DE1025077B - Aus einem Schwingungskreis bestehende Anordnung zur Untersuchung von Material - Google Patents

Aus einem Schwingungskreis bestehende Anordnung zur Untersuchung von Material

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DE1025077B
DE1025077B DEA25614A DEA0025614A DE1025077B DE 1025077 B DE1025077 B DE 1025077B DE A25614 A DEA25614 A DE A25614A DE A0025614 A DEA0025614 A DE A0025614A DE 1025077 B DE1025077 B DE 1025077B
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voltage
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DEA25614A
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Thomas Geoffrey Charles
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    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
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    • G01V3/102Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils by measuring the impedance of the search coil; by measuring features of a resonant circuit comprising the search coil by measuring amplitude
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Description

  • Aus einem Schwingungskreis bestehende Anordnung zur Untersuchung von Material Es ist bekannt, daß sich die Güte eines Schwingungskreises ändert, wenn ein Gegenstand in ein von dem Schwingungskreis erzeugtes magnetisches oder elektrisches Feld gebracht wird, und daß der Grad der Änderung abhängig von dem Werkstoff des Gegenstandes ist. Es ist weiter bekannt, diese Erscheinung zur Herstellung von Metalldetektoren, Anordnungen für Erz- und Kohiensortierung u. dgl. auszunutzen. Wenn eine solche Anordnung praktisch verwendbar sein soll, muß sie aber eine sehr hohe Empfindlichkeit für Änderungen der Güte des Schwingungskreises haben.
  • Bei einer bekannten Anordnung mit hoher Empfindlichkeit besteht der Schwingungskreis aus einem Parallel resonanzkreis, der den Gitterkreis eines sogenannten »Franklinoszillators« bildet. Der Franklinoszillator besteht aus zwei widerstandsgeko, ppelten Elektronenröhren in Kaskade mit einer Rückkopplungsverbindung von der Anode der zweiten Röhre zum Gitter der ersten Röhre. Der Rückkopplungskreis enthält einen großen Reihenwiderstand, der zusammen mit der Resonanzimpedanz für den Parallel resonanzkreis zwischen Gitter und Kathode der ersten Röhre einen Spannungsteiler bildet, welcher den Rückkopplungsgrad des Oszillators bestimmt. Da die Resonanzimpedanz des Schwingungskreises proportional zu dlessen Gütefaktor ist, wird der Rückkopplungsgrad abhängig von dem Gütefaktor, und wenn der Oszillator in der Nähe des kritischen Rückkopplungsgrades und auf einem geraden Teil der Röhrenkurven arbeitet, wird die Schwingungsamplitudee sehr stark abhängig von dem Gütefaktor. Indem man die Änderung der Schwingungsamplitude mißt, kann man auf diese Weise z. B. ein Metallteilchen entdecken, das in die Spule des Schwingungskreises gebracht wird, auch wenn der Durchmesser des Teilchens kleiner als ein Tansendstel des Durchmessers der Spule ist.
  • Die bel. annte Meßanordnung ist jedoch stark abhängig von den Röhrendaten, und eine Empfindlichkeit, wie die oben angedeutete, läßt sich nur verwirklichen, wenn der Oszillator mit einer Anordnung für selbsttätige Amplitudenregelung versehen wird; sie wirkt aber mit einer Verzögerung, so daß vorübergehende Änderungen der Amplitude sich geltend machen können. Die Amplitudenregelung muß sehr stark sein, deshalb erfordert der Regelkreis eine oder mehrere Verstärkerstufen außer den bei den Stufen im Oszillator.
  • Die Erfindung bezweckt die Ausbildung einer Anordnung für Materialuntersuchungen der genannten Art, die eine so gute Stabilität aufweist, daß bei kurzfristigen Messungen ein Amplitudenregelungskreis nicht mehr erforderlich ist, und die, falls sie mit einem Amplitudenregelungskreis verbunden wird, eine Empfindlichkeit erhält, die die bisher erreichte übersteigt, und trotzdem mit einer einzigen Elektronenröhre ausführbar ist, die gemeinsam für den Oszillatorteil und den Amplitudenregelungsteil ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskreis des Ozillators aus einem Reihenresonanzkreis besteht und der Rückkopplungsgrad des Oszillators durch das Verhältnis der Spannung über einem induktiven oder kapazitiven Element des Schwingungskreises zu seiner Speisespannung bestimmt ist.
