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Die Erfindung betrifft die Anwendung einer Hallplatte zur Feststellung
der Auslenkung eines ein Magnetfeld aufweisenden Objektes aus einer Normallage,
wobei die Hallplatte dem Magnetfeld des Meßobjektes ausgesetzt ist und die zur Auslenkung
des Objek-
tes proportionale Hallspannung gemessen wird.
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Es ist bereits eine Fernmeßanlage bekannt, bei der als Sendeorgan
ein drehbar gelagerter Dauermagnet vorgesehen ist. Zur übertragung der Bewegung
des Dauermagneten auf ein Empfangsorgan wird mindestens eine Hallplatte verwendet,
die dem Magnetfeld des Dauermagneten ausgesetzt ist und eine der Auslenkung des
Dauermagneten proportionale Hallspannung liefert.
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Es ist weiterhin ein Meßwertumforiner zur Umwandlung der Drehbewegung
einer Scheibe in eine Frequenz einer elektrischen Größe bekannt, bei dem um den
Umfang der Scheibe radial angeordnete Dauermagnetstäbe vorgesehen sind. Ein Hallgenerator
ist in einer Ebene angeordnet, die durch die magnetische Achse des jeweils an dem
Hallgenerator vorbeibewegten Dauermagne.tstabes und durch eine Senkrechte zur relativen
Bewegungsrichtung gegeben ist. Falls die Dauermagnete gleiche Polung aufweisen,
wird in dem Hallgener#tor mit Annäherung eines Dauermagneten eine anwachsende Spannung
in der einen Richtung erzeugt, die nach Durchlaufen eines Maximums durch Null in
der Symmetriestellung hindurchgeht und bei Entfernen von dem Dauermagnet eine Spannung
mit einem Maximum in der anderen Richtung erzeugt.
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Darüb#er hinaus ist es bereits bekannt, zur Messung des durch einen
elektrischen Leiter hindurchfließenden Stromes eine Hailplatte zu verwenden. Der
elektrische Leiter wird durch einen Eisenkern hindurefigeführt, der einen Luftspalt
aufweist, in dem eine Hallplatte senkrecht zu den den Luftspalt durchsetzenden Magnetfeldlinien
angeordnet ist.
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Bei der magnetischen ' Durchflußmessung ist es bekannt, zur
Ausschaltung der Abhängigkeit der Anzeige von der Magnetfeldgröße eine Hallmultiplikator-Kompensation
anzuwenden, bei der die von den Elektrod * en des Durchflußgebers kommende
Spannung über einen Transformator in Reihe mit der Hallspannung eines Hallgenerators
als Kompensationsspannung geschaltet ist. Die resultierende Spannung wird einem
phasengesteuerteü Gleichrichter zugeführt. Die Bezugsspannung für den Hallgenerator
und die Spannung für die phasenabhängige Gleichrichtung werden mittels Stromwandler
aus dem Strom des zur Durchflußmessung vorgesehenen Magnetfeldes entnommen. Da somit
die Hallkompensationsspannung in Phase mit dem Magnetfeld und proportional dem Magnetfeld
ist und auch die von den Elektroden des Durchflußgebers kommende Meßspannung proportional
dem Magnetfeld ist, ergibt sich ein von der Magnetfelderöße unabhängiges Anzeigesignal.
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Obwohl in letzter Zeit in steigendem Maße Hall-OFeneratoren in der
Meß- und Regeltechnik eingesetzt werden, ist bisher noch keine Anordnung bekannt
geworden, mit der sich in einfacher Weise die Auslenkung eines ein Magnetfeld aufweisenden
Objektes aus einer Normallage feststellen läßt.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Hallplatte tangential zu den
dem Meßobjekt zugeordneten gekrürnmten Magnetflußlinien angeordnet ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Hallplatte wird gewährleistet,
daß die Hallspannung Null ist, wenn sich das Meßobjekt in der Norniallage befindet.
