DE2443562C3 - Oszillographisches Ferrometer - Google Patents
Oszillographisches FerrometerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf technische Einrichtungen für schnellablaufende Messungen an stabförmigen
Probestücken und Erzeugnissen größerer Länge aus ferromagnetischen Werkstoffen, insbesondere auf oszillografische
Ferrometer. S
Die Erfindung kann in Laboratorien der Hüttenindustrie, der elektronischen und Funkindustrie zur Messung
der Parameter der dynamischen Hystereseschleife von Erzeugnissen benutzt werden.
Bei Ferrometern, die für solche Messungen bestimmt sind, ist außer der die Meßgenauigkeit wesentlich
beeinflussenden Magnetfeldhomogenität auch der bequeme Zugang zur Anlegestelle der Feldstärke- und
Magnetisierungsgeber zwecks Kontrolle ihrer Orientierung und zur Vereinigung von magnetischen Messungen
mit anderen Meßverfahren (fotometrischen, konduktometrischen u. a.) von großer Bedeutung.
Bekannt sind Ferrometer, in denen ein homogenes Ummagnetisierungsfeld mit Hilfe eines ellipsenähnlichen
Solenoids mit kleiner Windungszahl erzeugt wird, das in den Stromkreis der eine Windung enthaltenden
Sekundärwicklung eines Abwärtstransformators eingeschaltet ist. Diese Ferrometer enthalten auch einen
Magnetisierungs-Meßkanal mit einer Meß- und einer Stromkompensationsspule, einen Magnetisierungsfeld-Meßkanal
mit einem Feldstärkegeber sowie eine Schaltung zur Messung der Parameter der dynamischen
Hystereseschleife mit einem Oszillografen. Der Abwärtstransformator und das an ihn angeschlossene
ellipsenUhnliche Solenoid mit in konstantem Schritt an der Erzeugenden gewickelten hohlen Windungen bilden
die Magnetisierungseinrichtung des Ferrometers. Die Sekundärwicklung des Abwärtstransformators und die
hohlen Solenoidwindungen haben Durchlaufkühlung (vgl. UdSSR-Erfinderschein Nr. 1 92 937. Kl. 21e, 37/10,
das USA-Patent Nr. 33 58 224 vom Jahre 1967, das DT-Patent 14 66 721 und das französische Patent Nr.
14 56 464).
Dieses bekannte Ferrometer ermöglicht aber keinen Zugang zum mittleren Teil des Prüflings, an dem die
Meßspule angeordnet ist Dieser Mangel wird auch durch bekannte zylindrische Solenoidspulen mit Luftspalten
nicht behoben (vgl. N. W. Studenzow »Aus zwei kurzen gleichachsigen Solenoiden gebildete Spule
zur Erzeugung einer Magnetfeldstärke. Untersuchungen auf dem Gebiet magnetischer Messungen«, Heft 79
[139]. Moskau, 1965). Diese Spulen weisen einen niedrigen Grad der Innenraumausnutzung wegen einer
schnellen Änderung der Magnetfeldkomponenten in den weiter von der Symmetrieachse liegenden Punkten
auf. Bei Messungen an Erzeugnissen aus hartmagnetischen hochlegierten Stahlsorten, z. B. an Schußwaffenläufen.
führt die Erweiterung der Homogenitätszone durch Vergrößerung des Innendurchmessers des Solenoids
zur Erhöhung der spezifischen Energieaufnahme der Einrichtung, die gemäß dem Fabry-Gesetz mit
Vergrößerung des Durchmessers quadratisch ansteigt.
Ein Nachteil bei dem bekannten Ferrometer ist auch die geringe Genauigkeit der Bestimmung der Koerzitivkraft
und der Restmagnetisierung nach dem Oszillogramm der Hystereseschleife, was auf die niedrige
Genauigkeit der Zeigerindikatoren, die als Eichgeräte angewandt werden, am Anfang der Skala bei Bestimmung
der Koerzitivkraft zurückzuführen ist.
Die genaue Kenntnis dieser Parameter ist für die fts
elektromagnetische Defekiometrie von großer Bedeutung, da ihre Änderung mit mechanischen Eigenschaften
von Erzeugnissen wie Harte, Struktur, Dichtemangel
u. a. in gesetzmäßigem Zusammenhang stehen.
Unter anderen Mängeln des bekannten Ferrometers und ähnlicher Geräte ist auf geringe Genauigkeit und
die aufwendige Bestimmung der als Verhältnis kleiner Inkremente
Iß
IH
IH
definierbaren differentiellen Permeabilität hinzuweisen, die für die Defektometrie sowie bei Berechnung und
Entwicklung vieler elektromagnetischer Einrichtungen ein sehr wichtiger Parameter ist. Außerdem sind
elektromagnetische Verluste zu nennen, die bei den bekannten Ferrometern durch Bestimmung der Schleifenfläche
oder mit Hilfe von elektrodynamischen Wattmetern gemessen werden (vgl. z. B. Ferrograph
1003, Institut Dr. Förster, Gerätekatalog, BRD, 1971).
Außer der Notwendigkeit, ein drittes Anzeigeinstrument (neben den H- und /-Eichgeräten) zu verwenden,
gehören zu den Mängeln der letzteren technischen Lösung auch die Meßfehlervergrößerung bei Messungen
an hartmagnetischen Werkstoffen mit einem ausgedehnten Spektrum von Magnetisierungsoberwellen
sowie die Unmöglichkeit, die vom Wattmeter angezeigten Werte in elektronische Ziffernrechenmaschinen
einzugeben, um sie bei zentralisierter Prüfung von technologischen Vorgänge auszuwerten und zu
analysieren.
Nachteilig beim bekannten Ferrometer ist auch das Fehlen einer Möglichkeit, den Ablenkgenerator des
Oszillografen mit den von Magnetisierung und Feldstärke abgeleiteten Signalen zu synchronisieren und die
entsprechenden abgebildeten Koordinatenachsen mit diesen Signalen zu eichen, wobei man gezwungen ist, die
Abbildungsfläche auf den mittleren Schirmteil der Elektronenstrahlröhre zu beschränken und dadurch
größere Fehler beim Ablesen von den zum Protokollieren der Meßergebnisse vom Schirm aufgenommenen
Oszillogrammen zuzulassen.
Bei Messungen an Mustern mit rechteckiger Hystereseschleife, die ein breites Spektrum von Oberwellen der
Magnetisierung und der Induktion aufweisen, tritt ein weiterer Mangel des bekannten Ferrometers zu Tage,
der darin besteht, daß die Windungskapazität der Meßspule und die Streuinduktiviität zur Überlagerung
des Impulses d//df oder dB/dt durch gedämpfte Hochfrequenzschwingungen führen, die sich als Überschwingen
der Impulsvorderflanke und als inverses Überschwingen an der Impulshinterflanke auswirkt. In
den angeführten Ausdrücken bedeutet B die magnetische Induktion im Prüfling und f die Zeit. Das bekannte
Verfahren zur Beschleunigung der Störschwingungsdämpfung durch Einführung von aktiven Elementen in
den Stromkreis ist in diesem Falle ungeeignet, da diese Maßnahme zu Phasenfehlern führen würde, die die
abgebildete Form der Hystereseschleife beeinflussen. Die Benutzung von besonderen Wicklungsformen (wie
Kreuzwicklung, polyfilare Wicklung), bei denen die Windungskapazität kleiner wird, führt zur komplizierten
Herstellung von Meßspulen und zur schlechteren Reproduzierbarkeit von Parametern, ohne einen bedeutenden
Nutzen zu bringen.
Das einzige beachtungswürdige Verfahren zur Herabsetzung von Störschwingungen durch Verringerung
der Windungszahl in der Meßspule auf 10 bis 20 Windungen bringt eine wesentliche Verkleinerung des
Störabstandes, eine Verschlechterung der Empfindlichkeit und strengere Forderungen an elektronische
Verstärker in der Meßschaltung mit sich.
Lin weiterer Mangel des bekannten Fcrrometers bei
Messungen an Werkstoffen mit rechteckiger Hystereseschleife ist der Fehler der Meßspulenkompensation, der
in der Regel über 0,5% der Signalamplitude Uum in der
Spule ohne Prüfling beträgt, wobei die Quellen dieses Fehlers bei sinusförmiger Spannung der Speisequelle
für die Magnetisierungseinrichtung die Oberwellen (hauptsächlich die dritte Harmonisehe) des durch das
Solenoid fließenden Magnetisierungsstromes sind, die durch Nichtlinearität der Hauptmagnetisierungskurve
des Abwärtstransformatorkernes bedingt sind. Die Verringerung des Oberwellenanteils durch Begrenzung
des Arbeitsbereichs der Hauptmagnetisierungskurve, wie dies bei Meßstromwandlern vorgenommen wird,
würde zu einer wesentlichen Vergrößerung der Abmessungen, des Gewichts und der Kosten der
Magnetisierungseinrichtung führen und wäre nicht sinnvoll, da die Oberwellen eines sich praktisch
sinusförmig ändernden Feldes keinen wesentlichen Einfluß auf den Vorgang der Ummagnetisierung von
Prüflingen ausüben.
