DE4322987A1 - Spule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, von dem ein Teil als Meßfeld dient, mit wenigstens einer an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Wicklung, die wenigstens zwei Anschlüsse aufweist, wobei ein erster Anschluß auf geerdetem oder erdnahem Low-Potential und ein zweiter Anschluß auf gegenüber dem Low-Potential höherem High-Potential liegt.

Bei der Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes mittels einer Spule werden gleichzeitig auch durch Streukapazitäten elektrische Felder erzeugt. Diese elektrischen Felder bilden insbesondere bei hochempfindlichen Messungen unter Verwendung des magnetischen Feldes eines erheblichen Störfaktor. Da bei Messungen mit Hilfe des erzeugten, magnetischen Feldes minimalste Änderungen erfaßt werden sollen, können auch bereits kleinste elektrische Felder gravierende Fehlmessungen hervorrufen.

In das magnetische Meßfeld solcher Spulen können Prüflinge gebracht werden, um zum Beispiel deren dielektrische Eigenschaften zu messen.

Werden zum Beispiel bei Suchspulen von Metallsuchgeräten vergleichsweise starke Magnetfelder verwendet und wird auch mit niedriger Frequenz des Wechselfeldes gearbeitet, sind die vorhandenen Auswirkungen der auftretenden Streukapazitäten relativ gering.

Bei hoch- oder höchstempfindlichen Anwendungen mit Suchspulen oder dergleichen, zum Beispiel zur Messung der dielektrischen Eigenschaften des zu prüfenden Mediums unter Verwendung der Induktionsspannungen, welche im Prüfling erzeugt werden, sind durch Streukapazitäten hervorgerufene elektrische Felder ein unerwünschter Störfaktor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Meßanordnung mit einer ein elektromagnetisches Meßfeld erzeugenden Spule den störenden Einfluß von Streukapazitäten bzw. von elektrischen Feldern innerhalb des Meßfeldes zumindest zu reduzieren oder weitgehend zu verhindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die dem von der Spule erzeugten magnetischen Meßfeld zugewandten Wicklungsteile an das L-Potential der Wechselspannungsquelle und die dem magnetischen Feld abgewandten Wicklungsteile an das H-Potential der Wechselspannungsquelle angeschlossen sind. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird eine geometrische Feldtrennung erreicht, so daß ein störendes Ineinandergreifen des elektrischen Feldes in das magnetische Wechselfeld bzw. in den vom magnetischen Wechselfeld als Meßfeld verwendeten Teil weitestgehend vermieden wird oder stark reduziert.

Das Meßfeld liegt dabei in axialer Verlängerung der Spule, während das elektrische Streufeld sich zwischen den Spannungspotential-Polen und somit quer zum magnetischen Feld ausbildet. Durch das dem Meßfeld zugewandte, an Low-Potential angeschlossene Spulenende werden Streukapazitäten zwischen Prüfling und Spule vermieden.

In einer praktischen Ausführungsform ist erfindungsgemäß bei einer mehrlagigen Wicklung vorgesehen, daß die mit L-Potential verbundenen Wicklungslagen dem erzeugten magnetischen Meßfeld zugewandt sind und sich lagenweise zum rückseitigen, dem Meßfeld abgewandten Ende hin weitere Wicklungslagen anschließen und die letzte Wicklungslage an H-Potential der Wechselspannungsquelle angeschlossen ist.

Die einzelnen Lagen der Spule erstrecken sich hierbei quer zur Längserstreckung der Spule und bilden praktisch einzelne Scheibenwicklungen. Die dem Meßfeld zugewandte Wicklungslage bzw. die Wicklungslagen weisen dadurch nur geringe elektrische Potentialunterschiede auf, so daß sich dementsprechend auch nur schwache und in der Praxis nicht störende elektrische Felder ausbilden können.

