DE102005011227B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen, wobei über eine elektrische Erregerspannung (UP) mittels eines Erregerstroms (IP) ein magnetischer Fluss (Φ) in einem Körper erregt sowie eine von dem magnetischen Fluss (Φ) induzierte Induktionsspannung (US, Upi') ermittelt und anhand der Induktionsspannung (US, Upi') eine magnetische Kenngröße des Körpers ermittelt wird, wobei der Erregerstrom (IP) durch eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung (US, Upi') geregelt wird, durch die Gegenkopplung die Induktionsspannung (US, Upi') auf eine als Führungsgröße konstant vorgegebene Eingangsspannung (UE) ausgeregelt wird und der zeitliche Verlauf des Erregerstroms (IP) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Schalters (2) ein erster, invertierender Eingang eines ersten Verstärkers (1) zum Zweck der Strom- oder Spannungsgegenkopplung mit einer am Körper angeordneten Primärinduktivität (LP) verbunden wird, um eine magnetodynamische Ausgangssituation des Körpers vor dem Beginn einer Messung zu definieren, wobei anschließend mittels des Schalters (2) der erste Eingang des ersten Verstärkers (1) zum Zweck der Gegenkopplung mit der Induktionsspannung (US, Upi') mit deren Abgriff an einer am Körper angeordneten Sekundärinduktivität (LS) verbunden wird, wobei durch Anlegen der Eingangsspannung (UE) an einen nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers (1) eine Spannung an einem Ausgang des ersten Verstärkers (1), die als Erregerspannung (UP) zur Erzeugung eines Erregerstroms (IP) durch die Primärinduktivität (LP) verwendet wird, so variiert wird, dass der Erregerstrom (IP) kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Maximalwert und/oder Minimalwert erhöht beziehungsweise verringert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen, wobei über eine elektrische Erregerspannung mittels eines Erregerstroms ein magnetischer Fluss in einem Körper erregt sowie eine von dem magnetischen Fluss induzierte Induktionsspannung ermittelt und anhand der Induktionsspannung eine magnetische Kenngröße des Körpers ermittelt wird.
• Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden insbesondere zur Vermessung von Hystereseschleifen an ferromagnetischen Körpern eingesetzt, um deren Qualität während oder nach der Herstellung oder vor der Weiterverarbeitung zu prüfen oder zu messen.
• 1 zeigt in Teilfigur 1a einen im Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Kreis und zugehörige Kenngrößen. Die Primär- und Sekundärspulen L_P, L_S mit den Windungszahlen W_P, W_S umschließen den zu vermessenden Magnetkreis, der die Querschnittsfläche A und die Länge L aufweist. Der Strom I_P in der Primärwicklung erzeugt eine magnetische Durchflutung Θ und einen magnetischen Fluss Φ im Magnetkreis. Mit einer vorgegebenen Stromfunktion kann eine Flussänderung im Magnetkreis erzeugt werden, wodurch in der Sekundärspule eine Induktionsspannung U_S = dΨ_S/dt induziert wird. Der verkettete Fluss Ψ_S kann durch Integration der Induktionsspannung berechnet werden. Ein bereits vorhandener Gleichfluss Ψ₀ wird dabei nicht erfasst. Für die Umrechnung auf die wicklungsunabhängigen Größen Θ und Φ, sowie die magnetische Feldstärke H und Flussdichte B gelten die folgenden Beziehungen:

  
• Eine Bestimmung der Feldstärke ist alternativ mit Hallsonden an der Oberfläche des Magnetkreises möglich.
• Der elektromagnetische Kreis kann gemäß Teilfigur 1b als Transformatorersatzschaltbild dargestellt werden, wobei die ohmschen Wicklungswiderstände separat abgebildet sind. Für die Primär- und Sekundärspannungen gelten die Beziehungen:

