SE465185B - Foerfarande jaemte anordning foer detektering av och skydd mot inverkan av stoerande statiska och kvasistatiska magnetfaelt paa maetning med kraft- och vridmomentgivare - Google Patents

Description

465 185 De mest primitiva koncepten mäter sedan bara induktansen i magnetiserings- lindningen för att därigenom få ett mått på den magnetiska permeabiliteten i materialet och därmed ett mått på den mekaniska spänningen.

Mer sofistikerade anordningar använder en sekundärlindning för att känna tidsderivatan av det inducerade magnetiska flödet.

Med hjälp av en sekundärlindning är det också möjligt att mäta det induce- rade flödet i en riktning tvärs magnetiseringen, men i 450 riktning mot huvudspänningsriktningen hos de mekaniska spänningarna i den belastade kroppen. Så sker i de kända givarna PRESSDUKTOR och TORDUKTOR.

En annan vanligen förekommande mätprincip är att mäta det inducerade magnetiska flödet i flera områden eller mätzoner, som utsätts för olika mekanisk spänning, och sedan bilda differensen mellan dessa flöden.

Det vanligaste är att man använder två mätzoner varav en belastas med dragspänning och en med tryckspänning i magnetfältets riktning. Så sker till exempel i patentskrifterna EP 0089916 och US 4 506 554.

En annan metod är att mäta skillnaden mellan de flöden som induceras i en belastad och en obelastad zon.

Oavsett vilken metod som används för att på detta sätt mäta permeabili- tetsförändringen i det magnetoelastiska materialet så kommer den magne- tiska hystereskurvan, dvs B-H-kurvan, som varje punkt i materialet genom- löper under en period av magnetiseringen att förändras när materialet magnetiseras av ett statiskt fält. Detta påverkar naturligtvis mätningen av de inducerade flödena och leder till förändringar, både av mätsignalen vid obelastad givare, dvs nollsignalen, samt av givarens känslighet för last.

Om givaren är så kraftigt magnetiserad av ett statiskt fält att det ferro- magnetiska materialet närmar sig mättnad så kommer givarens differentiella permeabilitet och även känslighet att bli mycket låg. Påverkan kvarstår dock i samband med betydligt lägre fält.

För att minska inverkan av dessa störningar har man försökt skärma bort yttre magnetfält. Att skärma bort statiska eller långsamt varierande, dvs dä 3 ' 465 185 kvasistatiska magnetiska fält har emellertid visat sig vara ett svårt tek- niskt problem. Speciellt svárt kan det bli när man skall försöka skärma bort sådana magnetfält i axlar i samband med mätning av vridande moment.

Problemet med statisk yttre magnetisering kan bli speciellt allvarligt eftersom statisk magnetisering genom remanens i givarmaterialet kan ge upphov till bestående förändringar i givarens funktion.

Föreliggande uppfinning ger en metod att skydda sig mot effekterna av statiska och/eller kvasistatiska magnetfält. Dessutom ger metoden infor- mation om när detta skydd trots allt inte är tillräckligt och kan varna för att givaren ej fungerar tillfredsställande, något som är mycket väsentligt när givaren används i automatiska reglersystem.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Rent allmänt gäller som bekant att en godtycklig periodisk signal kan framställas som en Fourierserie, dvs en summa av sinusformade signaler med olika fas men med frekvenser som är multiplar av 1 delat med periodtiden för den periodiska signalen. Den lägsta av dessa frekvenser kallas grund- frekvens eller grundton. och de övriga med frekvenser som är multiplar av denna grundfrekvens benämnes övertoner. Beroende på om frekvensen hos en överton är två, tre eller fler gånger grundfrekvensen talar man om den periodiska signalens andraton, tredjeton etc.

Uppfinningen utnyttjar nu det faktum att B-H-kurvan vid normal magnetise- ring utan statiska fält är fullständigt symmetrisk med avseende på speg- ling genom origo.

Ett sätt att uttrycka detta matematiskt är att den magnetiska flödestätheten, dvs B-fältet, byter tecken efter en halv period, sålunda B(t+T/2) = -B(t) (1) II där B den magnetiska flödestätheten tiden I-i n periodtiden för magnetiseringen 465 185 Denna symmetri leder till att om det magnetiserande fältet, dvs H-fältet, är rent sinusformat så kommer Fourierframställningen av den magnetiska flödestätheten som funktion av tiden endast att omfatta grundton samt udda övertoner.

Ett fullständigt linjärt material ger inga övertoner alls, medan ett mät- tat, olinjärt material uppvisar en mycket hög halt av framför allt tredje- ton, men även av övriga toner.

