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Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung fÜr
berührungsfreies Messen von Spannungen in einem stangenförmigen
Körper, z.B. einer zylindrischen Stange, Welle oder ähnlichem.
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Auf vielen verschiedenen technischen Gebieten ist es
wünschenswert, während des Betriebes die Spannungen berührungsfrei messen
zu können, welchen ein Strukturelement, z.B. eine Welle, ein
Werkzeug oder ähnliches während ihrer Benutzung ausgesetzt sind,
um im Stande zu sein die Abhängigkeit der erhaltenen Messwerte,
z.B. der Vorschubsgeschwindigkeit, der zugeführten Antriebskraft
usw. zu kontrollieren um zu verhindern dass das Strukturelement
oder ein damit zusammenwirkendes Element oder ein vom
Strukturelement angetriebenes Werkstück beschädigt oder unerwünschten
Belastungen ausgesetzt wird.
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Gemäss einer bereits bekannten Vorrichtung für berührungsfreies
Messen von Torsionsspannungen in Wellen, Bohrern oder anderen
stangenförmigen Körpern wird die Stange in zwei achsial
beabstandeten Zonen mit einer Anzahl dünner Streifen in einem amorphen,
magnetoelastischen Werkstoff versehen, welche gleichmässig in
Umkreisrichtung über die betreffende Zone verteilt sind. Die
Streifen sind auf der Umkreisfläche der betreffenden Zone mit
einer Neigung von ungefähr 45º festgesetzt, wobei die
Neigungsrichtung der einen Zone der Neigungsrichtung der anderen Zone
entgegengesetzt ist. Die Stange wird von stillstehenden
Aufnahmespulen umgeben mit einer geraden Anzahl von Windungen, die für
jede Zone vorgesehen sind, wobei jede Aufnahmespule sich in einer
Ebene erstreckt, die winkelrecht zur Stangenachse verläuft, sowie
eine äussere stillstehende Magnetisierungsspule, welche die Zone
mit den Streifen und auch die Aufnahmespulen umschliesst und
achsial zur Stangenachse verläuft. Die Magnetisierungsspule kann
an einem Antrieb angeschlossen werden um ein Magnetfeld über die
Streifenzonen und die Aufnahmespulen zu erzeugen, und die
Aufnahmespulen sind an einer Messeinheit zur Anzeige von Signalen, die
in den Aufnahmespulen erzeugt werden, angeschlossen. Die
Vorrichtung basiert auf dem bekannten Umstand, dass die magnetischen
Eigenschaften von amorphen, magnetoelastischen Werkstoffen, die
sich in Abhängigkeit der Belastungsgrösse des Werkstoffes ändern.
Die an der Stange festgesetzten Streifen sind somit Belastungen
ausgesetzt, wenn die Stange Spannungen unterliegt. Wenn ein
Magnetfeld über die Aufnahmespulen und die Zonen mit Streifen
angeordnet wird, so wird ein Strom in den Aufnahmespulen induziert,
welche von den innerhalb der Spulen befindlichen Streifen aus
amorphem magnetoelastischem Werkstoff beaufschlagt werden. Das
Ausgangssignal von den Aufnahmespulen ist somit von den
magnetischen Eigenschaften der Streifen abhängig, und da sich diese
Eigenschaften in Abhängigkeit von der mechanischen Belastungslage
der Streifen ändert, werden die Ausgangssignale von den
Aufnahmespulen die in der Stange vorliegende Spannung repräsentieren.
Die Aufnahmeschleifen für die beiden Zonen mit Streifen sind
entgegengesetzt in Serie geschaltet. Wenn die Stange keiner
Belastung unterliegt erhält man somit ein resultierendes
Nullausgangssignal. Wenn die Stange Torsionsbelastungen ausgesetzt ist,
entsteht ein Ausgangssignal, das von der Grösse der Torsionsbelastung
sowie der Richtung der Torsion abhängig ist.
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Ein Nachteil der bereits bekannten, oben beschriebenen
Vorrichtung ist, dass sie lediglich zur Messung von Torsionsspannungen
verwendet werden kann, jedoch nicht für die Messung von
Biegespannungen oder achsialen Spannungen, denen die Stange ausgesetzt
sein kann. Biegespannungen, denen die Stange ausgesetzt wird,
werden daher kein resultierendes Ausgangssignal in den
Aufnahmespulen erzeugen. Wenn die Stange achsialen Belastungen ausgesetzt
wird, wird somit auch ein Nullausgangssignal entstehen.
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Ein weiterer Nachteil der bereits bekannten Vorrichtung ist, dass
die von den Aufnahmespulen erhaltene Signalstärke
verhältnissmässig gering ist auf Grund des Umstandes, dass die Streifen aus
amorphem, magnetoelastischem Werkstoff nicht lotrecht zu den
Flächen der Aufnahmespulen verlaufen, sie bilden vielmehr einen
Winkel mit diesen Flächen. Infolgedessen ist die bekannte
Vorrichtung verhältnissmässig empfindlich für eine achsiale
Verschiebung der Stange in Bezug auf die Spulen.
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Wie gleichfalls bekannt umfasst ein Torsionsmesser, der auf
entsprechende Weise oben bereits beschrieben wurde, zwei Zonen
med Streifen aus dünnen amorphem, magnetoelastischem Werkstoff
und die beiden, die Stange umschliessenden Aufnahmespulen werden
durch zwei Aufnahnmeköpfe ersetzt, die jeweils aus einem
U-förmigen, mit einer Spule versehenen Eisenkern bestehen. Die
Aufnahmeköpfe sind in der Nähe der zur Wellenachse mit 45º geneigten
Fläche angeordnet, wobei die Köpfe 90º auseinander liegen. Die
Spulen der Aufnahmeköpfe sind entgegengesetzt seriengeschaltet.
Wenn die Stange nicht einer Belastung ausgesetzt ist erhält man
auf entsprechende Weise das resultierende Nullausgangssignal.
Wenn die Stange einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzt ist,
erhält man ein Ausgangssignal, welches von der Grösse der
Torsionsbeanspruchung sowie der Richtung der Torsion abhängt.
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Auch diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass es lediglich
möglich ist Torsionsbeanspruchungen zu messen, wogegen
Biegungsbeanspruchungen und/oder achsiale Beanspruchungen in der Stange
ein Nullsignal erzeugen.
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Ein weiterer schwerer Nachteil letztgenannter bekannter
Vorrichtung ist, dass die verwendeten Aufnahmeköpfe sehr empfindlich für
Veränderungen im Spalt zwischen den Aufnahmeköpfen und der
Stangenoberfläche sind. Infolgedessen ist die Vorrichtung äusserst
empfindlich für Veränderungen der Radialmasse der Stange und
Radialbewegungen der Stange während dess Messvorganges.
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Vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe eine Vorrichtung oben
erwähnter Art zu schaffen, in welcher dünne Streifen aus amorphem,
magnetoelastischem Werkstoff verwendet werden, die auf der
Oberfläche des zu messenden Gegenstandes befestigt werden, wobei
Spannungen Veränderungen in den mechanischen
Beanspruchungsverhältnissen hervorrufen und die magnetischen Eigenschaften der
Streifen mittels Aufnahmespulen abgelesen werden, die den zu
messenden Gegenstand umschliessen in der Zone oder den Zonen, in
denen die Streifen verlegt sind. Die Vorrichtung ermöglicht die
berührungsfreie Messung von Torsionsbeanspruchungen und
Biegebeanspruchungen sowie achsialen Belastungen und die Signalstärke
während der Messung ist grösser als bei bereits bekannten
Vorrichtungen und trägt zur einer besseren Zuverlässigkeit während
der Messung und einer geringeren Empfindlichkeit für Störungen
bei. Die Erfindung bezieht sich desweiteren auf eine Vorrichtung,
die ermöglicht, Beanspruchungen berührungsfrei zu messen durch
Verwendung von Aufnahmespulen, die den zu vermessenden Gegenstand
umgeben und die erheblich weniger empfindlich gegenüber durch
Bewegungen des Gegenstandes während des Messens verursachten
Störungen ist.
