DE2919983A1

DE2919983A1 - Elektromagnetisches pruefverfahren

Info

Publication number: DE2919983A1
Application number: DE19792919983
Authority: DE
Inventors: Martin Prof Dr Ing Lambeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-05-15
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1980-11-27

Description

Elektromagnetisches Prüfverfahren
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der elektrischen, magnetischen oder geometrischen Eigenschaften eines Körpers oder seiner Lage durch Wechselwirkung mit einer Spule oder einem Kondensator, die in Verbindung mit einem Verstärker selbsterregte elektromagnetische Schwingungen ausführen bzw. zur Prüfung induktiver oder kapazitiver Bauelemente, die selbst Teil des Schwingkreises sind.
Befindet sich elektrisch leitfähiges und/oder magnetisierbares Material im Einflußbereich einer Spule, so wird deren Induktivität und Wirkwiderstand geändert. Es ist bekannt, die Spule durch einen Kondensator zu einem Parallel-Schwingkreis zu ergänzen, der von einem externen Generator pulsförmig zu erzwungenen Schwingungen erregt wird, und dessen Dämpfung zu messen (Nachrichtentechnik 12, 335 (1962)). Es ist auch bekannt, die Spule mit einem Kondensator zu einem Parallel-Schwingkreis zu ergänzen und diesen in Verbindung mit einem Verstärker selbsterregte Schwingungen ausführen zu lassen. Zahlreiche derartige, meist für Metall-Suchgeräte verwendete Schaltungen sind beschrieben in: Markus, "Guidebook of Electronic Circuits" Verlag Mc Graw Hill, New York 1974, Seite 496 ff. Das Deutsche Patent 1917855 beschreibt einen Hartley-Oszillator zur Materialprüfung.
All diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sie einen hohen Schaltungsaufwand in speziellen Geräten erfordern und dennoch einen relativ geringen Informationsgehalt bieten. Der Grund dafür ist, daß die Frequenz der Schwingung durch den Materialeinfluß nur relativ wenig geändert wird, weil die Induktivität nur gemäß der Wurzelfunktion in die Frequenz eingeht. Die Auswertung der Frequenzänderung durch Schwebungsmessung erfordert einen zweiten Oszillator. Die Dämpfung eines Parallel-Schwingkreises ist nur schwer meßbar; sie wird daher nicht quantitativ feinstufig, sondern nur zur Ja-Nein Aussage des Schwingens oder Nichtschwingens benutzt. Zudem erfolgt die Amplitudenbegrenzung der Schwingung durch die gekrümmte Kennlinie des Verstärkers, die zeitlichen Änderungen unterworfen ist. Die Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Mängel zu beseitigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spule und der Kondensator in Reihen-Resonanz schwingen. Bei Reihen-Resonanz wird die Spannung an der Spule und am Kondensator durch Resonanzüberhöhung wesentlich größer als die Ausgangsspannung des Verstärkers. Diese Resonanzüberhöhung hängt empfindlich von den Eigenschaften des Materials im Einflußbereich der Spule ab und kann leicht hochauflösend mit einem handelsüblichen Digitalvoltmeter gemessen werden. Wird der Verstärker nicht unter Ausnutzung einer gekrümmten Kennlinie, sondern zwischen scharf definierten Sättigungswerten betrieben, so besteht ein zusätzlicher Vorteil darin, daß derartige Sättigungswerte leichter konstant gehalten werden können als gekrümmte Kennlinien. Zur Ausnutzung dieses Vorteils muß also der Verstärkungsfaktor des Verstärkers so hoch und seine Amplitudenbegrenzung so wirksam sein, daß seine Ausgangsspannung unabhängig von der Impedanz<-des Schwingkreises näherungsweise eine Rechteckspannung mit konstanter Amplitude ist. Die Erfindung hat also den Vorteil, nur einfache handelsübliche Geräte zu verwenden und dennoch einen hohen Informationsgehalt zu bieten.
