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Magnetometer zum Messen einer magnetischen Feldstärke mit einem Sondenkörper
aus ferromagnetischem Stoff Eine bekannte Anordnung eines Magnetometers zum Messen
einer magnetischen Feldstärke mit einem Sondenkörper aus ferromagnetischem Stoff
sieht vor, daß ein zweischenkelig ausgebildeter Sondenkörper in seinen beiden Schenkeln
gegensinnig durch eine Schwingung verhältnismäßig hoher Frequenz erregt wird und.
die beiden Schenkel gleichzeitig mit einer ein niederfrequentes, modulierendes Feld
erzeugenden Wicklung gekoppelt sind, so daß unter dem Einfluß der Modulationsfrequenz
und der unterschiedlichen Polarisation der beiden Schenkel des Sondenkörpers die
modulierte Schwingung abhängig ist sowohl von der Amplitude der erregenden hochfrequenten
Schwingung als auch der Stärke des die beiden Schenkel durchsetzenden Feldes.
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Ein älterer Vorschlag der Schutzrechtsinhaberin geht dahin, für die
Zwecke der Materialuntersuchung einen aus dem zu untersuchenden Material bestehenden
ferromagnetischen Sondenkörper einem hochfrequenten magnetischen Feld zu unterwerfen,
so daß in dem Sondenkörper eine Absorption der Hochfrequenzenergie bewirkt wird,
die von den verhältnismäßig niederfrequenten Magnefisierungsände rungen abhängt,
die gleichzeitig in dem Sondenkörper erzeugt werden; dabei wird als Meßwert für
die zu bestimmenden magnetischen Eigenschaften des Sondenkörpers der Energieentzug
ausgenützt, dem der die hochfrequenten Schwingungen liefernde Generator als Funktion
der sich ändernden Magnetisierung des Sondenkörpers unterworfen ist.
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Dieses Prinzip der Messung des Energieentzuges des einen Sondenkörpers
beaufschlagenden Hochfrequenzgenerators als Meßwert für die zu bestimmenden physikalischen
Zustandsgrößen findet gemäß der Erfindung für die FeldstärkenmessungAnwendung.
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Ein Magnetometer zum Messen einer magnetischen Feldstärke mit einem
Sondenkörper aus ferromagnetischem Stoff, der im Feld einer mit hochfrequentem Wechselstrom
beaufschlagten Wicklung angeordnet ist und ferner mit einer zweiten Wicklung gekoppelt
ist, die ein Niederfrequenzfeld (Steuerfeld) erzeugt, kennzeichnet sich gemäß der
Erfindung dadurch, daß für die Messung der Energieentzug ausgenützt ist, den das
HF-Feld infolge der Ummagnetisierung des Sondenkörpers durch das Steuerfeld erfährt.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsweise zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit
aus, da die durch das zu messende Gleichstromfeld bedingten Änderungen in dem Absorptionsverhalten
des Sondenkörpers beträchtliche Unterschiede der absorbierten Hochfrequenzenergie
zur Folge haben, wenn das zu messende Gleichstromfeld sich in der Amplitude ändert.
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Es sind ferner, was sich apparaturmäßig im Sinne einer Vereinfachung
auswirkt, die bei der erfindungsgemäßen Schaltung benötigten hochfrequenten Meßgeräte
auf ein Minimum beschränkt, da die Hochfrequenzkreise der Magnetometeranordnung
sich nur auf die zur hochfrequenten Erregung des Sondenkörpers erforderlichen Kreise
beschränken.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, das an sich auch bei den
zuvor erörterten bekannten Anordnungen bekannte Prinzip der Gegenkopplung eines
das zu messende Magnetfeld kompensierenden Feldes auszunutzen und aus dem erregenden
HF-Generator speisenden Gleichstrom eine Wechselspannung von der Frequenz des Steuerfeldes
auszusieben und gleichzurichten und die Ausgangsspannung des Gleichrichters einer
zugleich der Anzeige des Feldstärkenmeßwertes und zur Erzeugung des kompensierenden
Gegenfeldes dienenden geeichten Stromquelle als Steuerspannung zuzuführen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im nachfolgenden im Zusammenhang
mit den Figuren erläutert.