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Eine wichtige Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung oben
genannter Art zu schaffen, die nicht nur eine Messung von
Beanspruchungen ohne Rücksicht auf, ob die Beanspruchungen durch
Verdrehen, Biegen oder achsiale Kräfte verursacht sind,
ermöglicht, sondern auch eine Unterscheidung zwischen den
verschiedenen Belastungsarten zulässt.
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Oben erwähnte Aufgaben werden mit einer Ausführungsform gemäss
den nachfolgenden Patentansprüchen gelöst.
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Die Erfindung wird nachstehend im Anschluss an die in
Diagrammform veranschaulichten Ausführungsformen, die aus den beigefügten
Zeichnungen hervorgehen, beschrieben. Hierbei zeigen die
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Figur 1 in Diagrammform eine erfindungsgemässe Vorrichtung in
ihrer einfachsten Ausführungsform für berührungsfreies Messen von
Beanspruchungen in einem kreisförmig-zylindrischem
stangenähnlichem Körper;
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Figur 1A den in Figur 1 dargestellten kreisförmig-zylindrischen
stangenähnlichen Körper in Perspektive, der in einer Zone mit
amorphen Streifen versehen ist, sowie die die Stange umgebende
Aufnahmespule;
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Figur 2 in Diagrammform eine Abänderung der Ausführungsform in
Figur 1 mit Verwendung von zwei Aufnahmespulen;
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Figur 2A den in Figur 2 veranschaulichten, stangenähnlichen
Körper in Perspektive sowie die beiden die Stange umgebenden
Aufnahmespulen;
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Figur 3 eine vorgezogene Ausführungsform der erfindungsgemässen
Vorrichtung mit zwei Streifenzonen, wobei die Aufnahmespulen der
einen Zone mit Bezug auf die andere Streifenzone 90º versetzt
liegt;
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Figuren 3A, 3B und 3C in Diagrammform die Verbindung der
Aufnahmespulen in drei verschiedenen Weisen zur separaten Vermessung
von Torsionsbeanspruchungen (Figur 3 A), von Biegebeanspruchungen
(Figur 3 B) und von achsialen Belastungen (Figur 3 C);
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Figur 3D ein Schaltschema für eine Signalverarbeitungseinheit die
die gleichzeitige Veranschaulichung der verschiedenen Arten von
Belastungen, denen die Stange ausgesetzt ist, ermöglicht;
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Figur 4 in Diagrammform eine veranschaulichende Ausführungsform
mit zwei Streifenzonen und vier, jeweils den Streifenzonen
zugeordneten Aufnahmespulen;
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Figur 5 in Diagrammform eine Vorrichtung der Erfindung für
berührungsfreies Messen von Biegespannungen in einem stangenähnlichem
Körper mit viereckigem Querschnitt.
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In den Figuren 1 und 1A sind in Diagrammform eine
veranschaulichende Ausführungsform gezeigt, in welcher die erfindungsgemässe
Vorrichtung zur Messung der Beanspruchungen in einer
kreisförmig-zylindrischen Stange 1 verwendet wird. In einer Zone 2 ist
die Stange mit einer Anzahl Streifen 4 aus amorphem,
magnetoelastischem Werkstoff versehen, welche geleichmässig am Umkreis in
Umlaufrichting angeordnet sind. Die Streifen 4 sind an der
Umkreisfläche der Stange 1 mittels Leimen, Schweissen oder einem
ähnlichen Befestigungsverfahren befestigt. Die Streifen 4 können
auch auf der Fläche der Stange 1 verspritzt werden. Die Streifen
4 verlaufen entlang dem Umkreis mit einer Teilung mit einem
Teilungswinkel von ungefähr 45º. Eine Aufnahmespule 6 gehört zur
Zone 2 und ist stillstehend aussen auf der Stange 1 angebracht
und umschliesst die genannte Stange. Die Aufnahmespule 6 verläuft
in einer Ebene mit einer Neigung von ungeäfr 45º zur Achse der
Stange 1. In der rotierbaren, in der Figur gezeigten Lage der
Stange 1 verläuft ein Streifen 4 ungefähr winkelrecht zur Ebene
der Spule 6, wobei der im Durchmesser gegenüberliegende Streifen
ungefähr in der Ebene der Spule verläuft. Da die Streifen an
einer kreisförimig-zylindrischen Fläche befestigt sind, folgt
jeder Streifen in deren Längsrichtung einer schraubenförmigen
Linie, mit der Folge, dass der Streifen nicht über deren gesamte
Länge in der Ebene der Aufnahmespule 6 beziehungsweise
winkelrecht hierzu verläuft, sondern dass die Abweichung zum Ende der
Streifen hin nicht wesentlich das Resultat beeinflusst, da die
Streifen im Verhältnis zum Durchmesser der Stange kurz sind. Der
Streifen 4, der folglich als winkelrecht zur Ebene der
Aufnahmespule 6 verlaufend, den Strom in der Aufnahmespule beeinflusst,
bewirkt keinerlei Beeinflussung.
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Aussen an der Spule 1 ist eine Magnetisierspule 5 stillstehend
angeordnet, die achsial zur Stange 1 verläuft und die
Streifenzone 2 sowie die Aufnahmespule 6 umschliesst. Die Magnetisierspule
5 kann an eine Antriebseinheit zur Erzeugung eines Magnetfeldes
über der Aufnahmespule und der Streifenzone angeschlossen sein.
Die Aufnahmespule 6 ist an eine in der Figur nicht dargestellte
Messeinheit angeschlossen zur Anzeige der in der Aufnahmespule
erzeugten Signale.
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Bei eingeschalteter Magnetisierspule 5 zur Erzeugung eines
Magnetfeldes über die Aufnahmespule 6 und die Streifenzone 2 wird
ein Strom in erster Linie in der Aufnahmespule 6 induziert unter
Einfluss des amorphen, magnetoelastischen Streifens 4, der im
Arbeitsraum der Spule angeordnet ist und ungefähr parallel zur
magnetoelastischen Achse der Aufnahmespule verläuft. Die
magnetofühlende Achse der Spule bezieht sich auf die Richtung durch die
Spule, in welcher ein Magnetfluss die grösste Vorspannung in der
Spule erzeugen wird. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel
verläuft die magnetoelastische Achse winkelrecht zur Ebene der Spule
6. Der diametral gegenüberligende Streifen 4, der in einer zur
magnetoelastischen Achse der Spule gerichteten Aufnahmeebene
verläuft, d.h. in der Ebene der Spule 6 in dem in Figur 1
veranschaulichten Beispiel, erzielt keinen Einfluss auf die Spule.
Wenn die Spule keinerlei Spannung unterworfen ist so entsteht
folglich auch keinerlei Signal in der Spule, abhängig von den
magnetischen Eigenschaften des amorphen Streifens aus
magnetoelastischem Werkstoff.
