DE1044266B

DE1044266B - Arrangement for measuring the magnetic field strength, especially in ferromagnetic specimens

Info

Publication number: DE1044266B
Application number: DEL11915A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Peter Konrad Hermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1952-03-25
Filing date: 1952-03-25
Publication date: 1958-11-20

Description

Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke, insbesondere in ferromagnetiscben Probekörpern Die nachstehend beschriebene Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke, vorzugsweise jener in ferromagnetischen Probekörpern, mit zwei gegeneinander geschalteten, parallel zueinander angeordneten Feldmeßspulen außerhalb der Probe. Arrangement for measuring the magnetic field strength, especially in Ferromagnetic Specimens The invention described below relates to on an arrangement for measuring the magnetic field strength, preferably that in ferromagnetic test specimens, with two mutually connected, parallel to each other arranged field measuring coils outside the sample.

Es ist bekannt, die Feldstärke in Materialproben dadurch zu bestimmen, daß man die Feldstärke außerhalb der Probe an einer Stelle mißt, an der die Magnetisierungsrichtung parallel oder nahezu parallel zur Probenoberfläche verläuft. Da die Tangentialkomponente der Feldstärke an der Grenze zwischen Probe und umgehenden Medium stetig in das andere Medium übergeht, kann man bei Magnetisierung parallel zu einem Oberflächenelement die in der Probe wirlcsame Feldstärke auch außerhalb der Probe messen. Es zeigt sich jedoch, daß insbesondere bei kurzen und magnetisch weichen Proben erhebliche Meßfehler durch die Inhomogenität des außerhalb der Probe vorbau denen Feldes entstehen können. Diese Inhomogenität rührt im wesentlichen von den magnetischen Polen der Probe her, die an den Stellen entstehen, an denen der magnetische Fluß aus der Probe bzw. den anschließenden Polstücken aus- oder eintritt. Selbst wenn man eine prismatische Probe mit parallel geschliffenen Stirnflächen zwischen ebenen Polplatten einer Jochprüfeinricbtung einspannt, bleibt ein wiflsamer Luftspalt zwischen Probe und Polflächen in der Größe von etwa 0,01 bis 0,1 mm bestehen, der Inhomogenitäten des Magnetfeldes hervorruft. Wenn, wie es meistens der Fall sein wird, die Polflächen groß gegen die Probenlänge sind, ändert sich die Feldstärke in Probenmitte mit wachsendem Proben abstand, so daß die Feldmessung in so geringem Probenabstand stattfinden muß, daß der für die Feldmeßspule oder das Meßsystem erforderliche Raum nicht zur Verfügung steht. It is known to determine the field strength in material samples by that one measures the field strength outside the sample at a point where the direction of magnetization runs parallel or almost parallel to the sample surface. Since the tangential component the field strength at the boundary between the sample and the surrounding medium steadily in the Another medium passes over, one can be magnetized parallel to a surface element Measure the field strength effective in the sample also outside the sample. It shows however, that considerable, especially in the case of short and magnetically soft samples Measurement errors due to the inhomogeneity of the field outside of the specimen which arise can. This inhomogeneity is essentially due to the magnetic poles of the Sample produced, which arise at the points where the magnetic flux from the sample or the adjoining pole pieces exits or enters. Even if you have a prismatic Sample with parallel ground end faces between flat pole plates of a yoke test facility clamped, a loose air gap remains between the specimen and the pole faces in terms of size from about 0.01 to 0.1 mm, which causes inhomogeneities in the magnetic field. If, as is usually the case, the pole faces are large compared to the sample length the field strength in the center of the sample changes with increasing sample distance, see above that the field measurement must take place in such a small sample distance that the for the Field measuring coil or the measuring system required space is not available.

