DE4127330A1

DE4127330A1 - Anordnung zur aufnahme der dynamischen hystereseschleife von magnetischen werkstoffen

Info

Publication number: DE4127330A1
Application number: DE19914127330
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Metzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-19
Filing date: 1991-08-19
Publication date: 1993-02-25

Description

Die Aufnahme der dynamischen Hystereseschleife von magnetischen Werkstoffen wird üblicherweise an ringförmigen Werkstoffproben durchgeführt, die dafür mit einer Erregerwicklung und einer Auf nehmerwicklung versehen werden. Bei den dafür bekannten Meßanord nungen wird ein in die Erregerwicklung eingespeister Wechselstrom durch einen Shunt in eine Spannung umgewandelt, deren Verlauf den zeitlichen Verlauf der magnetischen Feldstärke H in der Probe repräsentiert, und die an den X-Eingang eines Oszilloskops ange legt ist. Die Aufnehmerwicklung ist an den Eingang eines Integra tors angeschlossen, dessen Ausgangsspannung den dazugehörigen zeitlichen Verlauf des Flusses Φ in der Probe wiedergibt, welcher der Induktion B proportional ist. Diese Spannung liegt am Y-Eingang des Oszilloskops an, auf dessen Schirm somit die gesuchte dynamische Hystereseschleife abgebildet wird.

Die Form der auf diese Weise ermittelten dynamischen Hystere seschleife einer Probe ist bei gegebener Frequenz jedoch abhängig von der Impedanz des Erregerkreises und der Form des zeitlichen Verlaufes der Erregung.

Um die dynamische Hystereseschleife unter definierten Bedingungen aufnehmen zu können, erfolgt in einer bekannten Anordnung die Erregung der Probe so, daß ein vorgegebener, vorzugsweise sinus- oder dreieckförmiger zeitlicher Flußverlauf in der Probe erzwun gen wird.

Dazu ist die beschriebene bekannte Anordnung in der Weise er gänzt, daß als Anregungsquelle ein Leistungs-Operationsverstärker benutzt wird, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Sig nalausgang eines Funktionsgenerators und dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des zur Flußmessung benutzten Integrators verbunden ist (James E. Triner: Analyze magnetic loss characteri stics easily using a high power wideband operational amplifier, National Aeronautics and Space Administration, 2. 12. 1980). Durch die so realisierte Flußgegenkopplung wird erreicht, daß der zeitliche Verlauf des Flusses in der Probe exakt dem Verlauf der vorzugsweise sinus- oder dreieckförmigen Ausgangsspannung des Funktionsgenerators folgt.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß eine Drift des Integrators eine Nullpunktverschiebung der Ausgangsspannung des Anregungsver stärkers bewirkt, die nicht ausgeregelt wird, da die als Trans formator wirkende bewickelte Probe den Gleichspannungsanteil der Verstärker-Ausgangsspannung nicht überträgt. Dem Erregerstrom der Probe wird daher ein im allgemeinen unerwünschter Gleichanteil überlagert, der von Hand ausgeregelt werden muß. Dies gelingt jedoch nur, wenn die Integrationskonstante des elektronischen Integrators groß und damit seine Wandlerempfindlichkeit klein ist. Eine Messung mit hoher Wandlerempfindlichkeit, d. h. kleiner Integrationskonstante, ist somit unter der technisch wichtigen Bedingung einer reinen Wechselstrom-Erregung der Probe mit dieser Anordnung nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil diese Anordnung besteht darin, daß sich der für technische Anwendungen ebenfalls wichtige Fall einer unipola ren Erregung der Probe, bei der sich der magnetische Fluß peri odisch zwischen Null und einem Maximalwerk ändert, auf Grund der fehlenden Gleichspannungsübertragung ebenfalls nicht realisieren läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung der dynamischen Hystereseschleife von magnetischen Werk stoffen, bei der mit einer Erregerwicklung und mit einer Aufneh merwicklung versehene Werkstoffproben verwendet werden, und die aufgebaut ist mit

