DE3900413A1 - Vorrichtung zum messen des gehalts magnetischer bestandteile nichtmetallischer proben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Gehalts magnetischer Bestandteile (im folgenden kurz:
Magnetstoffgehalt) in nichtmetallischen Proben. Die Erfin­ dung kann bei der Herstellung von Schleif- und Baustoffen, Hochfrequenzkeramik sowie Lebensmitteln wie z.B. Mehl und Zucker verwendet werden.

Bekannt ist eine Vorrichtung zum Messen des Magnetstoffge­ halts in Proben (US-A-38 08 524) mit einem Meßoszillator, in dessen Spule eine Probe eingeführt wird, einem Eichfre­ quenzerzeuger, einem Mischer, dessen Eingänge an die Aus­ gänge der Generatoren und dessen Ausgang über einen Tief­ paßfilter an den Eingang eines Frequenz/Spannungs-Umfor­ mers angeschlossen sind, dessen Ausgang mit einem Analog­ oder Digitalvoltmeter verbunden ist. Der Magnetstoffgehalt in der Probe wird gemäß einer bei der Einführung der Probe in die Meßoszillatorspule sich einstellenden Frequenzdif­ ferenz der Schwingungen des Meßoszillators und des Eich­ frequenzerzeugers ermittelt.

Diese Vorrichtung hat eine niedrige und für die Kontrolle von Proben mit einem Magnetstoffgehalt unter 0,1% unge­ nügende Empfindlichkeit. Die niedrige Empfindlichkeit der Vorrichtung wird dadurch bedingt, daß die Einführung einer Probe mit niedrigem Gehalt an Magnetstoffen in die Meßge­ neratorspule wegen unerwünschter Kopplungen zwischen dem Meßgenerator und dem Eichfrequenzerzeuger nicht immer zur Frequenzänderung des Meßgenerators führt. Außerdem ist die Empfindlichkeit der Vorrichtung wegen Mängel der Frequenz­ stabilität der beiden Generatoren begrenzt.

Bekannt ist weiterhin eine Vorrichtung zum Magnetstoffge­ haltmessen in nichtmetallischen Proben, die aus zwei iden­ tischen selbsterregenden Röhrenoszillatoren sinusförmiger Schwingungen (Meß- und Eichoszillatoren), die miteinander durch eine Schaltung zur gegenseitigen Synchronisierung verbunden sind, sowie aus einem an die Oszilla­ torenausgänge angeschlossenen 2-Kanal-Phasenmeter besteht (B.A. Glagovsky u.a. Kontrolno-izmeritelnye pribory i osnovy avtomatizatsii proizvodstva abrazivnych instrumentov, Mashinostroenie (Leningrad) 1980, S. 126, 127). Die Probe wird dabei in die Induktivitätsspule eines Meßoszillatorschwingkreises eingeführt und ändert dabei dessen Abgleichsfrequenz. Da die Meß- und Eichoszillatoren aber gegenseitig synchronisiert sind, und die Frequenz der vom Meßoszillator abgegebenen Schwingungen sich deswegen nicht ändert, kommt es zwischen den Schwingungen beider Oszillatoren zu einer Phasenverschiebung, die durch den Phasenmeter gemessen wird. Die Größe dieser Phasenver­ schiebung wird durch die folgende Formel bestimmt:

wobei
E _m die Schwingungsamplitude im Meßoszillatorkreis,
E die Amplitude synchronisierender Schwingungen, die dem Meßoszillator über die Synchronisierschaltung von dem Eichoszillator zugeführt wird,
K einen Faktor, der durch die Eigenschaften des zu messenden Stoffes sowie durch die Spulenkennwerte des Meßoszillatorstromkreises bestimmt wird, und
P den Magnetstoffgehalt in der Probe bedeuten.

Das Verhältnis E _m /E, das ein Kopplungsverhältnis zwischen den Schwingungskreisen der Generatoren darstellt, hängt vom Leitungswiderstand der Synchronisierschaltung ab. In der beschriebenen Vorrichtung hat die Synchronisier­ schaltung die Form einer fixierten Leitung, d.h. einen konstanten Kopplungsfaktor. Die Größe des Kopplungsfaktors ist so bemessen, daß die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen der Meß- und Eichoszillatoren im vorgegebenen Meßbereich für Magnetstoffe 90° nicht überschreitet. Liegt die Phasenverschiebung der Oszillatorenschwingungen über 90°, wird die gegenseitige Synchronisierung der Oszilla­ toren gestört.