Die bekannten Anordnungen zur Kompensation störender Fremdfelder, z. B. der Variationen des geomagnetischen Feldes, der Magnetfelder elektrischer Bahnen u. dgl., sind nicht geeignet, die durch die beschriebenen Inhomogenitäten des Magnetisierungsfeldes hervorgerufenen Fehler zu eliminieren. Bei einer dieser bekannten Anordnungen werden zwei Spulen benutzt, deren Windungsflächen parallel der magnetischen Achse der Probe angeordnet sind, die um eine zur magnetischen Achse der Probe parallele Drehachse gedreht werden. Die zweite Spule dient dabei zur Kompensation störender Fremdfelder. Der Abstand der beiden Spulen wird so groß gewählt, daß ein auf die eine Prüfspule zur Einwirkung gebrachtes Feld nicht mehr merklich in die zweite Spule hinüberstreuen kann. Die Abstände beider Spulen liegen daher in der Größenordnung von t/2 bis 1 m. Im idealen Fall soll dabei die Kompensationsspule ebenso viele Windungen von genau gleichem Flächeninhalt wie die andere Spule besitzen. Bei dieser Anordnung können sich alle Fehler, die auf Inhomogenitäten des magnetisferenden Feldes außerhalb der Probe zurückgehen, auf das Meßergebnis voll auswirken. The known arrangements for compensating for interfering external fields, z. B. the variations of the geomagnetic field, the magnetic fields of electric Tracks and the like are not suitable because of the inhomogeneities described to eliminate errors caused by the magnetization field. With one of these known arrangements two coils are used, the winding surfaces of which are parallel the magnetic axis of the sample are arranged around a magnetic axis the specimen can be rotated parallel to the axis of rotation. The second coil is used for compensation disturbing external fields. The distance between the two coils is chosen so that a on the one test coil brought to action field no longer noticeably in the second coil can scatter over. The distances between the two coils are therefore in the Order of magnitude from t / 2 to 1 m. In the ideal Case should be the compensation coil have as many turns of exactly the same area as the other coil. With this arrangement, all errors that are due to inhomogeneities of the magnetizing Field outside the sample, have a full effect on the measurement result.

Die erfindungsgemäße Abhilfe dieser Schwierigkeit beruht auf der Erkenntnis, daß sich die Feldstärke außerhalb der Probe in erster Annäherung in Probennähe linear mit dem Abstand von der Probenoberfläche ändert. Man kann daher mehrere Feldmessungen in verschiedenen Abständen von der Probenoberfläche durchführen und die Meßwerte über der jew.eiligen mittleren Entfernung von der Probenoberfläche graphisch auftragen. Die Verbindungslinie der Meßpunkte ist dann in erster Annäherung eine gerade Linie, die bis zu dem Abstand Null extrapoliert werden kann, so daß man auf diese Weise den genauen Feldstärkenwert findet, der an der Oberfläche und innerhalb der Probe wirksam ist. The inventive remedy for this problem is based on the Recognition that the field strength outside the sample is in a first approximation in The proximity of the sample changes linearly with the distance from the sample surface. One can therefore perform several field measurements at different distances from the sample surface and the measured values over the respective mean distance from the sample surface apply graphically. The line connecting the measuring points is then a first approximation a straight line that can be extrapolated to zero distance so that in this way you can find the exact field strength value at the surface and is effective within the sample.

Um diesen extrapolierten Wert unmittelbar durch eine Messung zu ermitteln, wird eine Anordnung zur Messung der magnetischen Fel dstäfl, vorzugsweise solcher in ferromagnetischen Probekörpern, mit zwei gegeneinander geschalteten, parallel zueinander angeordneten Feldmeßspulen außerhalb der Probe vorgeschlagen, deren erfinderisches Merkmal in einer solchen Ausbildung der beiden Spulen besteht, daß deren Windungsflächen in umgekehrtem Verhältnis zu ihren mittleren Abständen von der Probenoberfläche steht. To determine this extrapolated value directly through a measurement, an arrangement for measuring the magnetic field, preferably such in ferromagnetic test specimens, with two mutually connected, parallel Proposed field measuring coils arranged to one another outside the sample, their inventive Characteristic in such a design of the two coils is that their winding surfaces in inverse proportion to their mean distances from the sample surface stands.

