DE1591921C

DE1591921C - Vibration magnetometer

Info

Publication number: DE1591921C
Authority: DE
Inventors: Witahj Monzewic No wosibirsk Mogilewskij (Sowjetunion)
Original assignee: Institut gornogo dela AN SSSR, Nowo sibirsk (Sowjetunion)
Publication date: 1971-02-11

Description

¹ 2 ¹ 2

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Messung ohne Vergrößerung der Windungszahl der Meßspdle magnetischer Größen, insbesondere der magnetischen zuerhöhen und dabei die Meßfehler herabzusetzen und Tangentialfeldstärke, die auf ebenen Flächen ferro- die Betriebssicherheit des Gerätes zu steigern, magnetischer Körper vorhanden ist, sowie zur Mes- Diese Aufgabe wird bei einem Vibrationsmagneto-The invention relates to devices for measuring without increasing the number of turns of the measuring stem to increase magnetic quantities, in particular the magnetic ones, and thereby reduce the measurement errors and Tangential field strength, which ferro- to increase the operational safety of the device on flat surfaces, magnetic body is present, as well as for measuring This task is carried out with a vibration magneto-

sung der magnetischen Feldstärke in schmalen Luft- 5 meter der genannten Art erfindungsgemäß dadurch. spalten, wie sie z. B. in magnetischen Kreisen von gelöst, daß im Meßkanal am Eingang des Anzeige-Drehspulinstrumenten vorkommen. · gerätes ein Amplitudendemodulator eingeschaltet ist,Solution of the magnetic field strength in narrow air 5 meters of the type mentioned according to the invention thereby. columns as they z. B. solved in magnetic circles that occur in the measuring channel at the entrance of the display moving coil instruments. The device has an amplitude demodulator switched on,

Da es bei derartigen Messungen häufig darauf an- daß mit dem Geber ein an sich bekannter magnetokommt, sehr schwache Magnetfelder zu messen und striktiver selbsterregter Schwingungserzeuger mit einem nur die tangentiale Feldkomponente erfaßt werden io aus lameliiertem und thermokompensiertem Werkstoff. soll, ohne das zu messende Feld durch den Geber zu bestehenden Schwingstab mechanisch gekoppelt ist· beeinflussen, eignen sich die bekannten magnetostriktiv und daß der Schwingstab eine Erregerspule und eine * empfindlichen Elemente nicht direkt als Feldstärke- Abnahmespule trägt, in deren Mitkopplungskreis ein geber, dasiezu unempfindlich sind und das zu messende amplitudenstabilisierter Verstärker eingeschaltet ist. Feld verzerren. . . 15 Dieser Verstärker ist vorteilhaft mehrstufig, mitSince measurements of this kind often depend on the encoder being connected to a magneto known per se, to measure very weak magnetic fields and strict self-excited vibrator with a only the tangential field components are recorded from laminated and thermocompensated material. should, without the field to be measured being mechanically coupled to the existing vibrating rod by the encoder influence, the known magnetostrictive and that the vibrating rod has an excitation coil and a * sensitive elements are not directly used as a field strength pick-up coil in their positive feedback circuit encoder that they are too insensitive and that the amplitude-stabilized amplifier to be measured is switched on. Distort field. . . 15 This amplifier is advantageously multi-stage, with

Die bekannten Vibrationsmagnetometer weisen Ge- Kathodenfolgerstufe, mit Aufwärtstransformator als ber auf, die von einer rechteckigen Meßspule gebildet Kopplungszwischenstufe und mit einer ebenfalls aus werden, die ihrerseits aus zwei entgegengesetzt in Kathodenfolgern aufgebauten Gegentaktendstufe aus-Reihe geschalteten Teilspulen verschiedener Länge geführt.The known vibration magnetometers have Ge cathode follower stage, with step-up transformer as Over on, the coupling intermediate stage formed by a rectangular measuring coil and with a likewise off which in turn consist of two oppositely constructed push-pull output stages in cathode followers switched part coils of different lengths out.

besteht, wobei die rechteckige Meßspule mit einem ^a0'" Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin- ' Schwingungserzeuger verbunden ist, durch den sie in " dung unter'Bezugnahme auf die Zeichnung näher ungedämpfte sinusförmige Schwingung mit konstanter erläutert. . .consists, the rectangular measuring coil with an ^a0 '". Below, an embodiment of the invention' vibration generator is connected, through which it explains in more detail undamped sinusoidal oscillation with constant with reference to the drawing. . .