  
• Eine allgemeine Lösung dieser Differentialgleichungen ist nicht möglich, da die Induktivitäten der Primär- und Sekundärwicklungen sowie der Kopplungsfaktor M meist nichtlinear und hysteresebehaftet sind. Diese Eigenschaften können nur messtechnisch durch Aufnahme der Magnetisierungskennlinien erfasst werden.
• Eine im Stand der Technik dazu oft verwendete Vorrichtung umfasst eine programmierbare Leistungsstromquelle zur Erregung einer auf einen zu messenden Körper aufgebrachten Primärspule. 2 zeigt eine solche Vorrichtung schematisch. Die in einer ebenfalls aufgebrachten Sekundärspule induzierte Spannung wird mit einem Präzisionsintegrator integriert, um den verketteten Fluss Ψ_S in Abhängigkeit der Magnetisierungsstromstärke I_P zu erhalten. Üblicherweise wird dazu ein analoger Integrator verwendet. Das Ψ_S(I)-Kennlinienfeld kann dann auf einem X-Y-Schreiber aufgezeichnet oder numerisch ausgewertet werden.
• Beispielsweise beschreibt DE 30 32 717 A1 ein Verfahren zur Messung der Hysteresekurve von ferromagnetischen Werkstoffen, bei dem eine Probe des Werkstoffes in einer Feldspule angeordnet ist, wobei die innere Feldstärke H in der Probe mit einer durch die Wicklung der Feldspule geführten Potentialspule gemessen wird, deren Signal U(t) zu ∫Udt integriert und mit einer dem Spulenstrom J proportionalen Spannung in Reihe geschaltet ist.
• Von Nachteil ist bei diesen Verfahren der hohe Preis eines analogen Präzisionsintegrators mit den entsprechenden Parameter und einer digitalen Steuerbarkeit.
• Zunehmend werden auch digitale Messeinrichtungen mit numerischer Integration und digitaler Rechnersteuerung eingesetzt.
• Dazu ist beispielsweise aus DD 249 339 A1 eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung magnetischer Kenngrößen von Werkstoffen unter Verwendung einer Magnetisierungseinrichtung bekannt, die wenigstens aus einer Magnetisierungsspule, Spulen zur Erfassung der magnetischen Feldstärke und der Induktion sowie einem Magnetkreis besteht, wobei die Magnetisierungsspule von einem Verstärker oder einem Generator angesteuert wird und den Spulen zur Erfassung der magnetischen Feldstärke und Induktion Schaltungen zur Verstärkung und Auswertung zugeordnet sind, wobei ein in seiner Verstärkung beeinflussbarer Verstärker die Magnetisierungsspule ansteuert und der Verstärker das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Umsetzers, welcher an den Bus eines Steuerwerkes angeschlossen ist, erhält und den Spulen zur Erfassung der magnetischen Feldstärke und Induktion umschaltbare Verstärker direkt oder über ein Netzwerk, welches in den Kreis einer Kompensationsspule eingeschaltet ist, zugeordnet sind, die auf Sample- and Hold-Schaltungen arbeiten, deren Ausgangssignal direkt oder über Schalter einem Analog-Digital-Umsetzer, welcher am Bus des Steuerwerkes anliegt, zugeführt ist. In weiteren Ausgestaltungen ist im Kreis der Magnetisierungsspule ein ohmscher Widerstand eingeschaltet und diesem ein weiterer Sample- and Hold-Verstärker zugeordnet, dessen Ausgangssignale direkt oder über Schalter dem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt sind.
• Bei dieser Schaltungsanordnung handelt es sich um ein komplexes, aufwendiges System mit digitalem Bus. Hier muss eine Integration in numerischer Form durchgeführt werden.
• Die DE 41 27 330 A1 offenbart eine Anordnung zur Aufnahme der dynamischen Hystereseschleife von magnetischen Werkstoffen, die mit einem Funktionsgenerator, einem Leistungs-Operationsverstärker, einem Shunt zur Abnahme des zur magnetischen Feldstärke H analogen Spannungsverlaufs und mit auf den Operationsverstärker rückgekoppelten Integrator aufgebaut sind. An den Shunt sind die Messeingänge von zwei gesteuerten Spitzenwertgleichrichtern angeschlossen, die ausgangsseitig mit einem Summierer verbunden sind. Dessen Ausgang ist an den Eingang eines PI-Gliedes geführt, das an den nichtinvertierenden Eingang des Integrators angeschlossen ist. Zwischen dem einen Spitzenwertgleichrichter und dem Summierer ist ein Schalter eingefügt. Die Anordnung ist für Werkstoffproben anwendbar, die zur Messung mit einer Erregerwicklung und mit einer Aufnehmerwicklung versehen werden.