När ett material har en statisk magnetisering överlagrad på den sinusfor- made, symmetriska magnetiseringen bryts emellertid den symmetri i B-H-kur- van som ekvation (1) anger. Detta får till följd att Fourierframställ- ningen av B-fältet som funktion av tiden även kommer att omfatta jämna övertoner.

Uppfinningen omfattar därför ett förfarande för och en anordning för att ' konstatera om jämna övertoner finnes. Att mäta halten av dessa övertoner ger ett mått på graden av statisk och/eller kvasistatisk magnetisering och mätvärdet kan användas som insignal till en regulator som med hjälp av en likström reglerar ner denna yttre magnetiseringen till noll.

Om regulatorn ej klarar att kompensera det statiska och/eller kvasista- : tiska magnetfältet bottnar den och man får enkelt en varningssignal från elektroniken.

En gräns för hur snabbt de störande kvasistatiska magnetfältstörningarna får variera ges av kravet att den störande magnetiseringen skall ändra sig litet under en period av den periodiska magnetiseringen.

För att klara av magnetisering i olika riktningar krävs att man håller reda på fasläget hos andratonen relativt grundtonen. Detta klarar man enklast med faskänslig likriktning vid andratonens frekvens. Detta kommer att beskrivas mer i detalj under beskrivningen av utförandeformer.

J, FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar dels en symmetrisk magnetisk hystereskurva och dels en förvrängd kurva då materialet magnetiseras av ett statiskt magnetfält. v I 5 ' 465 185 Figur 2 visar ett blockschema för en elutrustning enligt uppfinningen som klarar av att detektera den yttre magnetiseringen och reglera denna till noll med hjälp av en kompenseringslindning.

Figur 3 visar ett modifierat blockschema för en elutrustning enligt upp- finningen som klarar av att detektera den yttre magnetiseringen och reg- lera densamma till noll utan hjälp av kompenseringslindning.

Figurerna U, 5 och 6 visar tre olika realiseringar av oscillatordelen i blockschemat enligt figur 2 och 3.

Figur 7 beskriver en realisering av den faskänsiga detekteringen av jämna övertoner i blockschemt enligt figur 2 och 3.

Figur 8 visar hur man principiellt kan lägga en kompenseringslindning för att hindra statiska och/eller kvasistatiska magnetfält från att störa en magnetoelastisk kraftgivare.

Figur 9 visar hur man principiellt kan lägga en kompenseringslindning för att hindra statiska och/eller kvasistatiska magnetfält från att störa en magnetoelastisk vridmomentgivare.

Figur 10 visar hur man kan lösa kompenseringen utan extra lindningar enligt figur 3, i ett fall då riktningen på den förväntade magnetfält- störningen sammanfaller med riktningen på det magnetiserande periodiska fältet.

BESKRIVNING Av UTFöRINGsFoRMER Hystereskurvans och en statisk magnetiserings inverkan på övertonshalten hos det inducerade magnetiska B-fältet kan studeras med ledning av figur 1, där kurva a återger den symmetriska magnetiska B-H-kurva som genomlöps under en period och där kurva b visar den förvrängda kurva som blir resul- tatet av att materialet dessutom magnetiseras av ett statiskt magnetfält.

En sinusformad magnetisering enligt kurva a ger ett övertonsinnehåll i B-fältet på 16 X tredjeton och 6 % femteton. En sinusformad magnetisering med en statisk magnetiseing som ger en kurva enligt b har en andraton hos B-fältet på 18 %. 465 185 6 En föredragen utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen visas i figur 2 i form av ett blockschema för en elutrustning som hindrar störande statiska eller kvasistatiska magnetfält från att påverka mätning av kraft eller vridmoment med en magnetoelastisk givare.

Utrustningen omfattar en spänningskälla som från sina utgångar 2 och 3 levererar signaler som är fastlåsta i förhållande till varandra och som har ett exakt frekvensförhållande signalerna emellan lika med två. Signa- len från utgång 2 med lägst frekvens skall vara symmetrisk kring noll, helt fri från jämna övertoner, och ges lämpligen ren sinusform, även om en pulsbreddsmodulerad fyrkantvåg också i princip är möjlig. Signalen från utgång 3 med dubbla frekvensen skall också vara symmetrisk på så sätt att halvperioderna är exakt lika långa.

Signalen från utgång 2 kopplas till en första förstärkare 4 som matar givarens magnetiseringslindning 5. Förstärkaren kan vara kopplad så att matningsströmmen är strömstyrd enligt signalen från utgång 2 eller den kan vara spänningsstyrd enligt samma signal. Spänningsmatning förutsätter dock att resistansen i matningslindningen är låg i förhållande till induktansen i givaren.

