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Verfahren zur Materialprüfung und Wegmessung durch selbst-
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erregte elektromagnetische Schwingungen Beschreibung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der elektrischen, magnetischen, geometrischen
oder mechanischen Eigenschaften eines Werkstücks oder dessen Position durch Anordnung
des Werkstücks im Einflußbereich einer Spule, die in Verbindung mit einem Verstärker
selbsterregte elektromagnetische Schwingungen ausführt.
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Wird ein Werkstück, das beispielsweise aus Stahl besteht, als Kern
in eine Spule gebracht, so ändert sich der komplexe Widerstand der Spule. Im Reihenersatzschaltbild
wird die komplexe Induktivität einer Spule dargestellt durch ihre Induktivität L
und einen Wirkwiderstand R. Dieser Wirkwiderstand besteht additiv aus dem ohmschen
Widerstand der unbeeinflußten Spule (Leerwirkwiderstand) und dem von dem Werkstück
zusätzlich hervorgerufenen Wirkwiderstand (Zusatzwirkwiderstand).
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Es ist bekannt, die Spule mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis
zu ergänzen und in Verbindung mit einem externen Generator die Resonanzkurve des
Schwingkreises zu messen oder diesen Schwingkreis als frequenzbestimmenden Teil
eines selbsterregten Oszillators zu verwenden (B. Carniol "Schwingkre-isdämpfung"
Verlag Technik, Berlin 1969, Seite 9 ff). Die Eigenfrequenz eines Reihenschwingkreises
ist
Die bisherigen Schaltungen zur Selbsterregung von Schwingungen unterscheiden sich
zwar durch die Art der Rückkopplung (Meißner-, Hartley-, Colpittsschaltung usw.),
jedoch ist allen gemeinsam, daß die Frequenz der Schwingung gleich
der
Resonanzfrequenz des Schwingkreises nach obiger Gleichung ist, also (außer von der
festen Kapazität C) praktisch nur von der Induktivität L bestimmt wird. Der Einfluß
des Wirkwiderstandes R liegt bei praktisch vorkommenden Werten in der Größenordnung
von einem Prozent und kann daher vernachlässigt werden.
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Ferromagnetische Werkstoffe, die als Kern in die Spule gebracht werden,
beeinflussen zwar die Induktivität, doch ist ihr Einfluß auf die Frequenz wegen
der Abhängigkeit gemäß der Wurzelfunktion relativ gering. Nichtferromagnetische
Werkstoffe beeinflussen die Induktivität nur wenig, so daß der Einfluß auf die Frequenz
noch geringer ist.
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Daher hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Materialprüfung
und Wegmessung anzugeben, nach dem die Frequenz selbsterregter Schwingungen wesentlich
stärker als gemäß obiger Formel von den Kerneigenschaften beeinflußt wird.
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Die Lösung der Aufgabe geht aus von der Überlegung, daß die Kernmaterialien
nicht nur die Induktivität, sondern auch - und oft in relativ stärkerem Maße - den
Zusatzwirkwiderstand beeinflussen.
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Die Lösung der Aufgabe beruht daher darauf, in Abkehr von der bisherigen
Praxis nicht Resonanzschwingungen gemäß obiger Gleichung zu erzeugen, sondern Oszillatoren
anzugeben, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Frequenz der selbsterregten
Schwingung wesentlich vom Wirkwiderstand der Spule mitbestimmt wird.
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Das technische Handeln wird im folgenden an drei Ausführungsbeispielen
erläutert: Fig. 1 zeigt die Schaltung zur Erzeugung einer nichtresonanten LC-Schwingung.
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Eine Spule 1 (Länge 25 mm, Innendurchmesser 17 mm, Außendurchmesser
30 mm, 2000 Windungen, Induktivität 47 mH, ohmscher Widerstand 53 Ohm) wird mit
einem Kondensator 3 von 25 nF in Reihe geschaltet. Die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises
beträgt mit leerer Spule 4,6 kHz; wird als
Kern ein Kupferstab von
13 mm 0 eingesetzt, steigt die Frequenz auf 5,4 kHz, mit einem Eisendraht von 1,5
mm sinkt die Frequenz auf 4,2 kHz.