Das Vorhandensein und die Variationen eines Phasenunterschiedes zwischen der Meß- und der
Kompensationsspulc (etwa 3° bei der ersten Harmonischen und Γ bei der dritten Harmonischen, wobei die
Harmonischen höherer Ordnung bei praktisch sinusförmigem Feld wegen ihrer kleineren Amplituden vernachlässigt
werden können), machen das Dekompensationssignal AUum nach der Amplitude mit der ersten
Harmonischen des Signalspektrums von Prüflingen mit rechteckiger Hystereseschleife vergleichbar. Für ein in
der Spule mit einer Windungszahl ηή=1000 angeordnetes
Streifenmuster aus gehärtetem Elektroblech mit einem Querschnitt von 0,35 χ 5 μπι beträgt beispielsweise
der Mittelwert der aktiven Impulsdauer fa=s44
und das Signal-Slörverhältnis
und das Signal-Slörverhältnis
U1WiUn, _ iu U„ _ 0,22
'IVjOn, = f Tu: ~ "ÖX * "
wobei Un, die Amplitude der ersten Harmonischen und
T=20\isec die Periode des Ummagnetisierungsfeldes
bedeutet.
Die erwähnten Mangel sind miteinander verknüpft, da die Verringerung der Windungszahl in der Meßspule
zwecks Abschwächung der Störschwingungen den Kompensationsfehler wesentlich vergrößert.
Ein Mangel der bekannten Ausbildung besteht auch darin, daß die Phasenkorrektur in den Magnetisierungsund
Feldstärke-Meßkanälen (/- und Η-Kanälen) mit Hilfe eines breitbandigeti Phasenenlzerrers nur nach
der abgebildeten Form der Hystereseschleife eines Prüflings bei technisch erreichbarer Sättigung und mit
einer Genauigkeit von über Γ möglich ist. Bei Messungen an weichmagnetischen Werkstoffen in
schwachen Feldern begrenzt dieser Mangel die Meßgenauigkeit, die Meßgeschwindigkeit und die
Meßergebnis-Gleichheit von oszillografisehcn Ferrometern
und führt bei Messungen an hartmagnetischen s Werkstoffen in starken Feldern wegen schneller
Erwärmung des Prüflings durch Wirbelströme zu einem noch größeren zusätzlichen Fehler und ruft eine
bedeutende Erhöhung der Energieaufnahme besonders bei Messungen an superhartmagnetischen Stoffen bei
ι ο Feldstärken von über 20 kOe hervor.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein oszillografisches Ferrometer zu entwickeln, das es
gestattet, den zu untersuchenden Prüfling in einer Quelle homogenen Magnetfeldes mit Luftzwischenräu-
is men umzumagnetisieren, in denen die Homogenität des
Magnetfeldes den Koeffizienten des Gliedes zweiter Potenz bei Potenzreihenentwicklung der axialen Feldkomponente
nach Potenzen der Axialkoordinate zu Null werden läßt, und das eine höhere Empfindlichkeit
und Meßgenauigkeit bei Messungen an Werkstoffen mit rechteckiger Hystereseschleife durch Abschwächung·
von Störschwingungen in der Meßspule und durch Verringerung des durch nichtlinerare Verzerrungen des
Magnetisierungsstromes bedingten Kompensationsfehlers ergibt, sowie die Messung der Momentanwertc von
/ und H in einem beliebigen Punkt des Ummagnetisierungszyklus
für die Ermittlung der als Quotient der Division des Signals dß/d/ durch d/7/d/ definierten
differentiellen Permeabilität ermöglicht, und das die Möglichkeit gibt, den Vorgang der Messung von
elektromagnetischen Gesamtverlusten mit Ablesung an Digitaleichgeräten zu automatisieren sowie den Koeffizienten
der Oszillografcnschirm-Ausnutzung durch Formierung einer Abbildung von geeichten und mit
Eichmarken versehenen Achsen zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem im oszillografischen Ferrometer mit einer Magnetisierungseinrichtung,
die aus einem Abwärtstransformator mit einer durch eine Windung gebildeten Sekundärwicklung und
einem an diese angeschlossenen ellipsenähnlichen Solenoid mit in konstantem Schritt an der F.rzeugcnden
gewickelten und im Durchlauf gekühlten hohlen Windungen besteht, sowie mit einem Magnetisierungs-Meßkanal,
der eine Meßspule und eine Stromkompcnsationsspule enthält, und mit einem Magnetisicrungsfeld-Meßkanal,
der einen Feldstärkegeber und eine Schaltung zur Messung von Parametern der dynamischen
Hystereseschleife mit einer Elektronenstrahlröhre aufweist, die Magnetisierungseinrichtung erfindungs-
so gemäß mit mindestens zwei gleichartigen ellipsenähnli
eher, und mit Luftzwischenräumen koaxial angeordne
;en Solenoiden versehen wird, deren geometrischf
Abmessungen gegenseitig und mit der Länge de: Luftzwischenraumes durch folgende Beziehung ver
knüpft sind:
*'· = 0,1368 k* 4 0,0822 k2 -I- 0.7168 k + 0.007
-■■•«G.)
/ N 0,6415
k (Ξ 0.1 : 0.9.
in der Ri Radius der Arbeitsöffnung der ellipsenähnli· deutet, 'vobei im Zentrum des i.ufi/wischennuiines ein
chen Solenoidc. .'. die halbe Länge eines ellipsenähnli- (<s McUspulc des Magnctisierungs-Meßkanals angcordni
dien Solenoids, /die Länge des Luft/wischcnraumcs wird, die Kompcnsalionsspule dieses Mcßkanals koaxi;
zwischen ilen ellipsenähnlichen Solenoiden und A den mit den Solenoid liegt und die Sirom/uführungscli
Verengungskoelii/ienicn der Solennideiveugendcn Iu1 · inenle. neldic die gleichsinnig und in Serie geschaltet·1
Solenoide verbinden und einen Teil der aus einer Windung besiehenden Abwärtstransformatorwicklung
bilden, als Koaxial/ylinder ausgeführt werden und an ihren Stirnseiten durch Sammelrohre zur Wasserzuführung
verbunden werden.
Zweckmäßigerweise soll in das Kompensationssystem jeder Meßspule eine zweite mit dem Magnetfluß
der Solenoide verkettete Stromkompensaiionsspule und eine mit dem Magnetfluß des Abwäristransformatorkernes
verkettete Potentiaikompensationsspule eingeführt werden, wobei jede Stromkompensaiionsspule
koaxial mit dem entsprechenden Solenoid in einer Entfernung von V4 der Solenoidlänge von seinem
rechten Ende bei rechtsgängiger Wicklung angeordnet werden und eine Länge unter V12 der Solenoidlänge
haben muß, und eine der Stromspulen gegesinnig und in Reihe mit der Poiientialkompensationsspule über einen
Amplituden- und Phasenentzerrer für die erste Harmonische verbundein werden muß. während die andere
Stromquelle über einen Amplituden- ind Phasenentzerrer für höhere Hannonischen mit der Meßspule des
Magneiisierungs-Meßkanals gegensinnig und in Serie zusammengeschaltei werden muß.
Jede Meßspule des Magneiisierungs-Meßkanals kann in diesem oszillografischen Ferrometer von ihrer
Außenseite mit einem kurzgeschlossenen nichtmagnetischen Schirm aus einem Werkstoff mit großer
elektrischer Leitfähigkeit umgeben sein, wobei das Vehältnis der Schirmlänge zur Meßspulenlänge gleich
oder größer als 1,2 gewählt werden soll.
