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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Messung des elastischen Spannungszustandes in ferromagnetischen Körpern, die aus einem von einem Generator gespeisten, ein magnetisches Wechselfeld erzeugenden Erreger mit zwei Magnetpolen, deren Verbindungsgerade in einer ersten Richtung parallel zur Oberfläche des Prüflings steht, und aus einem das magnetische Wechselfeld messenden, vorzugsweise luftspaltunabhängigen Detektor mit zwei Magnetpolen, deren Verbindungsgerade in einer auf die erste Richtung zumindest annähernd senkrecht stehenden zweiten Richtung parallel zur Oberfläche des Prüflings verläuft, besteht.
Die Erfindung beruht auf dem an sich bekannten Prinzip, dass die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Materialien durch elastische Spannungen geändert werden (Magnetoelastizität), u. zw. auf die Weise, dass die elastische Spannung eine magnetische Anisotropie hervorruft, bzw. die vorhandene magnetische Anisotropie modifiziert. Wird also ein Magnetfelderreger durch den ferromagnetischen Prüfling mit einem Magnetfelddetektor gekoppelt, so wird das Detektorsignal durch die elastischen Spannungen des Prüflings beeinflusst. Dadurch entsteht ein Messprinzip zur magnetischen Messung der elastischen Spannungen in ferromagnetischen Körpern, vorzugsweise in Blechen. Eine Verwirklichung dieses Prinzips ist z. B. in der GB-PS Nr. 1, 160, 124 bzw. der CH-PS Nr. 327000 beschrieben.
Die auf diesem Prinzip beruhenden, bisher bekannten magnetischen Vorrichtungen zur Messung der elastischen Spannungen haben folgende Nachteile : a) Selbst bei Bändern aus dem gleichen Material (z. B. aus einem einzigen Ingot) muss man für jede Bandstärke das elektrische Signal der Messvorrichtung extra auf die elastische Spannung kalibrieren und eine geeignete Erregerstromstärke wählen.
Ohne
Kalibrierung und Einstellung eines geeigneten Erregerstromes können die bekannten
Messvorrichtungen bei Blechen nicht nur die Grösse, sondern auch das Vorzeichen der
Spannung falsch anzeigen, wenn während des Walzens der magnetische Arbeitspunkt des Messkopfes durch die Änderung der magnetischen Anisotropie wesentlich verschoben wird. b) Da die Vorrichtung die gemeinsame Wirkung der schon vorhandenen magnetischen Aniso- tropie und der zu messenden elastischen Spannung detektiert, kann sie nur auf so grosse äussere elastische Spannungen geeicht werden, die eine magnetische Anisotropie hervorru- fen, neben der die ursprüngliche magnetische Anisotropie des Prüflings vernachlässigt werden kann.
c) Bei den bekannten Vorrichtungen ist die rein sinusförmige zeitliche Änderung der In- duktion nicht gesichert und so enthält das Fourierspektrum des Messsignals mehrere
Fourierkomponenten, wodurch die Messgenauigkeit wesentlich vermindert wird. d) Die Massnahmen, die man bisher zur Erreichung der Unabhängigkeit der elektrischen
Ausgangsspannung vom Luftspalt getroffen hat, hatten die Stabilität des magnetischen
Arbeitspunktes nicht gesichert ; deshalb war das Messen von schwingenden oder nicht vollkommen planen Bändern nur mit stark eingeschränkter Genauigkeit möglich, und es kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Messung im Extremfall unrichtige Infor- mationen ergibt.
Die im Punkt a) erwähnte Schwierigkeit erfordert besonders bei reversierenden Walzwerken einen erheblichen Kalibrierungsaufwand. Jeder der Mängel, die in den Punkten b) bis d) aufgezählt wurden, kann die Messung nicht nur beim reversierenden, sondern auch beim Einbahnwalzen, ja sogar auch beim Dressieren verfälschen.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, mit der diese Nachteile vermeidbar sind. Dies wird bei der eingangs näher bezeichneten Vorrichtung erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass ein Kompensatorpaar zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes vorgesehen ist, wobei die zwei Kompensatoren des Kompensatorpaares aus mindestens einer Gleichstromquelle gespeist sind, und dass die Kompensatoren sowohl mit dem, mit vorzugsweise 0, 1 bis 10 kHz gespeisten, Erreger als auch mit dem Detektor in einer minimalen magnetischen Kopplung stehen.
Dabei können vorteilhafterweise die Kompensatoren in den zwei Richtungen, die durch die Winkelhalbierenden der beiden Verbindungsgeraden der Magnetpole des Erregers und des Detektors bestimmt sind, stehen.
