DE2261498A1

DE2261498A1 - Resonanzmesschaltung fuer magnetische eigenschaften

Info

Publication number: DE2261498A1
Application number: DE19722261498
Authority: DE
Inventors: Seigo Ando; F Dr Zumstein Jun; Toshiro Mori; Patentanwaelte
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1971-12-16
Filing date: 1972-12-15
Publication date: 1973-06-28
Also published as: IT974102B; JPS5228388B2; FR2163687A1; JPS4866884A

Description

Dr. F. Zumsteln sen. - Dr. E. Assrnann Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

PATENTANWÄLTE

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Resonanzraeßschaltung für magnetische Eigenschaften

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen der magnetischen Eigenschaften für magnetisches oder wirbelstromleitendes Material und insbesondere eine Resonanzmeßschaltung für die magnetischen Eigenschaften.

In der Grundanordnung einer solchen Meßschaltung für magnetische Eigenschaften ist eine aus einem isolierten Draht gewickelte Detektorspule in bekannter Weise in der Nähe einer Probe aus einem magnetischen Metall angeordnet, welches kontinuierlich in einer vorbestimmten Richbung läuft, und eine Abweichung in der Ausgangsspannung, die zwischen den Enden der Detektorspule auftritt, wird in der Detektorspule festgestellt, die durch eine Wechse!spannung vorbestimmter Frequenz (üblicherweise in der Größenordnung von 5 bis 100 KHz) erregt wird.

Wenn bei der so aufgebauten Meßschaltung irgendein Bereich mit abweichenden magnetischen Eigenschaften in der Probe untersucht vn.i?d, ändert sich der Viert des Wirbelstroms, der durch die Probe

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fließt, entsprechend der Intensität eines WechselstrommagnetfeldeSf das von der erregten Detektorspule erzeugt wird» wodurch bewirkt wird, daß die effektive Impedanz der Detektorspule geändert wird. Als Folge davon ändert sich die an der Detektorspule auftretende Ausgangsspannung. Wenn die Änderung dieser Ausgangsspannung bestimmt wird, dann kann in einfacher Weise irgendein abweichender Bereich der Probe festgestellt werden, wie zum Beispiel Lunker , Risse, Vorsprünge, Vertiefungen, Erhöhungen oder eingeschlossene Verunreinigungen oder Kombinationen hiervon, Schweißstellen usw.

Eine solche Meßschaltung, die nicht vom Resonanztyp ist, bei der eine solche Detektorspule allein verwendet wird, hat jedoch eine relativ geringe Feststellungsempfindlichkeit, und es ist notwendig, als Eingangssignalquelle für die Messung einen Oszillator zu verwenden, der ein relativ hohes Ausgangssignal erzeugt. Außerdem ist die Meßgenauigkeit ebenfalls verringert infolge von äußerem Rauschen, das für die Anwesenheit von Streureaktanzkomponenten (insbesondere Eapazitätskomponenten) der Detektorspule und der angeschlossenen Zuführungsdrähte verantwortlich 1st.

Um solche Nachteile zu vermeiden, wurde in jüngster Zeit eine Meßschaltung vom Resonanztyp vorgeschlagen, die, wie Fig. 1 zeigt, einen Parallelresonanzkreis 15 aufweist, in dem ein Kondensator 13 parallel (oder in Reihe) mit einer Detektorspule 12 geschalt tet ist, die sich in der Fähe einer Probe aus magnetischem Metall befindet, so daß sie in der Frequenz eines Eingangssignales von einer Eingangssignalquelle für die Messung abgestimmt ist.

In Fig. 1 ist mit 16 eine Streukapazität des Parallelresonanzkreises 15 bezeichnet, während die Streuinduktivitätskomponente normalerweise äußerst klein und daher vernachlässigbar Ist.

