SE437886B - Apparat for metning av en mekanisk spenning i ett ferromagnetiskt foremal - Google Patents

Description

'7904806-2 D10 15 20 25 30 35 2 av gaplängderna medför ett fel i permeabiliteten. Även om gaplängderna hålles konstanta, är ett värde på permea- bilitetesförändringen, som uppstår vid en ändring av spänningen, enbart beroende av amperevarven för magnet- kretsen i föremålet, vilken är en del av hela magnetkret- sen, som innefattar gapen. Därför är ett uppmätt värde på permeabilitetsförändringen liten, varför det är mycket svårt att noggrant mäta föremålets permeabilitet.

Vid det sistnämnda, konventionella förfarandet för spänningsmätning utnyttjas koercitivkraften, vilken detekteras som ett magnetiseringsströmvärde vid spän- ningens-toppvärde, vilken induceras i sekundärspolen, eller vid en tidpunkt, då flödestätheten är noll. Med andra ord kräver detta förfarande en mätning av ett appli- ett ändras ögonblicksvärde för växelströmmen. När tiden för cering av en puls för beordrande av mätningen av ögonblicksvärde, ändras från den korrekta tiden, det uppmätta magnetflödet oundvikligen från noll och ögonblicksvärdet för den detekterade magnetiserings- strömmen ändras också från sitt rätta ögonblicksvärde, även om tidsändringen är liten. Detta medför ett mätnings- fel. Speciellt på grund av gapen mellan magnetkännaren och föremålet förändras magnetiseringsströmmen för mag- netisering av gapen mycket, även om magnetflödet endast skiljer sig något från noll. Detta förorsakar mätfel.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en praktisk spänningsmätningsapparat, vilken noggrant kan mäta en spänning.

Apparaten enligt föreliggande uppfinning känneteck- nas av ett beräkningsorgan för beräkning av en variation i föremålets kärnförlust i beroende av den till primär- lindningen matade strömmen och den i sekundärlindningen inducerade spänningen; och ett organ för omvandling .av den beräknade variationen i kärnförlusten till en mekanisk spänning i föremålet. _ Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan med utföringsexempel under hänvisning till medföljande rit- 10 15 20 25 30 35 7904806-2 3 ningar. Fig 1 visar en delsektion för åskådliggörande av ett tillstånd, där en magnetkännare, som utnyttjas vid fö- religgande uppfinning, är införd i ett hål i ett föremål, som skall mätas. Fig 2 visar ett blockschema över en spän- ningsmätningsapparat enligt uppfinningen. Fig 3 visar en sektion för åskádliggörande av en magnetbana, som bildas, när magnetkännaren införes i föremâlets hål. Fig 4 visar ett diagram, som åskådliggör ett förehållande mellan en kärnförluständringsgrad och en bultfastsättningslast. Fig 5 visar i perspektiv ett exempel på en järnkärna, som an- vänds i magnetkännaren. Fig 6 visar i perspektiv ett annat exempel på en magnetkännare. Fig 7 visar ett diagram över förhållandet mellan kärnförluständringsgrad, tryck- spänning och dragspänning. Fig 8 visar en sektion längs linjen VIII-VIII i fig 6. Fig 9 visar en magnetflödes- fördelning, som utvecklas, när magnetkännaren i fig 6 är i funktion. Fig 10 visar ett diagram, som åskådlig- gör förhållandet mellan kärnförluständringsgraden och bultfastspänningslasten. Fig ll visar ännu ett exempel på en magnetkännare. Fig 12 visar ett diagram, som åskåd- liggör förhållandet mellan kärnförluständringsgraden och spänningen. Fig 13 visar schematiskt ytterligare en till- lämpning av magnetkännaren i fig ll. Fig 14 visar en sek- tion genom ytterligare ett exempel på en magnetkännare.

Fig 15 och 16 visar radiell resp runtomgående fördelning av spänning på ytan av ett bulthuvud. Fig l7 visar ännu ett exempel på en magnetkännare, som används för spännings- mätning med äPPäraten enligt föreliggande uppfinning.

