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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Meßeinrichtungen zur Erfassung
von magnetischen Grö-Ben, insbesondere auf eine Einrichtung zur Messung der Tangentialkomponente
der magnetischen Feldstärke auf der Oberfläche von ferromagnetischen Werkstoffen
sowie zur Messung der Induktion in engen Luftspalten von magnetischen Kreisen, beispielsweise
bei elektrodynamischen Meßgeräten.
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Bekannt sind Magnetometer mit einem Meßfühler in Form einer in einem
Halter auf den elastischen Aufhängungen aus Phosphorbronze angeordneten rechteckigen
Meßspule. Die Meßspule besitzt Erregungs-und Entregungswicklungen, die durch ein
permanentes Magnetfeld durchsetzt und über einen stabilisierten Verstärker positiv
rückgekoppelt werden.
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Eine solche Anordnung ermöglicht die Aufrechterhaltung von ungedämpften
sinusförmigen Schwingungen der Meßspule. Das an der Meßspule abgenommene Signal
enthält eine Komponente, die proportional der Tangentialkomponente der magnetischen
Feldstärke in dem Punkt ist, um welchen die Meßspule schwingt. Dieses Meßsignal
wird verstärkt, in einem phasenempfindlichen Demodulator gleichgerichtet und mit
einem Voltmeter gemessen.
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Den bekannten Magnetometern der oben beschriebenen Art ist jedoch
ein systematischer Fehler eigen, der dadurch bedingt ist, daß die Meßspule um einen
Punkt schwingt, der nicht auf der Oberfläche des Prüflings liegt. Die gemessene
Tangentialkomponente der Feldstärke bezieht sich somit nicht auf die Oberfläche
des Prüflings, sondern auf einen vom Prüfling entfernten Punkt. Man versucht diesen
Fehler zu verkleinern, indem man den Abstand zwischen Meßspule und Prüfling verkleinert.
Das führt jedoch zwangsweise zur Verkleinerung der Schwingungsamplitude und damit
auch der Empfindlichkeit und Störsicherheit des Magnetometers.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetometer anzugeben,
bei dem die Messung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke auf der
Oberfläche von ferromagnetischen Werkstoffen mittelbar erfolgt, um den durch den
Abstand zwischen schwingender Meßspule und Prüfling bedingten Fehler zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die schwingende
rechteckige Meßspule aus zwei Teilspulen verschiedener Länge besteht, die gegensinnig
hintereinandergeschaltet sind. Die beiden Teilspulen sind räumlich parallel zueinander
derart angeordnet, daß ihre unaktiven Stirnseiten in einer Ebene liegen. Der Meßspulenhalter
hat eine Stützfläche, die eine genaue Einstellung der Meßspule orthohogonal zur
Tangentialkomponente der Feldstärke an der Oberfläche des zu prüfenden ferromagnetischen
Werkstoffes bei der Messung ermöglicht.
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Es ist weiter nach der Erfindung vorteilhaft, die eine Teilspule
der Meßspule innerhalb der anderen anzuordnen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann im Magnetometer eine
Recheneinrichtung vorgesehen werden, an deren Eingang die Teilspulen der Meßspule
und an deren Ausgang ein Filter angeschlossen ist. Diese Recheneinrichtung ermöglicht
die Bestimmung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke an der Oberfläche
des zu prüfenden
ferromagnetischen Werkstoffes entsprechend den durch die Meßspulen
erfaßten Feldstärken.
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Es ist weiter vorteilhaft, als Rechenschaltung einen Rechenverstärker
(Operationsverstärker) zu verwenden.
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand
der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt das Schaltbild des Vibrationsmagnetometers nach der
Erfindung ; F i g. 2 zeigt die Meßspule des Magnetometers nach F i g. 1, und F i
g. 3 zeigt die Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke in Abhängigkeit
vom Abstand des Meßpunktes von der Oberfläche des zu prüfenden ferromagnetischen
Werkstoffes.
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Wie F i g. 1 erkennen läßt, wird die magnetische Feldstärke durch
eine Meßspule erfaßt, welche aus zwei rechteckigen Teilspulen 1 und 2 verschiedener
Länge, jedoch gleicher Breite besteht. Die beiden Teilspulen sind gegensinnig hintereinandergeschaltet.
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Die Meßspule ist mittels der Konsole 3 mit dem Vibrationsantrieb 4
verbunden. Die Teilspule 1 der Meßspule ist über den Widerstand 5 mit dem Eingang
des rückgekoppelten Operationsverstärkers 6 verbunden, in dessen Rückkopplung der
Widerstand 7 vorgesehen ist. Die Gegénreihenschaltung der beiden Teilspulen 1 und
2 liegt über dem Widerstand 8 im Eingangsstromkreis des Operationsverstärkers 6.
