DE2857236A1 - Method and device for measuring or detecting a mechanical change of state or its time derivative - Google Patents
Method and device for measuring or detecting a mechanical change of state or its time derivativeInfo
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Description
Stangakonsult
S-582 52 Linköping, Schweden
Verfahren zum Messen oder Erfassen der Veränderung eines mechanischen Zustandes oder dessen zeitlicher Abweichung
Technisches Sachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen odar
Erfassen der Änderung eines mechanischen Zustandes wie beispielsweise des Zustandes der mechanischen Belastung, des Eintretens,
des Beginnens oder des Fortschreitens von Brüchen, der Trennung innerhalb des Materiales oder der Vibration oder einer Änderung
des mechanischen Zustandes in Bezug auf die Zeit innerhalb eines Körpers, der magnetostriktive Wirkungen zeigt, und zwar dann,
wenn unter der Einwirkung einer magnetischen Antriebskraft (H) ein zugeordneter Magnetfluss in wenigstens einem Teil des Körpers
erzeugt wird. Zufolge dieses Flusses ruft die Änderung des mechanischen Zustandes über die Magnetisierung (M) des Körpers eine
messbare oder erfassbare Störung hervor. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Stand der Technik
Seit Joule im Jahre 1842 zum ersten Male die Magnetostriktion vorgeführt hatte, und Villari im Jahre 1865 das umgekehrte Phänomen,
nämlich den sogenannten Villari-Effekt, wurden zahlreiche
Messvorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen, die eine Kopplung
zwischen dem magnetischen Fluss und der Veränderung des mechanischen Zustandes zum Inhalt hatten. Allen diesen Messvorrichtungen
und Messverfahren ist gemeinsam, daß man hierbei die Durchschnittslänge des magnetischen Kreises sich mit der Änderung des mechanischen
Zustandes verändern lässt. Es ist bekannt, daß die Magnetisierungskraft umgekehrt-proportional dieser Durchschnittslänge
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ist. Die Magnetisierung hängt sowohl mit Änderungen des mechanischen
Zustandes wie auch mit Änderungen der Durchschnittslänge
des magnetischen Kreises bei solchen Messvorrichtungen zusammen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde/ die obenerwähnte, doppelte
Abhängigkeit der Magnetisierung zu vermeiden, so daß diese lediglich von der Änderung des mechanischen Zustandes abhängt.
Dies wird dadurch erreicht, daß man die Magnetkraft (HQ) und die
Durchschnittslänge (1) des magnetischen Kreises im wesentlichen konstant und beim Messen oder Erfassen unabhängig von der Veränderung
des mechanischen Zustandes hält. Der Fluss besteht teilweise aus einem Hauptfluss (φ ), der mit der magnetischen Antriebskraft
(HQ) verbunden ist, die eine definierte Richtung hat und von einer derartigen Magnitude ist, daß die magnetischen
Eigenschaften dieses Körpers aus dem Bereich der Irreversibilität abweichen, und teilweise aus einem überlagerten, alternierenden
Fluss (<p ) , der nach und nach verschwindet. Dieser alternierende
Fluss muss eine derartige initiale Magnitude haben, daß die Sättigung in zwei Richtungen des alternierenden Flusses (6 )
erreicht wird, das heißt derart, daß in an sich bekannter Weise ein Punkt der Hysteresis-Kurve dann erreicht wird, wenn der alternierende Fluss ((J) ) verschwunden ist. Nach dem Verschwinden
des alternierenden Flusses (φ ) wird die Störung, die durch die Änderung des mechanischen Zustandes erzeugt wird, als Spannung
registriert, die umgekehrt durch die Änderung des der Störung (Disturbanz) induziert wird.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt Figur 1 scheraatisch.eine Vorrichtung, die entsprechend der
Erfindung dann betrieben wird, wenn eine Änderung des mechanischen
Zustandes in einem belasteten Körper gemessen wird. Figur veranschaulicht in ausgezogenen Linien eine Hälfte der Magneti-
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sierungskurve für einen ferromagnetischen Festkörper, und durch gestrichelte Linien den entsprechenden Teil der anhysteretischen
Kurve des Körpers. Figur 3 zeigt einen vergrösserten Teil von Figur 2 und veranschaulicht hierbei für einen gegebenen Wert von
EL· der magnetischen Antriebskraft, wie der magnetische Fluss {)
eine Anzahl von Werten annehmen kann, von denen drei Werte in der Figur besonders dargestellt sind. Figur 4 zeigt anhand von drei
