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Einrichtung zur Messung von Magnetfeldern
Das Stammpatent Nr. 190588 betrifft eine Einrichtung zur Messung von Magnetfeldern, die auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Messkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt. Insbesondere ist der Zusammenhang zwischen dem Magnetfeld und den elektrischen Eigenschaften des, dem Magnetfeld aus- gesetzten Messkörpers zur Messung des Magnetfeldes ausgenutzt. Erfindungsgemäss ist als Messkörper eine halbleitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich der Elektronen oder der Defektelektronen) von 6000 cnr/Volt sec oder mehr vorgesehen.
Dabei wird von dem Zusammenhang Gebrauch gemacht, der zwischen der Trägerbeweg- lichkeit des Halbleiterkörpers und der Grösse der Änderung seiner elektrischen Eigenschaften besteht, die der Halbleiterkörper unter der Wirkung des Magnetfeldes erfährt.
Bei der Änderung der elektrischen Eigenschaften, die für die Messung herangezogen werden, kann es sich um die Widerstandsänderung han- deln, die der Halbleiterkörper unter dem Einfluss des Magnetfeldes erfährt ; statt dessen oder zusätzlich kann auch für die Messung die Hallspannung herangezogen werden, die am Halbleiterkörper unter der Wirkung des Magnetfeldes auftritt.
Durch die gemäss dem Stammpatent zu verwendenden Halbleiterstoffe mit Trägerbeweglichkeit von 6000 cm2Nolt sec oder mehr ergibt sich u. a. der Vorteil, dass bei gleicher geometrischer Dimensionierung des Halbleiterkörpers als Messkörper und bei gleicher aufgenommener Primärleistung, sowie bei gleicher Ladungsträgerkonzentration des Messkörpers, die im Magnetfeld auftretende Widerstandsänderung bzw. Hallspannung wesentlich grösser wird als bei den bisher bekannten Geräten.
Dies bedeutet eine entsprechende Erhöhung der Messgenauigkeit bzw. der Empfindlichkeit. Als halbleitende Verbindungen, die die oben geforderten Trägerbeweglichkeiten aufweisen, kommen insbesondere solche von der Form AIIIBV in Betracht.
Ihre Eigenschaften und Verfahren zu ihrer Her- Stellung sind in der britischen Patentschrift Nr
719873 beschrieben. Aus dieser Stoffgruppe sine besonders InSb und InAs, deren Trägerbeweglich keit einen Wert von über 20. 000 cm2/Volt sec erreicht, hervorzuheben ; darüber hinaus ist InAi wegen seines sehr kleinen Temperaturkoeffizienter gegenüber Germanium, das bisher in ähnlicher Geräten verwendet worden ist, von technisch her vorragender Bedeutung.
Der besondere Wert der Erfindung nach den : Stammpatent ist darin zu sehen, dass die Hallspan nung der zur Anwendung gelangenden Verbindung. gen leistungsmässig - über Galvanometergrössen hinausgehend-belastet werden kann, d. h. daf es möglich ist, die Hallspannung unmittelbar, alsc ohne Verstärker mit hochohmigem Eingang, aul leistungsaufnehmende Einrichtungen zu schalten Bei einem der bekannten Geräte, z. B. bei einem Germamum-Halbleitergerät, würde die Hallspan0 nung bei einer derartigen Belastung zusammenbrechen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Weiterbil- dung der Einrichtung, nach dem Stammpatent zm Messung von Magnetfeldern. Bei der Einrichtung, können ein oder mehrere Halbleiterkörper vorge- sehen sein. Sie kann z. B. ausgebildet sein zm Messung der Tangential-Komponente der magnetischen Gleich- oder Wechselfeldstärke an der Oberfläche magnetischer Körper oder zur Messung de] NormaJ-Komponente der Gleich-oder WechselInduktion oder der Magnetisierungs-Intensität an der Grenzfläche magnetischer Körper. Zur Messung wird, wie bei der Einrichtung nach dem Stammpatent, der Halleffekt und/oder die magnetische Widerstandsänderung ausgenutzt.
Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Er- findung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der einige Beispiele für die Anordnung und Anwendung der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt sind. Es zeigen die Fig. 1 und 2 eine Einrichtung nach der Erfindung zur Messung der Tanqentialkomponente der Magnetfeldstärke an der Oberfläche eines magnetischen Körpers. Fig. 3 eine
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ihrer grössten Fläche magnetisiert sind, z. B. aus Werkstoffen mit extrem hoher Koerzitivkraft, wie
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rige Aufgabe der magnetischen Messtechnik konnte nut bisher bekannten Einrichtungen nicht gelöst werden. Hinsichtlich der Materialarten, an denen
Messungen vorgenommen werden können, bestehen keinerlei Einschränkungen für die Brauchbarkeit der Einrichtung, sie eignet sich z.
B. auch für Ober- fächenmessungen an JJynamoblechen, Weicheisen- stäben, Dauermagnetkörpern u. dgl.
Bei der Ausnutzung des Halleffektes kann die Messgenauigkeit der Einrichtung durch ohmsche und induktive Nullkompensation des Hallkreises nach einer der bekanntgewordenen Methoden verbessert werden.
Weiterhin kann die Empfindlichkeit des Gerätes durch die Anwendung der bei ändern Messeinrichtungen im Prinzip bekannten Kompensationsmethoden gesteigert werden. Zu diesem Zweck verwendet man z. B. im vorliegenden Falle zwei Halbleiterkörper, die primärseitig hintereinander-oder parallel-und hallseitig gegengeschaltet sind. Beim Zusammenschalten der beiden Hallspannungen sind die einschlägigen Lehren der österreichischen Patentschrift 194985 zu'berücksichtigen. Beide Halbleiterkörper werden zunächst an einen'bestimmten Ausgangspunkt des magnetischen Körpers gebracht und so abgeglichen, dass sich'die Hallspannungen aufheben.
Dann wird der eine Halbleiterkörper an eine andere Stelle des magnetischen Körpers gebracht, und aus der resultierenden Hallspannung wird die Abweichung der Magnetfeldstärke gegen- über dem Ausgangspunkt ermittelt.
Mit den vorgenannten Massnahmen ist eine Empfindlichkeit der Einrichtung zu erreichen, die es erlaubt, lokale Materialunterschiede und Feldinhomo- genitäten in extremer Feinheit zu erfassen und gegebenenfalls über die ganze Oberfläche eines magnetischen Werkstückes fortlaufend, z. B. graphisch, zu registrieren. Dies ist z. B. für die Fabrikations- überwachung oder für die magnetische Fehleranalyse von besonderer technischer Bedeutung. Mit gleicher Empfindlichkeit sind Feldinhomogenitäten, die auf ungleichmässiger Magnetisierung eines an sich gleichmässigen Materials beruhen, sowie die langsam verlaufenden magnetischen Nachwirkungsund Alterungsvorgänge verhältnismässig einfach zu erfassen und zu registrieren.
In Fig. 3 ist mit 21 ein Magnetdoppeljoch mit den verstellbaren Polstücken 21a dargestellt. Die Erregerwicklungen sind bei 22 angedeutet. Ein mit 23 bezeichneter magnetischer Körper ist so angebracht, dass der mit 24 bezeichnete Luftspalt zwischen dem Körper und dem gegenüberliegenden Polschuh so Mein als möglich, z. B. in der Grössenordnung von 0, 1 mm, und über die ganze Ausdehnung der Fläche des magnetischen Körpers gegenüber dem Polschuh konstant ist. In diesem Luftspalt ist ein mit 25 bezeichneter Halbleiterkörper angeordnet, und zwar so, dass die durch die Richtung der Hallelek-
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troden und durch die Richtung des Primärstromes gegebene Fläche des Halbleiterkörpers unmittelbar an der Grenzfläche 26 des Körpers 23 anliegt.
Die den Halbleiterkörper durchsetzenden Induktions- linien sind durch Pfeile angedeutet.
