DE1766529A1 - Anordnung zur Ermittlung,Anzeige und/oder Messung von Magnetfeldern - Google Patents

Description

DR« H. MINDERER Patentanwalt

7250 LEONBERO ■ Untere BurihaWeif Anmelder;

: Dr₀ Förster 7410 Reutlingen Grathwohlstr*. 4-

Anordnung zur Ermittlung, Anzeige, und/oder Maßung von

Magnetfeldern*

(Die Priorität, der USA-Anmeldung Serial-.Hr» 644 962 vom. 8.7.1967 wird beansarucht.)

Die Erfindung befaßt. sich mit einer Anordnung zur Ermittlung, Anzeige, und/oder Meßung von Magnetfeldern mittels mindestens einer aus mindestens einem magnefc.isch.en kern bestehenden, mag— netfeldempfindliehen Sonde und insbesondere. mit einer. Anordnung zur zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer Körper auf Fehler k.B* Riße_o ·

Bei einer Art der zerstörungsfreien Prüfung wird, der Prüf«- körper magnetisiert_s sodaß über seiner Oberfläche benachbart g zu jeglichem Fehler magnetische Stuasufeldei; eraeugt werden* Diese Streufelder werden dann durch Abtas.ten der Oberfläche des. Prüfkörpers, mit einer auf derartige. Streufelder ansprechenden Sonde lokalisiert und/oder gemessen.*. Einige dieser Sonden bestehen-, aus einer -Induktionsspule^ die eine Spannung erzeugt, wemn sie über ein. Streufeld beweget wiri_# Leider sind die auf diese. Weise, erzeugten Spannungen eine. Funktion mehrerer Faktoren, z*B*. der Geschwindigkeit, mit. der die Spule, bewegt wird,' und dergl» Daher ist eine Relativbewegung zwischen der Sonde und dem Prüfkörper erforderlich« Diese Sonden können ■ nicht zur zuverlässigen Anzeige der. Größe eines Fehlers benutzt werden, da die Signale von Faktoren, wie Z^B₀ der Abtastgeschwindigkeit abhängig sind»

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Eine andere Art der Sonde benutzt zur Erzeugung der gewünschten Signale den Halleffekt. Unglücklicherweise können derartige Anordnungen nicht so ausgeführt werden, daß sie "befriedigend arbeiten, sobald sie eine vorgegebene Größe unterschreiten aollen« Auch besteht für ihr Ansprechen auf Frequenzen eine obere Grenze« Datter sind derartige Sonden zum Auffinden von extrem kleinen Fehlern oder für hohe Abtastgeschwindigkeiten nicht geeignet» Da derartige Sonden eine sehr kleine Impedanz haben, wird die Impedanz; der mit- der Sonde verbundenen Leitungen, sobald diese eine gewisse Länge haben, Jan Vergleich zu der der Sonde^ groß. Dies vermindert die Empfindlichkeit und die Wirksamkeit der Sond* sehr»

Eine andere Art von Sonden für diesen Zweck ist in der USA-Patents ehrifvt Nr» 2 758 276 beschrieben. Eine derartige Sonde

besteht, aus einem Paar länglicher zylindrischer Stäben oder Kernen aus magnetischem Material» Getrennte Pjrimär— und Sekundär wicklungen sind an Jedem Kern vorgesehen» Die beiden Primärwicklungen sind an einen Oszillator angeschlossen, und werden so stark gespeist, daß beide Kerne während jeder Halbperiode vollständig gesättigt sind» Die Sekundärwicklungen, diet auf Feldänderungen in den Kernen ansprechen, sind in Serie gegen— einandergesGhaltet» Wenn kein äußeres Feld in di.e beiden Kerne eintritt, sind die Sekundärwicklungen ausbalanziert, und an ihrem Ausgang wird kein Signal erzeugt. Wenn jedoeh ein äußeres Feld in die Kerne eintritt, kehren die Felder in den beiden Kernen nicht zum gleichen Augenblick um, und die beiden Sekundärwicklungen sind nicht mehr ausbalanziert» Daher wird, jedes Mal, wenn das Feld umkehrt, ein Signal erzeugt» Es hat au demi durch, den Strom, in den. Primärwicklungen erzeugten Feld eine PhasenbeZiehung, die der Richtung des äußeren Feldes entspricht und eine Größe, die eine Funktion der Dichte dieses Feldes ist»

Derartige Sonden sind für viele 2hrecke akteptabel. Jedoch ist ein wesentlicher Energiebetrag erforderlich, um die beiden Kerne zu sättigen» Wie in der genannten Patentschrift ausgeführt, erzeugt diese Energie einen derart großen Betrag an Wärme, daß die Temperatur der Sonde ansteigt»

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Wenn die Größe der Sonde unter ein Minimum reduziert, wird, wird der Tempera tairans ti eg übermäßig und beeinträchtigt die Arbeitsweise der Sonde» Aufgrund der Begrenzung der Minimalgroße der Sonde ist es schwierig, mit ihr sehr kleine Fehler aufzulösen·

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die geschilderten Schwierigkeiten zu vermeiden und eine Sonde zu schaffen, die extrem klein ausgeführt werden kann und sich zur Ermittlung, Anzeige und/oder Meßung von Magnetfeldern und insbesondere zur zerstörungsfreien Prüfung magnetischer Körper auf Fehler, wie z„EU Rlße, eignet*

Nach der Erfindung wird dies bei einer Anordnung zur Ennitt- ^ lung, Anzeige und/oder Meßung von Magnetfeldern mittels mindestens einer aus mindestens einem Kern bestehenden magnet— feldempfindlichen Sonde dadurch erreicht, daß die Inderung der Sättigung oder der Permeabilität des Kernes der Sonde durch das Magnet feld zu seiner Ermittlung, Anzeige und/oder Meßung dient.

