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Elektromagnetische Differentialsonde
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Differentialsonde (Differentialsuchgerät), die zum Feststellen von Magnetfeldern geeignet ist, insbesondere von schwachen, magnetischen Gleichfeldern, und die auf dem Prinzip der Bildung der zweiten Harmonischen arbeitet.
Es werden immer häufiger elektromagnetische Differentialsonden für die Messungen schwacher und starker Felder, besonders aber Gleichfelder, verwendet. Diese Sonden sind auf dem Prinzip der Bildung der zweiten Harmonischen aufgebaut. Eine solche Sonde besteht grundsätzlich aus zwei Kernen, die aus magnetisch weichem Werkstoff angefertigt sind und durch ein Wechselfeld über die Sättigungsgrenze und gleichzeitig auch durch das zu messende Feld magnetisiert werden. Jeder Kern ist mit einer Aufnahmespule versehen, in welcher durch den verformten magnetischen Fluss eine Spannung induziert wird, die eine starke Komponente der zweiten Harmonischen besitzt. Die beiden Spulen sind gegeneinander geschaltet, wodurch die ungeradzahligen Harmonischen sich gegenseitig aufheben und die geradzahligen sich summieren.
A us den geradzahligen Harmonischen wird die zweite Harmonische, deren Amplitude der Intensität des gemessenen Feldes proportional ist, zur Anwendung gebracht. Beide Kerne können eine gemeinsame Aufnahmespule besitzen und sind dicht gegenseitig anliegend eingestellt. Diese Anordnung der elektromagnetischen Sonde ist als die meistverwendete anzusehen.
Es gibt aber zwei Einflüsse, die sich störend bei allen mit Hilfe dieser Sonde durchgeführten Messungen auswirken. In erster Reihe ist es das Aussenfeld, in welchem die Messung durchgeführt wird, z. B. das Erdfeld, welches nur dann kompensiert werden kann, wenn es sich um ein unveränderliches und genügend homogenes Störungsfeld handelt. Andernfalls erweist es sich als notwendig, zwei identische, entsprechend der Nichthomogenitätsgrösse des Störungsfeldes, einander genügend naheliegende Sonden anzuwenden ;
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fertigung von zwei identischen Sonden ist aus erzeugungstechnischen Gründen sehr schwer durchführbar.
Ebenso schwer erscheint auch das Anfertigen einer Sonde mit zwei Kernen in Miniaturausmassen.
Als ein weiterer Nachteil solcher Sonden ist die Tatsache anzusehen, dass die magnetischen Flüsse ausserhalb der Kerne durch die Luft geschlossen werden. Das hat zur Folge, dass, falls sich der Sonde irgendein unmagnetischer, jedoch elektrisch leitender Werkstoff annähert, eine Änderung der Anordnung der magnetischen Kraftlinien eintritt, wodurch auch eine Änderung der Ausgangsspannung verursacht wird.
Das Messgerät registriert daher eine Änderung des Feldes, die überhaupt nicht vorhanden ist. Die elektromagnetische Differentialsonde, die den Gegenstand dieser Erfindung bildet, weist die obangeführten Nachteile nicht auf.
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der elektromagnetischen Differentialsonde dargestellt. In Fig. 1 wird eine schematische Anordnung der Sonde mit dem geöffneten Kern gezeigt ; die Fig. 2 zeigt den Verlauf des magnetischen Flusses in der Sonde ; die Fig. 3 stellt die Zerlegung der Gleichfelder im Kerne dar ; die Fig. 4 zeigt wieder eine schematische Anordnung der Sonde mit geschlossenem Kern. Fig. 5 zeigt ein radiales Magnetfeld und Fig. 6 die Erzeugung desselben in einem zu messenden Gegenstand im Zusammenhang mit einem bestimmten Messverfahren. In Fig. 7 ist das Anordnungsschema des Gerätes zum Messen der Koerzitivkraft dargestellt ; in Fig. 8 schliesslich wird das Schema der Lage der Sonde in bezug zu einem zu messenden Gegenstand gezeigt.