Eine andere, erfindungsgemäße Lösung, für die selbständiger Schutz beansprucht wird sieht vor, daß die Spule zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen davon in ihrem Wicklungssinn gegensinnige Wicklungen aufweist, die an ihrem dem magnetischen Meßfeld zugewandten Enden miteinander verbunden und gegebenenfalls an das Low-Potential angeschlossen und die mit ihren anderen Enden an gegenphasige High-Potentiale angeschlossen sind.

Durch diese Maßnahme ist eine Kompensationsanordnung für die elektrischen Teilfelder gebildet, so daß auch hier ein störendes Eingreifen des durch Streukapazitäten hervorgerufenen elektrischen Feldes in das elektromagnetische Meßfeld verhindert wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Spule mit einem magnetisch leitenden, Austrittspole für das Magnetfeld, insbesondere den das Meßfeld bildenden Teilbereich aufweisenden Kern versehen ist.

Durch diesen Kern wird das magnetische Feld geführt und kann an den Austrittspolen, dem Meßfeld zugewandt, gezielt austreten.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine die Spule unter Freilassung der Austrittspole umgebende Abschirmung aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist.

Durch eine solche Abschirmung können eventuell noch auftretende, restliche elektrische Felder abgeschirmt werden, während magnetische Feldlinien nahezu ungehindert hindurchtreten können.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in der weiteren Unteransprüche aufgeführt. Nachsehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Meßanordnung mit einer Spule und einem Schalenkern,

Fig. 2 eine Spule mit Stabkern,

Fig. 3 eine Spulenanordnung mit einem U-förmigen Kern,

Fig. 4 eine Spule mit stabförmigem Kern und einer Abschirmung,

Fig. 5 eine Stirnseitenansicht der in Fig. 4 gezeigten Anordnung und

Fig. 6 eine etwa mit Fig. 1 vergleichbare Anordnung, hier jedoch mit einer Spule in herkömmlicher, zum Stand der Technik gehörender Ausbildung.

In Fig. 1 ist eine Spule 1 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes 2 auf einen Schalenkern 3 gewickelt. Das magnetische Wechselfeld 2 tritt an den stirnseitigen Polen 4, 4a des Schalenkernes 3 aus und bildet dort ein Meßfeld 5, in das ein zu untersuchender Prüfling 6 gebracht wird. Durch diesen Prüfling 6 wird das magnetische Meßfeld beeinflußt und die sich einstellende Änderung beispielsweise der Induktivität wird entsprechend ausgewertet.

Zwischen den Wicklungen bzw. auch den Windungen der Spule bildet sich entsprechend dem jeweiligen Potentialunterschied ein elektrischen Feld 7 aus. Bei einer Ausbildung der Spule in üblicher Wicklungstechnik, wie dies zur Verdeutlichung in Fig. 6 gezeigt ist, tritt das elektrische Feld 7 in gleicher Richtung wie das magnetische Wechselfeld 2 aus.

Die Spule 1a gemäß Fig. 6 ist um den mittleren Pol 4a des Schalenkernes 3 herumgewickelt, wobei sich die einzelnen Lagen 8, 8a, 8b usw. zylinderförmig parallel zur Längsachse L der Spule 1a erstrecken. Der Spulenanfang befindet sich somit innenliegend bei der Lage 8 und das Spulenende bei der äußersten Lage 8x. Der maximale Spannungs-Potentialunterschied liegt somit zwischen der ersten Wicklungslage 8 und der äußersten Wicklungslage 8x. Dementsprechend bildet sich zwischen diesen Potentialen auch das elektrische Feld 7 aus.

Der Verlauf der Feldlinien des elektrischen Feldes 7 ist sehr vom Abstand der Spule 1a vom Prüfling 6 abhängig und auch von dessen Oberflächenleitfähigkeit. Damit wird die eigentliche Messung innerhalb des Prüflings 6 mit Hilfe des magnetischen Feldes stark gestört oder in vielen Fälle unmöglich gemacht.

Durch die Ausbildung und Anordnung der Spule 1 gemäß Fig. 1 erfolgt eine weitgehende geometrische Feldtrennung von magnetischem Wechselfeld 2 und elektrischen Feld 7.