Anhand der Ausführungsbeispiele der beigefügten Zeichnungen sei die Erfindung, weitere ihrer Merkmale und Vorteile näher erläutert·

Obgleich eich die erfindungsgemäße Anordnung zur Ermittlung, Anzeige und/oder Meßung von Magnetfeldern vorteilhaft verwenden läßt, sei im folgenden ihre Verwendung bei der zerstörungs— g freien Prüfung magnetischer Körper bes"c!trieben» ^

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung«

Fig* 2 gibt schemaiiisch einen Teil der Anordnung der Fig» 1 * und insbesondere deren Sonde wieder.

Fig« 5 zeigt eine Kurve, die die Arbeitscharakteristik dieser Sonde erläutert·

£ig· 4 gibt 2 Kurven wieder, anhand derer die Arbeitscharak— teristiken verschiedener Sonden erläutert werden* Fig· ί?Α, 5B und 50 zeigen die Formen der Signale an verschiedenen Stellen der Anordnung.

Fig· 6 gibt einen Teil der Anordnung der Fig. 1 schematisch, jedoch mit einem anderen Ausführungsbeispiel der Sonde wieder«

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Fig· 7 zeigt schematisch einen Teil der Anordnung der Pig, 1, mit einem weiteren Ausführungeheispiel der Sonde* Fig« 8 gibt schematisch einen Teil der Anordnung der Fig. 1, mit einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel der Sonde wieder» Fig« 9 zeigt schematisch ein anderes Ausfüürungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung«

Fig. 10 zeigt schematisch einen Teil der Anordnung der Fig. 9 und die bei dieser Anordnung verwendete Sonde» Das Ausführungsbeispiel der Fig· 1-5 ist besonders für eine Sonde 1o geeignet, die ein Signal erzeugt, das eine Funktion der Intensität und der Richtung eines magnetischen Feldes ist« Obgleich diese Sonde relativ groß zur Meßung von magnetischen Feldern von relativ großen Abmessungen konstruiert werden kann, läßt sie. sich besonders sehr klein zur MeJBung von magnetischen Feldern an sehr kleinen Punkten herstellen« Die Sonde 1o ist zur Verwendung in einer magnetischen zerstörungsfreien Prüfanordnung zur Lokalisierung von Fehlern in ei<*· nem Prüfkörper 14 geeignet« In einer derartigen Anordnung 12 wird der Prüfkörper 14, um Streufelder um jeden Fehler zu erzeugen, magnetisiert, und dann mit der Sonde 1o zwecks Anzeigung der Streufelder abgetastet« Da die Sonde 1o von extrem kleiner Größe iat, kann sie magnetische Feldstärken an sehr kleinen Stellen sehr genau messen« Daher sind Prüfanordnungen mit der Sonde 1o bei der Feststellung sehr kleiner Änderungen der magnetischen Streufelder, die durch" sehr klein« Fehler erzeugt werden, sehr wirksam« Die Sonde 1o ist in einer Prüfvorrichtung 2o angeordnet, die durch eine Führung 16 getragen wird« Bin Paar Träger, ζ·Β· Spannfutter 18, sind an den Inden des Prüfkörpers 14 zur Halterung vorgesehen«. Die Prüfvorrichtung 2o kann frei längs der Führung 16 wandern, sodafi die Sonde 1e» die Oberfläche des Prüfkörpers 14 axial abtastet« Wenigstens eines der Spannfutter 18 kann durch einen Motor 22 angetrieben werden, eodaß der Prüfkörper 14 um seine Achse rotiert, *ährend die PrüfVorrichtung 2o längs der Führung 16 wandert*. Dadurch tast*t die Sonde 1o den ganzen Prüfkörper 14 längs eines spiralförmigen Weges ab» Falls auf der Oberfläche des Prüfkörpers 14 irgendwelche magnetischen Streufelder vor—

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handen sind, löst die mit der Prüfvorrichtung 2o längs des Prüfkörpers geführte Sonde 1o entsprechende elektrische Signale aus»

Der Prüfkörper kann durch jegliche geeignete Art magnetisiert werden, z»B» kann ein starker Magnet in der Nähe des Prüfkörpers 14 angeordnet werden, der den von der Prüfvorrichtung 2o abgetasteten Teil, des Prüfkörpers 14 magnetisiert» Beim Ausführungsbeispiel ist eine Stromquelle 24 vorgesehen, die einen Magnatisierungsstrom axial durch den Prüfkörper 14 schickt« Bei geschlossenen Schalter 26 erzeugt der Strom ein Magnetfeld, welches sich kreisförmig um den Prüfkörper 14 erstreckt» Solange der Schalter 26 geschlossen ist, erzeugt der ' Strom ein starkes Magnetfeld, sodaß sogar relativ kleine Feh— ™ ler relativ dichte Streufelder erzeugen» Jedoch kann normalerweise nach kurzer Zeitdauer - z»B» nach ein paar Sekunden — zwecks Stromunterbrechung der Schalter 26 geöffnet werderu Der Prüfkörper ist dann permanent magnetisiert» Obgleich die resultierenden Streufelder etwas schwächer sind, ist die Sonde 1 ο genügend empfindlich, um störende fehler anzuzeigen» Wenn der Prüfkörper 14 homogen ist, ist das Magnetfeld 3o vollständig frei von Störungen. Wenn eine Diskontinuität, z»B» ein Sprung 28 vorhanden ist, der eine Komponente in Richtung senkrecht zur Richtung des Feldes hat., wird das Feld 3o stark gestört» Ein wesentlicher Anteil der magnetischen Kraftlinien überbrückt den Fehler, indem er sich über die Oberfläche des λ Prüfkörpers 14 erstreckt und dabei ein sogenanntes Streufeld bildet» Wie aus Fig, 6 hervorgeht, gehen die Kraftlinien des Streiifeldes 3ο von einer Seite des Fehlers 28 des Prüfkörpers aus, und ersttrecken sich in den Raum über dem Fehler und kehren auf der 'entgegengesetzten Seite zum Prüfkörper 14 zurück» Die Dichte ά¥ή Streufeldes 3o, seiner Form einschließlich seiner Höhe über der Oberfläche, der Gradient des Streufeldes 3o (d*h, der Betrag seiner Änderung pro Längeneinheit) und dergl» sind alle Funktionen der Größe, Form, Tiefe und dergl, des Fehlers 28»