In dem oszillografischen Ferrometer, das einen Integrator und einen mit diesem in Reihe liegenden
Phasenentzerrer in jedem Meßkanal besitzt sowie Eichgeräte enthält, ist die Schaltung zur Messung von
Parametern der dynamischen Hystereseschleife zweck- .vs
entsprechend mit folgenden Baugruppen und Einheiten auszustatten: einem Auftastwandler, dessen Eingang an
den Ausgang des Phasenentzerrrers im Maignetisierungsfeld-Meßkanal
angeschlossen ist und dessen Ausgänge an der Steuerelektrode der Elektronenstrahlröhre
liegen; einem Strom- und Feldstärkemomcntanwert-Umwandler,
der diese Werte in eine Gleichspannung umwandelt und dessen Eingang an den Ausgängen
der Phasenentzerrer der Magnetisierungs- und Magnetisierungsfeld-Meßkanäle sowie am Ausgang des
Auftastwandlers liegt und dessen Ausgänge an die zur Meßsignalpolarität empfindlichen Eichgeräte geschaltet
sind; einer Baueinheit zur Ausrechnung der differentiel len magnetischen Permeabilität oder Suszeptibilität.
deren Eingänge parallel zum Eingang des Integrators so
des Magnetisierungsfeld-Meßkanals und zum Eingang des Magneiisierungs-Meßkanals sowie zum Ausgang
des Auftastwandlers liegen; einer Baueinheit zur Berechnung von elektromagnetischen Gesamtverlusten,
deren Eingänge mit Eingängen und Ausgängen des -,> Magnetisierungs-Meßkanals und des Magnetisierungsfeld-Meßkanals
verbunden sind; einer Funktionseinheit zur Formierung der Abbildung der mit Maßstabsmarken
geeichten Koordinatenachsen für Magnetisierung und Feldstärke, deren Eingänge mit dem Ausgang des
<*> Phasenentzerrers im Magnetisierungs-Meßkanal und
mit dem Ausgang des Magnetisierungsfeld-Meßkanals verbunden sind und deren Ausgang an Ablenkplatten
der Elektronenstrahlröhre über einen automatischen Schalter angeschlossen ist, dessen Eingang am Ausgang (>s
des Phasenent/.errers des Magneiisierungs· Meßkanals
liegt, wobei die Ausgänge der Baueinheit zur Ausrechnung·
der differentiellen magnetischen Permeabilität oder Suszeptibilität und der Baueinheit zur Berechnung
der elektromagnetischen Gesamtverluste an die entsprechenden Eichgeräte angeschlossen sind.
Von Nutzen ist es auch, dall der Auftastwandler des os/.illografischen Ferronielers einen Sinus-Rechtecksignalwandler
mit Beibehaltung derselben Srhwingungsperiode, eine Triggerschaltung zur Teilung der Rechteckimpulsfolgefrequenz,
einen Univibrator mit regelbarer Verzögerung von Null bis zur Feldpcriodendauer,
einen Univibrator zur Formierung eines rechteckigen Auftastimpulses und einen Inverter-Verstärker enthält,
dessen Ausgang an die Steuerelektrode der Elektroden-Strahlrohre angeschlossen wird.
Vorteilhaft ist es auch, in der Baueinheit zur Ausrechnung der differeintiellen magnetischen Permeabilität
oder Suszeptibilität folgende Funktionsgruppen1 vorzusehen: Aniplitudenmodulatoren für das Magnetisierungsfeld
und die Magnetisierung, Amplitudcndetektoren des Magnetisierungsfeldes und der Magnetisierung,
deren Eingänge an die Ausgänge der entsprechenden Amplitudenmodulatoren angeschlossen werden,
einen mit dem Ausgang des Amplitudendetektors der Magnetisierung verbundenen Schalter, einen mit diesem
Schalter verbundenen Spunnungs-Zeitintervall-Wandler.
eine Triggerschaltung, bei der ein Eingang mit dem Spannungswandler, der andere mit einem Taktimpulsgeneralor
und der Ausgang mit dem Schalter verbunden werden, einen Amplitudenmodulator, dessen Eingänge
an den Ausgang der Triggerschaltung und an den Ausgang des Amplitudendetektors der Magnetisierung
angeschlossen werden und dessen Ausgang über ein Filter mit dem Eingang eines Eichgerätes verbunden
wird.
Die Baueinheit zur Berechnung von elektromagnetischen Gesamtverlusten kann eine Addierschaltung,
einen an diese angeschlossenen Quadrator, eine Sublrakiionseinriehlung und einen an diese geschalteten
Quadrator. eine Subtraktionsschaltung mit den an die Ausgänge der beiden Quadratoren angeschlossenen
Eingänge sowie einen Integrator enthalten, dessen Eingang an die Subtraktionsschaltung und dessen
Ausgang an ein Eichgerät angeschlossen werden.
Die Funktionseinheit zur Formierung der Abbildung der mit Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachsen
kann aus folgenden Baugruppen aufgebaut werden: aus einem mit dem Ausgang des Phasenentzerrers des
Magnetisierungsfeld-Meßkanals verbundenen Maßsiabsmarkengeneraior,
einem Sägezahnspannungsgenerator, aus wenigstens zwei in Reihe geschaheten
Frequenzteilern, wobei der Eingang des ersten Frequenzteilers an den Ausgang des Maßstabsmarkengenerators
und der Ausgang des letzteren Frequenzteilers an den Eingang des Sägezahnspannungsgenerators angeschlossen
werden, aus Vergleichsschaltungen, deren Eingänge an die Ausgänge der Phasenentzerrer und an
den Ausgang des Sägezahnspannungsgenerators angeschlossen
werden, aus einer ersten Gruppe von Koinzidenzschaltungen, bei denen ein Teil von Eingängen
an die Ausgänge der entsprechenden Vcrgleichsschaltungen geschaltet werden, einer Triggerschaltung,
die mit den Steuereingänj;en der Koinzidenzschaltungen
der ersten Gruppe und mit dem letzen Frequenzteiler verbunden wird, aus Schaltern, deren Eingänge an
die Ausgänge der Koinzidenzschaltungen der ersten Gruppe geführt werden und deren Ausgänge am
Ausgang des autoiraiisclien Schalters liegen, einer
/weilen Gruppe von Koin/idcn/schaltungen, wobei die
Lige jeder von diesen Koin/iden/sehallungen mit
der Triggcrschaltung, mil dem Ausgang des Malisiabsmarkcngenerators
und mit dem Ausgang des ersten Frequenzteilers verbunden werden und die Ausgänge
dieser Koinzidenzschaltungcn an den Eingängen des automatischen Sehalters liegen. s
Es erwies sich als vorteilhaft, das oszillografisehe l'errometer mit einer Baueinheit zur Prüfung der
Phasenentzerrung auszustatten, die einen zweipoligen Schalter und einen Mischer für Dreieck- und Maßstabsmarkenimpulse
enthält, dessen Eingänge an den Ausgang des Maßstabsmarkengenerators und an eine
beliebige Zahl von Teilern in der Funktionseinheit zur Formierung der Abbildung der mit Maßstabsmarken
geeichten Koordinatenachsen angeschlossen werden und dessen Ausgang über Kontakte des zweipoligen is
Schalters abwechselnd mit den Phasenentzerrern der Magnetisierungs- und Magnetisierungsfeld-Meßkanäle
verbunden wird, wobei die synchron umschaltbaren Kontakte des zweipoligen Schalters die Eingänge der
Integratoren mit der Triggerschallung der Funktionseinheit zur Formierung der Abbildung der mit
Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachsen verbinden, und zwar beim Anschluß des Phasenentzerrers des
Magnetisierungsfeld-Meßkanals an den Mischerausgang mit der Triggerschaltung der Eingang des
Integrators des Magnetisierungs-Meßkanals verbunden wird und beim Anschluß des Phasenentzerrers des
Magnetisierungs-Meßkanals an den Mischcrausgang die Triggerschallung an den Eingang des Integrators
des Magnetisierungsfeld-Meßkanals geschaltet wird. ^o
Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
F i g. 1 Prinzipschaltbild des erfindungsgemäß ausgeführten os/illografischen Ferrometers, ^
F i g. 2 Blockschaltbild der erfindungsgema'ßen Baueinheit
zur Prüfung der Phasenentzerrung,
F i g. J grafisch dargestellte Verteilung der Axialkomponente
des Magnetisierungsfeldes in den ellipsenähnlichen Solenoiden,
Fig.4 grafische Darstellung der Verteilung der Axialkomponente und der Radialkomponenten des
Magnetfeldes im ellipsenähnlichen Solenoid entlang seiner Längsachse.
Das oszillografische Ferrometer besteht gemäß der
Erfindung aus einer Magnetisierungseinrichtung, den Magnetisierungs- und Magnetisierungsfeld-Meßkanälen
und einer Schaltung zur Messung von Parametern der dynamischen Hystereseschleife.
Die Magnetisierungseinrichtung des Ferrometers besteht aus mehreren gleichartigen einlagig bewickelten
ellipsenähnlichen Solenoiden 1 und 2 (Fig. 1), die mit einem Rohrleiter im konstantem Schritt der
Windungen 3 an der Erzeugenden 4 gewickelt sind und in Reihe mit einer aus einer Windung bestehenden
Sekundärwicklung 5 eines Abwärtstransformators 6 liegen. Die ellipsenähnlichen Solenoide 1 und 2 sind
gleichachsig angeordnet, wobei zwischen ihren Stirnseiten ein Luf !Zwischenraum vorgesehen ist.
