DE2500652C3 - Oszillografisches Ferrometer - Google Patents

Description

K = 0,9965 ί-^

a = 0,05 L

zueinander stehen, wobei

\ 0.4361

K Kontraktionskoeffizient der Seitenlinie

des Soleonids (5);
2 öl Breite der Randwindungen (Abstand der

Querschnittsmittelpunkte des Leiters des

Solenoids auf dessen Randwindungen in

Breitenrichtung);
2 a Höhe der Randwindungen (Abstand der

Querschnittsmittelpunkte des Leiters des

Solenoids auf dessen Randwindungen in

Höhenrichtung);
2 L Länge des Solenoids (5) zwischen den

Querschnittsmitten der Randwindungen

bedeuten.

Die Erfindung betrifft Meßeinrichtungen für magnetische Größen, insbesondere oszillografische Ferrometer. Sie kann zur Durchführung magnetischer Schnellmessungen bei Mustern und Erzeugnissen aus ferromagnetischen Werkstoffen ausgewertet werden.

Es sind oszillografische Ferrometer bekannt, die eine Magnetisierungseinrichtung und mit dieser in Wechselwirkung stehende Meßkanäle für die Magnetisierung und das Magnetisierungsfeld enthalten.

Die Magnetisierungseinrichtung ist in Form eines Abwärtstransformators ausgeführt, an dessen Sekundärwicklung mit einer Windung ein einlagiges Ellipsensolenoid mit längs der Erzeugenden konstanter Windungsdichte angeschlossen ist. Innerhalb des Solenoids wird ein Versuchsmuster untergebracht (s. das US-Patent35 00 180).

Bei der Messung von magnetischen Kennwerten bei dünnem Stahlblech größerer Breite, beispielsweise bei einer Kontrolle aller Arbeitsgänge eines technologischen Prozesses, ist der Ausnutzungsfaktor des Inneren des Solenoids sehr niedrig, was einen steilen Anstieg der Energieintensität der Magnetisierungseinrichtungen zur Folge hat.

Die Anwendung der bekannten Solenoide mit Rechteckwindungen würde die Energieintensität der

10

-ρ6 0,1 bis 0,6

25

JO Magnetisierungseinrichtung reduzieren, jedoch ist die Homogenität des Feldes bei derartigen Solenoiden gering gegenüber Ellipsensolenoiden, wo die Erhöhung der Homogenität des Feldes durch deren Ausführung mit funktional bedingten geometrischen Dimensionen erreicht wird, bei denen die durch die Abschneidung der Pole bedingte Feldabnahme in Richtung zu den Enden (Polen) des Solenoids hin zum Teil durch eine Feldzunahme in Richtung zu den Enden des Solenoids hin dank einer Bewicklung mit festem Wickelschritt nach einer ellipsenförmigen Erzeugenden ausgeglichen wird, bei der die axiale Windungsdichte in Richtung zu den Enden des Solenoids hin zunimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Magnetisierungseinrichtung eines oszillografischen Ferrometers eine derartige Windungsform und ein derartiges Verhältnis der geometrischen Dimensionen des Ellipsensolenoids zu wählen, bei denen die gegenseitige Kompensation der durch die Abschneidung der Pole des Solenoids bedingten Randabnahme und der durch einen Zuwachs der Axialkomponente der Amperewindungsdichte in Richtung von der Mitte des Solenoids zu den Polen hin bedingten Randzunahme des Feldes und eine Vergrößerung des Ausnutzungsfaktors des Inneren des Solenoids gewährleistet werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem oszillografischen Ferrometer, das eine Magnetisierungseinrichiung in Form eines Abwärtstransformators und eines an dessen Sekundärwicklung mit einer Windung angeschlossenen einlagigen Ellipsensolenoids mit fester Windungsdichte nach der Seitenlinie, innerhalb dessen ein Versuchsmuster untergebracht wird, sowie mit der Magnetisierungseinrichtung in Wechselwirkung stehende Meßkanäle für die Magnetisierung und das Magnetisierungsfeld enthält, das Ellipsensolenoid gemäß der Erfindung mit Windungen rechteckiger Form ausgeführt ist und die geometrischen Dimensionen des Solenoids in der Beziehung:

b0

h^r>

(L

α = 0,05 L

-f 0,6

zueinander stehen, wobei

K · Kontraktionskoeffizient der Seitenlinie des Solenoids

2 Öl Breite der Randwindungen (Entfernung der Querschnittsmittelpunkte des Leiters des Solenoids auf dessen Randwindungen in Breitenrichtung)

2a Höhe der Randwindungen (Entfernung der Querschnittsmittelpunkte des Leiters des Solenoids auf dessen Randwindungen in Höhenrichtung)

2 L Länge des Solenoids zwischen den Querschnittsmitten der Randwindungen

bedeuten.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.

