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Anordnung zur Aufnahme der Magnetisierungskurven und zur Bestimmung
der Eisenverluste ferromagnetischer Materialien Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zur Aufnahme der Magnetisierungskurven und zur Bestimmung der Eisenverluste
ferromagnetischer Materialien, bei der in einer Feldstärkemeßspule eine von der
Feldstärke des das ferromagnetische Material magnetisierenden Magnetfeldes abhängige
Spannung induziert wird und der durch dieses Magnetfeld in dem ferromagnetischen
Material hervorgerufene magnetische Fluß in einer Induktionsmeßspule eine von der
Induktion abhängige Spannung induziert.
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Bekanntlich lassen sich die gesuchten Größen aus dem Verlauf der
magnetischen Feldstärke und der magnetischen Induktion ermitteln, so daß Mittel
zu deren fehlerfreien Messung erforderlich sind. Geräte zur Messung der Eisenverluste
von ferromagnetischen Materialien sind sowohl in der Form von Prüfanordnungen bekannt,
in denen die Probenbleche mit einer Magnetisierungsspule und einer Induktionsmeßspule
verkettet sind, während eine nicht verkettete Feldstärkemeßspule in einer zwischen
der aufgeteilten Probe oder zwischen Probe und einem zusätzlichen Leitblech oder
Leitblechpaket untergebracht ist und der magnetische Fluß über ein Schlußjoch geschlossen
wird, als auch in der Form von Anlegejochen zur Messung der Verluste und Magnetisierungskurven
an ganzen Blechtafeln, bei denen die Magnetisierungsspule mit dem Joch und die Induktionsmeßspule
mit einem oder mehreren der Polschenkel des Joches verkettet ist.
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Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sich der Feldstärkemeßraum
in Magnetisierungsrichtung zwei schen zwei magnetisierten Blechen oder Blechpaketen
erstreckt, so daß der den Blechen zugeführte magnetische Fluß entweder einseitig
von der der Feldstärkemeßspule abgewendeten Probenseite her dem Probenblech zugeführt
werden muß oder zum mindesten teilweise durch Jochpole von der Seite her. auf der
die Feldstärkemeßspule angebracht ist. Die erstgenannte Ausführung hat zur Folge.
daß in dem ProhenSlech zusätzliche Wirbelströme in der Blechebene entstehen, die
bewirken, daß die Feldstärke oberhalb und unterhalb des Probenbleches sich nach
Größe und Richtung unterscheidet, so daß mit einer Feldstärkemeßspule auf der der
Flußeintrittsseite gegenüberliegenden Seite zu niedrige Verluste gemessen werden.
Die an zweiter Stelle genannte Ausführung, bei der solche zusätzlichen Wirbel ströme
nicht entstehen. sofern dem Probenblech von beiden Seiten her gleich große Teiltlüsse
zugeführt werden, hat den Nachteil, daß der Feldstärkemeßranm seitlich von Polen
des Joches begrenzt wird, die dem Probebkch den Fluß über unvermeidliche Luftspalte
zuführen. Uber diesen Luftspalten entstehen aber durch den hindurchtretenden magnetischen
Fluß magnetische Potentialdiffe-
renzen zwischen den Polen und dem Prohenblech, so
daß im Feldstärkemeßraum die magnetische Feldstärke in Prohennähe, wo sie mit der
Feldstärke in der Probe übereinstimmt, einen anderen Wert annimm!t als in größerer
Entfernung von der Probenoberfläche, in der sie dem Quotienten der magnetischen
Potentialdiferenz zwischen den beiden Polflächen dividiert durch den Polabstand
entspricht. Es ist also möglich, bei einer derartigen Anordnung für die Feldstärkemeßspule
einen größeren Raum zur Verfügung zu stellen, in dem die Feldstärke mit derjenigen
in der Probe gut übereinstimmt.
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Fig. 1 zeigt den Streufluß ohne, Fig. 2 mit Berücksichtigung des
Einflusses der Magnetisierungsspule.