Dessa två matningsmöjligheter medger två olika metoder för detektering av jämna övertoner.

Om magnetiseringsströmmen är strömstyrd kan eventuella jämna övertoner detekteras hos en spänning proportionell mot tidsderivatan av flödet, exempelvis som den inducerade spänningen i en lindning parallell med magnetiseringslindningen. Denna spänning tillföres en detektor som för detektering av jämna övertoner också tillföres signalen från spännings- källans utgång 3, dvs signalen med dubbelt så hög frekvens som matnings- frekvensen.

Om magnetiseringsmatningen till givaren är spänningsstyrd kan eventuella jämna övertoner detekteras i en signal proportionell mot matningsströmmen, exempelvis i form av spänningen över en shunt i matningskretsen. Denna signal tillföres en detektor som för detekteringen av jämna övertoner också tillföras signalen från spänningskällans utgång 3, dvs signalen med dubbelt så hög frekvens som matningsfrekvensen. fn. en 7 ' 465 185 Dessa båda metoder innebär att halten av jämna övertoner alltid kommer att överlagras grundtonen. För att få bättre upplösning hos den faskänsliga detektorn visas i figur 2 en föredragen utföringsform som innebär att både spänningen proportionell mot tidsderivatan av flödet och spänningen pro- portionell mot magnetiseringsströmmen tillföras detektorn. Den första av dessa signaler tillföres ingång 6 och den andra signalen tillföres ingång 7 på den faskänsliga detektorn 8 för detektering av jämna övertoner.

Signalen 6 erhålles som den inducerade spänningen i en lindning 9 parallell med magnetiseringslindningen.

En närmare beskrivning och redovisning av den faskänsliga detektorn kommer att ges i samband med beskrivningen av figur 7.

Om nu givaren är magnetiserad av ett statiskt och/eller ett kvasistatiskt magnetfält kommer B-H-kurvan att förvrängas så som redovisats i figur 1 på ett sådant sätt att jämna övertoner uppstår. Dessa övertoner har ett be» stämt fasläge i förhållande till den periodiska magnetiseringen. Eftersom detekteringen sker faskänsligt kan man skilja på olika riktningar hos den statiska magnetiseringen. Signalen från utgång 10 hos detektorn kan därför tillföras en regulator 11 som med eller utan separat kompenseringslindning alstrar ett motriktat statiskt magnetfält och reglerar ned övertonshalten av jämna övertoner till noll.

I den i figur 2 beskrivna utföringsformen har signalen från regulatorns utgång 12 kopplats till en andra förstärkare 13 som i sin tur driver en ström genom en kompenseringslindning 14 som alstrar det erfordeliga mot- riktade fältet.

I syfte att få en varningssignal från elektroniken om matningen, trots kompenseringssignalen från regulatorn och den andra förstärkaren, ändå störs av överlagrad statisk och/eller kvasistatisk magnetisering är signalen från detektorns utgång 10 kopplad till en nivådiskriminator 15 vars signal från utgång 16 utgör den erforderliga varningen.

I figur 3 visas en alternativ utföringsform vad beträffar själva kompen- seringsförfarandet. Signalen från regulatorns utgång 12 adderas i den första förstärkaren till signalen från spänningskällans utgång 2. Härvid_ kommer således den periodiska magnetiseringen att innehålla en statisk och/eller kvasistatisk komponent som kompenserar för den yttre störningen. 465 185 8 Om kabelresistansen är låg kan signalen till detektorns ingång 6 i stället för att tas från kompenseringslindningen 9 tas direkt från givarens mat- ningsspänning.

Om givaren matas med sinusformad matningsström och utsignalen från givaren inte byter tecken då den utsättes för belastning inom mätområdet, är det i princip också möjligt att använda givarens utsignal som signal till ingång 6 hos detektorn.

För vissa givartyper används två eller flera mätzoner med en mätlindning i varje zon. Dessa motkopplas i regel för att få en differenssignal. Genom att göra samtliga mätlindningars uttag tillgängliga kan även det totala flödet i givaren kunna mätas och en sådan summasignal är då också möjlig att använda som insignalen 6 till den faskänsliga detektorn.

Regulatorn 11 utföres lämpligen som en vanlig PI-regulator.

Figur U visar ett sätt att realisera spänningskällan 1 i figur 2 och 3.

