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Sonde zum Erfassen magnetischer Felder mit einem halbleitenden, plättchenförmigen
Hallspannungserzeuger Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erfassen
magnetischer Felder, gleichgültig, auf welche Weise diese zustande gekommen sind.
Es kann sich beispielsweise um Felder permanenter Magnete handeln oder auch um Felder
in der Umgebung elektrischer Leiter. Im letzten Fall stellt die Stärke des Magnetfeldes
gleichzeitig ein Maß für den den Leiter durchfließenden Strom dar.
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Die Erfindung betrifft eine vorteilhafte Ausbildung einer zur Erfassung
magnetischer Felder geeigneten Sonde, die als Meßfühler für an sich beliebige Zwecke
verwendet werden kann, sei es, daß es sich lediglich um einen Nachweis oder um eine
exakte Messung handelt.
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Zum Erfassen magnetischer Felder ist es an sich bekannt, die Magnetfeldabhängigkeit
des spezifischen elektrischen Widerstandes von Wismut auszunutzen.
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Um zu praktisch brauchbaren Meßwerten zu gelangen, ist es dabei erforderlich,
dünne, lange Wismutdrähte zu Spulen aufzuwickeln. Um außerdem Felder in engen Luftspalten
messen zu können, mußte man auf eine flache Anordnung der Meßspulen achten, die
man n deshalb im allgemeinen spiralenförmig ausgeführt hat. Trotzdem ergeben sich
mit solchen Wismutspulen nur Verhältnismäßig geringe Meßwerte. Es ist ferner bekannt.
Magnetfeldmessungen auf Grund des Halleffektes durchzuführen. Hierzu hat man sich
in neu, erer Zeit flacher Streifen aus kristallinem Germanium bedient, die an kleinen
Sonden, bestehend aus einem elektrische Zuleitungen umschließenden Handgriff und
einem an dessen Ende angebrachten blattförmigen Halter aus isolierendem Material,
hefestigt sind. Es ist auch bekannt, als Halter eine Ouarzplatte zu verwenden und
darauf eine Germaniumschicht aufzudampfen, die als Hallelement l) enutzt wird. Zum
Schutz der Germaniumschicht hat man diese durch eine zweite Quarzplatte bedeckt.
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Trotz der verhältnismäßig hohen Hallspannung des Germaniums ist die
bekannte Sonde-ebenso wie die vorgenannte Wismutspirale-praktisch nur wenig brauchbar,
da Germanium einen hohen spezifischen Widerstand hat. Es konnten daher bisher ohne
weiteres nur verhältnismäßig starke Felder in Luftspalten von magnetischen Kreisen
aus Eisen gemessen werden. In anderen Fällen, so z. B. zur Messung des erdmagnetischen
Feldes, von Streufeldern oder der tangentialen Feldkomponente an magnetischen Blechen,
war man genötigt, Verstärker zu verwenden. Dadurch wurde jedoch das Meßergebnis
von weiteren EinfluB-größen abhängig, so daß ohne weiteres eine hohe Meßsicherheit
nicht erzielbar war.
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Bei der Sonde nach der Erfindung, welche die genannten Schwierigkeiten
beseitigt, wird zum Erfassen der magnetischen Felder ein plättchenförmiger Hall-
spannungserzeuger
verwendet, der an einem im wesentlichen stabförmigen Halter angebracht ist. An einem
solchen Halter oder in demselben können die Anschlußleiter für die Stromzuführungs-und
Hallelektroden verlegt sein. Während aber bei hisher hekannten Hallspannungserzeugern
nur Hallkörper aus Germanium oder ähnlichen Stoffen verwendet wurden, besteht die
Erfindung darin, daß der Hallspannungserzeuger ein Hallgenerator ist, der aus einer
halhleitenden Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit größer als 6000cm2/V sec
besteht. Widerstände aus Halbleiterverbindungen von derart hoher Trägerbeweglichkeit
gestatten im Gegensatz zu Germanium, das nur eine Trägerbeweglichkeit von 3600 cm2/V
sec besitzt, bei wesentlich kleinerer Ausführung erheblich empfindlichere Meß-und
Anzeigegeräte für Magnetfelder herzustellen.