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Im Prinzip besteht die Sonde lediglich aus einem einzigen mit einer Magnetisierwicklung versehenen Kern, der eventuell geschlossen ist, und aus einer Aufnahmespule mit zwei Abschnitten von gleicher Windungszahl, die jedoch entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen. Die Sonde gemäss der Erfindung vereinigt also die beiden Kerne der bekannten Sonden zu einem einzigen Kern. Ihre Anwendung ist daher ! licht so universal, wie die einer Sonde mit getrennten Kernen, aber sie erhält durch diese Vereinigung der Kerne Eigenschaften, die für ihre speziellen Verwendungszwecke grosse Vorteile bieten.
Durch die Vereinigung der Kerne in ein Ganzes werden zwar der Demagnetisierungsfaktor und die Empfindlichkeit erhöht, aber gleichzeitig wird auch der Bereich der linearen Abhängigkeit zwischen der Austrittsspannung und dem gemessenen Feld erhöht. Dies ist vor allem für den Fall der Messung der Koerzitivkraft sehr vorteilhaft.
Durch die Vereinigung der Kerne zu einem einzigen Kern wird weiter die Unempfindlichkeit der Sonde gegenüber dem homogenen Aussenfeld und die Homogenität der Sonde erzielt. Ausserdem ist es möglich, diese Sonde in Miniaturdimensionen herzustellen.
Die Fig. l veranschaulicht eine der möglichen Anordnungen der elektromagnetischen Differentialsonde mit geradem Kern. In dieser Figur ist mit 1 der Kern aus magnetisch weichem Werkstoff bezeichnet, welcher eine Magnetisierungswicklung 2 trägt, auf der sich die Aufnahmespule befindet, die aus den zwei Abschnitten 3 und 4 gleicher Windungszahl, jedoch umgekehrten Wicklungssinnes bestehen. Die Ausgangsklemmen der Aufnahmespule sind mit 5 und 6 bezeichnet. Die komplette Sonde ist in der Büchse 7 verschlossen, die aus elektrisch gut leitendem, jedoch nicht magnetisierbarem Werkstoff hergestellt ist. Diese Büchse wirkt als elektromagnetische Abschirmung, welche das Eindringen der Wechselfelder ausserhalb des Bilchsenraumes behindert. Das gemessene Gleichfeld wird dagegen nicht abgeschirmt.
Falls irgendein homogenes Feld auf diese Sonde einwirkt, tritt selbstverständlich an den Ausgangsklemmen 5 und 6 keine Spannung auf, da die in jedem Teil der Aufnahmespule induzierten Spannungen von derselben Grösse, jedoch entgegengesetzt orientiert sind und sich daher gegenseitig aufheben. Falls jedoch ein solches Magnetfeld auf den Kern derart einwirkt, dass seine Komponente H in einer Hälfte des Kernes von derselben Grösse ist, wie die Komponente der zweiten Hälfte des Kernes, jedoch entgegengesetzt orientiert (s. Fig. 2), verursacht eine solche Magnetisierung die Bildung der magnetischen Flüsse, in einzelnen Hälften des Kernes, die entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen ; die durch diese Flüsse in einzelnen Teilen der Aufnahmespule induzierten Spannungen summieren sich, und an den Klemmen 5 und 6 entsteht eine Spannung.
Diese Spannung ist proportional der Intensität des Feldes H. Ausser den Flüssen < A und fis wird auch hier ein Fluss cA1, welcher den beiden Teilen der Aufnahmespule gemeinsam ist, auftreten. Die elektromagnetische Differentialsonde reagiert daher nicht auf ein homogenes Magnetfeld. Falls jedoch auf die Differentialsonde ein Feld, welches verschieden grosse Komponenten in jede Kernhälfte liefert, einwirkt, entsteht in der Aufnahmespule eine Spannung, welche dem Unterschied der Grössen dieser Komponenten ungefähr proportional ist. Dies ergibt sich aus folgender Erwägung : Im Falle, dass irgendein Magnetfeld
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KernhälfteDieserIntensitätHwird daher die Spannung an den Klemmen 5 und 6 der Aufnahmespule proportional sein.
Mit Rücksicht auf die einfache Anordnung dieser elektromagnetischen Differentialsonde ergibt sich folgende weitere wichtige Eigenschaft dieser Sonde. Man kann nämlich dieselbe konstruktiv in ausserordentlich kleinen, sozusagen MiniaturausmaBen ausführen. Eine solche Sonde kann man dann zu Messungen überall dort benutzen, wo man eine Sonde mit zwei Kernen, mit Rücksicht auf ihre undurchführbare Herstellung in kleinem Ausmass, nicht mehr anwenden kann.