Die oben angeführte Formel (1) zeigt eine nichtlineare Abhängigkeit des Phasenwinkels ϕ zwischen den Oszil­ latorenschwingungen von dem Magnetstoffgehalt P in der Probe, was zu den Meßfehlern führt. Diese Fehler sind ver­ hältnismäßig gering am Anfang der der oben angeführten Formel entsprechenden Kurve, d.h. bei niedrigem Gehalt an Magnetstoffen, und nehmen bei deren Erhöhung stark zu. In den existierenden Vorrichtungen dieser Art liegt die obere Grenze des Meßbereiches mit einer noch annehmbaren Größe der Meßfehler bei nur 0,1% Magnetstoffgehalt, während der Magnetstoffgehalt, z.B. in Schleifmitteln, 3% betragen kann. Die Meßgenauigkeit der beschriebenen Vorrichtung nimmt also mit Zunahme der zu messenden Größe ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen eines Magnetstoffgehalts in nichtmetallischen Proben so zu schaffen, daß ein durch eine nichtlineare Ab­ hängigkeit des angezeigten Meßwerts vom Magnetstoffgehalt hervorgerufener Meßfehler bei höheren Werten des Magnet­ stoffgehalts in einem vorgegebenen Meßbereich abnimmt.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Die Meßgenauigkeitserhöhung für die höheren Werte des Magnetstoffgehalts im vorgegebenen Meßbereich wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Einsatz eines schalt­ baren Widerstandsdämpfungsgliedes erreicht, das eine Glie­ derung des vorgegebenen Meßbereichs in eine Reihe von Teilmeßbereichen ermöglicht, wobei je einem davon eine be­ stimmte Stellung des Dämpfungsglieds, d.h. ein bestimmter Widerstand der Synchronisierschaltung der Meß- und Eich­ generatoren entspricht. Da die Widerstände des Dämpfungs­ glieds so bemessen sind, daß innerhalb eines jeden Teilmeßbereichs der Phasenwinkel zwischen den Meß- und Eichgeneratorschwingungen 30° nicht überschreitet, nehmen die Meßfehler, die durch die nichtlineare Abhängigkeit des genannten Phasenwinkels vom Magnetstoffgehalt hervorgeru­ fen sind, entsprechend ab.

Die Meß- und Eichgeneratoren enthalten zweckmäßigerweise je einen Operationsverstärker, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Kondensator mit einem Ausgang verbunden ist. Der Schwingungskreis eines jeden Generators ist zweckmäßigerweise an die Eingänge des entsprechenden Ope­ rationsverstärkers angeschlossen.

Diese Generatorschaltung sichert eine Erhöhung der Schwin­ gungsfrequenzstabilität des Generators und verringert einen Gesamtmeßfehler, der sonst eine Abnahme der Meßge­ nauigkeit im unteren Meßbereich verursachen würde.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zum Messen des Magnet­ stoffgehalts in nichtmetallischen Proben und

Fig. 2a bis 2k Zeitdiagramme der Signale, die die Funktion der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung illustrieren.

Die Vorrichtung zum Messen des Magnetstoffgehalts in nichtmetallischen Proben enthält einen Meßgenerator 1 (Fig. 1), der sinusförmige Schwingungen erzeugt, einen Eichgenerator 2, der ebenfalls sinusförmige Schwingungen erzeugt, einen Phasenmeter 3 und eine Synchronisierschal­ tung 4 zur Synchronisierung der Schwingungen der Generato­ ren 1 und 2. Die Generatoren 1 und 2 stellen LC-Generato­ ren dar und sind mit den identischen Bausteinen beschal­ tet. jeder Generator 1 und 2 enthält einen Operationsver­ stärker 5 mit einem zwischen die nichtinvertierenden und die invertierenden Eingänge geschalteten Schwingungskreis, der durch eine Spule 6 und einen Kondensator 7 gebildet ist. Die Schwingungsstromkreise des Meßgenerators 1 und des Eichgenerators 2 sind auf die gleiche Frequenz abge­ stimmt. Die Induktivitätsspule 6 des Generators 1 ist so ausgeführt, daß man in deren Inneres eine zu messende Probe einführen kann.

Der invertierende Eingang jedes Operationsverstärkers 5 ist an die Masseschiene 8 der Vorrichtung angeschlossen.

Zwischen den nichtinvertierenden Eingängen jedes Opera­ tionsverstärkers 5 und deren Ausgängen ist je ein Konden­ sator 9 geschaltet. Als Ausgang jedes der Generatoren 1 und 2 dient der Ausgang des entsprechenden Operationsver­ stärkers 5.