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Der besseren Übersicht wegen sind die Bilder für den Fall vernachlässigbar
kleiner Feldstärken in Probe und Joch gezeichnet. Es bedeutet in Fig. 1 und 2 B
das Probenblech, 0 das Eisenjoch, ir die Äquipotentiallinien. mit die Fluß linien
und in Fig. 2 1 die Magnetisierungsspule.
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Die Fehler, die durch zusätzliche Wirbelströme bei einseitig in die
Probe aus- und eintretenden Fluß oder durch unsymmetrische Zuführung und Ableitung
des magnetischen Flusses an der Ober- und Unterseite des Probenbleebes, beispielsweise
durch ungleichmäßige Luftspalte, entstehen, werden dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß
die Feldstärkemeßspule mindestens zweiteilig ausgeführt und ober- und unterhalb
der Meßflächen des zu prüfenden ferromagnetischen Materials mit gleichen oder nahezu
gleichen Windullgsquerschrlitten verteilt ist.
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Meßfehler durch die Inhomogenität des magnetischen Feldes im Feldstärkemeßraum,
die bei einer solchen Feldstärkemeß spulenanordnung durch die Streuflüsse an den
Luftspalten zwischen den den magnetischen Fluß dem Probenblech zuführenden
Fluß
polen und dem Probenblech entstehen können, werden in Weiterbildung des Erfindungsgedankens
vermieden durch eine seitliche Begrenzung des Feldstärkemeßraumes in Magnetisierungsrichtung
durch bis an das zu prüfende ferromagnetische Material herangehende, keinen oder
höchstens einen gegenüber dem gesamten Fluß vernachlässigbaren Fluß führende Äquipotentialpole
und Magnetisierungsspulen sowohl zwischen den Äquipotentialpolen als auch zwischen
den Äquipotentialpolen und den Flußpolen. über die der magnetische Fluß geführt
wird. Zweckmäßigerweise wird dies dadurch bewirkt, daß die Magnetisierungsspulen
zwischen den Aquipotentialpolen und zwischen den Äquipotentialpolen und den Flußpolen
gleiche Windungszahl haben und parallel geschaltet sind.
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An Hand der Zeichnungen sei der Erfindungsgedanke näher erläutert.
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Fig. 3 zeigt zunächst ein einfaches Anlegejoch bekannter Bauweise.
Das Probenblech B wird über das Anlegejoch 30 durch Erregung der Magnetisierungsspule
31 magnetisiert. Die Induktion wird mit einer mit einem oder beiden Polschenkeln
verketteten Induktionsmeßspule 36 erfaßt und die Feldstärke mit einer nicht dargestellten
Feldstärkemeß spule gemessen oder aus dem Magnetisierungsstrom der Spule 31 bestimmt.
II sind die zusätzlich auftretenden Wirbelströme.
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Fig. 4 zeigt eine entsprechende Ausführung nach der Erfindung. 40
ist das Joch, 41 die Magnetisierungsspule. Nach dem Erfindungsgedanken befinden
sich zwei in Reihe geschaltete Eeldstärkemeßspulen 44 und 45 oberhalb und unterhalb
des Problenbleches B.
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Die Feldstärkemeßspufe 45 liegt dabei zwar noch in einem Raum, in
dem durch die Streuflüsse an den Luftspalten eiiTe inhomogene Intensität des Feldes
herrscht.
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Auch die Feldstärkemeßspule 44 läge bei einer solchen Anordnung in
einem inhomogenen Feld.
