![]() Process and sensor for measuring mechanical stresses in elements composed of magnetizable materials
专利摘要:
公开号:WO1989003981A1 申请号:PCT/HU1988/000071 申请日:1988-10-28 公开日:1989-05-05 发明作者:Péter KOLTA;István KONCZ 申请人:Kolta Peter;Koncz Istvan; IPC主号:G01L9-00
专利说明:
[0001] MAGNETISIERBAREM MATERIAL BESTEHENDEN ELEMENTEN UND SENSOR ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung mechanischer Spannungen in aus magnetisierbarem Material bestehenden Elementen und einen Sensor zur Durchführung des Verfahrens. Es ist bekannt, dass durch mechanische Spannung in den ferro- und ferrimagnetischen Materialien Magnetismus auftritt. Dieser Effekt wird in der Fachliteratur als Villari-Effekt bezeichnet (s. z. B. E. Schaefer: Mägnes- technika (=Magnettechnik) , Müszaki Könyvkiadό Budapest, 1972, S. 91-92). Das Wesen der Erscheinung besteht darin, dass sich die Weiss-Bereiche derartiger Materialien, die eine spontane magnetische Polarisation aufweisen, durch die inneren mechanischen Spannungen des Materials aus¬ reichten, sich in Richtung der wirkenden Kraft reversibel "einstellen". Mit dieser Ausrichtung ist eine Veränderung der in der Hysteresekurve des Materials zu einer bestimmten Erregung gehörenden relativen magnetischen Permeabilität verbunden. [0003] Die Erscheinung an sich wird unter anderem bei der Kon- struktion von Kraftmesszellen ausgenutzt. Zwei typische Arten der nach diesem Prinzip arbeitenden Kraftmesszellen sind in dem Buch von H.F. Graeve: "Nemvillamos mennyisegek villamos merese" (=Elektrische Messung nichtelektrischer Grossen) (Müszaki Könyvkiadό, Budapest 1968, S. 236-240) beschrieben. Die eine Art dieser Kraftmesszellen besteht aus einem speziellen magnetischen Werkstoff, und die Messung beruht darauf, dass sich durch die Spannung die relative Permeabilität des Materials ändert. In den Magnetkreis wird eine Wicklung eingebracht, diese wird erregt und dann die Grosse des Antwortsignals gemessen. [0004] Bei der anderen Kraftmessmethode entsteht über das der mechanischen Spannung ausgesetzte Material zwischen zwei im übrigen kopplungsfreien Wicklungen eine Kopplung, wenn sich das innere magnetische Feld verzerrt. Die eine Wicklung wird mit einem Wechselstromsignal erregt und dadurch in der anderen Wicklung eine der Kopplung proportionale Spannung induzier . [0005] Das gemeinsame Charakteristikum dieser Kraftmesswandler ist demnach, dass eine periodische Erregung von aussen notwendig ist, deren Frequenz die grösste messbare Ande- rungsgeschwindigkeit begrenzt. Weiterhin ist für diese Wandler charakteristisch, dass sie eine mechanische Einheit bilden, die der gleichen mechanischen Wirkung ausgesetzt werden muss wie die, die in dem zu messenden System entsteht. Als drittes Merkmal ist zu erwähnen, dass der Villari- [0006] Effekt bei innerhalb der Proportionalitätsgrenze beanspruch¬ ten magnetisierbaren Materialien so gering ist, dass sein Magnetfeld ausserhalb des Materials nicht messbar ist. Dies ist der Grund dafür, dass bei den auf der Ausnutzung des Effektes basierenden Lösungen Erregung von aussen und spe¬ zielle Werkstoffe erforderlich sind. [0007] Der Umstand, dass zur Vornahme derartiger Messungen das zu messende mechanische System auseinandergenommen werden muss, schränkt die Anwendbarkeit der Messung bedeutend ein. Weitere Beschränkungen sind durch die Nichtanwendbarkeit für dynamische Untersuchungen und durch den aus der Präzisions¬ ausführung resultierenden hohen Preis gegeben. [0008] In welchem Masse die Notwendigkeit, den Messgegenstand demontieren zu müsse-n, die Messung einschränkt, sei an einigen Beispielen gezeigt. Für die Funktion des Zerstäubers von Dieselmotoren ist der zeitliche Verlauf der sich in dem die Dosierpumpe mit der Zerstäuberdüse verbindenden Rohr aus¬ bildenden Druckwelle hochgradig charakteristisch. In dem Dosierrohr kann der Spitzenwert des Druckes den Wert von einigen Hundert bar annehmen, seine Zeitdauer beträgt einige Tausendstel Sekunden . Die Demontage des Druckrohres ist ein beträchtlicher Eingriff, der nur in einer Fachwerkstatt vor¬ genommen werden kann und deshalb für diagnostische Unter¬ suchungen zu teuer ist. Zur Messung des zeitlichen Verlaufes der Druckwelle sind bereits einige Lösungen bekannt. Am ver- breitetsten sind die eine piezoelektrische Sensorkristall¬ folie enthaltenden Sensoren (das Gerät Typ KL-7 des öster¬ reichischen Unternehmens AVL). Der aus zwei Hälften bestehen¬ de Sensor wird dem Druckrohr angezwickt, und der Kristall erweckt eine der Ausdehnung des Druckrohres proportionale elektrische Spannung. Für eine genaue Messung ist erfor¬ derlich, dass der Sensor schlüssig auf der äusseren Fläche des Rohres aufliegt, weil selbst die kleinste Ungenauig- keit das Ergebnis verfälscht. Deshalb muss ein Abschnitt der Oberfläche des unter Betriebsbedingungen der Korrosion und Deformation ausgesetzten Dosierrohres völlig gereinigt, muss ein polierter, gerader Abschnitt geschaffen werden. Diese Forderung ist schwer zu erfüllen. Ein weiterer