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Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von magnetisierbaren
Körpern gleichmäßigen Querschnittes unter Benutzung eines im Prüfkörper erregten
magnetischen Feldes, dessen Änderung mittels Induktionsspulen festgestellt wird.
Als Prüflinge können z. B. Röhren, Drahtseile oder gewalztes bzw. gezogenes Stangenmaterial
verwendet werden. Die Prüfung erstreckt sich auf die metallurgischen Eigenschaften
der Prüflinge und auf die Prüfung von Rissen, Lenkern usw. im Prüfling in einem
Arbeitsverfahren.
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Auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung sind schon
Verfahren bekannt, mit denen die metallurgischen Eigenschaften von Prüflingen festgestellt
werden.
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Auch das Vorhandensein vonRissen, Lunkern usw. kann durch bekannte
Verfahren geprüft werden. Sämtlichen bisher bekannten Verfahren zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung haften aber zwei Nachteile an: a) es kann jeweils nur die Prüfung
auf metallurgische Eigenschaften oder nur die Prüfung auf Risse erfolgen. b) Eine
laufende Prüfung ist nicht möglich.
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Diese Nachteile w-irkten sich bisher so aus, daß man sich mit sogenannten
Stichproben begnügen mußte. Man rechnete deswegen noch mit Sicherheitskoeffizienten,
d. h., man wählte einen an sich ausreichenden Ouerschnitt noch größer, damit beim
Vorhandensein beispielsweise eines Risses in diesem nicht geprüften Stück, doch
eine gewisse Sicherheit bei Belastung besteht. Die vorliegende Erfindung besitzt
die folgenden Eigenschaften: I. sehr kleine Ansprechzeiten bei der Prüfung, 2. handliche
Bauart, so daß sie ohne große Übung von einem durchschnittlichen Bedienungsmann
bedient werden kann, 3. die verschiedenen zu prüfenden Eigenschaften des Werkstoffes
werden zu gleicher Zeit an verschiedenen Anzeigevorrichtungen deutlich ablesbar
angezeigt,
4. die Vorrichtung kann zur Prüfung von Prüflingen verschiedener
Abmessungen leicht und schnell umgebaut werden, 5. de empfindlichen Teile der Vorrichtung
sind im Moment des Auswechselns der Prüflinge gegen starke Überlastungen infolge
der an den Enden der Prüflinge auftretende Endeffekte automatisch geschützt.
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6. zur bequemen Zu- und Abführung der mit hohen Geschwindigkeiten
durch das Prüfgerät laufenden Prüflinge ist eine besondere Vorrichtung vorgesehen.
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Die unter I bis 6 angegebenen Eigenschafteil beziehen sich auf eine
Prüfung. die zu gleicher Zeit die metallurgischen Eigenschaften und das Vorhandensein
von Rissen feststellt. Es wird also die Aufgabe einer Werkstoffprüfung gelöst, die
nicht mehr auf Stichproben angewiesen ist, sondern die schnell und zuverlässig jedes
Werkstück prüft Eine Vorrichtung, welche die unter I bis G genannten Bedlingungen
erfüllt, wird in den Abb. 1 und 2 schematisch dargestellt. Hierbei stellt Abb. I
das Prüfspulenaggregat der Vorrichtung dar. während Abb. 2 einen chaltplan der gesamten
elektrischen Einrichtung zeigt.
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Das Prüfspulenaggregat ist so angeordnet. daß bei Prüfung von Prüflingen
verschiedener Abmessungen es leicht und schnell umgebaut werden kann. Es besteht
aus den aus isolierendem Material hergestellten Flanschen I und in iii welche das
ebenfalls aus isolierendem Alaterial hergestellte Rohr 3 eingepaßt ist. Dieses Rohr
3 trägt zwischen den Flanschen 5 und 6 die Primärspule.