Dem Verstärker 6 ist der Verstärker 9 nachgeschaltet, dessen obere Grenze des Frequenzbandes
durch die mechanische Schwingungsfrequenz der Meßspule bestimmt ist. Am Ausgang
des Verstärkers 9 liegt ein phasenempfindlicher Demodulator 10. Die Bezugsspannung
für den Demodulator 10 wird am Phasenkorrektionsverstärker 11 abgenommen, dessen
Eingang über eine Abgriffeinrichtung 12 mit dem Vibrationsantrieb 4 verbunden ist.
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Am Ausgang des phasenempfindlichen Demodulators 10 ist das Voltmeter
13 angeschlossen.
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F i g. 2 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Meßspule mit zwei
Teilspulen. Die Teilspule 16 von der Länge L ist innerhalb der Windung 17 von der
Länge L + 8 derart angeordnet, daß die Stirnteile 18 und 19 der Teilspulen 16 und
17 an der Meßseite im Abstand 8 voneinander liegen, während die unaktiven Stirnseiten
20 und 21 in einer Ebene liegen. Die beiden Teilspulen liegen gegensinnig in Reihe,
so daß die Meßspule insgesamt drei Anschlußklemmen hat. Die Klemme 22 ist geerdet,
die Klemme 23 am Widerstand 5 und die Klemme 24 am Widerstand 8 des Operationsverstärkers
6 (F i g. 1) angeschlossen.
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Die Meßspule ist mit dem Vibrationsantrieb4 mittels einer leichten
Konsole 25 von einembeispielsweisen N-förmigen Querschnitt verbunden, die an der
Halterung 26 so angeordnet ist, daß die Stützfläche 27 der letzteren, die während
der Messung gegen die Prüflingsoberfläche 28 (F i g. 3) gedrückt wird, senkrecht
zur MeBspulenebene steht.
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F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Tangentialkomponente
der magnetischen Feldstärke und der Entfernung von der Oberfläche 28 des Prüflings,
beispielsweise eines Dauermagneten, an dessen in der Ebene YOZ liegenden Oberfläche
die Tangentialkomponente Ht des Feldes wirksam ist. Die Meßspule des Magnetometers
wird in der Ebene YOX so eingestellt, daß die Stirnseite 18 der Teilspule 17 sich
in einer Entfernung d von der Oberfläche des Prüflings
befindet.
Die Entfernung zwischen der Stirnseite 19 der Teilspule 16 beträgt dann d + 8, wobei
b die Längendifferenz zwischen den Teilspulen 1 und 2 ist.
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Führt die Meßspule eine sinusförmige Schwingungsbewegung mit einer
Frequenz # und einer Amplitude a aus, so wird in den Teilspulen 1 und 2 eine E M
K nach folgenden Beziehungen induziert : El = EH, coscot + Egl sin 2cot, E2=EH2
cos#t+Eg2sin2#t, worin EH1=n.Á0.b.a.#.H1=K1H1, EH2=n.Á0.b.a.#.H2=K2H2, Eg, = n.Á0.b.a2#g,
Eg2= n .Á0.b.a2#g2, n =die Windungszahl, b = die Breite der Sektion @ u = die Permeabilität
der Luft, Fi. g2 = der Gradient der Tangentialfeldkomponente in den Punkten x =
d und x = d + 8 bezeichnet.
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Da die Teilspulen 1 und 2 gegensinnig in Reihe liegen, beträgt bei
K1 = K2 = K und gl = g2 = g das Gesamtsignal.
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E21 = K (H2-Hl) cossa) = KSHlcoscot.
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Aus der Bedingung g = const folgt Ht=H1+#H1(d+#)/#.
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Sind die Widerstände 5 und 7 am Eingang des Operationsverstärkers
6 gleich, und beträgt das Verhältnis zwischen den Widerständen 7 und 8 (d +@)/@,
so erscheint am Ausgang der Operationsverstärker 6 das Signal Us = K .H1cos#t+K#H1(d+#)/#+Egsin2t.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 9, in dem die Frequenzen oberhalb
a) abgeschnitten werden, beträgt dann U9=K9KHtcos#t, wobei K9 der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 9 ist.
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Die Spannung U9 wird im phasenempfindlichen Demodulator 10 gleichgerichtet
und mit dem Volt-
meter 13, dessen Skala in magnetischen Einheiten geeicht ist, gemessen.
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Die Bezugsspannung für den phasenempfindlichen Demodulator 10 wird
am Vibrationsantrieb 4 durch die Abgriffeinrichtung 12, die beispielsweise auf dem
induktiven Prinzip arbeitet, abgenommen und nach einer Verstärkung im Phasenkorrektionsverstärker
11 dem phasenempfindlichen Demodulator 10 zugeführt.