• Aus der DE 39 02 408 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Hysterese von weichmagnetischem Material bekannt, bei dem ein Werkstück aus diesem Material einem weitgehend homogenen Magnetfeld mit stetig veränderbarer Feldstärke ausgesetzt und durch Aufintegration der in einer das Werkstück umgebenden Meßspule induzierten Spannung die magnetische Induktion im Werkstück gemessen und der jeweils herrschenden Magnetfeldstärke zugeordnet wird. Um aufwendige Vorbereitungsprozesse am Werkstück (Drehen, Schleifen) für die Messung zu umgehen, werden für die Hysteresemessung Werkstücke verwendet. die stab- oder streifenförmig sind und ein sehr großes Verhältnis von Länge zum Durchmesser aufweisen. Durch dieses großes l/d-Verhältnis ist die Scherung im nicht geschlossenen Magnetkreis gering und der erhaltene Meßfehler vernachlässigbar klein.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand das Ermitteln von magnetischen Kenngrößen ermöglichen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch eine Vorrichtung, welche die in Anspruch 7 angegebenen Merkmale aufweist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
• Die Erfindung sieht vor, dass der Erregerstrom durch eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung geregelt wird. Die Induktionsspannung U_S(t) = dΨ_S/dt entspricht dabei einer Führungsgröße U_E(t). Bei konstanter Führungsgroße U_E(t) ist die Induktionsspannung dΨ_S/dt ebenfalls zeitlich konstant. Daraus ergibt sich ein sich selbst regelnder, linearer Verlauf der zeitlichen Änderung des verketteten Flusses Ψ_S(t). Eine aufwendige Integration kann deshalb entfallen. Es ist lediglich eine Multiplikation mit der Dauer der Messung erforderlich, um den verketteten Fluss bis auf einen eventuellen Gleichfluss bestimmen zu können.
• Die Erfindung dient zur Ermittlung magnetischer Größen beispielsweise an Ringkernproben, magnetischen Stabproben und elektromagnetischen Bauelementen. Die Ermittlung erfolgt durch Messung der Ψ_S(I)-Kennlinienfelder der entsprechenden Probe bei konstanter Flussänderungsgeschwindigkeit. Mit den Wicklungszahlen der Primär- und Sekundärinduktivitäten kann aus dem Ψ_S(I)-Kennlinienfeld das Φ(Θ)-Kennlinienfeld berechnet werden. Diese Kennlinien spiegeln das reale Zusammenwirken aus Materialeigenschaften, Geometrie und elektrischen Spulenwerten einer Konstruktion wieder. Bei der Materialprüfung kann mit den Probenkörperabmessungen das B(H)-Kennlinienfeld berechnet werden. Das B(H)-Kennlinienfeld liefert grundlegende Aussagen zu den magnetischen Eigenschaften eines Materials.
• Die Kennlinienaufnahme erfolgt durch die Gegenkopplung unter kontinuierliche Erhöhung oder Verringerung des Magnetisierungsstromes bis zu dessen vorgebbaren Maximalwert beziehungsweise Minimalwert. Die gemessenen Spannungen und Ströme werden vorzugsweise während der Messung visuell dargestellt, um dem Anwender über den Messablauf zu informieren.
• Erfindungsgemäß wird durch die Gegenkopplung die Induktionsspannung auf eine als Führungsgröße konstant vorgegebene Eingangsspannung ausgeregelt. Die Induktionsspannung ist somit stets identisch zur Eingangsspannung, die als Vorgabe bekannt ist. Die Induktionsspannung muss also nicht separat erfasst werden.
• Das Ermitteln der Abhängigkeit des verketteten Flusses von der Erregerstromstärke gelingt mit geringem Aufwand, indem der zeitliche Verlauf des Erregerstroms aufgenommen wird. So ist eine Zuordnung von Erregerstromstärke zu verkettetem Fluss Ψ_S(I) möglich, beispielsweise in Form einer Kennlinie.
• Vorzugsweise wird dabei der Erregerstrom in zeitdiskreten Schritten aufgenommen. Dies verringert die Datenmenge und vereinfacht die Handhabung der Messdaten. Des Weiteren kann der verkettete Fluss durch die Konstanz der Induktionsspannung einfach durch Multiplikation der Induktionsspannung beziehungsweise der Eingangsspannung, da diese aufgrund der Gegenkopplung übereinstimmen, mit der bis zu einem betreffenden Messpunkt vergangenen Zeitdauer seit dem Beginn der Messung und der Summe dieser Produkte berechnet werden. Die Ψ_S(I)-Kennlinie ergibt sich dann aus der punktuellen Kombination der Kenngrößen I und Ψ_S zu jedem Zeitpunkt.