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Bei der bekannten Hallspannungserzeugereinrichtung unter Verwendung
von Germanium hatte es den Anschein, daß gerade dieser Stoff wegen seines hohen
Hallkoeffizienten für den vorliegenden Nnwendungszweck als weitaus am besten geeignet
sei. Man war bisher der Meinung, daß ein hoher Hallkoeffizient und damit eine hohe
Hallspannung das allein anzustrebende Ziel darstelle. Die in mehreren Veröffentlichungen
angegebene Formel, die die Größe der Hall spannung und des Hatikoefnzienten angibt,
welche
einander proportional sind, hat gezeigt, daß diese Größen
von der Trägerbeweglichkeit unabhängig sind.
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Die Proportionalität zwischen Hallkoeffizienten und Hallspannung hat
also dazu geführt, lediglich darauf zu achten, einen Stoff zu verwenden, der einen
hohen Hallkoeffizienten aufweist, um auf diese Weise hohe Hallspannungen zu erhalten.
So wurde in wissenschaftlichen Veröffentlichungen Germanium wegen seines hohen Hallkoeffizienten
besonders herausgestellt, obgleich Steile mit höherer Elektronenbeweglichkeit, aber
mit geringerem Hallkoeffizienten bereits bekannt waren. Halbleitende Verbindungen
mit Trägerbeweglichkeiten von mehr als 6000 cm2/V sec waren an sich bekannt, aber
infolge ihres niedrigeren Hallkoeffizienten war zu erwarten, daß infolge der dadurch
hedingten geringeren Hallspannung diese Stoffe für den vorliegenden Verwendungszweck
weniger geeignet wären. Die Erfindung beruht jedoch auf der neuen Erkenntnis, daß
trotz d. ieser geringeren Hallkoeffizienten die Stoffe mit höherer Elektronenbeweglichkeit
einen höheren Hallwirkungsgrad aufweisen und dadurch in besonderem Maße im vorliegenden
Falle geeignet sind. Ausschlaggebend ist dabei die hohe Trägerbeweglichkeit, denn
erst durch sie ergibt sich ein überraschend großer Wirkungsgrad, der es erlaubt.
die Hallspannung leistungsmäßig zu belasten.
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Als Wirkungsgrad einer Hallanordnung wird das Verhältnis der abgegebenen
Halleistung zur Steuerleistung bezeichnet. Für diesen optimalen Wirkungsgrad, der
hier mit il bezeichnet wird. besteht folgende Abhängigkeit : n = 1/4 b2/a2 R1/R2
(µnB)2.
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Hierin ist R2 der zwischen den Hallelektroden Rl der zwischen den
Stromzuführungselektroden gemessene Widerstand der Hallprobe, a der Au) stand der
Stromzuführungselektroden und b der Abstand der Hallelektroden in cm. u. n ist die
Elektronenbeweglichkeit, d. h. die Geschwindigkeit in cm/sec. die das Elektron in
einem elektrischen Feld von 1 V/cm annimmt. Der Index K deutet an, daß es sich um
negative Elektronen handelt. B ist die magnetische Induktion in Vs/cm2. Wie diese
Formel zeigt, besteht eine quadratische Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der
Elektronenbeweglichkeit. Während sich bei Hallanordnungen auf Germaniumbasis lediglich
ein Wirkungsgrad von etwa 0, 1% ergibt, läßt sich mit Halhleiterverbindungen hoher
Trägerbeweglichkeit, d. h. von mehr als 6000 cm2/V sec, ein Wirkungsgrad von etwa
10°/o, also um zwei Größenordnungen höher. ohne weiteres erreichen. Durch den höheren
Wirkungsgrad wird es außerdem ermöglicht, wenige und verhältnismäßig robuste Anzeigegeräte
zu verwenden.
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Mit zunehmender Trägerbeweglichkeit und dementsprechend zunehmendem
Wirkungsgrad des Hallgenerators kann die Leistungsaufnahme des nachgeschalteten
Meßinstrumentes gewählt werden. Wenn bei den bekannten Anordnungen bisher ausdrücklich
eine Beschränkung auf hochempfindliche Galvanometer mit hohem Innenwiderstand notwendig
war, so hängt dies damit zusammen, daß der Hallspannungserzeuger bei Verwendung
von Germanium od. dgl. praktisch nicht belastet werden durfte, wenn man darauf Wert
legte. einigermaßen richtige Meßergebnisse zu erzielen.