Fig l visar en bult 12, som fäster ett turbinlöphjul ll. En magnetkännare 14, som bildar del av en spännings- mätningsapparat enligt uppfinningen, är förflyttbart an- ordnad i ett styrhàl 13, vilket är axiellt utformat i bul- ten 12. En kretskonstruktion för spänningsmätningsappa- raten enligt uppfinningen med utnyttjande av magnetkänna- ren l4 àskådliggöres i blockform i fig 2. Magnetkännaren 14 bildas av en järnkärna 15, på vilken primär- och se- kundärspolar l6a och l6b är lindade. Primärlindningen l6a 79014806-2 10 l5 20 25 30 35 4 är ansluten till en oscillator 17 via en förstärkare 18. Genom detta arrangemang mottager primärlindningen en växelspänning från oscillatorn 17. Sekundärlindningen l6b är kopplad till en voltmeter 19, som vidare är återkopplad till förstärkaren 18. Denna återkoppling åstadkommer en korrekt spänning som induceras i sekun- därlindningen på magnetkärnan 14 och mäts medelst volt- metern 19. En effektmeter 20 är ansluten till primär- lindningen l6a och till voltmeterns 19 utgång. Utsigna- len från wattmetern 20 matas till ett beräkningsorgan 21, där en ändringsgrad för kärnförlusten i bulten 12 beräk- nas pâ basis av den information, som erhålles från watt- metern 20, och spänningen i bulten 12 eller fastsättnings- lasten beräknas på basis av kärnförluständringsgraden. Des- sa beräknade värden indikeras medelst en lämplig indfluadngs- anordning 22. Beräkningsorganet 21 kan beräkna enbart änd- ringsgraden av kärnförlusten i bulten. Företrädesvis om- vandlar beräkningsorganet på lämpligt sätt den framräkna- de ändringsgraden till motsvarande spänning. Ett exempel på beräkningsorqanet kan innefatta en tiddelningsmultipli- cerare, som matas med primärströmmen och sekundärströmmar- na från magnetkännaren 14, en analog-digitalomvandlare, som är ansluten till multiplicerarens ingång, en krets för hållande av ett begynnelsevärde för kärnförlusten eller ett värde för kärnförlusten, då spänningen är noll, samt en aritmetikenhet för beräkning av kärnförluständ- ringsgraden (kvoten mellan kärnförluständringsvärdet och "begynnelsevärdet) på basis av utsignalen från hâllarkret- sen. Dessa kretskomponenter är kommersiellt tillgängliga.

Den ovan nämnda utföringsformen mäter kärnförlusten som produkten av primärströmen och sekundärspänningen från magnetkännaren 14. Som ett alternativ kan en s k H-spole för mätning av magnetiseringskraften användas och anbringas tätt intill ett föremål, som skall mätas. I detta fall är det integralvärde, som är ett resultat av integrering av den inducerade spänningen 1 H-spolen med avseende på tiden, proportionellt mot primärströmmen Qgåßäå' _ 1a@%¶§š ' ________________ 10 15 20 25 30 35 vsoaaos-2 5 i magnetkännaren 14. Följaktligen kan kärnförlusten lätt beräknas på basis av den inducerade spänningen över H-spo- len och den inducerade spänningen över magnetkännarens 14 sekundärlindning.

Vid användning införes magnetkännaren i hålet 13 och oscillatorn 17 verksamgöres. Vid drivning av oscillatorn utvecklar primärlindningen ett magnetfält runt lindningen, så att det utvecklade magnetflödet a sträcker sig paral- lellt med en i bulten 12 utvecklad spänning, genom luft- gapet i hålet 13 och tillbaka till järnkärnan 15 för att bilda en sluten slinga, vilket visas i fig 3. Om en fast- sättnings- eller åtdragningslast, som applicerats på bulten 12 under detta tillstånd, ändras, kommer även bultens mage- tiska egenskap att ändras, vilket i sin tur medför att magnetiseringsströmmen, som flyter genom primärlindningen l6a, och därmed sekundärspänningen ändras. Dessa storhe- ter multipliceras i effektmetern 20 och omvandlas därefter medelst beräkningsorganet 21 till motsvarande kärnförlust- ändringsgrad och fastsättningslast.