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tischer Wärmebehandlung oder von Fremdstoffen hervorgerufen wird. Aus der magnetischen Anisotropie kann man auf die physikalischen und technologischen Eigenschaften des Prüflings (z. B. auf die Richtungen der Hauptachsen der inneren Spannungen, die Unterschiede der Hauptspannungen, die Textur, die Inhomogenität der Härte, die Planheitsfehler usw.) schliessen. In vielen praktischen Fällen verlaufen wenigstens in den Tiefen, die mit den üblichen magnetischen Messungen noch erfasst werden können, zwei Hauptspannungen parallel zur Oberfläche des Prüflings.
In allen der später beschriebenen Beispiele der Erfindung ist vorausgesetzt, dass sich der Prüfling in einem derartigen Spannungszustand befindet.
Da die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Messung der elastischen Spannungen keinen Unterschied zwischen den inneren und äusseren Spannungen macht, wird bei jeder Messung immer die lokale Summe der inneren und äusseren Spannungen gemessen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen, die besonders zweckmässige Ausführungen bzw. Anwendungsmöglichkeiten darstellen, näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem an sich bekannten Messkopf zur magnetischen Messung der elastischen Spannungen, Fig. 2 die Ausgangsspannungen der erfindungsgemässen Vorrichtung in Abhängigkeit von der Winkellage des aus dem Erreger und dem Detektor bestehenden Messkopfes, Fig. 3 das Schema einer Vorrichtung zur Verschiebung und Drehung des Messkopfes, Fig. 4 die Verteilung der inneren Spannung über die Banddicke bei einem typischen dressierten Stahlband in Abhängigkeit von der Tiefe unter den Oberflächen, die Fig.
5a und 5b die Anordnung der Magnetkerne in der erfindungsgemässen Vorrichtung in axonometrische und in vom Prüfling her gesehener Darstellung, Fig. 6 die elektrische Schaltung der mit Gleichstrom gespeisten magnetischen Kompensatoren, Fig. 7 die Anordnung der negativen magnetischen Spannungsrückkopplung und Fig. 8 die Anordnung der an einer Kaltwalzanlage montierten Messköpfe der erfindungsgemässen Vorrichtung, die als Fühler einer Kontrollvorrichtung bzw. für ein Regelungssystem dienen.
Fig. l zeigt den Aufbau des an sich bekannten Messkopfes zur magnetischen Messung der elastischen Spannungen. Der Messkopf-l-besteht aus dem Erreger --26-- und aus dem Detektor - -27--. Der Erreger --26-- setzt sich aus dem ferromagnetischen U-Kern --2-- und der darauf angebrachten Spule --3-- zusammen. Der Detektor --27-- setzt sich aus dem ferromagnetischen U-Kern --4-- und aus der darauf angebrachten Spule --5-- zusammen. Der U-Kern --4-- steht fast senkrecht auf dem U-Kern --2-- und die Kerne sind so justiert, dass der Detektor --27-mit dem Erreger --26-- in minimaler magnetischer Kopplung steht. Die Spule --3-- wird vom Generator --6-- gespeist.
Das Ausgangssignal der Spule --5-- wird auf den phasenempfindlichen Verstärker --7-- geleitet. In der Darstellung in Fig. 1 befindet sich der Messkopf-l-über dem Prüflings-8-.
Durch den Wechselstrom in der Spule --3-- wird der Prüfling --8-- periodisch magnetisiert. Ist das Material des Prüflings --8-- magnetisch isotrop, so verlaufen die magnetischen Kraftlinien symmetrisch in der Ebene des Erregers --26-- und dringen nicht in den Kern --4-- des Detektors --27-- ein. Ist das Material des Prüflings --8-- magnetisch anisotrop, so wird die Symmetrie der magnetischen Kraftlinien der Anisotropie entsprechend verzerrt, ein Teil der Kraftlinien schliesst sich durch den Kern --4-- des Detektors --27--, und so wird in der Detektorspule --5-- Wechselspannung induziert. Die Amplitude der induzierten Wechselspannung hängt von der Anisotropie des untersuchten Materials ab.
Ihr Phasenwinkel beträgt im Verhältnis zum anregenden magnetischen Fluss annähernd +90 oder -900, u. zw. abhängig davon, in welches Raumviertel die Magnetisierung des Prüflings weist.
