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Anordnung zur Messung magnetischer Gleichfelder Die Erfindung bezieht
sich auf eine Anordnung zur Messung der Stärke von magnetischen Feldern und besteht
darin, daß eine von einem hochfrequenten Strom durchflossene und mit einem magnetisch
geschlossenen Kern versehene, von der Feldstärke abhängige, in das betreffende Feld
hineinzubringende Induktivität vorgesehen ist, deren jeweilige Änderung ein Maß
für die Stärke des zu prüfenden Feldes darstellt. Bei der Messung wird also die
Wirkung der durch das zu messende Felid gegebenen Vor, magnetisierung auf die Induktivität
der den Kern umschließenden Spule festgestellt und auf die Feldstärke zurückgeschlossen.
Zwar ist es bekannt, wechselstromdurchflossene Wandler oder Drosseln mit Eisenkern
um einen Gleichstromleiter zu legen, um durch das sich ausbildende Feldqdie Stärke
des durch den Leiter fließenden Stromes zu messen. Jedoch handelt es sich dort lediglich
um technischen Wechselstrom (50 Hz), der sehr große Induktivitäten erfordert, so
daß insbesondere bei Messung geringer Änderungen der Feldstärke in vielen Fällen
keine ausreichende Empfindlichkeit erzielbar ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hingegen ist insbesondere bei Wahl
eines geeigneten Kernmaterials trotzdem m außerordentlich empfindlich und ermöglicht
es, Unterschiede in der Feldstärke bis Zu U 118oo Gauß festzustellen.
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Bei der Wahl Qs Rermnaterials ist es wichtig, solches mit möglichst
geringer Permeabilität zu verwenden, um eine Verformung und Stärkeänderung des zu
messenden Magnetfeldes möglichst klein zu halten.
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Ferner hat sich gezeigt, daß magnetische Stoffe niedriger Anfangspermeabilität
einen gleichförmigeren Permeabilitätsabfall unter dem Einfluß des Fremdfeldes aufweisen
als Stoffe hoher Permeabilität. Als besonders zweckmäßig hat sich die Verwendung
g eines Massekernes erwiesen mit einer sehr geringen Korngröße, vorteilhaft unter
10 », und die Verwendung solcher Teilchen in ungepreßtem Zustand. Ein brauchbares,
aus bekannten Stoffen ohne weiteres herstellbares Kernmaterial besteht beispielsweise
aus Karbonyleisenteilchen, die in eine plastische Masse, etwa Wachs, eingebettet
sind.
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Der Eisenkern muß im übrigen auch so bemessen sein, daß wesentliche
Verzerrungen des zu messenden Feldes durch den Kern nicht herbeigeführt werden.
Man wird also Abmessungen von wenigen Millimetern im allgemeinen möglichst nicht
überschreiten.
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Um Wirbelstrombiltdung außerhalb der Meßspule zu vermeiden, ist es
erforderlich, dem Kern einen geschlossenen Kraftlinienweg
zu geben,
vorzugsweise eine Kreisringform, so daß die auf den Kern gewickelte Spule Toroidform
erhält.
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Die N Messung ist naturgemäß von der Lage des Kernes bzw. der Spule
innerhalb des zu messenden Feldes abhängig, so daß man die Eichung des Meßgerätes
entweder bei senkrechter Lage der durch die Spulenachse gelegten Ebene zu den Kraftlinien
des zu messenden Feldes oder bei paralleler Lage vornehmen und die Spule späterhin
stets in einer der Eichlage entsprechenden Lage anwenden muß. Diese letzte Forderung
läßt sich in bequemer Weise erfüllen, weil man jeweils nur bei unbekannter Richtung
der Feldkraftlinien den Höchstwert oder den Mindestwert durch Veränderung der Spulenlage
herauszusuchen braucht.
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Da wegen der geringen Permeabilität der in der Meßspule benutzten
Massekerne und wegen der räumlichen Kleinheit der Spule auch die Induktivitätswerte
der Meßspule gering sind und d beispielsweise nur Bruchteile eines Millihenry betragen,
bedient man sich zur Feststellung der Induktivitätsänderung hochfrequenter 5 chaltungsanordnungen,
deren Seibstinduktionen ja die Größenordnung derjenigen der Meßspule haben.
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Wichtig ist ferner bei der Verwendung hochfrequenter Erregerströme
die Abschirmund der Apparatur gegen fremde Wechselfelder, die z. B. durch eine Kupferpanzerung
erreicht werden kann.
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In bezug auf die Schaltung liegen sehr verschiedene Möglichkeiten
vor, wobei in jedem Falle ein hochfrequenter Senderkreis benutzt wird. Man kann
nun die Meßspule unmittelbar in diesem Senderkreis anordnen, so daß der Senderkreis
durch die Vormagnetisierung des Spulenkernes unmittelbar verstimmt wird.