Fig 4 visar resultaten av ett experiment. Av diagram- met framgår att approximativt 2% av kärnförluständrings- graden uppnåddes vid 200 Hz inom ett område av den använ- da bultfastsättningslasten och approximativt 10% vid 1000 Hz. Dessa ändringsgradsvärden är tillräckligt stora jämfört med de värden, som uppnås vid det konventionella förfarandet. När den till magnetkännaren 14 matade växel- strömmens frekvens är för hög, bildas en yteffekt, när magnetflödet passerar genom bulten 12. Följaktligen är det föredraget att hälla frekvensen under 1000 Hz.

Fig 5 visar en föredragen utföringsform av en magnet- kännarkärna 20a enligt föreliggande uppfinning. Båda än- darna av järnkärnan 20a är utvidgade för att minimera gapen mellan kännaren och bultens 12 inneryta. Således reduceras den magnetiska reluktansen i magnetbanan, som bildas under mätningen, vilket förbättrar kännarens 14 känslighet. E detta exempel är primär- och sekundärlind- ningarna lindade runt kärnan mellan de båda utvidgade ändarna. 7904806-2 10 15 20 25 30 35 6 Ett annat exempel på magnetkännaren framgår av fig 6.

Fig 7 visar att ett materials magnetiska egenskap i stör- re utsträckning är beroende av en tryckspänning än en drag- spänning. Om magnetkännaren är k0nSfirueIâd för att Vä- ra känsligare för tryckspänningen, kan kännaren noggranna- re detektera kärnförluständringsgraden. Utföringsformen i fig 6 är så konstruerad, att den reagerar för tryckspän- ningen för detektering av kärnförluständringsgraden. När bulten fastspännes verkar den i bultens axialriktning ut- vecklade spänningen som en dragspänning men vinkelrätt däremot som tryckspänning. Fig 6 och 8 visar att en järn- kärnas 2la båda sidor är så utformade, att de har halvcir- kelformade tvärsektioner med en utåt kurvformig ytteryta.

Primär- och sekundärlindningarna är lindade i längdrikt- ningen runt kärnsektionen mellan båda sidorna. Med en så- dan konstruktion utgår det utvecklade magnetflödet från ena halvcirkelsidan av järnkärnan, tränger in i bulten 12, Vilken flödet passerar genom längs en omkretsbana och i Vilken tryckspänningen utvecklas, återvänder till järn- kärnans andra halvcirkelformaäe sida och fortsätter genom kärnan till utgångssidan, vilket visas i fig 9. Följakt- ligen detekterar denna magnetkännare tryckspänningen i förhållande till bultfastspänningslasten. Fig 10 visar en ändring av kärnförluständringsgraden i förhållande till bultfastspänningslasten, när magnetkännaren enligt fig 6 användes. I fallet med tryckspänningen ändras kärnför- luständringsgraden i positiv riktning och är större än kärnförluständringsgraden vid dragspänningen men är huvud- sakligen proportionell mot dragspänningen.

När en given mängd växelriktat magnetflöde strömmar genom ett magnetiskt material, flyter magnetflödet enbart genom materialets ytparti, om permeabiliteten för mate- rialet är hög. Om permeabiliteten är låg strömmar magnet- flödet djupt in i det magnetiska materialet, på grund av den alstrade virvelströmmens reaktiva verkan. När den mag- netiska flödesfördelningen ändras ändras även kärnförlus- ten. I detta fall ges kärnförlusten P approximativt av 10 15 20 25 30 35 7904806-2 ekvationen P W f - 6 - u där f är frekvensen, 6 är konduktiviteten hos föremålet och u är föremålets permeabilitet. Denna ekvation visar att kärnförlusten ökar när permeabiliteten u minskar.