Die beschriebene Schaltung der Generatoren 1 und 2 bietet einen Vorteil, da sie infolge der Stabilität von Operationsverstärkerkenndaten und einer minimalen Anzahl von Schaltelementen im Schwingungsstromkreis eine hohe Stabilität der Generatorenfrequenz gewährleistet. Eine hohe Stabilität der Schwingungsfrequenz der Generatoren 1 und 2 führt zur Abnahme des Gesamtfehlers und begünstigt eine Erweiterung des Meßbereichs zu kleineren Meßwerten, bei denen sonst das Meßergebnis stark durch diese Meß­ fehler verfälscht würde. Ist ein kleiner Magnetstoffge­ halt, wie z.B. in der Größenordnung von Tausendstel Pro­ zent zu messen, so können auch andere Schaltungen der Meß- und Eichgeneratoren, wie z.B. dreistufige eingesetzt wer­ den.

Ein Phasenmeter 3 enthält zwei identische Kanäle und eine Anzeigeeinrichtung, z.B. ein Zeigermeßinstrument 10. Der erste Kanal des Phasenmeters 3 weist einen Impulsgeber 11, ein Invertierglied 12, ein JK-Flipflop 13, einen Tiefpaß 14 und einen Sourcefolger 15 auf. Der zweite Kanal besteht ebenfalls aus einem Impulsgeber 16, einem Invertierglied 17, einem JK Flipflop 18, einem Tiefpaß 19 und einem Sourcefolger 20. Die Impulsgeber 11 und 16 formen die sinusförmigen Schwingungen zu Rechteckimpulsen um, deren Dauer der Halbperiode der Sinusschwingungen gleich ist.

Als Impulsgeber 11 und 16 können NAND-Glieder eingesetzt werden.

Die Eingänge der Impulsgeber 11 und 16 sind die Eingänge des Phasenmeters und an die Ausgänge der Generatoren bzw. 2 angeschlossen. Der Ausgang des Impulsgebers 11 ist mit dem K-Eingang des Flipflops 18 und über das Invertier­ glied 12 mit dem J-Eingang des Triggers 13 verbunden. Der Ausgang des Impulsgebers 16 ist mit dem K-Eingang des Flipflops 13 und über das Invertierglied 17 mit dem J-Ein­ gang des Flipflops 18 verbunden. Die Q-Ausgänge der Flip­ flops 13 und 18 sind über die Tiefpäße 14 und 19 mit den Eingängen der Sourcefolger 15 bzw. 20 verbunden, die als Leistungsverstärker dienen. Die Ausgänge der Sourcefolger 15 und 20 sind an das Zeigermeßinstrument 10 angeschlos­ sen, dessen Skala in Meßeinheiten des Magnetstoffgehalts, und zwar in Prozente, geteilt ist.

Erfindungsgemäß weist die Synchronisierschaltung 4 zur Synchronisierung der Generatoren 1 und 2 zwei identische Spulen 21 und 22 und ein schaltbares Dämpfungsglied 23 auf, das aus einem Umschalter 24 und mehreren, z.B. vier, Widerständen 25, 26, 27 und 28 besteht. Die Spule 21 ist mit der Spule 6 des Meßgenerators 1 und die Spule 22 induktiv mit der Spule 6 des Eichgenerators 2 verbunden.

Die ersten Wicklungsenden der Spulen 21 und 22 sind mit­ einander und mit der Masseschiene 8 der Vorrichtung gekoppelt. Das zweite Wicklungsende der Spule 21 ist mit dem Umschaltkontakt des Umschalters 24 und das zweite Wicklungsende der Spule 22 mit den zusammengeschalteten ersten Anschlüssen der Widerstände 25, 26, 27 und 28 gekoppelt. Der zweite Anschluß jedes der Widerstände 25, 26, 27 und 28 ist an den entsprechenden Umschaltkontakt des Umschalters 24 angeschlossen.

