DE1201582B - Verfahren zur Anzeige oder Messung mechanischer Beanspruchungen in einem Koerper aus magnetostriktivem Werkstoff - Google Patents

Description

• Verfahren zur Anzeige oder Messung mechanischer Beanspruchungen in einem Körper aus magnetostriktivem Werkstoff Es ist allgemein bekannt, daß die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Werkstoffs durch die mechanischen Beanspruchungen im Werkstoff beeinflußt werden. Diese sogenannte Magnetostriktion wurde bereits zur Messung mechanischer Beanspruchung verwendet, indem man die durch die Beanspruchung hervorgerufene Permeabilitätsveränderung im Werkstoff als Maß für die Beanspruchung verwendet hat.
• Bei einem bekannten Verfahren dieser Art werden zwei Erregermagneten derart an der Oberfläche eines mechanisch beanspruchten Körpers angeordnet, daß zwei möglichst homogene Magnetfelder in der Oberftächenschicht des Körpers entstehen, von denen das eine parallel der Zugspannung und das andere parallel der dazu senkrechten Druckspannung im Körper verläuft. Die Erregerspulen der beiden Erregermagneten liegen dabei zusammen mit zwei Vergleichsimpedanzen in einer Wechselstrommeßbrücke, deren Diagonalspannung als Maß für die mechanische Beanspruchung dient. Diese Meßspannung ist aber nicht nur von den durch Magnetostriktion hervorgerufenen Reluktanzänderungen abhängig, sondem hängt auch in großem Maße von dem unvermeidlichen Luftspalt zwischen den Erregermagneten und dem Körper ab, was praktisch eine bedeutende Herabsetzung der Meßgenauigkeit zur Folge hat.
• Dieser Nachteil des bekannten Verfahrens ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung vermieden.
• Auch nach diesem Verfahren dient zur Anzeige oder Messung von mechanischen Beanspruchungen eines Körpers aus magnetostriktivem Werkstoff die durch die mechanischen Beanspruchungen im Werkstoff verursachte magnetische Anisotropie, wobei mittels eines zweipoligen Erregermagneten ein inhomogenes magnetisches WechseIfeld vorbestimmten Verlaufs in einem Teil der Oberfläche des Körpers erzeugt wird, welcher Verlauf sich wegen der magnetostriktiven Eigenschaften des Körpers in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung in diesem Teil der Oberfläche ändert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines rechtwinklig zu dem Erregermagnet angeordneten und mit diesem starr verbundenen zweipoligen Abtastmagneten der Unterschied zwischen den magnetischen Potentialen zweier getrennter Punkte der Oberfläche gemessen wird, welche innerhalb des genannten Teils der Oberfläche derart liegen, daß sie bei mechanisch unbeanspruchtem Körper im wesentlichen äquipotential sind.
• Die bei der Erfindung verwendete Erkenntnis, daß die in magnetostriktivem Werkstoff durch mecha- nische Beanspruchung hervorgerufene magnetische Anisotropie eine Verformung des magnetischen Feldes im Werkstoff zur Folge hat, ist an sich bereits bekannt und zur Messung mechanischer Beanspruchung bereits verwendet worden. Das hierfür bekannte Verfahren benutzt den sogenannten »umgekehrten Wiedemann-Effekt« zur Messung einer Torsionsbeanspruchung, setzt aber einen besonderen Meßkörper voraus, der mit einer Bohrung versehen ist. Dieses Verfahren ist daher mit dem vorliegenden Verfahren nicht vergleichbar, das die Messung von der Oberfläche eines gegebenen Körpers aus betrifft.
• Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. Es stellt dar F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Meßvorrichtung zur Durchführung der Erfindung und Fig. 2 den Verlauf der magnetischen Kraftlinien an der Oberfläche eines Körpers, an dem die Meßvorrichtung nach F i g. 1 anliegt; F i g. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Schaltschemata der Meßvorrichtung nach F t g. 1.
• In Fig. 1 bezeichnen die Ziffern 1 und 3 zwei kreuzweise angeordnete zweipolige Magnetkerne, die mit je zwei Spulen 2 bzw. 4 versehen sind. Die beiden Magnetkerne 1 und 3 sind mit ihren Spulen 2 und 4 in einem GehäuseS untergebracht, wo sie in einer vorbestimmten Lage gegeneinander fixiert sind, vorzugsweise durch Eingießen in Kunstharz.