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Wenn dagegen die Spule 1 einer Torsion ausgesetzt wird, ensteht
eine Spannung in der Stange, die eine Verlängerung oder ein
Zusammenpressen der Stangenfläche hervorruft. Die auf der
Oberfläche der Stange befestigten amorphen Streifen werden
gleichfalls dieser Dehnung oder diesem Zusammenpressen unterzogen,
welches eine Änderung in den magnetischen Eigenschaften der
Streifen 4 hervorruft. Infolgedessen wird auch die Stärke des in
der Spule 6 induzierten Stromes verändert. Die auf diese Weise
aus der Spule 6 erhaltene Signaländerung wird somit von einer
Belastung in der Stange 1 und damit in den amorphen Streifen 4
erzeugt und ist der Belastung proportionell.
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Wenn die Stange einer Belastung in achsialer Richtung ausgesetzt
wird, wird auch eine entsprechende Beanspruchung in den amorphen
Streifen 4 erzeugt. Dies wird mit einer Änderung im Signal aus
der Spule 6 ausgewiesen, wobei die Änderung der Beanspruchung
proportionell ist.
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Wenn die Stange 1 einer Biegebeanspruchung in einer zur
Figurenebene winkelrechten Ebene ausgesetzt wird, werden die amorphen
Streifen auf dieser Stange einer Dehnung und auf der
gegenüberliegenden Seite einer Zusammenpressung unterzogen, die eine
Veränderung in den magnetischen Eigenschaften der Streifen
hervorrufen. Das in der Spule 6 erhaltene Signal wird somit
verändert in Abhängigkeit von der Grösse der Biegebeanspruchungen und
der Unterschied veransschaulicht somit die Biegebeanspruchung,
der die Stange in dieser Richtung ausgesetzt ist.
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Die einfache oben beschriebene erfindungsgemässe Ausführungsform
ermöglicht somit das Messen von Beanspruchungen, denen die Stange
ausgesetzt wird, unabhängig davon, ob die Beanspruchungen von
einer Torsion, einer achsialen Kraft oder einem Biegemoment in
einer gewissen Richtung erzeugt wurden. Die einfache, in den
Figuren 1 und 1A gezeigte Ausführungsform weist einen Nachteil
darin auf, dass ein Biegemoment in der Ebene der Figur nicht eine
merkbare Beanspruchung in den amorphen, die Aufnahmespule 6
beaufschlagenden Streifen erzeugt, und daher wird keine merkbare
Veränderung der magnetischen Eigenschaften dieses Streifens
erzielt. Beeinflussungen der Aufnahmespule 6 durch die Streifen,
die unter Einfluss dieses Biegemomentes Beanspruchungen
ausgesetzt sind, werden einander ausgleichen, da die Spannungen
umgekehrte Vorzeichen aufweisen. Keine merkbare Änderung der Signale
aus der Spule 6 wird daher unter dem Einfluss eines Biegemomentes
in der Figurebene erhalten. Trotz dieses Nachteiles kann diese
einfache Ausführungsform in den Fällen verwendet werden, wo die
Belastungen, denen die Stange ausgesetzt ist, genau vorausgesehen
werden können und wo die Biegung in einer vorherbestimmten
Richtung gänzlich ausgeschlossen werden kann und kein Bedarf vorliegt
die Art der Belastung zu kennen, die die gelesene Spannung
verursacht hat.
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Die Figuren 2 und 2A veranschaulichen eine Ausführungsform, in
der die Stange 1 mit einer einzigen Zone 2 mit lediglich Streifen
aus amorphem, magnetoelastischem Werkstoff versehen ist. Diese
Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform in den
Figuren 1und 1A dadurch, dass mit der Streifenzone 2 eine weitere
Aufnahmespule 8 verbunden ist, die in einer Ebene liegt, die
einen Winkel von 90º mit der Ebene der Aufnahmespule 6 bildet,
wobei die Aufnahmespule 8 im Umkreis 90º zur Aufnahmespule 6
gedreht liegt. Mittels der Aufnahmespule 8 werden Beanspruchungen
in einer Ebene abgelesen, die 90º mit der entsprechenden
Aufnahmeebene der Aufnahmespule 6 bildet. Wenn die Stange 1 einer
Biegebeanspruchung ausgesetzt ist, die in einer zur Figurebene
winkelrecht verlaufenden Ebene wirkt, wird das Signal von der
Aufnahmespule 6 in der im Anschluss an die Figuren 1 und 1A
geschilderten Weise beeinflusst. Wenn die Stange 1 einem Biegemoment,
welches in der Figurebene wirkt, wird das Signal von der
Aufnahmespule 8 in entsprechender Weise beeinflusst. Wenn das
Biegemoment in einer zwischenliegenden Ebene wirkt, ausgesetzt ist,
ensteht eine in Komponenten aufgeteilte Beeinflussung der beiden
Aufnahmespulen 6 und 8. Die von Torsionen oder Kräften in
achsialer Richtung verursachten Beanspruchungen in der Stange 1
beeinflussen gleichfalls die jeweils von den Aufnahmespulen 6 und 8
kommenden Signale.
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Die in den Figuren 2 und 2A gezeigte Ausführungsform garantiert
Messungen von Beanspruchungen in der Stange unabhängig davon, ob
die Beanspruchungen mittels Torsion, achsialer Kraft oder
Biegemomenten erzeugt wurden und unabhängig von der Richtung des
Biegemomentes.
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Auch wenn es nicht möglich ist aus den einfachen
Ausführungsformen der Figuren 1, 1A und 2, 2A herauszulesen, ob die gemessenen
Beanspruchungen von Torsion, einer achsialen Last oder einem
Biegemoment herrühren, können die gemessenen Spannungen trotzdem
dazu verwendet werden die die betreffende Beanspruchung
verursachenden Parameter zu steuern. Wenn z.B. die Stange 1 eine
Antriebswelle oder ein Werkzeug oder Ähnliches umfasst, kann
beispielsweise der Vorschub, der zugeführte Antriebseffekt, usw. mit
Hilfe der aus den vorliegenden Spannungen in der Stange
erhaltenen Information gesteuert werden und somit eine zu grosse
Beanspruchung der Welle oder des Werkzeuges oder eines vom Werkzeug
beaufschlagten Arbeitsstückes verhindert werden.
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Eine sehr wichtige Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist,
dass die Aufnahmespule oder -spulen so angeordnet sind, dass die
magnetoempfindlichen Achse(n) der Spulen einen spitzen Winkel von
vorzugsweise 45º mit der Achse der Stange bilden. In der
Ausführungsform gemäss den Figuren 1, 1A und 2, 2A sind die
Aufnahmespulen 6 und 8 in Ebenen gelegen, die 45º zur Achse der Stange
geneigt liegen. Die Neigung der magnetoempfindlichen Achsen der
Spulen ist eine Voraussetzung für eine mögliche sichere Messung,
auch schon mit Hilfe der einfachen im Anschluss an die Figuren 1,
1A und 2, 2A beschriebenen Ausführungsformen, wobei sämtliche
Beanspruchungen in der Stangenoberfläche, die eine Verlängerung
oder eine Zusammenziehen hervorrufen, unabhängig davon sind, ob
die Beanspruchung von Torsion, Biegemomenten oder achsialen
Kräften hervorgerufen wurde. Die Anordnung der magnetoempfindlichen
Achsen der Aufnahmespulen in einem spitzen Winkel von
vorzugsweise 45º zur Achse der Stange ist ausserdem eine Voraussetzung für
die Entwicklung der erfindungsgemässen Anordnung, die in den
Figuren 3, 3A-C gezeigt und eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung darstellt, die nicht nur die Messung von
Torsionsbelastungen, Biegemomenten und achsialen Beanspruchungen in der
Stangenoberfläche sicherstellt, sondern auch eine Unterscheidung
zwischen den Beanspruchungen ermöglicht. Mit Hilfe der in
Diagrammform in den Figuren 3, 3A-c gezeigten Anordnung können
Biegebeanspruchungen, Torsionsbeanspruchungen und achsiale Belastungen
jeweils für sich gemessen werden. Durch Gestaltung der
Messeinheit als einen Signalbehandlungskreis gemäss dem Schaltschema in
Figur 3D erhält man gleichzeitig eine Veranschaulichung der
verschiedenen Sorten von Beanspruchungen, denen die Stange
ausgesetzt ist. Die vorgezogene gezeigte Ausführungsform wird im
Folgenden beschrieben.