Der Messkopf-l-kann zur Bestimmung der räumlichen Verteilung der Parameter der magnetischen Anisotropie auf die folgende Weise angewendet werden. Wird der Messkopf-l-um eine auf die Oberfläche des Prüflings senkrecht stehende Achse gedreht und werden die Ausgangssignale mit dem phasenempfindlichen Verstärker --7-- detektiert, so erhält man, wenn die Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Winkellage des Messkopfes dargestellt werden, ein Diagramm, wie es in Fig. 2 zu sehen ist. Das Maximum der Kurve G ist proportional zu der Differenz der
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Die Phasenverhältnisse der im Detektor --27-- induzierten Spannung bestimmen eindeutig, welche Nullstelle der Richtung der grösseren der beiden Hauptspannungen entspricht.
An einem Prüfling, dessen ursprüngliche magnetische Anisotropie im Verhältnis zum Effekt der äusseren Belastung vernachlässigt werden kann, können unter bekannten Zugbelastungen sowohl die Phasenverhältnisse, die die Richtung der grösseren der beiden genannten Hauptspannungen festsetzen, als auch die mechanische Spannungsempfindlichkeit der Messvorrichtung bestimmt werden. Zu dieser Kalibrierung muss die Winkelabhängigkeit des Ausgangssignals (vgl. Fig. 2) aufgenommen werden. Zu diesem Zweck wird der Messkopf --1-- um eine auf die Oberfläche des Prüflings senkrecht stehende Achse gedreht, während der Prüfling in einer kalibrierten Zugprüfmaschine belastet ist. Die Spannungsempfindlichkeit wird aus dem Maximum der Winkelabhängigkeitskurve erhalten.
In der Nullstelle der Kurve, die die Richtung der grösseren der beiden genannten Hauptspannungen festsetzt, ist das Vorzeichen der ersten Ableitung der Kurve unabhängig von den Eigenschaften des Prüflings. Dieses Vorzeichen kann während der oben beschriebenen Kalibrierung ermittelt werden, denn hier ist die Richtung der grösseren der beiden Hauptspannungen gerade die Richtung der bekannten äusseren Belastung. Solange die Phasenverhältnisse Eigenschaften der Messvorrichtung sind und mit einer einzigen Kalibrierung für immer bestimmt werden können, hängt die Spannungsempfindlichkeit der Messvorrichtung wesentlich von den Eigenschaften des Prüflings ab und so soll die Kalibrierung der Spannungsempfindlichkeit bei jedem Prüfling extra durchgeführt werden.
Mit Hilfe einer magnetischen Spannungsmessvorrichtung, die auf ein gegebenes ferromagnetisches Werkstück kalibriert ist, kann man unter den Bedingungen eines Industrielaboratoriums die oben genannten beiden wichtigsten Parameter des inneren Spannungszustandes der ansonsten homogenen, unbelasteten ferromagnetischen Werkstücke ermitteln.
Eine Art der zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetischen Bändern besteht somit darin, dass der magnetische Messkopf-l-so auf ein verschiebbares und drehbares Gestell montiert wird, dass er über jedem beliebigen Punkt des Bandes in jeder beliebigen Winkelstellung eingestellt werden kann. Eine mögliche Ausführung einer dazu erforderlichen Hilfsvorrichtung veranschaulicht die Fig. 3. Der ferromagnetische Prüfling --8-- (in der Figur ein Blech) wird auf einen Tisch mit den am Rand befestigten Schienen --9 und 10-- gebracht. Auf den Schienen - 9 und 10-- kann der Wagen --11-- in der Längsrichtung verschoben werden. Auf dem Wagen - befindet sich der Wagen --12--, der in der Querrichtung verschoben werden kann.
Auf dem Wagen --12-- ist der magnetische Messkopf --1-- drehbar angebracht.
Die Verschiebung der Wagen --11 und 12-- sowie die Drehung des Messkopfes-l-werden von einem Motor mit entsprechenden Übersetzungen und Verbindungsstücken (z. B. Schlingen, Rollen) durchgeführt. (Die Motoren sind z. B. Servomotoren.) Die Positionsgeber der Längs- und Querrichtung stehen in direkter Kopplung mit den Wagen --11 und 12--, der Geber der Winkelposition ist mit dem drehbaren Messkopf-l-verbunden. (Als Positionsgeber können z. B. Potentiometer dienen.)
Mit Hilfe der Vorrichtung, die in Fig. 3 dargestellt ist, können die vorher beschriebenen beiden Parameter des inneren Spannungszustandes in jedem beliebigen Punkt des ferromagnetischen Blechprüflings ermittelt werden.
Dadurch erhält man ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, welches sich auf bekannte Weise automatisieren lässt und Informationen gibt, die zur Charakterisierung und Sortierung der Bleche geeignet sind.