Ist der Fehler 28 kurz und schmal, ist das Streufeld 3° sehr klein und dicht an der Oberfläche» Er, hat also ''ine sohr geringe

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Dichte und einen hohen Gradienten. Demgemäß ist die Sonde 1o vorzugsweise sehr klein und dicht an der Oberfläche, wenn Fehler 28 dieser Art von Interesse sind. Wenn der Fehler 28 groß ist, ist die Dichte und die Größe des Feldes 3o ebenfalls groß, und. die Größe und der Abstand der Sonde können entsprechend vergrößert werden. Wenn sich die Tiefe des Fehlers 28 unterhalb der Oberfläche vergrößert, vergrößern sich der Gradient und die Größe des Streufeldes 3o. Durch Bestimmung der verschiedenen Charakteristiken des Streufeldes ist es möglich, die Eigenschaften des Fehlers, wie z.B. seine Größe, seine Tiefe zu bestimmen.

Die in Fig. 2 wiedergegebene Sonde 1o besteht aus einem magnetischen Kern 32, der vorzugsweise aus ferromagnetischem Material hergestellt ist, sodaß in ihm ein Magnetfeld vorgegebener Intensität mit einem Minimum an magnetisierender Kraft erzeugt werden kann. Wann die Sonde 1o in einem magnetischen Streufeld 3o angeordnet ist, fließt zusätzlich ein erheblicher Betrag dieses Feldes durch den Kern 32. ErJi hat normalerweise eine ring- oder kreisförmige Form mit einer durch seine Mitte gehende öffnung 34-. "Ringförmig" ist dabei nicht auf einen perfekten Krais beschränkt, sondern ist in seinem weitesten Sinn benutzt und schließt irreguläre Formen, ebenso wie hexagonale, quadratische und dergleichen ein. Der in Fig. 2 gezeigte Kern 32 bildet einen vollständigen magnetischen Kreis, welcher eine geschlossene Schleife ist. Es sei jedoch bemerkt, daß der Kern 32 auch einen Luftspalt aufweisen kann. Eine Primärwicklung 36 ist auf einer Seite des Kerns 32 aufgebracht, eine Sekundärwicklung 38 auf seiner entgegengesetzten Seite. Die beiden Wicklungen 36 und 38 sind durch den Kern 32 miteinander gekoppelt und wirken als eine Art l'ransformator. Der Betrag der Kopplung ist in erster Linie eine Funktion der Permeabilität des Kerns 32, Es sei bemerkt, daß, da der Kern 32 eine geschlossene Schleife ist, und normalerweise kein Luftspalt vorhanden ist, er eine relativ hohe Permeabilität hat. Der Kern 32 kann durch irgendwelche geeignete Mit bei magnetisch vorgespannt sein. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 geschieht dies durch dm Perrmnentmagnefcen 4o, der in jeder gewünschten weise angebracht werden kann.

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Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, den Magneten 4o in der öffnung 34 anzuordnen, sodaß er sich diametral durch ddn Kern 32 erstreckt. Die Pole an den Enden des Magneten sind mit 42 und 44 bezeichnet. Durch den Magneten 4o wird ein permanenter Magnetfluß erzeugt, der sich symetrisch um den Kern 32 und durch dessen die Primär- und Sekundärwicklungen 36 und 38 tragenden Teile 46 und 48 erstreckt. Die Charakteristik des durch den Kern 32 und dessen Wicklungen 36 und gebildeten Transformators ist in Pig. 3 dargestellt. Wenn kein äußeres Feld 3o vorhanden ist, und das Feld des Permanentmagneten 4o Null ist, ist der Kern 32 nicht gesättigt und die Permeabilität ist hoch. Daher ist die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen 36 und 38 groß und bleibt konstant. Wenn das an die Primärwicklung 36 angelegte Signal den Kern 32 nicht sättigt, entspricht die Charakeristik des Kerns 32 dem horizontalen Teil 5o der Kurve. Daher wird das an der Sekundärwicklung 38 erscheinende Signal dem Signal der Primärwicklung 36 vollständig gleich sein.

Normalerweise jedoch hat der Permanentmagnet 4o genügend Kraft um den Kern 32 mindestens teilweise, insbesondere über die Linie 54 zu sättigen. Dadurch verlagert sich die Arbeitscharakteristik des Transformators auf dem geneigten Ast 56 der Kurve. Bei NichtVorhandensein eines äußeren Feldes bleibt die Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung stets vollständig konstant.'Wenn ein Signal mit bestimmter Amplitude an die Primärwicklung 36 gelegt wird, erhält man an der Sekun— därwicklung ein Signal konstanter Amplitude. Da der Kern 32 teilweise gesättigt ist, wird der Betrag der Kopplung gegenüber dem bei ungesättigtem Kern 32 vermindert. Die Amplitude des Signals der Sekundärwicklung 38 wird dann entsprechend vermindert.

Ein äußeres Feld mit einer Jfompnente parallel zu der Bichtung ,der Teile 46 und 48 geht durch diese Teile 46 und 48. Diese Kompiiente addiert oder subtrahiert sich zu dem Remanentmagnetfeld in diesen beiden Teilen, wodurch der Kern 32 mehr oder weniger gesättigt wird.