Die Anzahl umschaltbarer Stufen des Dämpfungsglieds 23 und folglich die Anzahl der Widerstände im Dämpfungsglied hängt vom vorgegebenen Meßbereich und von der erforder­ lichen Genauigkeit ab; je weiter der Meßbereich und je höher die erforderliche Genauigkeit ist, desto mehr Wi­ derstände soll das Dämpfungsglied 23 enthalten. Das Dämpfungsglied 23 dient zur Gliederung eines vorgegebenen Meßbereichs in eine Reihe von Teilmeßbereichen, von denen jedem ein bestimmter Wert des Widerstands des Stromkreises 4 gegenseitiger Synchronisierung, d.h. ein bestimmter Wert eines E _m /E-Faktors in der Formel (1) entspricht. Ein vorgegebener Meßbereich von 0 bis 3% kann z.B. in Teilbe­ reiche 0 bis 0,1%; 0 bis 0,3%, 0 bis 1% und 0 bis 3% bei einem Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 25 bis 28 entsprechend 3 : 1 : 0, 3 : 0,1 geteilt werden. Die Messungen können dadurch in den verschiedenen Teilberei­ chen in Abhängigkeit von der Höhe der Meßgröße durchge­ führt werden, wobei durch eine entsprechende Auswahl der Werte der Widerstände 25 bis 28 eine Abnahme der Meßfehler für höhere Meßwerte im vorgegebenen Meßbereich erreichbar ist. Bei den meisten modernen Verfahren liegt eine techno­ logisch zulässige Meßfehlergrenze in der Regel nicht über 10%. Um diese Meßgenauigkeit zu gewährleisten, müssen laut Berechnungen die Widerstandswerte der Widerstände 25 bis 28 so auf die Phasenverschiebung zwischen den Schwin­ gungen des Meßgenerators 1 und des Eichgenerators 2 ein­ wirken, daß diese Verschiebung an einer oberen Grenze jedes Teilmeßbereichs 30° nicht überschreitet.

Die Dämpfungsgliedschaltung kann sich natürlich unter Be­ rücksichtigung der oben genannten Anforderungen an die Wahl der Dämpfungswiderstände von der in Fig. 1 gezeigten Schaltung unterscheiden.

Die Funktion der Vorrichtung wird mit Hilfe der Fig. 2a bis 2k erklärt, deren linke Hälften elektrische Signale an den Ausgängen der Schaltungselemente ohne eine Probe in der Spule 6 des Meßgenerators 1 und deren rechte Hälften Signale an den Ausgängen derselben Schaltungselemente mit einer in die Spule 6 des Meßgenerators 1 eingeführten Probe darstellen.

Die Generatoren 1 und 2 erzeugen sinusförmige Schwingungen gleicher Amplitude und Frequenz, die in den Fig. 2a bzw. 2b gezeigt sind, wobei ohne Probe in der Spule 6 des Gene­ rators 1 die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen der Generatoren 1 und 2 gleich Null ist. Diese Schwingun­ gen werden den Eingängen der Impulsgeber 11 und 16 zuge­ führt, an deren Ausgängen Rechteckimpulse mit einer Dauer T, die eine Halbperiode der sinusförmigen Schwingungen der Generatoren 1 und 2 beträgt, und mit einer der Frequenz dieser Schwingungen gleichen Schaltfrequenz erzeugt wer­ den, wie aus den Fig. 2c bzw. 2d ersichtlich. Diese Impul­ se werden durch die Invertierglieder 12 und 17 invertiert. Die Ausgangsimpulse der Invertierglieder 12 und 17 sind in den Fig. 2e bzw. 2f gezeigt. Die Ausgangsimpulse des Im­ pulsgebers 11 werden dem K-Eingang des Flipflops 18 und die Ausgangsimpulse des Invertierglieds 17 dem J-Eingang des Flipflops 18 zugeführt. Die Ausgangsimpulse des Im­ pulsgebers 16 werden dem K-Eingang des Flipflops 13 und die Ausgangsimpulse des Invertierglieds 12 dem J-Eingang des Flipflops 13 zugeführt. Die Ausgangsimpulse der Flip­ flops 13 und 18 sind in den Fig. 2g bzw. 2h gezeigt. Im betreffenden Falle, d.h. ohne Probe in der Spule 6 des Meßgenerators 1, haben diese Impulse die gleiche Dauer T, wie auch die Ausgangsimpulse der Impulsgeber 11 und 16. Aus dieser Folge der Ausgangsimpulse der Trigger 13 und 18 werden durch die Tiefpäße 14 bzw. 19 konstante Komponenten abgegeben, die in den Fig. 2i bzw. 2j gezeigt sind. Diese konstanten Komponenten sind gleichwertig, wodurch die Anzeigeeinrichtung 10, die eine Stromdifferenz zwischen diesen mißt, eine Nullanzeige liefert. Der Strom durch das Anzeigeinstrument 10 ist in Fig. 2k gezeigt.