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Die Flanschen I und 2 sind auf einer Grundplatte 7 befestigt. Zwei
weitere Flanschen 8 und 9. ebenfalls aus isolierendem Material, sind leicht in das
Rohr 3 eingepaßt und tragen die Rohre 0 und II, von denen das innere Rohr 10 die
den verschiedenen Prüfzwecken dienenden Sekundärspulen trägt.
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Das eine Ende des Sekundärspulenaggregats ist vorzugsweise noch mit
einem Trichter 8a versehen, um die Einführung der Prüflinge in das Rohr 10 zu erleichtern.
Im Wirkungsbereich des im Prüfling durch die Primar-Spule 4 erzeugten magnetischen
Wechselfeldes befinden sich also mehrere, auf einem gemeinsamen Trager den Prüfling
umschließenden Induktionsspulen, In der AIitte des Rohres 10 ist eine mit einem
Mittelabgriff verschene Sekundärspule 12 angebracht, welche im Zusammenhang mit
dem dazu gehörigen elektrischen Kreis zur Untersuchuolg der metallurgischen Eigenschaften,
wie Härte, chemische Zusammensetzung usw. des zu untersuchenden Werkstoffes dient.
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Im folgenden soll dieser Kreis kurz mit Werkstoffanalysenkreis bezeichnet
werden.
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Zu beiden Seiten der Spule 12 befinden sich zwei Spulenpaare 13.
14 und 15, 16, die so angeordaet sind, daß immer eine Spule eines Paares näher am
Prüfling liegt, als die zweite Spule desselhen Paares. I) iese beiden Spulenpaare
dienen im Zusammenhang mit dem dazugehörigen elektrischen Kreis zum Aufsuchen von
Rissen. Lunkern u. dgl. mm Werkstoff. Dieser Kreis soll im folgenden kurz mit Rissesuchkreis
bezeichnet werden.
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Außerdem trägt das Rohr 10 zwei starke Kurzschlußringe 17 und 18.
welche ungefähr in der höhe der Enden der Primärspule 4 angebracht sind und zur
Abschirmung der an den Enden der Prüflinge auftretenden Streutelder dienen. An den
Enden des Rohres 10 sirid weiterhin zwei Spulen 19 und 20 angebracht, die in Verbindung
mit einer Verstärkerschaltung und einem Relais die Anzei gegeräte der Vorrichtung
stromlos machen, wenn kein Prüfling im Prüfspulenaggregat ist. oder der Prüfling
nahezu aus dem Aggreat herausgezogen ist. Auf diese Art und Weise wird eine Überlastung
der Anzeigegeräte automatisch vermieden. Die Zuleitungen zu den einzelnen Spulen
sind in dem Kabel 21 zusammengefaßt und werden über den Mehrfachstecker 22 mit dem
übrigen Tell der Apparatur verbunden. Außerdem enthält das Spulenaggregat noch die
Hilfsspule 23, welche aus einer Primärspule 24 und einer Sekundärspule 25 25 besteht.
deren Wirkungsweise später erläutert werden soll.
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Durch die Zusammenfassung sämtlicher Prüfspulen zu einem gemeinsamen
Spulensatz und die Magnetisierung des Prüflings mittels einer einzigen gemeinsamen
Primärspule wird die unabhängige Prüfung des Werkstoffes auf verschiedene. Eigenschaften
bei gleichen Versuchsbedingungen möglich. Dabei ist durch die beschriebene Anordnung
der Sekundärspulen eine Zeitersparnis beim Priifen auf Risse und metallurgische
Eigenschaften möglich. die für die Aufgabe einer laufenden Prüfung notwendig ist.
Die gleichzeitige Prüfung auf Risse und metallurgische Eigenschaften eines Prüflings
liegt bei dem hellen Verfahren in der Größenordnung von Sekunden, während bei den
bisher bekaiinten Verfahren mit erheblich größeren Zeiten rechnet werden muß.
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Abb. 2, in welcher die elektrische Anordnung der IS verschiedenen
Prüfkreise dargestellt ist. besteht zur Hauptsache aus drei Teilen, und zwar ist
im linken Teil der Zeichilung hauptsächlich der Rissesuchkreis, in der Mitte der
Instrumentenschutzkreis und rechts der Werkstoffanalysenkreis dargestellt.
