er
zielbarer guter Haftung, Gleichmäßigkeit und Homogenität angewendet werden wird.
Einerseits ist nun auf der Meßschicht 2.4 am Außenmantel
2.2.1 des Druckringkörpers 2 eine Ringspule 2.6 angeordnet
und durch ein geeignetes Distanzteil 5 gegenüber dem Boden
eines die Vorrichtung 1 aufnehmenden Gehäuses 7 abgestützt.
Andererseits ist im Inneren des Zughülsenkörpers 3 auf
dessen am Innenmantel 3.2.1 aufgebrachter Meßschicht 3.4 eine
Ringspule 3.6 angeordnet, welche durch ein geeignetes
Distanzteil 6 an der Aufnahme 3.3 abgestützt ist.
Die Wicklungsanfänge und -enden 2.6.1, 2.6.2 und 3.6.1, 3.6.2
der beiden Ringspulen 2.6, 3.6 sind hierbei zu einer
induktiven Halbbrücke 8 gemäß Fig. 3 verschaltet und über
einen Stecker 9 aus dem Gehäuse 7 herausgeführt, an welchen
ein elektronisches Gerät 10, 10.1 zur Erregung und Aus
wertung einer Differenz-Induktivität anschließbar ist.
Die Funktion der Vorrichtung ist nun folgende:
Wird über den Bolzen 4 eine Zug- oder Druck-Kraft F auf den
Zughülsenkörper 3 der Vorrichtung 1 - welche insgesamt auf
einem Widerlager 11 abgestützt und angeordnet ist - einge
leitet, so wird dessen Hülsenteil 3.2 und mit diesem die
Meßschicht 3.4 gedehnt. Diese Dehnung (+σ) bewirkt - auf
grund der magnetoelastischen Kopplung - in der magneto
striktiven Meßschicht 3.4 eine Änderung der magnetischen
Permeabilität, welche von der über das elektronische
Gerät 10 - beispielsweise einem Träger-Frequenz-Hybrid
baustein - konstant erregten Ringspule 3.6 in eine
Induktivitätsänderung δ L=L o +Δ L (+σ) umgewandelt wird.
Da sich der Zughülsenkörper 3 über seinen Ringflansch 3.1
auf der Stirnfläche 2.1 des auf dem Widerlager 11 liegenden
Druckringkörpers 2 abstützt, wird derselbe einer Druckkraft
ausgesetzt. Die so erzeugte Druckspannung (-σ) bewirkt
- aufgrund der magnetoelastischen Kopplung - in der
magnetostriktiven Meßschicht 2.4 ebenfalls eine Änderung
der magnetischen Permeabilität, welche von der über das
elektronische Gerät 10 konstant erregten Ringspule 2.6 in
eine Induktivitätsänderung σ L=L o -Δ L (-σ) umgewandelt
wird. Da die beiden Ringspulen 2.6 und 3.6 gemäß Fig. 3 zu
einer induktiven Halbbrücke 8 verschaltet sind, wird eine
Verdoppelung des Meßeffektes bei gleichzeitiger guter
Kompensation thermischer Fehler erzielt, so daß insgesamt
die wirkende Kraft F sehr genau ermittelt werden kann.
Es ist außerdem auf einfache Weise ein Überlastschutz der
Vorrichtung möglich, indem der Abstand a so vorbestimmt
wird, daß bei Ausnutzung des vollen Meßbereiches die
Stirnfläche 3.3.1 des Zughülsenkörpers 3 auf der Boden
fläche 2.3.1 des Druckringkörpers 2 aufliegt.
Claims (12)
1. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung
mit einem kleine elastomechanische Hysterese aufweisenden
metallischen Druckringkörper mit magnetostriktiven Eigen
schaften,
der zueinander parallele, von der zu messenden Kraft beaufschlagbare Stirnflächen aufweist
und der eine koaxial angeordnete Erreger- und Meßwicklung trägt,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Druckringkörper (2) koaxial ein metallischer Zughülsenkörper (3) ebenfalls mit kleiner elastomechanischer Hysterese und magnetostriktiven Eigenschaften passend angeordnet ist,
welcher an seinem einen Ende sich mit einem Ringflansch (3.1) auf der freien, nicht gegen ein Widerlager (11) abgestützten Stirnfläche (2.1) des Druckringkörpers abstützt
und an dessen anderem, freien Ende eine Auf nahme (3.3) zur Einleitung der Kraft (F) vor gesehen ist,
daß die magnetostriktiven Eigenschaften durch eine dünne, homogene, gleichmäßige, weichmagnetische Meßschicht (2.4, 3.4) gebildet sind,
welche einerseits am Außenmantel (2.2.1) des Druckringkörpers
und andererseits am Innenmantel (3.2.1) des Zughülsenkörpers aufgebracht ist,
daß die Erreger- und Meßwicklung des Druckringkörpers als Ringspule (2.6) ausgebildet und auf der Meßschicht (2.4) am Außenmantel (2.2.1) des Druckringkörpers angeordnet ist, und
daß der Zughülsenkörper in seinem Inneren ebenfalls eine als Erreger- und Meßwicklung ausgebildete Ringspule (3.6) trägt, welche auf der Meßschicht (3.4) am Innenmantel (3.2.1) des Zughülsenkörpers angeordnet ist,
wobei die beiden Ringspulen zu einer induktiven Halbbrücke (8) verschaltet und an ein elektronisches Gerät (10, 10.1) zur Erregung und Auswertung der Differenz-Induktivität an schließbar sind.