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Demgegenüber wird durch die Erfindung der gerade im vorliegenden Fall
entscheidende Vorteil erreicht, daß an den Hallgenerator leistungsaufnehmende Ateßinstrumente
der üblichen Schalttafelbauweise ohne
Einbuße an Meßgenauigkeit angeschlossen werden
können. Auf diese Weise gelingt es. aus einer Feldstärkemeßeinrichtung, die bisher
nur ein empfindliches Lahoratoriumsinstrument war. ein robustes Meßgerät zu machen.
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Wenn es sich um die Erfassung zeitlich veränderlicher Magnetfelder
handelt, mußte bei den bekannten Wismutspulen oder -spiralen auf induktionsfreie
Ausführung besonderer Wert gelegt werden. Die Spulen mußten bifilar gewickelt oder
astatisch angeordnet werden, um die störende, das Meßergebnis fälschende induktive
Komponente zu vermeiden. Die Herstellung solcher Spiralen oder Spulen war deshalb
schwierig. Demgegenüber ist die Gefahr des Einstreuens einerinduktivenKomponentebei
den für die Zwecke der Erfindung verwendeten Hallkörpern erheblich geringer. In
Sonderfällen, vor allem, wenn es sich um die Slessung besonders schwacher Feldstärken.
etwa in der Größe des erdmagnetischen Feldes handelt, kann eine gegebenenfalls doch
noch auftretende störende induktive Komponente durch verdrillte Leitungsführung
des Hallgenerators und durch die Verlegung des einen Elektrodenanschlußleiters in
gerader Richtung auf den Anschlußpunkt des anderen beseitigt werden.
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Der untere, den Hallgenerator enthaltende Teil des stabförmigen Halters
kann mit diesem einen vorzugsweise stumpfen Winkel bilden. Zur Erleichterung der
Handhabung kann sich am anderen Ende des Halters ein Handgriff befinden, der beispielsweise
in gerader Verlängerung des Halters liegt. Der Hallgenerator selbst weist außer
zwei Stromelektroden, die sich vorteilhaft linien-oder flachenhaft über seine gesamten
Anschlußflächen bzw. Kanten erstrecken, in üblicher Weise Hallelektroden auf. Zweckmäßig
wird ein dünner plättchenförmiger Massewiderstandskörper verwendet, an dem die Hallelektroden
(luer zur Stromdurchgangsrichtung an gegenüberliegenden Kanten des Plättchens angebracht
sind. Unter linien-bzw. flächenförmigen Elektroden werden Elektrodell verstanden,
die sich im Gegensatz zu punktförmig angreifenden Elektroden entlang der hetreffenden
Anschlußante bzw. anschlußfläche, insbesondere entlang der gesamten Kante bzw. Fläche,
erstrecken. Bei sehr dünnen Plättchen ergeben sich dadurch linienförmige, bei dicken
Plättchen fläcenförmigen Elektroden.
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Der Hallkörper besteht, wie oben ausgeführt, aus einem Stoff, wie
er durch Halbleiterverbindungen hoher Trägerbeweglichkeit von mehr als 6000 cmW
sec definiert ist. Solche Verbindungen eines der Elemente Aluminium, Gallium. Indium
usw. mit einem der Elemente Phosphor, Arsen, Antimo usw. stellen die genannten AIIIBV-Vrbindungen
dar.
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Als besonders vorteilhaft hat sich ein Widerstandskörper aus Indiumarsenid
herausgestellt, da dieser Stoff außer einer geringen Abhängigkeit des spezifischen
Widerstandes vom Magnetfeld eine besonders geringe Temperaturabhängigkeit des spezifischen
Widerstandes und der Hallkonstante zeigt.
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An Hand der Zeichung soll die Erfindung taller erläutert werden.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen
Teilen vereinfacht, zum Teil schematisch dargestellt.
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In Fig. 1 ist der stabförmige Halter einer Sonde mit 1 bezeichnet.
Er besteht z. I3. aus einem dünnen langgestreckten Streifen aus Plexiglas, der am
unteren Ende. wie dargestellt, eine Abbiegung aufweist.