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Es ist aber auch möglich, die Meßspule als Kopplungselement zu verwenden,
so daß der Kopplungsgrad entsprechend der Vormagnetisierung des Spulenkernes geändert
wird.
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Bei unmittelbarer Verstimmung des Senderkreises wird d die Meßspule
zweckmäßig in den Gitterkreis geschaltet, doch ist audl eine Einschaltung in (den
anoden Anodenkreis angekoppelten Kreis möglich. Zur Festlegung einer Normal frequenz,
der gegenüber die Verstimmung gemessen wird, kann entweder ein besonderer Schwingungskreis
an den Erregerkreis angekoppelt sein, so daß eine im Gitterkreis des Senders liegende
Kapazität veränderlich gemacht werden muß, oder es kann die Kapazität im Gitterkreis
unveränderlich sein, und der besondere angekoppelte Kreis kann mit einer veränderlichen
Kapazität ausgerüstet sein.
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Zur Feststellung der Resonanz dient in jedem Falle ein im Anodenkreis
der Senderöhre liegendes Meßgerät. Die Feldstärke kann an dem Ausschlag dieses Meßgerätes
unmittelbar abgelesen werden, wenn im übrigen alle Größen völlig konstant gehalten
werden, d. h. es dürfen sich weder die Spannungen von Anoden- und Heizstromquelle
verändern, noch darf die verwendete Senderöhre im Laufe der Zeit Änderungen zeigen
bzw. ohne neue Eichung gegen eine andere ausgewechselt werden.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
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In der Fig. I ist die Meßinduktivität, bestehend aus einem ringförmigen
Massekern und einer darauf angeordneten toroidförmigen Wicklung, mit I bezeichnet.
Die Induktivität bildet mit einem Kondensator 2 einen Schwingungskreis, von welchem
das Gitter einer Röhre 3 gesteuert wird. Der Anodenstromkreis der Röhre 3 ist über
Kopplungsspulen 4 auf den Gitterkreis zurückgekoppelt und über die Primärwicklung
eines Hoclifrequenztransformators 5 und ein Meßinstrument 7 geschlossen. Die Sekundärseite
des Hochfrequenztransformators 5 ist durch einen Kondensator 6 zu einem Schwingungskreis
ergänzt. Die gesamte Anordnung mit Ausnahme der Stromquellen und des Meßinstrumentes
7 ist von einer z. B. aus Kupferblech hergestellten geschlossenen Hülle 8 umgeben,
die, um das Schaltbild möglichst wenig zu stören, gestrichelt eingezeichnet ist.
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Die Wirkungsweise der Anordnung erklärt sich wie folgt: Durch den
aus Sekundärspule des Transformators 5 undKapazität 6 gebildeten Schwwingungskreis
ist eine Normalfrequenz festgelegt. Wenn man nun durch entsprechende Einstellung
der beispielsweise von Hand veränderlichen Rückkopplung 4 die Röhre zum Schwingen
bringt und durch Änderung, der Kapazität 2 die Eigenfrequenz des Gitterkreises stetig
verändert, dann wird das Meßinstrument 7 ein sdarfes Strommaximmu beitderjenigen
Frequenz zeigen, welche gleich der Resonanzfrequenz des Sdlwingungskreises 5, 6
ist. Es ist demnach möglich, mit Hilfe des Meßinstrumentes 7 den die Meßspule enthaltenden
Gitterkreis auf gleiche Eigenresonanz mit dem Kreis 5, 6 einzustellen. Die Eigenfrequenz
des Gitterkreises ist aber von der Größe der Induktivität der Meßspule I abhängig,
so daß nach entsprechender Eichung die bei Frequenzübereinstimmung beider Schwingkreise
sich ergebende Einstellung des Kondensators 2 ein Maß für die Vormagnetisierung
des Kernes der Meßspule darstellt. Die Eichung geht in der Weise vor sich, daß unter
sorgfältiger Fernhaltung aller Fremdfelder von der Meßspule I zunächst einmal der
Nullpunkt auf der Skala des Drehkondensators 2 bestimmt wird. Danach wird
die
Spule I in ein auf gewünschte Werte einstellbares FeM gebracht und die Skala des
R : onidensators entsprechend den eingestellten Feldstärken geeicht.
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Es ist selbstverständlich, daß man die Kondensatoren 2 und 6 in der
Weise gegeneinander auswechseln kann, daß der Kondensator 2 eine feste Kapazität
erhält, während die Kapazität des Kondensators 6 veränderlich gemacht wird. Dadurch
ändert sich an der Wirkungsweise des Gerätes nichts.