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Außerdem können noch Induktionsmeßfehler in der Induktionsmeßspule
46 entstehen. weil der gemessene ölfluß sich in Anteile p und q aufteilt, so daß
der eigentliche Probenfluß p nicht richtig erfaßt wird. Es tritt auch noch ein nicht
berücksilchtigter Streufiuß s aus der gegenüberliegenden Probenfläche vor den Polschuhen
aus.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird die
Meßeinrichtung daher günstiger nach Fig. 5 ausgeführ', in der man zwei einander
gegenfiberliegende Joche 50' und 50" an das Probenblech B anlegt. Beide Joche haben
zwei äußere Flußpole 57 und zwei innere Äquipotentialpole 58. 56 bezeichnet die
Induktionsmeßspule. 54 und 55 die in Reihe geschalteten Feldstärkemeßspulen. Die
Magnetisierungsspule besteht aus je drei Einzelspulen gleicher Windungzahl 51, 52
und 53, die nach Fig. 6 elektrisch parallel geschaltet sind. Der Probenfluß tritt
durch die Flußpole 57 ein und aus. Die Parallelschaltung der Spulen 51, 52 und 53
bewirkt daß alle Magnetisierungsspulen zumindest nahezu den gleichen magnetischen
Fluß führen, auch wenn dafür unterschiedliche Stromstärken benötigt werden. Dadurch
werden die Äquipotentialpole 58 freigehalten von magnetischem Fluß, abgesehen von
denjenigen kleinen Differenzen, die dadurch entstehen, daß infolge der ohmschen
Widerstände der Magnetisierungsspulen 51, 52 und 53 die Klemmenspannung dieser Spulen
nicht genau mit den selbstinduzierten Spannungen üh ereinstimmen.
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Diese Unterscliede können dadurch klein gehalten werden, daß man die
Drahtquerschnitte für diese
Spulen dem jeweiligen Strombedarf für die wichtigsten
Anwendungsfälle anpaßt. Die Feldstärkemeß spulen 54 und 55 befinden sich in dem
Raum mit nunmehr konstanter Feldstärke, der vom ProbenblechB, von den Äquipotentialpolen
58 und von der Außenfläche der mittleren Niagnetisierungsspulen 52 begrenzt wird.
Die Induktionsmessung wird bei einer solchen Anordnung zweckmäßig mit einer mit
der Probe verketteten Induktionsmeßspule 56 vorgenom mein. Auch die Magnetisierungsspulen
51, 52 und 53 können wie bei Eisenprüfspulen bekannter Art mit der Probe verkettet
werden wobei beachtet werden muß, daß dann diejenigen Spulen, die den doppelten
Fluß wie die nur mit einem Joch verketteten Spulen führen sollen, auch die doppelte
Windungszahl aufweisen müssen, sofern sie parallel geschaltet werden (Fig. 7). Die
Breite der Probe B muß bei dieser Anordnung gleich oder kleiner als die Breite der
Pole 57 senkrecht zur Magnetisierungsrichtung gemessen sein.
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Man kann aber auch in an sich bekannter Weise nach Fig. 8 eine Anordnen,
wählen. bei der zwei derartige Joche mit umgekehrter Magnetisierungsrichtung aneinandergesetzt
bzw. zu einem siebenpoligen Doppeljoch zusammengesetzt sind. Bei einer solchen Anordnung
wird die Induktionsmeßspule 86 mit den mittleren, den magnetischen Fluß führenden
Flußpolen 89 verkettet.
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Einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens entsprechend wird
diese Induktionsmeßspule 86 jedoch nicht mit dem gesamten Querschnitt des Pols 89
verkettet, sondern nur mit einem mittleren Teil. Fig. 9 zeigt die Draufsicht auf
die Polfläche eines Joches gemäß Fig. 8. Die Indulitionsmeßspule 86 erstreckt sich
in der Breitenrichtung b der Pole nur über die Stücke 1. Außerdem erstreckt sich
diese Induktionsmeßspule in Längsrichtung, bezogen auf die Magnetisierungsrichtung,
nicht nur über die Länge c des mittleren Flußpols, sondern bis in den Feldstärkemeßraum
hinein. Diese Abmessung ist durch die Maßzahl d gekennzeichnet. Die Induktionsmeßspule
86 wird in entsprechenden Nuten der Pole 88 und 89 verlegt.
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Durch diese Maßnahme wird die Inhomogenität der Magnetisierung zwischen
den Äquipotentialpolen berücksichtigt, die dadurch entsteht. daß der magnetische
Fluß sich außerhalb der Joche in der Blechtafel inhomogen schließt, und daß diese
Inhomogenität sich auch noch zwisdien den Äquipotentialpolen 88, die einen Abstand
a voneinander aufweisen, an den Enden der Pole auswirkt. 81, 82, 83 stellen die
Magnetisierungsspulen, 84 und 85 die Feldstärkemeßspulen dar.