Fig. 2 zeigt eine der Schaltung der Fig. 1 äquivalente Schaltung. In der äquivalenten Schaltung ist mit 21 ein Kondensator mit einem Kapazitätswert bezeichnet, der aus dem Kondensator 13 und der Streukapazität 16 der Fig. 1 zusammengesetzt 1st. Mit 22

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ist ein Widerstand des obengenannten Parallelresonanzkreises bezeichnet, mit 23 ein Widerstand der Eingangssignalquelle 14, mit e-j eine von der Eingangs signal quelle 14 zugeführte Eingangswechse!spannung, und mit e₀ eine Ausgangsspannung_s die über einem Parallelresonanzkreis 151 auftritt, der aus der Detekt'orspule 12 und dem Kondensator 21 besteht und den Widerstand 22 einschließt.

Es werde angenommen, daß ein Bereich mit abweichenden magnetischen Eigenschaften in der Probe auftritt. Der Widerstand 23 habe den Wert R, die effektive Impedanz des Parallelresonanzkreises 151 sei Z und die Abweichung der effektiven Impedanz Z sei Δ Z. Wie aus Fig. 2 ersichtlich-ist, ergibt sich die Abweichung Ae₀ der Ausgangsspannung e_Q in der folgenden Weise:

Z + Az Z

R + Z + ΔΖ ^ei " R + Z ^ei

^eO _ (R+Z)(Z+dz) - Z(R+Z+AZ) * Δ Z RZ ,,ν

i (R+Z+/1 Z) (R+Z) ' · Z (R+Z)'

Wie aus der Gleichung (1) deutlich wird, zeigt die Schaltung der Fig. 2 ein maximales Ausgangssignal, das heißt eine maximale Empfindlichkeit, wenn R gleich Z ist.

Bei der Resonanzmeßschaltung wird die effektive Impedanz Z des Resonanzkreises.151 während der Resonanz nur gleich dem Widerstand 22. In diesem Falle wird nicht nur die Ausgangsspannung e_Q, die an dem Resonanzkreis 151 auftritt, wenn das Eingangswechselspannungssignal e* mit einer vorbestimmten Frequenz von der Eingangssignalquelle 14 dem Resonanzkreis 151 zugeführt wird, sondern ebenso auch die Abweichung Λe_Q der Ausgangsspannung e_Q, die in Abhängigkeit von der Abweichung der effektiven Impedanz des Resonanzkreises festgestellt wird, wenn irgendein in den magnetischen Eigenschaften abweichender Bereich in der Probe auftritt, extrem groß im Vergleich zu den Werten, die bei Meßschaltungen vom nicht-resonanten Typ erhalten werden,

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und es ist daher möglich, als Eingangssignalquelle für die Messung einen Oszillator zu verwenden, der ein günstig kleines Ausgangssignal im Vergleich mit der Meßschaltung vom nichtresonanten Typ mit den daraus resultierenden Vorteilen erzeugt*

Bei dieser Resonanzmeßschaltung, die einen solchen Resonanzkreis aufweist, kann jedoch infolge der Anwesenheit einer Streu-* reaktanz des Resonanzkreises keine hohe Meßgenauigkeit erwartet werden und dieses Problem bleibt ungelöst.

Ziel der Erfindung ist daher eine Resonanzmeßschaltung, die in einer möglichst hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit eine Inde* rung in den magnetischen Eigenschaften einer Probe eines magnetischen oder wirbelstromleitenden Materials, das sich kontinuierlich in einer vorbestimmten Richtung bewegt, feststellen kann.

Zu diesem Zweck umfaßt eine Resonanzmeßschaltung gemäß der Erfindung eine Eingangssignalquelle, die eine Wechselspannung einer vorbestimmten Frequenz erzeugt, eine Brückenschaltung, die zwei in Reihe geschaltete Resonanzkreise, von denen jeder einen Kondensator und eine Induktivität besitzt, die sich in der Hähe einer Probe eines magnetischen oder wirbelstromleitenden Material befindet, das kontinuierlich in einer vorbestimmten Richtung läuft, so daß sie in der Frequenz eines Eingangssignals von der Eingangssignalquelle abgestimmt sind und einen gemeinsamen geerdeten Anschluß besitzen, und zwei in Reihe geschaltete Widerstände oder ein Potentiometer, dessen beide Anschlüsse mit den zugehörigen Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise verbunden sind, einschließt, wobei die Brückenschaltung zwei Eingangsanschlüsse besitzt, die mit der Eingangssignalquelle verbunden sind, und einen Verstärker* der mit zwei Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung verbunden ist·

Bei der so aufgebauten Resonanzmeßschaltung heben sich die Streureaktanzkomponenten der zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise gegeneinander auf, und nur wenn ein in den magnetischen Eigenschaften abweichender Bereich inder Probe auftritt, kann ein Ausgangssignal, das der Abweichung in den magnetischen Eigenschaften entspricht, von dem Verstärker mit hoher fittpfindlich-

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keit und hoher Genauigkeit festgestellt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs"beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer herkömmlichen Resonanz« meßschaltung für magnetische Eigenschaften.

Fig. 2 ist eine Schaltung, die der der Fig. 1 äquivalent ist·

Fig. 3 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform der Resonanzmeßschaltung für magnetische Eigenschaften gemäß der Erfindung.

Fig. 4 und 5 sind jeweils Seitenansichten, die im einzelnen die Anordnung der Induktivitäten der Fig. 3 zeigen·

Fig. 6 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Abwandlung der Resonanzmeßschaltung der Fig. 4·

Fig. 7 zeigt einen schematischen Schaltplan einer anderen Ausführungsform der Resonanzmeßschaltung gemäß der Erfindung.

In Fig. 3 umfaßt eine Brückenschaltung 31 zwei in Reihe geschaltete Parallelkreise 26 und 27, die Kondensatoren 21 und 22 mit gleichen Kapazitätswerten und Elektromagnete oder Induktivitäten 23 und 24 von gleichem Viert und mit einem gemeinsamen geerdeten Anschluß 25 einschließen, und ein Potentiometer 30 mit einem langgestreckten Widerstandskörper 28, dessen beide Anschlüsse mit den zugehörigen Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten Parallelkreise verbunden sind, und der einen Abgriff 29 besitzt, der gleitend auf dem Widerstandskörper 28 bewegbar ist. Der Abgriff 29 des Potentiometers 30 und der Erdanschluß werden als die zwei Eingangsanschlüsse der Brückenschaltung 31 verwendet. An die unsymmetrischen Eingangsanschlüsse ist eine Eingangssignalquelle 32 angeschlossen, die aus einem Oszillator wie zum Beispiel einem astabilen Multivibrator zur Erzeugung einer Wechselspannung besteht, der zum Beispiel eine Frequenz von 5 KHz bis 100 KHz besitzt, die die Resonanzfrequenz der jeweiligen Resonanzkreise 26 und 27 ist. Die zwei nicht-geerdeten Anschlüsse, die sich zwischen den zwei in Reihe geschalteten Parallelresonanzkreisen 26 und 27 befinden, werden als die zwei

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Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung 31 verwendet. Mit den symmetrischen Ausgangsanschlüssen sind die Eingangsanschlüsse eines Differenzverstärkers 33» der zwei Transistoren Q₁ und Q„ mit geerdetem Emitter enthält, verbunden, das heißt jeweils die Basis der Transitoren Q₁ und Q₂. Zwischen die Klemme 34 einer Spannungsquelle -B und einen der Transistoren Q₁ und Q«, zum Beispiel den Kollektor des Transistors Q₂, ist ein Lastkreis 37 geschaltet, der aus einem Parallelkreis aus einem Kondensator 35 und einer Spule 36 besteht, der in der Frequenz auf das Eingangssignal von der Eingangssignalquelle 32 abgestimmt ist. Die Schaltungsanordnung ist so ausgelegt, daß ein gewünschtes Ausgangssignal über dem Lastkreis 37 abgenommen wird· In diesem Falle bestehen die Induktivitäten 23 und 24 zum Beispiel aus im wesentlichen U-förmigen Kernen 42 bzw. 43» die in der Hähe einer Probe 41 aus einem magnetischen Material oder einem wirbelstromleitenden Material angeordnet sind, wie zum Beispiel einem plattenförmigen, rohrförmigen oder irgendwie anders geeignet geformten Stahl, rostfreiem Stahl, Kupfer oder Aluminium, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und Spulen 44 und 45 aus isolierten Drähten sind um die zugehörigen Kerne 42 und 43 gewickelt·