Zur Erzeugung selbsterregter Schwingungen muß die Rückkopplung des Signals vom Schwingkreis zum Verstärker unter Beachtung der Phasenverhältnisse im Reihen-Schwingkreis erfolgen, sie muß also von den üblichen Rückkopplungs-Techniken, die beim Parallel-Schwingkreis angewendet werden können, abweichen. Im folgenden wird die einfachste, dem Reihen-Schwingkreis angepaßte Möglichkeit verwendet, nämlich die Rückkopplung mittels eines ohmschen Widerstandes.
Fig. 1 zeigt die verwendete Schaltung zur Erzeugung selbsterregter Reihen-Resonanz-Schwingungen.
Bei Resonanzfrequenz heben sich die Scheinwiderstände der Spule 1 und des Kondensators 2 auf; der Widerstand des Schwingkreises ist rein ohmisch, und der Strom durch den Schwingkreis ist in Phase mit der Spannung an seinen Enden.
Wird also die Eingangsspannung eines nichtinvertierenden Breitband-Verstärkers 4 durch Abgriff am Widerstand 3 gewonnen, dann ist die für Selbsterregung erforderliche Phasengleichheit zwischen Ausgangs- und Eingangssignal des Verstärkers genau für die Resonanzfrequenz erfüllt.
Das technische Handeln wird im folgenden an einem'Ausführungsbeispiel erläutert. Eine Spule 1 (Länge 25 mm, Innendurchmesser 17 mm, Außendurchmesser 30 mm, 2000 Windungen 0,2 mm Kupferlackdraht, Induktivität 47 mH) wird mit einem Kondensator 2 von 300 pF und einem Widerstand 3 von 1 Ohm in Reihe geschaltet. Der Schwingkreis befindet sich zwischen dem Ausgang eines Verstärkers 4 (Tektronix AM 502) und Erde. Der im Schwingkreis fließende Strom erzeugt am Widerstand 3 einen Spannungsabfall, der dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 4 zugeführt wird.
Am Ausgang des Verstärkers entsteht eine Rechteckspannung mit einer Amplitude von 6,5 Volt, dagegen steht am Kondensator eine Sinusspannung, deren Effektivwert infolge der Resonanzüberhöhung 208 Volt beträgt. Anstelle der Spannung am Kondensator kann auch die Spannung am Kondensator und Widerstand, am Widerstand oder der Strom im Schwingkreis gemessen werden.
Dies ist zweckmäßig nach der Lage der Instrumente, ihrer Empfindlichkeit und ihrer Eingangsimpedanz zu entscheiden. Die folgenden Zahlen beziehen sich auf die Messung der Spannung am Kondensator mit einem Digitalvoltmeter.
Wird die Spule auf eine 30 zum dicke Aluminiumfolie aufgesetzt, sinkt die Spannung von 208 Volt auf 92 Volt. (Schichtdickenmessung). Wird die Spule auf eine massive Kupferplatte aufgesetzt, beträgt die Spannung 167 Volt, hat sie einen Abstand von 1 mm von der Kupferplatte, beträgt die Spannung 176 Volt (Abstandsmessung, z.B. zur Messung der Dicke von Lackschichten). Ein Kupferstab von 10 mm im Innern der Spule senkt die Spannung auf 113 Volt, bei 13 mm auf 83 Volt (Durchmesserprüfung). Bei Messing sind die entsprechenden Werte 87 Volt und 62 Volt. (Leitfähigkeitsprüfung). Es kann also bei bekanntem Durchmesser auf die Leitfähigkeit und bei bekannter Leitfähigkeit auf den Durchmesser geschlossen werden (Verwechslungsprüfung).
Eine höhere Information wird erreicht, indem zusätzlich zur Spannung auch die Frequenz der Schwingung ausgewertet wird, die mit einem Frequenzmesser am Ausgang des Verstärkers gemessen wird. Die den Analog-Ausgängen der Spannungs- bzw.
Frequenzmesser entnommenen Spannungen werden auf die Y- bzw.
