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Spule für elektrische Messungen Die erfindung betrifft eine Meßspule,
die mit einem Wechselstrom gespeist wird.
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Bei mit Wechselstrom gespeisten Spulen, die für Messungen an leitenden
Materialien, beispielsweise nach der Wirbelstrom-Methode, benutzt werden, ist die
Impedanz dieser Spulen abhängig von der Art des Materials, dem Abstand zwischen
dem Material und den Spulen und ferner von der temperatur der Spulen selbst.
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Durch geeignete Auswahl des elektrischen Phasenwinkels, aufgrund dessen
die Spulenimpedanz oder der in der Spule fließende Strom gemessen wird, kann die
Messung zwar unabhängig von der temperatur der Spule gemacht werden, aber sie ist
dann im allgemeinen sehr empfindlich in bezug auf den Abstand zwischen dem Material
und der Spule, so daß Veränderungen dieses Abstandes, beispielsweise infolge von
Schwingungen, zu Fehlmessungen führen.
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Durch Auswahl eines anderen elektrischen Phasenwinkels, gemäß dem
die Spulenimpedanz gemessen wird, ist es auch möglich, die Messung unabhängig von
Veränderungen des Abstandes zwischen dem Material und der Spulezu machen, aber in
einem solchen Fall ist die Messung sehr emptindlich in bezug auf die Spulentemperatur.
Wenn fehlerfreie
und zuverlässige Messungen durchgeführt werden
sollen, ist es daher notwendig, die temperatur der Spule mit großer Genauigkeit
zu stabilisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Meßspule
zu schaffen, deren temperatur gemessen und mit großer Genauigkeit konstant gehalten
werden kann, so daß die Nachteile der bekannten Meßanordnungen überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßspule
zwei Wicklungen enthält, von denen aede aus zwei nebeneinanderliegenden und gleichzeitig
gewickelten isolierten Drähten besteht, die die gleiche Stärke haben und Anfang
und sunde aufweisen, wobei die beiden Wicklungen die gleiche Anzahl von Windungen
enthalten, die in derselben Richtung gewickelt sind, wobei ferner das sunde des
ersten Drahtes der ersten Wicklung mit dem Anfang des ersten Drahtes der zweiten
Wicklung und das I!i'nde des zweiten Drahtes der ersten Wicklung mit dem binde des
zweiten Drahtes der zweiten Wicklung verbunden ist, und daß der Anfang des ersten
Drahtes der ersten Wicklung und das Sunde des ersten Drahtes der zweiten Wicklung
an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind, während die in Reihe geschalteten
zweiten Drähte der ersten und zweiten Wicklung als Heiz- und/oder 2'ühlelement benutzt
werden.
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Zur Konstanthaltung der Temperatur der Meßspule auf einem gewünschten
Wert wird das erwähnte Heiz- und/oder ilühlelement mit einem regelbaren Gleichstrom
gespeist.
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Hierzu ist nach einer weiteren Ausbildung der'Srfindung eine Schaltungsanordnung
vorgesehen, bei der der Anfang des zweiten Drahtes der ersten Wicklung und der Anfang
des zweiten Drahtes der zweiten Wicklung an die beiden
Klemmen eines
Armes einer Wheatstone'schen Brücke angeschlossen sind, so daß diese beiden Wicklungen
einen Arm der Brückenschaltung darstellen. Die Brückenschaltung enthält ferner einen
ersten Querzweig mit einem 'steuerbaren Gleichstromgenerator mit einem Steuereingang
für das einspeisen von Steuer signalen zur Regelung des erzeugten Gleichstromes.
Die Klemmen des zweiten Querzweiges der Brückenschaltung sind an zwei eingänge eines
Differentialverstärkers angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des
Gleichstromgenerators verbunden ist, um den erzeugten Gleichstrom in Abhängigkeit
von den Spannungsdifferenzen an den beiden Eingängen des Differentialverstärkers
zu regeln.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin,
da1 mit verhältnismäßig einfachen Schaltungsmitteln die Temperatur der Meßspule
mit großer Genauigkeit auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten werden kann,
so daß die Spule ihre charakteristischen Eigenschaften unabhängig von den Bedingungen
der Umgebung beibehält.
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Die erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend an einem in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. i;s zeigen: Figur 1
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßspule und Figur 2 ein blockschaltbild
einer als Beispiel dienenden Schaltungsanordnung zur Anwendung der erfindungsgemäßen
Meßspule.
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Die Meßspule, deren Temperatur stabilisiert werden soll, ist in Figur
1 mit 10 bezeichnet.
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Die Spule 10 enthält zwei identische Wicklungen A und B, von denen
åede aus zwei isolierten Drähten a und b hergestellt ist, die die gleiche Stärke
haben und neeneinanderliegend gleichzeitig gewickelt sind. Obgleich in der eichnung
die beiden Wicklungen A und B nur mit äe drei Windungen dargestellt sind, ist es
selbstverständlich, daß die Wicklungen auch irgendeine andere Anzahl von Windungen
haben können.
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in der Wicklung A sind die beiden Drähte mit a1 und b1 und in der
Wicklung B mit a2 und b2 bezeichnet. Die nden der beiden Drähte a1 und b1 der Wicklung
A sind an die Klemmen 1, 3 bzw. 2, 4 angeschlossen, während die sonden der Drähte
a2 und b2 der Wicklung ßzu den Klemmen 5, 7 bzw. 6, 8 geführt sind.