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Die Induktionsmeßspule 86 ist dabei nur mit dem Teil des Probenflusses
verkettet worden, der durch die schraffierten Probeblechflächen S gekennzeichnet
ist, weil nur in diesem mittleren Teil der magnetisierten Zone mit einer gleichmäßigen
Induktion gerechnet werden kann. Auch die Breite der Feldstärkemeßspulen erstreckt
sich nur über diesen mittleren Bereich von der Größe I und über die Länge a zwischen
den Äquipotentialpolen. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, ist es zweckmäßig,
die Breitendifferenz b-l gleich oder größer zu machen als den doppelten Betrag der
Länge a zwischen den itquipotentialpolen, d. h. b-1 1> 2 a.
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Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht auch darin,
daß der Querschnitt der Joche nicht mehr so groß und schwer ausgeführt werden muß
wie bei bisher bekannten Meßeinrichtungen dieser Art. Es war bisher üblich, das
Zwanzigfache des Probengewichtes oder noch mehr für die Joche zu verwenden. Bei
der Ausführung gemäß der Erfindung
genügt dagegen schon das Zwei-
bis Zehnfache des eigentlichen Probengewichtes. Ist auch dieses klein, so ist es
aber nicht möglich, einen sinusförmigen Induktionsverlauf dadurch zu erzwingen,
daß man die Klemmenspannung der Magnetisierungsspnlen sinusförmig macht. Entsprechend
einem weiteren Vorschlag im Rahmen des Erfindungsgedankens wird daher eine zusätzliche
Verzerrerdrosselspule D in den Magnetisierungsstromkreis gemäß Fig. 10 geschaltet.
Die Wicklung dieser Drosselspule ist mit Anzapfungen versehen und der Stromkreis
wird über diejenige Anzapfung angeschlossen, für die die Induktion im Drosselspulenkern
sich zur Sättigungsinduktion des Drossel spulenkernmaterials ebenso verhält wie
die Induktion der Probe zur Sättigungsinduktion des Probenmaterials. Außerdem kann
der in der Verzerrerdrosselspule eingebaute Luftspalt verstellbar gemacht und so
eingestellt werden, daß der steile Teil der durch den Luftspalt gescherten Magnetisierungskurve
der Verzerrerdrosselspule übereinstimmt mit der Steilheit der aus Magnetisierungsstrom
und Klemmenspannung an der Prüfeinrichtung sich ergebenden scheinbaren Hysteresiskurve.
Die Einstellung beider Bedingungen erfolgt empirisch in der Weise, daß der Formfaktor
der Induktionskurve der Probe geprüft wird. Bei richtiger Einstellung der Verzerrerdrossel
spule wird der Induktionsverlauf sinusförmig, sofern die Speisespannung der gesamten
Meßeinrichtung sinusförmig verläuft. An Stelle einer solchen systematischen Einstellung
eines sinusförmigen Induktionsverlaufes können aber auch zwei oder mehr Messungen
mit willkürlich verzerrtem Induktionsverlauf durchgeführt werden, wobei in beiden
Fällen der Formfaktor bestimmt werden muß. Trägt man dann nach Fig. 11 die gemessenen
Eisenverluste V, z. B. V" V" V3, über dem Quadrat des Formfaktors f auf, so kann
man die erhaltene Meßkurve extrapolieren und auf diese Weise den zu dem Formfaktor
f = 1,11 zugehörigen Verlustwert Vsin bestimmen.
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Die Messung von Induktion und Feldstärke aus den in der Induktions-
und Feldstärkemeßspule induzierten Spannungen kann beispielsweise über mechanische
Meßgleichrichter mit Drehspulinstrumenten erfolgen.
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Die Messung der Eisenverluste muß dann in der Weise durchgeführt werden,
daß in an sich bekannter Weise die Kontaktdauer und Schaltphase des Meßgleichrichters
so eingestellt werden, daß für versch,ieden Induktionswerte jeweils die Breite der
Hysteresiskurve zwischen auf- und absteigendem Ast ermittelt wird. Dieses Verfahren
ist sehr genau und eignet sich auch für die Bestimmung der Verluste bis zu Induktionen
in der Nähe der Sättigung.