Nach- teil der piezoelektrischen Messung besteht darin, dass der Kristall in dem für die Messung wichtigen Frequenzband Eigenresonanzen aufweist, was die Auswertung des Signals erschwert. Für die Messung der Druckwelle in den Dosierrohren von Dieseleinspritzpumpen ist eine einfache, ohne Ausbau durchführbare Lösung bisher nicht bekannt. [0009] Als zweites Beispiel sei der Verlauf der in den Stoss- dämpfern von Kraftfahrzeugen entstehenden Kraftwirkungen während der Fahrt erwähnt. Die Kenntnis der den Unterbau des Fahrzeuges erreichenden Belastungen, Übergänge ist zum Teil für Forschungszwecke, zum Teil für die Dimenisonierung wichtig. Kraftsensoren können mit der Achse des Stossdämpfers praktisch nicht in Reihe geschaltet werden, und auch die Anbringung von Kraftmessstreifen ist mit beträchtlichen Schwierigkeiten verbunden. Die Messung der dynamischen Span- nungen in Längsrichtung von Achsen und Stäben ist bislang in zufriedenstellender Weise nicht gelöst worden. [0010] Das Messen eines über eine sich drehende Welle übertragenen Drehmomentes hat bisher eine messtechnisch unlössbare technische Aufgabe gebildet. Insbesondere bei den diagnostischen Messungen von Kraft- fahrzeugsmaschninen, gegebenenfalls bei der Regelung der¬ artiger Maschinen, ist die Kenntnis des durch die Motorwelle abgegebenen Drehmomentes von grosser Bedeutung. Das Messen des Drehmomentes war bisher lediglich durch die Verwendung von speziellen Prüfbänken oder von dem Drehmoment unmittel- • bar ausgesetzten Messelementen durchführbar, d.h. die Grosse des Drehmomentes unter Betriebsumständen war bisher nicht messba . Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Messverfahrens zur Messung der mechanischen Spannungen magnetisierbarer Konstruktionselemente, mit dem ohne Demontage des die Elemente enthaltenden Systems ein der- artiges elektrisches Signal erzeugt werden kann, das mit einem vorgegebenen gerichtetenen Komponent der mechanischen Spannung statisch oder in einem breiten Frequenzbereich proportional ist. [0011] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die in einem magnetisierten Element entstehende magnetische [0012] Polarisation proportional der auf das Element einwirkenden mechanischen Spannung ändert. Wenn diese magnetische Polari¬ sation an sich auch fallweise nicht messbar ist, weil ausserhalb des Elementes kein wahrnehmbares Magnetfeld vor- handen ist, so entstehen doch in dem Material Wirbelströme, wenn sich das Feld ändert, und das von den Wirbelströmen erzeugte Magnetfeld tritt aus dem Material aus und wird schon messbar. Dazu muss das zu messende Konstruktions¬ element vorher magnetisiert werden, und das in einer vorge— gebenen Richtung verlaufende Komponent des austretenden magne¬ tischen Feldes ist dem in der vorgegebenen Richtung wirkenden Komponent der mechanischen Spannung proportional und ist messbar. Wird ein Abschnitt von Achsen oder Stäben in Längsrichtung magnetisiert, so hat der remanente Magnetismus auch in der äusseren Umgebung des Materials ein messbares magnetisches Feld, dessen Messung für den statischen und auch den dynamischen Wert der auf das Material einwirkenden mechanischen Spannung charakteristisch ist. [0013] Mit der Erfindung wurde demnach ein Verfahren zur Messung mechanischer Spannungen in aus magnetisierbaren Werkstoffen bestehenden Elementen geschaffen, bei welchem Verfahren erfindungsgemäss ein Abschnitt des Elementes in der vorgege¬ benen Richtung vorherig magnetisiert und nach Fortnahme des erregenden magnetischen Feldes während dem Existenz der mechanischen Spannung ein durch das magnetische Feld, das durch die remanente magnetische Polarisation in der Umgebung des Elementes aufgebaut wurde, oder ein durch die Änderung dieses Feldes bestimmtes elektrisches Signal erzeugt wird. Die Magnetisierung kann auch mittels eines im Material in Längsrichtung erzeugten elektrischen Ξntladungsstromes erfolgen. Es ist zweckmässig das Material des Elementes bis zur Sättigung aufzumagnetisieren. Zur Detektierung des magnetischen Feldes können eine [0014] Ferritkernwicklung oder ein Hall-Generator verwendet werden. [0015] Erfindungsgemäss wurde auch ein Sensor zur Durchführung 'des Verfahrens geschaffen, für den charakteristisch ist, dass er einen mit dem statischen oder dynamischen äusseren Magnetfeld des magnetisierten Elementes gekoppelten magneti¬ schen Wandler aufweist. [0016] Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist das Element ein Rohr oder eine Stange, das entlang von mit der Elementenachse konzentrischen Kreisbahnen vormagnetisiert ist, und in dem magnetischen Wandler befindet sich ein das Rohr oder die Stange umfassender, aus zwei Hälften bestehender Eisenkern von Toroidform. Dieser Sensor ist hauptsächlich zur Messung des dynamischen Belatung und in der ersten Reihe der sich in dem Inneren des Rohres auftretenden Druckwellen geeignet. Für die Anbringung ist es zweckmässig, wenn die Eisen¬ kerne in zwei um eine gemeinsame Achse gegeneinander weg¬ klappbaren Halbkörpern befestigt sind. [0017] Es verbessert die Anpassung und Auflage an bzw. auf röhren unterschiedlicher Masse, wenn im Inneren der Halb- körper sich dem untersuchten Rohr oder Stab elastisch an¬ passende Gummieinlagen vorgesehen sind. [0018] Bei einer weiteren Ausführungsform verfügt der Sensor über eine magnetischen Wandler, der ausserhalb des entlang von mit der Achse konzentrischen Kreisbahnen aufmagnetisier- ten Elementes derart angeordnet ist, dass er gegen das mit der Achse parallel verlaufenden Magnetfeldes empfindlich ist. [0019] Diese Ausführugnsform ist für die Messung von über fest¬ stehenden oder sich drehenden Wellen übertragenen Drehmomen¬ ten geeignet. Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform ■ ist das geprüfte Element in Längsrichtung vormagnetisiert und der magnetische Wandler ist mit dem ausserhalb des Elementes in Längsrichtung verlaufenden Abschnitt des magne¬ tischen Feldes gekoppelt und misst dessen Grosse. Durch diese Ausführungsform kann die auf das Element in Längs¬ richtung wirkende Belastung gemessen werden. [0020] Die Genauigkeit der Messung wird verbessert, wenn sich in dem magnetischen Wandler an den Ausgang der Sen- sorwicklung oder des Hall-Generators eine signalverarbei¬ tende Schaltung anschliesst, deren Frequenz-Signalamplitu¬ den-Kennlinie die Frequenzabhängigkeit der Umwandlung kompensiert. [0021] Die Funktion der erfindungsgemässen Lösung ist sehr einfach; zunächst muss ein Abschnitt des zu messenden [0022] Elementes magnetisiert und während der Belastung das um das Element schon befindliche oder sich zustande kommende äussere magnetische Feld gemessen werden. Eine Demontage der Konstruktion ist nicht erforderlich, der Sensor nimmt wenig Raum ein, und ein genauer Abstand zwischen dem [0023] Sensor und der äusseren Oberfläche des Elementes ist nicht erforderlich, denn das äussere Magnetfeld ist hinsichtlich der symmetrischen Anordnung kaum empfindliche, und die Wirkung des Luftspaltes kann bei der Signalaufarbeitung berücksichtigt werden. [0024] Infolge dieser Eigenschaften eröffnet sich die Möglich¬ keit der Anwendung auf zahlreichen Gebieten, von denen hier nur als Beispiele die genaue Messung der im Druckrohr von Dieseleinspritzsystemen herrschenden Druckverhältnisse oder des über die Welle übertragenen Drehmomentes erwähnt werden sollen. [0025] Die Erfindung wird an Hand von Beispielen, unter Bezug¬ nahme auf die Zeichnungen im folgenden näher erläutert. [0026] Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Teil des belasteten Rohrabschnittes mit den im Rohr entstehenden [0027] Spannungen, in [0028] Fig. 2 ist eine Schaltung für die in konzentrischer Rich¬ tung erfolgende Magnetisierung des Rohrabschnittes abgebildet, [0029] Fig. 3 veranschaulicht eine Magnetisierung in Längsrichtung, Fig. 4 zeigt den toroiden Sensor, nachdem er dem Rohr¬ abschnitt gemäss Fig. 1 angelegt wurde, und [0030] Fig. 5 stellt den Verlauf der magnetischen Feldstärke als [0031] Funktion der von der Achse gemessenen Entfernung dar. [0032] Fig.6-10 veranschaulichen die dem Rohr anlegbare Sensor¬ konstruktion in unterschiedlichen Ansichten und Schnitten. [0033] Fig. 11 zeigt die in den Sensor einsetzbare Gummieinlage in Vorderansicht, während [0034] Fig. 12 die Gummieinlage von oben gesehen darstellt. In [0035] Fig. 13 ist ein ähnlicher Schnitt wie in Fig. 7 gezeigt, hier mit einem Sensor mit Hall-Generator, [0036] Fig. 14 stellt schematisch eine den erfindungsgemässen Sensor enthaltende Messanordnung dar, und [0037] Fig. 15 zeigt ein die Frequenzabhängigkeit der Messung ver¬ anschaulichendes Diagramm. In [0038] Fig. 16 ist der Druckverlauf des im Dieseldosierrohr herr¬ schenden Druckes als Funktion der Zeit, gemessen mit einem erfindungsgemässen Sensor, gezeigt, während [0039] Fig. 17 das Ergebnis der gleichen Druckmessung, wie sie Fig. 16 darstellt, zeigt, wobei die Messung mit einem bekannten Sensor vorgenommen wurde. [0040] Fig. 18 stellt schematisch eine zum Messen der in einem [0041] Autostossdämpfer in Achsrichtung auftretenden Kraft- Wirkungen geeignete Anordnung dar, und in [0042] Fig. 19 ist schematisch das sich um den magnetisierten [0043] Abschnitt des Stossdämpfers ausbildende Magnetfeld abgebildet. Schliesslich zeigt Fig. 20 die Ergebnisse einiger mit dem Sensor gemäss Fig. 18 vorgenommener Messungen. [0044] Die erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Lösung ist zum Messen des im Inneren eines ausmagnetisierbare Material bestehenden Rohres (zum Beispiel eines Stahlrohres) entstehenden dynamischen Druckes geeignet. In Fig. 1 ist ein Stück des dem Druck ausgesetzten Rohres 10 gezeigt, das einen Innendurchmesser r, und einen Aussendurchmesser r hat. In der Zeichung sind die durch den Druck entstehenden Kräfte angegeben. Durch die Wirkung des inneren Druckes treten im [0045] Rohr gleichzeitig eine Kraft Fl in Achsrichtung, eine tangen- tial gerichtete Kraft F2 und eine radiale Kraft F3 auf. Um eine Vorstellung von der Grosse dieser Kräfte zu geben, sind im folgenden die in der Nähe des inneren und des äusse— ren Mantels auftretenden Spannungen Sl, S2, S3 zusammenge¬ stellt, die durch die Kräfte Fl, F2, F3 in einem Stahlrohr von r-,=l,l mm Innendurchmesser und r.