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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Messung magnetischer Größen,
insbesondere der magnetischen Tangentialfeldstärke, die auf ebenen Flächen ferromagnetischer
Körper vorhanden ist, sowie zur Messung der magnetischen Feldstärke in schmalen
Luftspalten, wie sie z. B. in magnetischen Kreisen von Drehspulinstrumenten vorkommen.
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Da es bei derartigen Messungen häufig darauf ankommt, sehr schwache
Magnetfelder zu messen und nur die tangentiale Feldkomponente erfaßt werden soll,
ohne das zu messende Feld durch den Geber zu beeinflussen, eignen sich die bekannten
magnetostriktiv empfindlichen Elemente nicht direkt als Feldstärkegeber, da sie
zu unempfindlich sind und das zu messende Feld verzerren.
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Die bekannten Vibrationsmagnetometer weisen Geber auf, die von einer
rechteckigen Meßspule gebildet werden, die ihrerseits aus zwei entgegengesetzt in
Reihe geschalteten Teilspulen verschiedener Länge besteht, wobei die rechteckige
Meßspule mit einem Schwingungserzeuger verbunden ist, durch den sie in ungedämpfte
sinusförmige Schwingung mit konstanter Frequenz und Amplitude versetzt wird. Der
Schwingungserzeuger der bekannten Magnetometer ist als Stimmgabel mit einer Erreger-
und einer Abnahmespule ausgeführt, die über einen stabilen Verstärker mit z. B.
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Kathodenfolgerstufe und Transformatorkopplung der einzelnen Stufen
mitgekoppelt sind. Die Signale, die an den Teilspulen abgenommen werden, deren Stirnseiten
in Richtung der Normalen des ferromagnetischen Körpers in einem Bereich linearer
Abnahme der magnetischen Tangentialfeldstärke schwingen, enthalten Harmonische,
die den Tangentialfeldstärken an den betreffenden Stirnseiten proportional sind.
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Durch eine Rechenschaltung, z. B. einen Operationsverstärker, werden
die erwähnten Signale automatisch in ein Signal umgewandelt, das der auf der Oberfläche
der ferromagnetischen Materialprobe wirksamen magnetischen Tangentialfeldstärke
proportional ist. Dieses Signal wird dann mit Hilfe eines phasenempfindlichen .Detektors
gleichgerichtet und mit einem in Einheiten der magnetischen Feldstärke geeichten
Spannungsmeßgerät gemessen.
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Ein Nachteil der bekannten Magnetometer besteht darin, daß es nicht
möglich ist, einen Stimmgabelschwinger hinreichend großer Leistung für eine Schwingfrequenz
über 3kHz auszulegen. Zur Steigerung der Empfindlichkeit der Geräte muß man daher
die Windungszahl der Meßspule erhöhen, was einen durch den endlichen Spulenquerschnitt
verursachten nur schwierig erfaßbaren Meßfehler hervorruft und Messungen in schmalen
Luftspalten magnetischer Kreise erschwert.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Magnetometer liegt darin, daß
sie sich für die Messung zeitlich schnell veränderlicher Felder nicht eignen, und
zwar solcher Felder, deren Periodendauer dann wesentlich kleiner ist als die Beruhigungszeit
des Spannungsmessers, der die der magnetischen Tangentialfeldstärke proportionalen
Signale mißt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vibrationsmagnetometer
mit einem Meßkanal zwischen einem Geber aus einer Meßspule in Rahmenbauweise und
einem Anzeigegerät anzugeben, mit dem es möglich ist, Amplituden periodisch veränderlicher
magnetischer Wechselfelder im Tonfrequenzbereich, die auf planen Flächen ferromagnetischer
Körper und in engen Luftspalten magnetischer Kreise wirksam sind, zu messen, sowie
die Empfindlichkeit des Magnetometers
ohne Vergrößerung der Windungszahl der Meßspule
zu erhöhen und dabei die Meßfehler herabzusetzen und die Betriebssicherheit des
Gerätes zu steigern.
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Diese Aufgabe wird bei einem Vibrationsmagnetometer der genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Meßkanal am Eingang des Anzeigegerätes
ein Amplitudendemodulator eingeschaltet ist, daß mit dem Geber ein an sich bekannter
magnetostriktiver selbsterregter Schwingungserzeuger mit einem aus lamelliertem
und thermokompensiertem Werkstoff bestehenden Schwingstab mechanisch gekoppelt ist
und daß der Schwingstab eine Erregerspule und eine Abnahmespule trägt, in deren
Mitkopplungskreis ein amplitudenstabilisierter Verstärker eingeschaltet ist.
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Dieser Verstärker ist vorteilhaft mehrstufig, mit Kathodenfolgerstufe,
mit Aufwärtstransformator als Kopplungszwischenstufe und mit einer ebenfalls aus
Kathodenfolgern aufgebauten Gegentaktendstufe ausgeführt.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert.
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Die Zeichnung stellt das Schaltbild des Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Magnetometers dar.
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Eine Meßspule 1, die aus einer Teilspule 2 mit der LängeL und einer
Teilspule 3 mit der LängeL + b besteht, ist mit Hilfe eines leichten Trägers 4 an
dem Schwingelement eines Schwingungserzeugers befestigt.
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Zur Schwingungserzeugung dient ein magnetotiver selbsterregter Schwingungserzeuger
mit einem Eisenkreis 5 aus einem Schwingstab 6 aus lamelliertem thermokompensiertem
Material und einem Dauermagneten7, mit einer auf die mechanische Resonanzfrequenz
des Schwingstabes abgestimmten Erregerspule 8 und einer Abnahmespule 9, die an den
Ein-bzw. Ausgang eines Verstärkers 10 geschlossen sind.