Über die Homogenität der oben genannten zwei Parameter des Spannungszustandes kann man sich an den ansonsten (d. h. chemisch und strukturell) homogenen ferromagnetischen Blechen auch in einem kontinuierlichen Schnellverfahren einen Überblick verschaffen, falls der Messkopf vorher auf das zu untersuchende Blech kalibriert wurde.
Bei diesem Schnellverfahren stellt man den Messkopf-l-auf die Hilfsvorrichtung, die in Fig. 3 dargestellt ist. Erst wird der Messkopf über einem beliebig gewählten Referenzpunkt des Bleches gestellt und wird das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Winkelposition des Messkopfes aufgenommen (vgl. Fig. 2). Danach wird der Messkopf in einer ersten Winkellage fixiert, die im Referenzpunkt zu der Richtung der grösseren der beiden, parallel zu der Oberfläche verlaufenden Hauptspannungen gehört. Eine erste Inhomogenitätskurve erhält man dadurch, dass man mit
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dem Messkopf in dieser Winkellage das Blech abtastet. Diese Kurve gibt die Änderung der Richtung der grösseren der beiden parallel zu der Oberfläche verlaufenden Hauptspannungen an.
Fixiert man den Messkopf beim Abtasten in einer zweiten Winkellage, in welcher der Messkopf im Referenzpunkt ein maximales Ausgangssignal aufweist, so erhält man eine andere Inhomogenitätskurve.
Diese Kurve stellt die Änderung des Unterschiedes der beiden Hauptspannungen dar.
Schwankt die zuerst erwähnte Kurve um Null und ist die Änderung der an zweiter Stelle erwähnten Kurve klein gegenüber der Amplitude der Referenzkurve, die die Winkelabhängigkeit des Ausgangssignals in dem Referenzpunkt darstellt, so herrscht in dem Blech ein im wesentlichen homogener Spannungszustand. Zeigen dagegen die beiden registrierten Kurven eine derart grosse Änderung, die mit der Amplitude der Referenzkurve vergleichbar ist, so ist das Blech mechanisch und/oder magnetisch stark inhomogen und das Schnellverfahren ist für eine weitere Prüfung ungeeignet. In diesem Fall müsste man den sonst homogenen Prüfling von Punkt zu Punkt auf die oben beschriebene Weise untersuchen, falls es vom Gesichtspunkt der Materialprüfung notwendig wäre.
Die bisher beschriebenen Prüfverfahren können wesentlich erweitert werden, wenn man die Frequenz des Wechselstromgenerators --6-- variieren kann. Bei jeder Frequenz erhält man nämlich nur bis zu einer gewissen magnetischen Eindringtiefe beim Skineffekt Informationen über den mechanischen Spannungszustand des Prüflings. Mit der Änderung der Frequenz des magnetischen Feldes können also auch die Änderungen des Spannungszustandes in der Richtung senkrecht zur Oberfläche erfasst werden. Es ist zweckmässig, die für die Messung verwendete Kreisfrequenz in dem folgenden Intervall zu variieren :
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wobei v die erzielte Tiefe der Prüfung, p. die magnetische Permeabilität des Körpers entlang der Achse der Haupt-Magnetisierung und p der spezifische elektrische Widerstand des Prüflings sind.
Bei der Sortierung von gewalzten bzw. dressierten Bändern ist es besonders wichtig, die Verteilung der inneren mechanischen Spannungen auch über die Banddicke zu kennen. In Fig. 4 ist die Tiefenabhängigkeit der inneren Spannung in einem typischen solchen Band dargestellt.
Die Abszisse gibt die Entfernung von der Oberfläche des Bandes an, die Ordinate stellt die in der Walzrichtung liegende Komponente der inneren Spannung dar. Werden magnetische Wechselfelder von verschiedener Skintiefe benutzt, so werden Durchschnittswerte der Spannung für verschiedene Tiefen gemessen und aus der Tiefenabhängigkeit der Durchschnittswerte kann die wirkliche Ortsabhängigkeit der beiden parallel zu der Oberfläche verlaufenden Hauptspannungen ermittelt werden.
Es wird so eine Prüfmethode erhalten, mit der der Walzprozess zerstörungsfrei verfolgt werden kann. (Aus den Messresultaten kann sogar auch auf die Neigung zur Alterung geschlossen werden.)
