DE2344008A1

DE2344008A1 - Messgeraet

Info

Publication number: DE2344008A1
Application number: DE19732344008
Authority: DE
Inventors: Seigo Ando; Toshihiro Mori
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1972-08-31
Filing date: 1973-08-31
Publication date: 1974-03-21
Also published as: JPS4948360A; FR2200967A5; JPS5829468B2; US3867689A; DE2344008C3; DE2344008B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zum Messen von· Veränderungen des Zustande eines Objekts unter Verwendung eines Impedanz-Elements mit entsprechend der Änderung des Zustande des Objekts veränderlicher Impedanz.

Ein Beispiel einer derartigen Meßvorrichtung ist in Fig. 1 der' beigefügten Zeichnung dargestellt. Dieses Gerät dient zur Messung magnetischer oder elektrischer Eigenschaften einer Probe 12 aus einem magnetischen oder elektrisch leitenden Material, wie Eisenblech, Stahlblech, verzinktem Blech, Kupferblech oder Aluminiumblech, Das Meßgerät 11 umfaßt eine 3rückenschaltung 13 aus zwei ähnlich gewiekelten Spulen L1 und L2 und zwei Impedanz-Eloraenten Z1 und Z2, und eine Quelle für ein Eingangs-KsosLfjnal 14 in Form eines herkömmlichen Oszillators, der an die Eingangskiernmen oder die Brückenschaltung 13 ein Wechselntrom.iignal mit vorbestimmter Frequenz (im allgemeinen 5 bis

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100 kHz) anlegt.

Eine der beiden Spulen, "beispielsweise die Spule L1, wird mit einem vorbestimmten Abstand G (im allgemeinen 2 bis 10 mm) gegen die Probe 12 geführt und dient somit als Abtastspule, während die andere Spule L2 gegen ein Material 15 mit denselben Eigenschaften, wie die Probe 12, mit einem Abstand G gebracht wird und somit als Vergleichsspule dient.

Wenn die Probe 12 kontinuierlich in einer Richtung parallel zu ihrer Längsachse bewegt wird, und wenn sie unterschiedliche Ausbildungen in ihrem Zustand, wie Fehler in Form von Blasen, Ritzen, ungleichmäßige Stärke, Einprägungen, Vorspriinge und Verunreinigungen oder Verschweißungen enthält, oder wenn die Probe 12 beim Fördern Temperaturänderungen unterworfen wird, ändert sich die elektrische Leitfähigkeit oder magnetische Permeabilität der Probe in diesen Bereichen. Folglich ändert sich die Quantität des in die Probe 12 durch das Wechselstrom-Magnetfeld, das durch, die durch das Eingangs-Meßsignal 14 der Quelle erregte Abtastspule L1 erzeugt wird, induzierten Wirbelstroms, und somit ändert sich die effektive Impedanz der Abtastspule. Folglich kann durch Feststellung der Veränderung der Ausgangsspannung an den Ausgangsklemmen der Brückenschaltung 13 aufgrund der Veränderung der effektiven Impedanz der Abtastspule L1 festgestellt werden, in welchen Bereichen der Probe 12 unterschiedliche magnetische oder elektrische Eigenschaften.vorliegen.

Die Empfindlichkeit eines derartigen Geräts ist jedoch verhältnismäßig gering.

Zur Verbesserung der Empfindlichkeit derartiger Meßgeräte war es üblich, Kondensatoren CI und C2 parallel oder in Reihe zu den jev/eiligen Spulen L1 und L2 zu schalten, wie es in gestrichelten Linien in Fig. 1 gezeigt ist, und somit Parallel- oder

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Reihen-Resonanzkreise 161 und 162 zu bilden, die auf die Frequenz des Eingangs-Meßsignals 14 abgestimmt sind.

Obwohl die Empfindlichkeit eines derartigen Meßgeräts mit Resonanzkreisen erheblich gegenüber den zuvor genannten Geräten ohne Resonanzkreise verbessert ist, kann ein derartiges Gerät lediglich bei der Resonanzfrequenz der Resonanzkreise messen. Außerdem vergrößert sich mit zunehmender Empfindlichkeit der Effekt der Frequenzänderung auf die Meßgenauigkeit.

Ein weiteres Beispiel eines Meßgeräts zur Messung des Zustands eines gemessenen Objekts ist ein Widerstands-Temperatur-Meßgerät mit einem Widerstandselement, dessen Widerstandswert sich entsprechend der Änderung in dem Zustand des gemessenen Objekts ändert, und ein Widerstandsdraht-Dehnmeßstreifen.