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Die den Prüfling A umschließende Primärbpule ; wird über die Widerstände
28 und 29,
das Amperemeter 27 und die Primärhilfsspule 24 von der
Wechselstromquelle 26 gespeist.
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Im folgenden seien die den verschiedenen Aufgaben dienenden Stromkreise
an Hand der Fig. 2 im einzelnen beschrieben: Rissesuchkreis.
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Zu diesem Kreis gehören die beiden Spulenpaare 13, 14 und I5, I6.
Es soll erreicht werden, daß bei dem Vorhandensein von Rissen durch die Sekundärspulenpaare
13, 14 und 15, I6 eine Glimmlampe über eine Kompensationsschaltung, einen Verstärker,
gegebenenfalls einen Gleichrichter und ein gittergesteuertes Gasentladungsrohr geschaltet
wird. Eine derartige Anordnung besitzt auch bei hoher Prüfgeschwindigkeit eine ausreichende
Empfindlichkeit und hält die Anzeige für längere Zeit fest; sie sei im folgenden
genauer beschrieben : Die beiden Spulen jeden Paares sind gegensinnig gewickelt
und so angeordnet, daß eine Spule näher am Prüfling liegt als die andere Spule desselben
Paares. Beispielsweise ist die Spule I3 im Uhrzeigersinn, die Spule 14 gegen den
Uhrzeigersinn (oder umgekehrt) gewickelt. Die beiden Spulenpaare sind in einer Briickenschaltung
gegeneinander geschaltet, so daß ihre Wirkungen sich im allgemeinen aufheben. Wie
aus der Zeichnung ersichtlich. werden die zwei weiteren Brückenglieder durch die
Hälften des Potentiometers 30 gebildet. Zur Abgleichung der Brücke wird eine am
Widerstand 29 abgegriffene Spannung über das Potentiometer 33 in den Brückenkreis
eingeführt. Die Brücke ist außerdem mit einem Eingangstransformator 31 verbunden,
welcher als Anpassungsglied für den Verstärker 34 dient. Die Wirkungsweise dieses
Rissesuchkreises ist folwende: Ein Riß im Prüfling bewirkt eine Verzerrung des magnetischen
Feldes hauptsächlich in Richtung senkrecht zur Prüflingsachse. Verzerrungen des
Magnetfelds, welche durch Spannungen im Prüfling verursacht sind, erstrecken sich
fast durchweg iiber größere Längen des Prüflings gleichmäßig. Durch die Anordnung
der Rissesuchspulen wird erreicht, daß nur Verzerrungen des Magnetfeldes senkrecht
zur Achse des Prüflings einen Einfluß auf das Gle-ichgewicht des Brückenkreises
haben. Auf diese Art und Weise spricht der Kreis auf Spannungsschwankungen im Material
nicht an, während Risse, Lunker usw. das Brüclçengleichgewicht stören und über den
Verstärker 3ß, den Ausgangstransformator 35 und das Potentiometer 36 eine Anzeige
an dem Anzeigegerät 37 hervorrufen.
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Eine über größere Länge des Prüflings gleichmäßige Verzerrung des
magnetischen Feldes längs der Prüflingsachse induziert in den Prüfspulenpaaren I3,
14 und I5, I6 keine wesentliche Spannung, da die Spulenpaare in sich fast induktionsfrei
sind. Da außerdem die in den Spulenpaaren induzierten Spannungen in diesem Fall
einander gleich sind und die Spulenpaare in der Brücke gegeneinangler geschaltet
sind, bleibt das Brückengleichgewicht erhalten. Anders werden die N"erhältnisse,
wenn der Prüfling Risse, Lunker o. dgl. aufweist.
