DE2420120A1

DE2420120A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE2420120A1
Application number: DE2420120A
Authority: DE
Inventors: Seigo Ando; Toshiro Mori
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1973-04-25
Filing date: 1974-04-25
Publication date: 1974-11-14
Also published as: FR2227527A1; DE2420120B2; GB1472182A; FR2227527B1; US3946307A

Description

Messvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, die jeden abnormen Bereich eines aus einem magnetisch oder elektrisch leitfähigen, auf Wärme ansprechenden oder deformierbaren Material bestehenden Gegenstandes unter Verwendung eines Impedanzelementes erfasst, dessen Impedanz sich mit der Änderung der physikalischen Eigenschaften des Gegenstandes ändert.

Unter derartige Messvorrichtungen fällt eine Vorrichtung, die so ausgelegt ist, dass sie eine Spannung oder deren Änderung erfasst, die über einer Induktivitätsspule erscheint, die mit einem kleinen Abstand von im allgemeinen 2 bis 10 mm gegenüber irgendeinem Bereich eines Probekörpers angeordnet ist, der aus einem magnetisch oder elektrisch leitenden Material wie Eisen, Stahl, Zinn, Kupfer oder Aluminiumblech besteht, und deren effektive Impedanz sich mit den Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Probekörpers unter der Voraussetzung ändert,

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dass die Induktivitätsspule von einer Gleichspannungsquelle mit bestimmter Spannung (im allgemeinen 1 bis 2 V) oder einer Wechselspannungsquelle mit einer bestimmten Effektivspannung und einer Frequenz von im allgemeinen 5 bis 100 kHz gespeist wird.

Bei einer Messvorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird angenommen, dass der Probekörper fortlaufend in eine bestimmte Längsrichtung befördert wird.

Wenn unter dieser Bedingung irgendwelche Fehler wie Feinlunker, Risse, eine uneinheitliche Dicke, Einbuchtungen oder Auswölbungen, Verunreinigungen, unzureichende Schweißstellen, deformierte Abschnitte oder abnorme Temperaturen in dem Bereich des Probekörpers auftreten, der der gespeisten Induktivitätsspule gegenüberliegt, wird sich die elektrische Leitfähigkeit oder die magnetische Permeabilität des Probekörpers' in diesem fehlerhaften Bereich ändern. Folglich wird sich auch der Wirbelstrom ändern, der durch den Probekörper entsprechend der Stärke des magnetischen Gleichstrom- oder Wechselstromfeldes fliesst, das von der gespeisten Induktivitätsspule erzeugt wird, ändern, was zur Folge hat, dass .sich die effektive Impedanz der gespeisten Induktivitätsspule ändert. Das bedeutet, dass durch die Bestimmung einer Spannung oder deren Änderung, die über der Induktivitätsspule erscheint und durch die Änderungen der effektiven Impedanz der Spule hervorgerufen wird, leicht diejenigen Bereiche des Probekörpers nachgewiesen werden können, deren physikalische Eigenschaften sich geändert haben. Unter derartige Messvorrichtungen fällt noch eine andere Vorrichtung, die so ausgelegt ist, dass sie eine Spannung oder deren Änderung erfasst, die über zwei Hauptelektroden eines Halbleiterelementes, wie einer Diode, erscheint, dessen Leitfähigkeit magnetisch beeinflussbar ist und das in einem kleinen Abstand von im allgemeinen 2 bis 5 mm gegenüber irgendeinem Abschnitt eines Probekörpers angeordnet ist, der aus einem magnetischen Material wie einer Eisen- oder Stahlplatte besteht, wenn das Halbleiter-

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element von der oben genannten Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle gespeist wird, deren Spannung an die zwei Hauptelektroden des Halbleiterelementes gelegt ist, und wenn der Probekörper vorher magnetisiert ist. Bei einer so aufgebauten Messvorrichtung wird angenommen, dass der magnetisierte Probekörper kontinuierlich in eine bestimmte Längsrichtung bewegt wird.

Wenn unter dieser Bedingung einer der oben genannten Fehler in demjenigen Bereich des Probekörpers auftritt, der gegenüber dem magnetleitenden Halbleiterelement liegt, wird sich der magnetische Streufluss, der vom magnetisierten Probekörper ausgeht und mit dem magnetleitenden Halbleiterelement verkettet ist bzw. auf dieses übergreift, am fehlerhaften Abschnitt des Probekörpers ändern.

Folglich wird sich auch der Innenwiderstand des magnetleitenden Halbleiterelementes ändern, was dazu führt, dass sich der Pegel der über den zwei Hauptelektroden induzierten Spannung ändert. Es kann daher ein Fehler in der magnetisierten Probe durch eine Messvorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, leicht in derselben Weise festgestellt werden, wie es bei der Messvorrichtung der Fall war, die die oben genannte Induktivitätsspule verwendet.

