-
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektrodenlosen
Bestimmen des spezifischen elektrischen Widerstandes eines Prüflings mit Hilfe eines
Resonanzkreises, beruhend auf der Erfassung der Energie des Resonanzkreises, die
dieser in An-und Abwesenheit des Prüflings führt. Im speziellen betrifft
die Erfindung
ein Verfahren zur elektrodenlosen Widerstandsmessung, das einen viel weiteren Anwendungs-und
Meßbereich besitzt als die bisher bekannten elektrodenlosen Meßmethoden (1.) bis
(16.).
-
Diese lassen sich im wesentlichen in fünf Kategorien einteilen : I.
Direkte Messung des Phasenwinkels 0 mit einer Impedanzbrücke t (10.).
-
II. Verwendung einer Q-MeBbrücke (HF-Gütemesser), um die Q-Werte
zu bestimmen, die durch einen Prüfling in einer Induktionsspule verringert werden
(7.).
-
III. Messung des durch die Wechselwirkung eines äußeren magnetischen
Feldes mit den Wirbelströmen in einem Prüfling erzeugten Drehmomentes (12.) bis
(14.).
-
IV. Messung des Abfalls der-Wirbelstromstärke bei Abschaltung einer
Erregung der Induktionsspule, z. B. durch eine Pulstechnik (4.).
-
V. Änderung des Anoden-oder Gitterstromes eines Hochfrequenzoszillators
durch die Abnahme der Rückkopplung infolge von Wirbelströmen im Prüfling (11.).
-
In allen bisher beschriebenen Fällen, einschließlich der Pulsmethoden
gemäß (4.), wird ein Meßwert mit und ohne Prüfling gemessen und daraus der eigentliche
Meßwert durch eine Differenzbildung ermittelt. Daher blieben alle bisher beschriebenen
Verfahren aus den drei nachfolgend genannten Gründen in ihrer Anwendung beschränkt
: a) Nur kleine spezifische Widerstände bis höchstens etwa 100 Ohm-cm konnten gemessen
werden.
-
Für die Messung höherer spezifischer Widerstände blieb das Signal
zu schwach bei der möglichen Stabilität der Meßanordnung. b) Die erhaltenen Meßwerte
gaben nur einen Mittelwert des spezifischen Widerstandes über verschiedene Stellen
des Prüflings. So konnte ein heterogener Prüfling z. B. ein in einer wenig leitenden
Grundmasse eingebettetes kleines Stück Metall, dieselben Meßresultate ergeben wie
ein schlechter leitender, aber homogener Prüfling. c) Messungen bei hohen oder tiefen
Temperaturen waren schwierig oder auch unmöglich, da wegen der räumlichen Nachbarschaft
zwischen Prüfling und Induktionsspule letztere generell nicht immer auf der gleichen
Temperatur (z. B. Zimmertemperatur) gehalten werden konnte. Die elektrischen Eigenschaften
(z. B. der ohmsche Widerstand) der Spule sind temperaturabhängig.
-
Zwar ist ein Wirbelstromverfahren mit Durchlaufspule für die zerstörungsfreie
Prüfung von metallischen Werkstoffen bekannt (15.), aber auch hier wurden Meßwerte
mit und ohne Prüfling verglichen, so daß das Verfahren sich von einem stationären
Verfahren im Prinzip nicht unterscheidet ; das Leiten eines Prüflings durch die
Induktionsspule diente lediglich zur Untersuchung von metallischen Gegenständen,
eventuell bei erhöhter Temperatur, am laufenden Band. In diesem Fall wurde nur eine
Induktionsspule allein benutzt statt eines Resonanzkreises. Diese Methode ist also
keineswegs für die Messung von Prüflingen mit höherem Widerstand als oben unter
a) angegeben geeignet.
-
Nach einem ähnlichen Verfahren (16.) wurden Wälzlagerkugeln auf Risse
oder Härte geprüft, indem
die Kugeln auf einer Bahn durch eine Induktionsspule hindurchrollen.
In diesem Fall hat das Durchrollen der Kugel durch die Spule den Zweck, daß jeder
Riß mit hoher Wahrscheinlichkeit irgendwann mehr oder weniger senkrecht zur Feldrichtung
steht, was die Wirbelstrombahnen maximal ablenkt. Hier wurde aber wiederum ein Punktbild
auf einem Oszillographenschirm erhalten ; die zeitliche Änderung der Wirbelströme
als Folge der Bewegung des Prüflings wurde nicht als Meßwert benutzt. DiesesVerfahrenbringt
also keinen Vorteil über die üblichen statischen Methoden für die Messung von Substanzen
mit höherem spezifischem Widerstand oder von heterogenen Substanzen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln,
das die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe ist durch ein neues,
im vorliegenden Anspruch 1 im einzelnen angegebenes Verfahren erfindungsgemäß gelöst
worden, bei dem das Signal in Form eines Impulses erhalten wird, der ohne Schwierigkeit
durch konventionelle Wechselstromverstärkertechnik enorm verstärkt werden kann.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen sowie Anwendungen des Verfahrens nach
der Erfindung sind in den restlichen Ansprüchen angegeben. Die Begrenzung des Meßbereiches
ist nur gegeben durch die dielektrische Relaxationszeit des Prüflings und das Verhältnis
des Signals zum Rauschpegel, im Gegensatz zu der Langzeitstabilität des Meßkreises,
die wesentlich ist für die oben beschriebenen Methoden.