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Er wird zwischen den Ausgang eines Verstärkers 2 (Tektronix AM 501)
und Erde gelegt. Der Kontaktpunkt zwischen Spule und Kondensator wird mit dem invertierenden
Eingang des Verstärkers verbunden. In dieser neuartigen Schaltung, die keine weiteren
Rückkopplungsmaßnahmen erfordert, schwingt der Schwingkreis nicht in seiner Resonanzfrequenz,
sondern mit einer wesentlich höheren Frequenz, nämlich bei leerer Spule mit 8,3
kHz. Die Ausgangsspannung des Verstärkers springt zwischen ihren scharf definierten
Sättigungswerten von 40 V hin und her, so daß eine Rechteckspannung entsteht.
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Die Frequenz dieser nichtresonanten Rechteckschwingung wird mit dem
Frequenzmesser Tektronix DC 504 oder einem anderen handelsüblichen Frequenzmesser
gemessen. Am Kondensator 3 entsteht ein nahezu sinusförmiger Spannungsverlauf. Der
Effektivwert dieser Spannung am Kondensator (im folgenden kurz Spannung genannt)
wird mit dem Digitalvoltmeter Tektronix DM 501 oder einem anderen handelsüblichen
Digitalvoltmeter gemessen. Bei leerer Spule beträgt die Spannung 16,7 V.
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Die wesentliche Eigenschaft dieser Schaltung besteht darin, daß Frequenz
und Spannung dieser nichtresonanten Schwingung stark vom Wirkwiderstand der Spule
abhängen. Wird beispielsweise zwischen den Ausgang des Verstärkers und die Spule
ein ohmscher Widerstand von 250 Ohm geschaltet, so steigt die Frequenz auf 12,1
kHz, während die Spannung auf 6,2 V sinkt. Die Tatsache, daß der Schwingkreis mit
einer höheren Frequenz als der Resonanzfrequenz schwingt, bewirkt, daß der induktive
Widerstand größer ist als der kapazitive.
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Daher wird der Strom durch den Reihenschwingkreis im wesentlichen
durch die Induktivität bestimmt. Steigt die Frequenz, so nimmt der Strom durch die
Induktivität ab, während zusätzlich noch der durch ihn hervorgerufene Spannungsabfall
am Kondensator abnimmt. Daher ändert sich bei Frequenzerhöhung
die
Spannung relativ stärker als die Frequenz.
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Auf Grund dieser Tatsachen hängen Frequenz und Spannung stark von
den Eigenschaften eines Kerns in der Spule ab, wobei insbesondere die Dämpfung maßgebend
ist, die den Wirkwiderstand der Spule bestimmt. Wird in die Spule ein Eisendraht
von 1,5 mm 0 gebracht, so steigt die Frequenz auf 17,7 kHz, die Spannung sinkt auf
2,16 V. Dieser Anstieg der Frequenz zeigt besonders deutlich den Unterschied der
hier verwendeten Schaltung gegenüber den bisher verwendeten Resonanzschaltungen,
bei denen durch Einbringen eines Ferromagneten die Frequenz abnimmt. Auch durch
nichtferromagnetische Kerne werden Frequenz und Spannung stark beeinflußt. So bewirkt
ein Kupferstab von 13 mm Q) ein Ansteigen der Frequenz auf 12,9 kHz und ein Absinken
der Spannung auf 8,2 V. Als Anwendungsmöglichkeiten dieses Verfahrens seien beispielhaft
genannt: a) Durchmesserprüfung. Ein Kupferstab von 10 mm bewirkt eine Frequenz von
10,9 kHz; bei einem Durchmesser von 13 mm beträgt die Frequenz 12,9 kHz. Damit beträgt
die Frequenzempfindlichkeit 666 Hz/mm, die entsprechende Spannungsempfindlichkeit
beträgt 0,65 V/mm.
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b) Schichtdickenmessung. Wird eine 30 fim dicke Aluminiumschicht
tangential an die Spule gebracht, so erhöht sich die Frequenz um 850 Hz. Zur Schichtdickenmessung
ist es zweckmäßig, anstelle einer Spule zwei eng benachbarte, koaxiale Spulen zu
verwenden und die zu messende Schicht zwischen die Spulen zu bringen, damit die
Lage der Schicht relativ zu den Spulen weniger Einfluß auf das Meßergebnis hat.