Kurven, wie der magnetische Fluss in einem Körper über der Zeit dann variiert, wenn der Körper dreieckförmigen mechanischen Belastungsimpulsen
ausgesetzt ist. Die mittlere der Kurven bezieht sich auf ein Messverfahren gemäß der Erfindung, während die anderen
sich auf herkömmliche Messverfahren beziehen. Figur 5 zeigt im einzelnen eine Ausführnngsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
womit Messungen an runden Proben veranschaulicht werden sollen. Figur 6 zeigt in einer Projektionsdarstellung eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Durchführen von Messungen an einer genuteten Dreipunkt-Biegeprobe, die Biegekräften ausgesetzt wird.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
In Figur 1 erkennt man einen ferromagnetischen Körper 1, der als
Prüfling dient. Dieser wird mechanischen Beanspruchungen unterworfen, beispielsweise einer Spannung, einem Druck oder einer
Torsion, wie durch die Pfeile 2 veranschaulicht. Dabei kann die einzelne Spannungsart entweder für sich alleine oder in Kombination
als Zugspannung-Torsion oder als Druckspannung-Torsion wirken. Die Spannungen führen eine Veränderung des mechanischen Zustandes
der Probe herbei, was sich in einer elastischen oder plastischen Verformung ausdrücken kann, ferner in einer Trennung
innerhalb des Materiales, in Rissbildung, Rissvertiefung oder
sogar in einem Bruch. Es sei darauf verwiesen, daß eine Änderung des mechanischen Zustandes auch von thermischen Beanspruchungen
herrühren kann. Zum Zwecke der Messungen oder des Erfassens von
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Veränderungen des mechanischen Zustandes des Körpers ist eine Anzahl von Jochen 3 vorgesehen, von denen eines in der Figur
veranschaulicht ist. Dieses dargestellte Joch weist eine Primärspule 4 und eine Sekundärspule 5 auf. Durch Anwendung eines
Spannungsgenerators 6, der über einen Spannungs-Strom-Transformer
7 an die Primärspule 4 angeschlossen ist, wird ein Strom erzeugt, '
der seinerseits die magnetische Kraft hervorruft. Dies führt zu einem Fluss durch einen magnetischen Kreis, der aus dem Joch 3
und einem Teil der Probe 1 besteht. Das Joch ist in Bezug auf die Probe derart angeordnet, daß der magnetische Kreis im wesentlichen
frei von Luftspalten ist/ so daß das Joch durch die Spannung nicht beeinträchtigt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß
das Joch 3 entlang der Probe 1 zu gleiten vermag. Es versteht sich, daß die Spulen an irgendeiner Stelle entlang des magnetischen
Kreises angeordnet werden können. Der genaue Ort der Spulen ist nur durch praktische Erwägungen zu ermitteln. Dm einen
symmetrischen Fluss zu erreichen, sollte eine Reihe von zueinander parallelen Jochen verwendet werden.
Die Änderung des mechanischen Zustandes wirkt, über die Magnetisierung
des Körpers (im folgenden mit M bezeichnet), als Störung, des Flusses φ. Diese wird in der Sekundärspule 5 erfaßt und an
einem mit der Spule verbundenen Anzeigegerät 8 angezeigt. Gemäß der Erfindung werden sowohl die magnetisierende Kraft, im folgenden
H0 genannt, als auch die mittlere Länge 1 des magnetischen
Kreises im wesentlichen konstant und unabhängig von der Veränderung des mechanischen Zustandes gehalten. Wie zuvor erwähnt,
wird die Durchschnittslänge 1 dadurch konstant, gehalten, daß man wenigstens einen der beiden Stege des Joches entlang der Probe
gleiten läßt. Die magnetisierende Kraft HQ wird dadurch konstant
gehalten, daß man der Spule 4 einen konstanten Gleichstrom zuführt. Dieser Strom wird durch eine Spannungsteilerschaltung U
mittels eines Potentiometers 9 erhalten. Die Spannung wird über einen Summierungspunkt 10 im Spannungsgenerator 6 dem Umformer
zugeführt, in welchem die Spannung in konstanten Strom umgewandelt
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wird. Wie man aus Figur 2 erkennen kann, entspricht jeder Wert
der magnetisierenden Kraft KL· einer Anzahl von Werten des Flusses
<jj, von denen zwei Werte/ nämlich a und b, auf der Hysteresis-Kurve
des Körpers, und einer, nämlich der Wert c, auf der anhysteretischen Kurve markiert sind. Von jenen Punkten ist der
Punkt c derjenige, der dem Wert des Flusses φ entspricht, bei
welchem die Probe ihre geringste elektromagnetische Energie für einen gegebenen Wert Hn der antreibenden magnetischen Kraft erreicht
hat.