X-Achse eines Speicheroszillographen gegeben, so daß dieser den funktionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Frequenz aufzeichnet. Wird ein Kupferstab schrittweise in den Spulenraum eingebracht, so entsteht auf dem Speicheroszillograph eine U(f) Kurve. Bei Verwendung eines Messingstabes ergibt sich ein anderer U(f) Verlauf. Somit kann durch die Betrachtuny des Oszillographenbildes auf die Leitfähigkeit des Materials geschlossen werden, ohne daß der Durchmesser des Stabes bzw. seine Lage genau bekannt zu sein braucht. Das gleiche gilt für die Annäherung des Spule an elektrisch leitendes Blech. Auch hier kann die Leitfähigkeit des Bleches ermittelt werden, ohne daß der Abstand der Spule von dem Blech genau bekannt zu sein braucht. An die Stelle der visuellen Betrachtung des Oszillographenbildes kann die Speicherung der U(f) Werte und Verarbeitung durch einen Rechner treten.
Das für die elektrische Leitfähigkeit Gesagte gilt sinngemäß auch für die magnetische Permeabilität. Ein Kupferdraht von 1,5 mm senkt die Spannung auf 198 Volt; Ein gleich dicker Eisendraht auf 39 Volt (Permeabilitätsprüfung). Ebenso deutlich sind die Unterschiede hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit magnetisierbarer Stoffe. Während Eisen die Spannung senkt, bewirkt elektrisch nichtleitender Ferrit eine Erhöhung der Spannung verbunden mit starker Absenkung der Frequenz. Ebenso eignet sich das Verfahren zur Qualitätskontrolle magnetischer Prüfflüssigkeiten, wie sie zur Rißanzeige verwendet werden.
Aus diesen Gründen eignet sich das Verfahren auch zur begleitenden Kontrolle mechanischer Experimente, wie Zug-und Zerrüttungsversuche. So kann es durch die Anzeige bleibender Eigenschaftsänderungen als Nachweis der Elastizitätsgrenze dienen. Ebenso reagiert es auf die Umwandlung von Stoffen, die unter dem Einfluß mechanischer Wechselbeanspruchung ferromagnetisch werden. Dies betrifft auch metailurgische Experimente in Bezug auf Phasenumwandlungen, Ausscheidungen usw.
sofern sich bei diesen Vorgängen die elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften ändern. Das gleiche gilt für andere Werkstoffeigenschaften, die die elektrischen oder magnetischen Werte beeinflussen, wie Härte, Entkohlung, Kaitsprödigkeit, innere mechanische Spannungen sowie Unregelmäßigkeiten der geometrischen Form z.B. durch Risse.
Da die magnetische Permeabilität durch mechanische Einflüsse geändert wird, eignet sich das Verfahren auch für mechanische Messungen. Hierzu wird ein magnetostriktiv empfindliches Material z.B. Nickel in der Spule angeordnet. Wird das Nickel durch eine Maschine oder ein Bauwerk mechanisch beansprucht, so ändert sich seine Permeabilität und damit ändern sich die elektrischen Spannungen im Schwingkreis.
Wird ein Kern in der Spule verschoben. ändern sich die elektrischen Spannungen im Schwingkreis entsprechend der Lage des Kerns in der Spule. Das Verfahren kann daher auch zur kontaktlosen Wegmessung beispielsweise Füllstandsanzeige dienen. Wird als Kern ein nichtmagnetisierbares Material z.B.
Kupfer verwendet, hat das Verfahren vor den bekannten Differentialtransformatoren den Vorteil, unabhängig von äußeren Magnetfeldern zu sein.
Anstelle des Verstärkers Tektronix AM 502 kann auch ein integrierter Schaltkreis wie z.B. AD 509 oder eine andere der bekannten Verstärkerschaltungen treten. Im Falle des AD 509 wird zweckmäßig der Widerstand 3 auf 47 Ohm und der Kondensator 2 auf 1600 pF erhöht. Die Ausgangsspannung wird durch zwei entgegengesetzt geschaltete Zener-Dioden begrenzt.