-)=3,5 mm Aussendurch- messer bei einem Innendruck von 15 x 10 N/m2 geweckt werden. [0046] Spannung in N/m Innenmantel Aussenmantel axiale Spannung Sl -2,86 2,86 tangentiale Spannung S2 20,70 3,31 radiale Spannung S3 —15 ' 0 [0047] Für die erfindungsgemässe Messung muss der zu unter¬ suchende Körper, im vorliegenden Fall das Rohr 10, parallel zur Richtung der zu messenden Kraftkomponente magnetisiert werden. Die grösste Spannungsänderung erfolgt in tangentialer Richtung; zu deren Messung muss das Rohr 10 so magnetisiert werden, dass die magnetischen Kraftlinien konzentrische Kreise um die Rohrachse bilden. Eine derartige Magnetisierung des Rohres 10 kann mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung vorgenommen werden. An den beiden Enden des zu magnetisierenden Rohrabschnittes des Rohres 10 werden je eine Schelle 11, 12 angebracht, und durch diese wird für kurze Zeit ein sehr starker Strom durch das Rohr 10 geleitet. Dies ist durch blitzartige Entladung eines auf Hochspannung (zum Beispiel auf 500 V) aufgeladenen Elektrolytkondensators 13 möglich. Der Elektrolytkonden¬ sator 13 ist über den eine Stromkreis eines Zweikreis¬ schalters 14 mit dem aus der Skundärspule eines Transfor- mators 15 und einer Diode 16 bestehenden Ladestromkreis verbunden. Der Entladestromkreis besteht aus einem Thyris¬ tor 17, einem mit dessen Gatterelektrode verbundenem Widerstand 19 und einem über den zweiten Stromkreis des Schalters 14 mit einer Batterie 18 verbundenen Widerstand 20. In Fig. 2 ist auch der Berührungswiderstand 21 der Schellen 11, 12 eingezeichnet. [0048] Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung lädt in Grundstellung des Schalters 14 den Elektrolytkondensator 13, der zum Beispiel eine Kapazität von 450 Mikrofarad aufweist, mit Gleichspannung auf 500 V auf. Wird der Schaltere 14 betä¬ tigt, so gelangt die Spannung der Batterie 18 auf die Gatterelektrode des Thyristors 17, dieser wird plötzlich leitend, und der Elektrolytkondensator 13 wird über den eingespannten Teil des Rohres 10 entladen. Der entstehende Stromimpuls hat einen charakteristischen Spitzenwert von [0049] 3300 A, dadurch wird im Mitteldurchmesser der Rohrwand eine Feldstärke von H=51 500 A/m aufgebaut, die zu einer Magneti¬ sierung des Stahls bis fast zur Sättigung führt. Nach [0050] Verschwinden des Impulses bleibt eine remanente Induktion Br zurück. Deren Kraftlinien sind innerhalb der Rohrwand völlig geschlossen, deshalb ist die magnetische Feldstärke ausser¬ halb der Rohrwand gleich Null. Die Rohrwand als ein geschlos¬ sener magnetischer Leiter sichert einen luftspaltfreien magnetischen Fluxus , die einmal magnetisierte Rohrwand kann ihren Magnetismus von selbst nicht verlieren. [0051] Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung ist zur Schaffung eines konzentrisch zur Rohrachse verlaufenden Magnetfeldes geeignet. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung ist dagegen geeignet, einen remanenten Magnetismus zu erzeugen, der die gleiche Richtung hat wie die Achse des Rohres 10. Das Rohr 10 ist von ei'ner aus dickem Kupferdraht hergestellten Solenoid-Wicklung 9 umgeben, deren Enden über einen Schalter 8 an einen Akkumulator 7 angeschlossen werden können. Während der kurzen Einschaltzeit wird der von der Solenoidwicklung 9 umgebene Abschnitt des Rohres 10 durch das magnetische Feld des in der Wicklung 9 fliessenden Stromes in zur Rohr¬ richtung paralleler Richtung bis zur Sättigung magnetisiert, und nach Abschalten des Stromes bleibt in Achsrichtung ein remanenter Magnetismus zurück. [0052] Im folgenden wird auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen, in denen die prinzipiellen Grundlagen des erfindungsgemässen Messverfahrens dargestellt sind. Fig. 4 zeigt einen Aus- schnitt, ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten, der dem mag¬ netisierten Abschnitt des Rohres 10 entnommen wurde. Diesen Abschnitt umgibt eine Wicklung 22 auf einem Ferritring. Wenn im Rohr 10 eine transiente Druckwelle entsteht, dehnt sich die Rohrwand infolge der in ihr erwachenden tangentialen Spannung S2 elastisch aus beziehungsweise zieht sich elastisch zusammen. In Übereinstimmung damit ändert sich auch die Grosse der tangentialen Polarisation J sowie die der durch diese bestimmten magnetischen Induktion. Es ist eine bekannte Tat- - sache, dass die Änderung des magnetischen Fluxus Strom erzeugt, und der Strom um sich herum ein magnetisches Feld aufbaut. [0053] In Fig. 5 ist der Verlauf der Amplitude der auf die Wirkung der Wirbelströme entstehenden und sich ständig wechselnden magnetischen Feldstärke H als Funktion der von der Mittellinie des Rohres 10 gerechneten Entfernung r gezeigt. Während im statischen Fall d.h. ohne Wirbelströme in der Umgebung des