Wenn sich die Felder subtrahieren und der Kern weniger ge- · sättigt wird, verschiebt sich die Arbeitscharakteristik

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gegen die Linie 54-a und die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen wächst an, und die Amplitude dea Signals der Sekundärwicklung 38 wächst ebenfalls an. Wenn sich die Felder jedoch addieren, wird der Kern 32 mehr gesättigt, und die Arbeitecharakteristik verschiebt sioh gegen die Linie 54-b, und die Kopplung zwischen den Wicklungen 36 und 38 und ebenfalls die Amplitude des Signals der Sekundärwicklung 38 vermindert sich» Die Amplitude des Signals der Sekundärwicklung 38 ändert sich also in Abhängigkeit von der Rickfcung und der Intensität des äußeren an den Kern 32 gelegten Feldes»

Die Primärwicklung 36 ist mit einem Oszillator 58 verbunden, der durch sie ein Signal scBdckt. Wie bereits ausgeführt, erzeugt ein Signal konstanter Amplitude in der Sekundärwicklung 38 ein Signal, dessen Amplitude eine Funktion des Betrages des Flusses im Kern 32 ist. Die frequenz und die Wellenform des Stromes durch die Primärwicklung 36 sind nicht besonders kritisch· Normalerweise ist dieser Strom sinusförmig, sodaß das Signal der Sekundärwicklung 38 vorherrschend auch eine Sinuswelle mit dar gleichen Grundfrequenz ist. Aus nachfolgend erörterten Gründen ist die Frequenz vorzugsweise mindestens 1omal größer als die Frequenz des unbekannten zu messenden magnetischen Feldes» Ζ·Β· hat bei einer gebräuchlichen zerstörungsfreien Prüfanordnung 12 das Signal einen Frequenzbereich von einigen KHz oder weniger bis zu 1o MgHz oder mehr» Dies erlaubt die Messung von magnetischen Feldern mit Frequenzen bis zu einem Bereich von 1 MgHz oder höher.

Obgleich das Signal der Sekundärwicklung 38 die gleiche Grundfrequenz wie der Oszillator 58 hat, ist es amplitudenmoduliert und daher in einer Amplitudenmodulationshülle 6o (Fig,5A) enthalten. Die Amplitude dieser Hülle 6o ist eine Funktion der Richtung und der Intensität dea äußeren Feldes, Wenn kein Feld vorhanden ist, hat die Amplitude der Hülle 6o einen mittleren aber konstanten Wert 62, Wenn ein äußeres Feld vorhanden ist, ändert sich die Amplitude der Hülle 6o vom Mittelwert 62 zu Null, wenn sich die Arbeitsbedingungen auf dem absteigenden Ast 56 gegen die Linie 5^b verschieben, oder sie ändert sich

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zu einem Maximalwert, wenn die Arbeitsbedingungen sich gegen die Linie 54a verschieben Dia Eichtungsänderung — d«h. Vergrößerung oder Verkleinerung — entspricht der Sichtung des äußeren Feldes. Der Betrag dear Änderung ist eine Funktion der äußeren Feldstärke, Wenn die Frequenz der Grund- oder Trägerwelle 61 hoch genug ist, kann ein hochfrequentes magnetisches Feld gemessen werden_e Normalerweise soll die Grundfrequenz mindestens 1omal größer.als die Frequenz des äußeren Feldes sein. Um die Signale der Sekundärwicklung 38 auszuwerten, werden an diese Anordnungen angeschlossen, die auf die Amplitude der Hülle 6o ansprechen. Beim Ausführungsbeispiel ist an die Sekundärwicklung 38 ein Verstärker 64 angeschlossen, vosl die · Amplitude der Hülle 6o auf einen brauchbaren Wert zu verstär— % ken und das Signal- Geräusch- Verhältnis zu verbessern» Da die Stärke des Streufeldes 3© sich in radialer Richtung rasch vermindert, ist die Empfindlichkeit der Sonde 1© eine funktion des Abstandes zwischen deat Kern 32 und dem. Prüfkörper 14. Wenn die Charakteristik nichj; einwandfrei ist, kenn die Primärwicklung 36 oder die Sekundärwicklung 38 oder beidez»B» durch dinen Kondensator 66 auf Resonanz abgestimmt werden* Wenn der Abstand, zwischen der Sonde 1o und dem Itüfkörper 14 ein Maximum ist, sind die Resonanzfrequenzen der Kreiee gleich, oder nahezu gleich der Frequenz dee Oszillators 38· Die Sonde 1o ist daher am empfindlichsten, wenn das Feld am schwächsten ist. Wenn die Sonde 1o sich dem Prüfkörper 14 nähert, ändert . λ die Anwesenheit des Prüfkörpers. 14 die Resonanzfrequenz der Kreise in bezug auf die Frequenz dea Oszillators 58· Folglich vermindert, eich die Empfindlichkeit der Sonde 1o um ungefähr den gleichen Betrag, um den die Stärke des Streufeldes 3o wächst« Dies gewährleistet, daB die Gesamiempf-indlichkeit der Sonde 1o im wesentlichen konstant bleibt,, unabhängig vom Abstand der Sonde 1o. Die vom Verstärker 64 abgegebene Amplitude der Brülle 6o ist eine genügend konstante ,funktion der Feldstärke, um im'wesentlichen durch Änderungen des Sondenabetandes verursachte .änderungen zu eliminieren«

Der Ausgang des,Verstärkers 64 ist mit einem Demodulator 68 verbunden, der das verstärkte Signal demoduliert und ein der Hülle 6o entsprechendes Ausgangssignal, erzeugt« Kormalerweise

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beinhaltet dieser Demodulator einen Gleichrichter, ζ·Β. eine Diode, und Mittel, z.,B· Filter, zur Beseitigung der Grund- oder Trägerfrequenz, d.h· der Frequenz des Oszillators 58. Wenn Gleichstrom- Magnetfelder nicht von Interesse sind, mag es wünschenswert sein, jegliejhe Gleichstromkomponente zu beseitigen· Der Demodulator erzeugt ein Signal mit einer positiven oder negativen Polarität, abhängig von der Richtung des ßtreufeldes und einer dessen Dichte entsprechenden Amplitude· Bei einer gebräuchlichen zerstörungsfreien Prüfanordnung tastet die Sonde 1o den Prüfkörper 14 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit ab. Daher haben alle von der Sonde 1o beobachteten Änderungen des Feldes «ine entsprechend hohe Grundfrequenz zur Folge· Jedes Mal, wenn die Sonde 1o. einen Fehler, wie ζ·Β«. den länglichen Riß 28, passiert, passiert si« das umgebend'e Streufeld 3o. Da das Feld 3o den Prüfkörper 14 an einer Seite des Rißee 28 verläßt, und auf seiner anderen Seite zurückkehrt, (Fig_#4), passiert die Sonde 1ο erst ein sich in einer Richtung erstreckendes Feld und dann ein eich in entigegengeeetzter Richtung erstreckendes Feld« Wenn die Sonde 1o direkt übe» dem Riß 28 iat, ist das Feld, im wesentlichen parallel zur Oberfläche und die Richtung des Feldes in. dejr Sonde 1o kehrt sich um. Folglich ändert sich die Hülle 6o des