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Der winkelig abstehende Teil2 kann auf ebene flächen aufgelegt werden,
ohne dalS der gesamte stabförmige
Halter 1 ebenfalls aufliegen
muß. Im unteren Ende des Teiles 2, der in Fig. 1 a noch einmal in vergrößertem Maßstab
dargestellt ist, befindet sich der Hallgenerator. Der Einfachheit der Darstellung
halber sind an dem Körper 3 nur zwei Elektroden, und zwar die den Hilfsstrom führenden
Elektroden, gezeichnet, während die beiden die Hallspannung abnehmenden Elektroden
einschließlich der Ableitungen nicht eingetragen sind. Der Körper 3 besteht aus
einem dünnen, etwa viereckigen Plättchen aus Indiumantimonid. das mit Hilfe einer
elektrisch isolierenden Vergußmasse, insbesondere einem GieBharz, befestigt ist.
Die beiden Stromelektroden 4 bedecken an zwei gegenüberliegenden Kanten die ganze
Kantenlänge. Von ihnen führen zwei Anschlußleiter5 verdrillt durch das Innere des
stabförmigen Halters 1 zu einem an dessen anderem En, de biespielsweise in gerader
Verlängerung angebrachten Handgriff 6. Aus dem freien Ende des Handgriffes führt
ein Kabel 7 heraus, das mit einem mehrpoligen, vorzugsweise unverwechselbaren Anschlußstecker
8 versehen ist. Von den Steckerstiften dient ein Stiftpaar 12 zur Kontaktgabe mit
den Zuleitungen zu den Stromelektroden, das andere Paar 15 führt die erzeugte Hallspannung.
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Um bei der abgegebenen Hallspannung diese frei von der obengenannten
störenden induktiven Kompon, ente zu halten, ist der Hallkörper einerseits und sind
die Anschlußleiter andererseits in der Weis, e angeordnet, wie dies Fig. 1 b veranschaulicht.
Der mit H bezeichnete Pfeil deutet die Richtung des zu messenden Magnetfeldes an.
In bezug auf dessen Richtung ist der eine der Anschlußleiter 5 derart in Richtung
auf den Anschlußpunkt des anderen Anschlußleiters verlegt, daß keine wirksame Windungsfläche
mit der punktiert dargestellten Verbindungslinie der beiden Anschlußpunkte der Anschlußleiter
5 entsteht.
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Soll mit der Sonde nach fig. 1 ein magnetisches Feld gemessen werden,
so braucht lediglich der mit dem Halbleiterkörper versehene Teil 2 der Sonde in
das betreffende Magnetfeld gebracht zu werden. Man muJ3 darauf achten, daß die Kraftlinien
des zu messenden Magnetfeldes möglichst senkrecht zur Fläche des plättchenförmigen
Widerstandskörpers liegen, weil sich dann die größten Meßwerte ergeben.
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Die Strombahnen breiten sich zwischen den Stromelektroden 2 aus und
werden durch einen über die Anschlußleiter 5 geführten Strom erzeugt. Dieser Strom
wird von einem in Fig. 2 dargestellten Zusatzgerät 9 geliefert, das gleichzeitig
auch ein zur Anzeige bzw. Messung erforderliches elektrisches Meßinstrument 10 enthält.
Das Anschlußgerät kann entweder ein Netzanschlußgerät sein, das bei Wechselstrom
beispielsweise einen Netzteil mit einer Gleichrichteranordnung zur Erzeugung des
Meßstromes enthalten kann. Der Meßstrom kann außerdem durch eine in dem Anschlußgerät
9 untergebrachte auswechselbare Stromquelle erzeugt werden. Im vorliegenden Beispiel
enthält das Zusatzgerät 9 jedoch lediglich das Meßinstrument 10, einen Schalter
11 sowie links und rechts davon je vier Anschlußklemmen, die auch als Steckbuchsen
ausgebildet sein können und von denen die oheren linken, mit 12 hezeichneten Anschlußklemmen
zur Verbindung mit den Stromelektroden4 des Widerstandskörpers 3 über das Kalte
! 7 und den Stecker 8 dienen und die rechten oberen, mit 13 bezeichneten Klemmen
zum Anschluß einer Stromquelle zur Lieferung des Meßstromes. Dieser kann durch einen
Schalter 11 ein-oder ausgeschaltet werden. Außerdem können im Inneren des Anschlußgerätes
9 Abgleichwiderstände oder Potentiometer zur
Justierung sowie zum sogenannten Nullabgleich
enthalten sein. Mit 14 ist ein beispielsweise schraubspindelförmiger Einsteller
eines solchen im Innern des Gerätes befindlichen Abgleichwiderstandes 20 bezeichnet.
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Fig. 1 d zeigt einen als vollständige Hallsonde dargestillten plättchenförmigen
Halbleiterkörper 3. Dieser Halbleiterkörper, der ähnlich wie in Fig. 1 im unteren
Ende des Teiles 2 angebracht ist, hat außer den beiden Stromelektroden 4 die beidenHallelektroden4',
die jedoch im wesentlichen punktförmig ausgebildet sind und ebenfalls mit zwei anschlußleitern
5' verbunden sind. Diese sind ebenso wie die Anschlußleiter 5 miteinander verdrillt
und führen durch den nicht dargestellten stabförmigen Teil 1 in den Handgriff 6
und das Kabel 7 zu dem Stecker 8. Die Hallspannung entsteht an den Hallelektroden
und kann unmittelbar oder gegebenenfalls nach Verstärkung als Anzeige-bzv. Meßspannung
verwendet werden. Bei einem Magnetfeld Null ist auch die Hallspannung gleich Null,
so daß also ein Ruheausschlag des zur Anzeige der Hallspannung dienenden Meßinstrumentes
dann nicht vorliegt. Außerdem ist auf Grund der für den Halleffekt geltenden mathematischen
Gesetzmäßigkeit die Hallspannung dem zu messenden Magetfeld genau proportional.
Der Halbleiterkörper 3 ist im Gegensatz zu Fig. 1 a um 90° gedreht angeordnet, so
daß also die Stromelektroden 4 quer und die Hallelektroden 4' l-gngs zur Richtung
der Anschlußleiter und des stabförmigen Teiles 1 liegen. Im Beispiel nach Fig. 1
d sind auch die Anschlußleiter 5' der Hallelektroden 4'induktionsfrei dargestellt.
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Die elektrische Schaltung des Zusatzgerätes beim Anschluß einer Sonde
mit einem Hallgenerator zeigt Fig. 3. Die dargestellten Einzelteile mit ihren Bezugszeichen
stimmen mit denen nach Fig. 1 d und 2 überein. Die Hallelektroden 4' des Halbeiterkörpers
sind mit den unteren linken, mit 15 bezeichneten Klemmen verbunden. Parallel dazu
liegen die Klemmen 16, an II die ein Voltmeter 17 angeschlossen ist. In diesem wird
die Hallspannung UH angezeigt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sonde nach der Erfindung zeigt
Fig. 4. Der magnetfeldabhängige Halbleiterkörper 3, der insgesamt vier Elektroden
hat, ist wieder im unteren Teil 2 eines langgestreckten stabförmigen Halters 1 angebracht.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht der Halter aus einem Gießharz
guter elektrischer Isolationsfähigkeit. Als Gießharz kann z. B. ein unter der Handelsbezeichnung
Araldit genannter Stoff verwendet werden. Die Halbleiterkörper sowie die damit verbundenen
elektrischen Anschlußleiter 5 hzw. 5' sind bei der Herstellung des Halters 1 in
diesen miteingegossen. Außerdem können zur Versteifung profilierte Schienen miteingegossen
sein. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen stahförmigen Halter 1, in dem beispielsweise
U-förmige Versteifungsschienen 17 enthalten sind. Diese können unter Umständen gleichzeitig
als elektrische Anschlußleiter für den Halbleiterkörper 3 verwendet werden.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Anschlußgerätes.
Im Gegensatz zu dem Gerät nach Fig. 2 wird hier die Sonde mit Hilfe eines unverwechselbaren
Steckers 18 (Fig. 7a) seitlich an das Zusatzgerät bei 18'angeschlossen. Die elektrischen
Verbindungen desselben mit der Sonde nach Fig. 4 sind in Fig. 7 a dargestellt, während
Fig. 7b die elektrische Schaltung des Anschlußgerätes zeigt. Die mit denselben römischen
Ziffern bezeichneten Anschlüsse entsprechen einander. An der einen Seite (vgl. Fig.