Eine weitere derartige Messvorrichtung stellt einen Temperaturdetektor dar, der dazu geeignet ist, eine Spannung oder deren Änderung zu erfassen, die über einem wärmeempfindlichen Widerstandselement, beispielsweise einem Thermistor auftritt, der in direktem Kontakt mit irgendeinem Bereich eines Probekörpers angeordnet ist, der aus einem wärmeempfindlichen Material wie einer Eisen- oder Stahlplatte besteht, wenn das wärmeempfindliche Widerstandselement durch die oben genannte Gleichstrom- ->der Wechselstromquelle leitend gemacht ist, deren Spannung an das Widerstandselement angelegt ist,

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Eine derartige Messvorrichtung kann ebenfalls ein Dehnungsmesser sein, der so ausgelegt ist, dass er eine Spannung oder deren Änderung erfasst, die über einem Dehnungsmeßstreifen erscheint, der an irgendeinem Abschnitt eines Probekörpers angebracht ist, der aus einem deformierbaren Material wie aus gewalztem Eisenoder Stahlblech besteht, wenn der Dehnungsmeßstreifen durch die oben genannte Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle leitend gehalten wird, deren Spannung an den Dehnungsmeßstreifen gelegt ist.

Wenn bei einer Temperaturdetektor oder einem Dehnungsmesser mit dem oben beschriebenen Aufbau eine abnorme Temperatur oder eine abnorme Deformation in denjenigen Bereichen eines Probekörpers auftritt, die mit dem wärmeempfindlichen Widerstandselement in Berührung stehen oder an denen der Dehnungsmeßstreifen befestigt ist, dann ändert sich der Widerstandswert des entsprechenden Widerstandselementes, so dass die Bereiche eines Probekörpers, die eine abnorme Temperatur oder eine abnorme Deformation zeigen, leicht festgestellt v/erden können.

Die oben genannten bekannten Messvorrichtungen sind so konstruiert, dass sie mit Hilfe einer Verstärkung über einen herkömmlichen Verstärker die Spannung oder deren Änderung erfassen, die über dem Impedanzelement auftritt, das aus der oben genannten Induktivitätsspule, einem magnetleitenden Halbleiterelement, dem wärmeempfindlichen Widerstandselement oder einem Dehnungsmeßstreifen besteht.

Diese bekannten Messvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass ihre Empfindlichkeit unter Verwendung einer grossen Anzahl von Verstärkern auf einen bestimmten Empfindlichkeitsgrad verstärkt wird, da die Änderungen in der Spannung, die über dem oben genannten Impedanzelement erscheint, im allgemeinen sehr gering sind.

In herkömmlicher Weise wird die Empfindlichkeit einer Messvor-

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rihtung, die von der oben genannten Induktivitätsspule Gebrauch macht, dadurch vergrössert, dass eine Wechselspannungsquelle verwandt wird, die eine Eingangsspannung bestimmter Frequenz zur Speisung der Induktivitätsspule liefert, und dass ein Kondensator parallel oder in Reihe mit der Induktivitätsspule geschaltet wird, um einen Schwingkreis zu bilden, dessen Frequenz auf die Frequenz der Eingangsspannungsquelle abgestimmt ist. Obwohl eine mit einem Schwingkreis versehene herkömmliche Messvorrichtung eine höhere Empfindlichkeit als andere Vorrichtungen ohne einen solchen Schwingkreis aufweist, hat diese Vorrichtung den Nachteil, dass nicht nur die Messung lediglich bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises erfolgt, sondern dass auch die Messgenauigkeit bei grösserer Empfindlichkeit infolge der Schwankung der Frequenz der Eingangsspannung geringer ist.

Unter diesen Umständen ist kürzlich eine Messvorrichtung mit oder ohne Abgleich entwickelt worden, die so konstruiert ist, dass sie einen abnormen Fehler bei einem der oben genannten Probekörper mit einer so grossem Empfindlichkeit und Genauigkeit wie möglich feststellt, ohne dass die Frequenz der Eingangsspannung einen Einfluss hat. Dabei wird ein-negativer Impedanzkreis mit dem im folgenden beschriebenen Aufbau verwandt.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer solchen Messvorrichtung ohne Abgleich. In Fig. 1 bezeichnet 11 eine Spannungs· quelle für eine Eingangsvergleichsspannung, die aus einer Gleichspannungsquelle mit bestimmter Spannung, beispielsweise 1 bis 2 V, oder einer Wechselspannungsquelle bestehen kann, die eine Wechselspannung mit einer bestimmten Effektivspannung, beispielsweise 1 bis 2 V und einer bestimmten Frequenz im Bereich zwischen 5 und 100 kHz erzeugt. Parallel zur Spannungsquelle 11 ist über ein Impedanzelement 12 zur Impedanzanpassung ein Impedanzelement 13 geschaltet, das aus einer Induktivitätsspule, einem magnetleitenden Halbleiterelement, einem wärmeempfindlichen Widerstandselement oder einem Dehnungsmeßstreifen bestehen kann, das bzw. der in der oben beschriebenen Weise an

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den oben genannten Probekörpern angeordnet ist. Parallel oder in Reihe zu dem Impedanzelement 13 ist ein negativer Impedanzkreis 16 geschaltet, dessen Eingangsimpedanz, wie es später beschrieben wird, auf einen negativen Wert festgelegt ist und der einen herkömmlichen Verstärker 14 und ein Impedanzelement 15 zur positiven Rückkopplung umfasst, das zwischen die Eingangs- und die Ausgangsklemme des Verstärkers 14 geschaltet ist.