Signals der Sekundärwicklung 38 vom Wert 62

(z.B· vergrößert sich), wenn die Sonde sich dem Riß 28 nähert* Wenn die Sonde 1o den Fehler 28 passiert, kehrt die Hülle 6o um ztfdem Wejrt 62 und ändert sich in'entgegengesetzter Richtung (zuB. vermindert sich)· Nach de^ die Sonde den Bereich des Rißee 28: passiert hat, kehrt die!Hülle 6o auf den Wert 62 zurück· * ■ .

Das vom Demodulator 68 gelieferte Signal entspricht der Form dieser Hülle; 6o, Dieses Signal bestellt aus einem ersten Teil 7oa einer Polarität, gefolgt von einem »weiten Teil 7ob ande—. rer Polarität, ähnlich wie in Fig· 5ψ gezeigt· Das Signal-Geräusch- Verhältnis eines derartigen Signals und die Fähigkeit der Prüfanordnung 12_t Fehler aufzulösen, können durch Anschalten eines Differenziatore 72 an den Demodulator 68 verbessert werden· Der Differenziator 72 liefert einen Impuls 74, dessen Amplitude dem Betrag der Inderung des Signals 7o in Fig· 5B entspricht»

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Das differenzierte Signal 74- ist ein Impuls sehr kurzer Dauer, nur einer einzigen Polarität und hoher Amplitude ähnlich, dem in Fig. 5C gezeigten Signal. Dieser Impuls tritt im wesentlichen gleichzeitig mit dem Passieren der Sonde 1o des Fehlers 28 auf.

Alle geeigneten Verbraucher können an den Differenziator 72 vorzugsweise über einen zweiten Verstärker 76 angeschlossen werden. Die Verbraucher können eine Alarmvorrichtung 78, z.B. eine Glocke oder ein Lichsignal sein,welche eine Anzeige erzeugen, sobald ein Fehler erscheint» Statt dessen oder zusätzlich kann ein Oszilloskop 8o vorgesehen werden, um die Eigenschaften des Prüfkörpers sichtbar zu machen. Das Oszilloskop ist vorzugsweise mit dem rotierenden Prüfkörper gekoppelt, um die Abtastung zu synchronisieren. Dadurch kann die Lage des Fehlers durch seine Stellung auf dem Bildschirm bestimmt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann zuerst der Prüfkörper 14 magnetisiert werden, indem ein Strom axial durch ihn geschickt wird, wodurch der Prüfkörper permanent magnetisiert wird, und magnetische Streufelder 3o um jegliche Fehler erzeugt werden. Dann versetzt der Motor 22 den Prüfkörper 14 in Rotation, während die Sonde 1o in der Prüfvorrichtung 2o ihn längs eines spiralförmigen Weges abtastet. Wenn der Prüfkörper frei von jeglichen Diskontinuitäten ist, bleibt die Hülle 6o bei dem Wert 6°, der Demodulator 68 und der Differenziator 72 bleiben Null, und folglich erzeugt weder die Alarmvorrichtung 78 noch das Oszilloekop 8o irgendeine Anzeige eines Fehlers. Beim Vorliegen eines Fehlers passiert die Sonde 1o bei jeder vollständigen Umdrehung des Prüfkörpers das dem Fehler 28 benachbarte magnetische Streufeld 3o. Während dieses Intervalles nimmt die Hülle 6o des Signals der Sekundäcwicklung 38 abwechselnd zu und ab, jedes Mal, wenn die Sonde 1o den Fehler pas-"•siert. Am Ausgang des Demodulators 68 erscheint ein Doppelim— puls, ähnlich dem in Fig, 5B gezeigten.

Diese Signal wird mittels des Differenziator 72 differenziert, und ein Signal 74 von großer Amplitude und kurzer Dauer, ähnlich dem in Fig». 5C gezeigten, wird erzeugt. Dieser differenzierte Impuls 74 wird dann verstärkt und an die Alarmvorrichtung 78 oder das Oszilloskop 8o angeschlossen.

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Das bisher beschriebene Ausführungsbeispiel ist besonders . erfolgreich bei der Feststellung vieler Fehlerarten, z.B. Rißen. Die Sonde ist auch sehr nützlich zur Meßung des Absolutwertes eines konstanten Magnetfeldes und auch sich in relativ kleinen Beträgen ändernden Feldern. Manchmal ist es je- ^; doch auch wünschenswert, Feldgradienten zu messen· Z.B. können einige Fehlerarten wie z.B. Eiße und ihre Eigenschaften am besten durch Beobachtung des Gradienten oder des Betrages, um den sich das Feld 3o, im oder im Bereich um den Fehler ändert, ermittelt werden. Eine Sonde, die besondere für dieae Art der Prüfung geeignet ist, zeigt. Fig. 6.

