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Schaltungsanordnung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung der elektrischen
Leitfähigkeit von Metallproben oder Legierungen mit einem Röhrenoszillator mit abgestimmter
Anode und abgestimmtem Gitter, dessen Ausgang mit dem Eingang einer Detektorstufe
verbunden ist.
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Es sind bereits Verfahren zur elektrodenlosen Bestimmung der Leitfähigkeit
eines Stoffes durch Messung der Hochfrequenzverluste in dem Stoff vermittels einer
Schwingschaltung bekannt. Es sind auch Verfahren vorgeschlagen worden zur Bestimmung
der elektrischen Leitfähigkeit eines Stoffes, die auf der Bestimmung des komplexen
Stromwiderstandes in einer Meßanordnung beruhen, nach denen der zu untersuchende
Stoff einem oder mehreren Belägen derart gegenübergestellt wird, daß der Verschiebungsstrom
überwiegend durch ein konstantes Dielektrikum und der Leitungsstrom durch den zu
untersuchenden Stoff läuft. Hierbei werden verschiedene Meßverfahren verwendet,
beispielsweise Frequenz- oder Kapazitätsänderungen, mit einer Brückenschaltung oder
nach dem Phasensprungverfahren oder mit einem Schwingaudion.
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Bekannt sind auch Anordnungen zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften
von Stoffen mit verhältnismäßig geringer Leitfähigkeit, wobei das Meßkondensatorfeld
ausgenutzt wird und außer der Kapazitätänderung auch die Größe des Verlustwiderstandes
zur Messung herangezogen wird.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung für
eine tragbare batteriegespeiste Meßvorrichtung, die gegen Schwankungen in der Batteriespannung
im wesentlichen unempfindlich ist und somit gleichbleibend genaue und vergleichbare
reproduzierbare Meßwerte ergibt, wodurch außerdem die Betriebszeit erhöht wird.
Weiterhin soll die Schaltungsanordnung bzw. daß Meßgerät wirtschaftlicher in der
Herstellung sein.
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Erfindungsgemäß wird das bei der eingangs genannten Schaltung dadurch
erreicht, daß eine selbsttätige gleichstromgekoppelte Gegenkopplung vorgesehen ist,
die zwischen der Oszillatorstufe und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle
liegt.
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In Verfolg des Erfindungsgedankens enthält die abgestimmte Gitterschaltung
der Oszillatorstufe zwei in Serie geschaltete Kapazitäten und eine durch eine veränderbare
Kapazität zwischen der Anode der Oszillatorröhre und der Verbindung der beiden in
Serie geschalteten Kapazitäten bewirkte Gegenkopplung zwischen dem abgestimmten
Anodenkreis der Oszillatorstufe und dem abgestimmten Gitterkreis.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung und den Zeichnungen
beschrieben bzw. dargestellt.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel
zeigt, näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Schaltung eines elektrischen Meßinstrumentes gemäß
der Erfindung; Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Meßkopf des In-Instrumentes auf
der Linie II-II der Fig. 3, und Fig. 3 ist ein Schnitt auf der Linie III-III der
Fig. 2.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung für ein tragharzes batteriebetriebenes
Instrument dient dazu, die elektrische Leitfähigkeit einer Metallprobe zu messen.
und enthält eine Oszillatorstufe mit abgestimmter Anode und abgestimmtem Gitter,
deren Ausgangsspannung zu einer Detektorstufe geleitet wird. Die Oszillatorstufe
enthält eine Pentodenröhre Vt, die vorzugsweise eine solche mit veränderlicher Steilheit
ist, die unter normalen Betriebsbedingungen nur einen sehr kleinen Gitterstrom aufweist
und eine Sperrcharakteristik hat, die eine stabile Schwingung begünstigt. Die Anode
von Vj wird über eine Drosselspule L1 mit der positiven Seite einer Hochspannungsbatterie
B, und dem Bremsgitter der Röhre V1 verbunden, wobei das Bremsgitter mit einer Seite
der Kathode und dem Chassis des Instrumentes verbunden ist. Parallel zur Spule lot
und zueinander sind drei Kapazitäten Ct, C und C5 gestaltet, wobei die Kapazität
C1 als feste Kapazität dargestellt ist, während die Kapazität C2 veränderbar und
in Einheiten der elektrischen Leitfähigkeit geeicht und die Kapazität C5 ein Luftkondensatortrimmer
ist. Falls gewünscht,
kann die Kapazität C1 in Stufen veränderbar
sein, um Bereiche von mit dem Instrument meßbaren Leitfähigkeiten auszuwählen. Der
abgestimmte Gitter kreis enthält eine Drosselspule L2 mit zwei in Serie und parallel
zu ihr geschalteten Kapazitäten C4 und CD wobei die Kapazität C4 eine größere Kapazität
als die Kapazität C5 aufweist. Die Drosselspule L2 ist an einer Seite mit dem Chassis
des Instrumentes und auf der anderen Seite über eine Kapazität C7 mit dem Steuergitter
der Röhre Vt verbunden. Eine Rückkopplung zwischen der Schaltung mit abgestimmtem
Gitter und der Schaltung mit abgestimmter Anode der Röhre V1 ist vermittels eines
Luftkondensatortrimlners C6 vorgesehen, der zwischen die Anode der Röhre 1-1 und
die Verbindung der Kapazitäten C4 und C5 geschaltet ist.
