DE904438C

DE904438C - Device for measuring magnetic fields

Info

Publication number: DE904438C
Application number: DEA7581D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Wilhelm Conradt; Dr-Ing Klaus Sixtus
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1940-03-08
Filing date: 1940-03-08
Publication date: 1954-02-18

Description

Einrichtung zum Messen magnetischer Felder Zur Ausmessung magnetischer Felder sind verschiedene Verfahren bekannt. So wird beispielsweise die Veränderung des Scheinwiderstandes einer mit ihrer Längsachse parallel zur Feldrichtung angeordneten Spule als Maß für die Größe des Feldes ermittelt. Hierzu bedarf es verhältnismäßig großer Spulenkörper, so daß dieses Verfahren nicht zur Ausmessung von Feldern in engen Luftspalten anwendbar ist.Device for measuring magnetic fields For measuring magnetic Various methods are known to fields. For example, this is the change of the impedance one arranged with its longitudinal axis parallel to the field direction Coil determined as a measure of the size of the field. This requires proportionate large bobbin, so that this method cannot be used to measure fields in narrow air gaps is applicable.

Weiterhin wird häufig die Widerstandsänderung einerWismutspirale im Magnetfeld ausgenutzt. Die Widerstandszunahme von Wismut erreicht jedoch erst in Feldern von etwa IOOO Orsted Werte, die einer normalen Messung zugänglich sind. In Feldern dieser Größe ist der Widerstand um I °/o höher als im felidfreien Raum. Bei den meisten feldabhängigen Werkstoffen liegt die Widerstandsänderung in einem Feld für 1000 Örsted noch unter 0,5 0/o; dabei ist es gleichgültig, ob der be trachtete Werkstoff dia-, para- oder ferromagne tische Eigenschaften besitzt. Eine Ausnahme machen bekannte Nickel- und Eisen-Nickel-Legie rungen mit Nickelgehalten zwischen 50 und IooO/o Nickel, deren Widerstandszunahme zwischen dem entmagnetisierten und gesättfgten Zustand bei Messungen im Längsfeld bis zu 4,5% erreicht. Es ist bekannt, daß der Widerstandswert dieser Legierungen im Längsfeld mit zunehmender Feldstärke stetig zunimmt, während der Widerstandswert bei Messungen im Querfeld abnimmt, und zwar ist die Widerstandsabnahme pro Feldänderung geringer als die Widerstandszunahme im Längsfeld; außer- dem sind wegen des im Querfeld stets hohen Entmagnetisierungsfaktors Messungen nur bei hohen Feldstärken möglich. Furthermore, the change in resistance of a bismuth spiral is often used exploited in the magnetic field. However, the resistance increase of bismuth has only just reached in fields of about 10000 Orsted values that are accessible to normal measurement. In fields of this size the resistance is 1% higher than in the field-free space. For most field-dependent materials, the change in resistance is one thing Field for 1000 Örsted still below 0.5%; It does not matter whether the one being looked at Material has dia-, para- or ferromagnetic properties. An exception make known nickel and iron-nickel alloys with nickel contents between 50 and IooO / o nickel, the resistance of which increases between the demagnetized and saturation achieved with measurements in the longitudinal field up to 4.5%. It is known, that the resistance value of these alloys in the longitudinal field with increasing field strength steadily increases, while the resistance value decreases during measurements in the transverse field, and the decrease in resistance per field change is less than the increase in resistance in the longitudinal field; except- that are because of the always high in cross-country Demagnetization factor measurements are only possible at high field strengths.

Die Erfindung macht Gebrauch von der bekannten Widerstandszunahme von Eisen-Nickel-Legie rungen im magnetischen Längsfeld. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die größtmögliche Widerstandsänderung eines solchen ferromagnetischen Materials auf einen genau festgelegten Feldbereich zu verteilen, so daß die obere Grenze des Bereiches beliebig hoch gewählt werden kann. Mit anderen Worten: Man will es in der Hand haben, die gesamte möglicheWiderstandsänderung in einem Feldbereich von z. B. The invention makes use of the known increase in resistance of iron-nickel alloys in a longitudinal magnetic field. The basis of the invention The main task is to find the greatest possible change in resistance of such a to distribute ferromagnetic material over a precisely defined field area, so that the upper limit of the range can be selected as high as desired. With others In other words: You want to have it in your hand, the entire possible change in resistance in a field area of e.g. B.

O bis I000 Örsted oder auch zwischen o und otirsted auftreten zu lassen.O to 1000 Örsted or between o and otirsted.

