DE10036482C1

DE10036482C1 - Anordnung zum Messen der Magnetisierung von Werkstoffproben in pulsförmigen Magnetfeldern

Info

Publication number: DE10036482C1
Application number: DE2000136482
Authority: DE
Inventors: Dieter Eckert; Roland Groessinger
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur FESTKOERPER- und WERKSTOFFFORS
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2001-12-06
Anticipated expiration: 2020-07-20

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung zum Messen der Magnetisierung von Werkstoffproben in pulsförmigen Magnetfeldern mit einer Messspule zur zentrischen Aufnahme der Werkstoffprobe und koaxial angeordneten Kompensationsspulen sowie einer Schaltungsanordnung zur messtechnischen Verarbeitung der Signale der Messspule und der Kompensationsspulen zu schaffen, bei der axiale Verschiebungen der Werkstoffprobe in der Messspule sowie Verschiebungen des Spulensystems relativ zur Magnetfeldspule nur geringe Störungen der Messwerte hervorrufen. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zur Kompensation des in der Messspule von deren Baulängenmitte axial nach außen zu den Spulenden verlaufenden Abfalls der Messempfindlichkeit unter Berücksichtigung der bekannten Kompensationsbedingung N¶K¶D¶K¶·2· = N¶M¶D¶M¶·2· die Baulänge L¶K¶ der Kompensationsspule nach einer definierten Bestimmungsgleichung bemessen. Die Kompensationsspule kann aus zwei gemeinsam gewickelten Teilspulen bestehen, bei denen die Windungen der einen Teilspule in die Windungszwischenräume der anderen Teilspule gewickelt sind. DOLLAR A Die Anordnung ist im Rahmen von Untersuchungen zur Magnetisierung an Werkstoffproben aus der Physik, der Biologie, der Chemie und der Technik mit pulsförmigen hohen Magnetfeldern anwendbar und ermöglicht präzise Messergebnisse.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Magnetisierung von Werkstoffproben in pulsförmigen Magnetfeldern. Die Anordnung ist im Rahmen von Untersuchungen zur Magnetisierung an Werkstoffproben aus der Physik, der Biologie, der Chemie und der Technik mit pulsförmigen, hohen Magnetfeldern anwendbar und ermöglicht präzise Messergebnisse.

Es sind bereits derartige Anordnungen bekannt. Diese bestehen aus einer Messspule zur zentrischen Aufnahme der Werkstoffprobe und mindestens einer Kompensationsspule sowie einer Schaltungsanordnung zur messtechnischen Verarbeitung der Signale der Messspule und der Kompensationsspule. Dabei dient die Kompensationsspule zur Kompensation des ohne Werkstoffprobe durch die Änderung des pulsförmigen Magnetfeldes entstehenden Leersignals. Die Kompensationsspule ist dazu mit gleicher Windungsfläche wie die Messspule ausgestattet und mit der Messspule entgegengesetzt in Reihe geschaltet. Hinsichtlich der Ausführung und Anordnung der Kompensationsspule sind axiale und koaxiale Spulensysteme bekannt.

Beim axialen Spulensystem weisen Kompensationsspule und Messspule den gleichen Durchmesser auf und sind axial hintereinander angeordnet. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die Messspule nicht genau im Zentrum des umgebenden pulsförmigen Magnetfeldes liegt und dass eine Relativbewegung des aus Mess- und Kompensationsspule bestehenden Spulensystems gegenüber dem Magnetfeld infolge der Inhomogenität des Feldes zu störenden Kompensationsfehlern führt. Dieser Fehler kann durch die Aufteilung der Kompensationsspule in zwei Hälften zu beiden Seiten der Messspule zwar reduziert, aber nicht völlig beseitigt werden.

Beim koaxialen Spulensystem ist die Kompensationsspule koaxial um die Messspule angeordnet. Die Kompensationsspule weist dabei entsprechend große Unterschiede in Durchmesser und Windungszahl gegenüber der Messspule auf. Durchmesser und Länge der Kompensationsspule werden oft so gewählt, dass die Quadrupolkomponente des äußeren Magnetfeldes kompensiert wird [R. Grössinger, Ch. Gigler, A. Keresztes, H. Fillunger, IEEE Trans. Magn. 24 (1988), S. 970 bis 973 und P. Obitsch, Dissertation, TU Wien, 1984, S. 42 bis 80.