Nicht nur die Eigenschaften der Spule, sondern auch die des Kondensators werden durch Materialien in seinem Einflußbereich geändert. Dieser Einfluß zeigt sich besonders deutlich bei höherer Frequenz. Zur Erzielung dieser Frequenz wurde eine Spule mit einer Induktivität von 1 mH verwendet. Als Kondensator dient ein Plattenkondensator aus zwei Platten von 260 mm und einem Abstand von 14 mm. Alles übrige bleibt unverändert. Die am Kondensator gemessene Spannung reagiert auf Material, das zwischen die Platten gebracht wird und zwar sowohl isolierendes Material als auch insbesondere Wasser.
Wird ein mit Wasser gefülltes Reagenzglas zwischen die Platten gebracht, so steigt die Spannung von 83 Volt auf 87 Volt.
Dieser Wert ändert sich durch die Zugabe von Substanzen wie Kochsalz.
Das Verfahren ist demnach auch zur Feuchtigkeitsmessung von Textilien, Papier, Baustoffen, Lebensmitteln u. dergl.
sowie zur Leitfähigkeitsmessung-von Flüssigkeiten und zur Überwachung chemischer Prozesse geeignet.
Das Verfahren kann auch angewendet werden, wenn eine Spule mit ihrem Kern verbunden ist und als induktives Bauelement (Spule, Drossel, Tonkopf usw.) als Ganzes die Spule 1 des Schwingkreises bildet. Bei bekannter Kapazität des Kondensators 2 ergibt sich die Induktivität nach bekannten Formeln aus der Frequenz, die Güte aus der Resonanzüberhöhung. Das gleiche gilt sinngemäß für die Prüfung von Kondensatoren. Durch dieses Verfahren wird der sonst bei der Resonanzmessung von Impedanzen erforderliche Generator und die Einrichtung zum Aufsuchen der Resonanzfrequenz gespart. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 4 und der Wert des jeweils bekannten Schwingkreis-Elements sind so zu wählen, daß die durch Resonanzüberhöhung entstehende Spannung das zu prüfende Bauelement nicht beschädigt.
Um die Belastung des Schwingkreises durch die Messung möglichst gering zu halten und/oder den Meßkreis galvanisch vom Schwingkreis zu trennen, kann an die Stelle einer direkten Messung am Schwingkreis eine Messung mittels kapazitiver oder induktiver Auskopplung treten. So genügt es, einen handelsüblichen Oszillographen-Tastkopf (10 MR, 8,5 pF) 3 cm entfernt von dem Kondensator 2 anzuordnen, um mit einem angeschlossenen Digitalvoltmeter die Resonanzüberhöhung des Schwingkreises messen zu können.
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Claims

Patentansprüche Verfahren zur Prüfung der elektrischen, magnetischen oder geometrischen Eigenschaften eines Körpers oder seiner Lage durch Wechselwirkung mit einer Spule oder einem Kondensator, die in Verbindung mit einem Verstärker selbsterregte elektromagnetische Schwingungen ausführen, bzw. zur Prüfung induktiver oder kapazitiver Bauelemente, die selbst Teil des Schwingkreises sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) und der Kondensator (2) in Reihen-Resonanz schwingen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anwendung der Schaltung nach Fig. 1, wonach die Spule (1) und der Kondensator (2) und der Widerstand (3) in Reihe zwischen den Ausgang des Verstärkers und Erde geschaltet sind und die am Widerstand (3) abfallende Spannung dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers (4) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch Anwendung eines Verstärkers, der eine näherungsweise rechteckförmige Ausgangspannung mit konstanter Amplitude erzeugt.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der an den Elementen des Schwingkreises auftretenden Spannungen und/oder der Strom im Schwingkreis gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der selbsterregten Schwingung gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der funktionale Zusammenhang zwischen den nach Anspruch 4 gemessenen Werten und der nach Anspruch 5 gemessenen Frequenz graphisch dargestellt rmd/oder rechnerisch ausgewertet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Resonanzüberhöhung des Schwingkreises mittels kapazitiver oder induktiver Auskopplung erfolgt.