Bei Auslenkung des Meßobjektes aus der Normallage erhält man eine der Richtung und
dem Betrag der Auslenkung proportionale Hallspannung. Besonders vorteilhaft ist
die erfindungsgemäße An-
ordnung bei der Prüfung und Messung in der koaxialen
Lage des Stromleiters eines Koaxialkabels in bezug auf die Hülle. Das stromdurchflossene
Koaxialkabel wird kontinuierlich über Führungen an der Hallplatte vorbeibewegt.
Da der Koaxialleiter von Strom durchflossen ist, ist das Koaxialkabel von konzentrisch
verlaufenden Magnetfeldlinien umschlossen, die auf die Hallplatte einwirken und
nur dann eine Hallspannung zur Folge haben, falls sich der Stromleiter nicht in
Normallage befindet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die gegebenenfalls
verstärkte Hallspannung durch einen phasengesteuerten Gleichrichter gleichgerichtet,
um Störsignale zu unterdrücken.
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Die Erfindung wird nun näher an Hand von Zeichnungen erläutert, in
denen zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung
der Lage eines stromdurchflossenen Leiters, F i g. 2 ein vereinfachtes schematisches
Schaltbild des in F i g. 1 dargestellten phasengesteuerten Gleichrichters,
F i g. 3 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Anordnung der
Hallplatte in bezug auf das vom stromdurchflossenen Leiter erzeugte Magnetfeld,
F i g. 4 in größerem Maßstab eine schematische Darstellung eines Schnittes
durch den Leiter und die Hallplatte zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Magnetfeld
und der relativen Lage der Hallplatte, F i g. 5 eine graphische Darstellung
der relativen Hallspannung in Abhängigkeit von der Verschiebung der Hallplatte und
F i g. 6 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Feststelliing
der Auslenkung eines hin-und herverschiebbaren Elementes.
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Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung dient zur laufenden
Überwachung der Lage des Leiters 11 eines elektrischen Kabels 10,
bei dem der stromführende elektrische Leiter 11 von einer Hülle 12 aus geeignetem
Isoliermaterial umschlossen ist. Da das Is olationsmaterial nicht magnetisch ist,
kann sich konzentrisch zum stromführenden Leiter 11 ein Magnetfeld ausbilden.
In F i g. 1 ist zwar nur ein kurzes Stück des Kabels 10 dargestellt,
jedoch wird das Kabel 10 normalerweise fortlaufend hergestellt und durch
die Prüfvorrichtung hindurchgeführt. Um das Kabel 10 in einer vorgegebenen
Lage in bezug auf einen Hallgenerator zu halten, sind Kabelführungen (F i
g. 3)
vorgesehen, die im vorliegenden Fall die Form von Rollen 13 haben,
die mit Führungsnuten versehen und paarweise angeordnet sind. Das zu prüfende Kabel
10 wird durch zwei im Abstand voneinander angeordnete Rollenpaare in einer
festen Lage in bezug auf eine Bezugslage gehalten. Der elektrische Leiter des Kabels
ist also in bezug auf Diesel Bezugslage verschoben, falls er nicht konzentrisch
zur Isolationshülle verläuft.
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Der Leiter 11 ist an den Ausgang eines Oszillators und Leistungsverstärkers
14 angeschlossen, so daß durch den Leiter 11 ein Wechselstrom bestimmter
Frequenz hindurchgeschickt werden kann. Der Oszillator und Leistungsverstärker 14
von'einem Netzgerät
15 gespeist. Vorzu gsweise wird die Frequenz
des Oszillators 14 so gewählt, daß sie nicht mit der Frequenz des Netzstromes und
irgendwelchen Oberwellen des Netzstromes übereinstimmt und sich auch von der Frequenz
irgendwelcher anderer in der Nähe angeordneter Schwingungserzeuger unterscheidet,
welche einen Einfluß auf die zu prüfenden Teile des Kabels haben könnten. Die Ausbildung
der Stromzuführungskontakte für den elektrischen Leiter 11 ist nicht näher
erläutert. In F i g. 3 sind schematisch Kontaktfinger 16
dargestellt,
mit denen fortlaufend dem elektrischen Leiter 11 Strom zugeführt werden kann.
Der eine Kontaktfinger 16 könnte beispielsweise am fertigen Ende des Kabels
mit dem Leiter 11 in Verbindung stehen, während der andere Kontaktfinger
16 am elektrischen Leiter 11 entlanggleiten könnte, bevor dieser mit
der Isolationshülle 12 versehen wird.