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In der vorgezogenen Ausführungsform gemäss den Figuren 3, 3A, 3B,
3C ist die Stange in zwei voneinander getrennten Zonen 2 und 3
mit einer Anzahl dünner STreifen 4 in einem amorphen,
magnetoelastischen Werkstoff versehen, welche entlang dem Umkreis in
Umkreisrichtung gleichförmig verteilt sind. Auf eine der im
Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Weise werden die Streifen
auf der Oberfläche der Stange 1 festgeleimt, -geschweisst oder
-gespritzt. Die Streifen 4 verlaufen entlang dem Umkreis mit
einer Teilung und einem Teilungswinkel von ungefähr 45º, wobei
die Teilungsrichtung der einen Zone 2 der der anderen Zone 3
entgegengesetzt ist. Die beiden Aufnahmespulen 6 und 7 gehören zur
Zone 2, sind ausserhalb der Stange 1 angeordnet und umschliessen
diese Stange. Die Aufnahmespulen 6 und 7 verlaufen in Ebenen die
zueinander winkelrecht liegen und einen Winkel von ungefähr 45º
mit der Achse der Stange 1 bilden. Ein Streifen 4 auf der Stange
verläuft somit ungefähr winkelrecht zur Ebene der Spule 6, wobei
die diametral gegenüberliegende Spule ungefähr in der Ebene der
Spule liegt. Die als ungefähr winkelrecht zur Ebene der
Aufnahmespule 6 verlaufend angesehenen Streifen beeinflussen somit den
Strom in der Spule, wogegen der ungefähr in der Ebene der Spule
verlaufende Streifen diesen Strom nicht beeinflusst.
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Auf entsprechende Weise sind die Aufnahmespulen 12 und 13 der
Zone 3 zugeordnet, jedoch sind diese in Umkreisrichtung ungefähr
90º zu den beiden Spulen 6 und 7 verschoben. Mit dieser Anordnung
werden somit Beanspruchungen in Streifen 4 gemessen, die in zwei
zueinander winkelrechten Ebenen verlaufen, womit sichergestellt
wird, dass eine Biegebeanspruchung gemessen werden kann,
unabhängig davon, in welcher Ebene die Biegebeanspruchung vorliegt.
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Wie auch in den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 ist eine
Magnetisierungsspule 5 aussen an der Stange vorgesehen, wobei die
Spule achsial zur Stange 1 verläuft und die Streifenzonen 2 und 3
sowie die Aufnahmespulen 6, 7 und 12, 13 umschliesst. Die
Magnetisierungsspule 5 kann an einen Antrieb 15 angeschlossen werden
um ein Magnetfeld über den Aufnahmespulen und den Streifenzonen
zu erzeugen. Die Aufnahmespulen 6, 7, 12, 13 sind mit einer
Messeinheit 16 zur Anzeige der in den Spulen erzeugten Signale
verbunden.
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Figur 3A ist ein Schaltschema, welches in Diagrammform die
Verknüpfung der Spulen zur Veranschaulichung lediglich der
Torsionsbelastungen in der Stange 1 zeigt. Die Aufnahmespulen 6 und 7,
die die Zone 2 ablesen, sind somit phasengleich seriengeschaltet.
Die Spulen 12 und 13, die die Zone 3 ablesen, und die zu den
Spulen 6 und 7 um 90º verschoben liegen, sind gleichfalls
phasengleich seriengeschaltet. Die beiden Spulenpakete 6, 7
beziehungsweise 12, 13 sind gegenlaufend seriengeschaltet.
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Wenn keine Belastung an der Stange 1 vorliegt, wenn die
Magnetisierungsspule 5 mit Wechselstrom vom Antrieb 15 gespeist wird,
werden Signale I in gleicher Grösse in sämtlichen Aufnahmespulen
entstehen, d.h. die Signale I&sub6;, I&sub7;, I&sub1;&sub2; und I&sub1;&sub3; in den Spulen 6,
7 beziehungsweise 12, 13 und somit ist
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I&sub6; = I&sub7; = I&sub1;&sub2; = I&sub1;&sub3;
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Da die Spulen I&sub2;, I&sub3; den Spulen 6, 7 gegenläufig seriegeschaltet
sind, ergibt sich folgender Zusammenhang
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I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3; - (I&sub6; + I&sub7;) = 0
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Wenn somit keine Belastung der Stange 1 vorliegt, entsteht ein
Nullausgangssignal.
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Wenn die Stange einer Torsion mit einer Richtung ausgestzt ist,
sodass die Streifen der Zone 2 verlängert werden und die Streifen
der Zone 3 zusammengepresst werden, wird das von der
Magnetisierungsspule 5 in den Aufnahmespulen erzeugte Signal unter dem
Einfluss von den einer Dehnung unterworfenen Streifen mit (+δI)
vergrössert und das Signal I unter dem Einfluss von den einer
Zumsannpressung unterworfenen Streifen mit (-δI) verringert.
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Dies ergibt folgendes Resultat
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I&sub1;&sub2; - δI + I&sub1;&sub3;- δI - (I&sub6; + δI + I&sub7; + δI)
= - 2δI - 2δI = - 4δI
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Das resultiernde Ausgangssignal wird somit - 4δI. Dieses Signal
ist somit proportional der Torsionsbeanspruchung, der sie Stange
1 ausgesetzt ist, und das Signalvorzeichen gibt desweiteren die
Richtung an, in welcher die Torsionsbeanspruchung erfolgt.
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In den Gleichungen, die in der nachfolgenden Beschreibung der
veranschaulichten Ausführungsformen zitiert werden, werden
lediglich die Ausdrücke I und δI und nicht die vollständigen
Bezeichnungen für diese Ausdrücke verwendet, da das Resultat das gleiche
bleibt.
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Wenn die Torsion dagegen in der entgegengesetzten Richtung wirkt,
erhält man folgenden Zusammenhang
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I&sub1;&sub2; + δI + I&sub1;&sub3; + δI - (I&sub6; - δI + I&sub7;- δI) = +4δI
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Das resultierende Ausgangssignal wird somit +4δI, und das
Vorzeichen des Ausgangssignals gibt die Richtung an, in der die
Torsionslast wirkt.