Bei den letztgenannten Geräten ist es nicht möglich, einen Resonanzkreis, wie bei dem Meßgerät der Fig. 1 zu bilden und einen Widerstand zu verwenden, dessen effektiver Widerstand entsprechend den Veränderungen des Zustandes des gemessenen Objekts veränderlich ist. Folglich ist die Empfindlichkeit dieser Geräte gering, wie es bei den eingangs genannten Meßgeräten ohne Resonanzkreis der Fall ist.

Die Erfindung ist daher auf die Schaffung eines Meßgeräts der eingangs genannten Art gerichtet, bei-dem die Meßempfindlichkeit deutlich wie bei bekannten Meßgeräten mit Resonanzkreisen verbessert wird, ohne daß derartige Resonanzkreise notwendig sind, und bei dem über ein außerordentlich weiten Frequenzbereich gemessen werden kann und der ungünstige Effekt der Frequenzänderung auf die Meßgenauigkeit ausgeschlossen wird.

Das erfindungsgemäße Meßgerät ist dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanz-Element durch eine an dieses angelegte Vergleichsspannung erregbar ist, und daß eine Negativimpedanz-Schaltung

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mit Verstärker zur Verstärkung der Spannung über das Impedanz-Element und einem gegengekoppelten Impedanz-Element zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers parallel oder in Reihe zu dem ersten Impedanz-Element geschaltet ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Fig. 1 zeigt - wie bereits erwähnt - ein elektrisches Schaltschema eines bekannten Meßgeräts mit einer Brückenschaltung zum Messen der magnetischen oder elektrischen Eigenschaften von magnetisch oder stromleitenden Materialien;

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Grundaufbaus des erfindungsgemäßen Meßgeräts mit einem Impedanz-Element mit entsprechend der Änderung des Zustands des gemessenen Objekts veränderlichen Impedanzwerts;

Fig. 3 bis 8· sind verschiedene abgewandelte Ausführungsforraen der Erfindung.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt eine Vergleichsspannungsquelle 21, ein Impedanz-Element Z in Verbindung mit der Ausgangsspannung der Vergleichsspannungsquelle 21, einen Verstärker 22 mit zwei Eingangsklemmen 11 und 12, die mit der Vergleichsspannungsquelle über das Impedanz-Element Z verbunden sind und mit zwei Ausgangsklemmen 01 und 02, und eine Negativ-Irapedanz-Schaltung 24 mit einem gegengekoppelten Impedanz-Element 23 zwischen der Eingangsklemme 11 und der Ausgangsklemme 01 des Verstärkers 22. Ein Impedana-SLement 25, dessen Impedanz-Wert sich entsprechend dem Zustand eines zu untersuchenden Objekts ändert, wird über die Vergleichsspannungsquelle 21 hinweg über das Impedanz-Element Z verbunden. ;

Bei diesem Meßgerät ist die Eingangs-Impedanz Zin,betrachtet

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von der Seite der Eingangskleinmen 11 und 12, sofern die Ausgangsklemmen 01 und 02 offen sind, auszudrücken durch die Gleichung

Zin-

Z11 +Zi

da die Eingangs-Impedanz parallel zusammengesetzt ist aus der Impedanz Z11 des Impedanz-Elements 25 und der Eingangs-Impedanz der Negativ-Impedanz-Schaltung 24, wobei die Eingangs-Impedanz Zi der Negativ«Impedanz-Schaltung 24 ausgedrückt ist durch

Zi -» (2),

1 - A

wobei A den Verstärkungsfaktor des Verstärkers und Z12 die Impedanz des gegengekoppelten Impedanz-Elements 23 ist.

Durch Substitution von Gleichung (2) in Gleichung (1) erhält man

ZIl . Z12

. 1 — A »jj~>- ._.

" '■, 2ΪΪ

Wie Gleichung (3) zeigt, ändert sich die Eingangs-Impedanz Zin bei offenen Ausgangsklemmen 01 und 02 von dem Iiapedanzwert Z11 des Impedanz-Elements 25 bis unendlich oder bis auf einen negativen Wert in Abhängigkeit von den Werten der Impedanzen Z'i1 und Z12 des Impedanz-Elements 25 und des gegengekoppelten Impedanz-Elements 23 sowie des Verstärkungsfaktors A des Verstärkers 22.