Versucht man zum.Beispiel, wie dies aus Mess- oder Anzeigeverfahren
bekannt ist, von Punkt a oder b ausgehend, eine sägezahnartig sich verändernde, mechanische Belastung zu erfassen, die
auf Probe 1 einwirkt, so verändert sich der Fluss in jener Weise, die durch die beiden äußeren Kurven in Figur 4 dargestellt ist.
Wie man sieht, ist der Fluss nicht gleich in den beiden einander entsprechenden Punkten zweier aufeinanderfolgender Belastungszyklen. Die Änderung des mechanischen Zustandes, die im Körper
durch die Last hervorgerufen wird, kann somit nicht eindeutig aus der Störung oder Abweichung des Flusses durch die Last ermittelt
werden.
Gemäß der Erfindung wird daher beim Beginn des Messens ein alternierender
Fluss φ , der langsam verschwindet, überlagert. Dieser Fluss wird duch einen Generator 11 erzeugt, der eine
Spannung u, liefert, die mit der Zeit bis zu dem Summationspunkt 10 in Gerät 6 von Figur 1 abnimmt. Die Aufgabe des alternierenden
Flusses φ besteht darin, den getesteten Körper dazu zu veranlassen,
einen Ausgangszustand zu erreichen, in welchem er bezüglich des Elektromagnetismus stabil ist· Dies ist dann der
Fall, wenn man von der anhysteretischen Kurve ausgeht. Diese
Kurve bezieht im Gegensatz zur Hysteresis-Kurve die Magnetisierung
M unzweideutig auf die magnetisierende Kraft H. Darüberhinaus muss aus dem Gesichtspunkt der Magnetisierung von dem
irreversiblen Bereich des Körpers ausgegangen werden. Um den Wert der magnetischen Antriebskraft zu bestimmen, bei welchem dies
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eintritt, wird eine dreieckig-geformte Spannung u, dem Summationspurikt
10 in Einrichtung 6 von Figur 1 eingespeist. Sodann wird die Hysteresis-Kurve registriert und von dort ein geeigneter
Wert der elektrischen Antriebskraft H0 außerhalb des obenerwähnten
Bereiches ausgewählt. Sodann läßt sich die Bestimmung gemäß der Erfindung vornehmen.
Wie bereits erwähnt, entspricht Punkt c in den Figuren 2 und 3
dem Wert des magnetischen Flusses φ, bei welchem der Körper
seinen Zustand geringster elektromagnetischer Energie bei der Magnetisierungskraft H- annimmt. Selbstverständlich sind anderen
Werten der Magnetisierungskraft andere Werte des Magnetflusses zugeordnet, die aus der Anhysteresis-Kurve des Körpers aufzufinden
sind. Misst man gemäß der Erfindung das Ansprechen des Magnetflusses auf eine mechanische Belastung, d.h. die Veränderung
des Flusses über der Zeit als Funktion der auf den Körper einwirkenden Belastung, und geht man von einem elektromagnetisch
stabilen Anfangswert aus, so stellt man fest, daß der Magnetfluss eine eindeutig bestimmte Funktion der Belastung ist. Hat die
Belastung beispielsweise die Gestalt eines Sägezahnes, so verändert sich der Magnetfluss in der Weise wie durch die Zwischenkurve
in Figur 4 veranschaulicht. Bei dieser Kurve ist die Veränderung des Flusses bei zwei miteinander identischen und aufeinanderfolgenden
Lastzyklen in entsprechenden Punkten gleich. Der Mittelwert der Kurve ist während eines oder mehrerer Zyklen
zeitunabhängig. Dies ist natürlich nicht der Fall bei den beiden oben beschriebenen, äußeren Kurven, welche Messungen gemäß bekannter
Verfahren veranschaulichen. Der Mittelwert dieser Kurve ist nicht konstant, sondern tendiert zum Mittelwert der Zwischenkurve.