• In einer einfach durchführbaren Ausgestaltung sind die zeitdiskreten Schritte äquidistant. Auf diese Weise kann sogar die mehrfache Multiplikation von Induktionsspannung beziehungsweise Eingangsspannung und Zeitdauer der Messung zu jedem diskreten Messpunkt entfallen. Stattdessen ist lediglich ein Aufaddieren desselben, beispielsweise einmalig berechneten Produktwertes nach jedem Intervallschritt erforderlich.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen eines Körpers mit Hilfe einer Erregerinduktivität, wobei über eine elektrische Erregerspannung mittels eines durch die Erregerinduktivität fließenden Erregerstroms ein magnetischer Fluss in einem Körper erregbar sowie eine von dem magnetischen Fluss induzierte Induktionsspannung ermittelbar und anhand der Induktionsspannung eine magnetische Kenngröße des Körpers ermittelbar ist, sieht vor, dass der Erregerstrom in eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung schaltbar oder geschaltet ist. Dadurch ist das vorteilhafte, erfindungsgemäße Verfahren durchführbar.
• Die Vorrichtung weist dazu erfindungsgemäß einen ersten Verstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang sowie einem Ausgang auf, wobei der erste Verstärker im Falle der Gegenkopplung die Induktionsspannung auf die als Führungsgröße vorgebbare Eingangsspannung ausregelt. Die Induktionsspannung ist dadurch in diesem Fall stets identisch zur Eingangsspannung. Sie braucht nicht separat erfasst zu werden.
• Die präzise und konstante Vorgabe einer Eingangsspannung gelingt insbesondere durch einen ersten Digital-Analog-Konverter, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers verbunden ist.
• Vorzugsweise erfolgt das digitale Vorgeben einer Eingangsspannung durch einen Steuerrechner, welcher mit dem Eingang des ersten Digital-Analog-Konverters verbunden ist. Dies ermöglicht eine einfache Einstellung des Systems. Der Steuerrechner kann außerdem auch nichtkonstante, zeitliche Spannungsverläufe vorgeben, die über den D/A-Konverter auf den Verstärker gelangen und im Falle der Gegenkopplung einen identischen Verlauf der Induktionsspannung hervorrufen.
• Dabei ist der Steuerrechner vorteilhafterweise mit einem Analog-Digital-Konverter verbunden, dessen Eingang eine Spannung über einem Messwiderstand im Stromkreis der Erregerinduktivität abgreift. Der Erregerstrom kann so als Spannungsabfall über dem Messwiderstand digital mit geringem Aufwand aufgenommen werden.
• Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Steuerrechner zur Aufnahme des Erregerstroms und/oder der Erregerspannung und/oder der Induktionsspannung und/oder ein Signal eines magnetfeldempfindlichen Bauelementes mit mehreren Analog-Digital-Konvertern und/oder über einen Analog-Digital-Konverter mit einem Multiplexer verbunden ist. Auf diese Weise sind mehrere oder alle Messgrößen mit einem einzigen Steuerrechner erfassbar. Insbesondere im Falle des Anschlusses über einen Multiplexer ist dabei nur ein Analog-Digital-Konverter erforderlich.
• Erfindungsgemäß ist der erste Eingang des ersten Verstärkers mit einer Sekundärinduktivität verbunden oder zumindest für den Fall der Gegenkopplung verbindbar. Dies ermöglicht das Abgreifen der Induktionsspannung auf einer Sekundärseite des Körpers mit geringem Aufwand. Die Schaltung der Vorrichtung ist dabei einfach und kostengünstig. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Körper an sich bereits mit zwei Induktivitäten versehen ist.
• In einer zweiten, alternativen Ausführungsform ist der erste Eingang des ersten Verstärkers über eine abgleichbare Brückenschaltung mit der Erregerinduktivität verbunden oder zumindest für den Fall der Gegenkopplung verbindbar. Dies ermöglicht das Abgreifen der Induktionsspannung mit nur einer Induktivität, eben der Erregerinduktivität selbst. Auf das Aufbringen einer Sekundärinduktivität kann somit verzichtet werden, was insbesondere bei komplexen und fertig montierten Körpern, beispielsweise Elektromagneten, den Messaufwand deutlich reduziert.