- einem von einem Funktionsgenerator gesteuerten Leistungs-Ope rationsverstärker, an dessen Ausgang die Erregerwicklung angeschlossen wird,
- einem im Erregerstromkreis befindlichen Shunt zur Abnahme des zur magnetischen Feldstärke H analogen Spannungsverlaufs,
- einem von der Aufnehmerwicklung gespeisten Integrator, dessen Signalausgang auf den nichtinvertierenden Eingang des Lei stungs-Operationsverstärkers rückgekoppelt ist,

derart zu verändern, daß sich der Gleichanteil der Ausgangsspan nung des Leistungs-Operationsverstärkers definiert und stabil einstellen läßt.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß

a) an den Shunt die Meßeingänge von zwei gesteuerten Spitzen gleichrichtern für den positiven sowie den negativen Spitzen wert angeschlossen sind,
b) der Ausgang des einen Spitzenwertgleichrichters mit einem Eingang eines Summierers verbunden ist,
c) der Ausgang des anderen Spitzenwertgleichrichters über einen Schalter an den zweiten Eingang des Summierers angeschlossen ist,
d) der Ausgang des Summierers mit dem Eingang eines PI-Gliedes verbunden ist, und daß
e) der Ausgang des PI-Gliedes an den nichtinvertierenden Eingang des Integrators angeschlossen ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann an einen dritten Eingang des Summierers eine einstellbare Gleichspannung angelegt sein. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist den Spit zenwertgleichrichtern ein Verstärker vorgeschaltet.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung dient zur Aufnahme der dynamischen Hystereseschleife von Werkstoffproben 1, die für die Messung mit einer Erregerwicklung 2 und einer Aufnehmerwick lung 3 versehen worden sind. Die Werkstoffprobe 1 ist ringförmig ausgebildet.

Die Anordnung enthält einen Funktionsgenerator 4, dessen Signa lausgang an den nichtinvertierenden Eingang eines Leistungs-Ope rationsverstärkers 5 angeschlossen ist. Der Ausgang des Lei stungs-Operationsverstärkers 5 ist mit der Erregerwicklung 2 der Werkstoffprobe 1 verbunden. Im Erregerstromkreis ist ein Shunt 6 angeordnet, der zur Abnahme des zur magnetischen Feldstärke H analogen Spannungsverlaufs dient. An den Shunt 6 sind die Meßein gänge 7; 8 von zwei gesteuerten Spitzenwertgleichrichtern 9; 10 für den positiven sowie den negativen Spitzenwert angeschlossen. Die Ausgänge der Spitzenwertgleichrichter 9; 10 sind mit den Eingängen eines Summierers 11 verbunden, wobei in der Verbindung zu dem einen Spitzenwertgleichrichter 9 ein Schalter 12 angeord net ist. Der Ausgang des Summierers 11 ist mit dem Eingang eines PI-Gliedes 13 verbunden, dessen Ausgang an den nichtinvertieren den Eingang eines zur Flußmessung dienenden elektronischen In tegrators 14 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang des Integrators 14 ist mit der Aufnehmerwicklung 3 verbunden. Der Signalausgang des Integrators 14 ist auf den invertierenden Eingang des Leistungs-Operationsverstärkers 5 rückgekoppelt. An einen dritten Eingang 15 des Summierers 11 ist eine einstellbare Gleichspannung angelegt.

Die Funktionsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende:

Durch die eine Flanke des rechteckförmigen Trigger-Ausgangssig nals des Funktionsgenerators 4 wird der eine Spitzenwertgleich richter 9 so gesteuert, daß er den positiven Spitzenwert des Erregerstromes abtastet und bis zur nächsten Abtastung hält, während durch die andere Flanke der andere Spitzenwertgleichrich ter 10 so gesteuert wird, daß er den negativen Spitzenwert des Erregerstromes abtastet und bis zur nächsten Abtastung hält. Die Ausgangsspannungen der beiden Spitzenwertgleichrichter 9; 10 haben dementsprechend entgegengesetzte Vorzeichen. Bei geschlos senem Schalter 12 werden sie daher im Summierer 11 voneinander subtrahiert und demzufolge ist dessen Ausgangsspannung Null, wenn die Ausgangsspannungen der beiden Spitzenwertgleichrichter 9; 10 betragsmäßig gleich groß sind. In diesem Falle verharrt die Ausgangsspannung des PI-Gliedes 13 bei ihrem gerade aktuellen Wert, und der Integrator 14 wird damit so gesteuert, daß seine Ausgangsgleichspannung den Leistungs-Operationsverstärker 5 gerade so aussteuert, wie es zur Erfüllung der Bedingung betrags mäßiger Gleichheit der beiden Strom-Spitzenwerte bei reiner Wech selstromerregung erforderlich ist.