In F i g. 1 sind zur Vereinfachung der Darstellung zwei Solenoide gezeigt, ihre Anzahl kann aber
uneingeschränkt vergrößert werden und hängt ab von der Länge des Prüflings 7, der im Innenrauin der
Solenoide 1 und 2 angeordnet wird.
Die ellipsenähnlichen Solenoide 1 und 2 sind so gewickelt, daß ihre geometrische Abmessungen gegenseitig
und mit der Länge des Luftzwischenraumes zwischen diesen Solenoiden durch folgende Beziehung
verknüpft sind:
l- = -0,1368 k3 H O.OK22 Ic f 0,7168 k f 0,007
k = 1,108
/ \ 0,6415
I lierbei bedeutet Ri. den Radius der Arbeitsoffnung in
den ellipsenähnliehen Solenoiden 1 und 2, L die halbe Länge eines ellipsenähnlichen Solenoids (1 oder 2), /die
Länge des Luf !Zwischenraumes zwischen den ellipsenähnlichen Solenoiden I und 2, k den Vcrengungskoeffi-/ienten
der F.rzeugenden 4 eines Solenoids(I oder 2).
Ein Hinleiter 8 und ein Rückleiier 9, welche die <;o
Solenoide 1 und 2 gleichsinnig in Reihe verbinden und einen Teil der aus einer Windung bestehenden
Sekundärwicklung 5 darstellen, sind als hohle Koaxial-/ylinder
ausgeführt und an den Stirnseiten durch Sammelrohre 10 und Il zur Wasserzuführung verbun- ss
den. Dabei ist der Rücklciter 9 im Inneren des 1 linleiiers
8 angeordnet. Die Windungen 3 der Solenoide I und 2, die Sekundärwicklung 5 und die Koaxial/ylinder werden
durch fließendes Wassergekühlt.
Im 1 .ufl/wischenraurn zwischen den Solenoiden I und (*>
2 ist koaxial mit dem Prüfling 7 ein als MeUspulc 12
ausgeführter Magneiisieriingsgeber eingebaut, der
gegen* innig und in Reihe mit einem Kompensationssystem verbunden ist, wobei das letztere eine Poieniialkompensjtionsspule
11, Stromkompensationsspulen 14
<>s und 15, Amplituden- und Phasenent/crrer lh und 17
sowie einen Stimulator 18 enthüll.
Die !'oicniKilkompcnsationsspulc Π ist an dem
gleichen Kern 19 angeordnet, au dem auch die Leistungswicklung 20 des Transformators 6 liegt, und ist
mit dem Amplituden- und Phasersentzerrer 16 für die erste Harmonische verbunden.
Die .Stromkompensationsspulen 14 und 15 sind mit dem Magnetfluß der Solenoide verkettet und weisen
gleiche Konstantwerie ivsauf. Jede von diesen Spulen 14
und 15 ist koaxial mit dem Solenoid I bzw. 2 in einer
Entfernung von '/4 der Solenoidlänge vom rechten
Solenoidende bei rechtsgängiger Wicklung eingebaut und hat eine länge unter '/^ der Solenoidachscnlänge.
Die Siromkompensationsspule 14 ist mil der Potenlia!kompcnsationsspule
13 gegensinnig und in Reihe über den Amplituden- und Phasenentzerrer 16 für die erste Harmonische zusammengeschaliet, und die
Stromkompensationsspule 15 ist mit der Meßspulc 12 gegensinnig und in Reihe über den Amplituden- und
Phasenentzerrcr 17 für höhere Oberwellen verbunden.
Der Ausgang des Amplituden- und Phasenentzerrers 16 ist über einen Phasenentzerrer 21 an den
eingangsseitigen Widerstand 22 des Summators 18 angeschlossen, in dessen Rückkopplungszweig ein
Widerstand 23 liegt. An einen anderen eingangsseitigen Widerstand 24 des Summators 13 ist die Meßspulc 12
angeschaltet.
43T62
Der Magnetisieruhgs-Meßkanal des Ferrometers
enthält die Meßspule 12, die sich im Luftzwischenraum
zwischen den Solenoiden 1 und 2 befindet, einen Integrator 25, an dessen eingangsseitigem Widerstand
26 über den Summator 18 die Meßspule 12 liegt, und einen Phasenentzerrer 27, der an den Ausgang des
Integrators 25 angeschlossen ist. Der Ausgang des Phasenentzerrers 27 dient als Ausgang des Magnelisierungs-Meßkanals.
Der Magnetisierungsfeld-Meßkanal enthält einen Magnetisierungsfeldgeber, der als eine Toroidspule 28
an einem nichtmagnetischen Kern 29 ausgeführt ist und koaxial zur Sekundärwicklung 5 liegt.
Zum Magnetisierungsfeld-Meßkanal gehört auch ein Integrator 30, an dessen eingangseitigem Widerstand 31
die Spule 28 liegt und dessen Ausgang an den Phasenentzerrer 32 angeschlossen ist. Der Ausgang des
letzteren dient als Ausgang des Magnetisierungsfeld-Meßkanals.
Um eine vollständige Dämpfung der Störschwingungen ohne Impulsformverzerrung und ohne Vergrößerung
der Magnetisierungsgeber-Empfindlichkeit zu gewährleisten, wird um die Außenseite der Meßspule 12
dieses Gebers ein kurzgeschlossener Schirm 33 aus nichtmagnetischem Werkstoff mit großer elektrischer
Leitfähigkeit gelegt. Das Verhältnis der Schirmlänge /ι zur Länge h der Meßspule 12 wird gleich oder größer als
1.2 gewählt.
Gemäß der Erfindung enthält die Schaltung zur Messung von Parametern der dynamischen Hystereseschleife
einen Auftastwandler 34, dessen Eingang am Ausgang des Phasenentzerrers 32 des Magnetisierungsfeld-Meßkanals
liegt und dessen Ausgang mit Hilfe eines Leiters 35 an die Steuerelektrode 36 einer
Elektronenstrahlröhre 37 angeschlossen ist. An den Ausgang des Auftastwandlers 34 ist ein Umwandler 38
von Strom und Feldstärke in eine Gleichspannung geschaltet, dessen Ausgänge mit Leitern 39 und 40 an
die zur Polarität des Meßsignals empfindlichen Eichgeräte 41 und 42 angeschlossen sind.
Zur Schaltung für die Messung von Parametern gehören außerdem eine Baueinheit 43 zur Ausrechnung
der differentiellen magnetischen Permeabilität oder Suszeptibilität, deren Eingänge parallel zu den Eingängen
der Integratoren 25 und 30 der Meßkanäle liegen und deren Ausgang mit Hilfe eines Leiters 44 mit dem
Eichgerät 41 verbunden ist, sowie eine Baueinheit 45 zur Berechnung von elektromagnetischen Gesamtverlustcn,
deren Eingänge mit den Eingängen und Ausgängen der Meßkanäle verbunden sind und deren Ausgang
mittels eines Leiters 46 an das Eichgerät 41 angeschlossen ist.
Die Schaltung zur Messung von Parametern enthält auch eine Funktionseinheit 47 zur Formierung der
Abbildung der mit Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachse für Magnetisierung und Feldstärke. Die
Hingänge dieser Funktionseinheit 47 sind mit den Ausgängen der Meßkanäle verbunden, während der
Ausgang der genannten Einheit mit den Ablenkplatten 48 der Elektronenstrahlröhre 37 über einen automatischen
Schalter 49 in Verbindung steht. Die Eingänge des automatischen Schalters 49 haben auch mit den
Ausgängen der Phasenentzerrer 27 und 32 Verbindung.
Der Auftastwandler 34 besteht aus einer Reihenschaltung eines Sinus-Rechtccksignalwandlers 50, bei dem
die Schwingungsperiode des sinusförmigen Signals beibehalten wird, einer Triggerschaltung 51 zum
Halbieren der Folgefrequenz der Rechteckimpuise, eines Univibrators 52 mit einer von Null bis zur
Feldperiodendauer T regelbarer Verzögerung, der mit einem anderen Univibrator 53 zur Formierung eines
rechteckigen Auftastimpulses verbunden ist, welcher
über einen Inverter-Verstärker 54 der Steuerelektrode
36 der Elektronenstrahlröhre 37 zugeführt wird.
Zum Umwandler 38 gehören AmpliJudenmodulatoren 55 und 56 für die Meßkanäle der Magnetisierung
und des Magnetisierungsfeldes. Die Amplitudenmodula-
loren 55 und 56 sind an den Verstärker 54 angeschlossen
und werden von den Ausgangs-Auftastimpulsen dieses Verstärkers 54 gesteuert. An den Ausgängen der
Modulatoren 55 und 56 liegen Amplitudendetektoren 57 und 58, die mit den entsprechenden in Maßstabseinheiten
der Magnetisierung und des Magnetisierungsfeldes geeichten Eichgeräten 41 und 42 verbunden sind.