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Die vorliegende Erfindung hat, worauf bereits oben hingewiesen wurde,
die Wirkung, die Schaltung gegen Schwankungen der Spannungsquelle stabil zu machen.
und ist von sehr großem Wert dort, wo das Instrument in Verbindung mit Batterien
verwendet werden soll.
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Die Schaltung gemäß der Erfindung hat ferner die Wirkung, die Wanderung
der Eichung in sehr erheblichem Maße zu verkleinern, was bei einem guten Betrieb
der Meßvorrichtung sehr wesentlich ist.
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Die Detektorstufe enthält eine Pentodenröhre T,. deren Steuergitter
mit der Anode der Röhre I; durch eine Kapazität C8 und mit dem Chassis des Instrumentes
durch einen Widerstand R1, welcher in Serir mit einer Vorspannungsbatterie B.2 liegt,
verbunden ist. Die Anode der Röhre V2 ist über einen Widerstand R2 und ein Mikroamperementer
M mit der positiven Seite der Hochspannungsbatterie B1 und mit dem Schirmgitter
verbunden. Der Widerstand R.2 hat die Größenordnung 100 kObm und schützt die Meßvorrichtung
M gegen Überlastung. Er hat jedoch infolge der konstanten Stromcharakteristik der
Röhre 1% wenig Einfluß auf ihre Empfindlichkeit als Schwingungsanzeiger. Die Anode
der Röhre [% ist mit dem Chassis des Instrumentes mit einem Überbrüdkungskondensator
C9 verbunden, und die positive Seite der Hochspannungsbatterie ist ebenfalls mit
dem Chassls druch eine ähnliche Kapazität C10 verbunden. Das Bremsgitter der Röhre
V2 ist mit einem Ende der Kathode von V2 und mit dem Chassis verbundell. während
das zweite Ende der Kathode von V2 mit einem Ende der Kathode der Rohre V1 verbunden
ist und über einen Schalter S mit der positiven Seite einer A5iederspamlungsbatterie
Bss deren negative Seite mit dem Chassis verbunden ist. Die negative Seite der Speisespannungsbatterie
B1 ist mit dem Steuergitter der Röhre V1 über einen Widerstand R3 verbunden und
mit dem Chassis über einen selbsttätigen Gleichstromkopplungswiderstand R4, dem
eine Überbrückungskapzität C11 parallel geschaltet ist.
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Die Drosselspule L2 ist in einem Untersuchungs-oder Meßkopf angeordnet,
der in Fig. 2 dargestellt ist. und wird dadurch gebildet, daß 500 Windungen Emailledraht
auf das innere Teil 1 einer Preßkernanordnung gewickelt werden, der einen Querschnitt
eines rotierenden E hat, so daß ein zylindrisches Teil 2 und das innere Teil 1 gebildet
werden. das koaxial mit dem Teill 2 ist. Die Kernanordnung befindet sich in einer
zylindrischen Bohrung 3 innerhalb eines Gehäuses 4 und ist mit einer Kappe 5 versehen.
um eiii Ende der Bohrung 3 abzuschließen. Das andere Ende der Bohrung 3 ist vergrößert
wie bei 6, um eine ringförmige Schulter 7 zu bilden, und durch einen Deckel 8 abgeschlossen.
Drei Durchführungen 9 gehen durch das Gehäuse 4 parallel mit der Achse der Bohrung
3 und im gleichen Winkelabstand zueinander, wobei ein
Ende sich in die Schulter 7
öffnet. Die Durchführungen 9 haben einen leicht verkleinerten Durchmesser an ihrem
äußersten Ende von der Schulter 7 abliegend, und eine kleine Kugel 10 ist in jede
Durchführung 9 eingelassen, so daß diese aus derem reduzierten Ende herausragt und
dort zurückgehalten wird. Eine Druckfeder 11 ist in jeder Durchführung 9 angebracht,
so daß sie an einem Ende auf der Kugel 10 aufliegt, und wird in der Durchführung
durch einen Metallring 12 zurückgehalten, der in den vergrößerten Teil 6 der Bohrung
3 drückt und auf der Schulter 7 ruht. Der Prüfkopf wird mit dem Instrument durch
ein Stück koaxialen Kabels 13 verbunden, dessen äußerer Leiter mit den Chassis des
Instrumentes und dem Ring 12 verbunden ist. Der innere Leiter ist elektrisch mit
einem Ende durch einen Leiter 14 verbunden mit einem Ende der Drosselspule L2 und
am anderen Ende mit der Kapazität C7. Das andere Ende der Drosselspule L2 ist über
einen Leiter 15 mit dem Ring 12 verhunden.