Rohres 10 die Feldstärke H gleich Null ist, hat sie im dyna¬ mischen Fall den in Fig. 5 gezeigten Verlauf. Der Fluxus des äusseren magnetischen Feldes tritt mit dem Feld der Wicklung 22 in Wechselwirkung. Grosse und Richtung der Feldstärke H hängen von Grosse und Richtung der Änderung der Druckwelle ab, ändern sich zusammen mit jener. [0054] Die magnetische Feldstärke H magnetisiert den Eisenkern der Wicklung 22, und in der Wicklung 22 wird eine der Änderung des Fluxus proportionale Spannung induziert, welche gut messbar ist. [0055] Falls auf das Rohr 10 ein Drehmoment wirkt, wird die equipotentielle Ebene der mechanischen Spannungen mehr quer 3ur Röhrenachse, sondern etwa geneigt verlaufen und der Winkel und die Richtung der Neigung hängen von der Grosse und der Richtung des Drehmomentes ab. Dementsprechend entsteht ein sich parallel zur Achseverlaufender Komponent der magnetischen Polarisation, der durch den ausserhalb des Rohres 10 angeordneten magnetischen Fühler 6, welcher zweck- mässigerweise ein Hall-Generator ist, messbar wird. Die Grosse und die Richtung des derart bestimmbaren magnetischen Feldes wird mit der Grosse und der Richtung des auf das Rohr 10 wirkenden Drehmomentes proportional. Die Umstände werden dadurch nicht beeinflusst, wenn sich das belastete Rohr 10 um seine Achse dreht. Diese Messanordnung ist daher für die Messung von über sich drehende Wellen übertragenen Drehmomenten geeignet, und für die Messungen braucht das Rohr 10 nicht zerlegt zu werden, oder es werden keine speziel- len mit dem Rohr verbundenen Messelemente erforderlich. [0056] Mit den Fig. 6-10 wird eine bevorzugte Ausführung des zur Messung des äusseren Magnetfeldes des Rohres 10 geeigneten erfindungsgemässen Sensors näher erläutert. [0057] Der Sensor besteht aus zwei schlüssig aufeinanderliegenden Halbkörpern 23, 24, die um eine Gelenkachse 25 gegeneinander wegklappbar befestigt sind. Die Halbkörper 23, 24 sind mit einer U-förmigen Vertiefung und in seitlicher Richtung mit einer ringförmigen Senkung 26 versehen. In der Mitte der Konstruktion befindet sich eine kreisförmige Öffnung 27. In der U-förmigen Vertiefung ist durch Kleben ein Gummiring 28 befestigt, an den sich der Eisenkern 29 der Wicklung 22 an- schliesst. Der Eisenkern 29 besteht aus zwei aufeinander ge¬ schliffenen Hälften.Die Enden der Wicklung 22 sind durch das Innere der Achse 25 nach aussen geführt. Das Schliessen und Öffnen der Halbkörper 23, 24 erfolgt durch Einrasten bezie¬ hungsweise Ausklinken eines an der der Achse 25 gegenüber¬ liegenden Seite vorgesehenen Gelenkdrückers 30. Die erforder¬ liche Andrückkraft ist durch die Elastizität der aus Kunst¬ stoff gefertigten Halbkörper 23, 24 gewährleistet. Der Durch- messer der Öffnung 27 bestimmt die obere Grenze des Durch¬ messers des messbaren Rohres. Die in den Fig. 11 und 12 ge¬ zeigte Gummieinlage ermöglicht es, den in den Fig. 6-10 abgebildeten Sensor für Rohre unterschiedlichen Durchmessers zu verwenden. [0058] Die Gummieinlage 31 ist ein mit einem dünnen Flansch 32 versehener Halbzylinder, dessen innere Mantelfläche als Rippenfläche 33 ausgebildet ist. Der Flansch 32 passt in die seitliche Senkung 26 der Halbkörper 23, 24, und der Aussenmantel des Halbzylinders hat das gleiche Mass wie die kreisförmige Öffnung 27. Die Tiefe und der innere Durch¬ messer der Rippenfläche 33 sind bei jedem Paar Gummiein— lagen 31 anders, und dadurch ist es möglich, einen vorgege— benen Drucksensor klapperfrei auf das Äussere beliebiger Rohre zu montieren. [0059] Zur Detektierung des magnetischen Feldes ist ausser der von dem Feld durchdrungenen Wicklung 22 auch ein Hall— Generator geeignet. In Fig. 13 ist ein Schnitt, ähnlich dem in Fig.7, dargestellt, bei dem die eine Hälfte des aus zwei Hälften bestehenden Eisenkernes 29 in einer der Plätt¬ chendicke eines Hall-Generators 34 entsprechenden Tiefe geschliffen ist. Das Plättchen ist auf der geschliffenen Fläche befestigt. In der hier als Beispiel dienenden Aus- führungsform wurde der Hall-Generator 34 aus einem Hall- Plättchen des Typs SBV 566 erstellt, dessen Dicke 0,8 mm beträgt. Der Eisenkern 29 wurde aus einem Ferritring des Typs Siemens Siferrit T 26 (Innendurchmesser 7,5 mm, Aussen- durchmesser 12,5 mm) gefertigt. Der Hall-Generator 3 wurde mit einem Stromgenerator des Typs Siemens SBV 566 betrieben. Die resultierende relative magnetische Permeabilität des Magnetkreises beträgt 114. Die Gegenwart des Hall-Plättchens entspricht einem Luftspalt von 0,25 mm Breite. Eine derartige Hall—Platte kann auch im Sensor 6 zur Messung des Drehmomen- tes verwendet werden, deren Magnetkreis muss aber nach der in der Figur 4 angezeigte Weise ausgestaltet und angeordnet werden. [0060] Nun wird auf Fig. 14 Bezug genommen. Sie zeigt, wie der erfindungsgemässe Drucksensor 35 die im Druckrohr 36 des Dieseleinspritzaggregats herrschenden Druckwellen misst. Am Ende des Druckrohres 36 befindet sich eine Zerstäuberdüse 37. Vor der Zerstäuberdüse 37 wurde in die Leitung des Druck¬ rohres 36 ein einen Quarzkristall enthaltender Drucksensor 33 eingebaut. Durch Vergleich der DruckwellenaufZeichnung des Drucksensors 38 mit der Druckwellenaufzeichnung des erfindungsgemässen Magnetdrucksensors lassen sich Infor¬ mationen über die wichtigeren Charakteristika der erfin- dungsgemässen Lösung gewinnen. Derjenige Abschnitt des Druckrohres 36, der von der auf einem Ferritkern angeord¬ neten Wicklung 22 umgeben ist, war auf die beschriebene Weise magnetisiert worden. [0061] Die heruasgeführten Enden der Wicklung 22 sowie der den Zwecken der Kontrollmessung dienende Drucksensor 38 sind an je eine signalaufarbeitende Schaltung 39 beziehungs¬ weise 40 angeschlossen, deren Ausgänge mit dem Eingang eines gerätes,41 zur Signalsichtbarmachung (zum Beispiel einem Oszilloskop oder einem Schreiber) verbunden sind. Vor einer Diskussion der Ergebnisse sollen die wich¬ tigeren Parameter der signalau arbeitenden Schaltung 39 fixiert werden. Von der Messung kann man mit Recht erwarten, dass das gelieferte Ausgangsspannungssignal im betrieblichen Frequenzbereich dem im Rohr 10 herrschenden Druck beziehungs- weise der durch diesen bestimmten mechanischen Spannung proportional ist. [0062] Im Sinne des weiter oben beschriebenen Messprinzips wird das magnetische Feld um das Rohr 10 herum durch das Magnetfeld der Ströme (Wirbelströme) erzeugt, die infolge der magnetischen Polarisation der Rohrwand, genauer: infolge der Änderung der tangentialen Komponente der Polarisation entstehen. Die Grosse der Wirbelströme hängt vom elektrischen Widerstand des Rohrmaterials und von der Induktivität der in der Rohrwand entstehenden Einwindungs-Wicklung ab . Der Frequenz- gang dieses Systems hat einen Knickpunkt; unterhalb des Knick¬ punktes steigt die Kennlinie mit einer Steigung von 20 dB/Dekade an, oberhalb des Knickpunktes ist sie linear, was mit einem Bode-Diagramm darstellbar ist. Hier soll ohne Angabe der Berechnungen so viel gesagt werden, dass im Falle des wie in Fig. 5 dimensionierten Rohres sich die Frequenz des Knick¬ punktes durch Berechnung zu 256 Hz ergibt und der gemessene Wert 256,6 Hz betrug. [0063] Der Frequenzgang wird auch durch den Umstand beeinflusst, dass wegen der Skinwirkung in Abhängigkeit von der Frequenz Strom nur durch einen immer geringer werdenden Querschnitt des Rohres fliesst. Es kann nachgewiesen werden, dass die Skinwirkung durch eine oberhalb des erwähnten Knickpunktes mit einer Steilheit von 10 dB/Dekade abfallenden, unterhalb des Knickpunktes von der Frequenz unabhängigen Kennlinie beschrieben werden kann. [0064] Die den gesamten Frequenzgang beeinflussende dritte Wir¬ kung ergibt sich aus dem Induktionsgesetz. Die in der Wick— lung 22 entstehende Spannung ist der Änderung des Fluxus pro¬ portional, d.h. das Signal wächst linear mit der Frequenz, d.h. auch der Steilheitsfaktor 20 dB/Dekade tritt ein. [0065] In Fig. 15 ist die sich als Resultierende der genannten drei Kräfte ergebende Frequenzabhängigkeit der am Ausgang der Wicklung 22 erscheinenden Spannung u dargestellt. Die Kurve steigt unterhalb des Knickpunktes mit einer Steilheit von 40 dB/Dekade, oberhalb desselben mit einer Steilheit von 10 dB/Dekade. Der Frequenzgang der signalaufarbeitenden Schaltung 39 muss so ausgestaltet werden, dass er den Frequenz- gang gemäss Fig. 15 kompensiert. Ein derartiger Verstärker ist leicht zu bauen. Für die Analyse der Druckverhältnisse in Dieseldruckrohren ist es zureichend, wenn als untere Grenz— frequenz der signalaufarbeitenden Schaltung 39 ein Wert um 5 Hz gewählt wird. Die in den Fig. 11 und 12 dargestellte Gummieinlage er¬ möglichte es, mit dem Messsensor Rohre unterschiedlichen Durchmessers zu untersuchen. Auf Grund des dargelegten Mess¬ prinzips kann berechnet werden, in welchem Masse die Aus- gangsspannung U der das untersuchte Rohr umgebenden Wicklung vom Aussenmass des Rohres abhängt. In der folgenden Tabelle ist die relative Änderung der Verstärkung A der signalaufar¬ beitenden Schaltung 39 angegeben, bei der die gelieferte Ausgangsspannung für Rohre unterschiedlichen Radius' Tp konstant bleibt. [0066] A: 2,558 2,358 2,18 2,02 1,87 1,733 1,6 1,49 1,38 r2 (mm) 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 Mit dem erfindungsgemässen Drucksensor wurden die in Druckrohren mit r2=3,5 herrschenden Druckverhältnisse ge¬ messen. Auf das Druckrohr wurde gleichzeitig auch ein be¬ kannter, piezoelektrischer Sensor (KL-7 des österreichi- sehen Unternehmens) aufmontiert. Fig. 16 zeigt das Aus- gangssignal des erfindungsgemässen Sensors, Fig. 17 das des piezoelektrischen Unternehmens) aufmontiert. Fig. 16 zeigt das Ausgangssignal des erfindungsgemässen Sensors, Fig. 17 das des piezoelektrischen Wandlers. Beim Vergleich der beiden Diagramme ist erkennbar, dass das Ausgangs¬ signal des erfindungsgemässen Sensors frei von den für den Kristall charakteristischen Transienten ist, die die Aus¬ wertung des Signals eben an den Stellen wichtiger Änderungen erschweren. Zur Anwendung des