DE1294550B

DE1294550B - Vibration magnetometer

Info

Publication number: DE1294550B
Application number: DE1966J0030049
Authority: DE
Inventors: Mogilevsky Vitaly M
Original assignee: Institut Gornogo Dela So An SSSR
Current assignee: Institut Gornogo Dela So An SSSR
Priority date: 1966-02-12
Filing date: 1966-02-12
Publication date: 1969-05-08

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Meßeinrichtungen zur Erfassung von magnetischen Grö-Ben, insbesondere auf eine Einrichtung zur Messung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke auf der Oberfläche von ferromagnetischen Werkstoffen sowie zur Messung der Induktion in engen Luftspalten von magnetischen Kreisen, beispielsweise bei elektrodynamischen Meßgeräten. The present invention relates to measuring devices for detection of magnetic quantities, in particular a device for measuring the tangential component the magnetic field strength on the surface of ferromagnetic materials as well as for measuring the induction in narrow air gaps of magnetic circuits, for example in electrodynamic measuring devices.

Bekannt sind Magnetometer mit einem Meßfühler in Form einer in einem Halter auf den elastischen Aufhängungen aus Phosphorbronze angeordneten rechteckigen Meßspule. Die Meßspule besitzt Erregungs-und Entregungswicklungen, die durch ein permanentes Magnetfeld durchsetzt und über einen stabilisierten Verstärker positiv rückgekoppelt werden. Magnetometers with a sensor in the form of one in one are known Rectangular brackets placed on elastic phosphor bronze suspensions Measuring coil. The measuring coil has excitation and de-excitation windings through a permanent magnetic field permeated and positive via a stabilized amplifier are fed back.

Eine solche Anordnung ermöglicht die Aufrechterhaltung von ungedämpften sinusförmigen Schwingungen der Meßspule. Das an der Meßspule abgenommene Signal enthält eine Komponente, die proportional der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke in dem Punkt ist, um welchen die Meßspule schwingt. Dieses Meßsignal wird verstärkt, in einem phasenempfindlichen Demodulator gleichgerichtet und mit einem Voltmeter gemessen.Such an arrangement allows the maintenance of undamped sinusoidal oscillations of the measuring coil. The signal taken from the measuring coil contains a component proportional to the tangential component of the magnetic Field strength at the point around which the measuring coil oscillates. This measurement signal is amplified, rectified in a phase-sensitive demodulator and with measured with a voltmeter.

Den bekannten Magnetometern der oben beschriebenen Art ist jedoch ein systematischer Fehler eigen, der dadurch bedingt ist, daß die Meßspule um einen Punkt schwingt, der nicht auf der Oberfläche des Prüflings liegt. Die gemessene Tangentialkomponente der Feldstärke bezieht sich somit nicht auf die Oberfläche des Prüflings, sondern auf einen vom Prüfling entfernten Punkt. Man versucht diesen Fehler zu verkleinern, indem man den Abstand zwischen Meßspule und Prüfling verkleinert. Das führt jedoch zwangsweise zur Verkleinerung der Schwingungsamplitude und damit auch der Empfindlichkeit und Störsicherheit des Magnetometers. However, the known magnetometers of the type described above a systematic error due to the fact that the measuring coil around a Point vibrates that is not on the surface of the test object. The measured The tangential component of the field strength therefore does not relate to the surface of the test item, but to a point away from the test item. One tries this To reduce errors by reducing the distance between the measuring coil and the test object. However, this inevitably leads to a reduction in the oscillation amplitude and thus also the sensitivity and immunity to interference of the magnetometer.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden. It is the aim of the present invention to avoid this disadvantage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetometer anzugeben, bei dem die Messung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke auf der Oberfläche von ferromagnetischen Werkstoffen mittelbar erfolgt, um den durch den Abstand zwischen schwingender Meßspule und Prüfling bedingten Fehler zu vermeiden. The invention is based on the object of specifying a magnetometer, where the measurement of the tangential component of the magnetic field strength on the Surface of ferromagnetic materials takes place indirectly to the by the To avoid errors caused by the distance between the vibrating measuring coil and the test object.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die schwingende rechteckige Meßspule aus zwei Teilspulen verschiedener Länge besteht, die gegensinnig hintereinandergeschaltet sind. Die beiden Teilspulen sind räumlich parallel zueinander derart angeordnet, daß ihre unaktiven Stirnseiten in einer Ebene liegen. Der Meßspulenhalter hat eine Stützfläche, die eine genaue Einstellung der Meßspule orthohogonal zur Tangentialkomponente der Feldstärke an der Oberfläche des zu prüfenden ferromagnetischen Werkstoffes bei der Messung ermöglicht. This object is achieved according to the invention in that the oscillating rectangular measuring coil consists of two sub-coils of different lengths, which are in opposite directions are connected in series. The two sub-coils are spatially parallel to one another arranged in such a way that their inactive end faces lie in one plane. The measuring coil holder has a support surface that allows an accurate setting of the measuring coil orthohogonal to Tangential component of the field strength on the surface of the ferromagnetic to be tested Material allows for the measurement.

