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Schaltung für induktive Vergleichsverfahren Die Erfindung beschäftigt
sich mit einer Schaltung für den induktiven Vergleich magnetischer und/oder elektrischer
Eigenschaften zweier leitfähiger Werkstoffe, die sich im Wirkungsbereich getrennter
wechselstromdurchflossener Spulen mit jeweils zwei getrennten Wicklungen befinden.
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Es ist bekannt, die unter Einsatz wechselstromdurchflossener Spulen
in metallischen Werkstoffen erzeugten induktiven Wirkungen für verschiedene Beobachtungen
und Meßzwecke auszunützen. Die Anwendungsbereiche induktiv arbeitender Verfahren
reichen von der Messung mechanischer Größen mit dafür speziell ausgebildeten induktiven
Meßtastern und der Dickenmessung an leitfähigen Materialien oder auch damit verbundener
Isolierschichten über die Erfassung elektrischer und magnetischer Kenngrößen ferromagnetischer
Werkstoffe bis zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Stoffe.- Diese
vielfachen Anwendungsmöglichkeiten solcher Meßverfahren hat zur Entwicklung verschiedener
Grundschaltungen und Meßsysteme für spezielle Anwendungen geführt. Um einzelne,
besondere Effekte als diskrete Meßgrößen aus der induktiven Gesamtwirkung eines
Systems herauszuheben, benutzen die bekannten Systeme bei der Erregung mit unterschiedlichen
Frequenzen überwieegend Kompensationsmethoden, die der Meßspannung eine elektronisch
oder durch Brückenschaltungen erzeugte Gegenspannung überlagern. So werden für die
Prüfung von Eisenwerkstoffen mehrere induktiv arbeitende Verfahren angewendet, um
aus den elektromagnetischen Meßergebnissen Rückschlüsse auf den Legierungs- oder
Bearbeitungszustand der Werkstücke zu ziehen. Bei ferromagnetischen Werkstoffen
bewirken vorwiegend Permeabilitäts-und Leitfähigkeitsunterschiede der Werkstücke
in der magnetischen Hysterese Ummagnetisierungsverluste, die erfahrungsgemäß mit
dem Werkstoffzustand in reproduzierbarer Form zusammenhängen. Das einfachste dieser
Verfahren wird als induktive Verwechslungsprüfung durch den Vergleich der magnetischen
Wirkungen eines Eichstücks
mit gleich dimensionierten Werkstücken
im induktiv erzeugten magnetischen Wechselfeld benutzt. Es sind aber auch beispielsweise
für gehärteten Stahl empirisch ermittelte Beziehungen zwischen der manetischen Sättigunq
und dem Restaustenitgehalt, oder zwischen der Koerzitivkraft und der mechanischen
Härte zur Prüfung des Wärmebehandlungszustands der Werkstücke angewendet worden.
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Bei der Messung mit derarttgen Schaltungen in der Anwendung für zerstörungsfreie
Werkstoffprüfung wird allgemein ein zu prüfendes Werkstück mit einem ähnlichen Werkstück,
dessen Eigenschaften bekannt sind, elektromagnetisch verglichen. Dies geschieht
in wechselstromdurchflossenen, als Brücken- oder Differenzschaltung ausgeführten
Systemen mit einfachen oder mehrfachen Spulensystemen mit oder onne ferromagnetischen
Kern, deren induktiver Wirkungsqrad durch die eingelegten bzw. angekoppelten Werkstücke
verändert wird. Durch die induktive Ankoppelung des Prüf- und Vergleichsobjekts
an zwei gleich aufgebaute Meßkreise werden die elektromagnetischen Ühertragungseigenschaften
beider Kreise verändert. Die dadurch hervorgerufenen Spannungs- und Phasenänderungen
können im Nullzweig der Brückenschaltung oder in Gegeneinanderschaltunq sekundär
abgenommener Spannungen in einem Meßsystem beobachtet bzw. elektrisch oder elektronisch
ausgewertet werden.
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Alle bisher bekannten induktiven Vergleichsverfahren sind in ihrem
Anwendungsbereich dadurch wesentlich eingeschränkt, daß die induktiven Erregerschaltungen
der Prüfspulensysteme oder Transformatorwicklungen elektrisch starr ausgeführt sind.
Um eine als Nullmethode hinreichencr: Empfindlichkeit zu erreichen, müssen dabei
die durch Hysteresedifferenzen erzeugten Brücken- oder Sekundärspannungen nach Ampli@@d@
und Phase mit erheblichem aufwand kompensiert werden Es ist Aufdabe der Erfindung,
diese Nachteile zu vermeiden und eine günstige Kompensation auch größerer Hysterese-
und Leitfähigkeitsdifferenzen mit einfachen Mitteln zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der felderregende
Strom durch vorgeschaltete veränderliche ohmsche Widerstände oder beispielsweise
auch getrennte Abgriffe an einem Regel transformator in mindestens einer der beiden
Primärspulen des Systems regelbar ist, caß parallel zu jeweils einer Primär- oder
Sekundärwicklung mindestens einer Prüfspule ein veränderlicher Widerstand geschaltet
ist und daß die mit dem Meß- oder Auswertsystem verbundenen Sekundärspulen entgegengesetzt
in Reihe geschaltet sind Damit lassen sich Permeabilitäts- und Leitfähigkeitsunterschiede
zweier ähnlicher, an die Prüfspule angekoppelter Prüfobjekte soweit kompensieren,
daß die sekundär abgenommene Differenzspannung einen Minimalwert annimmt. Aus der
für den Abgleich erforderlichen Veränderung der Regelglieder sowie aus der sekundär
verbleibenden Restspannung können direkt Daten über Permeabilitäts- und Leitfähigkeitsunterschiede
zwischen Vergleichs- und Prüfobjekt und erfahrungsgemäß damit verbundene Gebrauchseigenschaften
abgeleitet werden. Durch besondere Ausbildung der Mehrfachspulen als spezielle Prüfsonden,
z. B. durch Anbringen fester oder beweglicher ferromagnetischer SpulenkerneS kann
ein sclches System auch zur Abstands- oder Bewegungsmessung benutzt werden.
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Anhand von 3 Zeichnungen werden Aufbau und Wirkungsweise des erfindungsgemäßen
Systems näher beschrieben. Dabei ist in Fig. 1 die Grundschaltung der Meßanordnung
dargestellt, Fig. 2 schematisch die Uberlagerung der Hysterese- und Übertragungsverluste
gezeigt und Fig. 3 der im Meßsystem vorliegende Spannungsverlauf wiedergegeben.
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Nach Fig. 1 befinden sich die miteinander zu vergleichenden Werkstücke
1 und 1' in den Primärspulen 2 und 2', die über die regelbaren ohmschen Widerstände
3 und 3' mit der Wenchselstromouelle 4 verbunden sind. Mit den einzeln - oder auch
gemeinsam in Potentiometeranordnung gegeneinander - veränderlichen Widerständen
3 und 3' kann der Magnetisierungsstrom in beiden Zweigen der Schaltung relativ zueinander
so eingestellt werden, daß durch unterschiedliche Magnetisierung Permeabilitätsunterschiede
zwischen Vergleichs- und Prüfwerkstück kompensiert werden. Jeweils parallel zu den
Primärspulen 2
und 2' sind die regelbaren ohmschen Widerstände 5
bzw. 5' geschaltet.
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Mit den einzeln - oder auch gemeinsam in Potentiometeranordnung gegeneinander
- veränderlichen Widerständen 5 und S' können Leitfähigkeitsunterschiede zwischen
Vergleichs- und Prüfwerkstück kompensiert werden. Die mit den Primärspulen 2 und
2' in starrer induktiver Kopplung verbundenen Sekundärspulen 6 und 6' sind gegeneinander
in Reihe an das Meßsystem 7 angeschlossen. Das Widerstandspaar 5 und 5' kann auch
im Sekundärkreis 6 und 6' angeordnet werden.
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Bei der induktiven Erregung ferromagnetischer Werkstücke tritt an
den Sekundärspulen 6 und 6' eine Spannungsverzerrung durch die in Fig. 2 schematisch
als Hystereseschleifen dargestellten Magnetisierungsverluste auf. Im Bereich niedriger
Magnetisierungsfeldstärken habe die vom Vergleichswerkstück 1 erzeugte Hystereseschleife
die Gestalt 8. Die beispielsweise schlankere Hystereseschleife des Priifstücks 1'
mit höherer Permeabilität wird durch Herabsetzen des Magnetisierungsstroms über
den Widerstand 3' zur Form 9 verkleinert und durch Veränderung des Kurzschlußwiderstands
5' zur Schleifenform 10 verbreitert, so daß deren Flächeninhalt angenähert gleich
dem der Schleife 8 wird. Aus der phasenrichtigen Subtraktion der Schleifen 8 und
10 ergibt sich am Meßsystem 7 näherungsweise die in Fig. 3 abgebildete Sekundärspannung
11. Wie ein Vergleich mit der - stark verkleinert und ohne Berücksichtigung der
Phasenlage - eingezeichneten sinusförmigen Primärspannung 12 zeigt, führt der Abgleich
von elektromagnetisch unterschiedlichen Werkstücken auf angenähert gleiche induktive
Verlustleistung am Meßsystem zu einer Spannung mit der dreifachen Frequenz des Magnetisierungsstromes.
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Das Prinzip der beschriebenen Schaltung ist in seiner Anwendung nicht
nur auf ferromagnetische Werkstoffe beschränkt, sondern kann durch entsPrechende
Dimensionierung der einzelnen Schaltglieder und Wahl der Erreger-Frequenz so gestaltet
werden, daß es für alle induktiv zu lösenden Meßaufgaben mit elektrisch leitenden
Werkstoffen geeignet ist.
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In Betracht gezogene Druckschriften: DT-PS 741 194 DT-PS 848 276 DT-PS
933 111 DT-PS 1 157 003.