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Zur Abtastung des Magnetfeldes des durch das Prüfgebiet hindurchlaufenden
Kabels 10 ist eine Hallplatte 17 in vorgegebener Beziehung zum Kabel
10
und zur feststehenden Bezugslage angeordnet. Die Hallplatte 17 gehört
zu dem mit der Bezugszahl 18
bezeichneten Hallgenerator. Die Hallplatte
17 besteht aus einem festen Halbleitermaterial und hat vorzugsweise die Form
eines Parailelepipeds. Falls durch die Hallplatte 17 ein Strom hindurchgeschickt
wird und man auf die Hallplatte 17 ein senkrecht zur Stromrichtung verlaufendes
Magnetfeld einwirken läßt, dann kann man in einer senkrecht zur Stromrichtung und
Magnetfeldrichtung liegenden dritten Richtung einen Spannungsgradienten messen.
Der durch die Hallplatte 17 hindurchfließende Strom wird als Steuer-Strom
IC bezeichnet und wird durch eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie
19, erzeugt. Die. Batterie 19 steht über geeignete Zuleitungen 20
und 21 mit gegenüberliegenden Flächen der Hallplatte 17
in Verbindung, so
daß durch die Hallplatte 17 ein Gleichstrom hindurchgeschickt wei:den kann.
Gegebenenfalls kann in die Zuleitung 20 ein Widerstand eingeschaltet werden, um
den Strom I, zu begrenzen. Ein durch den elektrischen Leiter 11 des Kabels
10
hindurchfließender Strom hat ein Magnetfeld H rund um den Leiter zur Folge,
dessen Flußlinien konzentrisch zum Leiter. 11 verlaufen. Das Magnetfeld H
ist in F i g. 4 durch konzentrische Kreise dargestellt, auf denen die Richtung
des Magnetfeldes durch Pfeile angegeben ist. Die Hallplatte 17 ist so im
Magnetfeld H angeordnet, daß die Flußrichtung des durch die Platte 17 hindurchfließenden
Stromes 1, parallel zum Leiter 11 des Kabels 12 verläuft. Die derart
angeordnete Hallplatte 17 wird von Flußlinien des Magnetfeldes H durchsetzt.
Die durch die Hallplatte 17
hindurchlaufenden-Flußlinien verlaufen senkrecht
zur Stromrichtung und haben zwischen den beiden anderen Oberflächen ' der
Platte 17 einen Spannungsgradienten zur Folge, der senkrecht zum StromI,
und zum Magnetf ' eid H ist.
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An den beiden anderen Flächen der Hallplatte 17 sind Kontakte angeordnet,
die mit Zuleitungen 22 in Verbindung stehen und mit deren Hilfe die Hallspannung
abgegriffen wird. Die Spannungsachse verläuft also quer zur Stromachse. Die Hallplatte
17 kann im Magnetfeld H auch so angeordnet werden, daß die Flußlinien mit
der Spannungsachse einen von 901
verschiedenen Winkel einschließen. Beispielsweise
sind in F i g. 4 drei verschiedene Stellungen der Hallplatte 17 dargestellt.