Die Baueinheit 43 zur Ausrechnung der differentiellen magnetischen Permeabilität oder Suszeptibilität enthält
Amplitudenmodulatoren 59 und 60. die den Magnetisie-
rungs- und ' lagnetisierungsfeld-Meßkanälen zugeordnet
sind und vom Auftastimpuls vom Ausgang des Verstärkers 54 gesteuert werden.
Die Ausgänge der Modulatoren 59 und 60 sind mit den Eingängen der Amplitudendetektoren 61 und 62 der
erwähnten Meßkanäle verbunden. Der Amplitudendetektor 61 hat mit einem Schalter 63 Verbindung, dessen
Ausgang an einen Spannungs-Zeitintervallwandler 64 angeschlossen ist. Der Ausgang des Wandlers 64 ist mit
einem Eingang der Triggerschaltung 65 verbunden,
jo deren zweiter Eingang an einen Taktimpulsgenerator 66
geschaltet ist, wobei der Ausgang der Triggerschaltung 65 mit den Steuereingängen des Schalters 63 und mit
dem Eingang eines Amplitudenmodulators 67 verbunden ist, dessen anderer Eingang an den Ausgang des
Amplitudendetektors62 angeschlossen ist.
• Der Ausgang des Amplitudenmodulators 67 ist über ein Filter 68 mit dem Eichgerät 41 verbunden, bei dem
eine Skala in den Maßstabseinheiten der Permeabilität μ, geeicht ist.
Die Baueinheit 45 enthält eine Addierschaltung 69 mit einem Quadrator 70 an ihrem Ausgang und eine
Subtraktionseinrichtung 71 mit einem Quadrator 72 am Ausgang, die mit den Eingängen einer Subtraktionsschaltung 73 verbunden sind, deren Ausgang an einen
Integrator 74 angeschlossen ist, während der Ausgang des letzteren an den Eingang des Eichgeräts 41
geschaltet ist, das in den Maßstabseinheiten der Gesamtverluste geeicht ist.
Die Funktionseinheit 47 zur Formierung der Abbiiso dung der mit Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachsen
für Magnetisierung und Feldstärke enthält erfindungsgemäß einen Maßstabsmarkengenerator 75
dessen Eingang mit dem Ausgang des zum Magnetisierungsfeld-Meßkanal gehörenden Phasenentzerrers 32
verbunden ist. Zur Funktionseinheit 47 gehören auch ein Sägezahnspannungsgenerator 76 und zwei in Reihe
geschaltete Dezimal-Frequenzteiler 77 und 78. Die Anzahl von Frequenzteilern kann vergrößert werden
und hängt vom erforderlichen Maßstab der Koordinatenachsen und von der gewünschten Genauigkeit der
Parametermessung ab.
Der Eingang des ersten Teilers 77 ist an den Ausgang des Maßstabsmarkengenerators 75 angeschlossen, und
der Ausgang des zweiten Teilers 78 ist mit dem Eingang
f'5 des Sägezahnspannungsgenerators 76 verbunden.
Die Funktionseinheit 47 umfaßt außerdem Ver gleichsschaltungen 79 und 80, deren Eingänge an die
Ausgänge der Phascnentzerrcr 27 bzw. 32 und an der
4 43 5612
Ausgang des Sägezahnspannungsgenerators 76 angeschlossen
sind, sowie die er-.te Gruppe von Koinzidenzschaltungen
81 und 82, Schalter 83 und 84 und die zweite Gruppe von Koinzidenzschaltungen 85 und 86.
Der Eingang der Koinzidenzschaltung 81 ist an den Ausgang der Vergleichsschaltung 79, der Eingang der
Koinzidenzschaltung 82 an den Ausgang der Vergleichsschaltung 80 und die Steuereingänge 87 und 88
der Koinzidenzschaltungen 81 und 82 an eine Triggerschaltung 89 angeschlossen, die ihrerseits mit dem id
Ausgang des zweiten Teilers 78 Verbindung hat Die Ausgänge der Koinzidenzschaltungen 81 und 82 liegen
an den Eingängen der Schalter 83 bzw. 84, deren Ausgänge an den automatischen Schalter 49 angeschlossen
sind. ,5
Die Eingänge der Koinzidenzschaltung 85 und 86 der zweiten Gruppe sind mit der Triggerschaltung 89, mit
dem Ausgang des Maßstabsmarkengenerators 75 sowie mit dem Ausgang des ersten Frequenzteilers 77
verbunden, während die Ausgänge dieser Schaltungen 85 und 86 an die Eingänge des automatischen Schalters
49 angeschlossen sind. Die Ausgänge des automatischen Schalters 49 sind an die Ablenkplatten 48 der
Elektronenstrahlröhre 37 geschaltet.
In Fig.2 ist die Baueinheit zur Prüfung der
Phasenentzerrung gezeigt, zu der zweipolige Schalter 90 und 91 sowie ein Mischer 92 für Dreieck- und
Maßstabsmarkenimpulse gehören.
Die Eingänge des Mischers 92 liegen am Ausgang des
Maßstabsmarkengenerators 75 und an einer beliebigen Zahll von Teilern 77 und 78. In der in Betracht
kommenden AusführungsvariavUe ist der Mischer 92 an
den Teiler 77 angeschlossen. Der Ausgang des Mischers 92 wird über Kontakte 93 des Schalters 91 an den
Phasenentzerrer 32 des Magnetisierungsfeld-Meßkanals und über Kontakte 94 des Schalters 91 an den
Phasenentzerrer 27 des Magnetisierungs-Mcßkanals
geschaltet Dabei verbindet der synchron mit dem Schalter 91 betriebene Schalter 90 mit seinen synchron
umschaltbaren Kontakten 95 die Eingänge des Integrators 25 mit der Triggerschaltung 89, wenn der Mischer
92 an den Phasenentzerrer 32 angeschlossen ist, und schaltet mit seinen synchron umschaitbaren Kontakten
% die Eingänge des Integrators 30 an die Triggerschaltung 89 an, wenn der Mischer 92 mit dem Phasenentzerrer
27 verbunden ist
Ober Kontakte des Schalters 90 ist an den Eingang des Integrators 30 des Magnetisierungsfeld-Meßkanals
die Toroidspule 28 des Feldstärkegebers 28 angeschlossen.
Das oszillografische Ferrometer funktioniert folgenderweise.
Die Axialkomponente des magnetischen Feldes ist im Mittelpunkt des l.uftzwischenraumes zwischen den
Solenoiden 1 und 2 durch folgende Beziehung gegeben:
(2 ; + 1/2)
Hx =2 | J. | J" | sin2 | V | ) |
Hierbei bedeutet | ft | ||||
P1' (cos r)
js die Dichte der Amperewindungen an der
Erzeugenden 4,
ψ Richtungswinkel des Elementarkreises,
P Legendre-Polynome,
ρο Radiusvektor des Elementarkreises.
P Legendre-Polynome,
ρο Radiusvektor des Elementarkreises.
G = G(O) + G"(0) i-; + Glv(0) ^- +
40
Die Funktion G stellt eine Kombination von höheren transzedenten und Elementarfuinktionen dar und läßt
sich nicht in ihrer endgültigen Form ausdrücken.
Durch Maclaurin-Reihenentwicklung der Funktion G nach Potenzen der Axialkomponente X und durch
Zuhilfenahme einer Rechenmaschine wurden die angeführten Beziehungen der Werte von k, Ru L, I
ermittelt, bei denen der Koeffizient des Reihengliedes X1 in der Reihe
55
zu Null wird.
F i g. 3 zeigt die Verteilung der axialen Feldkomponente in den beschriebenen ellipsenähnlichen Solenoiden
(ausgezogene Kurven 97) und in den bekannten Solenoiden (gestrichelte Kurven 98), welcher die Wahl
von Werten zugrunde liegt, die dem vorgegebenen Feldverlauf entsprechen. Aus den angeführten Kurven
ist ersichtlich, daß iii den beschriebenen Sülenöiden πΐίΐ
dem erwähnten Verhältnis von geometrischen Abmessungen eine wesentliche Vergrößerung der Feldstärke
und der Feldhomogenität erreicht wird.
Somit ist das Feld in den Luftzwischenräumen gleich stark wie das Feld im Mittelpunkt der Solenoide, und die
= [1*J.G
Feldkomponenten auf dem Niveau Rl weisen praktisch
keine Unterschiede gegenüber den Feldkomponenten an der Symmetrieachse auf, wie dies für ellipsenähnliche
Solenoide kennzeichnend ist.