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Bei den behandelten Ausführungsbeispielen wird insbesondere auf die
Verwendung einer als »schwin-
gender Detektor« bezeichneten Schaltungsanordnung
Bezug genommen. Als schwingende Detektorschaltung wird in der neueren Fachliteratur
(vgl. Review of Scientific Instruments, Bd. 21, 1950, S. 219 und 225) eine Schwingungserzeugerschaltung
bezeichnet, bei der die Umhüllende der erzeugten Schwingungen in linearer Weise
von den durch den angekoppelten Kreis bedingten Belastungsänderungen abhängt, so
daß durch eine Messung der Umhüllenden eine genaue Messung der Energieabsorption
erfolgen kann, der die Schwingungserzeugerschaltung unterworfen ist. In einer derartigen
Schaltung kann die Messung der Umhüllenden der erzeugten Schwingungen ebenfalls
in der Messung des Gleichstromes bestehen, der der Anode der Schwingungserzeugerröhre
zugeführt wird.
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In den Figuren zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform
des Magnetometers nach der Erfindung für die Zwecke der Messung der Stärke eines
magnetischen Feldes, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform, bei
der im Unterschied zu Fig. 1 eine automatische Wirkungsweise gewährleistet ist,
Fig. 3 a, 4 a und 5 a Wellenformen des Magnetoabsorptionssignales, wie es auf der
Braunschen Röhre der Fig. 1 erscheint; Fig. 3 a zeigt das Signal, wenn kein überlagertes
magnetisches Feld vorhanden ist; Fig. 4 a und 5 a zeigen das Signal, wenn ein magnetisches
Feld in der einen oder anderen von zwei entgegengesetzten Richtungen vorhanden ist,
Fig. 3b, 4b und 5b die zu den Fig. 3a, 4a und 5a gehörigen Hystereseeffekte in dem
Kern; hierbei zeigt Fig. 3 b den Typ der Hystereseschleife, die sich ergibt, wenn
kein magnetisches Feld vorhanden ist, während Fig. 4b und 5 b die Änderungen der
Hystereseschleife zeigen, wenn ein magnetisches Feld in der einen oder anderen von
zwei entgegengesetzten Richtungen vorhanden ist, Fig. 6 einen Registrierstreifen,
der in einem Augenblick überlagerte magnetische Felder anzeigt, die in erfindungsgemäßer
Weise gemessen wurden, wobei die beiden Spitzen Magnetfeldern entsprechen, die verschiedene
Richtungen haben, Fig. 7 das Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Messung magnetischer
Feldgradienten, Fig. 8 einen Bauteil eines Feldstärkegradienten-Meßgerätes entsprechend
Fig. 2, mit zwei permeablen Kernen mit Magnetoabsorptionsverhalten, die in genauer
Weise miteinander verbunden und ausgerichtet sind, so daß sie vor Beschädigungen
sicher sind.
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In Fig. 1 ist ein Kern 11 aus hochpermeablem Material, beispielsweise
aus Eisen, vorgesehen, der in einer Hochfrequenzspule 12 angeordnet ist. Die Hochfrequenzspule
12 stellt bei dieser Ausführungsform die Induktivität des abgestimmten Kreises eines
schwingenden Detektors 13 dar. Axial zur Spule 12 und mit dem Kern 11 gekoppelt
befinden sich zwei Spulen 14 und 15, die in Serie an einen niederfrequenten Sägezahngenerator
16 angeschlossen sind.
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Der Ausgangskreis des schwingenden Detektors 13 ist über einen Verstärker
17 an die vertikalen Ablenkspulen eines Elektronenstrahl-Oszillographen 18 angeschlossen,
dessen Horizontalablenkung mit Hilfe einer zweckmäßigerweise zeitlich linearen Sägezahnspannung
erfolgt. Wenn indessen der schwingende Detektor einen hinreichenden Ausgangs strom
liefert, ist der Verstärker 17 nicht erforderlich. Die darge-
stellte Meßanordnung
ist die grundsätzliche Ausführungsform eines Magnetoabsorptionsapparates und arbeitet
in folgender Weise: Eine Hochfrequenz, beispielsweise von 1 Megahertz, wird von
dem schwingenden Detektor der Hochfrequenzspule 12 zugeführt und erzeugt ein hochfrequentes
Magnetfeld, das den Kern 11 beeinflußt. Der Kern 11 entzieht der Hochfrequenzspule
Leistung entsprechend dem Magnetisierungszustand des Kernes 11. Obwohl die Leistungsabsorption
sehr gering ist, kann sie doch durch den schwingenden Detektor in Anbetracht der
Empfindlichkeit eines solchen Kreises angezeigt werden und äußert sich in einer
Änderung der Gleichstrom-Ausgangsleistung des Detektors, die der Energieabsorption
proportional ist. Den Spulen 14 und 15 wird eine Wechselspannung von beispielsweise
60 Hertz zugeführt. Das davon erzeugte Feld wird in folgendem als Steuerfeld bezeichnet.
Man verwendet etwa ein hochfrequentes magnetisches Feld einer Stärke von 0,01 Oerstedt,
während für die niederfrequente magnetische Feldstärke eine solche von etwa 1 Oerstedt
benutzt wird. Das durch die Spulen 14, 15 erzeugte Steuerfeld erzeugt periodische
Änderungen des Magnetisierungszustandes des hochpermeablen Kernes 11. Diese bewirken
eine zyklische Schwankung der durch den hochpermeablen Kern 11 aus der Hochfrequenzspule
12 entnommenen Energie.