P Diese Sonde 82 umfaßt zwei getrennte fest miteinander verbundene Kerne 84 und 86 zur Abtastung des Prüfkörpers 14. Die beiden Kerne 84· und 86 sind parallel zu einander und im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Prüfkörpers 14. Jeder der Kerne 84· und 86 kann dem in Fig· 2 gezeigten Kern im wesentlichen gleich sein». Inbesondere ist jeder der Kerne 84 und 86 ringförmig oder ein Ring mit einem sich diametral erstreckenden Permanentmagneten· Eine einzige Primärwicklung 88 ist um beide Kerne 84 und 86 gewickelt und an den Oszillator 9o, der dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist, angeschlossen· Der Kern 84 ist mit der Sekundärwicklung 92 und der lern 86 mit der Sekundärwicklung 94 versehen, sodaß Jede Sekundärwicklung mit der Primärwicklung 88 nur durch die Permeabilität ih-

* res zugeordneten Kernes 84 bzw· 86 induktiv gekoppelt ist# Eine Flußänderung in einem der beiden Kerne 84 oder 86 hat keinen Einfluß auf irgendwelche durch die Sekundärwicklung des anderen Kernes erzeugten Signale« Folglich sind die beiden Signale JOE

der beiden Sekundärwicklungen 92 und 94 nur Funk-

tinen des äußeren Flußea in den entsprechenden Kernen« Biese Wicklungen sind vorzugsweise in Serie gegeneinander geschaltet. Wenn diese Sonde 82 in einem: gleichmäßigen f*l& angeordnet ist, ist der Fluß in jedem der Kerne 84 und 86 identlaeh, und die Signale der beiden Sekundärwicklungen 92 und 9^ nivA gleich groß und entgegengesetzt« Infolgedessen wird 6&e Qeaamtausgangsspannung der Sonde 82 Hull nein*

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Befindet sich die Sonde 82 in einem Feld eines GisLienten, so ist der Fluß in den beiden Kernen 84 und 86 nicht mehr identisch und die beiden Sekundärwicklungen 92 und 94 liefern keine gleich großen entgegengesetzten Signale mehr, und vollständige Aufhebung findet nicht mehr statt. Die Hülle des Differenzsignals der Sekundärwicklungen ist eine Funktion des Feldgradienten, d. h. der Differenz zwischen den Feldern der beiden Kerne 84 und 86. Wenn sich diese Sonde 82 einem Fehler nähert, ist der Fluß in dem Führungskern am dichtesten bis zu der Zeit, da der Führungskern den Fehler passiert,, Zu dieser Zeit erreicht · _ die Unausgeglichenheit zwischen den Sekundärwicklungen 92 M

und 94 ein Maximum und fällt dann ab. Wenn die beiden Kerne 92 und 94 symetrisch zu dem Fehler liegen, ist das Streufeld im allgemeinen parallel zur Oberfläche und beide Kerne 92 und 94 befinden sich in im wesentlichen gleichen Feldern. Wenn die Kerne 92 und 94 den Fehler passieren und sich von ihnen entfernen, sind die beiden Kerne wieder unausgeglichen, " jedoch in entgegengesetzter Richtung, sodaß ein zweiter aber entgegengesetzter Impuls auftritt.

Bei jeder Umdrehung des Irüfkörpers 14 passiert die Sonde 82 den Fehler und ein Differenzsignal wird durch die Sekundär— wiclungen 92 und 94 erzeugt. Die Höhe dieses Signals und auch das vom Demodulator abgegebene Signal haben eine der in Fig. 5B d gezeigten ähnliche Wellenform. Aufgrund -der Differenzanordnung der beiden Sekundärwicklungen 92 und 94 ist die Amplitude der Hülle nun fL unabhängig von der gegenwart oder Abwesenheit von jeglichem Gleichfeld und hängt nur noch vom Feldgradienten ab» Die Fähigkeit der Meßung oder Auflösung eines,Feldgradienten ist abhängig vom Abstand der beiden Kerne» 84- und 86, Um hohe Gradientenfelder über einer sehr kleinen Strecke (ζ·Β. bei der Feststellung sehr kleiner OberfläohenfehBer) zu messen, sind die Kerne 84 upid 86 normalerweise sehr klein und sind sehr diehfc benachbart· Duroh. Vergrößerung des Abstände« der Kern· 84 und und/oder Vergrößerung ihrer Abmessung ist die Sonde 82 besser geeignet, groß· Felder mit sehr kleinen Gradienten zu erfassen· ' Dies· Konfiguration' wird bemifcat, um tiefere und größere Fehler

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aufzufinden und kleinere Oberflächenfehler zu vernachlässigen. Diese Sonde 82 stellt also ein Mittel zur Unterscheidung verschiedener Fehlertypen dar.

Wenn z.B. ein Riß in der inneren Oberfläche eines Rohres ist, hat das Feld £]L an der äußeren Oberfläche des Rohres eine viel größere geometrische Ausdehnung und einen kleineren Gradienten als das Feld eines Rißes an der Süßeren Oberfläche. Durch Änderung des Abstandes der beiden Kerne 84 und 86 können diese so "abgestimmt" werden, daß sie sehr empfindlich gegen von tief unter der äußeren Oberfläche liegenden Fehlern herrührenden Felder und verhältnismäßig unempfindlich gegen von auf oder nahe der äußeren Oberfläche liegenden Pehlern herrührende Felder sind.

Durch Anschließen der Sonde 82 an einen, dem der Pig. 1 ähnlichen Differentiator wird im wesentlichen gleichzeitig mit dem Bassieren des Fehlers durch die beiden Kerne 84 und 86 ein sehr scharfes Signal erzeugt. Diese Anordnung ist verhältnismäßig unempfindlich gegen irgendwelche Magnetfelder, die im wesentlichen gleiche Wirkungen in beiden Kernen hervorrufen. Mit der Differenzanordnung der SLelfcundärwicklungen ist die Sonde 82 jedoch empfindlich gegen Streufelder, die einen Gradienten in TJmfangsrichtung erzeugen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind die beiden Kerne und 98j die im wesentlichen denen der Fig. 6 gleich sind, in einer gemeinsamen im wesentlichen radial zur Oberfläche des Prüfkörpers liegendenEbene angeordnet. Getream te Sekundärwicklungen 1oo und 1o2 sind auf den Kerben 96 und 98 aufgebracht, sodaß sie mit der Primärwicklung 1o4 induktiv gekoppelt sind» Di· Sekundärwicklungen 1oo und 1o2 sind derart in Serie miteinander verbunden, daß derselbe Kraftlinienfluß in den beiden Kernen 96 und 98 kein Signal der Sonde 1o6 erzeugt· Wenn jedoch die Sonde 1o6 ein Streufeld mit einem radialen Gradienten passiert, verursacht die Differenz dee Flußes in den beiden Kernen ein Differenzsignal hoher Amplitude in den beiden Sekundärwicklungen.