erfindungsgemässen Sensors braucht dieser nicht schlüssig auf dem Rohr 10 aufzuliegen, sogar eine äusserliche Korrosion des Rohres verfälscht das Ergebnis nicht. [0067] Natürlich kann der Sensor mit Hall-Generator genau so eingesetzt werden wie die hier beschriebene induktive Lösung. Bei der Verwendung eines Hall-Generators tritt der den [0068] Frequenzgang beeinflussende dritte Faktor nicht auf, d.h. die Hall-Spannung wächst nicht linear mit der Frequenz. Der Frequenzgang gemäss Fig. 15 ändert sich demnach dergestalt, dass die Komponente mit dem Anstieg von 20 dB/Dekade fehlt; dadurch wird die Anfangssteigung 20 dB/Dekade, und nach dem Knickpunkt schliesst sich daran ein Gefälle von -10 dB/Dekade an. In diesem Falle muss die Kennlinie der signalaufarbeiten¬ den Schaltung 39 so ausgestaltet werden, dass" sie diesen Frequenzgang kompensiert. Die Verwendung eines Hall-Generators hat auch noch einen anderen Vorteil. Es ist bekannt, dass der Strom von Hall- Generatoren stark von der Temperatur abhängt. Bei dem hier verwendeten Hall-Element SBV 566: -1 , 5%/°C . Demgegenüber ist die Permeabilität der Ferritmaterialien positiv. Durch geeignete Wahl des Fεrritmaterials kann die Temperaturab¬ hängigkeit der gemessenen Spannung kompensiert werden. [0069] Die bisher beschriebenen Ausführungsformen des erfindungs- gemässen Sensors sind zur Messung mechanischer Spannungen (Kräfte) geeignet, die entweder konzentrisch zur Achse des Rohres 10 verlaufen, oder die als Komponente im Falle von Drehmomentmessungen wegen der Deformation parallel zur Achse verlaufen. Bei Achsen, Stäben, Halteelementen und sonstigen Konstruktionen ist die Messung der Beanspruc¬ hung in Längsrichtung, d.h. die Messung der Druck- und Zugbelastung auch wichtig. [0070] In Fig. 18 ist einer der hinteren Stossdämpfer 42 des Personenautos Dacia 1310 abgebildet; die Zug-Druck-Stange ist unter Zwischenschaltung von Gummibetten 45 an der [0071] Trommelplatte 44 des Autos befestigt. Der obrer Abschnitt 47 der Zug-Druck-Stange 43 wurde vor dem Einbau des Stossdämpfers 42 auf die in Fig. 3 dargestellte Art magne¬ tisiert. Fig. 19 zeigt den magnetisierten Abschnitt her- ausgezeichnet. Die im Material vorhandene remanente magne¬ tische Polarisation J erzeugt ein gut detektierbares äusseres Magnetfeld. Aus Fig. 18 ist ersichtlich, dass der magneti- sierte Abschnitt 47 von einer Sensorwicklung 46 umgeben ist. Der Abschnitt 47 ist in diesem Beispiel 80 mm lang, die Druck—Zug—Stange hat einen Aussendurchmesser von 13 mm. [0072] Die Sensorwicklung 46 ist ein 40 mm langer Solenoid, der aus zwei eng beeinanderliegenden Halbwicklungen mit 200 Windungen besteht. [0073] Das Vorhandensein der Sensorwicklung 46 beeinflusst die Funktion des Stossdämpfers 42 nicht. Die in diesem entstehen¬ den, in Achsrichtung wirkenden Kräfte verändern die magne¬ tische Polarisation in dem magnetisierten Abschnitt 47, womit sich gleichzeitig auch der auf die Sensorwicklung einwirkende magnetische Fluxus ändert.Diese Fluxusänderung induziert in der Sensorwicklung 46 eine Spannung. [0074] Um die im Stossdämpfer 42 unter verschiedenen Bedingungen auftretenden mechnischen Spannungen zu erfassen, wurde an die Sensorwicklung über einen Verstärker ein Registriergerät ange¬ schlossen. Der Verstärker hatte einen Frequenzgang, der zwischen 0,1 Hz und 100 Hz mit einem Kennlinienabfall von -20 dB/Dekade die sich aus dem elektrischen Signal + 20 dB/ Dekade ergebende Frequenzabhängigkeit kompensierte. Fig. 20 zeigt die erhaltenen Messergebnisse. Das Diagramm a) zeigt das viereckige Eichsignal des Registriergerätes, die Empfindlichkeit beträgt 1 mV/cm. [0075] Bei der Aufnahme des Diagramms b) wurde ein geparktes Personenauto durch Drücken mit der Hand kräftig "geschau- kelt". Die registrierten Spitzen zeigen die positiven und negativen Spitzen der Schwingungen. Auf der Abszisse ist der Masstab 25 mm/s. [0076] Das Diagramm c/ zeigt das Anlassen des Motors und dann Fahrt auf glatter Strasse. In dem Diagramm sind die beiden Wellenfronten, die eine beim Einschalten des Anlassers, die andere beim Anspringen des Motors, gut zu erkennen. [0077] Im Diagramm d) entstand die Spitze in der Mitte beim Durchfahren eines 35 mm tiefen Schlagloches auf sonst ebener Strasse . Schliesslich zeigt das Diagramm e) die Schwingungen eines mit laufendem Motor geparkten Wagens. Die transienten Schwingungen des Wagens werden auf den Stossdämpfer über¬ tragen. [0078] Wie dieses Beispiel zeigt, können mit Hilfe des erfin- dungsgemässen Sensors in einfacher Weise auch längsgerich¬ tete dynamische Belastungen gemessen und registriert werden, was früher in einfacher Weise oder ohne Störung des Systems nicht möglich war. [0079] Mit der erfindungsgemässen Lösung können jedoch auch statische Belastungen gemessen werden. Dazu wird zweckmässig ein Sensor mit Hall-Generator verwendet, der sich an einem Ende eines U-förmigen Ferritbügels befinden kann. Der Ferrit¬ bügel wird in Achsrichtung auf den magnetisierten Abschnitt 47 aufgebracht.
