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Anordnung zur Untersuchung von Eisenproben mit einer Synchrongleichrichter
enthaltenden Meßeinrichtung
Es ist bereits eine elektrische Meßeinrichtung vorgeschlagen,
die aus einem mechanischen, durch einen Synchronmotor angetriebenen und als Gleichrichter
vor ein Gleichstrominstrument geschalteten Druckkontakt besteht. Diese Einrichtung
dient zum genauen Messen von Vektoren, indem durch Verdrehen des Kontaktes gegenüber
der Phasenlage des Synchronmotors die Phasenlage der Wechselstromgrößen zueinander
und durch das Instrument die Wechselstromgrößen selbst gemessen werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Anwendung
des Vektormessers, und zwar um eine Anordnung zur Untersuchung von Eisenproben mit
einer Synchrongleichrichter enthaltenden Meßeinrichtung. Erfindungsgemäß ist eine
Feldmeß spule zwischen zwei parallel zueinander liegenden Probeblechen angeordnet,
so daß sie sich in einem weitgehend konstanten Feld befindet. Zur Messung der Magnetisierungskennlinie
und der Verluste wird die Feldstärke durch die Spannung an der Feldmeßwicklung und
die Induktion an einer das magnetische Material umschließenden Flußmeßwicklung mit
dem Vektormesser gemessen. Die Entfernung gegenüberliegender Probebleche bzw. die
Dicke der Feldmeßspule beträgt angenähert IO mm bzw. weniger. Durch die Erfindung
wird der Vorteil erzielt, daß sich mit
einer derartigen Meßeinrichtung
folgende, mit den bisher bekannten Mitteln nicht durchführbare Messungen machen
lassen: I. Wechselstrommagnetisierungsschleife, 2. Kommutierungskurve, 3. zeitlicher
Verlauf von Induktion B und Feldstärke H und 4. Verlustziffern V bei 10 000 und
15 000 Gauß.
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Auf die sonstigen Vorteile gegenüber den bisher bekannten Meßeinrichtungen
wird am Schluß der Beschreibung noch einzugehen sein.
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In den Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
dargestellt, und zwar in Fig. I im Querschnitt und in Fig. 2 im Längsschnitt.
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Zwei Streifen II und I2 des zu untersuchenden Blechs von z. B. 3
cm Breite und 50 cm Länge werden je oben und unten auf einen Hartpapierstreifen
I3 gleicher Länge gelegt. Letzterer ist etwa 1 cm dick und trägt auf seinem mittleren
Teil (Io cm) in einer Aussparung I4 eine feindrahtige Feldmeßwicklung 15 von z.
B. I000 Windungen. Um Hartpapier und Blech werden einige Windungen als Induktionsmeßwicklung
I6 gelegt und die so vorbereiteten Streifen in eine Magnetisierungsspule I7 gesteckt,
welche bei einem lichten Durchmesser von z. B. 4 cm eine Länge von 40 cm hat, gleichmäßig
gewickelt und an eine regulierbare Netzspannung gelegt ist. Die Enden der Blechstreifen
werden durch ein Joch 18, welches im Querschnitt größer ist als der Querschnitt
der beiden zu messenden Streifen II, 12 zusammen, geschlossen. Den Stoßstellen des
so gebildeten magnetischen Kreises braucht im Gegensatz zum Epsteinapparat keine
Aufmerksamkeit gewidmet zu- werden, sie haben auf die Messung keinen Einfluß. Das
Schlußjoch I8 dient lediglich dem Zweck, den Aufwand an Magnetisierungsamperewindungen
zu verringern. Man kann es aus Blechstreifen zusammenlegen und die Verbindungsstellen
an den vier Ecken des aus ihnen gebildeten Rechteckes durch Gewichte so viel beschweren,
daß sie festliegen und nicht brummen. In den Induktionsmeßkreis ist der Vektormesser
I9, 20 mit dem einstellbaren Widerstand RB und in den Meßspulenkreis der Vektormesser
2I, 22 mit dem einstellbaren Widerstand RAW eingeschaltet.
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Damit der Vektormesser I9, dessen Kontaktzeit auf 180° eingestellt
wird, hei vollem Ausschlag des Instru- -mentes einen direkt ablesbaren runden Betrag
der Induktion anzeigt, schaltet man in den Induktionsmeßkreis 16 einen Widerstand
folgender- Größe (vgl.
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Arch. f. Elektrotechn., 38, I944, 5. 141ff):
Dabei ist f = Frequenz, n = Windungszahl der Induktionsmeßwicklung I6, q = Querschnitt
der beiden Blechstreifen II und 12 zusammen, BO = Induktion bei Vollausschlag des
Instrumentes 20, u0 = Spannung des Instrumentes bei Vollausschlag, r0 = Galvanometerwiderstand,
rB = sonstige Widerstände im Induktionsmeßkreis, z. B. Leitungen. Für ein Zeigergalvanometer
40 mV, 750 Q, f = 50, n = 20, q 2. 2 @ 0,035 = 0,I4 cm2, 2 BO = 40#10-5 Vicm-2,
rB = 0 wird z. B.
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Die Messung der Feldstärke beruht wie bei einem bekannten Eisenprüfer
(vgl. F. C. Hermann, ZS f. techn. Phys., I3, I932, S.541ff) auf der Tatsache, daß
in der Luft dicht an der Eisenoberfläche die gleiche Feldstärke herrscht wie im
Innern des Eisens.