Bei Wismut liegt der Bereich, in dem eine Widerstandsänderung von 40/1 erfolgt, fest, und zwar zwischen o und 2100 Örsted. In the case of bismuth, the area in which there is a change in resistance of 40/1 takes place, firmly, between o and 2100 Örsted.

Bei Anwendung der Erfindung ist mit dem obenerwähnten ferromagnetischen Werkstoff bei gleicher Widerstandsänderung eine Herabsetzung der oberen Grenzfeldstärke von 2100 bis auf 10 Orsted und damit eine erhebliche Meßverfeinerung möglich. When applying the invention is with the aforementioned ferromagnetic Material with the same change in resistance, a reduction in the upper limit field strength from 2100 up to 10 Orsted and thus a considerable refinement of the measurement is possible.

Die Erfindung benutzt die Erkenntnis, daß die \\iiderstandsänderung von der im Werkstoff jeweils herrschenden Induktion # direkt und nur indirekt von der äußeren Feldstärke g abhängig ist. The invention uses the knowledge that the change in resistance from the induction prevailing in the material in each case directly and only indirectly from depends on the external field strength g.

Bei einer langen dünnen Probe, also kleinem Entmagnetisierungsfaktor, wird ein gewisser Wert der Induktion und damit der Widerstandsänderung schon bei geringen Feldstärken erreicht, während bei in der Feldrichtung kurzen und quer dazu dicken Proben, also größerem Entmagnetisierungsfaktor, ein höheres Feld zur Erreichung der gleichen Induktion bzw. Widerstandsänderung notwendig ist. Die Abhängigkeit der Induktion von der Feldstärke läßt sich durch eine auf Grund des Entmagnetisierungsfaktors berechnete Scherung l)erücksichtigen. Das gleiche gilt nun auch für den Zusammenhang zwischen Widerstandsänderung und Feldstärke, da der Zusammenhang zwischen Induktion undWiderstandsänderung eindeutig festgelegt werden kann. Man kann so den Meßbereich eines Widerstandselementes im voraus durch geeigneteWahl seines Entmagneti sierungsfaktors und damit seiner Dimensionen festlegen. Dazu ist die Kenntnis der Grenzfeldstärke #S0 notwendig, die an dem zur Verwendung vorgesehenen Werkstoff in Form einer langen dünnen Probe gemessen wird und die zugleich den niedrigsten Feldwert angibt, bis zu dem bei diesem Werkstoff die volle Widerstandsänderung auftritt. Bezeichnet weiterhin #S die gewünschte, oberhalb #S0 liegende Sättigungsfeldstärke und #S die Sättigungsmagnetisierung, so ergibt sich der zugehörige Entmagnetisierungsfaktor N aus der Gleichung Aus N kann das Dimensionsverhältnis Länge zu Dicke = p des zu verwendenden Drahtes unter Zuhilfenahme der bekannten Tabellen des Entmagnetisierungsfaktors abgeleitet werden. Das zu bestimmende Magnetfeld # wird dann in der Richtung der Längsachse des Drahtes angelegt. Bei Verwendung einer Anordnung, bei der mehrere Drahtschenkel hintereinandergeschaltet werden (Fig. I), muß jeder Drahtschenkel das aus N bestimmte Dimensionsverhältnis besitzen.With a long, thin sample, i.e. a small demagnetization factor, a certain value of the induction and thus the change in resistance is achieved even at low field strengths, while with samples that are short in the direction of the field and thick across it, i.e. with a larger demagnetization factor, a higher field to achieve the same induction or change in resistance is necessary. The dependence of the induction on the field strength can be taken into account by a shear l) calculated on the basis of the demagnetization factor. The same now also applies to the relationship between change in resistance and field strength, since the relationship between induction and change in resistance can be clearly defined. The measuring range of a resistance element can thus be determined in advance by a suitable choice of its demagnetization factor and thus its dimensions. To do this, it is necessary to know the limit field strength # S0, which is measured on the material intended for use in the form of a long, thin sample and which at the same time indicates the lowest field value up to which the full change in resistance occurs in this material. If #S also denotes the desired saturation field strength above # S0 and #S denotes the saturation magnetization, the associated demagnetization factor N results from the equation The dimension ratio length to thickness = p of the wire to be used can be derived from N with the aid of the known tables of the demagnetization factor. The magnetic field # to be determined is then applied in the direction of the longitudinal axis of the wire. When using an arrangement in which several wire legs are connected in series (FIG. I), each wire leg must have the dimensional ratio determined from N.