Es ist weiter nach der Erfindung vorteilhaft, die eine Teilspule der Meßspule innerhalb der anderen anzuordnen. It is also advantageous according to the invention that a sub-coil to arrange the measuring coil within the other.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann im Magnetometer eine Recheneinrichtung vorgesehen werden, an deren Eingang die Teilspulen der Meßspule und an deren Ausgang ein Filter angeschlossen ist. Diese Recheneinrichtung ermöglicht die Bestimmung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke an der Oberfläche des zu prüfenden ferromagnetischen Werkstoffes entsprechend den durch die Meßspulen erfaßten Feldstärken. According to a further feature of the invention, a magnetometer Computing device are provided, at the input of which the sub-coils of the measuring coil and at the output of which a filter is connected. This computing device enables the determination of the tangential component of the magnetic field strength at the surface of the to be tested ferromagnetic material according to the measuring coils detected field strengths.

Es ist weiter vorteilhaft, als Rechenschaltung einen Rechenverstärker (Operationsverstärker) zu verwenden. It is also advantageous to use an arithmetic amplifier as the arithmetic circuit (Operational amplifier).

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert. The invention is illustrated below using an exemplary embodiment the F i g. 1 to 3 explained in more detail.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild des Vibrationsmagnetometers nach der Erfindung ; F i g. 2 zeigt die Meßspule des Magnetometers nach F i g. 1, und F i g. 3 zeigt die Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke in Abhängigkeit vom Abstand des Meßpunktes von der Oberfläche des zu prüfenden ferromagnetischen Werkstoffes. F i g. 1 shows the circuit diagram of the vibration magnetometer according to FIG Invention; F i g. 2 shows the measuring coil of the magnetometer according to FIG. 1, and F i G. 3 shows the tangential component of the magnetic field strength as a function the distance of the measuring point from the surface of the ferromagnetic to be tested Material.

Wie F i g. 1 erkennen läßt, wird die magnetische Feldstärke durch eine Meßspule erfaßt, welche aus zwei rechteckigen Teilspulen 1 und 2 verschiedener Länge, jedoch gleicher Breite besteht. Die beiden Teilspulen sind gegensinnig hintereinandergeschaltet. Like F i g. 1 reveals, the magnetic field strength is caused by a measuring coil detected, which consists of two rectangular sub-coils 1 and 2 different Length, but the same width. The two sub-coils are connected in series in opposite directions.

Die Meßspule ist mittels der Konsole 3 mit dem Vibrationsantrieb 4 verbunden. Die Teilspule 1 der Meßspule ist über den Widerstand 5 mit dem Eingang des rückgekoppelten Operationsverstärkers 6 verbunden, in dessen Rückkopplung der Widerstand 7 vorgesehen ist. Die Gegénreihenschaltung der beiden Teilspulen 1 und 2 liegt über dem Widerstand 8 im Eingangsstromkreis des Operationsverstärkers 6. Dem Verstärker 6 ist der Verstärker 9 nachgeschaltet, dessen obere Grenze des Frequenzbandes durch die mechanische Schwingungsfrequenz der Meßspule bestimmt ist. Am Ausgang des Verstärkers 9 liegt ein phasenempfindlicher Demodulator 10. Die Bezugsspannung für den Demodulator 10 wird am Phasenkorrektionsverstärker 11 abgenommen, dessen Eingang über eine Abgriffeinrichtung 12 mit dem Vibrationsantrieb 4 verbunden ist.The measuring coil is connected to the vibration drive 4 by means of the console 3 tied together. The coil section 1 of the measuring coil is connected to the input via the resistor 5 of the feedback operational amplifier 6 connected, in the feedback of the Resistor 7 is provided. The counter-series connection of the two sub-coils 1 and 2 lies across the resistor 8 in the input circuit of the operational amplifier 6. The amplifier 6 is followed by the amplifier 9, its upper limit of the frequency band is determined by the mechanical oscillation frequency of the measuring coil. At the exit of the amplifier 9 is a phase-sensitive demodulator 10. The reference voltage for the demodulator 10 is removed from the phase correction amplifier 11, its The input is connected to the vibration drive 4 via a tapping device 12.