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Die Rückkopplung 4 zwischen Gitter und Anodenkreis wird zweckmäßig
in gewissen Grenzen veränderlich gemacht, und zwar schon deshalb, weil selbst Röhren
der gleichen Type untereinander verschiedene Charakteristiken haben, so daß zum
Schwingungseinsatz verschieden starke Rückkopplungen erforderlich sind. Außerdem
muß die Rückkopplung vorzugsweise dann veränderlich sein, wenn nicht, wie bei dem
Ausführungsbeispiel, der Kondensator 2, sondern der Kon densator 6 mit veränderlicher
Kapazität ausgebildet ist. In diesem Fall verändert sich nämlich die Eigenfrequenz
des Gitterkreises entsprechend der gemessenen Feldstärke, und mit Rücksicht auf
diese Änderung der Eigenfrequenz muß auch die Rückkopplung veränderlich sein. Man
kann die Frequenzänderung bei der Rückkopplung unter Umständen hinreichend kompensieren,
wenn man der im Anodenkreis liegenden Rückkopplungsspule eine verhältnismäßig große
Windungszahl gibt, so daß sie als induktiver Widerstand wirksam wird. Wählt man
dabei die Rückkopplung hinreichend stark, dann kann man auch ganz ohne Veränderung
der Rückkopplung auskommen und muß im ungünstigsten Falle einmal eine Röhre ausscheiden,
deren Charakteristik entweder von vornherein nicht steil genug ist oder im Laufe
einer längeren Betriebszeit sich zu weitgehend verschlechtert hat.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 2 dargestellt. Dabei
sind die gleichen Teile wieder mit den gleichen Ziffern bezeichnet. Die Meßspule
bildet bei diesem Ausführungsbeispiel nicht mehr einen Teil des Gitterkreises; sie
dient vielmehr zur tSberkopplung zwischen Anodenkreis der Schwingröhre und einem
aus einer Induktivität 10 und einer veränderlichen Kapazität g bestehenden Schwingungskreis.
Der Anodenstrom wird über einen hohen induktiven Widerstand II an der Meßspule vorbeigeführt.
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Eine vor die Meßspule geschaltete Kapazität 12 verhindert eine unerwünschte
Vormagnetisierung der Spule. Zur Anzeige dient ein Meßgerät I3, das, um eine möglichst
hohe Empfindlichkeit zu erzielen, ein Gleichstrominstrument mit vorgeschaltetem
Gleichrichter I4 ist und von dem die an der Kapazität 9 erzeugte Spannung gemessen
wird. Die Messung geht in der Weise vor sich, daß zunächst einmal durch genaues
Einstellen der Kapazität 9 der Schwingungskreis 10, 9 auf Resonanzübereinstimmung
mit dem Gitterkreis gebracht wird. Der dann an dem Instrument 13 abzulesende Ausschlag
bildet den Ausgangspunkt für die Messung. Aus dem Meßausschlag des Instrumentes
I3 wird die Änderung des induktiven Widerstandes der Meßspule bestimmt, die sich
aus der Vormagnetisierung durch das zu messende Feld ergibt.
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Zur Ablesung der gemessenen Werte kann auch die Skala eines veränderlichen
Kondensators dienen, der einem der beiden Kreise zugeordnet ist. In diesem Falle
muß die Kondensatoreinstellung durch Ermittlung des Resonanzpunktes vorgenommen
werden. Dazu wird zweckmäßig die Anodenstromstärke mit Hilfe eines Meßinstrumentes
angezeigt. Die Feldstärke kann aber auch unmittelbar in der oben angegebenen Weise
an einem Meßinstrument abgelesen werden, insbesondere, wenn die Meßspule zur Kopplung
zwischen den beiden Kreisen benutzt wird, aber auch dann, wenn die Meßspule einen
Teil eines der beiden Kreise bildet. Im zuletzt genannten Fall kann unter der obengenannten
Voraussetzung der Konstanz der übrigen Größen die veränderliche Kapazität durch
eine feste Kapazität ersetzt werden.
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An Stelle des gedämpften Schwingungskreises der Anordnung nach Fig.
I kann schließlich auch ein weiterer Sender mit einer zweiten Röhre benutzt werden.
Dieser zweite Sender wird in der Frequenz möglichst konstant gehalten, und der Frequenzunterschied
zwischen ihm und dem die Meßspule enthaltenden Schwingungskreis wird zur Messung
nach dem Uberlagerungsverfahren herangezogen, wobei entweder die Sdwebuiigsfrequenz
unmittelbar abgehört oder zur Anzeigte gebracht wird oder aber durch Änderung der
Kapazität des die Meßspule enthaltenden Kreises eine Nullmethode verwendet wird.
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PATENTANSI) RUCIIE : I. Anordnung zur Messung magnetischer Gleichfelder,
dadurch gekennzeichnet, daß eine von einem hochfrequenten Strom durchflossene und
mit einem magenetisch geschlossenen Kern versehene, von der Feldstärke abhängige,
in das betreffende Feld hineinzubringende Induktivität vorgesehen ist, deren jeweilige
Änderung ein Maß für die Stärke des zu prüfenden Feldes darstellt.