Eine wesentliche Voraussetzung zur Brauchbarkeit der vorher beschriebenen Prüfmethoden
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gross ist. Sofern die in Fig. l dargestellte Vorrichtung zur magnetischen Messung der mechanischen Spannungen mit einem Stromkreis, der die später beschriebene negative magnetische Spannungsrückkopplung verwirklicht, und irgendeiner der Vorrichtungen, die die Unabhängigkeit des Detektors --27-- von dem Luftspalt sichern, ergänzt wird, ergibt sich die Möglichkeit, auch Körper mit nicht vollkommen planer Oberfläche, d. h. wellige und vibrierende Bänder, zu messen bzw. zu prüfen.
Fig. 5 zeigt die Magnetkerne des magnetischen Messkopfes für die erfindungsgemässe Vorrichtung, die durch die statischen magnetischen Kompensatoren --28 und 28A-- (vgl. Fig. 6) mit ihren Magnetkernen --13 und 13A-- ergänzt wurden. Fig. 5a ist ein axonometrisches Bild der Magnetkerne des Messkopfes und Fig. 5b zeigt die Magnetkerne in der Sicht vom Prüfling --8-- her. Der Erregerkern --2-- und der Detektorkern --4-- befinden sich in praktisch senkrecht
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aufeinanderstehenden Ebenen, während die Ebenen der Magnetkerne --13 und 13A-- der statischen magnetischen Kompensatoren --28 und 28A-- (vgl. Fig. 6) annähernd die Winkelhalbierenden der Ebenen der Kerne-2 und 4-- sind. Der Querschnitt der Magnetkerne, die das nötige magnetische Gleichfeld bzw.
Wechselfeld erzeugen, wird von dem notwendigen maximalen Magnetfluss bestimmt, der seinerseits vom zu untersuchenden Material abhängt. Die Kerne können nicht nur mit quadratischem Querschnitt, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist, hergestellt werden, sondern z. B. auch mit kreisförmigem Querschnitt. Das Material des Erregerkernes --2-- und des Detektorkernes - soll über eine grosse Anfangspermeabilität sowie einen grossen spezifischen elektrischen Widerstand verfügen und ferromagnetisch linear sein ; es ist zweckmässigerweise ein Mangan-Zink- - Ferrit. Die Kerne--13 und 13A-- der statischen magnetischen Kompensatoren --28 und 28A-werden aus einem Material hergestellt, das einen grossen spezifischen elektrischen Widerstand und hohe Sättigungsmagnetisierung hat und dessen Haupt-Magnetisierungs-Achse mit der Längsachse der Kerne übereinstimmt.
Es ist zweckmässigerweise eine Permalloy-Legierung.
Die genaue Lage des Erregerkernes --2-- und des Detektorkernes --4-- wird so eingestellt, dass ohne den ferromagnetischen Prüfling --8--, also bei offenen Magnetkreisen, die magnetische Kopplung zwischen ihnen minimal ist.
In Fig. 5b ist die Spannweite der U-Kerne zu sehen. Der Detektorkern --4-- kann z. B. die kleinste Spannweite haben, damit die Änderung der magnetischen Anisotropie in einem möglichst homogenen Feld erfasst wird. Die Spannweite der Kompensatorkerne --13 und 13A-- ist grösser als die des Erregerkernes --2--. Der Grund dafür besteht darin, dass der magnetische Widerstand der mit Gleichstrom gespeisten Kompensatoren --28 und 28A--durch den Prüfling --8-- möglichst klein und durch den Erregerkern --2-- möglichst gross sein soll.
Bei einem nicht allzu grossen Luftspalt kann mit den Verhältnissen, die in Fig. 5b zu sehen sind, vermieden werden, dass ein bedeutender Teil des Kompensationsflusses durch den Erregerkern --2-- und durch den Detektorkern --4-- bzw. ein bedeutender Teil des Erregerflusses durch die Kompensatorkerne--13 und 13A-- geschlossen wird. (Diese magnetischen "Kurzschlüsse" würden nämlich die Messungen ver- fälschen.)
In Fig. 6 ist die elektrische Schaltung der statischen magnetischen Kompensatoren --28 und 28A-- dargestellt. Auf den gegenüberliegenden Schenkeln der Kerne--13 (bzw. 13A)-- werden die Spulen --14 und 15 (bzw. 16 und 17)-so in Reihe geschaltet, dass sich ihre Erregungen summieren.
Die in Reihe geschalteten Spulen --14 und 15 bzw. 16 und 17--werden durch die geregelte doppelte Gleichstromquelle --18-- gespeist. Das Verhältnis der beiden Stromstärken wird durch die Richtung der im Prüfling herrschenden magnetischen Anisotropie, die zu kompensieren ist, bestimmt. Die Grösse der Stromstärken soll gemäss der magnetischen Permeabilität des Prüflings und des Luftspaltes gewählt werden. Um eine minimale magnetische Kopplung bei möglichst kleinen Spannweiten der Kerne-13 und 13A-- zu gewährleisten, ist es zweckmässig, die Spulen - -14, 15 und 16, 17-- mit Kondensatoren parallelzuschalten, wie es auch in Fig. 6 zu sehen ist.