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c) Verwechslungsprüfung. Wird die Spule auf Material beispielsweise
in Blechform aufgesetzt, so hängen Frequenz und Spannung wesentlich vom Material
ab, was die Unterscheidung verschiedener Blechsorten ermöglicht. Beispieisweise
ergibt weiches Messing eine Frequenz von 9,7 kHz, federhartes Messing jedoch 10,8
kHz.
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d) Wegmessung. Wird ein 13 mm dicker Kupferstab allmählich in die
Spule gebracht, so steigt die Frequenz mit der Eintauchtiefe des Kerns. Aus der
Frequenzdifferenz zwischen leerer und erfüllter Spule ergibt sich eine Frequenz-Weg-Empfindlichkeit
von 183 Hz/mm. Eine Linearisierung der Anzeige ist durch geeignete Formgebung des
Kerns zu erreichen.
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Die Verwendung eines nichtferromagnetischen Kerns bewirkt, daß diese
Wegmessung unabhängig von äußeren Magnetfeldern ist, während die bisherigen Differentialtransformatoren
durch Magnetfelder beeinflußt werden.
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e) Permeabilitätsprüfung. Im Fall ferro- oder ferrimagnetischer Kerne
hängen Frequenz und Spannung stark von der Permeabilität ab. Wird beispielsweise
die Permeabilität des oben genannten Eisendrahtes von 1,5 mm durch Biegen geändert,
so ändert sich die Spannung um ca. 10 %. Die Methode ermöglicht daher die Kontrolle
von Spannungszuständen in ferromagnetischen Materialien, sowie aller Materialeigenschaften,
die einen Zusammenhang mit der Permeabilität aufweisen, wie beispielsweise Härte,
Kohlenstoffgehalt, Ferritgehalt, Kaltsprödigkeit usw.. Die Methode eignet sich ferner
zur begleitenden Kontrolle mechanischer Prüfungen (Zugversuche, Schlagversuche usw.),
da mit ihr z.B. der Eintritt bleibender Eigenschaftsänderungen als Nachweis plastischer
Verformung bzw.
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Gefügeänderung möglich ist. Die Permeabilität hängt stark vom Magnetisierungszustand
ab. Wird der Eisendraht in der Spule durch ein äußeres Magnetfeld gesättigt, dann
nähert sich die Frequenz dem Wert, den sie bei einem nichtferromagnetischen, elektrisch
leitenden Kern besitzt.
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f) Grenzwertanzeige. Wird der Kondensator 3 von 25 nF auf 1 nF vermindert,
so entscheidet die Lage des Kerns über das Zustandekommen der Schwingung. Bei leerer
Spule beträgt die Frequenz 31 kHz. Wird ein Stahlstab von 13 mm allmählich eingebracht,
so steigt'die Frequenz bis 70 kHz, dann bricht die Schwingung ab. Wird der Stab
herausgenommen, setzt die Schwingung selbsttätig wieder ein. Das Vorhandensein bzw.
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Nichtvorhandensein einer Schwingung ermöglicht in Verbindung mit der
Wegmessung eine besonders einfache Kontrolle von Grenzwerten und die Anwendung für
Zweipunkt-Regelung.
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g) Funktionale Spannungs-Frequenz Darstellung. Eine verfeinerte Untersuchung
der Materialeigenschaften wird durch Darstellung der Spannung als Funktion der Frequenz
erhalten.
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Dazu wird der Ausgang des Frequenzmessers über einen Digital-Analog-Wandler
auf die Horizontal-Ablenkung eines Oszillographen gegeben, das entsprechende Spannungssignal
auf die Vertikalachse. Die Lage dieses Punktes verschiebt sich beim Einbringen eines
Spulenkernes in charakteristischer Weise. So beschreibt der Punkt beim Einbringen
eines Kupferstabes eine Kurve, die die Frequenzerhöhung und Spannungserniedrigung
darstellt. Bei einem ferromagnetischen Kern liegen bei gleicher Frequenz die Spannungswerte
tiefer. Bei magnetisierbarem, elektrisch nichtleitenden Material (Ferrit) sinkt
die Frequenz, während sich die Spannung nur wenig ändert. Die Anwendung eines Speicheroszillographen
erlaubt eine besonders einfache Prüfung der Kern-Eigenschaften. Zweckmäßig wird
der Kondensator so gewählt, daß die interessierenden Werkstoffeigenschaften eine
besonders starke Verschiebung des Punktes bewirken.