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Mit wachsendem Abstand von der Eisenoberfläche nimmt die Feldstärke
in der Luft infolge der Abnahme des entmagnetisierenden Eigenfeldes der Blechstreifen
II, 12 zu. Bis etwa 10 mm von der Oberfläche entfernt ist bei den angegebenen Abmessungen
diese Abnahme angenähert linear (vgl. Bild 7 der Arbeit von Hermann). Da sich die
Feldmeßspule 15 zwischen zwei sich gegenüberliegenden Blechen befindet, ist daher
bis- zu einer Schlitzbreite von etwa 10 mm das Feld im Schlitz weitgehend konstant
und gleicht dem Feld im Innern des Eisens. Die induzierte - Spannung in der Feldmeßspule
15 ist dH u = w # qx # u0 # u0 = 1,25 # 10-8. (3) dt Darin und im folgenden bedeuten
zur die Windungszahl der Feldmeßspule 15, qx den wirksamen Querschnitt der Feldmeßspule,
aw0 @ die Feldstärke bei Vollausschlag des Instruments 2I, raw den Widerstand der
Spule und der Leitungen im Feldmeßkreis. Der regelbare Widerstand im Meßkreis wird
mit RÄw bezeichnet.
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Der vom Instrument 21 angezeigte Spannungsmittelwert ist
Daraus: r0 + RAW + raw H = # um (5) z#f#w#qx#u0#r0 Amperewindungen.
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Damit das Instrument 2I bei vollem Ausschlag einen direkt ablesbaren
runden Betrag der Feldstärke anzeigt, muß der einstellbare Widerstand RAW sein
Ist z. B. w = 2000, qw = 2 cm2, u0 = 40 r0 = 750, raw = 150, f = 50, awO = 20, so
muß sein
Zur genauen Ermittlung.von wqx steckt man den Hartpapierstreifen
13 mit der Feldmeßspule 15 in eine lange, gleichmäßig bewickelte eisenfreie Spule.
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In der Mitte einer solchen Spule mit w' Windungen je Zentimeter ist
H = #2#w'#Ieff##. (8) Aus (5) folgt damit #qx = #0 + RAW + #aw # um.
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#0 # f # u0 ##2 # #' # Ieff # # Dabei ist um die beim Strom Ieff
am Instrument 21 abgelesene Spannung, nachdem der Vektormesser 22 auf Maximum des
Ausschlags gedreht ist. Die Größe # ist bei genügend langen Spulen angenähert I.
Sie kann durch Integration aus der genaueren Gleichung für das Feld in der Spulenachse
berechnet werden.
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I = Spulenlänge, 2 r = Spulendurchmesser, x = Abstand von der Mitte.
Die Verlustziffer V Watt/kg (Hysterese + Wirbelströme) werden aus der Fläche der
Wechselstromschleife ermittelt.
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V = I000/s # f # # H # d # B Watt/kg. (I0) s = spezifisches Gewicht
in kg/dm3, f = Frequenz, H = Feldstärke in Amp./cm, B = Voltsekunden/ cm2. Statt
(I0) kann man schreiben V = I000/s # f # 2 # Bmax # #Hm. (II) Die mittlere Breite
# Hm der Schleife, welche angenähert gleich der doppelten Koerzitivkraft ist, erhält
man genau, wenn man für verschiedene Werte von B die Differenz der Werte H für ansteigenden
und abfallenden Schleifenast mißt und z. B. nach der Simpsonschen Regel
#H0 + 4 #H1
+ 2 #H2 + 4 #H3 + ... + 4 #H2n-1 + #H2n #Hm = (12) 6n
den Mittelwert errechnet. Die
Messung und Rechnung führt man nach folgendem Schema aus (Zahlen als Beispiel):
| v. s,cm2 |
| . |
| 10#10-5 2,1 2,1 0 0 |
| 9 1,70 o,82 o,88 3,52 |
| 8 1,38 0,26 I,I2 2,24 - |
| 7 - - 1,22 4,88 |
| 6 1,04 -0,28 1,32 2,64 |
| 5 - - 1,34 5,37 |
| 4 o,85 - 0,5I I,36 2,72 |
| 3 - - I,37 5,48 |
| 2 0,74 - 0,64 I,38 2,76 |
| I - - 1,37 5,48 |
| ° 0,65 - 0,7I I,36 1,36 |
| @ # #H = 36,45 |
Damit wird #Hm - @ 30 = I,22 (2 n = 10) und 30 1000 V10 = #50#2#10#10-5#1,22 = 1,59
Watt/kg.
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7.7 (13) Die oben angegebene Rechnung muß zwar in Kauf genommen werden,
aber gegenüber der Messung mit dem Epsteinapparat bringt die Erfindung den Vorteil,
daß keine Spezialinstrumente erforderlich sind. Es wird lediglich der für andere
Meßzwecke vielfach verwendbare Vektormesser und das zumeist baulich mit ihm vereinigte
Drehspulinstrument benötigt. Außerdem ist eine Blechprobe von-nur wenigen Gramm
Gewicht erforderlich, während beim Epsteinapparat mehrere Kilogramm des Blechs benötigt
werden. Eventuelle zusätzliche Verluste in den Stoßstellen des magnetischen Kreises
werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht mitgemessen. Dasl sorgfältige Schneiden
und Zusammenbauen einer größeren Anzahl von Blechstreifen, wie es bei dem Arbeiten
mit dem Epsteinapparat erforderlich ist, entfällt hier. Von erheblicher Bedeutung
ist aber die Tatsache, daß außer den Eisenverlusten auch die Wechselstrommagnetisierungskennlinien
gemessen werden können.