In der Stellung A ist die Hallplatte in einer Ebene angeordnet, in der die
Flußlinien des Magnetfeldes H mit der Spannungsachse einen Winkel von
90' einschließen. In dieser Lage würde eine optimale Hallspannung erzeugt
werden. Bewegt man die Platte.17 in die Stellung B, dann verringert sich die Hallspannung,
da die senkrecht zur Spannungsachse verlaufende Flußkomponente geringer wird. Die
gekrümmten Flußlinien lassen sich nämlich in eine lotrechte Vektorkomponente und
in eine waagerechte Vektorkomponente aufspalten, wobei lediglich die lotrechte Komponente
einen Effekt zur Folge hat. Bewegt man die Hallplatte in die Stellung
C, dann wird der Einfluß des Magnetfeldes H weiter verringert, da in dieser
Stellung die lotrechte Komponente der durch die Platte hindurchlaufenden Flußlinien
am geringsten ist. Die Hallspannung weist daher in dieser Stellung den geringsten
Wert auf. Zur Feststellung der Lage des stromdurchflossenen Leiters 11 wird
jedoch gerade diese minimale Hallspannung verwendet-. -Wie aus F i g. 4 ersichtlich
ist, wird die minimale Hallspannung erzeugt, wenn die Hallplatte 17 so angeordnet
ist,.daß die Spannungsachse taugential zu den gekrümmten magnetischen Flußlinien
verläuft und die Hallplatte 17 in bezug auf eine Ebe - ne zentriert
ist, die durch die durch den Leiter 11 hm*-durchgehende Y-Achse festgelegt
ist- In dieser Stellung heben sich die lotrechten Flußlinienkomponenten der durch
die Platte hindurcl-daufenden Flußlinien gegenseitig heraus, da sowohl positive
als auch negative lotrechte Komponenten gleicher Größe vorhanden sind. Ist, also
die Hallplatte 17 über dem Leiter 11 auf die Y#Achse zentriert, dann
hat das Magnetfeld H keine Hallspannung zur Folge, so daß der Leiter 11 als
auf der Y-Achse# liegend angesehen werden kann. Durch Messung der Hallspannung läßt
sich daher die geometrische Lage des Leiters 11 feststellen. FaUs eine Hallspannung
vorliegt, ist das ein Zeichen dafür, daß der elektrische Leiter und sein Magnetfeld
H aus der Y-Achse verschoben- sind.
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Bei der in -F i g. 3 dargestellten Vorrichtung ist die Hallplatte
17 auf einer Unterlage befestigt, welche die Hallplatte 17 in einer
vorgegebenen feststehenden Beziehung zu dem die Prüfstrecke durchlaufenden Teil
des Kabels oder zu- einem festen der gewünschten Leiterstellung zugeordneten Bezugsnormal
hält. Die feststehende Beziehung ist dadurch gegeben, daß die Hallplatte
17 in einer parallel zur gewünschten Stellung des Leiters 11 und tangential
zu dem Magnetfeld. des Leiters 11 verlaufenden Ebene angeordnet und über
der vorgegebenen gewünschten Mitte des Leiters zentriert ist. Weicht der Leiter
11 von der gewünschten konzentrischen oder sonstwie vorgegebenen Beziehung
in bezug auf die -Isolationsschicht 12 ab, dann ergibt sich eine entsprechende proportionale
Zunahme der Hallspannung. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung würde
die Hallspannung ausgehend vom Wert Null entweder in positiver oder negativer Richtung
zunehmen, je nachdem, ob der Leiter in positiver oder negativer Richtung
auf der X-Achse (F i g. 4) verschoben wird. Abweichungen in Richtung der
Y-Achse können mit der in bezug auf die Y-Achse zentrierten Hallplatte nichtIestgestellt
werden, da diese Abweichungen keinen Einfluß auf die Hallspannung haben. Der Verlauf
der Hallspannuno, in Abhängigkeit einer Verschiebung der Hallplatte aus der Y-Achse
in einer parallel zur X-Achse verlaufenden Ebene ist in F i g. 5 graphisch
dargestellt. Die Hallspannung erreicht bei einer bestimmten Verschiebung einen Maximalwert
und nimmt dann
allmählich ab, wenn der Abstand von dem Magnetfelderzeuger
und daher die Stärke des Magnetfeldee abnimmt.
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Falls die Hallplatte 17 in einer bestimmten Lage zu einem Bezugspunkt
angeordnet ist und der Leiter 11
von der Bezugslage abweicht, dann wird diese
Abweichung durch das Vorhandensein einer Hallspannung angezeigt. Innerhalb bestimmter
Grenzen ist die aul diese Weise gebildete Hallspannung eine lineare Funktion der
Auslenkung des Leiters 11 aus der Bezugslage und kann daher zur Anzeige der
Auslenkung und gegebenenfalls zur Einleitung eines Korrekturvorganges bei einem
Herstellungsverfahren verwendet werden. Es läßt sich also in bequemer Weise die
Verschiebung eines Leiters feststellen.