Da die Flußdicht· eine« Streufeld·» sehr rasch in radialer Richtung abnimmt, ist die. Sonde 1o6 sehr empfindlich gegen

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Änderungen des Abstandes der Sonde und des Prüfkörpers. Diese Anordnung ist besonders nützlich bei der Messung von Veränderungen der Oberfläche des Prüfkörpers z.B. von flachen fehlern und dergleichen.

Die Sonde 1o8 der Fig. 8 hat 2 Kerne 11 ο und 112, die im wesentlichen denen der Fig. 6 und 7 ähnlich sind, mit der Ausnahme, daß sie in zwei getrennten im allgemeinen parallel zur Oberfläche des Prüfkörpers liegenden Ebenen angeordnet sind. Eine einzige Primärwicklung 114 ist auf den beiden Kernen 11 ο und 112 aufgebracht, während getrennte Sekundärwicklungen 12o und 122 auf diesen Kernen 11o und 112 vorgesehen sind. Diese Sekundärwicklungen 12o und 122 sind vorzugsweise in Differenz— anordnung geschaltet. Daher ist das Differenzsignal der beiden Sekundärwicklungen 12o und 122 eine Funktion des Radial— gradienfren der Tangentialkomponen/te.

Die Abstandscharakteristiken dieser Sonde 1o8 und der Sonde 1o6 der Fig. 7 sind durch die Kurven der Fig. 4 dargestellt. Die Abszisse ist der Abstund zwischen der Sonde, während die Ordinajite die Spannung der Sekundärwicklungen ist. Das Ansprechen der Radialgradientensonde 1o6 ist durch die Kurve dargestellt, und nimmt mit zunehmendem Abstand aehr schnell ab. Folglich ist die Radialsonde 1o6 besser für Messungen von Veränderungen der Form, der Oberfläche, der Rauhheit und dergl. geeignet. Die Charakteristik der Tangentialsonde der Fig. 8 wird durch die Kurve 116 dargestellt, welche Zeit, daß die Sonde 1o8 auf Abstandsänderungen beträchtlich weniger anspricht. Daher ist die Sonde 1o8 besonders nützlich zur Erfassung von Hadialgradienten, die von in einem beträchtlichen Abstand von der Oberfläche liegenden Fehlern herrühren. Es hat sich gezeigt, daß die Permanentmagnete für die Vormagnetisierung der Kerne vermieden werden können. Die Magnetisierung ist im all-

'gemeinen parallel zu der Ibene der Kerne und besondere zu der Sichtung der Magnete zur Vormagnetisierung. Daher kann das feld selbst zur Vormagnetisierung der Sonde auf einen genauen Arbeitspunkt der Kurve der fig. 3 benutzt werden· , Sei. dem Ausführungsbeiapiel der Pig. 9 und 1o wird der Brüfkör-,-, per 126 durch geeignete Mittel z.B. durch ständiges oder ,

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momentanes Verbinden mit der Stromquelle 119 magnetisiert. Um Streufelder, die einen Fehler umgeben, aufzufinden, ist eine Kontrollvorrichtung 121 vorgesehen, die aus einem stationären Träger 122 besteht, der vorzugsweise'als Ring mit einer öffnung 124 in seiner Mitte ausgebildet ist. Diese öffnung 124 ist groß genug, daß der magnetisierte Prüfkörper 126 axial durch die Kontrollvorrichtung 121 verschoben werden kann. Der ringförmige Träger 122 ist zusätzlich mit einem Rotor 128 versehen, der ebenfalls als Ring mit einer vergrößerten Mittelöffnung 13o ausgebildet ist. Die beiden öffnungen 124- und 13o sind zu einander ausgerichtet, sodaß der Prüfkörper 126 axial durch den Rotor hindurch bewegt werden kann. Die auf den Rotor 128 montierte Prüfanordnung 132 ragt radial einwärts gegen den Prüfkörper 126 und rotiert um diesen, wenn der Rotor 128 rotiert. Eine an die Prüfanordnung 132 angebaute Sonde 134 ist sehr dicht an den Prüfkörper 126 gelagert. Wenn Prüfkörper 126 verschiedenen Durchmessers geprüft werden sollen, ist die Lage der Prüfanordnung 132 und/oder der Sonde 134 einjustierbar zwecks Anpassung an die Änderungen des Durchmessers· Wenn die Prüfanordnung 132 durch den Rotor 128 getragen wird, und der Prüfkörper 126 axial durch die Kontrollvorrichtung 121 bewegt wird, tastet die Sonde 134 spiralförmig die ganze äußere Oberfläche des Prüfkörpers 126 ab und passiert Jegliches vorhandene Streufeld.

Der Aufbau der Sonde 134 kann im wesentlichen mit dem irgend einer der vorhergehenden Sonden identisch sein. Beim Ausführungsbeispiel ist zwecks Vereinfachung eine Sonde mit einem einzigen Kern 136 gezeigt. Es können Jedoch auch 2 oder mehr Kerne verwendet werden, wenn Gradienten ermittelt werden sollen.