Von der Seite der Eingangsklemmen. H und 12 des Impedanzelementes 13 aus gesehen, kann die Eingangsimpedanz Zin der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, die als eine so konstruierte Messvorrichtung verwandt wird, bei offenem Stromkreis an den Ausgangsklemmen 01 und 02 des negativen Impedanzkreises 16 ausgedrückt werden als:

^Zin = Z1 + Zl

wobei Z1 die Impedanz des Impedanzelementes 13 und Zi die Eingangsimpedanz des negativen Impedanzkreises 16 sind.

Werden der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 14 mit A und die Impedanz des Impedanzelementes 15 zur positiven. Rückkopplung mit Z2 bezeichnet, kann die Eingangsimpedanz Zi des negativen Impedanzkreises 16 ausgedrückt werden als:

Zi = (2)

Durch Einsetzen der Gleichung 2 in die Gleichung 1 ergibt sich: Z1 - Z2

7in 1 - A _ Z1 . ,,,

Zin = —— ₇a —— -ι ——TT ^ξ·*^

Aus Gleichung 3 ergibt sicii_s dass bei einem offenen Stromkreis an den Ausgangsklemmen 01 und 02 sich die Eingangsimpedanz Zin

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von der Impedanz Z1 des Impedanzelementes 13 bis-unendlich und weiterhin bis zu einem negativen Wert in Abhängigkeit von den Impedanzen Z1 und Z2 des Impedanzelementes 13 und des Impedanzelementes 15 für die positive Rückkopplung und in Abhängigkeit vom Verstärkungsfaktor A des Verstärkers 14 ändert. Offensichtlich sollten daher die Eingangsklemmen 11 und 12 des Impedanzelementes 13 offen geschaltet sein, wobei die Werte der oben genannten Impedanzen Z1 und Z2 und der oben genannte Verstärkungsfaktor A so gewählt werden, dass die Eingangsimpedanz Zin bei offenen Ausgangsklemmen 01 und 02 so gross wie möglich, vorzugsweise unendlich, sein kann, wodurch . ein Fliessen eines Stromes von der Spannungsquelle 11 für die Eingangsvergleichsspannung zum Impedanzelement 13 verhindert wird. Aus diesem Grunde arbeitet die in Fig. 1 dargestellte Schaltung wie ein einem herkömmlichen parallelen Schwingkreis äquivalenter Kreis ohne auf die Frequenz eines Eingangssignals von der Spannungsquelle 11 für die Eingangsvergleichsspannung abgestimmt zu sein und hat den Vorteil, dass eine die abnormen Bereiche irgendeines der oben genannten Probekörper repräsentierende Spannung in beträchtlich verstärkter Form oder die Änderung dieser Spannung, die über dem Impedahzelement 13 erscheint, erfasst wird, ohne dass eine Schwankung der Frequenz des Eingangssignales irgendeinen Einfluss hat.

In diesem Falle muss der Kreis 16, der den Verstärker 14 und das Impedanzelement 15 zur positiven Rückkopplung enthält, einen negativen Impedanzkreis bilden, dessen Eingangsimpedanz auf einen negativen Wert festgelegt ist, so dass der Verstärker 14 einen Verstärkungsfaktor A haben kann, der, wie es aus den Gleichungen 2 und 3 hervorgeht, grosser als wenigstens 1 ist.

Darüberhinaus kann die in Fig.' 1 dargestellte Schaltung sehr stabil arbeiten, wenn für den Verstärker 14 ein relativ hoher Verstärkungsfaktor gewählt ist und weiterhin im negativen Impedanzkreis 16 eine negative Rückkopplungsschleife vorgesehen ist.

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Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Messvorrichtung mit Abgleich, die nach dem gleichen Arbeitsprinzip aufgebaut ist wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung. Parallel zur Spannungsquelle 21 für die Eingangsvergleichsspannung, die ebenso wie die Spannungsquelle 11 in Fig. 1 ausgebildet ist, sind die Eingangsklemmen 111 und 112 einer Brückenschaltung 26 geschaltet, die ein dem Impedanzelement 13 ähnliches Impedanzelement 22, das in der oben beschriebenen Weise an einem der oben genannten Probekörper angeordnet ist, und drei andere Impedanzelemente 23, 24 und 25 enthält. Mit den Ausgangsklemmen 011 und 012 der Brückenschaltung 26 stehen zwei negative Impedanzkreise 291 und 292 in Verbindung, von denen jeder den gleichen Aufbau wie der negative Impedanzkreis 16 in Fig. 1 aufweist und einen herkömmlichen Verstärker 271 oder 272 und ein Impedanzelement 281 oder 282 zur positiven Rückkopplung enthält, das zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemme des entsprechenden Verstärkers 271 oder 272 geschaltet ist.