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Die Verzerrung des Magnetfeldes senkrecht zur Achse des Prüflings
bewirkt, wenn sich der Riß beispielsweise in dem Spulenpaar 13, 14 befindet, in
der Spule 13 eine andere Induktion als in der Spule 14. Dadurch wird das Brückengleichgewicht
gestört, und die über den Verstärker 34 verstärkte Spannung an der Brückendiagonale
verursacht eine Anzeige am Instrument 37.
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Normale Anzeigegeräte sind jedoch nicht trägheitslos genug, um bei
Werlistoffprüfungen mit hoher Priifgreschwindigkeit kurze Risse genügend deutlich
anzeigen zu können.
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Außerdem ist die Zeit, in der sich bei den erreichten Prüfgeschwindigkeiten
ein Riß o. dgl. im Prüfspulensatz befindet, nur äußerst gering. so daß es selbst
dann, wenn das Anzeigegerät trägheitslos genug wäre, sehr anstrengend wäre, die
kurzzeitigen und schnellen Ausschläge des Zeigers zu beobachten.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung sieht daher eine Anordnung vor,
mit Hilfe deren Risse u. dgl. auch bei erhöhten Prüfgeschwindigkeiten klar und deutlich
genug angezeigt werden, ohne den Prüfenden zu ermüden.
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Die an dem Ausgangstransformator 35 auftretende Sekundärspannung
wird in dem Gleichrichterrohr 38 gleichgerichtet und erzeugt tandem Widerstand Ao
einen Spannungsabfall. Der Kondensator 41 dient zur Glättung des gleichgerichteten
Wechselstromes.
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Die am Widerstand 40 auftretende Gleichspannung wird als Gittervorspannung
an einem gittergesteuerten Gasentladungsrohr 43 angelegt. Eine zusätzliche konstante
Gittervorspannung wird der Gleichstromquelle. über das Potentiameter 42 entnommen.
Die Anodenspannung wird dem gittergesteuerten Rohr aus derselben Gleichstromquelle
über den Schaltern 51 und die Spule 48 eines hochempfindlichen Schaltrelais zugeführt.
Der Schaltarm 51 stellt über den Kontakt 53 die Verbindung der Anodenbatterie mit
der Anode des Rohres her. Über den Kontakt 52 ist eine Glimmlampe 50 angeschlossen.
In dem Moment, wo an dem Brückenkreis eine Spannung auftritt und damit die Gittervorspannung
des gittergesteuerten Gasentladungsrohres
positiver wird, kommt
diese zum Zünden, und ein Anodenstrom fließt über die RelaisspuleS, so daß der Schaltarm
51 den Kontakt 53 unterbricht und den Kontakt 52 schließt. Dadurch wiederum zündet
die Glimmlampe 50 und gibt ein deutliches Signal für die Anwesenheit eines Risses
im Prüflingskörper. Zwischen der Kathode des Gasentladungsrohres und der Relaisspule
ist ein Kondensator 49 geschaltet, welcher, so lange der Kontakt 53 geschlossen
ist, auf die Anodenspannung aufgeladen ist. Wird durch das Ansprechen des Relais
48 der Kontakt 52 geschlossen, so entlädt sich der Kondensator 49 über die Relaisspule
48 und das Gasentladungsrohr so lange, bis die Spannung aln Kondensator unter die
Brennspannung des Gasentladungsrohres gesunken ist. Dann erlischt das Rohr, der
Schaltarm 51 des Relais 48 geht in seine ursprüngliche Lage zurück, die Glimmlampe
50 erhält keinen Strom mehr und der ganze Kreis ist wieder in Bereitschaftsstellung.
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Da das gittergesteuerte Gasentladungsrolir vollliommen trägheitslos
arbeitet, werden mit dieser Vorrichtung selbst dann Risse einwandfrei angezeigt,
wenn sie sich nur in der Zeit einer halben Wechselstromperiode in den Prüfspulen
befinden. Ermöglicht wird diese kurzzeitige Feststellung von Rissen dadurch, daß
die Ausgangsspannung des Transformators 35 gleichgerichtet ist. An sich würde das
Rohr 43 auch ohne diese Gleichrichtung ansprechen. Es könnte jedoch der Fall eintreten,
daß ein Riß gerade dann durch die Prüfspule läuft, wenn die Wechselstromamplitude
falsches Vorzeichen hat und die Gittervorspannung negativer macht, statt sie positiver
zu machen. Durch die Doppelweggleichrichtung im Rohr 38 wird die negative Gittervorspannung
in jedem Fall verringert, so daß keine Risse unbemerkt durch die Spulen laufen können.