Man utgår från en digital frekvensgenerator 17. Utgången 18 används dels direkt som den erforderliga styrsignalen från spänningskällans utgång 3, dels är den kopplad till ingången på en frekvensdelare 19. Signalen från dennas utgång 20 är sålunda en fyrkantvåg med halva insignalens frekvens.

Fyrkantvågen filtreras slutligen i ett lågpassfilter 21 och anslutes sedan till spänningskällans utgång 2.

I figur 5 visas en annan princip för att realisera spänningskällan med hjälp av en sinusgenerator 22. Dennas utgång kopplas dels direkt till spänningskällans utgång 2, dels helvågsriktas den i en likriktare 23 var- vid skapas en signal som innehåller en frekvenskomponent med dubbelt så hög frekvens som sinusgeneratorn. Den likriktade signalen filtreras sedan med bandpassfiltret 2H och anslutes sedan till spänningskällans utgång 3.

I figur 6 visas ett tredje alternativ där man använder två stycken sinus- generatorer 25 och 26 som synkroniseras via en hopkoppling 27.

I figur 7 visas en realisering av den från figur 2 och 3 faskänsliga detektorn 8 av jämna övertoner. Den till anslutning 8 kommande signalen fasvrides i en fasvridningskrets 28 och leds från utgången 29 till en subtraherare 30 där den subtraheras från den till anslutning 7 kommande a 9 ' 465 185 mot matningsströmmen proportionella signalen. Signalnivån och fasläget på fasvridningskretsens utgång 29 skall vara anpassade så att signalen på subtraherarens utgång 31 innehåller så lite signal som möjligt med samma frekvens som givarens magnetisering. Signalen på subtraherarens utgång kopplas till ingången på en faskänslig likriktare 32. Styrsignalen till den faskänsliga likriktaren erhålls genom fasvridning av signalen från spänningskällans utgång 3 i en fasvridningskrets 33. Fasvridningen väljs så att styrsignalens fas överensstämmer med fasen hos den andraton som uppstår i signalen på utgången från subtraheraren då givaren utsätts för ett statiskt magnetfält. Signalen på utgången 34 från den faskänsliga likriktaren lågpassfiltreras slutligen i ett lågpassfilter 35.

Det skall påpekas så som tidigare beskrivet att det inte är nödvändigt för funktionen hos detektorn att subtrahera grundtonen ur den till ingång 6 anslutna spänningssignalen respektive den till ingång 7 anslutna ström- signalen. Detta förfarande sänker dock kravet på idealitet hos den fas- känsliga likriktaren 32.

Andra lösningar på realiseringen av demodulatorn är givetvis också möj- liga.

I de redovisade lösningarna enligt ovan har de olika funktionerna reali- serats som byggblock utförda i analog teknik. Det finns dock naturligtvis inget hinder mot att realisera samma funktioner med en digital signalpro- CGSSOI' .

I figur 8 visas en kraftgivare 8 som skyddas från ett statiskt och/eller kvasistatiskt magnetfält med hjälp av en kompenseringslindning 14. Kraften på kr;'tgivaren appliceras via ett ändstycke 37 som också kan leda sta- tiska .agnetfält in i givaren. För att förhindra detta lindas kompense- ringslindningen runt ändstycket. Dessutom skärmas givaren lämpligen av med hjälp av en skärmkåpa 38 av högpermeabelt magnetiskt material. Detta skyd- dar givaren mot yttre magnetfält som är riktade tvärs kraftriktningen.

Skärmen fungerar även som återledare för det av kompenseringslindningen alstrade magnetfältet vilket i sin tur sänker strömförbrukningen hos den andra förstärkaren 13 enligt figur 2.

I figur 9 visas hur en vridmomentgivare 39 med hjälp av en kompenserings- lindning 14 kan skyddas mot ett statiskt och/eller kvasistatiskt magne-

Claims (9)

465 185 10 tiskt fält som leds in via en vridmomentbelastad axel 40. Här visas att man kan linda kompenseringslindningen runt själva givaren i stället för runt axeln. Även här kan lämpligen en yttre magnetisk skärm 41 komma till användning. I figur 10 visas ett exempel på hur man kan förfara med en momentgivare för kompensering i enlighet med den i figur 3 redovisade utföringsformen. Figur 10 visar en principiell bild av ett tvärsnitt av en beröringsfri vridmomentgivare enligt t ex US 4 760 745. I denna givare magnetiseras två mätzoner 42 och 43 av ett tidsberoende periodiskt magnetfält som alstras av två med axeln koncentriska och seriekopplade magnetiseringsspolar 44 och 45. Flödet sluts av ett ok 46 av högpermeabelt material. Eftersom magnetiseringen sammanfaller med axelns riktning kan man alstra det kompenserande magnetfältet genom att övelagra den periodiska magnetise- ringsströmmen med en likström så som angetts i figur 3. PATENTKRAV