Permeabiliteten i denna ekvation hänför sig till föremå- let och inte till de i magnetkretsen ingående gapen« Även om gap föreligger i magnetkretsen och magnetiseringsström- men är stor är således kärnförlusten konstant. Om magnet- kännaren är konstruerad med hänsyn till detta kan den nog- grant detektera kärnförlusten oberoende av närvaron av gap.

En magnetkännare 32, som är konstruerad på basis av ovanstående faktum, âskâdliggöres i fig ll. Vid denna ut- föringsform utnyttjas en U-formad järnkärna 32a med en lind- ning 32b, som är lindad runt kärnans livparti. Lindningen 32b innefattar naturligtvis primär- och sekundärlindningar.

Vid användning bringas ändarna av kärnans båda skänklar i beröring med ytan på ett föremål 31, som skall mätas.

I detta exempel förekommer kärnförluster på två ställen, nämligen i magnetkännarens 32 kärna 32a och i föremålet 31. Om emellertid ett material med en låg kärn- förlust väljs för kärnan 32a, kommer kärnförlusten i före- målet 31 att vara dominerande och kärnförlusten i järn- kärnan att vara försumbar. Härigenom förbättras kännarens känslighet.

Fig 12 visar ett förhållande mellan kärnförluständ- ringsgraden och en spänning, när en dragbelastning applice- ras på föremålet och magnetkännaren placeras vinkelrätt mot föremålet jämfört med magnetkännaren i fig ll. I fig 12 vi- sar en kurva A karakteristiken för mjukt stål och en kur- va B karakteristiken för ett legeringsstñl. De streckade linjerna C indikerar de plastiska deformationsgränserna för de nämnda materialen. I kännarens placeringsriktning uppstår en tryckspänning enligt Poissons förhållande och kärnförlusten ökar. Fig 12 visar att förhållandet mellan kärnförluständringsgraden och spänningen är linjär inom de elastiska områdena. I dessa områden är det därför lätt j lrQ;%C)C>Iz Qëzïr azzïrí” "ï-a 7904806-2 10 15 20 25 30 35 8 att omvandla kärnförluständringsgraden till motsvarande last.

Om magnetkännaren vrids kan spänningens riktning de- tekteras.

Fig 13 visar en tillämpning av magnetkännaren enligt fiig ll vid en vridmomentsmätning. Föremâlets vridmoment avkännes genom placering av kännaren 42 tätt intill ett ferromagnetiskt rotationsorgans 41 yta.och genom mätning av spänningen på organets 41 yta. Kännaren är snett anordnad mot organet 41 i syfte att magnetisera kännaren i huvud- spänningsriktningen. Eftersom tryckspänningen är större än dragspänningen vid mätning av kärnförluständringsgra- den, kan magnetkännaren 42 placeras vinkelrätt mot eller parallellt med det roterande organets 41 geometriska axel.

Denna gång ökar kärnförlusten med vridmomentet.

Fig 15 visar en radiell fördelning av spänningen i ett bulthuvuds yta, när bulten är fastspänd. Fig 16 visar en periferiell fördelning av spänningen under samma till- stånd. Kurvorna A, B och C motsvarar spänningsfördelnings- kurvorna på djupen 0,5 mm, 1,5 mm resp 2,5 mm från bult- huvuflsytan. Spänningen är_en tryckspänning, vars spän- ningsomrâde sträcker sig approximativt mellan 10 och 20 kg/mmz, när en fastspänningsbelastning av 40 kg/mmz app- liceras axiellt på bulten. Denna relation mellan bultfast- spänningslasten och tryckspänningsändringen är linjär inom det elastiska området. När magnetkännaren enligt fig ll placeras på bulthuvudet, så att flödesriktningen i bult- huvudet sammanfaller med tryckspänningsriktningen, kan bultfästspänningslasten erhållas från den medelst magnet- kännaren avkända kärnförlustskarakteristiken. Detta åskåd- liggöres med exemplet i fig 14.