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Der Ausgangsstrom des schwingenden Detektors 13 steuert die Vertikalablenkung
des Elektronenstrahles und äußert sich in einer Wellenform, die periodisch nach
Maßgabe der Frequenz des Generators 16 schwankt, wobei die genannte Welle eine Amplitude
hat, die von der stattfindenden Leistungsabsorption abhängig ist. Wenn kein zusätzliches
Magnetfeld auf den Kern einwirkt, ergibt sich ein Signal auf dem Elektronenstrahl-Oszillographen,
das von symmetrischer Wellenform ist wie das in Fig. 3 a gezeigte Signal. Fig. 3b
zeigt die zugehörige Hystereseschleife des Kernes, während eine Periode der in Fig.
3 a wiedergegebenen Kurve durchlaufen wird.
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Wenn nun ein äußeres, zu messendes magnetisches Gleichfeld Ht, das
in Richtung des ausgezogen dargestellten Pfeiles wirkt, dem Kern 11 überlagert wird,
ändert sich der Magnetoabsorptionsvorgang im Kern 11 in einer Weise, die von Stärke
und Richtung des magnetischen Feldes H1 abhängt. Wenn kein magnetisches Gleichfeld
H1 vorhanden ist, enthält das Magnetoabsorptionssignal gemäß Fig. 3 a nur gerade
Harmonische der zweiten und höheren Ordnung, die sich durch die wechselnde Magnetisierung
des Kernes durch das magnetische Ablenkfeld ergeben. Wenn sich indessen ein magnetisches
Gleichfeld H1 dem magnetischen Wechselfeld überlagert, so enthält das Magnetoabsorptionssignal
eine zusätzliche Grundwelle, deren Phase und Größe von der konstanten Magnetisierung
des Kernes abhängt. Der Einfluß des überlagerten gleichgerichteten magnetischen
Feldes auf den Kern 11 ergibt sich aus den Fig. 4 a, 4b, 5 a und 5 b. Wenn das überlagerte
magnetische Feld sich in einer Richtung erstreckt, wie in Fig. 1 durch das Bezugszeichen
H1 angedeutet, so nimmt der Kern 11 eine Hystereseschleife an, wie sie Fig. 4b zeigt.
Dies beeinflußt das Magnetoabsorptionssignal, das auf dem Oszillographen 18 in Erscheinung
tritt in einer Weise, wie es Fig. 4 a zeigt, wobei das Magnetoabsorptionssignal
mit der Frequenz des Steuerfeldes moduliert ist, wie die punktiert gezeichnete Umhüllende
20 wiedergibt. Fig.Sa und Fig. 5 b zeigen Wellenformen, die
den
Fig. 4 a und 4b entsprechen, mit der Abweichung, daß das magnetische Feld in Fig.
5 a und 5 b die entgegengesetzte Richtung besitzt wie das Feld im Falle der Fig.
4 a und 4 b. Die Umhüllende 20 in Fig. 5 a ist gegenphasig zu der Umhüllenden in
Fig. 4 a. Die Stärke des überlagerten magnetischen Gleichfeldes äußert sich daher
direkt in der Amplitude der Spitzen in Fig. 4 a und 5 a, oder, mit anderen Worten,
in der Amplitude der Grundwelle der Umhüllenden 20. Wenn beispielsweise das überlagerte
magnetische Gleichfeld H1 zunimmt, nehmen die hohen Spitzen des Magnetoabsorptionssiguales
der Fig. 4 a zu, während die Höhe der niedrigen Spitzen abnimmt, d. h., die Amplitude
der Grundwelle nimmt zu. Wenn das magnetische Gleichfeld H1 bis auf Null verringert
wird, nimmt die Amplitude der Grundwelle ab, und wenn das überlagerte Feld Null
ist, ergibt sich die in Fig.3a dargestellte Wellenform. Wenn das überlagerte magnetische
Gleichfeld in entgegengesetzter Richtung, bezogen auf das Magnetfeld H1, zunimmt,
wechselt die Grundwelle 20 ihre Phase, und ihre Amplitude nimmt, wie Fig. 5 a zeigt,
zu. Auf diese Weise wirkt sich die Richtung und die Stärke des überlagerten magnetischen
Gleichfeldes in einer der Messung zugänglichen Art auf das Magnetoabsorptionssignal
aus.