Der Übersicht halber ist auf die Darstellung der Zuleitungen für die Primärstrom-und Hallelektro- den verzichtet. Es wird darauf hingewiesen, dass
Gestalt und Lage der mit 26 angegebenen Grenz- fläche des Magnetkörpers nicht an das dargestellte
Beispiel gebunden sind ; es sind auch andere Be- grenzungsflächen des Magnetkörpers zulässig, vor- ausgesetzt, dass der gegenüberliegende Polschuh so ausgeführt ist, dass die oben angegebenen Bedin- gungen hinsichtlich des Luftspaltes erfüllt sind. Die
Grösse des Halbleiterkörpers ist zweckmässigerweise so zu wählen, dass er die Grenzfläche des Magnet- körpers, an der die Messung vorgenommen werden soll, an keiner Stelle überragt.
Der Luftspalt 24 kann auch zwischen zwei gleichartige und vorzugsweise gleichgrosse Magnet- körper gelegt werden, oder es kann zu. beiden Sei- ten eines Magnetkörpers je ein Luftspalt mit je einem HaI'leiterkörper angeordnet werden ; in die- sem Falle ist es zweckmässig, die beiden Halbleiter- körper hallseitig in Serie zu schalten.
Mit einer Einrichtung nach Fig. 3 kann ausser der Induktion auch die Magnetisierungsintensität (J) bequem gemessen werden, wenn ein weiterer Halbleiterkörper 27, der-gemäss der Anordnung nach Fig. l-zur Messung der magnetischen Feld- stärke (H. (10) dient, mit dem Halbleiterkörper 25, der die Induktion (B) misst, hallspannungsmässig gegengeschaltet wird ; die resultierende Hall- spannung stellt dann die Magnetisierungsintensität J = B-H. p, d ; es können also auch Sättigungsmessungen durchgeführt werden.
Im übrigen gelten entsprechend die Ausführungen zu Fig. 1 und 2 über die allgemeine Brauchbarkeit der Einrichtung und deren Vorteile auch bei der vorliegenden speziellen Ausführungsform des Gerätes nach der Erfindung.
In Fig. 4 ist eine Methode angedeutet, wie mit der erfindungsgemässen Einrichtung die Anisotropie, z. B. die Textur eines Magnetwerkstoffes, erfasst werden kann. Mit 31 ist ein Magnetblech bezeichnet, die magnetische Vorzugsrichtung ist durch die Linien bei 32 angegeben. Die magnetische Erregung des Bleches kann in an sich bekannterweise, z. B. durch einen oder mehrere zentrale Leiter erfolgen, deren Durchstoss durch die Zeichenebene bei 33 angegeben ist. 34,35 und 36 stellen Halbleiterkörper in verschiedener radialer Lage dar ; ihre Fläche, die durch die Richtung der Hallelektroden und durch die Richtung des Primärstromes gegeben ist, steht senkrecht auf dem Blech, weist jeweils zum Mittelpunkt und hat von diesem jeweils den gleichen Abstand.
Zur Ermittlung der Textur werden nun diejenigen Stellen aufgesucht, bei denen die Hallspannung und/oder die magnetische Widerstandsänderung ein Minimum bzw. ein Maximum aufweist. Damit ist die magnetische Vorzugsrich- tung und damit die Textur des Bleches ermittelt.
Bei kontinuierlicher Drehung des ringförmigen Messkörpers können die Feldwerte für alle Winkel zur Vorzugsrichtung ermittelt und gegebenenfalls fortlaufend registriert werden.
Die Messanordnung kann z. B. auch so gewählt werden, dass zwei Halbleiterkörper primärseitig hintereinander-oder parallelgeschaltet und hallseitig gegengeschaltet sind, vorzugsweise so, dass mindestens einer der beiden Halbleiterkörper auf der Oberfläche des zu messenden Körpers verschiebbar ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Messung von Magnetfeldern, die auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Messkörper unter der Wirkung des Magnetfeldes erfährt, nach Patent Nr. 190588, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper an der Grenzfläche des Körpers, dessen magnetische Eigenschaften bestimmt werden sollen, angeordnet ist.