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Werkstoffanalysenkreis.
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Veränderungen der metallurgischen Eigenschaften des Prüflings haben
eine Änderung der Wellenform der in der Spule 12 induzierten Wechselspannung zur
Folge. Der Werkstoffanalysenkreis wirkt als trägheitsloser Synchronschalter, der
es gestattet, die Momentanwerte der Wechselspannung an beliebigen Phasenpunkten
zu messen. Die in den beiden Hälften 55 und 56 der Spule 12 induzierte Wechselspannung
wird in dem Rohr 57 vollweg gleichgerichtet. Eine hierzu synchrone, ebenfalls vollweg
gleichgericht@te Wechselspannung möglichst großer Amplitude wird als Gittervorspannung
an die System@ des Rohres 69 gelegt, so daß das Rohr nur während kurzer, einander
entsprechender Momente aufeinanderfolgender Halbperioden stromführend wird. Dieser
pulsierenden Gittervorspannung ist an einem System des Rohres 69 die gleichgerichtete
Induktionswechselspannung und eine verinderliche Gleichspannung (Spannungsquelle
75) zugesehaltet. Durch den an dem Phasenpunkt, an dem das Rohr 69 stromführend
wird, herrschenden Momentanwert der 1ndukti onsspannung wird der Spannungsimpuls
der Gittervorspannung am linien System des Rohres 69 erhöht und bewirkt einen entsprechend
der Amplitude der Induktionswechselspannung vergrößerten Stromdurchgang.
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Die Stromimpulse der beiden Systeme des Rohre 69 werden gegeneinander
geschaltet, so daß sie sich aufheben, wenn sie gleich sind.
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Eine Veränderung der Impulse des Systems 6S, 7a, 76 des Rohres 69
bewirkt eine Störung des Gleichgewichtes der Kompensationsschaltung und nach Verstärkung
durch das Rohr S6 einen Ausschlag am Instrument 93.
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Da im allgemeinen Härte, chemische Beschaffenheit u. dgl. des Prüflings
über größere Bereiche annähernd konstant sind, d. h. beim Durchlauf des Prüflings
durch die Prüfspulen sich Schwankungen der Werkstoffeigenschaften nicht in allzuschnellen
Änderungen der Indulitionskurve bemerkbar machen. genügt es, für diese Prüfung ein
normal es Anzeigegerät an der Stelle 93 einzuschalten.
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Durch Veränderung des Phasenpunktes, bei dem der Momentanwert der
Indulitionsspannung gemessen wird, mittels des Phasenschiebers 59, lassen sich verschiedene
Eigenschaften des Werkstoffes, wie Härte u. dgl., von einander getrennt kontrollieren.
Außerdem können mehrere gleichartige solcher Kreise dazu verwendet werden, die Veränderung
der Induktionswechselspannung an mehreren Phasenpunliten gleichzeitig zu kontrollieren.
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Instru men tenschutzkreis.
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An den Enden der Prüflinge treten infolge der Streuung der magnetischen
Kraftlinien starlie Änderungen in der Feldstärke auf, welche einerseits zu falschen
Schlüssen in der Werkstoffbeschaffenheit, andererseits beim Herausziehen der Prüflinge
aus den Spulen zu Beschädigungen der Anzeigegeräte durch Überlastung führen können.
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Um dem vorzubeugen, sind die Kurzschlußringe 17 und 18 angebracht,
in denen starke Wirbelströme entstehen, welche die Wirkungen des magnetischen Feldes
außerhalb der Primärspule abschirmen. Diese Xílordnung ist von besonderem Vorteil,
wenn @s sich darum handelt, kürzere Prüfstücke, beispielsweise
Bolzen
o. dgl., zu untersuchen.