• Die Erfindung sieht dabei für diese Ausführungsform vorzugsweise vor, dass die Brückenschaltung einen zweiten Digital-Analog-Konverter und einen zweiten Verstärker aufweist, wobei der Ausgang des zweiten Digital-Analog-Konverters mit einem Eingang des zweiten Verstärkers verbunden ist. Vor der Messung wird der zweite Verstärker als Spannungsverstärker betrieben und über die Erregerspannung eine Gleichspannung an die Brücke angelegt. Anschließend erfolgt ein Gleichspannungsabgleich der Brückenschaltung mit dem zweiten Digital-Analog-Konverter. Die Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers wird hierbei auf 0 Volt abgeglichen. Nach dem Gleichspannungsabgleich erfolgt die Messung wie bei der Gegenkopplung der Sekundärinduktivität. Die Größe der in der Erregerspule durch die Selbstinduktion induzierten Gegenspannung kann aus den Schaltungsparametern und dem Einstellwert des zweiten Digital-Analog-Konverters berechnet werden.
• Erfindungsgemäß ist der erste Eingang des ersten Verstärkers invertierend und der zweite Eingang des ersten Verstärkers nichtinvertierend ausgebildet.
• Eine definierte magnetodynamische Ausgangssituation des Körpers vor dem Beginn einer Messung kann im erfindungsgemäßen Verfahren durch eine Strom- oder Spannungsgegenkopplung des ersten Verstärkers mit der Erregerinduktivität erfolgen. Dies gelingt insbesondere mit einem Schalter, mittels dessen der erste Eingang des ersten Verstärkers alternativ entweder zum Zweck einer Strom- oder Spannungsgegenkopplung mit der Erregerinduktivität verbindbar oder zum Zweck der Gegenkopplung mit der Induktionsspannung mit deren Abgriff verbindbar ist.
• Vorzugsweise ist dabei der Schalter durch einen Steuerrechner einstellbar. Dies ermöglicht ein zeitlich exaktes Umschalten in Verbindung mit dem Beginn eines Messdurchganges.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
• Dazu zeigen:
• 3 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung,
• 4 eine Vorrichtung mit schaltbarer Gegenkopplung mit der Sekundärinduktivität,
• 5 eine Vorrichtung mit schaltbarer Gegenkopplung mit der Erregerinduktivität,
• 6 gemessene Kennlinien eines Elektromagneten bei feststehendem Anker,
• 7 eine gemessene Kennlinie desselben Elektromagneten während des Anziehens und
• 8 eine gemessene Hystereseschleife eines Elektromagneten.
• 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Messung der Ψ_S(I)-Kennlinien mit einem von der Sekundärinduktivität L_P gegengekoppelten Verstärker 1 erfolgt, der als Leistungsverstärker ausgeführt ist. Dieser ist über einen elektronischen Schalter 2 alternativ in eine Spannungsgegenkopplung mit der in der Sekundärinduktivität L_S induzierten Induktionsspannung U_S oder in eine Spannungsgegenkopplung mit der Erregerspannung U_P, die über Primärinduktivität oder Erregerinduktivität L_P anliegt, schaltbar. Die beiden als Spulen ausgeführten Induktivitäten L_P, L_S umschließen einen gemeinsamen Magnetkreis, wodurch der magnetische Fluss Φ durch beide identisch ist.
• Zu Beginn der Messung wird der elektronische Schalter 2 von einer Spannungsgegenkopplung des Verstärkers von der Erregerinduktivität L_P auf eine sekundärseitige Gegenkopplung umgeschaltet. Danach wird an den nichtinvertierenden Eingang eine kleine positive Eingangsspannung U_E angelegt. Damit die Gegenkopplungsbedingung U_E – U_S = 0 erfüllt ist, erzeugt der Verstärker eine zeitlich zunehmende Erregerspannung U_P und somit einen zeitlich ansteigenden Strom I_P in der Primärinduktivität L_P. Die Flussänderung U_S = dΨ_S/dt in der Sekundärspule L_S bleibt dabei konstant. Wenn ein vorgegebener Maximalstrom I_max erreicht wurde, erfolgt die Umschaltung der Eingangsspannung U_E auf einen negativen Wert. Nach der Neukurve wird jetzt der obere Hysteresezweig durch Abmagnetisierung gemessen. Bei einem vorgegebenen Minimalstrom I_min erfolgt wieder eine Umschaltung auf die anfängliche, positive Eingangsspannung U_E, um den unteren Hysteresezweig aufzunehmen.
• Für Sekundär- und Primärseite gelten folgende Beziehungen:

  
• Die verkettete magnetische Flussänderung Ψ_S hängt von der Höhe der Eingangsspannung U_E und der Messzeit t ab. Sie kann mit der Formel Ψ_S(t) = U_E – t berechnet werden. Eine Integration ist nicht erforderlich. Zur Erstellung der Ψ_S(I)-Kennlinie wird lediglich der Strom I_P(t) in zeitkonstanten Abständen gemessen und aufgezeichnet. Die Ψ_S(I)-Kennlinie ergibt sich dann aus der Kombination der Messwerte I(t_n) und Ψ_S (t_n) = U_E·t_n.
• Nach Ablauf des Messvorganges bei I_Pmax wird die Eingangsspannung U_E auf 0 V gesetzt und der Schalter 2 wird wieder auf Spannungsgegenkopplung umgeschaltet, um den Erregerstrom I_P abzubauen.
• Die Steuerung des Messablaufes kann beispielsweise mit einem Mikrorechner durchgeführt werden. Der Stromverlauf und alle anderen Messwerte werden in zeitkonstanten Abständen an den Rechner gesendet und dargestellt. Nach dem Messvorgang kann die Darstellung der Hysteresekurven am Bildschirm oder eine Ausgabe auf Papier erfolgen.
• Zur Realisierung der Schaltung ist lediglich ein analoger Präzisionsverstärker 1 und eine präzise Eingangsspannungserzeugung erforderlich, beispielsweise mittels eines Digital-Analog-Wandlers.
• Eine solche Schaltung zeigt 4. Der invertierende Eingang des Verstärkers 1 ist hier über einen als Multiplexer ausgeführten elektronischen Schalter 2 alternativ in Stellung a in Spannungsgegenkopplung oder in Stellung b in Stromgegenkopplung mit der Erregerspannung U_P der Primärinduktivität L_P oder in Stellung c in Spannungsgegenkopplung mit der Induktionsspannung U_S schaltbar. Vor der Messung befindet sich der Multiplexer-Schalter 2 in der Schalterstellung a/Spannungsgegenkopplung oder b/Stromgegenkopplung. Zur Messung wird er in die Schalterstellung c zur Gegenkopplung des als Regelverstärker ausgeführten Verstärkers 1 über die Sekundärinduktivität L_S umgeschaltet. Gleichzeitig wird von einem Steuerrechner 3 über einen Digital-Analog-Konverter 4 als konstante Führungsgröße eine kleine Eingangsspannung U_E von beispielsweise 0,1 V an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 vorgegeben, um über den Verstärker 1 die induzierte Gegenspannung U_S auf die Führungsgröße, also die Eingangsspannung U_E auszuregeln. Der so automatisch auf eine kontinuierliche Steigerung ausgeregelte Erregerstrom I_Pn(t_n) wird in zeitdiskreten Schritten zu Zeitpunkten t_n mit dem Steuerrechner 3 aufgezeichnet. Der Erregerstrom I_P wird dazu als Spannungsabfall über einem Messwiderstand 5 mit einem Analog-Digital-Wandler 6 abgegriffen. Die Lösung der Differentialgleichung U_E = U_S = dΨ_S/dt ergibt die Funktion Ψ_Sn(t_n) = U_E·t_n + Ψ₀, aus der der Zusammenhang Ψ_Sn(I) des verketteten Flusses mit dem Magnetisierungsstrom I_P durch Kombination der Messwerte ermittelt wird.
• Die Prüfung oder Messung fertig montierter Elektromagnete kann meist ausschließlich mit einer Erregerspule L_P erfolgen. Zur Messung der Ψ_S(I)-Kennlinien muss die in der Erregerspule L_P induzierte Gegenspannung U_pi erfasst werden. Dies ist mit der in 5 dargestellten Vorrichtung möglich, die eine Brückenschaltung 7 enthält. Bestandteile dieser Brückenschaltung 7 sind unter anderem ein zweiter Digital-Analog-Konverter 8 und ein zweiter Verstärker 9.
• Vor der Messung wird der erste Verstärker 1 in Stellung a des Schalters 2 als Spannungsverstärker betrieben und durch den ersten Digital-Analog-Konverter 4 die Erregerspannung U_P als Gleichspannung an die Brücke 7 angelegt. Danach erfolgt ein Gleichspannungsabgleich der Brückenschaltung 7 mittels des zweiten Digital-Analog-Konverters 8, welcher als digitales Potentiometer durch den Steuerrechner 3 eingestellt wird. Die Ausgangsspannung U_pi' des zweiten Verstärkers 9 wird hierbei auf 0 Volt abgeglichen.
• Nach dem Gleichspannungsabgleich wird der Schalter 2 in die gezeigte Stellung b umgeschaltet. Die Messung erfolgt daraufhin wie bei der Sekundärgegenkopplung mit einer zeitlich veränderlichen Erregerspannung U_P, wobei der erste Verstärker 1 mit der Ausgangsspannung U_pi' des zweiten Verstärkers 9 analog zur Induktionsspannung U_S im Fall der Sekundärspule gegengekoppelt ist. Die Größe der in der Primärspule L_P induzierten Gegenspannung U_pi kann damit aus den Schaltungsparametern und dem Einstellwert des zweiten Digital-Analog-Konverters 8 berechnet werden. Aus der induzierten Gegenspannung U_pi beziehungsweise der Eingangsspannung U_E kann in Verbindung mit einer Messung des Erregerstroms I_P wie oben beschrieben ein Kennlinienfeld des verketteten magnetischen Flusses Ψ_S(I) ermittelt werden.
• Die Messung mit der Erregerspule L_P sollte mit einer wesentlich höheren Eingangsspannung U_E als bei der Gegenkopplung mit einer Sekundärinduktivität erfolgen, um den Abgleichfehler durch die Widerstandserhöhung bei der Erwärmung der Erregerinduktivität L_P möglichst gering zu halten.
• Im Entwicklungsbereich ist die Messung durch eine zusätzlich aufgebrachte Sekundärspule L_S der Messung mit der Erregerspule L_P vorzuziehen.