  • Da bei Resonanz das Verhältnis der Spannung an der Spule oder am Kondensator eines Reihenresonanzkreises zu der Speisespannung des Kreises gleich dem Gütefaktor des Kreises ist, ist in einer solchen Schaltung der Rückkopplungsgrad immer proportional zum Giitefaktor, und der Rückkopplungsgrad kann sehr leicht größer als Eins gemacht werden. Der im Oszillator r enthaltene Verstärker braucht deshalb keine hohe Spannungsverstärkung zu haben, sondern nur als Leistungsverstärker zu arbeiten Die sich aus der Unlinearität und der Abhängigkeit von den Röhrendaten bisher ergebenden Schwierigkeiten entfallen bzw. sind unbedeutend.
  • Besonders vorteilhaft ist die Anwendung einer kathodengekoppelten Elektronenröhre als Oszillator zusammen mit dem Schwingungskreis.
  • Die Wirkungsweise der Erfindung ist an Hand der Zeichnung erläutert, in der Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsformen zeigen. Der prinzipielle Aufbau u des Oszillators ist der gleiche in den beiden Ausführungsformen, aber die Elektronenröhre in Fig. 2 ist sowohl als Oszillatorröhre wie auch als Verstärker für die Ausgangsspannung verwendet. Die Anordnung in Fig. 2 ist außerdem mit einem Kreis für Amplitudenregelung versehen.
  • In Fig. 1 bedeutet 10 eine Elektronenröhre mit Kathode 11, Gitter 12 und Anodel3. Die Anodel3 der Röhre ist am Pluspol einer Batterie 16 und die Kathode 11 ist in Reihe mit zwei Kathodenwiderständen 17 und 18 am Minuspol der Batterie 16 angeschlossen, der mit der Erdungsklemme 15 verbunden ist. Zwischen Gitter 12 und Erde ist eine Spule 20 geschaltet und parallel zu dieser zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 21 und 22. Der Verbindungspunkt der Kondensatoren 21 und 22 ist am Verbindungspunkt der Kathoden widerstände 17 und 18 angeschlossen. Eine Ausgangsklemme 25 ist über einen Sperrkondensator 26 mit der Kathode 11 der Röhre verbunden. Der Kondensator22, der parallel zum Kathodenwiderstand 17 liegt, ist groß im Vergleich zum Kondensator 21 und sein Blindwiderstand bei der Arbeitsfrequenz der Anordnung niedrig im Vergleich mit dem Widerstand 17. Die Röhre 10 zusammen mit der Batterie 16 und der Kathodenimpedanz, die aus dem Widerstand 18, dem Widerstand 17 und dem Kondensator 22 besteht, die unter sich parallel und mit dem Widerstand 18 in Reihe geschaltet sind, kann als ein kathodengekoppelter Verstärker betrachtet werden, der mit einem Reihenresonanzkreis belastet ist, bestehend ans Spule 20 und Kondensator 21. Auf Grund der Rückkopplung des Schwingungskreises zum Gitter der Röhre wird die gezeigte Anordnung als Oszillator arbeiten, obwohl die Spannungsverstärkung vom Gitter 12 zum Ausgang über den Kondensator 22 kleiner als Eins ist. Dies beruht darauf, daß die erforderliche Spannungsverstärkung durch den Reihenresonanzkreis erreicht wird.
  • Wie bekannt, ist das Verhältnis der Spannung über der Spule eines Reihenresonanzkreises zur Erregerspannung des Kreises gleich dem Gütefaktor des Kreises bei Resonanz, und der Reihenresonanzkreis kann deshalb leicht eine Spannungserhöhung bewirken, die größer als Eins ist, in gewissen Fällen mehrere hundertmal. Die Spannung an der Spule liegt jedoch 900 phasenverschoben im Verhältnis zur Erregerspannung des Resonanzkreises, und der Kondensator 22 in der gezeigten Schaltung hat die Aufgabe, eine so große Phasendrehung der Ausgangsspannung des Verstärkers zu bewirken, daß die rücL-gekoppelte Spannung die richtige Phasenlage erhält.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Anordnung ihre größte Empfindlichkeit erreicht, wenn die Phasendrehung im Kondensator 22 etwas unvollständig ist, so daß der Oszillator mit einer Frequenz arbeitet, die ein klein wenig von der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises abweicht. Der Widerstand 18 hat die Aufgabe, zusammen mit dem inneren Widerstand der Röhre den Reihenwiderstand zu bilden, der notwendig ist, um die Phasendrehung der Ausgangsspannung zu erreichen. Der Widerstand 18 vermindert auch die Spannungsverstärkung, so daß die gesamte Kreisverstärkung im Oszillator gleich Eins wird, ohne daß Sättigungserscheinungen von Bedeutung aufzutreten brauchen. Der Widerstand 17 hat lediglich die Aufgabe, Gleichstrom der Röhre zuzuführen, so daß der richtige Arbeitspunkt erhalten wird; er kann z. B. durch eine große Selbstinduktion ersetzt werden.
  • Versuche haben gezeigt, daß die Schaltung in Fig. 1 trotz ihrer Einfachheit eine außerordentliche Empfindlichkeit für die Änderungen im Gütefaktor des Sclhwingungskreises aufweist, die entstehen, wenn ein zu untersuchendes Material in das Magnetfeld der Spule 20 oder das elektrische Feld des Kondensators 21 gebracht wird. Dieses beruht darauf, daß der Rückkopplungsgrad des Oszillators direkt proportional dem Gütefaktor des Kreises ist, während gleichzeitig die außerordentliche Stabilität des kathodengekoppelten Verstärkers es möglich macht, den Oszillator nahe an dem kritischen Rückkopplungsgrad arbeiten zu lassen.