Wenn die Impedanzen der jeweiligen Impedanzelemente 22 bis 25, die gemeinsam die Brückenschaltung 26 bilden, vorher so eingestellt sind, dass unter der Bedingung die Erzeugung jedes Ausgangssignals an den Ausgangsklemmen 011 und 012 der Brückenschaltung 26 verhindert wird, dass sich das Impedanzelement 22 an einer Stelle befindet, die einem Bereich des Probekörpers entspricht, der ohne die oben genannten Fehler normale physikalische Eigenschaften zeigt, gibt eine so aufgebaute Messvorrichtung von den Ausgangsklemmen der Brückenschaltung 26 nur dann ein elektrisches Signal ab, das diejenigen Bereiche des Probekörpers repräsentiert, die die oben genannten abnormen physikalischen Eigenschaften zeigen, wenn das Impedanzelement sich an einer Stelle befindet, die abnormen Bereichen des Probekörpers entspricht. Das so erhaltene elektrische Signal ist durch die zwei negativen Impedanzkreise 291 und 292 beträchtlich verstärkt, so dass eine Bestimmung derjenigen Bereiche des Probekörpers, die irgendwelche abnorme physikalische Eigenschaften zeigen, mit einer grossen Empfindlichkeit erfolgen kann.

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Eine Messvorrichtung, die in der in Fig. 2 dargestellten Weise aufgebaut ist, hat jedoch den Nachteil,dass nicht nur der Schaltungsaufbau relativ kompliziert ist, da zwei Verstärker erforderlich sind, sondern dass auch die Messgenauigkeit relativ gering ist, da diese Verstärker im allgemeinen unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen.

Wenn weiterhin die in Fig. 1 dargestellte Messvorrichtung ohne Abgleich und die in Fig. 2 dargestellte Messvorrichtung mit Abgleich dann verwandt werden, wenn ein äusseres Rauschsignal mit irgendeiner Frequenz auftritt, haben diese Vorrichtungen den Nachteil, dass die äussere Rauschsignalkomponente mit hoher Empfindlichkeit zusätzlich zu der gewünschten Signalkomponente erfasst vnrd, die die oben genannten abnormen Bereiche eines Probekörpers repräsentiert.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Messvorrichtung zu liefern, die mit einer so hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit wie möglich diejenigen Bereiche eines aus einem magnetisch oder elektrisch leitenden, wärmeempfindlichen oder deformierbaren Material bestehenden Probekörpers bestimmen .kann, die die oben genannten abnormen physikalischen Eigenschaften zeigen, ohne dass zumindest die Frequenz eines Eingangssignals von einer Signalquelle für das Messeingangssignal irgendeinen Einfluss hat.

Hierzu weist die erfindungsgemässe Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform einen negativen Impedanzkreis auf, dessen Eingangsimpedanz auf einen negativen Wert festgelegt ist und der einen Differentialfunktionsverstärker, dessen Eingangsklemmen mit den Ausgangsklemmen einer Brückenschaltung in Verbindung stehen, deren Eingangsklemmen parallel zu einer Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle für eine Eingangsvergleichsspannung mit einer bestimmten Höhe in Verbindung stehen und die ein Impedanzelement, das in der Nähe eines oder in direktem Kontakt mit einem Probekörper angeordnet ist, der aus

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einem elektrisch oder magnetisch leitenden, wärmeempfindlichen oder deformierbaren Material "besteht, sowie wenigstens drei weitere Impedanzelemente aufweist und deren Impedanz sich mit den physikalischen Eigenschaften des Probekörpers ändert, und wenigstens einen positiven Rückkopplungskreis aufweist, der zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemme des Funktionsverstärkers geschaltet ist.

Eine so aufgebaute Messvorrichtung hat den Vorteil, dass mit einer hohen Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit bei einem relativ einfachen Aufbau der Schaltung diejenigen Bereiche eines Probekörpers bestimmt werden können, die die oben genannten abnormen physikalischen Eigenschaften zeigen, ohne dass die Frequenz einer Eingangsspannung von der Vergleichsspannungsquelle irgendeinen Einfluss hat.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung weist einen negativen Impedanzkreis auf, dessen Eingangsimpedanz auf einen negativen Wert festgesetzt ist und der einen Verstärker, der parallel oder in einer Reihe mit einem Impedanzelement geschaltet ist, das mit einer Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle für eine Eingangsvergleichsspannung bestimmter Höhe in Verbindung steht, in der Nähe eines oder in direkter Berührung mit einem Probekörper angeordnet ist, der aus einem elektrisch oder magnetisch leitenden, wärmeempfindlichen oder deformierbaren Material besteht, und dessen Impedanz sich mit den physikalischen Eigenschaften des Probekörpers ändert, und einen positiven und einen negativen Rückkopplungskreis aufweist, die zwischen die Eingangs- und die Ausgangsklemme des Verstärkers geschaltet sind, wobei wenigstens einer der Rückkopplungskreise, die im negativen Impedanzkreis enthalten sind, ein Filter enthält, das nur eine bestimmte Frequenzkomponente mit einem höheren oder einem niedrigeren Pegel als die verbleibenden Frequenzkomponenten von der Ausgangsseite des Verstärkers zur Eingangsseite rückkoppelt.