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Der erfindungsgemäßen Anwendung sind jedoch Grenzen gesetzt. Ein einziger
stromführender elektrischer Leiter kann bei Verwendung von normal zulässigen Strömen
kein besonders großes Magnetfeld erzeugen. Ströme, die ein großes Magnetfeld ergeben
würden, würden jedoch das Kabel zerstören. Man muß deshalb mit annehmbaren Strömen
arbeiten. So hat beispielsweise ein durch einen elektrischen Leiter fließender Strom
von 0,1 bis 1,0 Amp. eine Hällspannung von nur einigen wenigen Mikrovolt
zur Folge. In vielen Fällen kann jedoch durch den elektrischen Leiter höchstens
eine*Stromstärke von einem Ampere ohne schädliche Beeinflussung des Kabels hindurchgeschickt
werden. Arbeitet man mit so niedrigen Strömen, dann wird die dabei entstehende Hallspannung
durch Thermospannungen u * nd Hallspannungen verfälscht, die auf Grund des
magnetischen Erdfeldes und anderer äußerer Magnetfelder entstehen.
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Diese unerwünschten Störspannungen können beseitigt werden. Zur Beseitigung
von Störspannungen führt man dem Leiter 11 einen Wechselstrom zu. Dadurch
entsteht eine Hallwechselspannung, die durch einen Wechselstromverstärker 24 verstärkt
wird, der durch das Netzgerät 15 gespeist wird. In der Hallspannung vorhandene
Gleichstromkomponenten können durch Verwendung des Wechselstromverstärkers 24 und
sonstiger elektrischer Filter eliminiert werden.
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Die durch - äußere Störfelder.und durch das Erdfeld bewirkten
störenden Wechselstromhallspannungen können jedoch auf diese Weise nicht eliminiert
werden, dazu ist vielmehr die folgende Anordnung vorgesehen. Die verstärkten Hallspannungen
werden einem Gleichrichter 25 zugeführt, der synchron mit dem Oszillator
14 betrieben wird, der zur Erregung des elektrischen Leiters 11 verwendet
wird. Der Gleichrichter 2 wird so gesteuert, daß er nur Wechselstromsignale hindurchläßt,
die die richtige Frequenz und Phase aufweisen. Zur Beseitigung von Wechselstromstörspannungen
wählt man also für den Oszillatox 14 eine Frequenz, die stark von den
üb-
lichen verwendeten Frequenzen abweicht. Eine Frequenz von 1100
Hertz ist sehr ungewöhnlich und entspricht auch keiner Oberschwingung der normalerweise
verwendeten Frequenzen.
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In F i g. 2 ist eine Grundschaltung für einen Synchrongleichrichter
dargestellt, der das vom Verstärker 24 kommende Wechselstromsignal in eine Gleichspannung
umwandelt. Dies wird dadurch erreicht, daß am Ausgang des Verstärkers
25 synchron mit dem gewünschten Signal eine Umschaltung vorgenommen wird,
wodurch man eine Halbweggleichrichtung erzielt. Man kann gegebenenfalls auch eine
Vollweggleichrichtung verwenden. Der Syi#chron-Halbweggleichrichter besteht aus
einer abgeglichenen Diodenbrückenschaltung. Die Brückenschaltung ist mit dem Ausgang
des Oszillators 14 derart verbunden, daß während einer Halbwelle der Ausgangsspannung
V 1 des Oszillators 14 alle Dioden leitend sind. Während der anderen
Halbwelle der Spannung Vl sind alle Dioden gesperrt. Die Ausgangsspannung V2 des
Wechselstromverstärkers 24 ist Priel kleiner als die Spannung Vl des Oszillators
14 und kann daher die Dioden nicht steuern. Man verwendet solche Dioden, die im
leitenden Zustand einen Widerstand besitzen, der im Vergleich zum Widerstand R
1 klein ist, so daß der Brückenpunkt 1 mit dem Brückenpunkt 2 im wesentlichen
kurzgeschlossen ist. Die Signalspannung V 2 kann daher vom Reihenwiderstand
R 1 abgenommen werden. Wenn die Dioden gesperrt sind, besitzen sie einen
viel größeren Widerstand als die Widerstände-R-1 oder R2, so daß die Signalspannung