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Anders hingegen ist es, wenn es sich um die-Prüfung von längeren Stücken
handelt. In diesem Falle spielen die an den Enden der Prüflinge auftretenden Streufelder
nur eine geringe Bedeutung, da abgesehen von den meist unwichtigen Endstücken eine
störungsfreie Prüfung auch ohne die Kurzschlußringe möglich ist. Um jedoch einen
vollständigen automatischen Schutz gegen diese Endeffekte zu erhalten, ist eine
Vorrichtung vorgesehen, welche bei Annäherung der Enden des Prüfrings an die Prüfspulen,
d. h. also in dem Moment, wo der Endeffekt sich störend bemerkbar machen würde,
die Anzeigegeräte außer Betrieb setzt.
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Die zum Instrumentenschutzkreis ehörigen Spulen 19 und 20 liegen
mit den Potentiometern 97 und 98 in einer Brückenschaltung. Die Spulen 19 und 20
sind jedoch so in die Brückenzweige eingeschaltet, daß in beiden Spulen eine Veränderung
des den Prüfling umgebenden Magnetfeldes die Spannung in der Brückendiagonale im
gleichen Sinn ändert. Die Brücke ist also im allgemeinen nicht im Gleichgewicht.
Die Spannung in der Brückendiagonale wird durch die sekundäre Hilfsspule 25 kompensiert
für den Fall, daß sich kein Prüfling im Prüfspulenaggregat befindet. Dann liegen
an den mit den Potentiometern 97 und 98 verbundenen Transformatoren 99 und 100 keine
Spannungen, die Gitterkreise 103 und 104 der Dioden-Trioden-Röhren IOI und 102 liefern
keine Gittervorspannung, und es wird durch beide Rohre ein Strom fließen, so daß
die Spule des Relais 105 erregt wird und den Schalter 32 schließt, den Schalter
108 öffnet.
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Damit ist im Fall, daß sich kein Prüfling im Prüfspulenaggregat befindet,
der Eingangstransformator 31 des Rissesuchkreises kurz geschlossen und die Zuleitung
zu dem Instrument 93 des V'erkstoffanalysenkrei ses unterbrochen. Auf diese Weise
sind die empfindlichen Teile beider Kreise vor Überlastungen geschützt.
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Wird ein Prüfling beispielsweise von der Seite der Spule 20 her in
das Priifspulenaggregat eingeführt, so wird zunächst die Spule 20 erregt. Dadurch
wird die Gittervorspannung des Rohres IOI negativer, und das Rohr wird stromlos.
Währenddessen ist aber das Rohr 102 immer noch stromführend, so daß die Relaisspule
105 noch erregt ist und den Anker festhält. Dadurch bleibt zunächst der Schalter
32 geschlossen und der Schalter 108 geöffnet. Erst wenn der Prüfling soweit durch
das Prüfspulenaggregat geschoben wird, daß sein Ende sich in der Spule 19 befindet,
wird auch das Rohr 102 stromlos, die Relaisspule 105 ist nicht mehr erregt und der
Schalter 32 wird geöffnet, der Schalter 108 geschlossen, so daß der Rissesuchkreis
und der Werkstoffanalysenkreis in Bereitschaft sind. Der umgekehrte Vorgang tritt
auf, wenn der Prüfling aus dem Prüfspulenaggregat herausgezogen wird; dann wird
zunächst die Erregung einer der beiden Spulen kleiner, so daß durch eines der beiden
Rohre 101 und 102 ein Strom fließen kann und die Schalter 32 und 108 durch das Relais
.105 bestätigt werden. Der Instrumentenschutzkreis gewährt also einen vollautomatischen
Schutz an den empfindlichsten Teilen der Prüfkreise gegen plötzliche Oberlastung
infolge der schon früher als Endeffekt bezeichneten Wirkung der Streufelder an den
Enden der Prüflinge.