Fig.4 zeigt ein Beispiel für die Verteilung der Aicialkomponente [Ux(X)ZUJlO)] und der Radialkomponenten
des magnetischen Feldes [Uy(x) und UJxJ\
entlang der Längsachse des ellipsenähnlichen Solenoids. Aus dieser grafischen Darstellung kann man ersehen,
daß die Radialkomponenten ein deutlich erkennbares Minimum im Punkt Jr= 60 (bei rechtsgängiger Wicklung)
im Bereich mit einer Länge von '/2 der Solenoidlänge aufweisen. Diesen besonderen Bereich kann man
zweckentsprechend für die Anordnung der Stromkompensationsspulen benutzen.
Bei Messungen an einem Prüfling 7, der besonders eine rechteckige Hystereseschleife ergibt und ein
breites Spektrum von höheren Magnetisierungsoberwellen aufweist, entstehen in einem durch die Windungskapazität
der Meßspule 12 und die Streuinduktivität gebildeten parasitären Resonanzkreis gedämpfte
hochfrequente Störschwingungen, die zur Verzerrung der Abbildung der Hystereseschleife führen. Det
kurzgeschlossene Schirm 33 vermindert die Resonanzkreisgüte infolge der in ihm induzierten Wirbelströme
und unterdrückt den Schwingungsvorgang. Bei einem Verhältnis der Schirmlänge zur Länge des Meßspule 12
von Im1I0-],2 werdan die Störschwingungcn in einsrr
breiten Frequenzbereich unterdrückt und die Signalform (AoS Jtwio-S) dl/dt wird nicht entstellt. Dies gibt die
Möglichkeit, den Konstantwert ws des Magnetisierungsgebers
um mehr als zwei Ordnungen zu vergrö Bern.
Von der EMK der Meßspule 12
i) = Eimw sin(<-.r + 7 D +
i) = Eimw sin(<-.r + 7 D +
118
wird bei Vernachlässigung von Oberwellen höherer Ordnung die in Phase und Amplitude der ersten
Oberwelle entzerrte EMK der Stromkompensationsspule 15 abgezogen:
E12(^i) - E15M) = £3mi5(3
<»t + 7 3I5)
Von der EMK E13 (ωΐ) der Potentialkompensationsspule
13, die bei sinusförmiger Spannung vernachlässigbar kleine Oberwellen ergibt, wird das nach Amplitude und
Phase der ersten Oberwelle entzerrte Signal der zweiten Stromkompensationsspule 14 subtrahiert:
= E3
iJ_
i
<l3
,y
wobei man das nach der Phase der dritten Oberwelle entzerrte Signal und φ3ΐ3_Η=φ3ΐ6 erhält. Das vom
Phasenentzerrer 21 gelieferte Signal
2i)
wird mit dem Differenzsignal
Eaiwt) - Ew(I-It) = £3ra|(isin(3<.»t + ,, 3)
summiert, das dem Summator 18 gegenphasig zugeführt wird, bei dem die Widerstände 22 und 24 entsprechend
R\ und /?2 gewählt sind, wobei man erhält
und das Signal am Ausgang des Summators 18 beim Fehlen des Prüflings 7 in der Spule gleich O ist, während
es bei eingeführten Prüfling 7 Ej8=ZCWIj Sodl/dt mit
einem konstanten Koeffizienten K wird.
Da die Stromkompensationsspulen 14 und 15 in einem Abstand von V4 der Solenoidlänge vom rechten
Solenoidende bei rechtsgängiger Wicklung angeordnet werden, wo sich nach Fig.4 ein Minimum der radialen
Feldkomponenten Hyund Vergibt, werden wesentlich
mildere Forderungen an die Genauigkeit der koaxialen Orientierung der Spulen 14 und 15 in bezug auf die
Solenoide 1 und 2 gestellt.
Das Signa! des Feldstärkegebers gelangt nach seiner Integration und Phasenentzerrung zum Wandler 50. Die
am Ausgang des letzteren entstehenden Rechteckimpulse lösen die Triggerschaltung 51 und darauf den
Univibrator 52 aus, dessen Rechteckimpulse mit vorgegebener Dauer mit ihrer Hinterflanke den
Univibrator 53 ansteuern. Am Ausgang des Univibrators 53 werden rechteckige Auftastimpulse formiert,
deren Dauer viel kleiner als die Feldperiodendauer ist.
Der an der Steuerelektrode 36 der Elektronenstrahlröhre 37 erscheinende Auftastimpuls bezeichnet mit
einer hellen Marke den Meßpunkt an der Hystereseschleife, die auf dem Schirm 97 der Elektronenstrahlröhre
37 bei Anlegung der Signale I(t) und H(t) von den Ausgängen der Integratoren 25 bzw. 30 an die
Ablenkplatten 48 der Rohre 37 über den automatischen Schalter 49 abgebildet wird. Dabei werden die
Parameter / und H in dem durch die Heiligkeilsmarke bezeichneten Punkt der Schleife an den Eichgeräten 41
und 42 abgelesen. Um diese Ablesung zu ermöglichen werden die Signale l(t) und H(t) den durch den
erwähnten Auftastimpuls angesteuerten Modulatoren
55 und 56 zugeführt und von den Detektoren 57 und 58 demoduliert, worauf sie von den Ausgängen der
Detektoren 57 und 58 über die Leiter 39 und 40 auf die Eichgeräte 41 und 42 gegeben werden.
Gleichzeitig werden die Signale d77d/ oder dB/dt vom Feldstärkegeber und von der Meßspule 12 den
Eingängen der durch denselben Auftastimpuls angesteuerten Amplitudenmodulatoren 59 und 60 zugeführt
und von den Detektoren 61 und 62! demoduliert.
Die differentielle magnetische Permeabilität fd oder
Suszeptibilität stellt ein Verhältnis d//df dar, und zur Bestimmung von /</ werden die den Größen d//df und
dW/df entsprechenden Spannungen in der Baueinheit 43
geteilt:
U(dJ/dt)_dJ ._
U(dH/at) dtt U'
Zu diesem Zweck ruft der Taktiniipulsgenerator 66, der
die Recheckimpulse mit einer Periode T liefert, den Kippvorgang in der Triggerschaliiung 65 hervor, die den
Schalter 63 und den Amplitudenmodulator 67 auftastet. Zum Wandler 64 gelangt ein Sijjnal vom Detektor 61
des Magnetisierungs-Meßkanals, das von diesem Wandler 64 in ein Zeitintervall f«= l/U(dH/dt) umgewandelt
wird. Am Ende dieses Zeitintervall erzeugt der Wandler 64 einen kurzen Impuls, der die Triggerschaltung
65 in den Anfangszustancl bringt, bei dem der
Schalter 63 und der Amplituden modulator 67 gesperrt sind. Weiterhin wiederholt sich der Zyklus der
Teilungsvorgänge. Am Ausgang des Amplitudenmodulators 67 weist die Impulsfolge mit der Dauer rHund mit
der Periode T die Amplitude t/(d//dr) auf, deren
Mittelwert bekanntlich wie folgt ermittelt wird:
Um = U(dJ/di\t„ · ψ
U (d.l/dt)
Um = Kn
U(dH/dt)
dJ
Um = K1, j-g = μΛ
wobei Κμ der Maßstabskoeffizient ist. Vom Filter 68
gelangt das Signal zum Eichger ät 41.
Zur Gewährleistung einer genauen Messung der remanenten Magnetisierung /r oder Br schaltet der
automatische Schalter 49 über eine Periode der Magnetisierungsfeldfrequenz periodisch die Phase des
Signals Hum, und infolgedessen werden auf dem Schirm 97 der Elektronenstrahlröhre 37 die Hystereseschleife
und ihr Spiegelbild in bezug auf die Achse / zusammen abgebildet. Die Helligkeitsmarke wird in den Kreuzungspunkten
der Zweige dieser Schleifen fixiert, und /, wird am Eichgerät 41 abgelesen. Gleichzeitig wird der
Entmagnetisierungszustand der Prüflinge nach der Symmetrie bezüglich der Achse H der differentielleri
Suszeptibilität in den zentrisch-symmetrischen Punkten der Schleife geprüft.
Für die Ermittlung von Gesamtverlusten werden die Signale d//dr oder dB/dt auf die Eingänge der
Subtraktionseinrichtung 71 und der Addierschaltung 6ί
der Baueinheit 45 gegeben, in der am Ausgang dei Subtraktionsschaltung 73die Verknüpfung
realisiert wird, wobei am Ausgang des integrators 74 eir
Signal
i^=4j;w
erscheint. Hierbei bedeutet k den Maßstabskoeffizienten der Verluste.