• Bei der Messung liegen die Polflächen der beiden Magnete 1 und 3 an der Oberfläche des Meßobjekts an oder in einem kleinen Abstand davon. Die Spulein 2 werden in Reihe an eine Wechselstromquelle angeschlossen und die Spulen 4 an ein elektrisches Meßinstrument. Die Schaltung des Meßgeräts stimmt also mit dem in F i g. 3 gezeigten Schaltschema überein, wo die Wechselstromquelle mit 11 und das Meßinstrument mit 9 bezeichnet ist. Das Gerät 10 hat zur Aufgabe, eine Wechselspannung einstellbarer Größe und einstellbaren Phasenwinkels in den Meßkreis einzuführen, wobei der Nullpunkt des Meßinstruments in üblicher Weise verschoben werden kann.
• Der Erregermagnet 1 mit den wechselstromdurchflossenenen Erregerspulen 2 ruft in der Oberflächenschicht des Meßobjekts ein magnetisches Feld hervor, dessen Verlauf in F i g. 2 dargestellt ist. In dieser Figur sind die Polflächen des Erregermagneten 1 mit 6 und die Polflächen des Abtastmagneten 2 bis 7 bezeichnet.
• Wenn das Meßobjekt aus isotropem, ferromagnetischem Werkstoff besteht, verlaufen die magnetischen Induktionslinien in der Oberflächenschicht parallel den Feldlinien, d. h. wie die ausgezogenen Kurven der F i g. 2, und die Polflächen 7 des Abtastmagneten 3 befinden sich an magnetisch äquipotentialen Stellen im Feld. Wird aber das Meßobjekt von Zug, Druck oder Torsion beansprucht, entsteht im Werkstoff wegen der Magnetostriktion eine magnetische Anisotropie, die das Magnetfeld entstellt. Tritt z. B. eine Druckspannung in der mit den Pfeilen 8 angegebenen Richtung auf, so wird die Permeabilität in der Richtung 8 vermindert, weshalb das Feld in der Oberflächenschicht des Meßobjekts den gestrichelten Verlauf erhält. Dabei entsteht zwischen den Stellen an der Oberfläche, wo die Polflächen 7 des Abtastmagneten 3 anliegen, ein Potentialunterschied, der einen Wechselfluß durch den Abtastmagneten 2 treibt.
• Dieser Wechselfluß induziert in den Meßspulen 4 eine Spannung, die im Meßinstrument 9 (F i g. 3) gemessen wird und als Maß für die Beanspruchung dient. Das Meßinstrument 9 wird durch eine Probemessung bei einer bekannten Beanspruchung geeicht.
• Der Fluß im Abtastmagneten 3 ist tatsächlich ein Streufluß, der aus der Oberfläche des Meßkörpers austritt. Der Magnetkern 3 hat dabei nur zur Aufgabe, die Reluktanz im Streuungsweg klein zu halten und einen wohldefinierten Streuungsweg zu schaffen. Der Verlauf des Magnetfeldes im Meßobjekt ist selbstverständlich von den Luftspalten zwischen den Polflächen 6, 7 und dem Meßobjekt unabhängig, weshalb der Instrumentenausschlag bei unbeanspruchtem Meßobjekt Null bleibt, unabhängig von Änderungen dieser Luftspalte. Für das Entstehen des zu messenden Streuflusses ist es aber notwendig, daß das Magnetfeld zwischen den Polflächen 6 des Erregermagneten 1 inhomogen (linsenförmig) verläuft. Wenn die Feldlinien parallel verlaufen, bleiben die magnetischen Äquipotentiallinien in der Oberfläche des Meßobjekts unverändert, auch wenn die parallelen Induktionslinien von der Anisotropie gedreht werden, weshalb in diesem Falle kein von der Beanspruchung abhängiger Streufluß entstehen kann.
• Oft ist das Meßobjekt magnetisch anisotrop auch in mechanisch unbelastetem Zustand, was eine Nullpunktverschiebung des Meßwertes zur Folge hat.
• Diese Nullpunktverschiebung kann durch eine einstellbare Zusatzspannung im Meßkreis kompensiert werden, wie in F i g. 3 durch das Gerät 10 angedeutet ist.