• Die Art des Messkörpers, beispielsweise Ringkernprobe, Stabprobe, Elektromagnet, und die Parameter der Kennlinienaufnahme können vor jeder Messung vorgegeben werden. Um definierte Anfangsbedingungen vor jeder Messung zu erreichen, kann der Messkörper entmagnetisiert oder vormagnetisiert werden.
• Nach Beendigung der Messung kann eine Kennliniendarstellung als Ψ_S(I)-, Φ(Θ)- oder B(H)-Kennlinienfeld erfolgen. Zur Kurvenbearbeitung sind eine Mittelwertbildung, Kurvennormierung, Datenreduktion und eine Extrapolation der B(H)-Kennlinien möglich.
• Die Speicherung der Messwerte und Aufnahmeparameter kann in Form eines numerischen Datenfelds auf der Festplatte erfolgen. Alle gespeicherten Messdateien können auch wieder eingelesen werden, um Vergleiche mit aktuellen Messungen durchzuführen. Zur Weiterverarbeitung der Messwerte ist auch eine Dateiausgabe im ASCII-Format möglich, um sie in numerischen Programmen zur Feldberechnung nach den Maxwellschen Gleichungen oder in anderen Datenbankmodulen einzulesen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise teilweise in einem Gehäuse gekapselt sein, das Anschlüsse für die Erregerinduktivität, die Sekundärinduktivität und einen Computer aufweist. Die Steuerung der Vorrichtung kann dann beispielsweise über eine serielle Schnittstelle von dem Computer aus mit einer Datenübertragungsrate von 115,2 kBit/s erfolgen.
• Alternativ oder zusätzlich zu der Messung des Erregerstroms I_P, insbesondere über einen Messwiderstand 5, kann die magnetische Feldstärke mittels eines magnetfeldempfindlichen Bauelementes wie einer Hall-Sonde ermittelt werden.
• Zur Qualitätskontrolle ist es oft notwendig, die B(H)-Kennlinien von Magnetstählen zu kontrollieren. Dies sollte in der Wareneingangskontrolle erfolgen, ohne Messproben abschneiden zu müssen. Für diesen Anwendungsfall kann in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Prüfeinrichtung für lineare Stabproben benutzt werden.
• 6 zeigt eine solche lineare Prüfeinrichtung 10, die im Wesentlichen in einem Gehäuse 10.1 die Erregerinduktivität L als Magnetisierungsspule 10.4 und die zur Flussmessung um die Probe gewickelte Sekundärspule L_S als Flussmessspule 10.5 sowie eine zur Feldstärkemessung erforderliche Magnetfeldsonde 10.6 an der Probenoberfläche enthält. Abgebildet sind des Weiteren Flussleitstücke 10.2. Die lineare Prüfeinrichtung 10 wird an den verbleibenden Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der wie oben beschrieben beispielsweise in einem eigenen Gehäuse angeordnet ist, durch Steckerverbindungen angeschlossen. Zum Messen wird die lineare Prüfeinrichtung auf eine Stabprobe 10.3 aufgeschoben. Daraufhin erfolgt die Kennlinienaufnahme der Magnetstähle. Die Prüfung von Stabproben 10.3 mit unterschiedlichem Querschnitt kann durch entsprechende Adapterstücke erfolgen. Die Ausgabe der Messwerte kann anschließend als B(H)-Kennlinie erfolgen.
• Die Messung von Ψ_S(I)-Kennlinien an Elektromagneten liefert wesentliche magnetische Zusammenhänge über die Funktion von Elektromagneten als elektro-magnetomechanischer Energiewandler. Durch Messung der Ψ_S(I)-Kennlinien bei abgefallenem und angezogenem Anker oder in Ankerzwischenstellungen kann die magnetische Energie berechnet werden, die maximal in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Sie wird von der mechanischen Konstruktion und den eingesetzten Magnetwerkstoffen bestimmt und sollte für gegebene geometrische Abmessungen möglichst groß sein. 7 zeigt die Ψ_S(I)-Kennlinien bei feststehendem Anker für den minimalen und maximalen Luftspalt. Die obere Kurve zeigt den Zustand mit angezogenem Anker, die untere Kurve den Zustand mit abgefallenem Anker. Die Fläche zwischen den beiden Kurven kennzeichnet die magnetische Energie, die teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
• In 8 ist der Ankeranzug eines unbelasteten Ankers dargestellt. Die ausgenutzte mechanische Energie wird dargestellt durch die Fläche zwischen dieser Kurve und der Kurve für den angezogenen Anker in 6. Die vorhandene magnetische Energie wird in diesem Fall nur teilweise ausgenutzt.
• Eine weitere Möglichkeit zur Kontrolle der Fertigung besteht in der Darstellung der gesamten Hystereseschleife bei angezogenem Anker. Eine solche ist in 9 abgebildet. Ein zu breiter Kennlinienverlauf kann höhere Haftkräfte hervorrufen und den Ankerabfall verhindern. Die Höhe der Kennlinien am Kennlinienende gibt Auskunft über das Magnetmaterial und die Fertigungstoleranzen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind außer für das Messen und/oder Prüfen von Material auch für Regel- und Steuerverfahren verwendbar, beispielsweise um Antriebskennlinien zu ermitteln, Elektromagnete im optimalen Ansteuerbereich zu fahren oder um festzustellen, ob ein Elektromagnet angezogen hat. Dazu kann insbesondere auch die Brückenschaltung 7 unabhängig von der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Verstärker