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Wenn die Kupplung der Spulen gemäss Figur 3A zur Messung von
Torsionsbeanspruchungen aufrechterhalten bleibt und die Stange 1
einem Biegemoment in einer zur Ebene der Figur 3A winkelrechten
Ebene ausgezetzt wird, z.B. so dass der mit ausgezogenen Linien
gezeigte Streifen 4 in der Zone 2 verlängert wird und der
diametral gegenüberliegende Streifen zusammgepresst wird, wird das
Signal I&sub7; mit δI vergrössert und das Signal in der Spule 6, I&sub6;,
mit δI verrringert. Die Signale in den zu den Aufnahmespulen 6
und 7 mit 90º verschobenen Spulen 12 und 13 werden nicht
beeinflusst. Somit ergibt sich folgender Zusammenhang
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I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3; - (I&sub7; + δI + I&sub6; - δI) = 0
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Das resultierende Ausgangssignal wird somit gleich Null.
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Das gleiche Resultat ergibt sich, wenn das Biegemoment in
entgegengesetzter Richtung wirkt und auch wenn das Biegemoment
anstelle dessen in der Ebene der Figur 3 wirkt.
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Wenn die Spulen für die Messung von Torsionsspannungen
angeschlossen sind und die Stange 1 einem Biegemoment unterliegt,
erhält man als Folge hiervon kein Ausgangssignal.
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Wenn der Anschluss der Spulen für die Messung von
Torsionsspannungen aufrecht erhalten bleibt und die Stange 1 einer achsialen
Last ausgesetzt ist, werden sämtliche Streifen 4 in den
Streifenzonen 2 und 3 einer Dehnung beziehungsweise einer
Zusammenpressung unterworfen, abhängig davon, ob die achsiale Last eine
dehnende oder einer zusammenpressende Belastung darstellt. Die
Signale I in jeweils den Aufnahmespulen 6, 7 beziehungsweise 12, 13
werden daher mit δI vergrössert oder mit δI verringert werden. Da
die Spulen 6, 7 und 12, 13 gegenläufig seriengeschaltet sind wird
das resultierende Ausgangssignal gleich Null werden. Auch wenn
die Stange 1 einer achsialen Belastung ausgesetzt ist wird daher
kein Ausgangssignal hierfür entstehen.
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Figur 3B beschreibt ein Schaltschema für die Verkuppelung der
Spulen, wenn lediglich Biegebeanspruchungen in der Stange
angezeigt werden sollen. Die Spulen 6 und 7 sind über die Zone 2
gegenläufig seriengeschaltet und an eine separate Messeinheit 16A
angeschlossen. Die Spulen 12 und 13 sind über die Zone 3 auf
entsprechende Weise gegenläufig seriengeschaltet und an eine
separat Messeinheit 16B angeschlossen.
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Wenn keinerlei Belastung an der Stange 1 vorliegt, wenn die
Magnetisierungsspule 5 über den Antrieb 15 magnetisiert wird, erhält
man gleiche Signale in den Spulen 6, 7 beziehungsweise 12, 13. Da
die Spulen 6, 7 beziehungsweise 12, 13 gegenläufig
seriengeschaltet sind, entsteht ein Nullausgangssignal aus den Spulen 6, 7 wie
auch aus den Spulen 12, 13. Das folgende Signalmuster entsteht
somit
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I&sub6; - I&sub7; = 0 I&sub1;&sub2; - I&sub1;&sub3; = 0
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Wenn keine Belastung an der Stange 1 vorliegt entsteht somit ein
Ausganssignal Null aus jedem Paar Aufnahmespulen 6, 7
beziehungsweise 12, 13.
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Wenn die Stange 1 einem Biegemoment ausgesetzt wird, welches in
einer winkelrecht zur Figur 3 liegenden Ebene wirkt, sodass der
mit ausgezogenen Linien in Figur 3 dargestellte Streifen 4 einer
Zusammpressung und der diametral gegenüberliegende Streifen einer
Dehnung unterzogen wird, erhält man folgenden Zusammenhang
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für die Spulen 6, 7: I&sub6; + δI - (I&sub7; - δI) = + 2δI
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für die Spulen 12, 13: I&sub1;&sub2; - I&sub1;&sub3; = 0
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Wenn die Stange 1 dagegen einem Biegemoment ausgesetzt wird,
welches in einer in der Figur 3 liegenden Ebene wirkt sodass der
die Spule 12 beeinflussende Streifen gedehnt und der die Spule 13
beeinflussende Streifen zusammengepresst wird, erhält man
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für die Spulen 12, 13: I&sub1;&sub2; + δI - (I&sub1;&sub3; - δI) = +2δI
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für die Spulen 6, 7: I&sub6; - I&sub7; = 0
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Wenn das Biegemoment in derselben Ebene aber in entgegengesetzter
Richtung wirkt, erhält man
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für die Spulen 12, 13: I&sub1;&sub2; - δI - (I&sub1;&sub3; + δI) = -2δI
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für die Spulen 6, 7: I&sub6; - I&sub7; = 0
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Hieraus geht hervor, dass ein Biegemoment ein positives oder
negatives Ausgangssignal erzeugt, dessen Grösse dem Umfang der
Biegebeanspruchung proportional ist. Durch Beobachtung, von
welchem Spulenpaket, den Spulen 6, 7 oder den Spulen 12, 13, das
Signal kommt, erhält man auch Information über die Ebene, in
welcher das Biegemoment auftritt, wobei das Vorzeichen des
Signals ausserdem Information über die Richtung in der betreffenden
Ebene erstellt, in der das Biegemoment wirkt.
-
Wenn die Spulen 6, 7 und 12, 13 zum Messen von Biegespannungen
angeschlossen sind, die Stange jedoch einer Torsion ausgesetzt
ist, werden die Streifen in der einen Streifenzone abhängig von
der Torsionsrichtung verlängert und die Streifen in der anderen
Streifenzone zusammengepresst. Eine Verlängerung in einem
Streifen veranlasst somit eine Zunahme des Signales I mit δI, und wenn
der Streifen zusammengedrückt wird, wird das Signal mit δI
verringert. Man erhält somit,
-
wenn die Streifen in der Streifenzone 2 verlängert werden
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für die Spulen 6, 7: I&sub6; + δI - (I&sub7; + δI) = 0
-
für die Spulen 12, 13: I&sub1;&sub2; - δI - (I&sub1;&sub3; - δI) = 0
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wenn die Streifen in der Zone 2 verkürzt werden
-
für die Spulen 6, 7: I&sub6; &submin; δI - (I&sub7; &submin; δI) = 0
-
für die Spulen 12, 13: I&sub1;&sub2; + δI - (I&sub1;&sub3; + δI) = 0
-
Wenn die Spulen 6, 7 und 12, 13 lediglich für die Messung von
Biegespannungen angeschlossen sind, wird eine Torsion in der
Stange das Ausgangssignal nicht beeinflussen.
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Wenn die Spulen 12, 13 für die Messung von Biegespannungen
angeschlossen sind und die Stange 1 einer achsialen Belastung
ausgesetzt ist wird eine Verlängerung oder ein Zusammendrücken der
Streifen 4 entstehen, abhängig davon, ob die achsiale Belastung
eine Zugspannung oder eine Druckbelastung ausmacht.
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Im Falle einer Zugspannung erhält man
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für die Spulen 6, 7: I&sub6; + δI - (I&sub7; + δI) = 0
-
für die Spulen 12, 13: I&sub1;&sub2; + δI - (I&sub1;&sub3; + δI) = 0
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Im Falle einer Druckbelastung erhält man
-
für die Spulen 6, 7: I&sub6; - δI - (I&sub7; - δI) = 0
-
für die Spulen 12, 13: I&sub1;&sub2; - δI - (I&sub1;&sub3; - δI) = 0
-
Daraus geht hervor, dass, wenn die Spulen 6,7 und 12, 13 für die
Messung von Biegebelastungen angeschlossen sind, eine achsiale
Belastung das Ausgangssignal nicht beeinflussen wird.