Dies wird erreicht, indem bei der in Fig. 1 gezeigten, mehrlagigen Spule 1 die einzelnen Wicklungslagen 8, 8a, 8b usw. nicht parallel zur Längsache L sondern winklig, insbesondere rechtwinklig dazu verlaufend als Scheibenwicklungen angeordnet sind. Die einzelnen Lagen sind somit in Längserstreckung der Spule scheibenartig hinter-oder nebeneinander angeordnet. Das sich zwischen Wicklungsanfang und Wicklungsende und somit zwischen der Anfangswicklungslage 8 und der Endwicklungslage 8x aufbauende elektrische Feld erstreckt sich dadurch im wesentlichen rechtwinklig zu dem magnetischen Wechselfeld 2. Eine störende Beeinflussung wird damit wirksam vermieden.

Um zwischen den dem Prüfling 6 zugewandten Wicklungsteilen (Wicklungslage 8) und dem Prüfling 6 Streukapazitäten zu verhindern, sind die dem von der Spule 1 erzeugten magnetischen Meßfeld 5 zugewandten Wicklungsteile mit dem Low- Potential L einer Spannungsquelle 9 verbunden. Das andere Spulenende an dem dem Meßfeld 5 abgewandten Ende ist dann an das High-Potential dieser Spannungsquelle 9 angeschlossen.

In Fig. 1 ist noch eine mit 10 bezeichnete Auswerteeinrichtung erkennbar, mittels der durch einen Prüfling 6 verursachte Rückwirkungen auf die Spule 1 ausgewertet werden können.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine gegenüber Fig. 1 abgewandete Meß- Spulenanordnung. Auch hierbei wird vermieden, daß das magnetische Wechselfeld 2 im Bereich des vorgesehenen Meßfeldes 5 durch elektrische Felder beeinflußt wird.

Fig. 2 zeigt eine Spule, bei der um einen Kern 3a herum zwei in ihrem Wicklungssinn gegensinnige Wicklungen 11, 11a vorgesehen sind, die an ihre dem magnetischen Meßfeld 5 zugewandten Enden miteinander verbunden sind. Dieses vordere, gemeinsame Wicklungsende ist zur Vermeidung von Streukapazitäten gegenüber dem Prüfling mit dem Low-Potential L einer Spannungsquelle verbunden. Die am rückseitigen Ende der Spule 1b befindlichen Enden 12 und 13 sind an gegenphasige High-Potentiale angeschlossen.

Bei der Ausführungsform einer Spule 1b bzw. 1c gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 3 sind die Spulenenden mit einer Gegentakt- Spannungsquelle verbunden.

Bei symmetrischer Einspeisung bei den Spulenenden 12 und 13 und guter Symmetrie der Wicklungen, könnte der Low-Anschluß auch entfallen. Auch in diesem Falle würde sich an dem dem Meßfeld 5 zugewandten Ende eine besonders geringe Streukapazität gegenüber einem Prüfling einstellen.

Gemäß Fig. 3 besteht die Spule 1c aus der doppelten Anordnung der in Fig. 2 gezeigten Spule, wobei hier eine etwa U-förmiger Kern 3b vorgesehen ist.

Anders als in Fig. 1 wird bei der Ausführungsform einer Spule gemäß Fig. 2 und 3 nicht eine geometrische Feldtrennung zwischen magnetischem Wechselfeld und elektrischem Feld vorgenommen, sondern es erfolgt hier eine interne Kompensation der zwischen den einzelnen Windungen auftretenden elektrischen Teilfelder, das heißt eine Kompensation der elektrischen Felder aus den gegenphasig angeschlossenen Windungen. Sie wirken sich dadurch nach außen hin nicht aus und beeinflussen auch insbesondere nicht das magnetische Wechselfeld 2 im Meßbereich.