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Wenn daher die Impedanzwerte Z11 und Z12 des Impedanz-Sle&snts 25 und des gegegekoppelten Impedanz-Elements 23 und der Wert des Verstärkungsfaktors A des Verstä-rkers 22 derart ausgewählt werden, daß die Eingangs-Impedanz Zin bei offenen Ausgangsklemmen 01 und 02 so groß wie möglich, vorzugsweise unendlich ist (unter diesen Bedingungen ist die Eingangs-Adraittanz, gesehen von der Seite der Eingangsklemmen 11 und 12 auf Null reduziert) , so sind die Eingangsklemmen 11 und 12 offen, so daß kein nennenswerter Strom von der Vergleichsspannungsquelle 21 zugeführt wird. Aus diesem Grund dient die Schaltung gemäß Fig. 2 als Schaltung, die einem parallelen Resonanzkreis äquivalent ist, so daß bei Anlegen einer vorbestimmten Vergleichsspannung von der Vergleichsspannungsquelle 21 an den Kreis die Änderung in dem Zustand des gemessenen Gegenstandes mit sehr großer Verstärkung als Veränderung der Klemmenspannung an dem Impedanz-Element 25 ermittelt werden kann, deren Impedanz sich entsprechend der Änderung in dem Zustand des gemessenen Gegenstandes ändert, oder als Änderung der Ausgangsspannung an den Ausgangsklemmen 01 und 02.

Unter diesen Bedingungen ist es möglich, die Genauigkeit der Messung über einen weiten Frequenzbereich im wesentlichen auf einem konstanten Wert zu halten, ohne daß die Frequenz der Vergleichsspannung aus der Vergleichsspannungsquelle 21 und Änderungen in der Frequenz der Vergleichsspannung eine Rolle spielen. Wenn darüberh inaus ein hoher Verstärkungsfaktor für den Verstärker 22 ausgewählt wird, und bei einer möglichst großai negativen Rückkopplung zur Verringerung des Verstärkungsfaktors unter der negativen Rückkopplung auf weniger als beispielsweise 10, arbeitet die in Fig. 2 gezeigte Schaltung außerordentlich stabil. Weiterhin kann durch geeignete Einstellung der negativen Rückkopplung die Eingangs-Impedanz Zin einfach eingestellt werden.

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Fig. 3 zeigt- eine abgewandelte Ausführungsform, der Erfindung, die ebenfalls auf dem beschriebenen Prinzip beruht.

Das Meßgerät 201 gemäß Fig. 3 umfaßt ein Induktiv! tat s-Sletnent 231 als Rückkopplungs-Impedanz-Element der Negativ-Impedanz-Schaltung 241 und eine Induktionsspule 251 dicht angrenzend an die Probe 31 aus magnetischem oder elektrisch leitendem Material, wobei die Induktionsspule 251 als Impedanz-Element wirkt, das seine Impdanz entsprechend der Veränderung'des Zustands der Probe 31 ändert.

Bei einem abgewandelten Meßgerät 204 gemäß Fig. 4 ist ein Widerstands-Element 252, dessen Widerstand sich entsprechend der Temperatur oder Dehnung verschiedener Einrichtungen oder nicht gezeigte· mechanischer Elemente ändert, in Reihe mit einem Widerstands-Element 232 verbunden, das als gegengekoppeltes Impedanz-^Element der Negativ-Impedanz-Schaltung 242 dient.

Die Meßgeräte gemäß Fig. 3 und 4 arbeiten auf dieselbe Art wie das Gerät gemäß Fig. 2 und liefern ähnliche gute Ergebnisse.

Da die Induktionsspule 251 bekanntlich einen Indüktionsanteil und einen Widerstandsanteil umfaßt, ist gemäß Fig. 5 eine Negativ-Widerstands-Schaltung 243 mit einem .rückgekoppelten Widerstand 233 parallel mit der "Negativ-Impedanz-Schaltung verbunden, die die rückgekoppelte Induktionsspule 231 einschließt.

Mit dem abgewandelten Meßgerät 203 gemäß Fig. 5 ist es möglich, unabhängig die Veränderungen der Induktions- und Widerstandsanteile der Induktionsspule 251 zu ermitteln, deren effektive Impedanz sich entsprechend der Veränderung des Zustands der Probe 31 durch die Einwirkung der Negativ-Induktivitäts-Schaltung 241 und der Negativ-Widerstands-Schaltung ändert. . ' .

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Fig. 6" ist ein schematisches Schaltdiagramm eines Meßgeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Dieses Meßgerät 204 umfaßt eine erste Meßschaltung 204a aus einer Induktionsspule 251, die wie bei der Ausführungsförm gemäß Fig. 3 dicht an die Probe 31 herangeführt ist, deren sich ändernde Bedingungen zu messen sind, und miteiner Negativ-Induktivitäts-Schaltung 241, die parallel mit der Induktionsspule 251 verbunden ist. Ferner umfaßt diese Vorrichtung eine zweite Meßschaltung 204b mit einer Induktionsspule 254, die auf dieselbe Art angeordnet ist, wie die Induktionsspule 251 und in der Nähe einer Vergleichsprobe 241 angeordnet ist, auf der die Messung basieren soll, und mit einer Negativ-Induktivitäts-Schaltung 244, die parallel zu der Induktionsspule 254 geschaltet ist. Die erste und zweite Meßschaltung 204a und 204b und zwei Impedanz-Elemente 42 und 43 bilden zusammen eine Brückenschaltung 44.