der zueinander parallele, von der zu messenden Kraft beaufschlagbare Stirnflächen aufweist
und der eine koaxial angeordnete Erreger- und Meßwicklung trägt,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Druckringkörper (2) koaxial ein metallischer Zughülsenkörper (3) ebenfalls mit kleiner elastomechanischer Hysterese und magnetostriktiven Eigenschaften passend angeordnet ist,
welcher an seinem einen Ende sich mit einem Ringflansch (3.1) auf der freien, nicht gegen ein Widerlager (11) abgestützten Stirnfläche (2.1) des Druckringkörpers abstützt
und an dessen anderem, freien Ende eine Auf nahme (3.3) zur Einleitung der Kraft (F) vor gesehen ist,
daß die magnetostriktiven Eigenschaften durch eine dünne, homogene, gleichmäßige, weichmagnetische Meßschicht (2.4, 3.4) gebildet sind,
welche einerseits am Außenmantel (2.2.1) des Druckringkörpers
und andererseits am Innenmantel (3.2.1) des Zughülsenkörpers aufgebracht ist,
daß die Erreger- und Meßwicklung des Druckringkörpers als Ringspule (2.6) ausgebildet und auf der Meßschicht (2.4) am Außenmantel (2.2.1) des Druckringkörpers angeordnet ist, und
daß der Zughülsenkörper in seinem Inneren ebenfalls eine als Erreger- und Meßwicklung ausgebildete Ringspule (3.6) trägt, welche auf der Meßschicht (3.4) am Innenmantel (3.2.1) des Zughülsenkörpers angeordnet ist,
wobei die beiden Ringspulen zu einer induktiven Halbbrücke (8) verschaltet und an ein elektronisches Gerät (10, 10.1) zur Erregung und Auswertung der Differenz-Induktivität an schließbar sind.
2. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl der Druckringkörper (2) als auch der Zughülsen
körper (3) aus nichtmagnetischem, elastischem Edelstahl
mit kleiner elastomechanischer Hysterese bestehen.
3. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl der Druckringkörper (2) als auch der Zughülsen körper (3) aus zumindest teilmagnetischem Material bestehen,
wobei sowohl zwischen der Meßschicht (2.4) und dem Außen mantel (2.2.1) des Druckringkörpers (2) als auch zwischen der Meßschicht (3.4) und dem Innenmantel (3.2.1) des Zug hülsenkörpers (3) jeweils auf der Mantelfläche eine nicht weichmagnetische, nichtmagnetostriktive Zwischenschicht (2.5; 3.5) aufgebracht ist.
daß sowohl der Druckringkörper (2) als auch der Zughülsen körper (3) aus zumindest teilmagnetischem Material bestehen,
wobei sowohl zwischen der Meßschicht (2.4) und dem Außen mantel (2.2.1) des Druckringkörpers (2) als auch zwischen der Meßschicht (3.4) und dem Innenmantel (3.2.1) des Zug hülsenkörpers (3) jeweils auf der Mantelfläche eine nicht weichmagnetische, nichtmagnetostriktive Zwischenschicht (2.5; 3.5) aufgebracht ist.
4. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßschicht (2.4; 3.4) aus einem feinkristallinen
Metall besteht.
5. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßschicht (2.4; 3.4) aus einem amorphen Metall be
steht.
6. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 4
oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßschicht (2.4; 3.4) aus einer chemisch und physikalisch optimierten
NiP x -Schicht mit einem Phosphoranteil von kleiner
7 Gewichts-Prozent bei einer Schichtdicke von kleiner
gleich 100 Mikrometer besteht.
7. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 4
oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßschicht (2.4; 3.4) durch eine chemische Ab
scheidereaktion aufgebracht ist.
8. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 4
oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßschicht (2.4; 3.4) durch eine galvanische Ab
scheidereaktion aufgebracht ist.
9. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßschicht (2.4; 3.4) mit einer nichtmagnetischen,
nichtmagnetostriktiven Siegelschicht (2.4.1; 3.4.1) ver
siegelt ist.
10. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Siegelschicht (2.4.1; 3.4.1) aus einer NiP x -Schicht
mit einem Phosphoranteil von größer 12 Gewichts-Prozent
besteht.
11. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Stirnfläche (3.3.1) der Aufnahme (3.3) des Zug
hülsenkörpers (3) gegenüber einer Bodenfläche (2.3.1) der
anderen Stirnfläche (2.3) des Druckringkörpers (2) einen
vorbestimmten Abstand (a) aufweist.
12. Magnetoelastische Kraftmeßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sämtliche Bauteile in einem Gehäuse (7) angeordnet
sind.
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ID=6355883
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