Die Fig. 4 und 5 zeigen noch eine Spulenanordnung etwa vergleichbar mit der von der Fig. 2, wobei hier jedoch noch eine äußere Abschirmung 14 vorgesehen ist. Diese besteht aus käfigartig die Spule umgebenden Stäben 15, die an der dem erzeugten magnetischen Meßfeld 5 abgewandten Ende über einen ringförmigen, offenen Halter 16 leitend miteinander verbunden sind. Durch eine solche Abschirmung können noch vorhandene Reste des elektrischen Feldes weitgehend abgeschirmt werden. Der ringförmige Halter 16 ist durch einen Schlitz 17 offen ausgebildet, um unerwünschte Wirbelströme zu vermeiden.

Erwähnt sei noch, daß in den Ausführungsbeispielen bevorzugte Ausführungsformen der Spule mit Kern dargestellt sind, daß andererseits aber auch Spulenanordnungen ohne Kern, d. h. als Luftspulen ausgebildete Spulen einsetzbar sind.

Die Spule ist zweckmäßigerweise Teil eines Oszillator- Schwingkreises oder an einen Schwingkreis angeschlossen, der zu einem Oszillator gehört.

Die Meßanordnung mit der erfindungsgemäßen Spule läßt sich bevorzugt für Feuchtigkeitsmessungen in verschiedenen Medien wie zum Beispiel Papier, Textilien, Leder, Lebensmittel, Mauerwerk, Erde, Schüttgüter (Sand, Getreide und dergleichen) einsetzen. Außerdem ist die Messung dielektrischer Eigenschaften von Flüssigkeiten und Mischungen derselben möglich.

Claims (8)

1. Spule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, von dem ein Teilbereich als Meßfeld dient, mit wenigstens einer an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Wicklung, die wenigstens zwei Anschlüsse aufweist, wobei ein erster Anschluß auf geerdetem oder erdnahem Low- Potential (L) und ein zweiter Anschluß auf gegenüber dem Low-Potential höherem High-Potential (H) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die dem von der Spule (1) erzeugten magnetischen Meßfeld (S) zugewandten Wicklungsteile an das Low-Potential (L) der Wechselspannungsquelle (9) und die dem magnetischen Meßfeld (S) abgewandten Wicklungsteile an das High-Potential (H) der Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mehrlagigen Wicklung die mit L-Potential verbundene Wicklungslage (8) dem erzeugten magnetischen Meßfeld (S) zugewandt ist und sich lagenweise zum rückseitigen, dem Meßfeld abgewandten Ende hin weitere Wicklungslagen anschließen und die letzte Wicklungslage (8x) an H- Potential der Wechselspannungsquelle (9) angeschlossen ist.

3. Spule nach Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1b, 1c) zwei oder einem ganzzahligen Vielfachen davon in ihrem Wicklungssinn gegensinnige Wicklungen (11, 11a) aufweist, die an ihren dem magnetischen Meßfeld zugewandten Enden miteinander verbunden und gegebenenfalls an das Low-Potential angeschlossen sind und die mit ihren anderen Enden (12, 13) an gegenphasige High-Potentiale angeschlossen sind.

4. Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an High-Potentiale angeschlossenen Spulenenden mit einer Gegentakt-Spannungsquelle verbunden sind.

5. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1, 1b, 1c) mit einem magnetisch leitenden, Austrittspole für das Magnetfeld, insbesondere den das Meßfeld bildenden Teilbereich aufweisenden Kern (3, 3a, 3b) versehen ist.

6. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Spule (1, 1b, 1c) unter Freilassung der Austrittspole umgebende Abschirmung (14) aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist.

7. Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (14) käfigartig aus die Spule umgebenden Stäben (15) oder stabförmigen Leitern gebildet ist, die an einer Seite, dem erzeugten magnetischen Meßfeld abgewandt, vorzugsweise über einen ringformigen, offenen Halter (16) miteinander leitend verbunden sind.

8. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1, 1b, 1c) Teil eines Oszillator-Schwingkreises ist oder an einen Schwingkreis angeschlossen ist, der zu einem Oszillator gehört.