Mit Hilfe der Baueinheit 45 zur Berechnung von Verlusten wird das Ferrometer zum Mustergerät für die
Messung von Gesamtverlusten PrE bei Sättigungsmagnetisierung
Im gemacht, wenn ein konstantes Ablesungsniveau
der Verluste am Eichgerät 41 erreicht wird.
Die Helligkeitsmarke wird dabei auf die Spitze der Schleife verschoben, und das Eichgerät 41 wird mit der
Größe Im geeicht
Zwecks unmittelbarer Protokollierung von Messungen an Prüflingen durch Wiedergabe der Hystereseschleifen-Abbildung
und für die Minderung der Ablesungsfehler infolge der durch die Elektronenstrahlröhre
37 bedingten nichtlinearen Verzerrungen und somit für die Vergrößerung des Ausnutzungsfaktors des Schirmes
97 ist in das Ferrometer die Funktionseinheit 47 zur Formierung der mit Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachsen
für Magnetisierung und Feldstärke eingeführt, die folgenderweise funktioniert.
Der Maßstabsmarkengenerator 75, der synchron mit dem von der Magnetisierung H abgeleiteten Signal
arbeitet, wobei die Frequenz des letzteren zweimal z. B. im Verhältnis 1:10 durch die Teiler 77 und 78 geteilt
wird, gibt die Dauer der Sägezahnimpulse des Generators 76 vor.
Die Amplitude der vom Generator 76 gelieferten Sägezahnspannung wird bis auf die Werte der
Signalamplituden Hn, und /m durch die Vergleichsschaltungen
79 und 80 begrenzt, deren ausgangsseitige Signale über eine Periode die Schalter 83 und 84 mit
Hilfe der Koinzidenzschaltungen 81 und 82 öffnen, auf deren zweite Eingänge die Taktimpulse von der
Triggerschaltung 89 gegeben werden, die ihrerseits durch Signale vom Teiler 78 gesteuert wird. Die von den
Schaltern 83 und 84 gelieferten Sägezahnsignale mit den Amplituden Hn, und lm gelangen zum automatischen
Schalter 49, der über eine Periode des Magnetisierungsfeldes diese Signale zu den Ablenkplatten abwechselnd
mit der Zuführung von Signalen H(t) und I(t) weiterleitet.
Durch Mischung der vom Generator 75 erzeugten Maßstabsmarkenimpulse und der Impulse vom Teiler 77
ergeben sich Impulse der Maßstabsskala, die mit Hilfe
der Koinzidenzschaltungen 85 und 85 während der Pausen zwischen dem Sägezahnspannungsdurchgang
den Ablenkplatten 48 zugeführt werden. Dadurch wird die gleichmäßige Helligkeit von Abbildungen der
Schleife, der Achsen und der Dezimalmarken erreicht.
Die Baueinheit zur Prüfung der Phasenentzerrung, zu der z. B. mechanische Kontaktschalter 90 und 91 sowie
der Mischer 92 gehören, funktioniert folgenderweise. Bei der Durchführung der Prüfung schalten die in F i g. 2
mit gestrichelter Linie verbundenen Synchronkontakte des Schalters 90 den entsprechenden Meßkanal vom I-
bzw. Η-Geber ab und schließen den Ausgang der Triggerschaltung 89 an den Eingang des Integrators 30
bzw. 25 und den Ausgang des Dezimalmarkenmischers 92 an den Ausgang des anderen Meßkanais an.
Die Vorderflanke und die Hinterflanke der am Ausgang des Integrators 30 (25) erscheinenden Dreieckimpulses,
der durch Integrierung des dem Eingang dieses Integrators zugeführten Rechteckimpulses erzeugt
wurde, bilden auf dem Schirm 97 eine durch Deckung entstandene Linie, auf der die Dezimalmarken
beim Fehlen von Phasenverzerrungeii im Meßkanal zusammenfallen.
Außer einer Erhöhung der Genauigkeit und der Schnellwirkung ermöglicht dieser Aufbau im Vergleich
mit dem bekannten Ferrometer auch eine kontinuierliche Prüfung der Phasenentzerrung durch Überlagerung
mittels eines Schalters der Hystereseschleife eines Prüflings durch Markierungsflanken der Prüfimpulse
auf dem Bildschirm der Elektronenstrahlröhre.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Oszillograflsches Ferrometer mit einer Magnetisierungseinrichtung,
die aus einem Abwärtstransformator mit einer durch eine Windung gebildeten
Sekundärwicklung in Form eines hohlen elektrischen Leiters und einem an diese angeschlossenen
ellipsenähnlichen Solenoid mit in konstantem Schritt an der Erzeugenden gewickelten und im Durchlauf
gekühlten hohlen Windungen besteht, sowie mit einem Magnetisierungs-Meßkanal, der eine Meßspule
und eine Strorrkompensationsspule enthält, und mit einem Magnetisierungsfeld-Meßkanal, der
einen Feldstärkegeber und eine Schaltung zur Messung von Parametern der dynamischen Hystereseschleife
eines Prüflings mit einer Elektronenstrahlröhre aufweist, dadurch !gekennzeichnet,
daß die Magnetisierungseinrichtung mindestens mit zwei gleichartigen ellipsenähnlichen koaxial und mit
Luftzwischenräumen angeordneten Solenoiden (t und 2) versehen ist, deren geometrische Abmessungen
gegenseitig und mit der Länge des Luftzwischenraumes durch folgende: Beziehung verknüpft
sind:
^- = -0,1368 fc3 + 0,0822 fc2 + 0,7168 ic + 0,007
k = 1,108 (I)0'
kG0,l +0,9
in der Rl Radius der Arbeitsöffnung der ellipsenähnliehen
Solenoide (1 und 2), L die halbe Länge eines ellipsenähnlichen Solenoids (1 oder 2), I die Länge
des Luftzwischenraumes zwischen den ellipsenähnlichen Solenoiden (1 und 2) und k den Verengungskoeffizienten
der Erzeugenden des Solenoids (I und 2) bedeutet, wobei im Zentrum des Luftzwischenraumes
eine Meßspule (12) des Magnetisierungs-Meßkanals angeordnet ist, die Stromkompensationsspule
(14) dieses Meßkanals koaxial mit dem Solenoid (I oder 2) liegt ein Hin- und ein Rückleiter (8 und 9),
welche die gleichsinnig und in Serie geschalteten Solenoide (1 und 2) verbinden und einen Teil der aus
einer Windung bestehenden Sekundärwicklung (5) des Abwärtstransformators (6) bilden, als hohle
Zylinder ausgeführt sind und an ihren Stirnseiten durch Sammelrohre (10 und U) verbunden sind,
wobei der Rückleiter (9) im Inneren des Hinleiters (8) und koaxial mit diesem angeordnet ist.
2. Oszillografisches Ferrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das (Compensationssystem
jeder Meßspule (12) eine zweite mit dem Magnetfluß der Solenoide (1 und 2) verkettete
Stromkompensationsspulo (15) und eine mit dem Magnetfluß des Abwärtslransformatorkernes verkettete
Potentialkompensaitionsspule (13) eingeführt sind, wobei jede Stromkompensationsspule (14 oder
15) koaxial mit dem entsprechenden Solenoid (I oder 2) in einer Entfernung von V4 der Solenoidlänge
vom rechten Ende des Solenoids (1 oder 2) bei rechtsgängiger Wicklung angeordnet ist und eine
Länge unter 1A2 der Solenoidlänge hat, und eine der
Stromkompensationsspulen (14) gegensinnig und in Reihe mit der Potentialkompensationsspule (13)
über einen Amplituden- und Phasenentzerrer (16) für die erste Harmomische verbunden ist, während
die andere Stromkompensationsspule (14) über einen Amplituden- und Phasenentzerrer (17) für
höhere Harmonische mit der fvießspule (12) des
Magnetisierungs-Meßkanals gegensinnig und in Serie zusammengeschaltet ist.