Die anderen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend aus der Betrachtung von deren Ausführungsbeispielen und Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt

F i g. 1 eine grundsätzliche Darstellung eines erfindungsgemäßen oszillografischen Ferrometers,

Fig.2 einen Schnitt nach der Linie II-11 der Fig. 1 durch ein erfindungsgemäßes Solenoid,

F i g. 3 eine den Kompensationseffekt bei verschiedenen Verhältnissen von geometrischen Dimensionen des erfindungsgemäßen Solenoids verans .-haulichende Topographie des Magnetfeldes,

Fig.4 Abhängigkeit von Optimalwerten des Kontraktionskoeffizienten des Solenoids, der Zone der ι» Homogenität des Solenoidfeldes und der Verhältnisse von Formfunktionen der Solenoide mit rechteckigen und kreisförmigen Windungen.

Das vorliegende oxdllografische Ferrometer enthält eine Magnetisierungseinrichtung und Meßkanäle für die ι "> Magnetisierung und das Magnetisierungsfeld.

Die Magnetisierungseinrichtung in Form eines Abwärtstransformators 1 (F i g. 1) weist eine hohle Sekundärwicklung 2 mit einer Windung auf, in die mit Hilfe von in Form von Hohlschrauben 3,4 ausgeführten Stromleitern ein Ellipsensolenoid 5 (Fig. 1 und 2) mit bei konstantem Schritt nach einer ellipsenförmigen Seitenlinie aufgewickelten Rechteckwindungen aus einem Hohlleiter eingeschaltet ist, das seriell mit der Wicklung 2 von einer mittels Stutzen 6 zugeleiteten Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Die Länge 2 L des Solenoids, die Breite 2 b_L und die Höhe 2 a der Arbeitsöffnung und der Kontraktionskoeffizien: K der ellipsenförmigen Seitenlinie des Solenoids stehen zueinander im Funktionszusammenhang:

K = 0,9965 (ή£ a = 0,05 L

jj \ 0.4361

^-6 0,1 -0,6

Zuwachs der Axialkomponente der Amperewindungsdichte in Richtung von der Mitte des Solenoids zu den Polen hin bedingten Randzunahme des Feldes. Dadurch wird eine Vergrößerung der Zone der Homogenität des Feldes erreicht. Die genannten Beziehungen sind folgenderweise ermittelt:

Die Axialkomponente des Feldes im Solenoid ergibt sich zu:

H_x{x, O, O) =

+ L

UdI

wobei

η = Γ f * (x-^)dz-dyl

Jj [(x - ί)² + (y - y") + (z

-till

-a -b=

ein Raumwinkel ist, unter dem die elementare lineare Rechteckwindung der Abmessungen a, X, b mit einer Koordinate (Koordinatenanfangspunkt liegt in der Mitte des Solenoids) im Punkt ξ auf der Achse zu sehen ist).

d/ = j,dS

bedeutet den Strom in der Elementarwindung;

J. = _W-_s

bedeutet die Amperewindungsdichte nach einer ellipsenförmigen Seitenlinie S;/den Strom im Solenoid.

Nach der Umformung bekommen wir H_x (x, o, o) = Q,2j_sG, wo sich

Im Inneren des Solenoids 5 (Fig. 1) ist koaxial zum Feldverlauf eine Meßspule 7 für die Magnetisierung angeordnet, die einer toroidalen, mit dem Feld der Stromzuführung verketteten und eine Konstante wS gleich der Konstanten der Meßspule 7 aufweisenden Kompensationsspule 8 in Reihe entgegengeschaltet ist, wobei der unmagnetische Körper 9 der Spule 8 koaxial zum Stromleiter angeordnet ist. In die Meßspule ist ein koaxial zum Magnetfeldverlauf des Solenoids 5 orientiertes Versuchsmuster 10 eingeführt. Die Feldspule 11 (Geber) ist auf den unmagnetischen Körper 9 samt der Kompensationsspule 8 aufgewickelt. Die Elemente der Magnetisierungseinheit sind in ein Gehäuse 12 eingeschlossen. Die Meß- und die Kompensationsspule 7 bzw. 8 sind an den Eingang des einen integrierenden Verstärker 13, einen Phasenentzerrer 14 und ein Eichgerät 15 einschließenden Magnetisierungskanals in Reihe gegeneinander geschaltet.

Die Feldspule 11 ist auf den Eingang eines Integrators 16 des darüber hinaus einen Phasenentzerrer 17 und ein Eichgerät 18 einschließenden Meßkanals für das Magnetisierungsfeld geschaltet. Die Ausgänge der Phasenentzerrer 14 und 17 sind jeweils an die Vertikal- w> und Horizontalablenkplatten 19 bzw. 20 einer Elektronenstrahlröhre 21 angeschlossen.

Das Ferrometer arbeitet wie folgt.