  • Obwohl die Schaltung in Fig. 1 eine sehr gute Stabilität aufweist, ist es oft wünschenswert, die Amplitude zu stabilisieren, so daß langsame Änderungen in den Daten des Oszillators nicht die Funktion der Anordnung stören. Dadurch kann man unter anderem erreichen, daß die Anordnung nicht erneut eingestellt zu werden braucht, wenn die Lage der Meßorgane, d. h. der Spule 20 oder des Kondensators 21 im Verhältnis zur Umgebung verändert wird.
  • Eine Anordnung, die diese Forderung erfüllt, ist in Fig. 2 gezeigt, wo die Ziffernhinweise von Fig. 1 an äquivalenten Elementen wiederholt sind. Die RöhrelO zusammen mit dem Kathodenwiderstand 17 und dem Kondensator 22 arbeitet als Kathodenfolger und speist den Reihenresonanzkreis mit der Spule 20 und dem Kondensator 21. Das Gitter 12 der Röhre ist an der Spule 20 über einen Sperrkondensator 23 angeschlossen, der die Aufgabe hat, das Gitter gleichstrommäßig von Erde zu trennen. Der Kathodenwiderstand 8 in Fig. 1 ist in Fig. 2 durch einen Anodenwiderstand 19 ersetzt, von weichem eine Wechselspannung über einen Sperrkondensator 27 einem Gleichrichter in Spannungsverdopplerschaltung zugeführt wird. Diese enthält die Ventilelemente 31 und 32 sowie einen Kondensator33, der mit einem Widerstand 34 belastet ist. Der Spannung am Kondensator 33, die negativ ist, wird eine positive Spannung überlagert, die an einem Potentiometer abgegriffen wird, das in Reihe mit einem Widerstand 37 an der Batteriel6 angeschlossen ist. Die Differenzspannung wird dem Gitter 12 der Elektronenröhre über ein Verzögerungsglied zugeführt, das aus einem Reihenwiderstand 38 und einem Parallelkondensator 39 besteht. Ein Widerstand 40 ist zwischen Gitter 12 und Kondensator 39 eingeschaltet, damit der Kondensator nicht den Schwingungskreis kurzschließt. Die Gleichspannung, die dem Gitter zugeführt wird, ist negativ, und ihre Größe hängt von der Schwingungsamplitude des Oszillators ab. Ein Zunehmen der Schwingungsamplitude bewirkt eine höhere negative Gitterspannung, wodurch seinerseits die Spannungsverstärkung in der Röhre abnimmt. Einem Zunehmen oder Abnehmen der Schwingungsamplitude wird daher entgegengewirkt; durch eine geeignete Einstellung der Vorspannung vom Potentiometer 36 kann man erreichen, daß der Oszillator immer sehr nahe an seinem Empfindlichkeitsma,uimum arbeitet. Der Verzögerungskreis 38, 39 macht jedoch den Regelungskreis unwirksam gegen schnelle Amplitude änderungen. Wenn ein zu untersuchendes Material durch die elektrischen oder magnetischen Felder vom Schwingungskreis geführt wird, wird der Ausgangsklemme 25 ein Spannungsstoß iiber den Kondensator 26 zugeführt, sobald eine Inhomogenität mit anderen Dämpfungseigenschaften als denen des Grundmaterials die Meßanordnung passiert. Dieser Spannungsstoß kann auf jede beliebige bekannte Weise gemessen oder angezeigt werden, wodurch eine Messung oder Anzeige der Inhomogenität erhalten wird.
  • Da die Elektronenröhre als Kathodenfolger arbeitet, ist der Einfluß der Anodenspannung der Röhre auf die Schwingungsamplitude im Oszillatorkreis sehr gering und wird im gleichen Grad reduziert, wie der Verstärkungsfaktor F zunimmt. Am Anodenwiderstand 19 kann man deshalb einen verstärkten Impuls erhalten. Falls die Röhre aus einer Pentode besteht statt der in der Figur gezeichneten Triode, kann diese Verstärkung sehr groß gemacht werden. Der gewünschte Grad der Amplitudenregelung kann deshalb erreicht werden, ohne daß zusätzliche Verstärkerstufen eingeführt zu werden brauchen, und der Ausgangsimpuls an der Klemme 25 wird auch so stark, daß er direkt einer Meß- oder Anzeigeanordnung zugeführt werden kann, z. B. einem empfindlichen Relais.
  • Die Erfindung ist in den Ausführungsformen gezeigt, wie sie zur Zeit als die geeignetsten angesehen werden, aber die Ausführung g des Oszillators kann selbstverständlich im Rahmen der Erfindung verändert werden. Zum Beispiel kann ein Transistor sehr wohl die gezeigte Elektronenröhre ersetzen..
  • PATENTANSPROCHE: 1. Anordnung zur Untersuchung von Material, bei der diese ein elektrisches oder magnetisches Feld beeinflußt, das vom Schwingungskreis eines Oszillators erzeugt wird, dessen Rückkopplungsgrad von der Gütezahl des Schwingungskreises abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskreis des Oszillators durch einen Reihenresonanzkreis gebildet und der Rüclclcopplungsgrad des Oszillators durch das Verhältnis der Spannung an einem induktiven oder kapazitiven Element des Resonanzkreises zu seiner Erregerspannung bestimmt ist.