Frequenz und Amplitude versetzt wird. Der Schwin- . Die Zeichnung stellt das Schaltbild des Ausführungsgungserzeuger der bekannten Magnetometer ist als beispiels eines erfindungsgemäßen Magnetometers dar. Stimmgabel mit einer Erreger- und einer Abnahmespule ²5 Eine Meßspule 1, die aus einer Teilspule 2 mit der ausgeführt, die über einen stabilen Verstärker mit z. B. Länge L und einer Teilspule 3 mit der Länge L + δ Kathodenfolgerstufe und Transformatorkopplung der besteht, ist mit Hilfe eines leichten Trägers 4 an dem einzelnen Stufen mitgekoppelt sind. Die Signale, die Schwingelement eines Schwingungserzeugers befestigt, an den Teilspulen abgenommen werden, deren Stirn- Zur Schwingungserzeugung dient ein magneto-Frequency and amplitude is offset. The Schwin. The drawing shows the circuit diagram of the embodiment generator of the known magnetometer is an example of a magnetometer according to the ^{invention. Tuning fork with an excitation and a take-off coil 2 5} B. length L and a sub-coil 3 with the length L + δ cathode follower stage and transformer coupling that consists is coupled with the help of a light carrier 4 to the individual stages. The signals, which are attached to the vibrating element of a vibration generator, are picked up at the sub-coils, the frontal part of which is used to generate vibrations.

seiten in Richtung der Normalen des ferromagnetischen 3° tiver selbsterregter Schwingungserzeuger mit. einem Körpers in einem Bereich linearer Abnahme der ma- Eisenkreis 5 aus einem Schwingstab 6 aus lamelliertem gnetischen Tangentialfeldstärke schwingen, enthalten thermokompensiertem Material und einem Dauerma-Harmonische, die den Tangentialfeldstärken an den gneten 7, mit einer auf die mechanische Resonanzbetreffenden Stirnseiten proportional sind. frequenz des Schwingstabes abgestimmten Erreger- sides in the direction of the normal of the ferromagnetic 3 ° tiver self-excited vibration generator. one Body in a region of linear decrease in the ma iron circle 5 from a vibrating rod 6 made of laminated oscillate magnetic tangential field strength, contain thermocompensated material and a permanent harmonic, which are proportional to the tangential field strengths at the gneten 7, with an end face related to the mechanical resonance. frequency of the vibrating rod matched excitation

Durch eine Rechenschaltung, z. B. einen Operations- 35 spule 8 und einer Abnahmespule 9, die an den Einverstärker, werden die erwähnten Signale automatisch bzw. Ausgang eines Verstärkers 10 geschlossen sind, in ein Signal umgewandelt, das der auf der Oberfläche Der Verstärker 10 ist mit einer Kathodenfolgerstufe, der ferromagnetischen Materialprobe wirksamen mag- einem Aufwärtstransformator 11 als Kopplungsnetischen Tangentialfeldstärke proportional ist. Dieses Zwischenstufe und einer ebenfalls aus Kathodenfolgern Signal wird dann mit Hilfe eines phasenempfindlichen 40 aufgebauten Gegentaktendstufe 12 versehen. Detektors gleichgerichtet und mit einem in Einheiten Die Teilspulen der Meßspule 1 sind so angeordnet,By a computing circuit, e.g. B. an operation coil 8 and a pick-up coil 9, which are connected to the single amplifier, the mentioned signals are automatically or output of an amplifier 10 are closed, converted into a signal that is the one on the surface of the amplifier 10 with a cathode follower stage, the ferromagnetic material sample effective mag- a step-up transformer 11 as coupling tables Tangential field strength is proportional. This intermediate stage and one also made up of cathode followers The signal is then provided with the aid of a phase-sensitive 40 built push-pull output stage 12. Detector rectified and with one in units The sub-coils of the measuring coil 1 are arranged so