Dies ließe sich durch die Annahme erklären, daß zum Anheben des Flusses an den Punkten a und b auf dasselbe Niveau wie
bei c Energie erforderlich ist. Diese Energie wird aus der Änderung des mechanischen Zustandes hergeleitet und kann somit
nicht in über die Zeit hinweg durchgeführten Studien des magnetischen Flusses konstant sein. Die durch die Änderung des mechanischen
Zustandes erzeugte Magnetflussänderung, die von der
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Meßspule 5 als Spannung ermittelt wird, läßt sich in einer Anzahl von Möglichkeiten durch die Anzeigeeinheit 8 gemäß Figur 1 ausnutzen.
An Ausgang A wird ein Signal erzeugt, das dieser Spannung proportional ist; desgleichen wird an Ausgang B ein Signal erzeugt,
das dem Zeitintegral der Spannung entspricht. An den Ausgängen C und D erhält man Signale, die der Spannung nach dem
Durchgang eines high-pass Filters und eines low-pass Filters jeweils, sowie der Integration entsprechen. Je nach der nachfolgenden
Auswertung der Messung kann die Spannung auf verschiedenerlei Weise behandelt v/erden, beispielsweise digitalisiert
werden.
In den Figuren 5 und 6 sind Elemente, die dieselben oder ähnliche
Funktionen wie die in Figur 1 haben, mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. In Figur 5 stellt Körper 1 einen herkömmlichen,
zylindrischen Prüfling dar, an welchem Verformungen hauptsächlich in dem taillierten Bereich stattfinden; der Durchmesser
dieses Bereiches ist wesentlich kleiner als derjenige anderer Bereiche des Prüflings. Die Primärspule 4 und die Sekundärspule
5 sind auf einen hülsenförmigen Kern 13 mit Stirnwänden
aufgewickelt. Die zentrale Bohrung des Spulenkernes ist derart bemessen, daß ein leichtes Durchdringen des Körpers möglich ist.
Die Spulen 4 und 5 sind durch einen Mantel 14 geschützt. Die örtliche Anordnung der Spulen 4 und 5 ist derart gewählt, daß der
Magnetfluss die kleinstmögliche Leckage und die größtmögliche Homogeneität erreicht. Um einen symmetrischen Fluss durch den
Körper 1 zu erzielen, wurde eine Anzahl von Jochen 3 symmetrisch um den Spulenkern herumgelegt. Diese U-förmigen Platten sind in
radial angeordnete Schlitze in den Stirnwänden des Spulenkernes 13 einges choben.
Körper 1 kann relativ frei in der Zentralbohrung des Spulenkernes
13 gleiten. Dies bewirkt eine konstante Durchschnittslänge des
magnetischen Kreises, unabhängig der aufgebrachten mechanischen Belastung. Die Joche 3 sind während des Messens durch Magnetkräfte
zwischen den Jochen und dem Körper an Ort und Stelle gehalten. Wird nicht gemessen, so lassen sich die Joche fixieren,
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beispielsweise durch elastische Federn oder Bügel, die die Joche
abschliessen.
Alternative Ausführungsform
Der in Figur 6 dargestellte Körper 1 ist ein herkömmlicher Dreipunkt-Biegeprüfling.
Im mittleren Bereich des Prüflings befindet sich eine Nut 15. Die Primärspule 4 und die Sekundärspule 5 sind
auf Jochen 3 aufgebracht, von denen in Figur 6 nur eines dargestellt ist. Die Joche sind in Bezug auf die Nut 15 symmetrisch an
denjenigen Längsflächen angeordnet, die sich an die obere Fläche anschliessen.
Während des Messens ist der Prüfling Kräften ausgesetzt, die in
der Figur durch Pfeile veranschaulicht sind. Diese Kräfte beanspruchen den Prüfling im wesentlichen auf Biegespannungen. Die
Kräfte P/2 wirken von oben ein, und zwar in Bezug auf die Nut 15 symmetrisch, während die Kraft P von unten einwirkt, und zwar
gerade an der N.ut 15. Gemäß der Erfindung beeinträchtigt die Spannung nicht die durchschnittliche Länge des Magnetflusses.
Demgemäß sind die Joche relativ zum Prüfling gleitbar angeordnet. Die Messung wird so ausgeführt, wie dies in Verbindung mit Figur
1 oben beschrieben ist.
