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Anordnung zum Nachweis von magnetischen Feldern
Die Erfindung bezieht
sich auf die Messung der Größe und Richtung von magnetischen Gleich- und niederfrequenten
ÄVechselfeldern.
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Bekanntl ich lassen sich derartige Messungen durchführen indem man
eine Spule in dem zu messenden Maglletfeld in Drehung versetzt und die an den Klemmen
dieser Spule induzierte Wechsel-EA mißt.
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Dieses Verfahren zeigt jedoch mehrere Mängel, die seine Anwendungsmöglichkeiten
stark beschränken. Diese Mängel bestehen darin, daß es einmal schwierig ist, eine
sehr kleine Spule mit einer sehr großen Windungs zahl herzustellen, daß es ferner
schwierig ist, eine mit sehr großer Drehzahl umlaufende Spule'herzustellen, die
sich nicht deformiert, und daß es schließlich unmöglich ist, sehr kleine EMK zu
messen, und zwar wegen der unvermeidlichen Anwesenheit von Isontaisten zwischein
der beweglichen Spule und einem Meßgerät usw.
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, an Stelle der üblichen Flachspulen
eine lÇugelspule zu benutzen, wobei das mit der Spule verbundene Galvanometer einen
Ausschlag anzeigt, der proportional der im Kugelmittelpunkt herrschenden Feldstärke
ist. Zwar gestattet dieses Verfahren die exakte Messung der Feldstärke in einem
bestimmten Punkt des Raumes, jedoch treten die geschilderten Mängel auch hier auf,
abgesehen davon, daß eine solche Kugelspule schwer herzustellen ist und die bekannten
Nachteile aufweist, die bei allen Spulenanordnungen aus feinem Draht auftreten.
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Es ist ferner ein Verfahren zur Messung eines magnetischen Feldes
bekannt, bei dem man in diesem Feld einen Rotor in Drehung versetzt, welcher aus
einer oder mehreren Eurzschlußwin-
dungen besteht, und die EMK an
den Klemmen eines Stators mißt, der aus einer festen, mit diesem Rotor induktiv
gekoppelten Spule besteht, wobei diese induzierte EMK zu der Stärke des zu messenden
Feldes proportional ist.
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Dieser Rotor kann beispielsweise in Form eines Umdrehungskörpers
ausgebildet sein, dessen Achse die Umlaufachse des Rotors ist.
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Diese Meßanordnung vermeidet einen Teil der angeführten Mängel. Jedoch
ist die umlaufende Drahtspule bei den erforderlichen hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten
nicht leicht mit genügender mechanischer Festigkeit zu bauen, da schon geringe mechanische
Schwingungen Anlaß zu Störungen der Messung geben. Ferner ist es vorteilhaft, den
elektrischen Widerstand des Rotors möglichst herabzusetzen, da ihierdurch die Empfindlichkeit
der Meßanordnung gesteigert werden kann.
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Die Erfindung hat eine Meßanordnung zum Gegenstand, welche die angeführten
Mängel völlig vermeidet.
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Gemäß der Erfindung werden die magnetischen Felder gemessen, ohne
daß in sie ferromagnetische Gegenstände, die magnetisiert sind oder nicht, eingeführt
werden.
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Weiterhin hat die Erfindung ein elektromagnetisches Meßgerät zum
Gegenstand, welches einen Rotor aufweist, der keinen elektrischen Kontakt mit den
anderen festen oder beweglichen Teilen der Anordnung besitzt und auf diese Weise
die Mängel der unsicheren Bürstenkontakte vermeidet.
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Außerdem erstreckt sich die Erfindung auf eine Anordnung, welche
die Messung von magnetischen Feldern mit einer Genauigkeit gestattet, welche gegenüber
derjenigen, die mit bekannten Geräten erzielt werden konnte, erheblich verbessert
ist.
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Das Meßgerät gemäß der Erfindung ist besonders vorteilhaft, um eine
präzise Messung der Deklination des magnetischen Erdfeldes vorzunehmen.
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Außerdem hat die Erfindung ein Meßgerät von sehr großer Empfindlichkeit
für sehr schwache Ströme zum Gegenstand.
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Gemäß der Erfindung ist der bewegliche Teil aus parallel zueinander
liegenden, gegeneinander isolierten, parallel zur Umlaufachse angeordneten Platten
aus einem elektrisch leitenden Stoff geschichtet.
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Der Stator umgibt den Rotor in der Weise, daß eine enge magnetische
Kopplung erreicht wird, und er kann aus zwei in Reihe geschalteten Spulen bestehen.