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Bei der Ausgestaltung der Prüfeinrichtung nach der Erfindung stehen
so große Räume für die Feldstärkemeßspulen zur Verfügung, daß auch eine Messung
der Verlustleistung mit einem elektrodynamischen Leistungsmesser wieder in Frage
kommt. Dabei muß jedoch berücksichtigt werden, daß die Spannung an der Feldstärkemeßspule
dem Differentialquotienten der zu messenden Feldstärke entspricht. Um also den für
die Strommeßspule des Leistungsmessers erforderlichen, der Feldstärke selbst proportionalen
Strom zu erzeugen, muß die Spannung der Feldstärkemeßspule in an sich bekannter
Weise zunächst über Integrationsglieder integriert werden. Als Integrationsglieder
sind RC-Schaltungen nach Fig. 12 bekannt, sowie auch LR-Schaltungen nach Fig. 13.
In den Fig. 12 und 13 bedeuten R, C bzw. R, L die Integrationsglieder aus Widerstand
und Kapazität bzw. Widerstand und Induktivität, A den Verstärker, 124 bzw. 134 die
Feldstärkemeßspule,
126 die Induktionsmeßspule. Die Ausgänge der Integrationsglieder sind dabei über
den als gegengekoppel ten Meß verstärker ausgeführten Verstärker A an die Stromspule
des Leistungsmessers angeschlossen, der die Eisenverluste direkt anzeigt.
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Es ist aber auch möglich, eine Kompensationsschal tung zu verwenden,
bei der die Feldstärk'emeßspule sich nach Fig. 14 aus zwei einander umschließenden
Spulen zusammensetzt, von denen die innere Spule 144 dem Eingang eines Verstärkers
A mit Integrationsstufe zugeführt wird, während die äußere Spule 145 in Reihe mit
der Stromspule des Leiistungsmessers an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen
ist. Bei hinreichend hohem Verstärkungsfaktor stellt sich der Ausgangsstrom dann
selbsttätig so ein, daß die Feldstärke im Innern der inneren Spule 144 fast ganz
kompensiert wird. Der Ausgangsstrom des Verstärkers entspricht der zu messenden
Feldstärke nach Größe und Kurvenform um so besser, je höher der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers ist. Die Netzspannungsabhängigkeit, die Nichtlinearität und die
Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors von Röhrendaten und Röhrenalterung geht bei
einer solchen Schaltung prozentual nur in die Restfehler ein. Sie werden um so weniger
wirksam, je kleiner die zum Aussteuert des Verstärkers erforderliche Eingangsspannung
im Vergleich zu derjenigen Eingangsspannung ist, die entstehen würde, wenn die Kompensaflonswicklung
145 nicht im Ausgangskreis liegt.
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146 bezeichnet die Induktionsmeßspule.
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Entsprechend einer weiteren Verbesserung im Rahmen des Erfindungsgedankens
kann die Empfindlichkeit und Genauigkeit einer solchen Kompensationsschaltung nach
Fig. 14 ganz wesentlich dadurch gesteigert werden, daß die Kompensationsfeldstärkemeßspule
mit einem ferromagnetischen Kern versehen wird. Dadurch steigt die Steuerspannung
am Verstärkereingang bei einer kleinen Abweichung von der vollständigen Kompensation
um die Größe der relativen Permeabilität Zy des Kernmaterials, so daß der erforderliche
Verstärkungsfaktor entsprechend niedriger wird.
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Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann man der Stromspule
des Leistungsmessers den Magnetisierungsstrom der mittleren Magnetisierungsspule
152 nach den Fig. 15 und 16 auch unmittelbar zuführen. 151 und 153 sind die äußeren
Magnetisierungsspulen. Um dabei zu verhindern, daß die Wattverluste des mittleren
Jochstückes mitgemessen werden, kann man nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
Feldkompensationsmeß spulen 154, 155 nach Art der Fig. 14, insbesondere mit ferromagnetischem
Kern 159, zwischen den Jochen 150 und der Magnetisierungsspule 152 zusätzlich anbringen.