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Figur 3C beschreibt ein Schaltschema für den Anschluss der Spulen
6, 7, 12, 13, wenn lediglich achsiale Belastungen gemessen
werden. Die Spulen 6, 7, 12, 13 sind dabei mit gleicher Phase
seriengeschaltet und sind an eine gemeinsame Messeinheit 16
angeschlossen, wie aus der Figur 3C ersichtlich ist.
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Wenn also keine Belastung an der Stange 1 vorliegt und die
Magnetisierungsspule 5 mit dem Antrieb 15 magnetisiert wird entsteht
ein Ausgangssignal in der Messeinheit 16, das gleich der Summe
der in den Spulen 6, 7, 12 ,13 erzeugten Signale ist, d.h. das
Ausgangssignal wird gleich I&sub6; + I&sub7; + I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3;.
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Wenn die Stange 1 einer achsialen Belastung unterliegt erhält man
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bei Zugspannung I&sub6; + δI + I&sub7; + δI + I&sub1;&sub2; + δI + I&sub1;&sub3; + δI =
I&sub6; + I&sub7; +I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3; + 4δI
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bei Druckbelastung I&sub6; - δI + I&sub7; - δI + I&sub1;&sub2; - δI + I&sub1;&sub3; - δI =
I&sub6; + I&sub7; +I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3; - 4δI
-
Wenn die Stange einer achsialen Belastung ausgesetzt ist wird
somit das Signal vergrössert oder verrringert, verglichen mit der
Grösse des Ausgangssignal, wenn keinerlei Belastung an der Stange
vorliegt. Die Grösse dieser Vegrösserung oder Verringerung beruht
auf dem Umfang der achsialen Belastung und eine Vergrösserung des
Ausgangssignales beinhaltet, dass die Belastung eine Zugspannung
ist, wogegen einer Verringerung der Grösse des Ausgangssignales
einer Druckbeanspruchung entspricht.
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Wenn die Spulen 6, 7, 12, 13 für die Messung achsialer
Belastungen angeschlossen sind und die Stange einer Torsion unterliegt,
erhält man eine Verlängerung der Streifen in der einen
Streifenzone und ein Zusammenpressen der Streifen in der anderen
Streifenzone. Da die Spulen 6, 7, 12, 13 seriengeschaltet sind, erhält
man folgenden Zusammenhang, wenn die Torsion eine Verlängerung
der Streifen in der Streifenzone 2 und ein Zusammendrücken der
Streifen in der Streifenzone 3 erzeugt:
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I&sub6; + δI + I&sub7; + δI + I&sub1;&sub2; - δI + I&sub1;&sub3; - δI =
I&sub6; + I&sub7; + I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3;
-
Ein Ausgangssignal entsteht somit von derselben Grösse wie das
Ausgangssignal, wenn keinerlei Belastung an der Stange vorliegt,
d.h. Torsionsbeanspruchungen in der Stange 1 werden somit nicht
das Ausgangssignal beeinflussen.
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Wenn die Torsion dagen ein Zusammendrücken der Streifen 4 in der
Streifenzone 2 sowie eine Verlängerung der Streifen in der
Streifenzone 3 hervorruft, erhält man
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I&sub6; - δI + I&sub7; - δI + I&sub1;&sub2; + δI + I&sub1;&sub3; + δI =
I&sub6; + I&sub7; + I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3;
-
Das Ausgangssignal wird somit nicht von einer
Torsionsbeanspruchung in der Stange 1 beeinflusst, unabhängig von der
Torsionsrichtung.
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Wenn die Spulen 6, 7, 12, 13 für die Messung achsialer
Beanspruchungen angeschlossen sind und die Stange 1 einem Biegemoment in
einer gewissen, zur Figurebene winkelrechten Richtung ausgesetzt
wird, wird der in der Streifenzone 2 die Spule beeinflussende
Streifen 4 verlängert und der diametral gegenüberliegende
Streifen in dieser Zone zusammengedrückt.
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Die Streifen in der Streifenzone 3, die die Spulen 12 und 13
beeinflussen, werden keiner Verlängerung beziehungsweise
Zusammenpressung unterzogen.
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Das in den Spulen 6, 7, 12, 13 erzeugte Signal lautet wie folgt
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I&sub6; + δI + I&sub7; - δI + I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3; =
-
I&sub6; + I&sub7; + I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3;
-
Die Biegebeanspruchungen beeinflusst somit nicht das
Ausgangssignal.
-
Wenn das Biegemoment in derselben Ebene, jedoch in
entgegengesetzter Richtung wirkt, erhält man
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I&sub6; - δI + I&sub7; + δI + I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3; =
-
I&sub6; + I&sub7; + I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3;
-
Unabhängig von der Richtung des Biegemomentes in der Ebene wird
das Ausgangssignal nicht beeinflusst.
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Wenn das Biegemoment anstatt dessen in der Ebene der Figur 3
wirkt, sodass der die Spule 12 beeinflussende Streifen einer
Verlängerung und der die Spule 13 beeinflussende Streifen einer
Zusammenpressung ausgesetzt wird, und die die Spulen 6 und 7
beeinflussende Streifen in der Streifenzone 2 weder einer
Zugspannung oder einer Zusammenpressung unterliegen, erhält man
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I&sub6; + I&sub7; + I&sub1;&sub2; + δI + I&sub1;&sub3; - δI = I&sub6; + I&sub7; +I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3;
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Das Biegemoment wird somit das Ausgangssignal nicht beeinflussen.
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Wenn das Biegemoment in derselben Ebene wirkt, aber so, dass der
die Spule 12 beeinflussende Streifen in der Streifenzone 3
zusammengepresst wird, wogegen der die Spule 13 beeinflussende
Streifen gedehnt wird, erhält man folgenden Zusammenhang
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I&sub6; + I&sub7; + I&sub1;&sub2; - δI + I&sub1;&sub3; + δI = I&sub6; + I&sub7; +I&sub1;&sub2; + I&sub1;&sub3;
-
Das Biegemoment in der Stange 1 wird somit unabhängig von seinem
Vorzeichen oder seiner Richtung nicht das Ausgangssignal
beeinflussen.
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Wenn die Spulen 6, 7, 12, 13 somit lediglich zur Messung von
achsialen Beanspruchungen gemäss Figur 3 angeschlossen sind,
werden Torsionsbeansspruchungen oder Biegebeanspruchungen, denen
die Stange 1 ausgesetzt wird, nicht das Ausgangssignal
beeinflussen.
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Wenn man wünscht ein Nullausgangssignal zu erhalten, auch wenn
achsiale Spannungen gemessen werden, wenn die Stange nicht einer
Belastung ausgesetzt ist, ist es möglich eine weitere, hier nicht
dargestellte Magnetisierspule innerhalb des Arbeitsbereiches der
Magnetisierspule 5, jedoch ausserhalb der Zonen 2 und 3
anzuordnen, die die Stange umschliesst und um diese weitere Spule
gegenläufig seriengeschaltet mit den anderen Aufnahmespulen
anzuschliessen. Als Magnetisierung mit Hilfe der Magnetisierspule
5 wird ein Signal in dieser weiteren Spule erzeugt. Durch
geeignete Wahl der Anzahl Windungen wird die Spule so ausgebildet dass
sie ein Ausgangssignal erzeugt, welches gleich dem in den
gegenläufig angeordneten Spulen 6, 7, 12, 13 erzeugten Ausgangssignal
ist, wenn keine Belastung der Stange 1 vorliegt. Das
resultierende Ausgangssignal ohne Belastung der Stange 1 wird demgemäss
gleich Null.