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Beim Gebrauch des beschriebenen Instrumentes wird der Schalter S
geschlossen und der Prüfkopf an die Oberfläche des Metalls, das gepfüft werden soll,
angelegt. so daß die drei Kugeln 10 auf dessen Oberfläche ruhen und der Drosselspule
einen passenden Abstand davon geben, während diese gleichzeitig dazu dienen. das
zu prüfende Metall mit dem Chassis des Instrumentes zu verbinden. wodurch eine etwaige
Streukapazität der Spule der Drosselspule L2 stabilisiert wird. Der Einfluß dieser
Streukapazität, der beobaclitet werden kann, wenn man eine Probe mit einem isolierenden
Überzug prüft. ist sehr klein. aber kann, falls gewünscht, eliminiert werden, indem
man die gesamte Kernanordnung mit kolloidalem Graphit überzieht, wobei dieser Überzug
elektrisch durch die Kugeln 10 mit dem Classis des Instrumentes verbunden wird und
als Feradavschirm um den Kern dient.
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Es wird bemerkt, daß die Schwingungsbedingungen der Schwingungstufe
von der abgestimmten Impeglanz der l)rosselspule L2 abhängen, und dieses wiederum
hängt von dem zu untersuchenden Material ah.
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Es ist zweclilnäßig, die Konstanten der Oszillatorstufe so zu wählen.
daß sie bei ungefähr 100 kHz schwingt. Die \Vahl der Konstanten der Detektorstufe
ist so getroffen. daß die Röhre V2 normalerweise sperrt, wenn die Oszillatorstufe
nicht schwingt. Unter diesen Verhältnissen entnimmt die Röhre V1 im wesentlichen
den gesamten Strom von der Hochspan nungsbatterie B1, und dieser Strom läuft durch
den Riickkopl) lullgswiderstalld R4 mit selbsttätiger Gleichstromgegenkpplung. der
eine Vorspannung für die Röhre V1 liefert und die Arbeit der Oszillatorstufe stabilisiert
und sie im wesentlichen unabhängig von kleinen Schwankungen der Spannung der Speisebatterie
B1 macht., wie sie beim normalen N'erbrauch auftreten.
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Wenn die Schwingung der Oszillatorstufe abreißt, wird der Widerstand
R4 noch eine Stabilisationswirkung liefern. während die erhöhte Rückkopplung, die
auftritt. wenii die Röhre V@ leitend ist. dazu dient. die Amplitude der Schwingungen
zu begrenzen und jede Neigung zu willkürlichem Verhalten zu verhindern.
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Die Schaltung mit abgestimmter Anode der Röhre V1 wird auf eine Frequenz
abgestimmt, die etwas höher ist als die. auf welche die Schaltung mit abgestimmtem
Gitter abgestimmt ist. Wenn der Prüfkopf auf die Oberfläche des zu untersuchenden
Metalls gelegt wird. so sinkt die induktive Impedanz der Drosselspule L2 um einen
Betrag, der von der elektrischen
Leitfähigkeit des Metalls abhängt
und ihre Widerstandsimpedanz steigt. Die Oszillatorstufe wird zu schwingen beginnen,
wenn die Inphaseverstärkung der Rückkopplung infolge der Kapazität C6 größer als
Eins wird. Diese Verstärkung ist von mehreren Faktoren abhängig. Sie kann indessen
entweder durch eine Änderung in dem Verlust der Induktanz der Drosselspule L2 geändert
werden oder durch eine Anderung in der Anodenbelastungsimpedanz der Röhre Vt, so
daß eine Schwankung in einer Röhre durch eine Änderung der anderen ausgeglichen
werden kann. Die Anodenbelastungsiinpedanz wird durch die Kapazität C2 gesteuert,
die in Einheiten elektrischer Leitfähigkeit geeicht ist. Die Wanderung der Eichung
des Instrumentes ist klein infolge der Wirkung des Rückkopplungswiderstandes R4.
Es können indessen Einstellungsänderungen durch Ändern der Kapazität C. vorgenommen
werden.