Die grundlegende Voraussetzung für ein fehlerfreies Messen mit dem magnetischen Messkopf, der mit den statischen magnetischen Kompensatoren --28 und 28A-- ergänzt ist, besteht darin, dass die magnetische Induktion, die durch den Erreger --26-- in dem Prüfling --8-- zustande- gebracht wurde, d. h. der magnetische Arbeitspunkt, während der Kalibrierung und der Messung auch in dem Fall konstant bleibt, wenn nicht für eine konstante Grösse des Luftspaltes gesorgt werden kann.
Die Messgenauigkeit der magnetischen Messköpfe wird auch durch einen andern Umstand herabgesetzt. Da die ferromagnetischen Materialien oft ein nichtlineares Verhalten zeigen, enthält der von dem Erreger-26-hervorgerufene magnetische Induktionsfluss viele Oberwellen, obwohl er durch eine sinusförmige elektrische Wechselspannung gespeist wird. Der Wirbelstromverlust, der im Prüfling durch die Oberwellen induziert wird, beschränkt die Messgenauigkeit wesentlich.
Die Unabhängigkeit des magnetischen Arbeitspunktes vom Luftspalt und der minimale Gehalt des magnetischen Erregerflusses an Oberwellen wird durch eine, an sich bekannte, negative magnetische Spannungsrückkopplung gewährleistet. Den Stromkreis, der die negative magnetische Spannungsrückkopplung verwirklicht, stellt Fig. 7 dar. Der magnetische Erregerkreis wird vom Prüfling - -8--, dem magnetischen Erregerkern --2-- und den Luftspalten --25 und 25A-- gebildet. Die
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rein sinusförmige Wechselspannung des Generators --6-- wird an den Eingang des Leistungsver- stärkers --20-- und an die zu diesem in Reihe geschaltete Rückkopplungsspule --19--, die sich auf dem Erregerkern --2-- befindet, gelegt.
Die negative Rückkopplung wird durch die phasenrichtige Schaltung der Rückkopplungsspule --19-- erreicht. Ist der Spannungsverstärkungsgrad des Leistungsverstärkers --20-- gross genug (wenigstens 100fach), so fliesst in der Erregerspule die sich auf dem Erregerkern --2-- befindet und aus zwei in Reihe geschalteten Teilen besteht, ein - nicht unbedingt rein sinusförmiger - Wechselstrom, unter dessen Wirkung der magnetische Induktionsfluss im magnetischen Erregerkreis und so auch im Prüfling --8-- als Funktion der Zeit eine reine Sinuskurve zeigt.
wegen der negativen Rückkopplung bleibt der magnetische Induktionsfluss auch dann in seiner Zeitabhängigkeit rein sinusförmig mit unveränderter Amplitude, wenn sich der magnetische Widerstand des magnetischen Erregerkreises, z. B. durch die Änderung des Luftspaltes, ändert.
So ist mit Hilfe der negativen magnetischen Spannungsrückkopplung die Unabhängigkeit des magnetischen Arbeitspunktes vom Luftspalt sowie der minimale Gehalt an Oberwellen der magnetischen Induktion im Prüfling gewährleistet. Natürlich kann die Grösse des Luftspaltes nicht unbegrenzt verändert werden, da der magnetische Widerstand des magnetischen Erregerkreises nicht um Grössenordnungen geändert werden kann.
Die Amplitude des sinusförmigen Magnetflusses kann durch die geeignete Wahl der Spannungsamplitude des Generators --6-- auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Um eine ausreichende Genauigkeit des magnetischen Messkopfes zu erreichen, ist es notwendig, dass der Gehalt an Oberwellen im Ausgangssignal des Detektors --27-- kleiner als 5% ist.
Die Unabhängigkeit vom Luftspalt ist nicht nur beim magnetischen Wechselinduktionsfluss notwendig, sondern auch bei den statischen Magnetkreisen der Kompensatoren. Hier gibt es-da es sich um ein statisches Feld handelt-keine Möglichkeit zur direkten Rückkopplung. Wird der in Fig. 7 dargestellte negative magnetische Spannungsrückkopplungskreis benutzt, so kann ein elektrisches Signal, das auf die Grösse des Luftspaltes hinweist, direkt von den Polen der Spule - abgenommen werden. Mit dieser Wechselspannung kann auf an sich bekannte Weise die in Fig. 6 dargestellte doppelte Gleichstromquelle --18-- so geregelt werden, dass das Verhältnis der beiden Stromstärken auch bei Änderung des Luftspaltes unverändert bleibt.