Wenn die Probe 31 in verschiedenen Zuständen vorliegt, tastet das Meßgerät 204 diese verschiedenen Zustände in Form von Veränderungen der Ausgangsspannung ab, die an den Ausgangskieamen 01 und 02 der Brückenschaltung 44 auftritt.

Bei einer weiteren Aüsführungsform der Erfindung sind in dem Meßgerät 205 gemäß Fig. 7 die beiden Meßschaltungen 204a und 204b gemäß Fig. 6 durch zwei Meß schaltungen 205a und 205b ersetzt, die ähnlich wie diejenigen der Fig. 5 aufgebaut sind.

Bei dem abgewandelten Meßgerät 206 der Fig. 8 ist die Induktionsspule der Fig. 6 ersetzt durch ein Widerstands-Element 256a, dessen ¥iderstandswert sich mit der Änderung der Temperatur öder Dehnung des gemessenen Objekts ändert,und die Vergleichs-Induktionsspule 254 der Fig. 6 ist ersetzt durch ein Widerstands-Element 256b, das denselben Widerstandswert bietet wie das Widerstarids-Slement 256a bei Bezugstemperatur oder in spannungsfreiem Zustand. Ferner sind Negativ-Schaltungen 246a

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und 246b mit demselben Aufbau, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, parallel mit den jeweiligen Widerstands-Elementen 256a und 25ob verbunden und bilden eine Brückenschaltung 442 zusammen mit den Widerstands-Eleraenten 421 und 431.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sind in den Fig. 3 bis 8 gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet worden, wie sie in Fig. 2 verwendet worden sind.

Die Erfindung erstrecktsich über den Rahmen der vorstehenden Ausführungen hinaus. Beispiels\veise ist in allen vorstehenden Beispielen ein Verstärker für ein Impedanz-Element, dessen Wert sich entsprechend der Veränderung des Zustandes eines zu prüfenden Objekts ändert, parallel mit einer Hegativ-Impedanz-Schaltung verbunden, die ein gegegekoppeltes Impedanz-Element einschließt, das zwischen den Eingaa gs- und Ausgangsklemmen des Verstärkers liegt. Es kann jedoch auch dasselbe Ziel durch Reihenschaltung dieser Schaltelemente erreicht werden.

Die Ausführungsformen der Fig. 3,4 und 8 können abgewandelt werden, indem jeweils die Elemente oder Schaltungen 231,232,246a oder 246b ausgetauscht werden durch ein empfindliches Widerstands-Slement, wie eine empfindliche Magnetdiode, ein Halbleiter-Meßorgan oder einen Thermistor.

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Claims

Patentansprüche

( 1. !Meßgerät zum Messen von Veränderungen des Zustande eines Objekts unter Verwendung eines Impedanz-Elements mit entsprechend der Änderung des Zustands des Objekts veränderlicher Impedanz, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanz-Element (25,251,252....) durch eine an dieses angelegte Vergleichs-Spannung erregbar ist, und daß eine Negativimpedanz-Schaltung (24,241,242,243,244, 246a,246b) mit einem Verstärker (22,221,22,223,224) zur Verstärkung der Spannung über das Impedanz-Element und einem gegegekoppelten Impedanz-Element (23,231,232,233,234) zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers parallel oder in Reihe zu dem ersten Impedanz-Element geschaltet ist.
2. ,Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Impedanz-Element ein Induktions-Element (251) umfaßt, und daß die Negativ-Impedanz-Schaltung (241) eine negative Induktions-Schaltung (231) aufweist.
3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Impedanz-Elenent ein Induktions-Element (251) umfaßt, und daß die Negativ-Impedanz-Schaltung eine negative Induktionsschaltung (231) und eine negative Widerstands-Schaltung (233) einschließt.
4. Heßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Impedanz-Element ein. Widerstands-Element (252) einschließt, und daß die Negativ-Impedanz-Schaltung (242) ein Widerstands-Element (232) aufweist.

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Heßgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet d u r ch eine erste Me'ßschaltung (204a,205a), die das erste Impedanz-Element (251) und die Negativ-Impedanz-Schaltung (241) einschließt, und durch eine zweite Mei3-schaltung (2O4b,2O5"b)» die ein Vergleichs-Impedanz-Element (254) mit demselben Impedanz-Wert wie das erste Impedanz-Element unter Normalbedingungen und einer anderen Negativ-Impedanz-Schaltung (244) einschließt, die in Reihe oder parallel mit dem Vergleichs-Impedanz-Element geschaltet ist, wobei die ersten und zweiten Meßschaltungen eine Brücken-Schaltung mit zwei Impedanz-Elementen bilden.

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