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Eine so aufgebaute Messvorrichtung hat den Vorteil, dass mit einer so hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit wie möglich diejenigen Bereiche eines Probekörpers bestimmt werden, die die oben genannten abnormen physikalischen Eigenschaften zeigen, ohne dass die Frequenz eine Eingangsspannung von einer Vergleichsspannungsquelle sowie irgendeine äussere Rauschsignalkomponente einen Einfluss haben.

Im folgenden werden beispielsweise bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer kürzlich entwickelten Messvorrichtung ohne Abgleich.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer kürzlich entwickelten Messvorrichtung mit Abgleich.

Fig. 3 zeigt das schematische Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung.

Fig. 4a bis 4D erläutern in schematischen Schaltbildern verschiedene Zusammensetzungen des Impedanzelementes 32 in Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen praktischen Schaltungsaufbau einer gegenüber der Ausführungsform in Fig. 3 abgewandelten Messvorrichtung, bei der das Impedanzelement 32 von Fig. 3 eine magnetleitende Halbleiterdiode ist, die in der Nähe eines aus einem magnetischen Material bestehenden Probekörpers angeordnet ist, dessen magnetische Eigenschaft bestimmt werden soll.

Fig. 6 zeigt das schematische Schaltbild einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung ohne Abgleich.

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Fig. 7A bis 7D zeigen praktische Schaltungsanordnungen unterschiedlicher Filter, von denen jedes den positiven oder negativen Rückkopplungskreis bildet, der iuLinegativen Impedanzkreis enthalten ist, der in Fig. 6 dargestellt ist.

Fig. 8 zeigt das schematische Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung mit Abgleich.

Fig. 9 zeigt ein praktisch realisierbares Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung, die dazu verwandt werden kann, die magnetischen Eigenschaften eines magnetischen Materials unter Verwendung einer magnetleitenden Halbleiterdiode zu bestimmen.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung. In Fig. 3 ist mit 31 eine Spannungsquelle für eine Eingangsvergleichsspannung bezeichnet, die von einer Gleichspannungsquelle, die eine Gleichspannung mit einer bestimmten Höhe, beispielsweise 1 bis 2 V, liefert, oder von einer Wechselspannungsquelle gebildet wird, die eine Wechselspannung mit einer bestimmten Höhe, beispielsweise einem doppelten Scheitelwert von 1 bis 2 V und einer bestimmten Frequenz im Bereich zwischen etwa 5 und 100 kHz erzeugt. Parallel zur Spannungsquelle 31 sind Eingangsklemmen 131 und 132 einer Brückenschaltung 36 geschaltet, die von vier Impedanzelementen 32, 33» 34 und 35 gebildet wird, von denen jedes aus einer Induktivität oder einem anderen Widerstandselement bestehen kann.

Wenigstens ein Impedanzelement, beispielsweise das Impedanzelement 32 der vier Impedanzelemente 32 bis 35 besteht aus einer Induktivitätsspule 321, die mit einem geringen Abstand von etwa 2 bis 10 mm von irgendeinem Bereich eines Probekörpers 411 ange-

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ordnet ist, der aus einem magnetisch oder elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Eisen7 Stahl*; Kupfer-oder Aluminiumblech besteht, wie es in Fig. 4A dargestellt ist, aus einem magnetleitenden Halbleiterelement 322, das mit einem geringen Abstand G2 von etwa 2 bis 5 mm gegenüber irgendeinem Bereich eines Probekörpers 412 angeordnet ist, der aus einem magnetischen Material wie Eisen- oder Stahlblech besteht, wie es in Fig. 4B dargestellt ist, aus einem wärmeempfindlichen Widerstandselement 325, beispielsweise einem Thermistor, der in direktem Kontakt mit irgendeinem Bereich eines Probekörpers 413 steht, der aus einem wärmeempfindlichen Material, beispielsweise irgendeinem Metall besteht, wie es in Fig. 4C dargestellt ist, oder aus einem Dehnungsmeßstreifen 324, der an irgendeinem Bereich eines Probekörpers 414 angebracht ist, der aus einem deformierbaren Material, beispielsweise gewalztem Stahl- oder Eisenblech besteht, wie es in Fig. 4D dargestellt ist.

Die drei anderen Impedanzelemente 33 bis 35, die die Brückenschaltung 36 bilden, können Induktivitätsspulen sein, wenn das Impedanzelement 32 die in Fig. 4A dargestellte Induktivitätsspule 321 ist. Sie können aus magnetleitenden Halbleiterelementen oder einem herkömmlichen Widerstand bestehen, wenn das Impedanzelement 32 das in Fig. 4B dargestellte magnetleitende Halbleiterelement 322 ist. Wenn das Impedanzelement 32 das in Fig. 4C dargestellte wärmeempfindliche Widerstandselement 323 ist, können sie wärmeempfindliche Widerstandselemente oder herkömmliche Widerstände sein. Wenn weiterhin das Impedanzelement 32 aus dem in Fig. 4D dargestellten Dehnungsmeßstreifen 324 besteht, können sie aus herkömmlichen Widerständen gebildet sein.