Es versteht sich/daß die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Stattdessen kann das Messverfahren, wie in den Ansprüchen festgehalten, in zahlreichen
Messanwendungen verwendet werden. Mit einem oder mehreren Jochen,
die mit Primär- und Sekundärspulen ausgestattet sind und einem willkürlich magnetisierbaren Körper zugeordnet sind, beispielsweise
einer Ankerstütze, einem Balken, einem Stab oder einer
Platte, auf welche eine Last einwirkt, läßt sich die Veränderung
des mechanischen Zustandes infolge Belastung messen. Dabei wird
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davon ausgegangen, daß man von einem Punkt auf der Anhysteresis-Kurve
des Körpers beginnt, und daß die Durchschnittslänge des
Magnetflusses durch die Belastung nicht beeinflußt wird.
Der magnetische Hauptfluss wurde bei den oben angeführten Ausführungsbeispielen
durch Anwendung einer oder mehrerer Primärspulen erzeugt. Er kann natürlich auch durch Permanentmagneten
erzeugt werden, wie eine weitere Ausgestaltung der Erfindung lehrt. Diese Permanentmagneten sind derart angeordnet, daß der
Hauptfluss konstant ist.
Zum Messen des magnetischen Flusses sind auch andere Möglichkeiten
denkbar als die oben beschriebenen Sekundärspulen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein sogenanntes Hall-Element verwendet
werden.
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Claims (5)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zum Messen oder Erfassen einer Veränderung des mechanischen Zustandes, beispielsweise der Änderung der mechanischen Belastung, des Fließens, der Risseinleitung/ der Rissvertiefung, der Trennung innerhalb des Materials oder der Vibration, oder der Zeitabhängigkeit der Veränderung des mechanischen Zustandes in einem Körper mit magnetos triktiven Effekten, wobei unter dem Einfluß einer antreibenden Magnetkraft (H) ein zugeordneter magnetischer Fluss in wenigstens einem Teil des Körpers erzeugt wird, auf welchen Magnetfluss die Änderung des mechanischen Zustandes über die Magnetisierung (M) als messbare oder erfassbare Störung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Magnetkraft (HQ) und die Durchschnittslänge (1) des Magnetkreises im wesentlichen konstant und unabhängig von der Änderung des mechanischen Zustandes gehalten werden, wobei der Magnetfluss zum einen Teil aus einem Hauptfluss (φ_) besteh-t, der der antreibenden Magnetkraft (H-) zugeordnet ist, welche ihrerseits eine definierte Richtung und eine derartige Magnitude hat, daß die magnetischen Eigenschaften des Körpers aus dem Bereich der Irreversibilität abweichen, und zum anderen Teil aus einem alternierenden, nach und nach verschwindenden Fluss (φ ), der dem Hauptfluss überlagert ist; dabei muß der alternierende Fluss eine derartige Anfangsmagnitude haben, daß in beiden Richtungen des alternierenden Flusses (<pv) Sättigung eintritt, so daß in bekannter Weise ein Punkt auf der anhysteretischen Kurve des Körpers dann erreicht wird, wenn der alternierende Fluss (φν) verschwunden ist, wonach die durch die Veränderung des mechanischen Zustandes erzeugte Störung angezeigt oder registriert wird, und zwar als Spannung, die durch die Änderung des der Störung entsprechenden Magnetflusses induziert wird.030605/0018
- 2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Mitteln zum Erzeugen des Magnetflusses im Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel einen Magnetkreis bilden, der wenigstens einen Teil des Körpers umfaßt, daß der Kreis im wesentlichen frei von Luftspalten ist und eine durchschnittliche Länge (1) hat, die unabhängig von der Veränderung des mechanischen Zustandes ist, und daß teilweise der Hauptfluss (φο) angetrieben wird, und teilweise der überlagernde alternierende Fluss (φ ), und daß die Vorrichtung ein System von Spulen aufweist, die an eine Meßoder Anzeigeeinrichtung angeschlossen sind, die die Flussänderung erfaßt.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein System von Spulen mit Jochen umfassen, ferner einen Stromerzeuger, der derart gestaltet und angeordnet ist, daß er dem Spulensystem teilweise einen Gleichstrom liefert, der dem Hauptfluss entspricht, und teilweise einen über die Zeit hinweg schwindenden Wechselstrom, der dem schwindenden alternierenden Fluss entspricht.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel ein System von Permanentmagneten zum Erzeugen des Hauptflusses umfassen.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch oder die Joche in dem Körper gleitbar angeordnet sind.0 3 0 6 0 5/0018
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1980
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