3. Oszillografisches Ferrometer nach Ansprüchen t und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßspule
(12) des Magnetisierungs-Meßkanals von ihrer Außenseite von einem kurzgeschlossenen Schirm
(33) aus einem nichtmagnetischen Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit umgeben ist, wobei
das Verhältnis der Schirmlänge zur Länge der Meßspule (12) gleich oder größer als 1,2 gewählt
4. Oszillograflsches Ferroimeter nach Anspruch 2
oder 3, der einen Integrator und einen mit diesem in Reihe liegenden Phasenentzerrer in jedem Meßkanal
besiüit sowie Eichgeräte enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Messung von
Parametern der dynamischen Hystereseschleife mit folgenden Baugruppen und Einheiten ausgestattet
ist: einem Auftastwandler (34), dessen Eingang an den Ausgang des Phasenentzerrers (32) im Magnetisierungsfeld-Meßkanal
angeschlossen ist und dessen Ausgänge an der Steuerelektrode (36) der Elektronenstrahlröhre
(37) liegen; einem Strom- und Feldstärkemomentanwert-Umwandler (38), der diese
Werte in eine Gleichsipannung umwandelt und dessen Eingang an den Ausgängen der Phasenentzerrer
der Magnetisierungs- und Magnetisierungsfeld-Meßkanäle
sowie am Ausgang des Auftastwandlers (34) liegt und dessen Ausgänge an die zur
Meßsignalpolarität empfindlichen Eichgeräte (41 und 42) geschaltet sind; einer Baueinheit (43) zur
Ausrechnung der differentiellen magnetischen Permeabilität
oder Suszeptibilität, deren Eingänge parallel zum Eingang des Integrators (30) des
Magnetisierungsfeld-Meßkanals und zum Eingang des Magnetisierungs-Meßkanals sowie zum Ausgang
des Auftastwandler« (34) liegen; einer Baueinheit (45) zur Berechnung von elektromagnetischen
Gesamtverlusten, deren Eingänge mit Eingängen und Ausgängen des Magnetisierungs-Meßkanals
und des Magnetisierungsfeld-Meßkanals verbunden sind; einer Funktionseinheit (47) zur Formierung der
Abbildung der mit Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachsen für Magnetisierung und Feldstärke,
deren Eingänge mit dem Ausgang des Phasenentzerrers (27) im Magnetisierungs-Meßkanal
und mit dem Ausgang des Magnetisierungsfeld-Meßkanals verbunden sind und deren Ausgang an
die Ablenkplatten (4)}) der Elektronenstrahlröhre
(37) Ober einen automatischen Schalter (49) angeschlossen ist, dessen Eingang am Ausgang des
Phasenentzerrers (27) des Magnetisiemngs-Meßkanals liegt, wobei die Ausgänge der Baueinheit (43)
zur Ausrechnung der differentiellen magnetischen Permeabilität oder Suszeptibilität und der Baueinheit (45) zur Berechnung von elektromagnetischen
Geu-amtverlusten an die entsprechenden Eichgeräte
(41 und 42) angeschlossen sind.
5. Oszillografisches Ferrometer nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auftestwandler (34) eine Reihenschaltung eines Sinus-Rechtecksienalv/andlers (SO) mit Beibehaltung derselben
Schwingungsperiode, einer Triggerschaltung (51) zum Halbieren der Rechteckimpuls-Folgefrequenz,
eines Univibrators (52) mit regelbarer Verzögerung von Null bis zur Feldperiodendauer, eines Univibrators (53) zur Formierung eines rechteckigen
Auftastimpulses und eines Inverter-Verstärkers (54) enthält, dessen Ausgang an die Steuerelektrode (36)
angeschlossen ist
6. Oszillografisches Ferrometer nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Baueinheit (43) zur Ausrechnung der differentiellen magnetischen Permeabilität oder Suszeptibilität
folgende Funktionsgruppen vorgesehen sind: Amplitudenmodulatoren (59 und 60) für das Magnetisierungsfeld und die Magnetisierung, Ampiitudendetektoren (61 und 62) des Magnetisierungsfeldes und
der Magnetisierung, deren Eingänge an die Ausgänge der entsprechenden Amplitudenmodulatoren (59
und 60) angeschlossen sind, ein mit dem Ausgang des Amplitudendetektors (61) der Magnetisierung verbundener Schalter (63), ein mit diesem Schalter (63)
verbundener Spannungs-Zeitintervall-Wandler (64), eine Triggerschaltung (65), bei der ein Eingang mit
dem Spannungswandler (64), der andere mit einem Taktimpulsgenerator (66) und der Ausgang mit dem
Schalter (63) verbunden sind; ein Amplitudenmodulator (67), dessen Eingänge an den Ausgang der
Triggerschaltung (65) und an den Ausgang des Amplitudendetektors (61) der Magnetisierung angeschlossen sind und dessen Ausgang über ein Filter
(68) mit dem Eingang eines Eichgerätes (41) verbunden ist
7. Oszillografisches Ferromeier nach Ansprüchen
4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (45) zur Berechnung von elektromagnetischen
Gesamtverlusten eine Addierschaltung (69), einen an diese angeschlossenen Quadrator (70), eine Subtraktionseinrichtung (71) und einen an diese geschalteten
Quadrator (72), eine Subtraktionsschaltung (73) mit den an die Ausgänge der beiden Quadratoren (70
und 72) angeschlossenen Eingängen sowie einen Integrator (74) enthält, dessen Eingang an die
Subtraktionsschaltung (73) und dessen Ausgang an ein Eichgerät (41) angeschlossen sind.
8. Oszillografisches Ferrometer nach Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinheit (47) zur Formierung der Abbildung der mit
Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachsen aus folgenden Baugruppen aufgebaut ist: aus einem mit
dem Ausgang des Phasenentzerrers (32) des Magnetisierungsfeld-Meßkanals verbundenen Maßstabsmarkengenerator (75), einem Sägezahnspannungsgenerator (76), aus wenigstens zwei in Serie
geschalteten Frequenzteilern (77 und 78), wobei der Eingang dies ersten Frequenzteilers (77) an den
Ausgang des Maßstabsmarkengenerators (75) und der Ausgang des letzten Frequenzteilers (78) an den
Eingang des Sägezahnspannungsgenerators (76) angeschlossen sind, aus Vergleichsschaltungen (79
und 80), deren Eingänge an die Ausgänge der Phasenentzerrer (32 und 27) und an den Ausgang des
Sägezahnspannungsgenerators (76) angeschlossen sind, aus einer ersten Gruppe von Koinzidenzschaltungen (81 und 82), bei denen ein Teil von Eingängen
an die Ausgänge der entsprechenden Vergleichsschaltungen (79 und 80) geschaltet ist, eine
Triggerschaltung (89), die mit den Steuereingängen (87 und 88) der Koinzidenzschaltung (81 und 82) der
ersten Gruppe und mit dem letzten Frequenzteiler (78) verbunden ist, aus Schaltern (83 und 84), deren
Eingänge an die Ausgänge der Koinzidenzschaltungen (81 und 82) der ersten Gruppe geführt sind und
deren Ausgänge am Ausgang des automatischen Schalters (49) liegen, einer zweiten Gruppe von
Koinzidenzschaltungen (85 und 86), wobei die Eingänge jeder von diesen Koinzidenzschaltungen
(85 und 86) mit einer Triggerschaltung (89X mit dem
Ausgang des Maßstabsmarkengenerators (75) und mit dem Ausgang des ersten Frequenzteilers (77)
verbunden sind und die Ausgänge dieser Koinzidenzschaltungen (85 und 86) an den Eingängen des
automatischen Schalters (49) liegen.
9. Oszillografisches Ferrometer nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Baueinheit zur Prüfung
der Phasenentzerrung, die einen zweipoligen Schalter (90) und einen Mischer (92) für Dreieck- und
Maßstabsmarkenimpulse enthält, dessen Eingänge an den Ausgang des Maßstabsmarkengenerators
(75) und an eine beliebige Zahl von Teilern (77 und 78) in der Funktionseinheit (47) zur Formierung der
Abbildung der mit Maßstabsmarken geeichten Koordinatenachsen angeschlossen sind und dessen
Ausgang über Kontakte (S3 und 34) des zv/eipoligen
Schalters (90) abwechselnd mit den Pha&enentzerrern (32 und 27) der Magnetisierueigs- und
Magnetisierungsfeld-Meßkanäle verbunden ist, wobei die synchron umschaltbaren Kontakte (95 und
96) des zweipoligen Schalters (91) die Eingänge der Integratoren (30 und 25) mit der Triggei-schaltung
(89) der Funktionseinheit (47) zur Formierung der Abbildung der mit Maßstabsmarken geeichten
Koordinatenachsen verbinden, und zwar beim Anschluß des Phasenentzerrers (32) des Wlagnetisierungsfeld-Meßkanals an den Ausgang deu Mischers
(92) mit der Triggerschaltung (89) der Eingang des Integrators (25) des Magnetisierungs-Meßkanals
verbunden wird, und beim Anschluß des F'hasenentzerrers (27) des Magnetisierungs-MeSkanals an den
Ausgang des Mischers (92) die Triggerschaltung (89) an den Eingang des Integrators (30) des Magnetisierungsfeld-Meßkanals geschaltet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742443562 DE2443562C3 (de) | 1974-09-12 | Oszillographisches Ferrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742443562 DE2443562C3 (de) | 1974-09-12 | Oszillographisches Ferrometer |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2443562A1 DE2443562A1 (de) | 1976-04-01 |
DE2443562B2 DE2443562B2 (de) | 1977-01-27 |
DE2443562C3 true DE2443562C3 (de) | 1977-09-08 |
Family
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