Wird die Luftspaltunabhängigkeit auch im Detektor --27-- des magnetischen Messkopfes, der in seinem Erregerkreis mit einer negativen magnetischen Spannungsrückkopplung versehen wurde, gewährleistet, so kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch in jenen Fällen angewendet werden, in welchen die Konstanz des Luftspaltes nicht garantiert werden kann ; es können so z. B. auch vibrierende, wellige Bänder gemessen werden.
Die Luftspaltunabhängigkeit des Detektors --27-- des magnetischen Messkopfes kann mit verschiedenen, bekannten Alternativlösungen gewährleistet werden : a) Zur Detektorspule --5-- wird ein entsprechend dimensionierter Kondensator parallelge- schaltet (Ju. D. Shélesnow, A. G. Shurawskij, A. I. Kondratow : Pribory i sistemy upravlenjija, No 3,25, 1972). Diese Alternativlösung kann in Messvorrichtungen mit veränderlichen Frequenzen nicht benutzt werden. b) Die luftspaltabhängige Wechselspannung der Erregerspule --3-- kann zur Regelung des
Verstärkungsfaktors des phasenempfindlichen Verstärkers --7-- benutzt werden, so dass das Ausgangssignal unabhängig vom Luftspalt ist (J. R.
Dahm : Instrumentation Techno- logy, May, 54,1970). c) Das luftspaltunabhängige Signal wird aus der Spannung der Erregerspule --3-- und aus dem Ausgangssignal des Detektors --27-- auf an sich bekanntem digitalem Weg hergestellt.
Bei Gebrauch der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es wesentlich, dass im Messkopf keine wesentlichen Verluste durch das magnetische Wechselfeld auftreten dürfen. Mit der Verringerung solcher Leistungsverluste steigt die Messgenauigkeit und die kleinste Änderung der mechanischen Spannung, die noch aufgelöst werden kann, wird kleiner. Weiterhin ist wesentlich, dass der Leistungsbedarf der Erreger herabgesetzt wird und so die elektrische Eingangsspannung unter 15 V gesenkt werden kann, was aus Sicherheitsgründen vorteilhaft ist.
Die Verluste können mit
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zwei Massnahmen gesenkt werden : Die Kerne des magnetischen Messkopfes sollen aus einem ferromagnetischen Material mit minimaler spezifischer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt werden (zweckmässigerweise werden Magnetkerne aus Sintermaterial oder aus Blechen benutzt), die mechanischen Elemente, die die Justierung des Messkopfes ermöglichen, sollen aus Isolatoren hergestellt werden ; zur Minderung der Wirbelströme, die im Wicklungsdraht in azimutaler Richtung auftreten, soll der Wicklungsdraht einen kleinen Querschnitt haben oder eine Litze sein und/oder aus einem Material mit hohem elektrischem Widerstand (z. B. Manganin) hergestellt werden.
Die oben beschriebene Vorrichtung zur magnetischen Messung der mechanischen Spannung, die mit statischen Kompensatoren versehen ist und die mit Stromkreisen, die die Unabhängigkeit vom Luftspalt und den minimalen Gehalt an Oberwellen sichern, ergänzt wurde und die bei mehreren Frequenzen arbeitet, kann bei der Herstellung von ferromagnetischen Bändern als ein Fühler für die Regelung des technologischen Prozesses bzw. als ein Kontrollgerät angewendet werden.
Ehe mit dem magnetischen Spannungsmesser Betriebsmessungen bzw. Qualitätsprüfungen durchgeführt werden, muss dieser auf das zu untersuchende ferromagnetische Blech kalibriert werden.
Es ist zweckmässig, die Kalibrierung entweder mit einer Zerreissmaschine oder mit einer speziellen Vorrichtung, die zu diesem Zweck gebaut wurde und eine konstante Zugbelastung ermöglicht, durchzuführen. Bei der Kalibrierung muss dafür gesorgt werden, dass die relative Position von Messkopf und Band genauso ist, wie bei den Messköpfen, die auf das Walzgerüst montiert sind.
Auch das unbelastete Band ist im allgemeinen anisotrop, und diese Anisotropie lässt sich mit Hilfe der statischen Kompensatoren aufheben. Nachdem durch die Wirkung der Kompensatoren das elektrische Ausgangssignal im unbelasteten Zustand Null wurde, kann der Proportionalitätsfaktor zwischen der mechanischen Spannung und dem Ausgangssignal der Spannungsmesseinrichtung durch Anbringen einer bekannten Zugbelastung bestimmt werden.