Am Ausgang des phasenempfindlichen Demodulators 10 ist das Voltmeter 13 angeschlossen. At the output of the phase-sensitive demodulator 10 is the voltmeter 13 connected.

F i g. 2 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Meßspule mit zwei Teilspulen. Die Teilspule 16 von der Länge L ist innerhalb der Windung 17 von der Länge L + 8 derart angeordnet, daß die Stirnteile 18 und 19 der Teilspulen 16 und 17 an der Meßseite im Abstand 8 voneinander liegen, während die unaktiven Stirnseiten 20 und 21 in einer Ebene liegen. Die beiden Teilspulen liegen gegensinnig in Reihe, so daß die Meßspule insgesamt drei Anschlußklemmen hat. Die Klemme 22 ist geerdet, die Klemme 23 am Widerstand 5 und die Klemme 24 am Widerstand 8 des Operationsverstärkers 6 (F i g. 1) angeschlossen. F i g. 2 shows the structure of the measuring coil according to the invention with two Partial coils. The partial coil 16 of the length L is within the turn 17 of the Length L + 8 arranged such that the end parts 18 and 19 of the coil sections 16 and 17 are on the measuring side at a distance 8 from each other, while the inactive end faces 20 and 21 lie in one plane. The two sub-coils are in opposite directions in series, so that the measuring coil has a total of three terminals. Terminal 22 is grounded terminal 23 on resistor 5 and terminal 24 on resistor 8 of the operational amplifier 6 (Fig. 1) connected.

Die Meßspule ist mit dem Vibrationsantrieb4 mittels einer leichten Konsole 25 von einembeispielsweisen N-förmigen Querschnitt verbunden, die an der Halterung 26 so angeordnet ist, daß die Stützfläche 27 der letzteren, die während der Messung gegen die Prüflingsoberfläche 28 (F i g. 3) gedrückt wird, senkrecht zur MeBspulenebene steht. The measuring coil is connected to the vibration drive4 by means of a light Console 25 of an example N-shaped cross-section attached to the Bracket 26 is arranged so that the support surface 27 of the latter, which during the measurement is pressed against the test object surface 28 (FIG. 3), perpendicularly to the measuring coil level.

F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke und der Entfernung von der Oberfläche 28 des Prüflings, beispielsweise eines Dauermagneten, an dessen in der Ebene YOZ liegenden Oberfläche die Tangentialkomponente Ht des Feldes wirksam ist. Die Meßspule des Magnetometers wird in der Ebene YOX so eingestellt, daß die Stirnseite 18 der Teilspule 17 sich in einer Entfernung d von der Oberfläche des Prüflings befindet. Die Entfernung zwischen der Stirnseite 19 der Teilspule 16 beträgt dann d + 8, wobei b die Längendifferenz zwischen den Teilspulen 1 und 2 ist. F i g. 3 shows the relationship between the tangential component the magnetic field strength and the distance from the surface 28 of the test object, for example a permanent magnet, on its surface lying in the plane YOZ the tangential component Ht of the field is effective. The measuring coil of the magnetometer is set in the level YOX so that the end face 18 of the coil section 17 is at a distance d from the surface of the test piece is located. The distance between the end face 19 of the coil section 16 is then d + 8, where b is the difference in length between coil sections 1 and 2.