Der Kern 136 ist ein kreisförmiger Ring mit einem durch seine Mittelöffnung sich diametral erstreckenden Permanentmagneten 138. Primär- und Sekundärwicklung 14o bzw. 142 sind auf die entgegengesetzten Seiten des Kernes 136 aufgebracht und sind induktiv über die Permeabilität des Kernes 136 gekoppelt·

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Beide, sowohl die Pcimär- a&jfc auch die Sekundärwicklung 14-0 bzw. 142 sind., an den Oszillator 144 angeschlossen und bilden daher eine Eückkopplungsschleife. Die Frequenz, bei der der Oszillator 144 schwingt, ist eine Funktion der augenblicklichen Induktanz der Sonde 1J4 und dem Grad der Kopplung zwischen den zwei Wicklungen 14o und 142. Da diese durch die augenblickliche Permeabilität des Kernes 136 beeinflußt weräen, und diese eine Funktion der Dichte der Streuflußfelder ist, ist die Frequenz der Schwingungen eine Funktion des Streufeldes. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Prüfanordnung 132, die Sonde 134 und den Oszillator 144 auf den Rotor 128 zu.mon— tieren und mit diesem umlaufen zu lassen. Da die Snergieanfor— ™ derungen für den Betrieb einer derartigen Sonde sehr klein sind, wenn der Oszillator 144 transistorisiert ist, und einen entsprechend geringen Energiebedarf hat, kann die ganze Anordnung für längere Zeitdauer mittels einer Kleinen Batterie angetrieben werden. Durch die Verwendung einer vom Rotor 128 getragenen Batterie 146 als Energiequelle erübrigen sich alle Elemente zur Übertragung von Kraft auf den Rotor 128. Da die Frequenz des Oszillators 144 eine Funktion der Felddichte ist, kann er als frequenzmodulierter Sender verwendet werden, sodaß das Signal vom Rotor 128 übertragen und von einer stationären Anlage empfangen wird. Dadurch wird die Verwendung von Übertragungselementen, wie z.B. G-leitringen, vermieden, J die das Rauschen vergrößern und andererseits das Fehlersignal verschlechtern würden. Ein Weg, um dies zu verwirklichen, besteht darin, eine bifilare Windung 146a vorzusehen, die sich um den Rotor 128 erstreckt und elektrisch in Serie mit der Sekundärwicklung 142 verbunden ist, sodaß d^e Schwingungen in der Windung 146a vorhanden sind. Eine zwefite bifilare Wicklung 148 ist dicht benachbart zu der ers.ten bifilaren Wicklung 146a.auf dem stationären Träger 122 vorgesehen. Diese Anordnung ergibt einen hohen Kopplungsgrad zwischen den beiden Wicklungen 146a und 148 über Entfernungen, die Kurz sind im Vergleich zum Abstand zwischen den zwei Seiten der Windungen 146a und 148. In relativ kurzem Abstand, z.B» in etwa Jo cm, sind die von den Bifilarwindungen 146« und 148 ausgestrahlten Signale

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vollständig ausgelöscht. Daher stört diese Anordnung keine Einrichtung in unmittelbarer Nachbarschaft. Ebenso sind die beiden Windungen 14-6a und 14-8 unempfindlich gegen jegliche Felder benachbarter Anordnungen.

Das durch die zweite Bifilarwindung 14-8 empfangene Signal ist frequenzmoduliert als Funktion der Intensität des Streuflußes im Kern 136. Um diese Information zu verwerten, kann die zweite Bifilarwindung 148 mit einem geeigneten Verstärker 15o und einem Frequenzdemodulator 152 verbunden werden, dessen Ausgangssignal ähnlich dem in Fig. 5 gezeigten ist, und die Anwesenheit und den Ort Jedes Fehlers anzeigt. Der Ausgang des Demodulators 152 kann an einen Differentiator 154- angeschlossen werden, der das Signal differenziert und einen sehr scharfen und kurzem Impuls erzeugt. Dieser Impuls wird seinerseits über einen Verstärker 156» geeigneten Verbrauchern wie ζ,Β. einer Alarmanlage 158 und / oder einem Oszilloskop 16o zugeführt .

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Claims (11)

1. Ansprüche

   Ί y Anordnung zur Ermittlung, Anzeige und/oder Messung —■— von Magnetfeldern mittels mindestens einer aus mindestens einem magnetischem Kern bestehenden magnetfeldempfindlichen Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Sättigung oder der Permeabilität des Kernes der Somde durch das Magnetfeld zu seiner Ermittlung, Anzeige und/oder Messung dient.
2. 2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur zerstorungsfrexen Prüfung auf Fehler (z.B.

   Rißen) eines magnetisierten Körpers dient, an dessen ^ Fehler magnetische Streufelder entstehen, die eine Änderung der Sättigung oder der Permeabilität des Kernes bewirken,
3. 3) Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mindestens teilweise m&gnetiech gesättigt ist·
4. 4) Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3j dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde den Magnetisierten Körper abtastet»
5. 5) Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4·, dadurch gekennzeichnet, -daß durch den Kern mindestens eine Primär- und eine Sekundärwicklung mit einander gekop- , pelt sind und der Bertag der Kopplung eine Funktion ™ der Sättigung oder der Permeabilität des Kernes ist,
6. 6) Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwicklung eine Wechselspannung zugeführt wird, und das Ausgangssignal der Sekundärwicklung außer von dieser Wechselspannung von der Sättigung oder der Permeabilität des Kernes abhängt.
7. 7) Anordnung nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern die Form eines Ringes aufweist, dessen sich diametral gegenüber liegende Seiten vormagnetisiert sind»

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8. 8) Anordnung nach Anspruch 7-> dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierung durch einen in der Öffnung des Ringes diametral angeordneten Permanentmagneten erfolgte
9. 9) Anordnung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und Sekundärwicklung auf diametral entgegengesetzten Seiten des ringförmigem Kernes angeordnet sind_e
10. 10) Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde aus einem Paar durch Primärwicklungen mit einander gekoppelter Kerne besteht, und die erste Primärwicklung mit einer ersten Sekundärwicklung einen ersten Transformator und die zweite Primärwicklung mit einer zweiten Sekundärwicklung einen zweiten Transformator bilden, und die Kopplung der Transformatoren eine funktion der Permeabilität des entsprechenden Kernes ist Und der Abstand der beiden Transformatoren dem Abstand, über dem der Gradient gemessen werden soll, entspricht»
11. 11) Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne mindestens teilweise gesättigt sind, sodaß sich die Permeabilität der Kerne mit der Änderung

    P ihres Sättigungsgrades ändert«

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