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Figur 3D zeigt ein Schaltschema für eine Signalbehandlungseinheit
17, die in einem Gehäuse eingeschlossen ist und die die
gleichzeitige Veranschaulichung der Belastungen verschiedener Art,
denen die Stange unterliegt, ermöglicht.
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Jede der Aufnahmespulen 6, 7, 12, 13 ist an einen
Differentialverstärker 61, 71, 121 beziehungsweise 131 angeschlossen, die
einen Teil der Signalbehandlungseinheit 17 bilden, wobei jeder
Verstärker einen Puffer 62, 72, 122 beziehungsweise 132 aufweist,
der an deren Ausgangsseite angechlossen ist. Das Signal von jedem
der Differnetialverstärker mit angeschlossenem Puffer wird an
drei Widerstandsgeräte 63A-C, 73A-C, 123A-C beziehungsweise
133A-C gleicher Grösse gesandt. Das Signal von jeder
Aufnahmespule wird somit in der Signalbehandlungseinheit 17 in jeweils drei
proportionale Signale aufgeteilt, die eine Signalbehandlung für
eine gleichzeitige Angabe der vorkommenden achsialen Belastungen,
Biegebeanspruchungen und Torsionsbeanspruchungen ermöglicht.
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Zu diesem Zweck enthält die Signalbehandlungseinheit 17 vier
Integratoren 18, 19A, 19B und 20. Der Ausgang jedes Integrators ist
an einen Demodulator 21, 22, 23 beziehungsweise 24 angeschlossen,
dessen Ausgangssignale einem Messinstrument 25, 26, 27
beziehungsweise 28 zugeleitet werden, wobei diese Instrumente jeweils
das resultierende Signal anzeigen.
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In dem Integrator 18 werden die Sigaale zur Anzeige vorkommender
achsialer Belastungen behandelt. Die Widerstandsgeräte 63A, 73A,
123A und 133A sind daher mit dem Integrator 18 verbunden, in
welchem die Signale zueinander addiert werden. Das resultierende
Signal im Messinstrument 25 erstellt dann Information über die
vorliegende achsiale Belastungssituation in der Stange.
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In dem Integrator 19A werden die den Aufnahmespulen 12 und 13
zugehörigen Signale behandelt, um die von einem Biegemoment (Mbx)
in einer Ebene erzeugten Biegespannungen zu messen. Das
Widerstandsgerät 123B ist daher via einem Leiter direkt an den
Integrator 19A angeschlossen und das Widerstandsgerät 133B ist via
eines Inverters 29 an den Integrator 19A angeschlossen. Das
resultierende Signal im Messinstrument 26 entspricht dabei den
von einem Biegemoment (Mbx) in dieser Ebene erzeugten
Biegespannungen.
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Auf entsprechende Weise ist das Widerstandsgerät 63B direkt via
einem Leiter an den Integrator 19B angeschlossen und das
Widerstandsgerät 73B via eines Inverters 29 an den Integrator 19B
angeschlossen. Das resultierende Signal im Messinstrument 28
entspricht dabei den von einem Biegemoment (Mby) in einer zur
vorgenannte Ebene winkelrechten Ebene erzeugten Biegespannungen.
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Im Integrator 20 werden die Signale zur Anzeige der vorliegenden
Torsionsbeanspruchungen behandelt. Die Widerstandsgeräte 63C und
73C sind jeweils mit dem Integrator 20 via einem Inverter 29
verbunden und die Widerstandsgeräte 123C und 133C sind via Leiter
direkt mit dem Integrator 20 verbunden. Das resultierende Signal
im Messinstrument 28 entspricht dem Torsionsmoment, dem die
Stange ausgesetzt ist.
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Die Signalbehandlungseinheit 17 umfasst auch einen Oscillator 30,
der an die Magnetisierspule 5 zu deren Magnetisierung
angeschlossen ist, und auch die Demodulatoren 21, 22, 23 und 24 auf der
Eingangsseite sind an den Oscillator 30 angeschlossen.
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In der auf oben beschriebene Weise konstruierten
Signalbehandlungseinheit 17 sind die Aufnahmespulen 6, 7, 12 und 13 somit
verbunden um achsiale Beanspruchungen, Biegebeanspruchungen in
zwei zueinander winkelrechten Ebenen und Torsionsspannungen zu
messen, wie im Anschluss an die Figuren 3A-C beschrieben und eine
gleichzeitge Anzeige der vorkommenden Belastungsarten ist
erstellt. Somit ist keinerlei manuelle oder stufenweise Umschaltung
der Spulen zur Messung der verschiedenen Beanspruchungen
erforderlich.
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In Figur 4 wird eine weitere veranschaulichende Ausführungsform
beschrieben, die sich von der Ausführungsform der Figur 3 durch
vier Aufnahmespulen unterscheidet, die jeweils den Streifenzonen
2 und 3 zugeordnet sind. Die Aufnahmespulen 6, 7, 10, 11 gehören
somit zur Zone 2. Die Spulen 10 und 11 sind jedoch zu den Spulen
6 und 7 verdreht angeordnet, sodass die Schnittstellen der Spulen
10 und 11 am Umkreis um 90º zu den Schnittstellen der Spulen 6
und 7 verschoben liegen. Auf entsprechende Weise gehören die
Aufnahmespulen 8, 9, 12, 13 zur Zone 13. Die Spulen 8 und 9 sind
jedoch jedoch zu den Spulen 12 und 13 verdreht angeordnet, sodass
die Schnittstellen der Spulen 8 und 9 am Umkreis um 90º zu den
Schnittstellen der Spulen 6 und 7 verschoben liegen. Die
Belastung in den zueinander 90º am Umkreis verschobenen Regionen wird
auf diese Weise gemessen.
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Beim Messen von Biegespannungen, die von einer in einer zur
Figurebene winkelrechten Ebene wirkenden Torsion erzeugt wird,
sind die Spulen 7 und 8 phasengleich seriengeschaltet wie auch
die Spulen 6 und 9 und die beiden Spulensysteme sind gegenläufig
seriengeschaltet. Das resultierende Ausgangssignal entspricht
dann der vom Biegemoment in dieser Ebene erzeugten Belastung. Um
die von einem in der Figurebene wirkendes Biegemoment erzeugte
Biegespannung zu messen sind die Spulen 10 und 13 phasengleich
seriengeschaltet wie auch die Spulen 11 und 12 und die beiden
Spulensysteme sind gegenläufig seriengeschaltet. Das
resultierende Ausgangssignal entspricht einer von einem Biegemoment in
dieser Ebene erzeugten Belastung.
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Wenn Torsionbelastungen gemessen, werden sind die Spulen 6, 7,
10, 11 phasengleich seriengeschaltet wie auch die Spulen 8, 9,
12, 13 und die beiden Spulensysteme sind gegenläufig
seriengeschaltet. Ein resultierendes Ausgangssignal entspricht dann
bezüglich Grösse und Richtung der Torsionsbeanspruchung in der
Stange 1.
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Wenn achsiale Beanspruchungen gemessen werden, sind sämtliche
Spulen phasengleich seriengeschaltet, wobei die Situation ohne
Belastung der Stange 1 ein Signal mit gewisser Grösse erzeugt.