1. Förfarande för detektering av och skydd mot inverkan av störande statiska och kvasistatiska magnetfält på mätning med kraft- och vrid- momentgivare baserade på den magnetoelastiska effekten, vilket förfarande förutsätter att det finns en dylik givare (36, 39) som magnetiseras av en symmetrisk, periodisk matningsström vars Fourieruppdelning endast omfattar grundfrekvens samt udda övertoner till denna grundfrekvens, k ä n n e - t e c k n a t av att då givaren är strömmatad en första signal propor- tionell mot flödet i givaren eller dess tidsderivata kopplas till en första ingång (6) på en faskänslig detektor (8) vars utsignal är propor- tiønell mot halten av jämna övertoner i Fourieruppdelningen av denna första signal, eller att då givarens magnetisering är spänningsmatad en andra signal proportionell mot matningsströmmen som magnetiserar givaren kopplas till en andra ingång (7) på en faskänslig detektor (8) vars ut- signal är proportionell mot halten av jämna övertoner i Fourieruppdel- ningen av denna andra signal, och att då den faskänsliga detektorns utgång är skild från noll indikeras detektering av störande statiska och/eller kvasistatiska magnetfält.

2. Förfarande enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t av att utgången på den faskänsliga detektorn kopplas till ingången på en regula- ') 45: 1,9. 465 185 11 tor (13) vars utsignal kopplas till en kompenseringslindning (14) på givaren för alstring av en statisk och/eller kvasistatisk magnetisering som är motriktad den störande kvasistatiska magnetiseringen.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t av aa* utgången på den faskänsliga detektorn kopplas till ingången på en regula- tor (13) vars utsignal kopplas för samverkan med magnetiseringsströmmen för att därigenom via givarens magnetiseringslindning (5) alstra en sta- tisk och/eller kvasistatisk magnetisering som är motriktad den störande statiska och/eller kvasistatiska magnetiseringen.

4. Anordning för genomförande av förfarandet enligt patentkrav 1 för detektering av och skydd mot inverkan av störande statiska och/eller kvasistatiska magnetfält på mätning med kraft- och vridmomentgivare baserade på den magnetoelastiska effekten, vilken anordning omfattar en dylik givare (36, 39) Som magnetiseras av en symmetrisk, periodisk mat- ningsström vars Fourieruppdelning endast omfattar grundfrekvens samt udda över gner till denna grundfrekvens, k ä n n e t e c k n a d av att då givaren är strömmatad en första signal proportionell mot flödet i givaren eller dess tidsderivata är anordnad kopplad till en första ingång (6) på en faskänslig detektor (8) vars utsignal är proportionell mot halten av jämna övertoner i Fourieruppdelningen av denna första signal, eller att då givarens magnetisering är spänningsmatad en andra signal proportionell mot matningsströmmen som magnetiserar givaren är anordnad kopplad till en andra ingång (7) på en faskänslig detektor (8) vars utsignal är propor- tionell mot halten av jämna övertoner i Fourieruppdelningen av denna andra signal, och att då den faskänsliga detektorns utgång är skild från noll anordningen är anordnad att indikera detektering av störande statiska och/ eller kvasistatiska magnetfält.

5. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att ut- gången på detektorn år anordnad kopplad till ingången på en regulator (13) vars utsignal är kopplad till en kompenseringslindning (14) på givaren för att alstra en statisk och/eller kvasistatisk magnetisering som är motrik- tad den störande statiska och/eller kvasistatiska magnetiseringen.

6. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att ut- gången på detektorn är anordnad kopplad till ingången på en regulator (13), vars utsignal samverkar med magnetiseringsströmmen för att därigenom via givarens magnetiseringslindning (5) alstra en statisk och/eller kvasista- 1 -465 185 12 tisk magnetisering som är motriktad den störande statiska och/eller kvasi- statiska magnetiseringen.

7. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att som den första signalen proportionell mot tidsderivaten av flödet genom giva- ren är anordnad givarens matningsspänning.

8. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att som signalen proportionell mot tidsderivatan av flödet genom givaren är anord- nad den inducerade spänningen i en eller flera mätlindningar.

9. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att som signalen proportionell mot tidsderivatan av flödet genom givaren är anord- nad den inducerade spänningen i en extra sekundärlindning parallell med matningsspänningen. V) 'f