V2 -zwiichen - dem Widerstand R 1 und dem eine Belastung darstellenden
Widerstand R 2 aufgeteilt wird. Das vom Verstärker 24 gelieferte gewünschte Signal
besitzt dieselbe Frequenz und Phase wie die Spannung Vl und kann daher als halbwegs
gleichgerichtete Spannung am Widerstand R 2 abgenommen werden. Der Durchschnittswert
dieser gleichgerichteten Spannung ist eine Gleichspannung, die zur Betätigung eines
Meßinstrumentes, Schreibers, Servosysteins usw. verwendet werden kann. Alle vom
Verstärker 24 gelieferten Störsignale unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Frequenz
und Phase von der Spannung VI und verlaufen daher -nicht synchron zur Arbeitsweise
cler Brückenschaltung, so daß sie am Widerstand R 2 nicht als Gleichspannung erscheinen,
sondern als Wechselspannung, die sich über eine oder mehrere Perioden der Spannung
Vl hera:ushebt. Das gewünschte Signal erscheint also als Gleichspannung am Widerstand
R 2, während die ungewünschten Signale in form einer Wechselspannung auftreten,
die mit Hilfe eines Tiefpaßfdters gegebenenfalls vollständig beseitigt werden kann.'
Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß das vom Gleichrichter 25 gelieferte
Signal einem geeigneten Anzeigeinstrument zugeführt und zur Betätigung einer Servoeinrichtung
verwendet werden kann. Das Aüs-#., gangssignal des Gleichrichters 25 kann
auch zur Steuerung verschiedener anderer Einrichtungen der Verarbeitungseinrichtung
verwendet weiden.
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Die beschriebene Ausführungsform eignet sich zur Feststellung der
Verschiebung entlang einer Bezugsachse. Zur Feststel lung der Verschiebung entlang
mehrerer Bezugsachsen können natürlich gleichzeitig zwei oder mehrere Vorrichtungen
vorgesehen werden, die entsprechend auf die gewünschten Achsen eingestellt sind.
Jede Vorrichtung würde dabei ihren eigenen Wechselstromverstärker, Gleichrichter
und Oszillator besitzen, der mit einer anderen Frequenz arbeiten würde. Bei der
Prüfung einer verhältnismäßig kurzen Länge eines Kabels mit nur einem zentral angeordneten
Leiter auf konzentrische Lage des Leiters könnte auch eine einzige Vorrichtung nach
der Erfindung verwendet werden, falls man das Kabel oder die Prüfvorrichtung dauernd
um die Leiterachse rotieren lassen könnte. Die Drehung in Verbindung mit der Längsbewegung
des Kabels würde dann die erforderliche Information über die konzentrische Lage
des Leiters ergeben.
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In F i g. 6 ist die erfindungsgemäße Anwendung der Hallplatte
bei einem Sch wingungsdetektor schematisch
dargestellt. Ein stromführender
Leiter lla ist dabei auf einen Magnetkern 27 gewickelt, in dessen Luftspalt
auf diese Weise gekrümmte Flußlinien Hl erzeugt werden. Gegenüber dem Magnetkern
27
ist eine Hallplatte 17a angeordnet, während der Magnetkern 27 auf
einer Einrichtung 28 befestigt ist, die in Richtung der Pfeile hin- und bergeschoben
werden kann. Bei Verschiebung der Einrichtung 28 wird das Magnetfeld H
1 in bezug auf die Hallplatte 17 a verschoben und auf diese Weise
eine entsprechende Hallspannung erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Hallplatte eignet sich also zur
genauen Feststellung der Lage oder Verschiebung eines ein Magnetfeld erzeugenden
Elementes in bezug auf eine feststehende Bezugslage. Die Lage oder Verschiebung
wird durch die erzeugte Hallspannung angezeigt. Störspannungen können dadurch eliminiert
werden, daß man zur Erregung des Leiters eine Wechselspannung verwendet und die
dadurch entstehende Hallwechselspannung nach Verstärkung in einem Gleichrichter
gleichrichtet, der synchron mit der Wechseispannung gesteuert wird.