Wenn die Stange 1 einer achsialen Belastung unterliegt wird
dieses Signal zunehmen oder abnehmen, abhängig davon, ob die
achsiale Belastung eine Zugspannung oder eine Drucklast ausmacht.
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Durch Anordnung einer gesonderten, im Anschluss an Figur 3C
beschriebenen Aufnahmespule kann ein Zusammendrücken erhalten
werden, ohne dass das Ausgangssignal in einer Situation ohne
Belastung Null wird, auch wenn die achsialen Beamspruchungen
gemessen werden.
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Der Anschluss der Spulen beziehungsweise Spulensysteme in der
Ausführungsform gemäss Figur 4 werden hier nicht im Einzelnen
beschrieben und veranschaulicht. Der Anschluss kann jedoch im
Grunde genommen auf gleiche Weise erfolgen wie im Anschluss an
die Figuren 3A-3C veranschaulicht und beschrieben.
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Die veranschaulichende Ausführungsform gemäss Figur 5 zeigt eine
Ausführungsform, die besonders für das Messen von
Biegebeanspruchungen geeignet ist. Hier wird zunächst angenommen, dass die
Stange 14 z.B. einen viereckigen Querschnitt aufweist und mit
lediglich einer Zone 2 mit Streifen 4 versehen ist. Die Streifen
sind, wie oben beschrieben, auf entsprechende Weise befestigt, in
diesem Falle jedoch verlaufen sie gerade und ungefähr in einem
Winkel von 45º zur Achse der Stange 14 und sind auf entsprechende
Weise jeweils an den vier Seiten der Stange angeordnet. Die
Aufnahmespulen 6 und 7 sind in Ebenen verlegt, die zueinander
winkelrecht verlaufen und ungefähr einen Winkel von 45º mit der
Achse der Stange 14 bilden. In dem in der Figur gezeigten
Beispiel sind auch zwei weitere Spulen 8 und 9 angeordnet, die
jedoch jeweils 90º zum ersten Paar Aufnahmespulen 6, 7 verdreht
angeordnet sind.
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Wenn die von einem Biegemoment in einer achsialen zur Figurebene
winkelrechten Ebene erzeugten Biegesspannungen gemessen werden,
sind die Spulen 6 und 7 gegenläufig seriengeschaltet und eine
Biegespannung in der Stange erzeugt ein Ausgangssignal. Wenn die
von einem Biegemoment in der Figurebene erzeugten
Biegesspannungen gemessen werden, sind die Spulen 8 und 9 gegenläufig
seriengeschaltet und eine Biegespannung erzeugt ein Ausgangssignal.
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Wenn achsiale Belastungen gemessen werden, sind sämtliche Spulen
phasengleich seriengeschaltet in der im Anschluss an die
veranschaulichenden, bereits beschriebenen Ausführungsformen
geschilderten Weise.
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Wie aus den beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich,
ermöglicht die Erfindung auch ein Messen der Verlängerung oder des
Zusammandrückens der Stangenoberfläche, z.B. können die
Belastungen gemessen werden unabhängig davon, ob die Beansspruchungen
von einem Torsionsmoment, einem Biegemoment oder einer achsialen
Kraft erzeugt werden, auch dann, wenn nur eine Zone mit Streifen
verwendet wird. Das in der Spule oder den Spulen erzeugte Signal
ergibt einen Ausdruck für die Grösse der Verlängerung oder des
Zusammandrückens.
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Wie gleichfalls aus den beschriebenen Ausführungsformen
ersichtlich, ist es möglich die Belastungen zu unterscheiden, denen die
Stange ausgesetzt ist, indem zwei Streifenzonen angeordnet werden
und die durch die Erfindung ermöglichten, in drei verschiedenen
Anschlussmustern angeordneten Aufnahmespulen verbunden werden.
Auf diese Weise können Torsionsbelastung, Biegebeanspruchung und
achsiale Spannung in der Stange jeweils für sich gemessen werden.
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Die Grundlagen, gemäss denen die Aufnahmespulen miteinander
verbunden werden zur getrennten Messung der verschiedenen Arten von
Belastungen sind folgende.
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Wenn Biegespannungen gemessen werden, sind die Aufnahmespulen
verbunden, sodass die von diametral gegenüberliegenden Streifen
mit negativen Vozeichen miteinander addiert werden.
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Wenn Torsionsbeanspruchungen gemessen werden, sind die
Aufnahmespulen verbunden, sodass die von Streifen in der einen Zone
erzeugten Signale mit den von Streifen in der anderen Zone
erzeugten Signalen verringert werden.
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Wenn achsiale Belastungen gemessen werden, werden sämtliche
Signale von den Streifen beider Streifenzonen miteinander addiert.
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In den beschriebenen, veranschaulichenden Ausführungsformen sind
die amorphen Streifen auf der Oberfläche der Stange 1 mit einem
Teilungswinkel von vorzugsweise 45º befestigt, wobei die
Aufnahmespulen so angeordnet sind, dass die magnetoempfindliche Achse
jeder Spule einen Winkel von 45º mit der Achse der Stange bildet.
Der grundlegende erfindungsgemässe Effekt wird jedoch auch
dadurch erreicht, wenn auch in kleinerem Umfang, wenn die
Streifen auf der Stange in einem andren spitzen Winkel von
beispielsweise 30º angeordnet werden. Die Aufnahmespulen werden dabei
vorzugsweise in Bezug auf die zugehörige Streifenzone so angeordnet,
dass die magnetoempfindlichen Achsen der Spulen einen positiven
beziehungsweise negativen spitzen Winkel mit den Achsen der
Stange bilden, die ungefähr dem Teilungswinkel der Streifen
entsprechen, d.h. ungefähr ± 30º, wenn der Teilungswinkel der
Streifen 30º beträgt. Die Spulen verlaufen dann in Ebenen, die
einen Winkel von ± 60º mit der Achse der Stange bilden. Mit Hilfe
einer solchen Ausführungsform wird erreicht, dass das Achsialmass
der Vorrichtung verringert wird, welches von Wert sein kann, wenn
der für die Montage der Vorrichtung zulässige Raum klein ist und
eine Verringerung der Stärke und der Genauigkeit der Signale
gutgeheissen werden kann.
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Die im Anschluss an die in den Figuren gezeigten,
veranschaulichenden Ausführungsformen beschriebene Erfindung ist nicht auf
diese Ausführungsformen begrenzt, sondern kann innerhalb des
Rahmens der hier folgenden Patentansprüche modifiiert werden. So ist
es z.B. machbar die Aufnahmespulen auch Magnetisierspulen bilden
zu lassen, wobei die spezielle Magnetisierspule 5 entfällt.
Ausserdem ist es möglich, in gewissen Anwendungsfällen das
Magnetfeld der Erde zu verwenden und auch in diesem Falle entfällt
die spezielle Magnetisierspule. In den veranschaulichenden
beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen sind Zonen rundum
die Stange angeordnet, die Streifen aus amorphen,
magnetoelastischen Werkstoff gleichförmig in Umkreisrichtung verteilt
umfassen, wobei die Streifen entlang der Umkreisoberfläche mit einer
Teilung von vorzugsweise 45º befestigt sind. Die Stange kann
alternativ in den genannten Zonen mit einer Beschichtung von
amorphem, magnetoelastischem Werkstoff versehen werden, wobei die
Magnetpole ungefähr in einer Richtung orientiert sind, die mit
einem Teilungswinkel entlang der Umkreisoberfläche der Zone
verläuft, vorzugsweise mit einem Teilungswinkel von 45º.