2

Schalter

3

Steuerrechner

4

Digital-Analog-Konverter

5

Messwiderstand

6

Analog-Digital-Konverter

7

Brückenschaltung

8

Zweiter Digital-Analog-Konverter

9

Zweiter Verstärker

10

Lineare Prüfeinrichtung

10.1

Gehäuse

10.2

Flussleitstück

10.3

Stabprobe

10.4

Magnetisierungsspule

10.5

Flussmessspule

10.6

Feldmesssonde

L_P

Primärinduktivität

L_S

Sekundärinduktivität

W_P

Primärwindungszahl

W_S

Sekundärwindungszahl

R_P

Primärwiderstand

R_S

Sekundärwiderstand

L

Länge des Magnetkreises

A

Querschnitt des Magnetkreises

I_P

Erregerstrom

U_S

Induktionsspannung

U_pi

Gegenspannung

Θ

magnetische Durchflutung

Φ

magnetischer Fluss

Ψ_S

verketteter Fluss, sekundärseitig

H

magnetische Feldstärke

B

magnetische Flussdichte

M

Kopplungsfaktor

t, t_n

Zeitdauer

Claims (15)

1. Verfahren zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen, wobei über eine elektrische Erregerspannung (U_P) mittels eines Erregerstroms (I_P) ein magnetischer Fluss (Φ) in einem Körper erregt sowie eine von dem magnetischen Fluss (Φ) induzierte Induktionsspannung (U_S, U_pi') ermittelt und anhand der Induktionsspannung (U_S, U_pi') eine magnetische Kenngröße des Körpers ermittelt wird, wobei der Erregerstrom (I_P) durch eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung (U_S, U_pi') geregelt wird, durch die Gegenkopplung die Induktionsspannung (U_S, U_pi') auf eine als Führungsgröße konstant vorgegebene Eingangsspannung (U_E) ausgeregelt wird und der zeitliche Verlauf des Erregerstroms (I_P) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Schalters (2) ein erster, invertierender Eingang eines ersten Verstärkers (1) zum Zweck der Strom- oder Spannungsgegenkopplung mit einer am Körper angeordneten Primärinduktivität (L_P) verbunden wird, um eine magnetodynamische Ausgangssituation des Körpers vor dem Beginn einer Messung zu definieren, wobei anschließend mittels des Schalters (2) der erste Eingang des ersten Verstärkers (1) zum Zweck der Gegenkopplung mit der Induktionsspannung (U_S, U_pi') mit deren Abgriff an einer am Körper angeordneten Sekundärinduktivität (L_S) verbunden wird, wobei durch Anlegen der Eingangsspannung (U_E) an einen nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers (1) eine Spannung an einem Ausgang des ersten Verstärkers (1), die als Erregerspannung (U_P) zur Erzeugung eines Erregerstroms (I_P) durch die Primärinduktivität (L_P) verwendet wird, so variiert wird, dass der Erregerstrom (I_P) kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Maximalwert und/oder Minimalwert erhöht beziehungsweise verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine positive Eingangsspannung (U_E) angelegt und die Eingangsspannung (U_E) nach Erreichen eines vorgegebenen Maximalstroms (I_max) durch den Erregerstrom (I_P) auf einen negativen Wert umgeschaltet wird, um einen oberen Hysteresezweig durch Abmagnetisierung zu messen, wobei die Eingangsspannung (U_E) nach Erreichen eines vorgegebenen Minimalstroms (I_min) durch den Erregerstrom (I_P) auf den positiven Wert umgeschaltet wird, um einen unteren Hysteresezweig zu messen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf des Messvorgangs bei Erreichen des Maximalstroms (I_max) die Eingangsspannung (U_E) auf 0 gesetzt und der Schalter auf Spannungsgegenkopplung mit der Primärinduktivität (L_P) umgeschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerstrom (I_P) in zeitdiskreten Schritten aufgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitdiskreten Schritte äquidistant sind.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung (U_E) oder die Induktionsspannung (U_S, U_pi') mit der Zeitdauer (t) seit dem Beginn des Verfahrens multipliziert wird.
7. Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen eines Körpers mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Erregerinduktivität (L_P), wobei über eine elektrische Erregerspannung (U_P) mittels eines durch die Erregerinduktivität (L_P) fließenden Erregerstroms (I_P) ein magnetischer Fluss (Φ) in einem Körper erregbar sowie eine von dem magnetischen Fluss (Φ) induzierte Induktionsspannung (U_S, U_pi') ermittelbar und anhand der Induktionsspannung (U_S, U_pi') eine magnetische Kenngröße des Körpers ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerstrom (I_P) mittels eines Schalters (2) in eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung (U_S, U_pi') schaltbar ist, wobei ein erster Verstärker (1) mit einem ersten invertierenden und einem zweiten nichtinvertierenden Eingang sowie einem Ausgang vorgesehen ist, wobei mittels des Schalters (2) der erste Eingang des ersten Verstärkers (1) alternativ entweder zum Zweck einer Strom- oder Spannungsgegenkopplung mit der Erregerinduktivität (L_P) verbindbar oder zum Zweck der Gegenkopplung mit der Induktionsspannung (U_S, U_pi') mit deren Abgriff verbindbar ist, wobei der erste Verstärker (1) im Falle der Gegenkopplung die Induktionsspannung (U_S, U_pi') auf eine als Führungsgröße vorgebbare Eingangsspannung (U_E) ausregelt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen ersten Digital-Analog-Konverter (4), dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers (1) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Steuerrechner (3), welcher mit dem Eingang des ersten Digital-Analog-Konverters (4) verbunden ist und diesen steuert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerrechner (3) mit einem Analog-Digital-Konverter (6) verbunden ist, dessen Eingang eine Spannung über einem Messwiderstand (5) im Stromkreis der Erregerinduktivität (L_P) abgreift.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerrechner (3) zur Aufnahme des Erregerstroms (I_P) und/oder der Erregerspannung (U_P) und/oder der Induktionsspannung (U_S, U_PI') und/oder ein Signal eines magnetfeldempfindlichen Bauelementes mit mehreren Analog-Digital-Konvertern und/oder über einen Analog-Digital-Konverter mit einem Multiplexer verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang des ersten Verstärkers (1) über eine abgleichbare Brückenschaltung (7) mit der Erregerinduktivität (L_P) verbunden oder zumindest für den Fall der Gegenkopplung verbindbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (7) zum Abgleich einen zweiten Digital-Analog-Konverter (8) und einen zweiten Verstärker (9) aufweist, wobei der Ausgang des zweiten Digital-Analog-Konverters (8) mit einem Eingang des zweiten Verstärkers (9) verbunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (2) durch einen Steuerrechner (3) einstellbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Körpers ein oder mehrere magnetfeldempfindliche Bauelemente zur Messung der magnetischen Feldstärke angeordnet sind.

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