Gemäss Fig. 3 ist ein negativer Impedanzkreis 39 vorgesehen, der den folgenden Aufbau hat. Der negative Impedanzkreis 39 umfasst einen Differentialfunktionsverstärker 37, dessen Eingangsklemmen mit den Ausgangsklemmen 031 und 032 der Brückenschaltung 36 verbunden sind, und einen positiven Rückkopplungskreis 38, der mit einer Eingangsklemme und der Ausgangsklemme 0 des Funk-

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tionsverstärkers 37 verbunden ist. Der negative Impedanzkreis 39 ist so aufgebaut, dass er eine negative Eingangsimpedanz aufweist, wobei vorher der Verstärkungsfaktor des Funktionsverstärkers 37 auf einen Wert > 1 gebracht ist.

Im-folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung beschrieben. Wenn die Brückenschaltung 36 vorher so ausgelegt ist, dass eine Abgabe eines Ausgangssignals zwischen den Ausgangsklemmen 031 und 032 unter der Bedingung verhindert ist, dass das Impedanzelement 32 sich in einer Lage befindet, die demjenigen Bereich des Probekörpers 41I₃ 412, 413 oder 414 (siehe Fig. 4A bis 4D) entspricht, der normale physikalische Eigenschaften ohne einen der oben genannten Fehler zeigt, dann erzeugt die in Fig. 3 dargestellte Schaltung an den Ausgangsklemmen 031» 032 der Brückenschaltung 36 nur dann ein elektrisches Signal, das diejenigen Bereiche des Probekörpers repräsentiert, die die oben genannten abnormen physikalischen Eigenschaften zeigen, wenn das Impedanzelement 32 sich in einer Lage befindet, die den abnormen Bereichen des Probekörpers entspricht. Das so erhaltene elektrische Signal ist durch den negativen Impedanzkreis 39 beträchtlich verstärkt, so dass die in Fig. 3 dargestellte Schaltung jeden abnormen Bereich des Probekörpers mit einer hohen ,Empfindlichkeit bestimmen kann.

Eine Messvorrichtung, die so aufgebaut ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, hat den Vorteil, dass irgendein abnormer Bereich des Probekörpers mit einer höheren Genauigkeit bestimmt wird als es bei der in Fig. 2 dargestellten Messvorrichtung der Fall ist, wobei darüberhinaus ein einfacherer Schaltungsaufbau als bei der Vorrichtung gemäss Fig. 2 verwandt wird, da ein einziger negativer Impedanzkreis 39 mit einem Funktionsverstärker 37 an die Stelle der negativen Impedanzkreise 291 und 292 getreten ist, die zwei herkömmliche Verstärker 271 und 272 enthalten, deren elektrische Eigenschaften im allgemeinen verschieden sind.

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In dem Fall, in dem das in der Messvorrichtung verwandte Impedanzelement 32 ein magnetleitendes Halbleiterelement 322 ist, das in Fig. 4B dargestellt ist, neigt die Messvorrichtung zu einer fehlerhaften Bestimmung, da das magnetleitende Halbleiterelement im allgemeinen einen sich mit der Temperatur ändernden Innenwiderstand aufwei st.

Fig. 5 zeigt einen praktischen Schaltungsaufbau einer gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform abgewandelten Messvorrichtung, bei der die Möglichkeit einer fehlerhaften Bestimmung herabgesetzt ist.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Messvorrichtung ist das bei der Brückenschaltung 36 von Fig. 3 verwandte Impedanzelement 32 durch eine Anzahl von in Reihe geschalteten magnetleitenden Dioden 32ä ersetzt. Statt des Impedanzelementes 33 in Fig. 3 ist eine Anzahl von in Reihe geschalteten magnetleitenden Dioden 33a vorgesehen, die in der Nähe des Probekörpers 412 angeordnet sind und in der gleichen Weise wie die Dioden 32a bemessen sind. Die Impedanzelemente 34 und 35 in Fig. 3 sind durch herkömmliche Widerstände 34a und 35a ersetzt. Parallel zu den Ausgangsklemmen einer Brückenschaltung 36, die von den Dioden 32a und 33a und den Widerständen 34a und 35a gebildet wird, ist ein negativer Impedanzkreis 39a geschaltet, der aus einem Differentialfunktionsverstärker 37a und positiven und negativen Rückkopplungswiderständen 38a und 40 besteht, die zwischen eine Eingangs- und die Ausgangsklemme des Funktionsverstärkers 37a geschaltet sind.

Eine so aufgebaute Messvorrichtung kann die Möglichkeit einer fehlerhaften Bestimmung infolge einer Temperaturänderung der einzelnen magnetleitenden Dioden, die zur Messung verwandt werden, beträchtlich herabsetzen.

Fig. 6 eeigt ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausfüh-

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rungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung.

In Fig. 6 ist mit 51 eine Spannungsquelle für eine Eingangsvergleichsspannung bezeichnet, die den gleichen Aufbau wie die in Fig. 3 dargestellte Spannungsquelle hat.