Eine weitere wichtige Eigenschaft dieser elektromagnetischen Differentialsonde besteht darin, dass sie auf Annäherung der elektrisch leitenden Werkstoffe durchaus nicht reagiert, sondern ausschliesslich auf Magnetfelder. Dies wird erzielt, wie bereits ausgeführt, durch Abschirmung der magnetischen Flüsse der Sonde mittels der Buchse 7 aus einem nicht magnetisierbaren, jedoch einwandfrei elektrisch leitenden Werkstoff.
Die Stärke der Wand ist von der gewählten Frequenz des Magnetfeldes abhängig,
Bei den bisher bekannten elektromagnetischen Sonden, d. h. bei den Sonden mit unbegrenztem magnetischen Fluss, der die Luft durchdringt, entstehen beträchtliche Fehler bei Annäherung elektrisch lei-
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tender Körper, was empfindlichere Messungen unmöglich macht in den Fällen, wo man gezwungen ist, in der Nähe der Sonde ähnliche Körper einzuführen.
Fehler, welche infolge dieser Erscheinung auftreten, entstehen selbstverständlich bei Annäherung aller elektrisch leitenden, also auch der ferromagnetischen Werkstoffe.
Den Fluss, welcher wechselnd magnetisiert, kann man auch durch den Kern 8 schliessen, so wie es in Fig. 4 veranschaulicht ist. Diese Anordnung besitzt die besondere Eigenschaft, dass sie einerseits den Zerstreuungsfluss, der wechselnd magnetisiert, herabsetzt, und schliesslich auch den Einfluss der umgebenden Störungsfelder vermindert, gegenüber welcher auch diese Anordnung einen grösseren Demagnetisierungsfaktor besitzt. Diese Anordnung zeigt sich als besonders günstig in dem Falle, wo der mit der Wicklung versehene Teil des Kernes, also der Messteil, dem Einfluss des gemessenen Feldes in bedeutend höherem Masse als der zweite Teil des Kernes, der vom gemessenen Feld weiter entfernt ist, ausgesetzt ist. Die ganze Sonde ist wiederum in einer Büchse, wie bei der vorangezeigten Anordnung, verschlossen.
Diese elektromagnetische Differentialsonde findet ihre Anwendung überall dort, wo die Messung im z. B. durch das Erdfeld gestörten Magnetfelde durchgeführt wird, und wenn es sich um die Messung beträchtlich unhomogener Felder handelt, welche eine ungleiche Vormagnetisierung im Verlauf der Länge des Kernes bewirken. So können diese Sonden beispielsweise bei den Geräten, die zum Messen der Materialdefekte auf Grund magnetischer Methoden angewendet werden, verwendet werden, weil diese Defekte gekrümmte Magnet-Streufelder bilden ; weiters können die Sonden mit Erfolg zum Messen des magnetischen Gradienten, weiters in Geräten zum Messen der Koerzitivkraft, der nicht magnetischen Eigenschaft des Werkí. offes, der Suszeptibilität usw. verwendet werden.
Im folgenden sollen zwei typische Anwendungsfälle, in welchen die bedeutenden Eigenschaften der elektromagnetischen Differentialsonde auf Grund dieser Erfindung zum Ausdruck gebracht werden, beschrieben werden.
Der erste Fall betrifft die elektromagnetische Differentialsonde, angebracht in einem Gerät, welches zum Messen der Koerzitivkraft der magnetisch weichen Werkstoffe dient, mit dessen Hilfe die Messungen ohne vorherige Herstellung von Mustern auch bei Benutzung von Blechstücken von Miniaturausmassen durchgeführt werden können. Der zu messende Gegenstand, im gegebenen Falle ein Stück Blech, wird zuerst von der Durchführung der eigentlichen Messung durch ein starkes Magnetfeld derart magnetisiert, dass der magnetisierte Teil einen hohen Entmagnetisierungsfaktor besitzt, z. B. durch ein Feld, dessen Kraftlinien die Richtung von radialdivergenten Strahlen aufweisen, wie es in der Fig. 5 gezeigt Ist. Dies kann mittels eines Magneten, mit lotrechter Achse zum zu messenden Gegenstand, durchgeführt werden (s.