Bei unipolarer Erregung der Werkstoffprobe 1 ist der Schalter 12 geöffnet. Durch die Trigger-Ausgangsspannung des Funktionsgenera tors 4 wird in diesem Falle der eine an den Summierer 11 ange schlossene Spitzenwertgleichrichter 10 so gesteuert, daß er den Erregerstrom zu dem Zeitpunkt abtastet, zu dem die den Leistungs-Ope rationsverstärker 5 steuernde unipolare Funktion Null ist. Das PI-Glied 13 steuert dann über den Intergrator 14 den Leistungs-Ope rationsverstärker 5 wiederum so, daß auch der Erregerstrom zu diesem Zeitpunkt zu Null wird und damit die für unipolare Erre gung geltende Bedingung erfüllt wird.

Der meßtechnische Einsatzbereich der Anordnung ist dadurch erwei tert, daß dem Summierer 11 der weitere Eingang 15 hinzugefügt ist. Eine daran angelegt Gleichspannung bewirkt, daß dem Erreger strom ein Gleichanteil überlagert wird, dessen Richtung und Betrag sich so einstellen läßt, daß auch in diesem Falle die Summe der drei Eingangsspannungen des Summierers 11 zu Null wird. Für die meßtechnische Praxis bedeutet dies, daß insbesondere bei bipolarer Erregung der Werkstoffprobe 1 die dynamische Hystere seschleife sowohl ohne als auch mit definierter Vormagnetisierung aufgenommen werden kann, ohne daß auf die Werkstoffprobe 1 eine weitere Wicklung zur Erzeugung eines überlagerten Gleichfeldes aufgebracht werden muß, deren Speisung die Beachtung bestimmter Bedingungen erfordert, um Meßfehler klein zu halten.

Claims

1. Anordnung zur Messung der dynamischen Hystereseschleife von magnetischen Werkstoffen, bei der mit einer Erregerwicklung und mit einer Aufnehmerwicklung versehene Werkstoffproben verwendet werden, und die aufgebaut ist mit

- einem von einem Funktionsgenerator gesteuerten Leistungs-Ope rationsverstärker, an dessen Ausgang die Erregerwicklung angeschlossen wird,
- einem im Erregerstromkreis befindlichen Shunt zur Abnahme des zur magnetischen Feldstärke H analogen Spannungsver laufs,
- einem von der Aufnehmerwicklung gespeisten Integrator, dessen Signalausgang auf den nichtinvertierenden Eingang des Leistungs-Operationsverstärkers rückgekoppelt ist,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) an den Shunt (6) sind die Meßeingänge (7; 8) von zwei gesteuerten Spitzenwertgleichrichtern (9; 10) für den positiven sowie den negativen Spitzenwert angeschlossen,
b) der Ausgang des einen Spitzenwertgleichrichters (10) ist mit einem Eingang eines Summierers (11) verbunden,
c) der Ausgang des anderen Spitzenwertgleichrichter (9) ist über einen Schalter (12) an den zweiten Eingang des Sum mierers (11) angeschlossen,
d) der Ausgang des Summierers (11) ist mit dem Eingang eines PI-Gliedes (12) verbunden,
e) der Ausgang des PI-Gliedes (13) ist an den nichtinvertie renden Eingang des Integrators (14) angeschlossen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einen dritten Eingang (15) des Summierers (11) eine einstell bare Gleichspannung angelegt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Spitzenwertgleichrichtern (9; 10) ein Verstärker vorgeschal tet ist.