-
Ferner wird der Prüfling in Richtung seiner Bewegung durch die Spule
von dieser abgetastet, und man erhält ein Widerstandsprofil, wenn das erhaltene
Signal in Abhängigkeit von der Längenausdehnung des Prüflings oder von der Zeit
mit einem Oszillographen aufgenommen wird. Dies gibt ein gutes Bild von der Homogenität
des Prüflings. An die Stelle der Spule kann ein Wellenleiter oder ein Hohlraumresonator
treten.
-
Die dritte Schwierigkeit, die der Temperaturänderung der Induktionsspule,
ist auch beseitigt, da der Prüfling so schnell von einem Ofen oder einer Kühlvorrichtung
aus durch die Induktionsspule bewegt werden kann oder fällt, daß Temperaturänderungen
sowohl des Prüflings als auch der Induktionsspule im Laufe der Messung vernachlässigbar
klein sind.
-
Tabelle 1 MeBergebnisse
| Probe Temperatur Spezifischer Gemessene |
| Material Widerstand Spannung |
| Nr. (° (Ohm-cm) (Volt) |
| (l.) Al 20 3.10-6 0, 37 |
| (2.) Sn209-10-"0, 46 |
| (3.) Pb 20 1, 9. 10-5 0, 50 |
| (4.) Pb 142 3,3.10-5 0, 56 |
| (5.) Pb (fliissig) 565 9, 7 10-5 0, 72 |
| (6.) Bi201, 4. 10-"0, 88 |
| (7.) 0, 9 Bi-0,1 Bi3(fl³ssig) 550 3,3.10-4 0,9 |
| (8.) Ge (dotiert) 20 2, 5 10-3 1, 06 |
| (9.) 0, 5 Bi-0,5 Bi3 (fl³ssig) 540 1,5.10-2 1, 0 |
| (10.) 0, 4 Bi-0,6 Bi3 (fl³ssig) 550 8.10-2 0, 48 |
| (11.) 0, 1 Bi-0, 9 Bi3 (flüssig) 535 1, 9 0, 20 |
| (12.) As. 53Te0. 43S0 04 (Glas) 112 3, 8. 102 4, 0-10-2 |
| (13.) As0 53Te0, S.. 04 (Glas) 79 4, 0-103 1, 4- 10-2 |
| (14.) As0. 53Te0.43Se0.04(Glas) 20 1,7.105 3,0.10-3 |
| (15.) AS0,53Te0.43S0.04(Glas) 20 4,8.105 1,7.10-3 |
| (16.) AS0 53Te0.43S0.04(Glas) 0 3,0.106 8,0.10-4 |
| (17.) AsTeSe2 (Glas) 20 1, 5-108 1, 8. 10-4 |
A b b. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur praktischen Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung. Die Anordnung besteht aus einem senkrecht stehenden Ofen 1 mit
einer trichterförmig gebauten Quarzröhre 2, die oberhalb ihrer Erweiterung einen
Prüfling 3 enthält. Wird durch Anheben eines Quarzstabes 4 die Mündung des Trichters
geöffnet, so f³hrt das Trichterrohr 2 den Prüfling 3 beim Fallen durch eine Induktionsspule
5. Eine Lampe 6 und eine Photozelle 7 dienen dazu, die Bildröhre eines nicht dargestellten
Oszillographen im geeigneten Moment einzuschalten. A b b. 2 zeigt das Oszillogramm
eines homogenen Prüflings und A b b. 3 das einen inhomogenen Prüflings.
-
A b b. 4 und die Tabelle zeigen den sehr großen Meßbereich über etwa
14 Zehnerpotenzen des spezifischen Widerstandes. Trotz des weiten Meßbereiches war
es bei einer erprobten Anordnung außer einer Empfindlichkeitsanpassung des Oszillographen
nicht notwendig, irgendwelche sonstige ~nderungen in der Messung vorzunehmen, wie
z. B. Anpassung der Induktionsspule oder Änderung der Frequenz des OszillatormeBkreises.
-
Es ist nicht notwendig, daß der Prüfling durch die Spule hindurchbewegt
wird, sondern es genügt bei geeigneter Wahl der Form und Dimensionierung der Spule,
den Prüfling an dieser vorbeizuführen. Es genügt ferner, die Probe in das Innere
der Spule oder in ihre Umgebung zu führen und dann wieder zurückzunehmen. Darunter
fallen insbesondere auch pendelförmige Bewegungen des Prüflings in der Nähe bzw.
bis in das Innere der Spule.