Claims (1)

  1. 2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis über eine Impedanz angeschlossen ist, die im Kathodenkreis einer Elektronenröhre liegt, deren Steuergitter durch die Spannung über einem Element des Resonanzkreises beeinflußt wird.
    3. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kathodenkreis liegende Impedanz aus einem Wirkwiderstand mit einem parallelgeschalteten Kondensator besteht, dessen Blindwiderstand bei der Arbeitsfrequenz des Oszillators niedriger ist als der Wirkwiderstand.
    4. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der Röhre an einer Spannungsquelle in Reihe mit einer Impedanz angeschlossen ist, von welcher ein Impuls einer Meß- oder Anzeigevorrichtung zugeführt wird.
    5. Anordnung gemäß Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gitter der Röhre über einen Verzögerungskreis eine negative Gleichspannung zugeführt wird, deren Größe von der Schwingungsamplitude des Oszillators abhängt, so daß langsamen Änderungen der Schwingungsamplitude entgegengewirkt wird.
    6. Anordnung gemäß den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Gleichspannung eine Komponente von einem Gleichrichter enthält, der an der Anodenimpedanz der Röhre angeschlossen ist.
DEA25614A 1955-09-17 1956-09-05 Aus einem Schwingungskreis bestehende Anordnung zur Untersuchung von Material Pending DE1025077B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1698658B1 (de) * 1967-06-01 1971-02-04 Bergwerksverband Gmbh Messanordnung zur Identifizierung und gegebenenfalls Staerkenmessung unterschiedlicher Gebirgsschichten im Bergbau

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1698658B1 (de) * 1967-06-01 1971-02-04 Bergwerksverband Gmbh Messanordnung zur Identifizierung und gegebenenfalls Staerkenmessung unterschiedlicher Gebirgsschichten im Bergbau

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