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Die Klemme 3 ist mit der Klemme 5 und die Klemme 4 ist mit der Klemme
8 verbunden, so daß ein elektrischer Strom, der durch die Windungen des Drahtes
a fließt, ein magnetisches Feld hervorruft, welches in den beiden Wicklungen A und
B die gleiche Richtung hat. Demgegenüber ruft ein elektrischer Strom, der durch
die Windungen des Drahtes b fließt, in den Wicklungen A und B magnetische Felder
hervor, die entgegengesetzt gerichtet sind.
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Die Windungen des Drahtes a in den beiden Wicklungen A und ß bilden
die Meßspule. Die Windungen des Drahtes b dienen sowohl als Fühlelement zur Messung
der emperatur der Spule als auch als Heizelement zur Aufrechterhaltung der Temperatur
der Spule in einer gewünschten Höheq
Die Klemmen 1 und 7 sind über
Verbindungsleitungen mit einer Wechselstromquelle 20 und die Klemmen 2 und 6 über
Verbindungsleitungen mit einer Gleichstromquelle 30 verbunden. infolge der gewählten
dichtungen der Windungen a1, a2 und b1, b2 in den beiden Wicklungen A und B induziert
ein Wechselstrom in der Meßspule al, a2 in den Windungen b1 der Wicklung A eine
Spannung, die der in den Windungen b2 der Wicklung B induzierten Spannung entgegengerichtet
ist. Da die Anzahl der Windungen in den beiden Wicklungen A und j die gleiche ist,
haben die entgegengesetzten Spannungen denselben Wert, so daß sie sich aufheben
und an den Klemmen 2 und 6 die Spannung den Wert null hat.
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Auf der anderen Seite wird der Wechselstrom in der MeS-spule a1, a2
weder durch einen Gleichstrom, der in den Windungen b1 und bk fließt, noch durch
eine Impedanz beeinfluß, die an den Klemmen 2 und 6 vorhanden sein mag.
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Dank der engen Kopplung, die zwischen den Windungen des Drahtes a
und den Windungen des Drahtes b in beiden Wicklungen A und ß infolge des gleichzeitigen
Wickelns dieser beiden nebeneinanderliegenden Drähte vorliegt, ist die temperatur
der aus den Windungen b1 und b2 bestehenden Wicklungen die gleiche wie die der Meßspule,
die aus den Windungen a1 und a2 besteht.
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um die liemperatur der Spule 10 konstant zu halten, ist die Spule
an einen regelkreis entsprechend der schematischen Darstellung in Figur 2 angeschlossen.
Dieser Kreis enthält eine Wheatstonetsche Brücke, von der drei brückenarme Widerstände
41, 42 und 43 enthalten, während in dem vierten Brückenarm die an die Klemmen 2
und 6 angeschlossenen Windungen b1 und b2 liegen. In einem der Querzweige der Brücke
ist ein regelbarer Gleichstromgenerator 44 angeordnet, der durch ein äußeres Steuersignal,
welches
an seinen Steuereingang 45 angelegt ist, regelbar ist. Der erwähnte Steuereingang
ist mit dem Ausgang eines Differentialverstärkers 46 verbunden, dessen zwei eingänge
an die Klemmen 47 und 48 des zweiten Querzweiges der Brücke angeschlossen sind.
Der vom Generator 44 erzeugte Gleichstrom wird auf diese Weise in Abhängigkeit von
den Spannungsdil'ferenzen, die zwischen den Klemmen 47 und 48 auftreten, geregelt.
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Wenn die Widerstände der vier Arme der Brücke mit Z41, Z42 und Z43
bezeichnet werden und wenn t1 die Temperatur ist, die in der Spule 10 aufrechterhalten
werden soll, so hat der Widerstand Zb der Windungen b1, b2 bei der temperatur t1
einen Wert Zbt entsprechend der Gleichung 1
wobei R der Widerstand des Drahtes b ist, 1 die Länge des Drahtes b ist, s der Querschnitt
des Drahtes b ist und c der ll'emperaturkoeffizient des Drahtes b ist.
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Wenn die Werte Z41 Z42 und Z43 SO gewählt werden, daß die Gleichung
erfüllt ist, ergibt sich für die Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen 47 und
48 der Wert null, solange die Spule 10 die gewünschte temperatur t1 hat. Bei einer
Abweichung
der temperatur gegenüber t1 tritt eine Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen 47
und 48 auf und am Ausgang des Differentialverstärkers 46 entsteht ein entsprechendes
Signal. Dieses Signal bewirkt, daß der vom Generator 44 erzeugte Gleichstrom so
verändert wird, daß die festgestellte lltemperaturabweichungverschwindet, d.h. null
wird. Wenn der Differentialverstärker 46 einen ausreichenden Verstärkungsgrad hat,
kann die Temperatur t1 mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden.
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Der durch den Draht b fließende Strom bewirkt eine iSrwärmung des
Drahtes durch den Joule-Effekt. Ebenso werden die Widerstände 41 bis 43 durch den
durch sie hindurchfließenden Strom erwärmt. Wenn jedoch diese rwärmung durch die
Auswahl geeigneter Widerstandswerte und/oder durch die Verwendung von Widerständen
mit einem sehr kleinen 'l'emperaturkoeffizienten begrenzt wird, bleiben die Werte
der Widerstände Z41 bis Z43 im wesentlichen konstant, wie auch immer die Bedingungen
der Umgebung sein mögen.
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bezüglich des Steuerkreises ist zu beachten, daß dieser eine genügend
große Leitkonstante haben sollte, damit schnelle Veränderungen des vom Generator
44 erzeugten Gleichstromes vermieden werden, weil schnelle Veränderungen des Stromes
im Draht b zusätzliche Spannungen in dem Draht a hervorrufen würden.
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An sprüche