Bei der so aufgebauten Resonanzmagnetmeßschaltung heben sich die Streureaktanzkomponenten, die in den zwei Paralle!resonanzkreisen 26 und 27 der Brückenschaltung 31 vorhanden sind, gegenseitig auf, und in vorteilhafter Weise kann ein äußeres Bauschen infolge der Anwesenheit von Streureaktanzkomponenten beseitigt werden. Bevor eine tatsächliche Messung durchgeführt wird, werden die Induktivitäten 23 und 24 der Probe 41 gegenüber und in ihrer Fähe angeordnet, so daß ein geschlossener magnetischer Weg gebildet wird, während das vorbestimmte Eingangssignal, wie oben beschrieben wurde, von der Eingangssignalquelle 32 zugeführt wird, und gleichzeitig wird der Abgriff 29 des Potentiometers 30 gleitend auf dem langgestreckten Widerstandskörper 28 so eingestellt, daß das Ausgangssignal von dem Lastkreis des Differenzverstärkers 33 auf Null eingestellt ist. In diesem Zustand wird die Probe 41 kontinuierlich in einer vorbeetiimnten Richtung bewegt, wobei sich die Induktivitäten 23 und 24 im wesentlichen in ihrer ursprünglichen Stellung gegenüber und in

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der Nahe der Probe 41 befinden· Nur wenn ein in den magnetischen Eigenschaften von den normalen Bereichen abweichender Bereich - solche abweichenden Bereiche können Lunker , Vorsprünge oder Risse oder Kombinationen davon oder eine Schweißstelle einschließen - in der Probe 41 auftreten, ändert sich der Wert des Wirbelstroms, der durch die Probe fließt, infolge einer Abweichung in äer effektiven Impedanz einer der erregten Induktivitäten 23 "and 24» die dem abweichenden Bereich der Probe 41 gegenübersteht. Als Folge davon wird der symmetrische Zustand der Brückenschaltung 31 zerstört, so daß ein Ausgangssignal mit einer Spannung entsprechend der Abweichung in der effektiven Impedanz der zugehörigen Induktivität von der Brückenschaltung 31 dem Differenzverstärker 33 zugeführt wird. Das Ausgangssignal wird, nachdem es durch den Differenzverstärker 33 geeignet verstärkt ist, mit hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit von dem Lastkreis 37 des Differenzverstärkers 33 nachgewiesen. In der gezeigten Ausführungsform befinden sich beide Induktivitäten 23 und 24 gegenüber und in der nähe derselben Probe· Diese Induktivitäten 23 und 24 können jedoch auch so angeordnet sein, daß sich eine gegenüber und in der Nähe' einer Referenzprobe 4.11 mit bekannten magnetischen Eigenschaften und eine gegenüber und in der Höhe einer Probe 412 mit unbekannten magnetischen Eigenschaften befindet, die aus dem gleichen Material wie die Referenzprobe 411 oder aus einem verschiedenen Material hergestellt ist, wie in !Fig. 5 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung vrird' ein Unterschied in den magnetischen Eigenschaften zwischen der Eeferenzprobe 411 und der anderen Probe 412 an dem Lastkreis 37 des Differenzverstärkers 38 festgestellt, so daß ein gutes Probestück von einem auszuscheidenden Probestück durch Auswerten der Abweichung von der Referenzprobe unterschieden wer den kann.

Pig. 6 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Abwandlung der Alisführungsform der Pig. 4. Bei dieser Abwandlung sind die obengenannten Parallelresonanzkreise 26 und 27 durch Serien- · Resonanzkreise 26t und 271 ersetzt und das obengenannte Potentiometer 3Ö ist durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände 281 und 282 von gleichem Widerstandswert ersetzt. Eine solche A^sonanzmeßschaltung zum Messen von magnetischen Eigenschaften

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kann in der gleichen Weise betrieben werden wie die Ausführungsform der Fig. 4 und kann dieselben Wirkungen rad Vorteile wie diese erzielen.