Das Verhältnis der geometrischen Dimensionen des Ellipsensolenoids mit rechteckigen Windungen gewähr- h-5 leistet im Zentralteil den Effekt einer gegenseitigen Kompensation der durch die Abschneidung der Pole des Solenoids bedingten Randabnahme und der durch den + 1

_ Γ a[yU)-

~ J ν·^1/2(ί:

+ (X - I)²] [b² - t²(l - k²) f²]"

) [(x - ί)² »·({) + a²(b²~ - k² i²)]

eine dimensionslose, nur von der Form des Solenoids abhängige und im weiteren eine Formfunktion genannte Funktion durch keine Elementarfunktionen ausdrücken läßt,

Hi) = a² + b² - k²i²(x- ξ)², b² = k² + b\ .

K= Kontraktionskoeffizient der ellipsenförmigen Seitenlinie. Durch die Lösung der Gleichung

Xopi(t>L. a, k) = max
im Bereich χ 6 0 + X_x, wo die Bedingung

< χ = 0,005

G(b_L, α, k, O) - G(b_L,g,k,x_x)

G(b_L,a,k,O)

erfüllt wird, ergibt sich das Verhältnis der optimalen Abmessungen der endständigen Windungen nach dem Prinzip der mittleren geometrischen Entfernungen zu

/ U ν, 0.4361

K.„-0,9965(-i^

-τ- G 0,1 — 0,6,

= 0,05 L
wobei die Kompensation eintritt.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer mit Hilfe der EDV errechneten Topographie eines Feldes, die den Kompensationseffekt bei verschiedenen Verhältnissen der Dimensionen veranschaulicht. Aus den Verteilungskurven der Fonnfuktion C längs der ν Achse bei einem Festwert '' = const und bei einem Kontraktionskoeffizient K = 0,33; 0,31; 0.30; 0,28; 0.23 ist ersichtlich, daß der Steilheitsgrad der Kurve 22 (K = 0,33) größer als der der Kurve 23 (K = 0.3\) ist und fällt bei den Kurven 24 (# = 0.30) und 25 (K = 0.28) weiter ab, während bei der Kurve 26 (/( = 0,23) der Anstieg fehlt. Der Kompensationseffekt tritt also im Wertebereich K6 0,23 bis 0,28 ein, und der Optimalwert K„_n, kann um so genauer ermittelt werden, je weniger der Schritt K ist, was auch mittels EDV gemacht worden ist.

Die Signale dl/dt und dH/d! der Geber kommen in die Kanäle / und H, wo sie integriert, in einem Frequenzbereich, beginnend bei der Ummagnetisierungsfrequenz, phasenentzerrt und an die Platten der Elektronenstrahlröhre gegeben werden, auf deren Bildschirm eine dynamische Magnetisierungsschleife /(//^dargestellt wird.

Die neuen qualitativen Effekte der angemeldeten Einrichtung werden durch folgende quantitative Kennwerte gegenüber der bekannten Ausbildung gekenn zeichnet, die in F i g. 4 wiedergegeben sind.

Für die durch die Kurve 27 angedeuteten Optimal werte des Kontraktionskoeffizienten K,_mid(bi/L) c'mci

■> Solenoids mit rechteckigen Windungen ist die Zone dei Homogenität des Feldes nicht schlechter als ±0,005; be den Solenoiden mit rechteckigen Windungen χ,ψ,α (Kurve 28) ist sie immer größer als die Zone det Homogenität der Solenoide mit demselben Κ,_ψι, jedoch

Ii mit kreisförmigen Windungen x_opl ο (Kurve 29), wöbe χ<φια/χ,·,·ι OcGl ,06 bis 1,27, wenn der Durchmesser 2 Ri der Arbeitsöffnung eines Solenoids mit kreisförmiger Windungen und die Breite der Arbeitsöffnung eines Solenoids mit rechteckigen Windungen gleich sine

Aus der ein Verhältnis von Formfunktionen der

Solenoide mit rechteckigen Windungen G,_lp,H2 zu der der Solenoide mit kreisförmigen Windungen G„,„ ο bei K_op, und Ri= bi charakterisierenden Kurve 30 isi

:<i ersichtlich, daß G„_p!n3/G,,_r, o€ 1,65 bis 2,01.

Da die Formfunktion in erster Näherung dem magnetischen Wirkungsgrad des Solenoids proportional ist. so sind die Vorteile eines Ellipsensolenoids mit rechteckigen Windungen offensichtlich.

Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Oszillografisches Ferrometer, das eine Magnetisierungseinrichtung in Form eines Abwärtstransformators und eines an dessen Sekundärwicklung mit einer Windung angeschlossenen einlagigen Ellipsensolenoids mit fester Windungsdichte auf der Seitenlinie, innerhalb dessen ein Versuchsmuster untergebracht wird, und mit der Magnetisierungseinrichtung in Wechselwirkung stehende Meßkanäle für die Magnetisierung und das Magnetisierungsfeld enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsensolenoid (5) mit Windungen rechteckiger Form ausgeführt ist und die geometrischen Dimensionen des Solenoids (5) in der Beziehung: