DE1591921B1 - Vibrationsmagnetometer - Google Patents

Vibrationsmagnetometer

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DE1591921B1
DE1591921B1 DE19671591921 DE1591921A DE1591921B1 DE 1591921 B1 DE1591921 B1 DE 1591921B1 DE 19671591921 DE19671591921 DE 19671591921 DE 1591921 A DE1591921 A DE 1591921A DE 1591921 B1 DE1591921 B1 DE 1591921B1
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Germany
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coil
measuring
amplifier
magnetic
stage
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Withdrawn
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DE19671591921
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English (en)
Inventor
Mogilevskij Vitalij Moricevic
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INST GORNOGO DELA AN SSSR
Original Assignee
INST GORNOGO DELA AN SSSR
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028Electrodynamic magnetometers
    • G01R33/0283Electrodynamic magnetometers in which a current or voltage is generated due to relative movement of conductor and magnetic field

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dieser Verstärker ist vorteilhaft mehrstufig, mit Kathodenfolgerstufe, mit Aufwärtstransformator als Kopplungszwischenstufe und mit einer ebenfalls aus Kathodenfolgern aufgebauten Gegentaktendstufe ausgeführt.
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnung stellt das Schaltbild des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetometers dar.
  • 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.
  • 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.
  • Der Verstärker 10 ist mit einer Kathodenfolgerstufe, einem Aufwärtstransformator 11 als Kopplungszwischenstufe und einer ebenfalls aus Kathodenfolgern aufgebauten Gegentaktendstufe 12 versehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Messung der magnetischen Tangentialfeldstärke beruht auf dem bekannten Effekt der linearen Abnahme der Tangentialfeldstärke senkrecht zur Oberfläche der Materialprobe.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zur Messung der magnetischen Induktion in Luftspalten magnetischer Kreise wird nur eine Teilspule benutzt, die dann in den Luftspalt eingebracht wird.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Vibrationsmagnetometer zur Messung magnetischer Tangentialfeldstärken auf Oberflächen von Materialproben und magnetischer Feldstärken in Luftspalten magnetischer Kreise mit einem Meßkanal zwischen einem Geber aus einer Meßspule in Rahmenbauweise und einem Anzeigegerät, dadurch gekennzeichnet, daß imMeßkanal am Eingang des Anzeigegerätes (20) ein Amplitudenmodulator (18) eingeschaltet ist, daß mit dem Geber ein an sich bekannter magnetostriktiver selbsterregter Schwingungserzeuger mit einem aus lamelliertem und thermokompensiertem Werkstoff bestehenden Schwingstab (6) mechanisch gekoppelt ist und daß der Schwingstab eine Erregerspule (8) und eine Abnahmespule (9) trägt, in deren Mitkopplungskreis ein amplitudenstabilisierter Verstärker (10) eingeschaltet ist.
  2. 2. Vibrationsmagnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der amplitudenstabilisierte Verstärker (10) mehrstufig, mit Kathodenfolgerstufe, mit Aufwärtstransformator (11) als Kopplungszwischenstufe und mit einer ebenfalls aus Kathodenfolgern aufgebauten Gegentaktendstufe (12) ausgeführt ist.
DE19671591921 1967-11-21 1967-11-21 Vibrationsmagnetometer Withdrawn DE1591921B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DEJ0035081 1967-11-21

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DE1591921B1 true DE1591921B1 (de) 1970-07-02

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ID=7205299

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Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19671591921 Withdrawn DE1591921B1 (de) 1967-11-21 1967-11-21 Vibrationsmagnetometer

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD12036A (de) *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD12036A (de) *

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