6)
ist entsprechend dem Stecker 18 eine mit 18'bezeichnete Anschlußleiste
angehracht. Ein Strommesser ist in dem Anschlußgerät nach Fig. 6 nicht vorgesehen.
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Er wird veilmehr an die Klemmen 19 angeschlossen.
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Die Klemmen 16 dienen zum Anschluß des Meßinstrumentes für die Hallspannung
und die Klemmen 13 zum Anschluß der Betriebsstromquelle. Der ; kobgleichwiderstand
20 aus Fig. 3 ist ebenfalls vorhanden. Sein Einsteller 14 ist mit einem Drehknopf
versehen, der, wie in Fig. 6 ersichtlich, aus der Oberseite des Anschlußgerätes
herausragt. Außerdem ist ein mit einem Einsteller22versehenesPotentiometer21 vorhanden,
das zum Beseitigen der sogenannten Nullkomponente dient. Bei dieser handelt es sich
um eine das Meßergebnis fälschende Stromkomponente im Hallstromkreis. Sie entsteht
bei nicht vorschriftsmäRig symmetrisch angebrachten Hallelektroden 4' (vgl. Fig.
6 a) und ist bereits vorhanden, wenn lediglich der Betriebss. trom über die Stromelektroden
4 fließt, ein Magnetfeld jedoch noch nicht vorhanden ist.
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Diese störende Nullkomponente kann durch Verstellen des Einstellers
22 kompensiert werden.
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Auf ein gesondertes AnschluBgerat kann verzichtet werden, wenn gemäß
einer Weiterbildung der Erfindung die zum Betrieb der Sonde erforderlichen Teile,
wie Schalter. Widerstände, Potentiometer suw., im Handgriffteil der Sonde untergebracht
werden. Hierzu zeigt Fig. 8 ein Beispiel. Der in dem Zusatzgerät nach Fig. 7 enthaltene
Widerstand 20 und das Potentiometer 21 sowie der Schalter 11 sind in diesem Fall
in dem Handgriffteil 6 untergebracht. Die Einsteller 14 und 22 der beispielsweise
in Längsrichtung im Handgriff angeordneten Teile 20 bzw. 21 sind als drehbare Gewindespindeln
ausgebildet, durch die Schleifkontakte 30 bzw. 31 entlang den Widerstandsbahnen
verschoben werden. Aus dem freien Ende des Handgriffteiles 6 ragt ein Kabel 7 heraus,
dessen nicht mit dargestellte Anschlußenden mit einer Stromquelle bzw. einem Meßinstrument
verbunden werden können.
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Gemäß einem weiteren Merkmal kann. wie in Fig. 9 beispielsweise dargestellt,
auch das Meß- oder Anzeigeinstrument 10 im Handgriffteil 6 untergebracht sein. Für
exakte Messungen wird man jedoch ein getrennt angeordnetes Meßinstrument bevorzugen.
Eine Unterbringungen im Handgriffteil wird man im allgemeinen nur dann anwenden,
wenn es sich um den bloßen Nachweis von Magnetfeldern oder von elektrischen Strömen
handelt. Das Instrument 10 kann dann als ein verhältnismäßig robustes Anzeigeinstrument.
z. B. ein Schauzeichen, verwendet werden.
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Wird gemäB einem weiteren Merkmal der Erfindung im Handgriffteil
außerdem die für die lTessung erforderliche Stromquelle unterebracht, so ergibt
sich damit eine Sonde, die frei von jeder äußeren elektrischen Zuleitung ist. In
Fig. 10 ist der hintere Teil eines Handgriffteiles 6 dargestellt, der innen hohl
ist und am Ende eine Verschlußklappe 32 aufweist. In der Höhlung des Handgriffteiles
wird die nicht mit dargestellte Stromquelle, beispielsweise ein Kleinakkumulator,
untergebracht. Das im Handgriffteil 1 untergebrachte Anzeigeinstrument sowie die
ührigen zugehörigen Teile sind nicht mit dargestellt, da sie aus den vorhergehenden
Figuren ersehen werden können.