Fig 14 visar en magnetkännare 53 av den typ, som vi- sas i fig ll, varvid kännaren är placerad på ett bulthuvud 52, vilken bult är fastspänd för att stadigt hopkoppla två Organ 5la och Slb. Magnetkännaren 53 innefattar naturligt- vis en Uuformad äärnkärna 54 med primär- och sekundärlind- ningar 55a och 55b. Växelspänningsalstringen i primärspo- 10 15 20 '25 30 7904806-2 9 len 55a bildar en magnetkrets, som innefattar bulthuvudet och kärnan 54. I detta fall förhindrar yteffekten att mag- netflödet tränger djupt in i bulthuvudet, varför flödet strömmar endast genom bulthuvudets ytparti och återvänder till kännaren 53.

F19 17 visar ytterligare ett exempel på en magnet- kännare, som används vid spänningsmätningsapparaten enligt uppfinningen. I detta exempel är järnkärnan 61 så utfor- mad, att dess tvärsektion bildar ett W. Primär- och sekun- därlindningarna 65a och 65b är anbragta i utrymmet mellan den relativt tjocka centrumpolen och de relativt tunna ytterväggarna av järnkärnan 61. Vid detta exempel strömmar magnetflödet radiellt ut från centrumpolhuvudet, passe- rar genom föremålets yta och tränger in i periferiväggens ytterändar.

Spänningsmätningsapparaten enligt uppfinningen mäter spänningen i föremålet genom utnyttjande av kärnförlusten, vilket ger följande fördelaktiga effekter.

Den medelst mätapparaten mätta kärnförlusten pâverkas endast något av gapen mellan magnetkännaren och föremålet.

Detta är mycket viktigt vid denna typ av mätapparat, efter- som sådana gap är oundvikliga vid praktisk användning av kännaren. I Den konventionella mätapparaten, som utnyttjar koer- citivkraften, kräver en mätning av ett ögonblicksvärde, dvs ett differentialvärde för den sekundära, inducerade spänningen. Å andra sidan mäter mätapparaten enligt före- liggande uppfinning en tidsintegrering av kärnförlusten.

Med andra ord mäter den tidigare apparaten en punkt på en hysteresslinga, medan föreliggande apparat mäter en yta, som definieras av slingan. Tack vare detta ger mät- apparaten enligt uppfinningen små mätfel. .ÅÄÉÉIÉY

Claims (2)

1. 7904806- 2 10 15 20 25 l0 PATENTKRAV l. Apparat för mätning av en mekanisk spänning i ett ferromagnetiskt föremål, vilken apparat har en magnetkännare (14) i form av en järnkärna (15) Wed runt denna lindade primär- och sekundärlindningar (l6a, b), en AC-källa (l7) för matning av magnetkännarens primär- lindning och ett mätorgan (19), som är anslutet till sekundärlindningen för detektering av den i denna lind- ning inducerade spänningen, varvid föremålet är anord- nat inne i magnetkännarens magnetfältsområde, k ä n - n e t e c k n a d av ett beräkningsorgan (2l) för be- räkning av en variation i föremålets kärnförlust i be- roende av den till primärlindningen (l6a) matade ström- men och den i sekundärlindningen (l6b) inducerade spän- ningen; och ett organ (22) för omvandling av den beräk- nade variationen i kärnförlusten till en mekanisk spän- ning i föremålet.

2. Apparat enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att föremålet utgöres av en bult (12) och spänningen utgöres av en fastspänningslast, som är applicerad på bulten; och att magnetkännaren (14) är fäst på bulten på sådant sätt, att den i bulten medelst magnetkännaren alstrade magnetflödesriktningen sammanfaller med en , tryckspänning, varvid tryckspänningen i det parti av bulten genom vilket magnetflödet passerar motsvarar den på bulten applicerade fastspänningslasten.