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Die Ausführungsform des Rotors gemäß der Erfindung ist stabiler und
bietet eine größere mechanische Festigkeit als die bisher bekannten Anordnungen,
so daß er der Beanspruchung durch die bei der großen Umlaufgeschwindigkeit auftretenden
erheblichen Zentrifugalkräfte besser gewachsen ist.
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Ferner ergibt die erfindungsgemäße Anordnung ein geringeres Volumen
bei günstiger Gewichtsverteilung, so daß der Rotor mechanisch leicht auszurichten
ist und einen raschen stoßfreien Umlauf gewährleistet.
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Die Verwendung massiver Platten an Stelle einer Kurzschlußwindung
gestattet ferner eine Querschnittserhöhung des Leiters, also eine Herabsetzung seines
Widerstandes und hierdurch eine Empfindlichkeitssteigerung der Feldstärkemessung.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung an Hand der Zeichnung. In der Zeidliming zeigen Fig. I und 2 Darstellungen,
welche das Prinzip der Erfindung erläutern, Fig. 3, 4 und 5 Ausfü'hrungsbeispiele
für den Rotor und den Stator einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, Fig. 6, 7 und
8 Aus führungsbei spiele von schematischen Schaltungen für Anwendungen der Erfindung.
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Nach Fig. I ist M ein geschlossener Kreis, welcher in einem Magnetfeld
H beweglich ist. Der Kreis M ist der Sitz einer EMK, welche durch die Änderung des
ihn durchsetzenden Flusses bestimmt ist, und der in ihm fließende Strom erzeugt
seinerseits einen Selbstinduktionsfiuß, welcher demÄnderungsfluß von H entgegenwirkt,
der von der Drehung der Windung herrührt. Ein fester Kreis F, welcher in der Nähe
von M angeordnet und mit einem Meßgerät m (Voltmeter, Amperemeter, Oszillograph
usw.) verbunden ist, wird von einem Teil des Selbstinduktionsfiusses von M durchsetzt,
und die induzierte EMK, welche in ihm infolge der Änderung des umschlungenen Flusses
auftritt, wird durch das Meßgerät xn gemessen. Unter sonst gleichen Umständen wird
die auf diese Weise von m gemessene EMK zu dem Feld H proportional sein und daher
ein Maß für H darstellen.
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Es ist zu bemerken, daß der bewegliche Kreis nl elektrisch durch
direkten Kontakt mit keinem festen Punkt verbunden ist.
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Nach Fig. 2 bewegt sich der geschlossene Kreis M mit einer gleichförmigen
Winkelgeschwindigkeitco um eine Achse Z-Z', die in ihrer Ebene liegt und durch ihren
Mittelpunkt o geht. Mith ist die Projektion des als gleichförmig angenommenen magnetischen
Feldes H, in welchem sich der Kreis N befindet, auf die zu Z-Z' senkrechte Ebene
P bezeichnet. Mit S wird die Fläche des Kreises M, mit r sein Widerstand und mit
L sein Selbstinduktionskoeffizient bezeichnet.
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Es läßt sich zeigen, daß die Drehung des beweglichen Kreises M ein
feststehendes Feld, welches zu H proportional ist, und ein Drehfeld mit der Winkelgeschwindigkeit
2 (ü erzeugt, welches in jedem feststehenden Kreis, der mit diesem beweglichen Kreis
magnetisch gekoppelt ist, eine EMK mit der Pulsation 2 w und mit einer Amplitude
induziert, welche dem folgenden Ausdruck proportional ist:
Es läßt sich ferner zeigen, daß in dem idealen Falle, wo r gegen Lco zu vernachlässigen
ist und
ein feststehender Kreis F periodisch den ganzen Selbstinduktionsfluß
des beweglichen Kreises aufnimmt, die in dem feststehenden Kreis induzierte EMK
derjenigen gleich ist, welche man erhalten würde, wenn man den feststehenden Kreis
mit der Geschwindigkeit w um die Achse Z-Z' in dem Feld H in Drehung versetzt.
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Da die Güte des beweglichen Kreises an das Verhältnis Llr geknüpft
ist, ist ersichtlich, daß eine Spule mit einer großen Windungszahl einer einzigen
Windung, welche denselben Querschnitt besitzt, gleichwertig ist. Man kann also den
Aufbau des Rotors vereinfachen, der somit eine niedrige Impedanz erhält. Man erkennt
ferner, daß am vorteilhaftesten derjenige Rotor ist, welcher für ein bestimmtes
Volumen die größte Metallinenge (Verminderung von r) besitzt und für die Wirbelströme
am meisten anisotrop ist (Steigerung von L). Daraus ergibt sich, daß es wichtig
ist, einen kugelförmigen (Fig. 3) oder annähernd kugelförmigen (Fig. ) Rotor zu
verwenden, welcher aus Metallplatten I aufgebaut ist, die zu seiner Umdrehungsachse
parallel liegen und durch isolierende Platten 2 oder Schichten getrennt sind. Fig.
b zeigt den in Fig. 4a perspektivisch dargestellten Rotor in der Seitenansicht.