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Bevor irgendwelche quantitativen Messungen vorgenommen werden, läßt
man das Instrument sich einige Minuten stabilisieren, nachdem es eingeschaltet ist.
und der Prüfkopf wird dann auf die Oberfläche eines Standard-Metallstückes bekannter
elektrischer Leitfähigkeit gesetzt, und die Kapazität C2 wird auf einen Wert gebracht.
der dieser bekannten elektrischen Leitfähigkeit entspricht. welcher vorzugsweise
in der Nähe eines Endes der Skala liegen soll. Die Kapazität C3 wird dann eingestellt,
bis Schwingungen gerade lieginnen, wie durch das Meßinstrument ll angezeigt wird.
Das Instrument ist dann fertig zum Gebrauch.
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Indessen muß von Zeit zu Zeit eine zusätzliche Prüfung mit einem anderen
Standardstück von Metall gemacht werden. das eine bekannte Leitfähigkeit am anderen
Ende der Skala hat. Wetm die Differenz zwischen den beiden Ahlesungen merklich kleiner
ist, als sie sein sollte, dann ist eine Auswechselung der Batterie erforderlich.
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Der Prüfkopf wird dann an die Oberfläche des geprüften Metalls gesetzt
und die Kapazität C2 eingestellt, bis Schwingungen gerade beginnen, wie durch das
Meßinstrument M angezeigt wird, dadruch, daß die Röhre V2 beginnt, Strom druchzulassen.
Der Wert der elektrischen Leitfähigkeit des Probestückes kann auf der geeichten
Skala. die zu der Kapazität C2 gehört, abgelesen werden. Das zu untersuchende Probestück
sollte eine Fläche haben, die mindestens etwas größer als der Durchmesser der Fläche
des Prüfkopfes ist. der hier gezeigt ist. und sollte eine Dicke aufweisen, die mindestens
dreimal so groß ist als die Hauttiefe der Stromdurchdringung hei der Arbeitsfrequenz.
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Die Dimensionen des Prüfkopfes können ziemlich klein sein, so daß
er dazu verwendet werden kann, eine Probe zu prüfen mit einem Mindestdurchmesser
von ungefähr 19 mm und einer Mindestdicke von 0,508 mm.
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Es wird darauf hingewiesen, daß der Abstand der Drosselspule L, von
der Oberfläche des zu prüfenden Metalls nicht kritisch ist. und zwar aus folgenden
Gründen: Wenn der Prüfkopf um eine Isleine Entfernung von den Oberflächen der induktiven
Impedanz derDrosselspule L., hinwegbewegt wird. so steigt die induktive Impedanz
der Drosselspule L2 an und verkleinert ihre Wi derstandsimpedanz. Das Ergebnis eines
Anstiegs der induktiven Impedanz ändert die Schwingungsfrequenz der Gitterschaltung.
Hierdurch wird die Anodenkreisimpedanz vermindert und die Rückkopplung zum Gitter
vermindert. Der Abfall in der Widerstandsimpedanz der Gitterschaltung strebt danach.
die Rückkopplung zu erhöhen und die Schaltung wird
so eingestellt, daß diese Erhöhung
der Rückkopplung ausgeglichen wird durch den Abfall der Rückkopplung infolge der
Frequenzänderung. Wenn ein anderes Metallmuster geprüft wird, so werden sowohl die
induktive Impedanzkomponente als auch die Widerstandskomponente der Impedanz verändert,
und zwar in derselben Weise, und diese Änderung ist additiv und kann gemessen werden.
indem man die Impedanz des Anodenkreises mittels der Kapazität C2, wie beschrieben,
verändert.
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Es wird bemerkt, daß nach der vorangegangenen Beschreibung ein elektrisches
Meßinstrument zur Messung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Metalls konstruiert
werden kann in Form eines kleinen batteriebetriehenen tragbaren Instrumentes, dessen
Genauigkeit im wesentlichen unabhängig von kleinen Schwankungen der Speisespannung
ist. so wie sie normalerweise bei Batterien im Gebrauch angetroffen werden. Das
Instrument kann dazu in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. beispielsweise
kann es zu Indentifizierung oder Sortierung von Metallen oder Legierungen verwendet
werden, ferner um Verfahren mit Wärmebehandlung zu prüfen, um Risse festzustellen
und irgendeinen anderen Arbeitsgang zu untersuchen. der die elektrische Leitfähigkeit
des Metalls oder der Legierung ändert.
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Das Instrument kann dazu verwendet werden, um die Dicke von leitenden
nichtmagnetischen Filmen auf nichtleitenden Materialien zu messen, um die Diclte
von leitendem nichtmagnetischem SIaterial zu messen. und kann ebenfalls dazu verwendet
werden, um die Dicke von nichtleitendem Film auf nichtmagnetischen Metallen, wie
ersichtlich. zu messen. Fiir eine derartige Messung wird die Frequenz, auf die der
Anodenkreis abgestimmt wird, niedriger gemacht als die. auf welche der Gitterkreis
abgestimmt ist.