Bei der Einführung der Probe in Form eines festen Körpers oder eines fließenden Pulvers im speziellen Behälter ins Innere der Spule 6 des Meßgenerators 1, ändern sich die Abgleichswerte des Schwingkreises. Wegen der gegenseitigen Synchronisierung der Generatoren 1 und 2 führt die Ein­ stell-Änderung der Abgleichung eines davon zur Phasenver­ schiebung zwischen ihren Schwingungen (Fig. 2a und 2b rechts). Die Schwingungsfrequenz der Generatoren 1 und 2 wird dabei nicht geändert. Die Größe der genannten Pha­ senverschiebung wird durch die Formel (1) bestimmt. Dem­ entsprechend erfolgt auch eine Verschiebung der Ausgangs­ impulse des Impulsgebers 11 (Fig. 2c) bezogen auf die Aus­ gangsimpulse (Fig. 2d) des Gebers 16 um eine Größe t, die der Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen der Generatoren 1 und 2 proportional ist, was wiederum zur Änderung der Dauer der Ausgangsimpulse der Flipflops 13 und 18 führt. jetzt beträgt die Impulsdauer (Fig. 2g) am Ausgang des Flipflops 13 T+Δ t und die Impulsdauer (Fig. 2h) am Ausgang des Flipflops 18 entsprechend T-Δ t.

Dadurch nimmt die Gleich-Komponente (Fig. 2i) der Impuls­ folge des Flipflops 13 zu, und dieselbe (Fig. 2j) des Flipflops 18 ab. Die Stromstärke durch das Anzeigeinstru­ ment 10 (Fig. 2k) entspricht dabei der doppelten Phasen­ verschiebung zwischen den Schwingungen der Generatoren 1 und 2 und ist folglich der Meßgröße proportional.

Während der Messung wird der Umschalter 24 des Dämpfungs­ glieds 23 in eine Stellung gebracht, in der der Zeiger des Anzeigers 10 sich im anzeigenden Skalenteil befindet. Die oben genannte Auswahl der Widerstandswerte der Widerstände 25 bis 28 begrenzt dabei den Phasenverschiebungswinkel der Generatoren 1 und 2, der an der oberen Grenze eines entsprechenden Teilmeßbereichs keine 30° überschreiten wird. Die Formel (1) wird dabei wie folgt umgeschrieben:

mit einem Meßfehler höchstens 2% für jeden Meßunterbe­ reich. In diesem Zusammenhang ermöglicht die erfindungsge­ mäße Vorrichtung, den Magnetstoffgehalt mit einem Gesamt­ meßfehler von höchstens 10% zu messen.

Die beschriebene Ausführung der Erfindung ist selbstver­ ständlich nur als Beispiel angeführt. Insbesondere können andere Schaltungen des Dämpfungsglieds und des Phasenme­ ters, wie z.B. mit digitalen Zählschaltungen, eingesetzt werden.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Messen des Gehalts magnetischer Bestandteile nichtmetallischer Proben mit

• - einem Meßgenerator (1), der sinusförmige Schwingungen erzeugt,
• - einem Eichgenerator (2) zur Erzeugung sinusförmiger Schwingungen, deren Frequenz der Schwingungsfrequenz des Meßgenerators (1) gleich ist,
• - einer Synchronisierschaltung (4) zur gegenseitigen Synchronisierung der Schwingungen der Generatoren (1, 2) und
• - einem Phasenmeter (3), der an die Ausgänge der Gene­ ratoren (1, 2) für die Messung einer Phasenverschie­ bung ihrer Schwingungen bei der Einführung einer Probe in eine Induktivität (6) des Schwingungskreises des Meßgenerators (1) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierschaltung (4) ein schaltbares Wider­ standsdämpfungsglied (23) enthält, das den Widerstand der Synchronisierschaltung (4) in Abhängigkeit vom Mag­ netstoffgehalt in der Probe so ändert, daß die Pha­ senverschiebung der Schwingungen der Generatoren (1, 2) bei einem beliebigen Gehalt magnetischer Bestandteile in der Probe innerhalb eines vorgegebenen Meßbereichs 30° nicht überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgenerator (1) und der Eichgenerator (2) je einen Operationsverstärker (5) enthalten, dessen nicht­ invertierender Eingang über einen Kondensator (9) mit dem Ausgang verbunden ist, wobei der Schwingungskreis des Generators (1 oder 2) an die Eingänge des Opera­ tionsverstärkers (5) angeschlossen ist.