权利要求:
ClaimsPatentansprüche 1. Verfahren zur Messung von mechanischen Spannungen in aus magnetisierbarem Material bestehenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Elementes in einer vorgegebenen Richtung vorerst magnetisiert und nach dem Wegfall des magnetischen Feldes während der Dauer der mechanischen Spannungen durch dasjenige magnetische Feld, das durch die remanente magnetische Polarisation oder durch deren Änderung in der Umgebung des Elementes aufge¬ baut wurde, ein elektrisches Signal erzeugt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von Stangen— oder rohrförmigen Elementen die konzentrisch zur Achse verlaufende Magnetisierung mittels eines durch den jeweiligen Abschnitt des Elementes hindurch¬ geleiteten kurzen, hochintensiven Stromimpulses in Achsrich- tung erzeugt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Magnetisierung des Elementes in Längsrichtung der jeweilige Abschnitt (47) des Elementes mit einer Solenoid- Wicklung (9) umgeben und durch diese für kurze Zeit ein hochintensiver Strom geleitet wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element bei der Magnetisierung in magnetischer Sättigung erregt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das der Axialkomponent des magnetischen Feldes abge¬ fühlt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sich durch die Änderung der magnetischen Polari¬ sation (J) um das Element, zum Beispiel Rohr (10), ausbilden- de tangentiale Magnetfeld gemessen wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Element ein Dieseldosierrohr (10) ist. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Magnetfeld proportionale Signal mittels einer mit dem Feld gekoppelten Wicklung (22, 46) erzeugt wird. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Magnetfeld proportionale Signal mittels eines der Einwirkung des Feldes ausgesetzten Hall-Generators (34) erzeugt wird. 10. Messfühler zum Abfühlen von mechanischen Spannungen magnetisierbarer Elemente, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisierbare Element einen in einer vorgegebenen Richtung aufmagnetisierten Abschnitt enthält, und in der Nähe des Abschnittes ein Magnetwandler angeordnet ist , der mit dem durch die mechanische Spannung hervorgerufenen statischen oder durch die Änderung der Spannung hervorgerufenen dyna¬ mischen Magnetfeld gekoppelt ist. 11. Messfühler nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichne , dass das element ein Rohr (10) oder eine Stange ist und dessen magnetisierte Abschnitt in Kreisbahnen magnetisiert sind, die mit der Achse konzentrisch verlaufen. 12. Messfühler nach Anspruch 10,d.adurch gekennzeichnet , dass in dem magnetischen Wandler ein das Rohr (10) oder die Stange umfassender, aus zwei Hälften bestehender, toroid- förmiger Eisenkern (29) vorgesehen ist. 13- Messfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenkerne (29) aus Ferritmaterial bestehen und in zwei um eine gemeinsame Achse (25) gegeneinander wegklappbaren Halbkörpern (23, 24) befestigt sind. 14. Messfühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die halbkreisförmigen Eisenkerne (29) über ein elastisch dämpfendes Element, zum Beispiel einen Gummiring (28) mit dem Inneren der Halbkörper (23, 24) verbunden sind. 15. Messfühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Halbkörper_ (23, 24) sich elastisch dem untersuchten Rohr (10) anpassende Gummieinlagen (31) vorge¬ sehen sind. 16. Messfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Eisenkerne (29) eine Wicklung (22) trägt. 17. Messfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eisenkernen (29) das Plättchen eines Hall- Generators (34) angeordnet ist. 18. Messfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetwandler (6) für ein mit dem Elementenachse parallel Magnetfeld empfindlich ist. 19- Messfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der in Achsrichtung verlaufenden Spannung des in Achsrichtung einen magnetisierten Abschnitt (47) ent- haltenden Rohres (10) der erwähnte Abschnitt (47) von einer solenoidförmigen Sensorwicklung (46) umgeben ist. 20. Messfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem magnetischen Wandler eine mit dem Ausgang der Wicklung (22, 46) oder des Hall-Generators (34) verbundene signalaufarbeitende Schaltung (39) vorgesehen ist, die eine die Frequenzabhängigkeit der Wandlung kompensierende Frequenz- Signalamplituden—Kennlinie aufweis .
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同族专利:
公开号 | 公开日 AU2607388A|1989-05-23|
引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
1989-05-05| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT AU BB BG BR CH DE DK FI GB HU JP KP KR LK LU MC MG MW NL NO RO SD SE SU US | 1989-05-05| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE BJ CF CG CH CM DE FR GA GB IT LU ML MR NL SE SN TD TG |
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