Pig. 7 zeigt einen schematischen Schaltplan einer anderen Ausführungsform der Resonanzmeßschaltung gemäß der Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die paarweisen Eingangsanschlüsse und paarweisen Ausgangsansehlüsse der Brückenschaltung, die in Piß· 4 gezeigt ist, durch symmetrische Eingangsanschlüsse bzw. unsymmetrische Ausgangsanschlüsse ersetzt» und der nicht-geerdete Anschluß dieser unsyymetrxschen Ausgangsanschlüsse, das heißt der Abgriff 29 des Potentiometers 30, ist mit der Basis des !Transistors Q- verbunden, dessen Emitter geerdet ist. Zwischen den Kollektor des Transistors Q^ und die Anschlußklemme 34 der Spannungsquelle -B ist ein lastkreis 53 geschaltet, der aus einem Parallelresonanzkreis aus einem Kondensator 51 und einer Spule 52 besteht. Diese so aufgebaute Resonanzmeßschaltung arbeitet in der gleichen Weise wie die Ausführungsform der Pig. und kann dieselben Ergebnisse erzielen.

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Claims

Patentansprüche

; 1.) Resonanzschaltung zum Messen von magnetischen Eigenschaften mit einer Eingangssignalquelle, die eine Wechselspannung vor-"bestimmter Frequenz erzeugt, und mit einer Resonanzschaltung, die aus einem Kondensator und einer Induktivität "besteht, welche in der Nähe einer Probe aus einem magnetischen oder einem wirbelstromleitenden Material angeordnet ist, das sich kontinuierlich in einer vorbestimmten Richtung bewegt, so daß der Resonanzkreis auf die Frequenz eines Eingangssignals von der Eingangssignalquelle abgestimmt ist, und in der, wenn irgendwelche in den magnetischen Eigenschaften abweichenden Bereiche in der Probe auftreten, die entsprechenden Abweichungen festgestellt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis zwei in Reihe geschaltete Einheiten umfaßt, die einen gemeinsamen geerdeten . Verbindungspunkt besitzen und eine Brückenschaltung bilden, indem sie mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen zusammengeschaltet sind, deren beide Anschlüsse mit den zugehörigen Anschlüssen dieser in Reihe geschalteten Resonanzkreise verbunden sind, daß die Eingangssignalquelle mit den zwei Eingangsanschlüssen der Brückenschaltung verbunden ist, und daß weiter ein Verstärker vorgesehen ist, der mit den zwei Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung verbunden ist und ein gewünschtes Ausgangssignal von diesen Ausgangsan-_v^ Schlüssen feststellt.
2. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignalquelle vom unsymmetrischen iyp ist und zwischen Erde und einen gemeinsamen Anschlußpunkt der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Widerstände geschaltet ist, und daß der Verstärker ein Differenzverstärker ist, dessen zwei Eingangsanschlüsse jeweils mit den nicht-geerdeten Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Resonanzkreise verbunden sind.

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3. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignalquelle vom symmetrischen Typ ist und mit den zwei nicht-geerdeten Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Resonanzkreise verbunden ist, und daß der Verstärker ein gewöhnlicher Verstärker ist, dessen Eingangsanschluß mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Widerstände verbunden ist.
4. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in Reihe geschalteten Widerstände, die in der Brückenschaltung enthalten sind, ein Potentiometer mit einem langgestreckten Widerstandskörper, dessen zwei Anschlüsse mit den entsprechenden Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise verbunden sind, und mit einem gleitend auf dem Widerstandskörper bewegbaren Abgriff, der als gemeinsamer Verbindungspunkt der zwei in Reihe geschalteten Widerstände dient, umfassen.
5. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise, die in der Brückenschaltung enthalten sind, Parallelresonanzkreise sind.
6. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise, die in der Brückenschaltung enthalten sind, Reihenresonanzkreise sind.
7. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Resonanzkreisen enthaltenen Induktivitäten jeweils einen in der Nähe der Probe angeordneten Kern und eine um diesen Kern gewickelte Spule umfassen«

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