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Ein Verfahren, diesen Vorgang zu messen und dadurch die Stärke des
überlagerten magnetischen Feldes zu bestimmen, beruht auf der Anwendung einer Spule
25 bekannten Momentes, in der mit Hilfe eines Gleichstromes ein dem Magnetfeld H1
entgegengerichtetes, konstantes Magnetfeld erzeugt werden kann. Der Gleichstrom,
der durch die Spule 25 geleitet wird, wird einer geeichten Stromquelle 26 entnommen.
Wenn das Bild auf dem Oszillographen die in Fig. 3 a wiedergegebene Form annimmt,
so kompensiert das Magnetfeld der Spule 25 das entgegengesetzt liegende Feld Hl,
dessen Stärke bestimmt werden sollte, so daß dem Kern 11 kein magnetisches Feld
aufgezwungen ist. Indem man den für den Abgleich erforderlichen Gleichstrom beobachtet
und die Kenngrößen der Spule berücksichtigt, läßt sich die genaue Stärke des magnetischen
Gegenfeldes bestimmen und damit die Stärke des Magnetfeldes H1. Es ist selbstverständlich
auch möglich, den Strom der Stromquelle 26 direkt in Feldstärkenwerte zu eichen.
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Der Ausgangsstrom des Verstärkers 17 kann einem Phasendetektor 19
zugeführt werden. Ein Filter 21 kann Anwendung finden, das die zweite Harmonische
der Frequenz des Generators 16 unterdrückt, so daß Störungen in dem Phasendetektor
19, die auf die zweiten Harmonischen zurückgehen könnten, vermieden sind. Dem Phasendetektor
19 wird ferner als Bezugsfrequenz die Frequenz des Generators 16 zugeleitet; der
Ausgangsstrom des Phasendetektors 19 ist ein Gleichspannungssignal, dessen Amplitude
direkt proportional der Stärke des überlagerten Gleichfeldes H1 ist und dessen Richtung
von der Richtung des Feldes H1 abhängt. Der Ausgangsstrom des Phasendetektors 19
kann einem geeigneten Reglstriergerät 22 zugeführt werden, das den Ausgangsstrom
des Phasendetektors nach Amplitude und Richtung registriert.
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Eine typische Registrierung, die man auf diese Weise erhält, ist
in Fig. 6 gezeigt, wobei die Spitze 53 ein momentan überlagertes magnetisches Gleichfeld
einer Stärke von ungefähr 5 Gamma in Richtung des Feldes H1 bedeutet und die Spitze
24 ein momentan
überlagertes Gleichfeld gleicher Größe, aber zu H entgegengesetzter
Richtung.
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Die erfindungsgemäßen Magnetoabsorptions-Meßgeräte sind mit dem bekannten,
auf magnetischer Sättigung von Kernen und der Ausnützung der zweiten Harmonischen
einer die Kerne erregenden Wechselspannung beruhenden Magnetometern, die zur Messung
magnetischer Felder von Flugzeugen oder Schiffen aus benutzt werden, verwandt.
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Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Ausführungsform, bei der der
Gleichstrom, der das magnetische Gegenfeld erzeugt, nicht von einer geeichten, von
Hand einstellbaren Stromquelle geliefert wird, sondern in an sich bekannter Weise
mit Hilfe eines Rückführungskreises direkt von dem Phasendetektor 19. Die Ausgangsspannung
des Phasendetektors 19 ist eine Gleichspannung, deren Polarität der Richtung des
überlagerten magnetischen Gleichfeldes entspricht und deren Amplitude der Stärke
desselben entspricht.
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Diese Gleichspannung ist über ein Gleichstrominstrument 27, das sowohl
die Amplitude als auch den Richtungssinn des dem Phasendetektor 19 entnommenen Ausgangsstromes
angibt und somit in genauer Weise Stärke und Richtung des Magnetfeldes H1 wiedergibt,
der Gegenspule 25 zugeführt, die das erforderliche Gegenfeld für das zu messende
Magnetfeld H1 liefert.