Diese Bemessung hat zur Folge, daß die resultierende Spannung aus den in den beiden Feldmeßspulen induzierten Spannungen der gesuchten Feldstärke proportional ist Die nachstehende Ableitung läßt diese Beziehung erkennen. In ihr sind alle auf die eine Feldmeßspule bezogenen Größen mit ' und alle auf die andere Feldmeßspule bezogenen Größen mit " gekennzeichnet. Sind die Windungszahlen der Feldmeßspulen Zr und z", ihre Windungsflächen F' und F", die Feldstärken an den Orten, an denen sie sich befinden, H1 und H2, so werden in ihnen, wenn sie mit der Frequenz f gedreht werden oder sie sich in einem Wechselfeld mit der Frequenz f befinden, die Spannungen U' = 4,44 f z' F µ0 H1 (1) U"=4,44-f z" F" yoH2 induziert. This dimensioning has the consequence that the resulting stress is from the voltages of the required field strength induced in the two field measuring coils proportional The following derivation shows this relationship. In it all are up the one field measuring coil related variables with 'and all of the other field measuring coil related variables are marked with ". Are the number of turns of the field measuring coils Zr and z ", their winding areas F 'and F", the field strengths at the locations where They are located, H1 and H2, so will be in them when rotated at the frequency f or they are in an alternating field with the frequency f, the voltages U '= 4.44 f z' F µ0 H1 (1) U "= 4.44-f z" F "yoH2 induced.

Hieraus folgt für die Differenzspannung U'-U=4,44J0 (z' F' H1-z F H2) (2) Sind die Abstände der Feldmeßspulen von der Oberfläche des Prüflings dl und d2 mit dl d2, so ist bei linearer Abhängigkeit der Feldstärke von der Entfernung H1 = Ho + ßdt und H2 = Ho + ßd2 (3) wobei H0 die Feldstärke an der Probenoberfläche und fl eine Konstante bedeutet. Setzt man Gleichung (3) in Gleichung (2) ein, so ergibt sich U'-U" = 4,44f µ0 (z'F' (H0 + ßd1) - z"F"(H0 + ß12)) (4) Haben die beiden Feldmeßspulen die Breite 1 und die axiale Länged' bzw. d", so ergibt sich für die Windungsflächen F' = l d' F" = l . d" (5) Damit geht Gleichung (4) über in Ul-Ul, = 4,44f l µ0 (z' d' (H0 + -z"d" (H0 + ßd2)) (6) Nach der Erfindung soll für die Windungsflächen gelten F' Z' d' d2 (7) F" = z" d" = d1 Unter Berücksichtigung dieser Beziehung kann man Gleichung (6) umformen in Löst man diese Gleichung nach H0 auf und faßt man alle Konstanten zu K zusammen; so erhält man H0=K (U'- .From this it follows for the differential voltage U'-U = 4.44J0 (z 'F' H1-z F H2) Field strength from the distance H1 = Ho + ßdt and H2 = Ho + ßd2 (3) where H0 is the field strength at the sample surface and fl is a constant. Inserting equation (3) into equation (2), the result is U'-U "= 4.44f µ0 (z'F '(H0 + ßd1) - z" F "(H0 + ß12)) (4) If the two field measuring coils have the width 1 and the axial length 'or d ", then for the winding areas F' = ld 'F" = l. D "(5) Equation (4) changes into Ul-Ul, = 4.44f l µ0 (z 'd' (H0 + -z "d" (H0 + ßd2)) (6) According to the invention, F 'Z' d 'd2 (7) F "= z "d" = d1 Taking this relationship into account, equation (6) can be converted into If one solves this equation for H0 and one summarizes all constants to K; so one obtains H0 = K (U'-.

Eine hohe Anzeigeempfindlichkeit erhält man demnach, wenn d2 groß gegen d1 gewählt wird. Der maximale Abstand, in dem die lineare Abstandsfunktion der Feldstärke noch gültig ist, ist jedoch begrenzt. A high display sensitivity is accordingly obtained when d2 is large is chosen against d1. The maximum distance within which the linear distance function the field strength is still valid is limited.

Um eine möglichst große Empfindlichkeit der Anzeige bei einem möglichst geringen Maximalabstand der Feldmeßräume von der Probenoberfläche zu erzielen, ist es zweckmäßig, die beiden gegeneinander geschalteten Feldmeßspulen (bzw. die beiden Feldmeßräume) unmittelbar aneinander ansdhließen zu lassen.To maximize the sensitivity of the display with one if possible to achieve a small maximum distance of the field measuring spaces from the sample surface is it is advisable to use the two field measuring coils (or the two Field measuring rooms) to be connected directly to one another.

Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für Gleichstromfeldmessungen mit einem Feldmeßgenerator. Die Probe 1 wird zwischen zwei ebenen Polplatten 2 eingespannt. Die Luftspalte 8 bewirken eine Inhomogenität des außerhalb der Probe wirksamen Magnetfeldes. In dem Feldmeßraum sind auf einer zur Probenoberfläche 3 senkrechten Achse 4 zwei Generatorspulen 5 und 6 angebracht, die z. B. durch einen Synchronmotor 7 in Umdrehung versetzt werden. Die beiden Spulen 5 und 6 sind mit umgekehrtem Wicklungssinn in Reihe geschaltet. Die beiden Wicklungsenden werden an zwei Kollektorlamellen 8, 9 geführt, so daß die in den Spulen induzierte Wechselspannung gleichgerichtet wird. Die Gleichspannung ist der zu messenden Feldstärke an der Probenoberfläche unmittelbar proportional und wird mit einem Drehspulinstrument 10 gemessen. Gemäß der Erfindung muß hierzu die Bedingung erfüllt sein, daß bei gleicher Windungszahl von Spule 5 und 6 der Querschnitt q5 = d5 1 von Spule 5 sich zu dem Querschnitt q6 = d6 . l von Spule 6 verhält wie der mittlere Pro;benabstand d2 der Spule 6 zu demjenigen d1 der Spule 5. Dabei ist mit I die Länge der zweiten Spulenseite bezeichnet, die für beide Spulen gleich sei. The figure shows an embodiment of the invention for direct current field measurements with a field measurement generator. The sample 1 is clamped between two flat pole plates 2. The air gaps 8 cause an inhomogeneity of the magnetic field effective outside the sample. In the field measuring space there are two axes 4 perpendicular to the sample surface 3 Generator coils 5 and 6 attached, the z. B. by a synchronous motor 7 in rotation be moved. The two coils 5 and 6 are in the opposite direction of winding Connected in series. The two winding ends are connected to two collector lamellas 8, 9 out, so that the AC voltage induced in the coils is rectified. The DC voltage is directly related to the field strength to be measured on the sample surface proportional and is measured with a moving coil instrument 10. According to the invention For this purpose, the condition must be met that with the same number of turns of coil 5 and 6 the cross section q5 = d5 1 of coil 5 becomes the cross section q6 = d6. l of coil 6 behaves like the mean sample distance d2 of coil 6 to that d1 of the coil 5. I denotes the length of the second coil side, the is the same for both coils.

Dasselbe Verfahren kann bei Wechselfeldmessungen auch mit Hilfe von ruhenden Feldmeßspulen angewandt werden. Ferner können auch die beiden Feldmessungen durch zwei Drehspulsysteme bewirkt werden. The same procedure can also be used for alternating field measurements using resting field measuring coils are applied. Furthermore, the two field measurements caused by two moving coil systems.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for measuring the magnetic field strength, preferably those in ferromagnetic test specimens with two mutually connected, field measuring coils arranged parallel to one another outside the sample, marked by designing the two coils in such a way that their winding area is reversed Relation to their mean distances from the sample surface.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in DC magnetization the two field measuring coils are arranged on a motor-driven shaft, that their common winding plane lies in the shaft axis.

3. Arrangement according to Ånspruch 1, characterized in that with alternating current magnetization the two field measuring coils are fixed in parallel at different sample intervals are.

Documents considered: German Patent No. 644 858