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Die Grenzumdrehungsgeschwindigkeit w, ist bestimmt durch die spezifische
Masse und die mechanische Festigkeit des Rotors. Es läßt sich zeigen, daß das Metall,
welches das kleinste Verhältnisrlco, ergibt, Aluminium- ist, welches sehr leichtes
Gewicht mit geringem spezifischem Widerstand vereinigt.
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Am vorteilhaftesten ist derjenige Stator, welcher periodisch den
größtmöglichen Teil des Selbstinduktionsflusses des Rotors erfaßt. Man muß also
zwischen Rotor und Stator eine möglichst enge Kopplung schaffen. Der Stator erhält
außerdem eine Impedanz, die am besten dem an seine Klemmen angeschlossenen Meßgerät
angepaßt ist. Er wird beispielsweise aus zwei Spulen zusammengesetzt, wie sie in
Fig. 5 mit 3 und 3' bezeichnet sind; mit 4 ist der Rotor bezeichnet.
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Die Messung wird in der folgenden Weise vorgenommen An den Klemmen
des Stators verfügt man über eine Wechsel-EMK mit der Pulsation 2w und mit einer
Amplitude, welche dem zu messenden Feld H proportional und eine Funktion von w ist.
Diese EMK ist nur in dem idealen Falle sinusförmig, wo die Kopplung vollkommen und
das Feld gleichförmig ist.
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Man wählt zur Ausführung der Messungen ein für allemal eine Drehgeschwindigkeit
w. Der Stator wird auf die Frequenz 09/a abgestimmt, um so seine Spannungsüberhöhung
auszunutzen. Der abgestimmte Stator wird an einen abgestimmten Verstärker angeschlossen,
wodurch das Grundgeräusch vermindert wird.
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Um zu vermeiden, daß die Messung von H durch eine Geschwindigkeitsänderung
beeinflußt wird, kann man den Rotor durch einen Motor mit einer vorher bekannten
und geregelten Drehgeschwindigkeit antreiben. Man kann auch so verfahren, daß in
einem gewissen Änderungsintervall von co die Ausgangsspannung des Verstärkers von
w unabhängig wird, indem man dem Verstärker eine geeignete Wiedergabekurve gibt,
oder man kann schließlich eine Nullmethode verwenden, wie sie unten im Zusammenhang
mit der Anwendung bei der Messung von schwachen gleichförmigen Feldern näher beschrieben
wird.
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Die Erfindung eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, von denen
im folgenden nur einige beispielsweise angeführt seien.
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I. Messung von technischen Gleich- und Wechselfeldern Das Gerät eignet
sich besonders zur Ausbildung von magnetischen Sonden. Man kann leicht einen sehr
kleinen Rotor herstellen und somit die Messung des Feldes in einem Punkt durchführen.
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Die gemessene Größe ist die Projektion des Feldes auf die Äquatorebene
des Rotors. Wenn man die Kugel so ausrichtet, daß die Messung Null wird, zeigt die
Achse Z-Z' des Rotors mit Genauigkeit die Richtung des Feldes.
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Bringt man das Gerät in ein niederfrequentes Wechselfeld, so läßt
sich zeigen, daß die an den Klemmen des feststehenden Kreises abgenommene EMK erheblich
größer sein kann als die unmittelbar durch den Wechselfluß in dem feststehenden
Kreis induzierte EMK, sofern die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors groß ist gegen
die Pulsation des Wechselfeldes. Man kann auf diese Weise schwache Wechselfelder
in beschränkten Raumbereichen messen und z. B. leicht feststellen, ob es sich um
ein Drehfeld handelt oder nicht.
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2. Sehr genaue Messung von schwachen gleichförmigen Feldern Das allgemeine
Schema der Anordnung ist in Fig. 6 gezeigt. Sie besteht im wesentlichen aus einem
Motor 5 mit geregelter Drehzahl, welcher einen Rotor 4 antreibt, der z. B. gemäß
Fig. 4 ausgebildet ist. Der Stator besteht aus zwei getrennten Kreisen: a) Der Meßkreis
6 ist durch einen Kondensator Cl abgestimmt und an einen Verstärker A angeschlossen,
welcher ein Meßgerät V speist (Voltmeter, Oszillograph usw.); b) der Gegenkreis
7 ist vorzugsweise zu dem Meßkreis senkrecht angeordnet, um ihn nicht zu bedämpfen;
dieser Kreis wird von einem geeichten Strom durchflossen, welchen ein Generator
G mit hdhem innerem Widerstand liefert.