der magnetischen Feldstärke geeichten Spannungsmeß- daß sie in derselben Ebene liegen; ihre dem Schwinggerät gemessen. . stab zugewandten Stirnseiten decken sich, während diethe magnetic field strength calibrated voltage measurement that they lie in the same plane; its the vibrating device measured. . end faces facing each other, while the

Ein Nachteil der bekannten Magnetometer besteht der ferromagnetischen Materialprobe bei der Messung darin, daß es nicht möglich ist, einen Stimmgabel- 45 zugewandten Stirnseiten im Abstand δ voneinander schwinger hinreichend großer Leistung für eine Schwing- liegen.A disadvantage of the known magnetometer of the ferromagnetic material sample during the measurement is that it is not possible to have a tuning fork 45 facing end faces at a distance δ from one another with sufficient power for an oscillation.

frequenz über 3kHz auszulegen. Zur Steigerung der Die Meßspule 1 ist an die Eingangswiderstände 13frequency above 3kHz. To increase the The measuring coil 1 is connected to the input resistors 13

Empfindlichkeit der Geräte muß man daher die Win- · und 14 eines summierenden und multiplizierenden dungszahl der Meßspule erhöhen, was einen durch den Verstärkers, der als Operationsverstärker 15 ausgeendlichen Spulenquerschnitt verursachten nur schwie- 5° führt ist, angeschlossen. Am Ausgang des Operationsrig erfaßbaren Meßfehler hervorruft und Messungen in Verstärkers 15 ist ein linearer Verstärker 16 mit einem schmalen Luftspalten magnetischer Kreise erschwert. Durchlaßbereich, der durch die Resonanzfrequenz des Ein weiterer Nachteil der bekannten Magnetometer Schwingstabes begrenzt ist, eingesetzt. Der Ausgang liegt darin, daß sie sich für die Messung zeitlich schnell des Verstärkers 10 ist an einen phasenempfindlichen veränderlicher Felder nicht eignen, und zwar solcher 55 Detektor 17 geschaltet, dessen Ausgang mit einem Felder, deren Periodendauer dann wesentlich kleiner Amplitudendemodulator 18 verbunden ist. Die dem ist als die Beruhigungszeit des Spannungsmessers, der Verstärker 10 entnommene Bezugsspannung wird die der magnetischen Tangentialfeldstärke proportio- übereinen Phasenentzerrungsverstärker 19 dem phasennalen Signale mißt. empfindlichen Detektor 17 zugeführt. Der AusgangSensitivity of the devices one must therefore use the win · and 14 of a summing and multiplying Increase the number of connections of the measuring coil, which is a result of the amplifier, which is used as an operational amplifier 15 Coil cross-section caused only difficult 5 ° leads is connected. At the exit of the operational rig causes detectable measurement error and measurements in amplifier 15 is a linear amplifier 16 with a narrow air gaps in magnetic circles. Passband determined by the resonance frequency of the Another disadvantage of the known magnetometer vibrating rod is limited, used. The exit lies in the fact that it is fast for the measurement of the amplifier 10 to a phase-sensitive variable fields not suitable, namely such 55 detector 17 switched, the output of which with a Fields whose period duration is then associated with a significantly smaller amplitude demodulator 18. The dem is as the settling time of the voltmeter, the amplifier 10 is taken reference voltage the phase equalization amplifier 19 proportional to the magnetic tangential field strength proportional to the phase equalization Measures signals. sensitive detector 17 supplied. The exit