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Der eingangsseitig mit den Kompensationsspulen 154 verbundene Integrationsverstärker
liegt, wie in Fig. 16 dargestellt, ausgangsseitig in Reihe mit den Kompensationsspnlen
155, die in Reihe oder parallel geschaltet werden können, und der Stromspule Sp
1 des Wattmeters N, während eine zweite Stromspule Sp2 in Reihe mit der Magnetisierungsspule
152 geschaltet ist.
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Durch die beiden Stromspulen wird im Leistungsmesser ein Strom wirksam,
der der Differenz der gesamten Anperewindungen der Magnetisierungsspule 152 und
der für die Jochmagnetisierung erforderlichen Amperewindungen proportional ist.
Das sind dann aber gerade die in der Probe wirksamen Amperewindungen. Die Spannungsspule
Sp des Leistungsmessers ist über einen Stellwiderstand mit der Induktionsmeßspule
156 verbunden, so daß der Leistungsmesser
N die Wattverluste der
Probe direkt anzeigt.
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Es kann auch noch ein Strommesser St vorgesehen werden, der ebenfalls
mit zwei Spulen ausgerüstet ist und wie die Stromspulen des Leistungsmessers zur
Messung der wirksamen Feldstärke in der Probe dient.
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Der Vorteil der beschriebenen Anordnung beruht darin, daß die Joch-Amperetvindungen
wesentlich kleiner sind als die Proben-Amperewindungen, insbesondere bei Messungen
bei hohen Induktionen. Der Verstärker kann daher in seiner Ausgangsleistung wesentlich
kleiner bemessen werden. Bei zweckmäßiger Auslegung der Joch- und Probenquerschnitte
kann man sogar ganz ohne Verstärker auskommen.
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Entsprechend einem weiteren Vorschlag im Rahmen der Erfindung treten
nach Fig. 17 und 18 an die Stelle der beiden Kompensationsspulen wiederum einfache
Feldstärkemeßspulen 174 und 175, vorzugsweise mit ferromagnetischem Kern, die unmittelbar
mit der einen Stromspule Sp 1 des Leistungsmessers N verhunden werden, während die
zweite StromspuleSp2 in Reihe mit der mittleren Magnetisierungsspule 172 geschaltet
wird. Mit 171 sind die äußeren Magnetisierungsspulen und mit 176 die Induktionsmeßspule
bezeichnet.
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Die Ausführungen von Eisenprüfspulen und Anlegejochen nach der Erfindung
sind nicht ausschließlich an die dargestellten Formen gebunden, insbesondere können
alle Kombinationen von Prüfspulen und Anlegej ochen mit Felds tärkemeß spulen der
verschiedenen genannten Arten sinnvoll sein. Ferner ist es auch möglich, zwischen
den Feldstärkemeßspulen 174, 175 und den den Probenfluß führenden Polen 177 der
Joche 170 Äquipotentialpole 178 anzuordnen und zwi schen sie Magnetisierungsspulen
173 gleicher oder nahezu gleicher Windungszahl zu legen, wie es in Fig. 19 dargestellt
ist. Auf diese Weise können die den Feldstärkemeß spulen benachbarten Aquipotential
pole noch zuverlässiger von der Führung magnetischer Flüsse entlastet werden, insbesondere,
wenn die Proben mit größeren Luftspalten zwischen den Polen liegen, wie es in Frage
kommt, wenn die Meßeinrichtung zur fortlaufenden Messung an durchlaufenden Bändern
verwendet wird. In diesem Fall ist es zweckmäßig, zusätzlich nicht ferromagnetische
Pol schuhe auf allen Polen vorzusehen und das Probehlech oder Probeband in der Meßeinrichtung
nicht festzuklemmen. Es ist auch zweckmäßig, die Magnetisierungsspulen, die den
den Probenfluß führenden Polen benachbart sind, nach Art der Fig. 15, 17 und 19
nicht bis in unmittelbare Nähe des Luftspaltstreuflusses zu führen und in diesen
hineinreichen zu lassen, sondern die Spulen entsprechend abzusetzen.