-
A b b. 5 zeigt die für die Messung benutzte Schaltung. Die Induktionsspule
1 bestand aus Kupferdraht von 0, 5 mm Durchmesser und hatte bei 14 Windungen eine
Höhe von 1 cm bei einem Innendurchmesser von ebenfalls 1 cm. Die benutzte Frequenz
war 14 Megahertz. Der Prüfling hatte einen Durchmesser von etwa 0, 5 cm bei einer
Länge von etwa 5 cm.
-
Die Spule 1 bildet mit zwei in Reihe liegenden Kondensatoren 2, deren
gemeinsamer Verbindungspunkt an Erde liegt, den frequenzbestimmenden Schwing-
kreis
einer an sich bekannten Röhrenoszillatorschaltung, deren Röhre mit 7 und deren Stromversorgungsquelle
mit 10 bezeichnet ist. 3 und 4 stellen Koppelkondensatoren des Schwingkreises 1,
2 an die Röhre 7 dar. Mit 5, 6 und sind Widerstände und mit 6a, 8a, 9 und 11 Kondensatoren
bezeichnet, von denen der Kondensator 11 durch einen Schalter 13 überbrückbar ist.
Links neben der Stromversorgungsquelle 10 ist eine Heizstromquelle 14 für die Röhre
7 dargestellt.
-
Die Stromquellen 10 und 14 liegen jeweils mit einem Schalter 10a bzw.
14a in Reihe. An einer Ausgangsklemme 12 der Oszillatorschaltung ist eine dem Gitterstrom
der Röhre 7 proportionale Spannung abnehmbar, die an einem vom Gitterstrom durchflossenen
Widerstand 6 abfällt.
-
An Stelle einer Röhrenoszillatorschaltung kann auch eine Transistoroszillatorschaltung
verwendet werden.
-
In diesem Fall wird der Transistorbasisstrom als Me~-wert verwendet.
-
Zum Stand der Technik ist noch nachzutragen, da~ es zum Ermitteln
der Güte eines einen Prüfling enthaltenden Schwingkreises eines Röhrenoszillators
bekannt ist, den Gitterstrom der Oszillatorröhre als Meßwert zu verwenden (0).
-
Die Verwendung des Gitterstromes eines den Resonanzkreis enthaltenden
Röhrenoszillators zum Bestimmen von Änderungen in Energieverlusten des Resonanzkreises
bei Bewegungen des Prüflings zum Ausüben des Verfahrens nach der Erfindung ist sehr
vorteilhaft gegenüber früheren elektrodenlosen Messungen mit Anoden-oder Kathodenstrom
mit stationärem Prüfling (11.). Die relative Änderung im Gitterstrom des Oszillators
ist wesentlich größer, und der Rauschpegel ist günstiger als im Anodenstrom.
-
Daher kann die durch das pulsartige Signal nach der Erfindung erhaltene
hohe Verstärkungsmöglichkeit voll ausgenutzt werden.
-
Das Verfahren nach der Erfindung kann angewendet werden, um festzustellen,
ob sich Stoffe mischen lassen oder nicht. Das Oszillogramm nach A b b. 6 wurde erhalten
mit einer Schmelze aus ungefähr gleichen Volumteilen Blei und Aluminium bei 760°
C,
wo diese beiden Metallschmelzen nicht miteinander mischbar sind.
-
A b b. 7 illustriert die Verwendung des Verfahrens zur Messung eines
variablen Durchmessers eines stabförmigen homogenen Prüflings. Dieser bestand hier
aus einem Aluminiumdraht von 1, 23 mm Durchmesser, der durch Ätzen in der Mitte
auf 0, 95 mm und an einem Ende auf 1, 15 mm gebracht worden war.
-
Aus den obengenannten Beispielen resultieren sehr viele technische
Verwendungszwecke, von denen hier einige angeführt seien : Eine der möglichen Anwendungen
des Verfahrens nach der Erfindung besteht für die automatische Bewertung von Lebensmitteln,
kosmetischen Artikeln, Körperflüssigkeiten (z. B. Blut), Industriechemikalien, Kunststoffen,
Ölen, Treibstoffen, Gummiartikeln u. ä. auf Grund ihres spezifischen elektrischen
Widerstandes, der mit dem neuen Verfahren leicht gemessen werden kann.
-
Eine weitere Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung besteht
für die automatische Sortierung, Auswählung und Abweisung von Münzen, beruhend auf
dem elektrischen Signal, das ausgelöst wird, wenn diese durch die Induktionsspule
fallen bzw. an ihr vorbeigeführt werden.
-
Eine weitere Anwendung besteht für die stetige Kontrolle von pulverförmigen
oder zerkleinerten Stoffen und insbesondere flüssigen Substanzen, indem man diese
portions-oder tropfenweise durch die Induktionsspule des Oszillators bewegt oder
fallen läßt.
-
Viele weitere Anwendungen, die darauf beruhen, daß ein elektrischer
Leiter durch eine Induktionsspule als Teil eines Oszillators bewegt wird und damit
ein elektrischer Impuls erzeugt wird, der für Meß-und Kontrollzwecke dient, liegen
auf der Hand und fallen in den Rahmen der Erfindung.