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ⁶° des Amplitudendemodulators 18 ist an das in magne-Vibrationsmagnetometer mit einem Meßkanal zwischen tischen Einheiten geeichte Anzeigegerät 20 angeeinem Geber aus einer Meßspule in Rahmenbauweise schlossen.The invention is based on the object that a ⁶ ° of the amplitude demodulator 18 is connected to the display device 20, calibrated in magne-vibration magnetometer with a measuring channel between table units, from a measuring coil in a frame construction.

und einem Anzeigegerät anzugeben, mit dem es mög- Das Magnetometer arbeitet folgendermaßen: BeiThe magnetometer works as follows: At

lieh ist, Amplituden periodisch veränderlicher magne- Erregung der Spule 8 mit Wechselstrom einer Fretischer Wechselfelder im Tonfrequenzbereich, die auf 65 quenz, die der mechanischen Resonanzfrequenz des planen Flächen ferromagnetischer Körper und in engen Schwingstabes 6 entspricht, wird durcli den umge-Luftspalten magnetischer Kreise wirksam sind, zu kehrten Magnetostriktionseffeki eine FiMK in der messen, sowie die Empfindlichkeit des Magnetometers Abnahmespule 9 indu/ien. Durch die Mill npplimeis borrowed, amplitudes of periodically variable magnetic excitation of the coil 8 with alternating current of a Fretischer Alternating fields in the audio frequency range, which are at 65 frequency, which is the mechanical resonance frequency of the flat surfaces of ferromagnetic bodies and in narrow vibrating rod 6, is due to the reversed air gaps Magnetic circuits are effective, to reverse magnetostriction effects a FiMK in the measure, as well as the sensitivity of the magnetometer pick-up coil 9 indu / ien. Through the Mill npplime

über "den Verstärker 10 werden die ungedämpften Schwingungen des Schwingstabes 6 aufrechterhalten. Die Endstufe 12 des Verstärkers 10 ist aus Kathoden-' folgern 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.The undamped vibrations of the vibrating rod 6 are maintained via the amplifier 10. The output stage 12 of the amplifier 10 is constructed from cathode 'followers and designed as a symmetry circuit. The anode direct current therefore does not flow through the excitation coil 8, which results in a stability of the bias caused by the permanent magnet 7 is guaranteed.

Die Messung der magnetischen Tangentialfeldstärke beruht auf dem bekannten Effekt der linearen Abnahme der Tangentialfeldstärke senkrecht zur Oberfläche der Materialprobe.The measurement of the magnetic tangential field strength is based on the well-known effect of the linear decrease in the tangential field strength perpendicular to the surface the material sample.

Dieser Effekt wird in der erfindungsgemäßen Einrichtung durch die gegenseitige Anordnung der Materialprobe 21 als Meßgegenstand und der Teilspulen 2 und 3 3er 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 + δ von dieser Oberfläche der Probe ao besitzen.This effect is exploited in the device according to the invention through the mutual arrangement of the material sample 21 as the object to be measured and the sub-coils 2 and 3 3-part measuring coil 1 insofar as the coil plane and vector of the field strength effective on the flat surface of the material sample 21 are at right angles to one another, and the ' the partial coils have a distance d or d + δ from this surface of the sample ao.

Bei der Messung der Tangentialfeldstärke eines Gleichfeldes auf der Oberfläche der Materialprobe 21 werden in jeder der Teilspuleri 2 und 3, die mit der Schwingfrequenz des magnetostriktiven selbsterregten Schwingungserzeugers schwingen, EMKe induziert, die der jeweiligen Tangentialfeldstärke im Abstand*/ bzw. d + δ von der Oberfläche der Materialprobe 21 proportional sind.When measuring the tangential field strength of a constant field on the surface of the material sample 21, EMFs are induced in each of the partial coils 2 and 3, which oscillate at the oscillation frequency of the magnetostrictive self-excited oscillation generator, which correspond to the respective tangential field strength at a distance * / or d + δ from the Surface of the material sample 21 are proportional.