• In der Schaltung nach F i g. 3 kann die Richtung der Beanspruchung nicht bestimmt werden, sondern das Meßinstrument 9 schlägt immer in derselben Richtung aus, auch wenn die Beanspruchung ihre Richtung wechselt. Diese Eigenschaft der Anordnung nach F i g. 3 wird durch eine Schaltung nach F i g. 4 vermieden, in der die Meßspannung in einer an sich bekannten phasenempfindlichen Gleichrichteranordnung mit der Erregerspannung verglichen wird. Die gezeigte phasenempfindliche Gleichrichteranordnung umfaßt zwei Brückengleichrichter 16, deren Gleichstromklemmen über Strombegrenzungswiderstände an je einer Sekundärwicklung eines Transformators 17 angeschlossen sind, der primärseitig parallel zu den Erregerspulen 2 geschaltet ist. Die beiden Gleichrichter 15 sind wechselstromseitig in Reihe an den Meßspulen 4 angeschlossen. Das Meßinstrument 9 ist zwischen dem Verbindungspunkt der Gleichrichter 16 und einer Mittelanzapfung der Meßspule 4 angeschlossen.
• Die an den Sekundärwicklungen des Transformators 17 abgegriffenen Spannungen sind immer größer als die Meßspannung von der Meßspule 4 und beeinflussen die Gleichstromseiten der Gleichrichter 16 mit entgegengesetzter Phase. Die beiden Brückengleichrichter 16 werden deshalb synchron mit der Erregerspannung 2 abwechselnd leitend und gesperrt gehalten, so daß der Strom im Meßinstrument 9 synchron mit der Erregerspannung abwechselnd durch den rechten und den linken Gleichrichter 16 fließt. Das Meßinstrument 9 ist in diesem Fall ein Drehspulinstrument, das nur auf Gleichstrom anspricht, sein Ausschlag ist, wie gezeigt werden kann, proportional dem Cosinus des Phasenwinkels der Meßspannung gegenüber der Erregerspannung. Wenn die zu messende Beanspruchung ihre Richtung um 1800 ändert, ändert sich selbstverständlich auch der Phasenwinkel der Meßspannung um 1800, was nach dem Obenstehenden einen Richtungswechsel des Instrumentausschlages zur Folge hat. Bei der Meßanordnung nach F i g. 4 kann man also sowohl die Richtung als auch die Größe der Beanspruchung am Meßinstrument 9 ablesen.
• Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können zur Messung von mechanischen Spannungen in ruhenden Maschinenteilen, beispielsweise in Walzenstühlen oder der Setzschrauben in Walzwerken oder Trägern und Streben in Brückenkonstruktionen und anderen Bauwerken, angewendet werden, sie können aber auch zum Wiegen einer Last, die in einem Kran oder Kranbalken hängt, oder zum Wiegen von Eisenbahnwagen und anderen Fahrzeugen Anwendung finden. Ebenso können sie für die Messung der Torsionsbeanspruchungen in rotierenden oder stillstehenden Wellen und Kupplungen verwendet werden. Die Rotation der Welle gegenüber der Meßvorrichtung beeinflußt die Meßgenauigkeit nicht, wenn nur der Luftspalt zwischen Welle und Meßvorrichtung während der Rotation unverändert bleibt.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Verfahren zur Anzeige oder Messung von mechanischen Beanspruchungen eines Körpers aus magnetostriktivem Werkstoff mit Hilfe der durch die mechanischen Beanspruchungen im Werkstoff verursachten magnetischen Anisotropie, wobei mittels eines zweipoligen Erregermagneten ein inhomogenes magnetisches Wechselfeld vorherbestimmten Verlaufs in einem Teil der Oberfläche des Körpers erzeugt wird, welcher Verlauf sich wegen der magnetostriktiven Eigenschaften des Körpers in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung in diesem Teil der Oberfläche ändert, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines rechtwinklig zu dem Erregermagnet angeordneten und mit diesem starr verbundenen zweipoligen Abtastmagneten der Unterschied zwischen den magnetischen Potentialen zweier getrennter Punkte der Oberfläche gemessen wird, welche innerhalb des genannten Teils der Oberfläche derart liegen, daß sie bei mechanisch unbeanspruchtem Körper im wesentlichen äquipotential sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 418745, 569 175, 672083, 708 614, 858 135; USA.-Patentschriften Nr. 2098 991, 2221570, 2370845,2421775.