Ein Impedanzelement 53» das dem Impedanzelement 32 in Fig. 3 gleicht, ist parallel über ein Impedanzelement 52 zur Impedanzanpassung zur Spannungsquelle 51 geschaltet. Parallel oder in Reihe mit dem Impedanzelement 53 ist ein negativer Impedanzkreis 57 geschaltet, der aus einem Verstärker 54 und einem positiven und negativen Rückkopplungskreis 55 und 56 besteht.

Wenigstens einer der beiden Rückkopplungskreise 55 und 56, die im negativen Impedanzkreis 57 enthalten sind, enthält ein Filter, das so aufgebaut ist, wie es im folgenden beschrieben wird und das 3ede äussere Rauschsignalkomponente beseitigt.

Fig.7A zeigt ein Beispiel für ein als positiven Rückkopplungskreis 55 und/oder negativen Rückkopplungskreis 56 verwendbares Filter. Das Filter umfasst ein Tiefpassfilter 63, das von einer integrierenden Schaltung aus einem Widerstand 61 und einem ₍ Kondensator 62 gebildet wird. Fig. 7B zeigt ein weiteres Beispiel für das oben genannte Filter, das bei der in Fig 6 dargestellten Schaltung verwandt werden kann. Das Filter umfasst ein Hochpassfilter 73, das aus einer differenzierenden Schaltung aus einem Kondensator 71 und einem Widerstand 72 aufgebaut ist.

Fig. 7C zeigt ein weiteres Beispiel für das oben genannte Filter, das bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung verwandt werden kann. Das Filter umfasst ein,Bandpassfilter 87, das von einem Doppel-T-Kreis gebildet wird, der zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 81 und 82, zwei in Reihe geschaltete Widerstände 84 und 85, die parallel zu den in Reihe geschalteten Kondensatoren 81 und 82 geschaltet sind, einen zwischen die Erde und die

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gemeinsame Verbindung der Kondensatoren 81 und 82 geschalteten Widerstand 83 und einen Kondensator enthält, der zwischen die Erde und die gemeinsame Verbindung der Widerstände 84 und 85 geschaltet ist. Fig. 7D zeigt noch ein weiteres Beispiel für das oben genannte Filter, das bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung verwandt werden kann. Dieses Filter umfasst ein Bandpassfilter 94, das von einem parallelen Schwingkreis bzw. einer entsprechenden Reihenschaltung gebildet wird, die, falls erforderlich, einen Widerstand 91 und einen Kondensator 92 sowie eine Induktivitätsspule 93 enthält.

Wenn das in Fig. 7A dargestellte Tiefpassfilter 63, das in Fig.7B dargestellte Hochpassfilter 73 oder ein Bandpassfilter 87 oder 94 von Fig. 7C oder 7D für den positiven Rückkopplungskreis 55 und/oder den negativen Rückkopplungskreis 56 verwandt wird, die in Fig. 6 dargestellt sind, dann kann die Messvorrichtung leicht äussere Rauschsignalkomponenten mit irgendeiner Frequenz beseitigen, so dass nur die gewünschte Signalkomponente, die irgendeinen der oben genannten abnormen zu bestimmenden Bereich des Probekörpers repräsentiert, verstärkt von beiden Klemmen des Impedanzelementes 53 oder von den Ausgangsklemmen 051 und 052 des negativen Impedanzkreises 57 abgegeben wird.

Versuche haben gezeigt, dass vorzugsweise das Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von etwa 0,01 und 10 Hz im negativen Rückkopplungskreis.56 verwandt wird, der im negativen Impedanzkreis 57 enthalten ist, der in Fig. 6 dargestellt ist.

Diese Ausführungsform weist den gleichen Schaltungsaufbau wie die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform auf,ausser dass ein negativer Impedanzkreis 102, der parallel zu den Ausgangsklemmen der Brückenschaltung 36 geschaltet ist, zusätzlich zu dem posi-

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tiven Rückkopplungskreis 38 mit einem negativen Rückkopplungskreis 101 versehen ist, der zwischen eine Eingangsklemme und die Ausgangskiemme des Funktionsverstärkers 37 geschaltet ist«, Wenigstens einer der beiden Rückkopplungskreise wird von einem der Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfilter gebildet, die in den Fig. 7 A bis 7D dargestellt sind.

Es ist offensichtlich, dass eine so aufgebaute Messvorrichtung nahezu in der gleichen Weise arbeitet wie die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung.

Fig. 9 zeigt den praktischen Schaltungsaufbau einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Messvorrichtung.

In Fig. 9 ist mit 111 eine Spannungsquelle für eine Eingangsvergleichsspannung bezeichnet, die den gleichen Aufbau wie die Spannungsquelle 31 in Fig. 3 hat. In Reihe zwischen die Spannungsquelle 111 sind zwei magnetleitende Dioden 113 und 114 über einen Widerstand 112 geschaltet. Eine dieser Dioden ist mit einem geringen Abstand gegenüber irgendeinem zu messenden Bereich eines aus einem magnetischen Material bestehenden Probekörpers angeordnet, während die andere Diode mit dem gleichen Abstand wie die erste Diode gegenüber demjenigen Bereich des Probekörpers angeordnet ist, der normale physikalische Eigenschaften ohne eineider oben genannten Fehler zeigt.