Fig. 6, wo 9 den zu messenden Gegenstand und 10'den Magneten darstellt).
Dem grossen Entmagnetisierungsfaktor zufolge bleibt nach der durchgeführten Magnetisierung Im
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liche Grösse besitzen. Die Messung dieses Feldes und daher auch des He kann mit Erfolg mittels der elektromagnetischen Differentialsonde durchgeführt werden. In Fig. 7 ist das ganze Gerät veranschaulicht. Auf den zu messenden Gegenstand, welcher durch ein radiales Feld magnetisiert wurde, z. B. auf ein Stück Blech 9, wird die elektromagnetische Differentialsonde 10 angelegt, deren Magnetisierungswicklung 2 aus der Wechselstromquelle 11 gespeist wird, und an die Klemmen der Aufnahmewicklung 5 und 6 ist ein Verstärker 12 angeschlossen, mittels welchem das Gerät 13 gespeist ist, welches wieder mit einer Skala versehen ist, an der die Grösse von Hc direkt abgelesen werden kann.
Der Kern 1 der Sonde wird durch die Kraft des Feldes Hc magnetisiert, welche in einzelnen Kernhälften die verkehrte Richtung besitzt. Mittels des Kondensators 14 kann man mit Erfolg gemeinsam mit der Induktivität der Aufnahmespule einen Resonanzkreis für die zweite Harmonische realisieren. Dank ihrer Eigenschaften ermöglicht die elektromagnetische Differentialsonde eine erfolgreiche Durchführung der Messungen auch bei Werkstoffen, die als magnetisch besonders weich anzusehen sind.
Ein anderes Beispiel der Auswertung der elektromagnetischen Differentialsonde bietet ihr Einsatz in einem Gerät, welches zum Messen der Koerzitivkraft von Werkstoffen, die magnetisch weich oder hart sind, mittels der Entmagnetisierungsmethode, verwendet wird. Diese Messungen werdenlaufend ineinem Solenoid mit einstellbarem elektromagnetischem Feld, in welchem das zu messende Muster nach vorher völlig durchgeführter Magnetisierung entmagnetisiert wird, durchgeführt, wobei die magnetische Feldstärke, bei welcher das Muster unmagnetisch wird, der Koerzitivkraft HcI gleich ist.
Als Indikator der Null-Intensität der Magnetisierung des Musters wird meistens eine Drehspule verwendet, in welcher das Feld des Musters eine Spannung induziert, welche als Magnetisierungsmassstab dient. Die Spule wird durch einen Elektromotor angetrieben. Bei der Durchführung einer solchen Messung wirkt neuerdings störend das magnetische Aussenfeld, insbesondere das Erdfeld, welches vor der
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Durchführung der Messungen kompensiert werden muss, z. B. mittels eines Hilfsfeldes, wobei vorausge- setzt wird, dass es im Laufe der Messungen zu keiner Änderung des Störungsfeldes kommen wird, was al- lerdings häufig nicht der Fall ist.
Die Drehspule kann nicht in Miniaturausmassen angefertigt werden, was die Durchführung der Messung kleiner Muster unmöglich macht. Ebenso gibt es Schwierigkeiten bei der Unterbringung der Muster, da die Lage der Spule nicht beliebig nach Bedarf gewählt werden kann.
Alle oben angeführten Nachteile können durch die Anwendung der elektromagnetischen Differential- sonde leicht beseitigt werden. Die Unterbringung der Sonde innerhalb des Solenoids 16 in bezug zum zu messenden Muster 15 ist in Fig. 8 veranschaulicht. Die elektromagnetische Differentialsonde 10 ist hier lediglich in Form des Kernes 1 schematisch aufgezeichnet.
Es ist zu bemerken, dass der Kern der Sonde nicht in allen Fällen unbedingt gerade sein braucht, son- dern auch gekrümmt sein kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetische Differentialsonde mit zwei die Aufnahmespule bildenden, hintereinanderge- schalteten Wicklungen gleicher Windungszahl und entgegengesetzten Wicklungssinnes, dadurch gekenn- zeichnet, dass beide Wicklungen auf einem einzigen, mit einer Magnetisierungswicklung versehenen Kern der Sonde symmetrisch angeordnet sind.