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In Fig. 7 ist ein Gradientenmeßgerät gezeigt, das auf der Erfindung
bentht. Es sind zwei hochpermeable Kerne 27 und 28 aus entsprechenden Legierungen
vorgesehen und in gewissem Abstand axial voneinander angeordnet. Jeder dieser Kerne
ist von einer Hochfrequenzspule 29 bzw. 31 umgeben, die den Abstimmkreisen von schwingenden
Detektoren 32 und 33 angehören. Das magnetisierende Wechselfeld wird jedem Kern
mit Hilfe einer Ablenkspule 34 bzw. 35 zugeführt, die mit dem Ablenkgenerator, d.
h. dem den Kern erregenden Generator 36, verbunden sind.
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Die Energieabsorption durch die Kerne27 und 28, der die beiden schwingenden
Detektoren 32 bzw. 33 unterworfen sind, hängt von den speziellen magnetischen Gleichfeldern
ab, die sich, wie oben erläutert. in den betreffenden Kernen ergeben. Wenn das magnetische
Gleichfeld in den beiden Kernen keinen Gradienten aufweist, so wird die Energieabsorption
bei beiden schwingenden Detektoren gleich sein; wenn indessen ein Feldstärkegradient
vorliegt, wird die Energieabsorption in den beiden Kernen 27 und 28 verschieden
sein, und dieser Unterschied wird eine Amplitude besitzen, die der Amplitude des
Gradienten entspricht, und einen Richtungssinn, der der Gradientenrichtung entspricht.
Die Ausgangsströme der schwingenden Detektoren 32 und 33 sind über Filter 37 und
38, die die zweite Harmonische der die Kerne erregenden Ablenkfrequenz unterdrücken,
Phasendetektoren und phasenempfindlichen Verstärkern 39 bzw. 41 zugeführt, denen
zusätzlich die Frequenz des Generators 36 als Bezugsfrequenz zugeleitet ist. Der
Ausgangsstrom eines jeden Phasendetektors 39 und 41 ist ein Gleichstrom bzw. eine
Gleichspannung, deren Amplitude proportional der Stärke des gleichsinnigen magnetischen
Feldes in den betreffenden Kernen 27 und 28 ist. Der Ausgangsstrom jedes Phasendetektors
39 bzw. 41 ist Gegenwicklungen 42 bzw. 43 zugeleitet, die Magnetfelder erzeugen,
die die überlagerten, zeitlich konstanten Magnetfelder in den Kernen kompensieren.
Wenn daher kein Feldstärkengradient vorhanden ist, so werden die Ausgangsströme
der
beiden Phasendetektoren 39 und 41 gleich sein, was in einem Differenzverstärker
44, der an die Phasendetektoren angeschlossen ist, festgestellt wird. Der Ausgangsstrom
des Verstärkers 44 zeigt ein Instrument 45 an. Wenn indessen ein Feldgradient vorhanden
ist, so erzeugt der Verstärker 44 einen Ausgangsgleichstrom, dessen Amplitude von
der Stärke des Gradienten und dessen Richtungssinn von der Richtung des Gradienten
abhängt. Amplitude und Richtungssinn werden in dem Meßinstrument 45 angezeigt und
ergeben so eine genaue Anzeige des in dem Feld H1 vorhandenen Gradienten.
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In Fig. 8 ist eine konstruktive Ausgestaltung eines Teiles des Gradientenmeßgerätes
dargestellt. Die beiden ausgefluchtet zueinander liegenden Kerne sind Eisennadeln
51 und 52 hoher Permeabilität und in Glasstäben oder Quarzstäben 53 bzw. 54 untergebracht.
Die äußeren Enden der Stäbe sind mit den Abschlußflächen 55 bzw. 56 einer starren,
nicht metallischen Röhre 57 verbunden. Die inneren Enden der beiden Stäbe sind durch
eine Feder 58 verbunden, die die beiden Stäbe unter Spannung hält und so die Nadeln
51 bzw. 52 starr in der Röhre 57 ausgerichtet hält. Die nicht metallische Röhre
57 ist mit einer geeigneten Flüssigkeit 59 angefüllt, die die Stäbe kritisch dämpft,
so daß Vibrationen der gesamten Anordnung keine Änderungen in der Ausrichtung der
Nadeln bewirken. Die Erregung der Kerne, die Hochfrequenz und das Gegenfeld, werden
durch Spulen zugeführt, die die betreffenden Nadeln umgeben, wobei die Spulen ähnlich
denjenigen sind, die in Fig. 2 benutzt werden.
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Es ist offensichtlich, daß zur Ausnutzung des Magnetoabsorptionseffektes
auch andere Mittel als ein schwingender Detektor verwendet werden können, beispielsweise
Brückenschaltungen, die den Gütefaktor einer Hochfrequenzspule messen.