Die Kalibrierung auf die äussere mechanische Spannung muss nicht bei jeder Bandstärke durchgeführt werden, wenn die Betriebsfrequenz des Messkopfes hoch genug gewählt und dadurch die magnetische Eindringtiefe beim Skineffekt geringer wird als die Dicke des feinsten zu untersuchenden Bleches.
Die Kalibrierung kann an Blechproben, die nach jedem wesentlichen technologischen Prozess entnommen wurden, durchgeführt werden. Die einzelnen technologischen Prozesse sind in einem gewissen Sinne auch dadurch gekennzeichnet, welche Art von magnetischer Anisotropie das hergestellte Band besitzt. Da die Anisotropie des Bandes durch die entsprechend gewählten Stromstärken der statischen Kompensatoren des magnetischen Messkopfes eindeutig charakterisiert ist, ergibt sich durch die Tabellisierung dieser Werte eine einfache Kontrollmöglichkeit. Die im Betriebslaboratorium aufgestellte Anisotropie-Tabelle kann als Prüfvorschrift bei der Materialkontrolle benutzt werden.
Werden die tabellierten Gleichstromwerte, die zu dem eben beendeten technologischen Prozess gehören, an dem Messkopf, der an der Walzstrasse montiert wurde, eingestellt, so ist der technologische Prozess fehlerfrei, wenn das Ausgangssignal des Messkopfes Null ist. Natürlich darf bei dieser Kontrolle keine äussere mechanische Spannung das Band belasten.
Fig. 8 zeigt die Anordnung der auf dem Walzgerüst angebrachten magnetischen Messköpfe - -21--, die mit statischen Kompensatoren versehen sind und der Kontrolle bzw. Regelung des Walzprozesses dienen. Die magnetischen Messköpfe --21--, die auf dem Gestell --24-- angebracht sind, befinden sich unter der Ebene des ferromagnetischen Bandes --8A--, das aus den Arbeits- walzrollen --22-- herausläuft und von der Rolle --23-- gestützt wird.
Mit Hilfe dieser Messköpfe --21-- kann - bei Einstellung der tabellierten Gleichstromwerte, die dem technologischen Prozess entsprechen - entschieden werden, ob der Produktions- bzw. Bearbeitungsprozess bisher fehlerfrei verlaufen ist. Ist die Ausgangsspannung der Messköpfe --21-- Null bzw. bleibt sie innerhalb einer gegebenen (vom Fabrikat und den Ansprüchen abhängigen)
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die Differenzspannung Null bzw. das Quotientsignal EINS, dass das Band --8A-- über die Querrichtung homogen deformiert ist und nachträglich keine Planheitsfehler zu erwarten sind. Zeigt eines der Messkopfpaare eine Abweichung an, so kann der Fehler durch Änderung des Walzdruckes, durch Walzbiegung usw. ausgeglichen werden.
Die Bänder, die mit einer derartigen Kontrolle ge-
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walzt wurden, weisen eine gleichmässige Dicke auf und neigen nicht zur nachträglichen Planheits- fehlerbildung.
Der Walzprozess kann auf die oben beschriebene Weise mit einem entsprechenden Frequenzprogramm schon auf der Walzstrasse direkt kontrolliert und so die Qualität der Bänder wesentlich verbessert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur kontaktlosen Messung des elastischen Spannungszustandes in ferromagnetischen Körpern, die aus einem von einem Generator gespeisten, ein magnetisches Wechselfeld erzeugenden Erreger mit zwei Magnetpolen, deren Verbindungsgerade in einer ersten Richtung parallel zur Oberfläche des Prüflings steht, und aus einem das magnetische Wechselfeld messenden, vorzugsweise luftspaltunabhängigen, Detektor mit zwei Magnetpolen, deren Verbindungsgerade in einer auf die erste Richtung zumindest annähernd senkrecht stehenden zweiten Richtung parallel zur Oberfläche des Prüflings verläuft, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensatorpaar zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes vorgesehen ist, wobei die zwei Kompensatoren (28,28A) des Kompensatorpaares aus mindestens einer Gleichstromquelle (18) gespeist sind,
und dass die Kompensatoren (28,28A) sowohl mit dem, mit vorzugsweise 0, 1 bis 10 kHz gespeisten, Erreger (26) als auch mit dem Detektor (27) in einer minimalen magnetischen Kopplung stehen.