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h) Niederenergetische Anwendung. Anstelle des Verstärkers Tektronix
AM 501 können auch integrierte Operationsverstärker wie beispielsweise Typ AD 507
verwendet werden. Dieser arbeitet noch mit einer Speisespannung von 5 V und ermöglicht
daher den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung. Seine Ausgangsspannung kann
auf einen zweiten Verstärker (Typ 741) gegeben werden, der als Folger geschaltet
ist, so daß das Signal, dessen Information unmittelbar in seiner Frequenz liegt,
auch über lange Leitungen störungsfrei übertragen werden kann. In Verbindung mit
der unter d) und f) genannten Messung ist an die Anwendung zur Füllstandsmessung
in Raffinerien oder an die Kontrolle der Lüftungseinrichtungen in Bergwerken zu
denken.
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Fig, 2 zeigt die neuartige Schaltung zur Erzeugung von LR-Kippschwingungen.
Hier führt dieselbe Spule 1 in Verbindung mit demselben Verstärker 2 und dem Widerstand
4 Kippschwingungen aus, da ein Teil der Ausgangsspannung über den Spannungsteiler
5 auf den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers geleitet wird. Am Ausgang
des Verstärkers entsteht eine Rechteckspannung, deren Frequenz stark von der komplexen
Induktivität und damit von den Eigenschaften des Spulenkerns abhängt. Der funktionale
Zusammenhang zwischen Frequenz und Kern-Eigenschaften wird durch die Wahl des Widerstandes
4 und des Spannungsteilers 5 bestimmt. Beispielsweise sei der Widerstand 4 gleich
5000 Ohm und der Spannungsteiler 5 gleich 20 000 Ohm. Der Spannungsteiler 5 werde
so eingestellt, daß sich eine Frequenz von 10 kHz ergibt. Wird dann ein ohmscher
Widerstand von 30 Ohm in'Reihe mit der Spule 1 geschaltet, dann sinkt die Frequenz
auf 3,5 kHz. Ein Kupferstab von 13 mm als Kern in die Spule gebracht, senkt die
Frequenz auf 1,4 kHz, ein Eisendraht von 1,5 mm 0 senkt die Frequenz auf 0,55 kHz.
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Die Schaltung eignet sich besonders in Verbindung mit großflächigen
Spulen als Metall-Suchgerät. Im übrigen ergeben sich dieselben Anwendungsmöglichkeiten
wie für die Schaltung nach Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt die neuartige Schaltung für einen LR-Brückenoszillator.
Er besteht aus einer frequenzunabhängigen partiellen Rückführung des Ausgangssignals
des Verstärkers 2 durch den Spannungsteiler 5 (gewählt 20 000 Ohm) auf den invertierenden
Eingang und einer frequenzabhängigen partiellen Rückführung des Ausgangssignals
auf den nichtinvertierenden Eingang mittels der Reihen-Parallel-Schaltungskombination
aus den Widerständen 6 und 8 (jeweils 1000 Ohm) sowie den Spulen 1 und 7 (jeweils
47 mH).
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Der Spannungsteiler 5 wird so eingestellt, daß die Frequenz 6,8 kHz
beträgt. Wird ein ohmscher Widerstand von 5 Ohm in Reihe mit der Spule 1 geschaltet,
so sinkt die Frequenz auf 6,3 kHz. Ein Kupferstab von 13 mm , als Kern in die Spule
1
gebracht, senkt die Frequenz auf 6,3 kHz, ein Eisendraht von
1,5 mm senkt die Frequenz auf 1,4 kHz.
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Die Schaltungen nach Fig. 2 und 3 haben den Vorteil besonders hoher
Empfindlichkeit; die Schaltung nach Fig. 1 den Vorteil besonders hohen Informationsgehalts
durch die gleichzeitige Frequenz- und Spannungsvariation. Die Schaltungen werden
daher zweckmäßig kombiniert angewandt.
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