Bei der koaxialen Anordnung befinden sich die Messspule und die Kompensationsspule im Zentrum des pulsförmigen Magnetfeldes. Hierbei wird jedoch für die Magnetspule, mit der der Feldimpuls erzeugt wird, ein wesentlich größerer Innendurchmesser als beim axialen Spulensystem benötigt, damit das durch die Kompensationsspule im Außendurchmesser vergrößerte Spulensystem Platz findet.

Bekannt sind auch koaxiale Spulensysteme mit einer zusätzlichen Kompensationsspule, von der eine zur Feinkompensation dienende Spannung in den Messkreis eingespeist wird. Aber auch solche feinkompensierte Anordnungen reagieren empfindlich auf Lageänderungen relativ zur Magnetspule, die beispielsweise durch mechanische Schwingungen der Magnetspule während des Feldimpulses auftreten.

Durch die bei koaxialen Spulensystemen geringen Abmessungen der Messspule besteht außerdem das Problem, dass bereits eine geringe, axiale Verschiebung der Werkstoffprobe aus der Mitte der Messspule deutliche Messfehler verursacht. Diese Fehler wurden zwar mittels weiterer Teilspulen verringert [P. Obitsch, Dissertation, TU Wien, 1984]; jedoch führte dies zu komplizierten, räumlich ausgedehnten Spulensystemen, die dann wieder eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Schwingungen besaßen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung zum Messen der Magnetisierung von Werkstoffproben in pulsförmigen Magnetfeldern mit einer Messspule zur zentrischen Aufnahme der Werkstoffprobe und koaxial angeordneten Kompensationsspulen sowie einer Schaltungsanordnung zur messtechnischen Verarbeitung der Signale der Messspule und der Kompensationsspulen zu schaffen, bei der axiale Verschiebungen der Werkstoffprobe in der Messspule sowie Verschiebungen des Spulensystems relativ zur Magnetfeldspule nur geringe Störungen der Messwerte hervorrufen.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die zugehörigen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist zur Kompensation des in der Messspule von deren Baulängenmitte axial nach außen zu den Spulenenden verlaufenden Abfalls der Messempfindlichkeit unter Berücksichtigung der bekannten Kompensationsbedingung N_KD_K ² = N_MD_M ² die Baulänge L_K der Kompensationsspule nach der Bestimmungsgleichung

zu bemessen, worin bedeuten:
N_K = Windungsanzahl der Kompensationsspule
L_K = Baulänge der Kompensationsspule
D_K = Durchmesser der Kompensationsspule
N_M = Windungsanzahl der Messspule
L_M = Baulänge der Messspule
D_M = Durchmesser der Messspule
Z_V = eine Position innerhalb der Messspule auf deren Achse mit einem gewählten Abstand im Bereich von D_M/100 bis D_M/5 zur Baulängenmitte der Messspule.

Die Kompensationsspule kann vorteilhaft aus zwei gemeinsam gewickelten Teilspulen bestehen, bei denen die Windungen der einen Teilspule in die Windungszwischenräume der anderen Teilspule gewickelt sind. Dabei sind die Durchmesser der verwendeten beiden Drähte so gewählt, dass für beide Teilspulen die Baulänge L_K realisiert ist. Außerdem ist eine der Teilspulen mit der Messspule entgegengesetzt in Reihe geschaltet, und die andere Teilspule ist an ein in der Schaltungsanordnung enthaltenes, einstellbares Widerstandsnetzwerk zur Feinkompensation angeschlossen.

Die Position Z_V innerhalb der Messspule kann zweckmäßigerweise mit einem Abstand von D_M/10 gewählt sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung zum Messen der Magnetisierung von Werkstoffproben in pulsförmigen Magnetfeldern weist gegenüber dem Stand der Technik einige Vorteile auf. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass bei einer axialen Verschiebung der Werkstoffprobe in der Messspule das Messsignal nicht oder nur geringfügig verfälscht wird. Außerdem wirken sich auch Verschiebungen des Spulensystems relativ zur Magnetfeldspule nur in geringem Maße störend auf die Messwerte aus. Auf Grund dieser Vorteile sind weitgehend präzise Messungen bei nur geringem Justieraufwand möglich. Vorteilhaft ist schließlich auch der gegenüber den bekannten Anordnungen einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung.

Nachstehend ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Messen der Magnetisierung von Werkstoffproben mit einem in Prinzipdarstellung abgebildeten, koaxialen Spulensystem,

Fig. 2 ein Diagramm mit der Messfehlerkurve A bei axialer Verschiebung einer Werkstoffprobe für das im Beispiel beschriebene, koaxiale Spulensystem und mit einer Kurve B, welche die berechneten Messfehler für die nicht kompensierte Messspule nach Subtraktion deren Leersignals darstellt.

Beispiel

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist ein koaxiales Spulensystem vorhanden, das mit einer Messspule 1 und zwei Kompensationsspulen 2; 3 aufgebaut ist. Die Messspule 1 besitzt einen mittleren Durchmesser von 6,8 mm, ist 12,8 mm lang und besteht einlagig aus 182 Windungen eines 0,05 mm dicken Kupferdrahtes.

Die Kompensationsspulen 2; 3 sind gemeinsam gewickelte Spulen, wobei die Windungen der einen Kompensationsspule 2 in die Windungszwischenräumen der anderen Kompensationsspule 3 gewickelt sind. Die Kompensationsspulen 2; 3 sind ebenfalls aus 0,05 mm dickem Kupferdraht einlagig gewickelt. Sie bestehen jeweils aus 86 Windungen, besitzen eine Baulänge L_K von 9, 3 mm und weisen einen mittleren Durchmesser von 11 mm auf. Dabei ist die Baulänge L_K unter Anwendung der zur Erfindung gehörenden Bestimmungsgleichung ermittelt worden.

Die Kompensationsspule 2 ist mit der Messspule 1 entgegengesetzt in Reihe geschaltet. An die Kompensationsspule 3 ist ein ohmsche Widerstände 4 bis 7 enthaltendes Netzwerk angeschlossen. Mit diesem Widerstandsnetzwerk ist eine Feinkompensation des Messsignals ohne Werkstoffprobe möglich.

Die Kurve A gemäß Fig. 2 wurde mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung an einer Ferritkugel mit 4,3 mm Durchmesser aufgenommen. Die Kurve zeigt, dass sich bei einer Verschiebung der Ferritkugel um ±2 mm der Messwert nur um weniger als 0,2% ändert. Im Vergleich mit der Kurve B wird die wesentliche Verbesserung deutlich, welche mit der erfindungsgemäß bestimmten Baulänge L_K der Kompensationsspulen erreicht wird.

Claims

1. Anordnung zum Messen der Magnetisierung von Werkstoffproben in pulsförmigen Magnetfeldern, bestehend aus einer Messspule zur zentrischen Aufnahme der Werkstoffprobe und einer koaxial um diese angeordneten Kompensationsspule, die zur Kompensation des ohne Werkstoffprobe durch die Feldänderung entstehenden Leersignals dient, sowie einer Schaltungsanordnung zur messtechnischen Verarbeitung der Signale der Messspule und der Kompensationsspule, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation des in der Messspule von deren Baulängenmitte axial nach außen zu den Spulenenden verlaufenden Abfalls der Messempfindlichkeit unter Berücksichtigung der bekannten Kompensationsbedingung N_KD_K ² = N_MD_M ² die Baulänge (L_K) der Kompensationsspule nach der Bestimmungsgleichung
bemessen ist, worin bedeuten:
N_K = Windungsanzahl der Kompensationsspule
L_K = Baulänge der Kompensationsspule
D_K = Durchmesser der Kompensationsspule
N_M = Windungsanzahl der Messspule
L_M = Baulänge der Messspule
D_M = Durchmesser der Messspule
Z_V = eine Position innerhalb der Messspule auf deren Achse mit einem gewählten Abstand im Bereich von D_M/100 bis D_M/5 zur Baulängenmitte der Messspule.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspule aus zwei gemeinsam gewickelten Teilspulen besteht, bei denen die Windungen der einen Teilspule in die Windungszwischenräume der anderen Teilspule gewickelt sind, wobei erstens die Durchmesser der verwendeten, beiden Drähte so gewählt sind, dass für beide Teilspulen die Baulänge (L_K) realisiert ist, und wobei zweitens eine der Teilspulen mit der Messspule entgegengesetzt in Reihe geschaltet ist und die andere Teilspule an ein in der Schaltungsanordnung enthaltenes, einstellbares Widerstandsnetzwerk zur Feinkompensation angeschlossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (Z_V) innerhalb der Messspule mit einem Abstand von D_M/10 gewählt ist.