Ein negativer Impedanzkreis 160, der so aufgebaut ist,wie es im folgenden beschrieben wird, ist bezüglich der magnetleitenden Dioden 113 und 114 vorgesehen. Der negative Impedanzkreis 116 enthält einen Differentialfunktionsverstärker 115, dessen eine Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme 0 über die Diode 113, die gleichzeitig als positives Rückkopplungswiderstandselement dient, verbunden ist und dessen andere Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme 0 des Verstärkers 115 über einen negativen Ruckkopplungswi der stand 110 und ebenfalls mit einer Klemme der Eingangsspannungsquelle 111 über den Drain-Source-Weg eines FeId-

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effekttransistors 124 verbunden ist. Der negative Impedanzkreis 116 enthält weiterhin einen anderen Differentialfunktionsverstärker 120, dessen eine Eingangsklemme über einen Widerstand 11.8 mit der anderen Klemme der Eingangsspannungsquelle 111 verbunden ist und dessen andere Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme des Verstärkers über einen Widerstand 119 und ebenfalls mit der Ausgangsklemme 0 des zuerst genannten Funktionsverstärkers 115 über einen Widerstand 117 in Verbindung steht, sowie ein Tiefpassfilter 123, das durch einen integrierenden Schaltkreis aus einem Widerstand 121 und einem Kondensator 122 gebildet wird und dessen Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme des zweiten Funktionsverstärkers 120 in Verbindung steht und dessen Ausgangsklemme mit der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 124 verbunden ist. Der zweite Funktionsverstärker 120, das Tiefpassfilter 123, der Feldeffektransistor 124 und der Widerstand 110 bilden gemeinsam einen negativen Rückkopplungskreis für den negativen Impedanzkreis 116.

Eine so aufgebaute Messvorrichtung hat den Vorteil, dass mit einer grösseren Genauigkeit als bei der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung jeder der oben genannten abnormen fehlerhaften Bereiche des Probekörpers gemessen werden kann, wobei lediglich die magnetleitenden Dioden 113 und 114 anstelle der Anzahl in Reihe geschalteter magnetleitender Dioden 32a und 33a bei der in Fig. 5 dargestellten Messvorrichtung verwandt sind und die Grenzfrequenzen des Tiefpassfilters 123 vorher geeignet gewählt sind.

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Claims

Patentansprüche

Messvorrichtung mit Abgleich mit einer Brückenschaltung, deren Eingangsklemmen mit den beiden Klemmen einer Spannungsquelle für eine Eingangsvergleichsspannung in Verbindung stehen, die eine Gleich- oder Wechselspannung mit bestimmter Höhe liefert, und die ein Impedanzelement, das in der Nähe eines oder in Berührung mit einem Probekörper aus einem magnetisch oder elektrisch leitenden, wärmeempfindlichen oder deformierbaren Material angeordnet ist und dessen Impedanz sich mit den physikalischen Eigenschaften des zu messenden Probekörpers ändert, und wenigstens drei andere Impedanzelemente aufweist, gekennzeichnet durch einen negativen Impedanzkreis, der aus einem Differentialfunktionsverstärker, dessen Eingangsimpedanz auf einen negativen Wert festgesetzt ist und dessen Eingangsklemmen mit den Ausgangsklemmen der Brückenschaltung in Verbindung stehen, und aus wenigstens einem positiven Rückkopplungskreis besteht, der zwischen die Eingangskiemme und die Ausgangsklemme des Funktionsverstärkers geschaltet ist.
2. Messvorrichtung mit einer Spannungsquelle für eine Eingangsvergleichsspannung, die eine Gleichspannung oder Wechselspannung bestimmter Höhe erzeugt, mit einem Impedanzelement, das parallel zur Eingangsspannungsquelle über ein anderes Impedanzelement geschaltet ist, das in der Nähe eines oder in Berührung mit einem Probekörper aus einem magnetisch oder elektrisch leitenden, wärmeempfindlichen oder deformierbaren Material angeordnet ist und dessen Impedanz sich mit den physikalischen Eigenschaften ,des zu messenden Probekörpers ändert, und mit einem negativen Impedanzkreis, der von einem parallel oder in Reihe zu dem ersten Impedanzelement geschalteten Verstärker und einem positiven und einem negativen Rückkopplungskreis gebildet wird, die beide zwischen

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die Eingangs- und die Ausgangsklemme des Verstärkers geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Rückkopplungskreise,die im negativen Impedanzkreis enthalten sind, aus einem Filter besteht, das so ausgelegt ist, dass es von der Ausgangsseite des Funktionsverstärkers zur Eingangsseite nur eine Signalkomponente rückkoppelt, die repräsentativ für diejenigen Bereiche des Probekörpers ist, die abnorme physikalische Eigenschaften aufweisen, und die einen höheren oder einen niedrigeren Pegel als die anderen Signalkomponenten aufweist.
3· Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Tiefpassfilter ist.
4. Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Hochpassfilter ist.
5. Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Bandpassfilter ist.

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