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 Absfand d bzw. d + δ von der Oberfläche der Materialprobe proportional sind. Nach erfolgter Extrapolation erhält man am Ausgang des Operationsverstärkers 15 das SignalThe use of the counter-series connection for the partial coils 2 and 3 and the use of the operational amplifier 15 enable the field strength on the surface of the material sample to be determined by extrapolation with the aid of the signals that are proportional to the field strength in paragraph d or d + δ from the surface of the material sample are. After the extrapolation has taken place, the signal is obtained at the output of the operational amplifier 15

E₁₆ '= E₂ -f- E_z-_a — E ₁₆ '= E ₂ -f- E _z - _a -

Darin bezeichnetInscribed therein

+ £"₁₅sin2<o/.+ £ " ₁₅ sin2 <o /.

4545

die Tangentialfeldstärke auf der Oberflächethe tangential field strength on the surface

eines ferromagnetischen Körpers,
£Ί₅ das am Ausgang des Verstärkers 15 auftretende Signal,a ferromagnetic body,
£ Ί ₅ the signal appearing at the output of amplifier 15,

E₂ das der Teilspule 2 abgenommene Signal,
JE₂I₃ das von den in Gegenreihenschaltung betriebe-. nen Teilspulen 2 und 3 der' Meßspule 1 herrührende Signal. E _{2 is} the signal taken from coil section 2,
JE ₂ I ₃ that of the operating in counter-series connection. NEN sub-coils 2 and 3 of the 'measuring coil 1 originating signal.

Der Verstärker 16 unterdrückt die Signalkomponente .E₁₁ sin 2 ω/The amplifier 16 suppresses the signal component .E ₁₁ sin 2 ω /

mit der Kreisfrequenz 2ω. Das am Ausgang des Verstärkers 16 auftretende Signal, durchwith the angular frequency 2ω. The signal appearing at the output of the amplifier 16 through

UAusg. = k H_t cos ω / Outs. = k H _t cos ω /

dargestellt, wird im phasenempfindlichen Detektor 17" gleichgerichtet und vom Anzeigegerät 20 gemessen.is rectified in the phase-sensitive detector 17 ″ and measured by the display device 20.

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 dem Anzeigegerät 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.When measuring the "magnetic field strength or induction of an alternating field, the oscillation frequency of the magnetostrictive vibrating rod matching carrier frequency with one of the. Field strength proportional signal amplitude modulated. The amplitude-modulated signal is generated using the Demodulator 18 demodulated and fed to the display device 20. Since the oscillation frequency of the magnetostrictive The vibrating rod can be 20 to 100 kHz, is an accurate measurement of a low-frequency alternating field easily feasible at a frequency of a few hundred Hz.

Zur Messung der magnetischen Induktion in Luftspalten magnetischer Kreise wird nur eine Teilspule benutzt, die dann in den Luftspalt eingebracht wird.To measure the magnetic induction in air gaps in magnetic circuits, only one part of the coil is required used, which is then introduced into the air gap.

Claims

Patent claims:

1. Vibration magnetometer for measuring magnetic tangential field strengths on surfaces of Material samples and magnetic field strengths in air gaps of magnetic circles with a measuring channel between an encoder consisting of a measuring coil in frame construction and a display device, characterized in that in the measuring channel at the input of the display device (20) a Amplitude modulator (18) is switched on, that with the encoder a known magnetostrictive Self-excited vibration generator with a laminated and thermocompensated material existing vibrating rod (6) is mechanically coupled and that the vibrating rod is an excitation coil (8) and a pick-up coil (9) carries an amplitude-stabilized amplifier in the positive feedback circuit (10) is switched on.

2. Vibration magnetometer according to claim 1, characterized in that the amplitude-stabilized Amplifier (10) multi-stage, with cathode follower stage, with step-up transformer (11) as Coupling intermediate stage and with a push-pull output stage also made up of cathode followers (12) is executed.

1 sheet of drawings