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Der Stator kann als Ganzes um die Achse Z-Z' des Rotors gedreht werden,
und diese kann sich in allen Richtungen des Raumes einstellen.
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Die Messungen werden in der folgenden Weise ausgeführt: Bei abgeschaltetem
Generator G richtet man die Achse so aus, daß die Spannung an den Klemmen des Meßgerätes
verschwindet. Die Richtung des Feldes ist dann die Richtung der Achse, wie auch
die
Unvollkommenheiten der Konstruktion des Rotors sein mögen.
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Man stellt dann die Ebene des Gegenkreises senkrecht zu der bereits
aufgefundenen Richtung des Feldes und schickt in den Gegenkreis einen Gleichstrom
von solcher Richtung, daß das von ihm in dem Rotor erzeugte Feld dem zu messenden
Feld entgegengesetzt ist. Wenn der Verstärker keine Harmonische dur-chgehen läßt,
kann man einen Wert des Stromes finden, welcher die Anzeige des Voltmeters zum Verschwinden
bringt. Dieser Strom mißt das Feld.
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Es ist zu bemerken, daß der Rotor für sich einen Kreiselkompaß darstellen
kann. Er ermöglicht auf diese Weise eine direkte und genaue Messung der Deklination
des Erdfeldes ohne astronomische Merkzeichen.
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Eine wichtige Abwandlung der Anordnung nach Fig. 6 ist in Fig. 7
wiedergegeben. Hier dient derselbe Kreis gleichzeitig als Meßkreis und als Gegenkreis.
Cr ist der Abstimmkondensator, während C2 ein Verbindungskondensator ist. Die Impedanz
des Generators G muß groß sein gegen diejenige des Rotors, so daß er keinen Wechselstrom
verbraucht.
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3. Messung von schwachen Gleichströmen oder Strömen von niedriger
Frequenz durch Umwandlung dieses Stromes in einen Strom von ziemlich hoher Frequenz,
der durch den ersten moduliert ist.
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In Fig. 8 sind zwei Rotoren 4 auf derselben Achse angebracht und
in derselben Richtungsebene lamelliert. Die Rotoren sind von zwei gleichen Statoren
3 umgeben, welche in derselben Ebene liegen und gegensinnig gewickelt sind. Jedes
gleichförmige Feld, insbesondere das Erdfeld, wird in den Statoren gleiche, aber
entgegengesetzte EMK induzieren, so daß sich, wenn man sie in Reihe schaltet, eine
EMK Null ergibt. Die Rotoren sind von zwei in Reihe geschalteten Kreisen 8 von gleicher
Art wie die Meßkreise umgeben, welche ebenfalls in ein und derselben Ebene liegen
und gegensinnig gewickelt sind. Ein diese Kreise durchfließender Strom wird dann
in den Statoren gleiche und gleichsinnige EMK erzeugen.
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Man erhält somit einen genau linearen Modulator von sehr großer Empfindlichkeit,
der im übrigen zu der Umlaufgeschwindigkeit des Motors proportional ist.
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Die Umdrehung des Rotors kann selbstverständlich durch irgendeine
bekannte Einrichtung bewirkt werden, z. B. durch einen Motor, Luftstrom usw., wobei
ein pneumatischer Motor häufig sehr zweckmäßig ist, weil er die Anweseüheit von
magnetischen Massen in der Nähe des Gerätes vermeidet, was oft von Vorteil ist,
wenn man Messungen von sehr hoher Empfindlichkeit ausführt.
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PATENTANSPRÜCIIE I. Anordnung zum Nachweis von magnetischen Feldern,
welche einen in das zu messende Feld einzuführenden beweglichen Teil mit wenigstens
einer leitenden Kurzschluß windung sowie diesen beweglichen Teil in Umdrehung versetzende
Antriebsmittel aufweist, wobei mit diesem beweglichen Teil ein feststehender Teil
magnetisch gekoppelt ist, welcher das durch die induzierten Ströme von der Kurzschlußwindung
erzeugte magnetische Wechselfeld mißt, und der bewegliche Teil in Form eines Umdrehungskörpers
ausgebildet ist, dessen Achse die Umlaufachse dieses Teiles ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der bewegliche Teil aus parallel zueinander liegenden, gegeneinander isolierten,
parallel zur Umlaufachse angeordneten Platten aus einem elektrisch leitenden Stoff
geschichtet ist.