Erfindungsgemäß wird also bei einer Einrichtung zum Messen magnetischer Felder mit einem im longitudiinalen Feld in Längsrichtung angeordneten, seinen Widerstand ändernden ferromagnetischen Metallkörper, insbesondere in Band- oder Drahtform, der Entmagnetisierungsfaktor nach der Formel berechnet.According to the invention, in a device for measuring magnetic fields with a ferromagnetic metal body arranged in the longitudinal field in the longitudinal direction and changing its resistance, in particular in the form of a strip or wire, the demagnetization factor is given by the formula calculated.

In Fig. I wird ein Widerstandselement mit vorbestimmtem Meßbereich als Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auf einen Spulenkörper aus Speckstein I ist ein 0,2 mm starker Draht 2 mit einer Schenkellänge von 10 mm, der aus einer Legierung von 90% N!iclçel und 10 O/o Eisen mit etwas Mangan besteht, gewickelt. Körper und Draht sind in bekannter Weise wärmebehandelt, um eine möglichst hohe Permeabilität zu erzielen. Für die Messung wird die beschriebene Anordnung entsprechend der Abbildung in dem zu messenden Feld so angebracht, daß die Feldlinien mit den längeren SchenkeIn der Wicklung parallel laufen. Beträgt die Schenkellänge (bei einem Drahtdurchmesser von 0,2 mm) 10 mm, ist also p = d = 5° und N = 0,015, so stimmt die gemessene Kurve mit der in Fig. 3 für p = 50 wiedergegebenen Kurve für die Feldabhängigkeit des Widerstandes überein. Bei Benutzung geringerer Drahtstärken läßt sich entsprechend die Schenkellänge verkürzen, um die gezeigte Kurve einzuhalten. In Fig. I is a resistance element with a predetermined measuring range shown as an embodiment of the invention. On a soapstone spool I is a 0.2 mm thick wire 2 with a leg length of 10 mm, which consists of a Alloy of 90% nickel and 10% iron with some manganese, wound. The body and wire are heat-treated in a known manner to the highest possible Achieve permeability. The described arrangement is used accordingly for the measurement attached to the figure in the field to be measured that the field lines with the run parallel in the winding. If the leg length (for a wire diameter of 0.2 mm) 10 mm, so p = d = 5 ° and N = 0.015, so the measured curve agrees with the curve reproduced in FIG. 3 for p = 50 for the field dependence of the resistance coincides. When using smaller wire gauges the leg length can be shortened accordingly in order to maintain the curve shown.

Fig. 2 zeigt die Widerstandsfeldkurve für einen sehr langen Draht mit p -= 500, während die berechneten Widerstandsfeldkurven für verschiedene Verhältnisse p zwischen Schenkellänge und Drahtdurchmesser in Fig. 3 gegeben sind. Fig. 2 shows the resistance field curve for a very long wire with p - = 500, while the calculated resistance field curves for different ratios p between leg length and wire diameter are given in FIG. 3.

Für die im Beispiel angegebene Legierung mit go°/o Nickel beträgt die Sättigungsfeldstärke etwa 70 Örsted. Bei Verwendung der Nickel-Eisen-Legierung Permalloy mit 78,5 0/o Nickel läßt sich die Sättigungsfelds<tärke auf < 20 Örsted herabdrücken, wobei allerdings die maximale Widerstandsänderung auf etwa 3 % absinkt. For the alloy given in the example with go ° / o nickel is the saturation field strength about 70 Örsted. When using the nickel-iron alloy Permalloy with 78.5% nickel, the saturation field strength can be <20 Press down Örsted, however, the maximum change in resistance to about 3% decrease.

Die Anordnung und das Meßverfahren lassen sich insbesondere in Relaisschaltung verwenden, durch welche das Feld im Elektromagneten konstant gehalten werden soll. The arrangement and the measuring method can be used in particular in a relay circuit use, through which the field in the electromagnet is to be kept constant.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Device for measuring magnetic fields with a longitudinal field in the longitudinal direction, its resistance. stand-changing ferromagnetic metal body, in particular in the form of a strip or wire, characterized in that the demagnetization factor according to the formula is calculated, in which gS is the saturation field strength of a very long thin wire, # S0 is the field strength corresponding to the upper limit of the desired measuring range and #S is the saturation magnetization of the ferromagnetic material used.

2. Device according to claim I, characterized in that the field-dependent Material in the form of wires or strips is arranged in such a way that the in the field direction parts to be set are connected in series.

3. Device according to claim I, characterized in that the field-dependent electrical resistance made of nickel or an iron-nickel alloy with at least about 500/0 nickel content.