Führt die Meßspule eine sinusförmige Schwingungsbewegung mit einer Frequenz # und einer Amplitude a aus, so wird in den Teilspulen 1 und 2 eine E M K nach folgenden Beziehungen induziert : El = EH, coscot + Egl sin 2cot, E2=EH2 cos#t+Eg2sin2#t, worin EH1=n.Á0.b.a.#.H1=K1H1, EH2=n.Á0.b.a.#.H2=K2H2, Eg, = n.Á0.b.a2#g, Eg2= n .Á0.b.a2#g2, n =die Windungszahl, b = die Breite der Sektion @ u = die Permeabilität der Luft, Fi. g2 = der Gradient der Tangentialfeldkomponente in den Punkten x = d und x = d + 8 bezeichnet. The measuring coil performs a sinusoidal oscillation movement with a Frequency # and an amplitude a, an E M K induced according to the following relationships: El = EH, coscot + Egl sin 2cot, E2 = EH2 cos # t + Eg2sin2 # t, where EH1 = n.Á0.b.a. #. H1 = K1H1, EH2 = n.Á0.b.a. #. H2 = K2H2, Eg, = n.Á0.b.a2 # g, Eg2 = n .Á0.b.a2 # g2, n = the number of turns, b = the width of the section @ u = the permeability the air, fi. g2 = the gradient of the tangential field component in the points x = d and x = d + 8.

Da die Teilspulen 1 und 2 gegensinnig in Reihe liegen, beträgt bei K1 = K2 = K und gl = g2 = g das Gesamtsignal. Since the partial coils 1 and 2 are in opposite directions in series, is at K1 = K2 = K and gl = g2 = g the total signal.

E21 = K (H2-Hl) cossa) = KSHlcoscot. E21 = K (H2-Hl) cossa) = KSHlcoscot.

Aus der Bedingung g = const folgt Ht=H1+#H1(d+#)/#. From the condition g = const it follows that Ht = H1 + # H1 (d + #) / #.

Sind die Widerstände 5 und 7 am Eingang des Operationsverstärkers 6 gleich, und beträgt das Verhältnis zwischen den Widerständen 7 und 8 (d +@)/@, so erscheint am Ausgang der Operationsverstärker 6 das Signal Us = K .H1cos#t+K#H1(d+#)/#+Egsin2t. Are the resistors 5 and 7 at the input of the operational amplifier 6 equals, and the ratio between resistors 7 and 8 is (d + @) / @, so the signal Us = K .H1cos # t + K # H1 (d + #) / # + Egsin2t appears at the output of the operational amplifier 6.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 9, in dem die Frequenzen oberhalb a) abgeschnitten werden, beträgt dann U9=K9KHtcos#t, wobei K9 der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 ist. The output signal of the amplifier 9, in which the frequencies above a) are cut off, then U9 = K9KHtcos # t, where K9 is the gain factor of amplifier 9 is.

Die Spannung U9 wird im phasenempfindlichen Demodulator 10 gleichgerichtet und mit dem Volt- meter 13, dessen Skala in magnetischen Einheiten geeicht ist, gemessen. The voltage U9 is rectified in the phase-sensitive demodulator 10 and with the volt meter 13, the scale of which is calibrated in magnetic units.

Die Bezugsspannung für den phasenempfindlichen Demodulator 10 wird am Vibrationsantrieb 4 durch die Abgriffeinrichtung 12, die beispielsweise auf dem induktiven Prinzip arbeitet, abgenommen und nach einer Verstärkung im Phasenkorrektionsverstärker 11 dem phasenempfindlichen Demodulator 10 zugeführt. The reference voltage for the phase sensitive demodulator 10 becomes on the vibration drive 4 by the tapping device 12, for example on the inductive principle works, removed and after an amplification in the phase correction amplifier 11 is fed to the phase-sensitive demodulator 10.

Claims

Claims: 1. Vibration magnetometer, in which the to be measured magnetic quantities, preferably the tangential component of the magnetic field strength on the surface of a ferromagnetic material, through one in a holder arranged oscillating rectangular measuring coil with the oscillation frequency of Measuring coil matched filter can be detected, which is indicated by the fact that the oscillating rectangular measuring coil consists of two sub-coils of different lengths, which lie in opposite directions in series and are spatially arranged in parallel in such a way that their inactive end faces lie in one plane and the measuring coil holder has one Has support surface, which allows a precise setting of the measuring coil orthogonal to the tangential component of the field on the surface of the ferromagnetic material to be tested.

2. Vibration magnetometer according to claim 1, characterized in that that the two sub-coils of the oscillating rectangular measuring coil are arranged one inside the other are.

3. Vibration magnetometer according to claims 1 and 2, characterized by a computing device, at the input of which the sub-coils of the oscillating measuring coil and at the output of which a filter is connected and which is the tangential component the field strength on the surface of the ferromagnetic material to be tested calculated according to the field strength values measured with the measuring coils.

4. Vibration magnetometer according to claim 3, characterized in that that the computing device is an operational amplifier.