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Der Verstärker 10 ist mit einer Kathodenfolgerstufe, einem Aufwärtstransformator
11 als Kopplungszwischenstufe und einer ebenfalls aus Kathodenfolgern aufgebauten
Gegentaktendstufe 12 versehen.
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Die Teilspulen der Meßspule 1 sind so angeordnet, daß sie in derselben
Ebene liegen; ihre dem Schwingstab zugewandten Stirnseiten decken sich, während
die der ferromagnetischen Materialprobe bei der Messung zugewandten Stirnseiten
im Abstand ò voneinander liegen.
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Die Meßspule 1 ist an die Eingangswiderstände 13 und 14 eines summierenden
und multiplizierenden Verstärkers, der als Operationsverstärker 15 ausgeführt ist,
angeschlossen. Am Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist ein linearer Verstärker
16 mit einem Durchlaßbereich, der durch die Resonanzfrequenz des Schwingstabes begrenzt
ist, eingesetzt. Der Ausgang des Verstärkers 10 ist an einen phasenempfindlichen
Detektor 17 geschaltet, dessen Ausgang mit einem Amplitudendemodulator 18 verbunden
ist. Die dem Verstärker 10 entnommene Bezugsspannung wird über einen Phasenentzerrungsverstärker
19 demphasenempfindlichen Detektor 17 zugeführt. Der Ausgang des Amplitudendemodulators
18 ist an das in magnetischen Einheiten geeichte Anzeigegerät 20 angeschlossen.
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Das Magnetometer arbeitet folgendermaßen: Bei Erregung der Spule
8 mit Wechselstrom einer Frequenz, die der mechanischen Resonanzfrequenz des Schwingstabes
6 entspricht, wird durch den umgekehrten Magnetostriktionseffekt eine EMK in der
Abnahmespule 9 induziert. Durch die Mitkopplung
über den Verstärker
10 werden die ungedämpften Schwingungen des Schwingstabes 6 aufrechterhalten.
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Die Endstufe 12 des Verstärkers 10 ist aus Kathodenfolgern aufgebaut
und als Symmetrieschaltung ausgeführt. Der Anodengleichstrom fließt daher nicht
durch die Erregerspule 8, wodurch eine Stabilität der vom Dauermagneten 7 bewirkten
Vormagnetisierung gewährleistet ist.
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Die Messung der magnetischen Tangentialfeldstärke beruht auf dem
bekannten Effekt der linearen Abnahme der Tangentialfeldstärke senkrecht zur Oberfläche
der Materialprobe.
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Dieser Effekt wird in der erfindungsgemäßen Einrichtung durch die
gegenseitige Anordnung der Materialprobe 21 als Meßgegenstand und der Teilspulen
2 und 3 der Meßspule 1 insofern ausgenutzt, als Spulenebene und Vektor der auf der
ebenen Fläche der Materialprobe 21 wirksamen Feldstärke rechtwinklig zueinanderliegen
und die Stirnseiten der Teilspulen einen Abstand d bzw. d + 8 von dieser Oberfläche
der Probe besitzen.
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Bei der Messung der Tangentialfeldstärke eines Gleichfeldes auf der
Oberfläche der Materialprobe 21 werden in jeder der Teilspulen 2 und 3, die mit
der Schwingfrequenz des magnetostriktiven selbsterregten Schwingungserzeugers schwingen,
EMKe induziert, die der jeweiligen Tangentialfeldstärke im Abstand d bzw. d b von
der Oberfläche der Materialprobe 21 proportional sind.
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Die Anwendung der Gegenreihenschaltung für die Teilspulen 2 und 3
und der Einsatz des Operationsverstärkers 15 ermöglichen eine Bestimmung der Feldstärke
an der Oberfläche der Materialprobe durch Extrapolation unter Zuhilfenahme der Signale,
die der Feldstärke im Abstand d bzw. d -; <5 von der Oberfläche der Materialprobe
proportional sind. Nach erfolgter Extrapolation erhält man am Ausgang des Operationsverstärkers
15 das Signal Eis = Eo + + £2a <5+d = kEt cosout, E,S sin 2 o t. d Darin bezeichnet
Ht die Tangentialfeldstärke auf der Oberfläche eines ferromagnetischen Körpers,
Eis das am Ausgang des Verstärkers 15 auftretende Signal, E4 das der Teilspule 2
abgenommene Signal, Eo~3 das von den in Gegenreihenschaltung betriebenen Teilspulen
2 und 3 der Meßspule 1 herrührende Signal.
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Der Verstärker 16 unterdrückt die Signalkomponente Ell sir 2 tot
mit der Kreisfrequenz 2so. Das am Ausgang des Verstärkers 16 auftretende Signal,
durch UsUsg. = k Ht cos so t dargestellt, wird im phasenempfindlichen Detektor 17
gleichgerichtet und vom Anzeigegerät 20 gemessen.
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Bei der Messung der magnetischen Feldstärke oder Induktion eines
Wechselfeldes wird die mit der Schwingfrequenz des magnetostriktiven Schwingstabes
übereinstimmende Trägerfrequenz mit einem der Feldstärke proportionalen Signal amplitudenmoduliert.
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Das amplitudenmodulierte Signal wird mit Hilfe des Demodulators 18
demoduliert und demAnzeigegerät 20 zugeführt. Da die Schwingfrequenz des magnetostriktiven
Schwingstabes 20 bis 100 kHz betragen kann, ist eine genaue Messung eines niederfrequenten
Wechselfeldes bei einer Frequenz von einigen hundert Hz ohne weiteres durchführbar.
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Zur Messung der magnetischen Induktion in Luftspalten magnetischer
Kreise wird nur eine Teilspule benutzt, die dann in den Luftspalt eingebracht wird.