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Es sind Halbleiterkörper (Feldplatten) bekannt, deren Widerstandswert
von dem Fluß eines sie durchsetzenden Magnetfeldes abhängig ist (vgl. zum Beispiel
deutsche Patentschrift 590 678). Diese Widerstände haben, abgesehen von der Magnetfeldabhängigkeit
des Widerstandswertes, ohmschen Widerstandscharakter und sind somit von den sogenannten
Halispannungserzeugern streng zu unterscheiden, obwohl beide Bauelemente aus dem
gleichen Material hergestellt sein können (vgl. deutsche Patentschrift 973 121).
Im folgenden interessieren nur die magnetfeld abhängigen Widerstände.
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Eine typische Eigenschaft der magnetfeldabhängigen Widerstände ist,
daß ihr magnetfeldabhängiger WiderstandswertR nur von der Größe, nicht aber vom
Vorzeichen des einwirkenden Magnetfeldes B abhängig ist; zwei antiparallele Magnetfelder
(tB und -B) haben also die gleiche Wirkung auf den WiderstandswertR eines magnetfeldabhängigen
Widerstandes. Das rührt daher, daß die Magnetfeld-Widerstands-Kennlinie (B-R-Kennlinie)
eines magnetfeldabhängigen Widerstandes im kartesischen Koordinatensystem spiegelbildlich
zur Achse B = O verläuft. Im übrigen hat die Kennlinie für kleine Magnetfelder B
etwa die Form einer Parabel, so daß dort annähernd R ~ B2 gilt. Für größere Magnetfelder
dagegen ist der Widerstandswert R im wesentlichen linear vom einwirkenden Magnetfeld
B abhängig. Verwendet man nun magnetfeld abhängige Widerstände bzw. deren magnetfeldabhängige
Widerstandsänderung unmittelbar zur Messung des Magnetfeldes, so ist die Meßempfindlichkeit
bei kleinen Magnetfeldern, für die ja die Beziehung R B2 gilt, häufig nicht ausreichend.
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Ferner kann bei schwankender Umgebungstemperatur eine Temperaturabhängigkeit
des Widerstandswertes stören. Zur Kompensation des Temperatur-. ganges sind daher
schon zusätzliche Widerstandskörper mit temperaturabhängigem Widerstandswert verwendet
worden (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 137507). Die entsprechenden Schaltungen sind
dann jedoch verlustbehaftet. Außerdem kann der Temperaturgang des magnetfeldabhängigen
Widerstandes nur in relativ kleinen Teilen des gesamten Temperaturbereichs, in dem
der magnetfeldabhängige Widerstand als solcher technisch anwendbar ist, kompensiert
werden. Schließlich ist bei bekannten Schaltungen selbst in diesen Teilbereichen
keine exakte Temperaturkompensation möglich. Erfahrungsgemäß stört aber eine Temperaturabhängigkeit
der Meßergebnisse eines Meßgerätes um so mehr, je genauer gemessen werden soll.
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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein unabhängig
von der Umgebungstemperatur arbeitendes Magnetfeldmeßgerät zu schaffen, das mit
mindestens einem magnetfeld abhängigen Widerstand versehen ist und das auch bei
kleinen zu messenden Magnetfeldern eine ausreichende Meßempfindlichkeit besitzt.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetfeldmeßgerät mit einer Sonde
mit mindestens einem stromdurchflossenen, magnetfeld abhängigen Widerstand, auf
den das zu messende Magnetfeld (Meßfeld) gegebenenfalls einwirkt. Die erfindungsgemäße
Lösung besteht darin, daß bei Betrieb der Sonde dem zu messenden Magnetfeld ein
sich diesem gegenüber schnell änderndes magnetisches Wechselfeld überlagert ist,
derart, daß die Sonde gleichzeitig im im
wesentlichen linearen Teil ihrer Magnetfeld-Widerstands-Kennlinie
betrieben und die Temperaturunabhängigkeit der Symmetrie dieser Kennlinie für eine
temperaturunabhängige Messung ausgenutzt ist und daß die Anschlüsse der Sonde mit
einem Meßinstrument über eine Siebschaltung verbunden sind, welche das durch das
zu messende Magnetfeld hervorgerufene elektrische Meßsignal durchläßt und den Gleichstrom
anteil des Spannungsabfalls einer gleichstromdurchflossenen Sonde bzw. den Wechselspannungsanteil
des Spannungsabfalls einerwechselstromdurchflossenen Sonde im wesentlichen fernhält.
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Das ertindungsgemäße Magnetfeldmeßgerät bietet gegenüber dem Bekannten
wesentliche Vorteile. Es ist nämlich nicht nur die Empfindlichkeit bei der Messung
von Magnetfeldern kleiner Induktion oder bei der Anzeige kleinster Induktionsänderungen
ausreichend groß, sondern die Meßergebnisse sind auch vollkommen unabhängig von
der Umgebungstemperatur der Sonde. Dementsprechend erfordert die neue Sonde keinerlei
Justierung des Nullpunktes des Meßbereichs, denn dessen Werte sind temperaturunabhängig.
Außerdem haben möglicherweise auftretende Thermospannungen bei geeigneter Schaltung
keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Ferner kann im Gegensatz zu einer bekannten
Magnetfeldmeßeinrichtung mit Hallspannungserzeugern (vgl. deutsche Auslegeschrift
1 134 754) die Remanenz etwaiger mit der Sonde verbundener Eisenteile keine Verfälschung
des Meßergebnisses hervorrufen, so daß eine gesonderte Entmagnetisierung unterbleiben
kann. Weiterhin ist es - im Gegensatz zu Anordnungen mit Hallspannungserzeugern
- bei der neuen Anordnung möglich, mit nur zwei Zuleitungen für die Meßsonde auszukommen
und durch entsprechende Auswahl des magnetfeldabhängigen Widerstandes diesem einen
beliebigen Widerstandswert zu geben, so daß eine Anpassung an einen nachgeschalteten
Verstärker direkt und ohne Zwischenschaltung besonderer Schaltungselemente zur Widerstandsanpassung
vorgenommen werden kann.
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Die Siebschaltung im erfindungsgemäßen Meßgerät hat grundsätzlich
den Zweck, den Anteil des Spannungsabfalls am magnetfeldabhängigen Widerstand, der
an diesen unabhängig vom Meßfeld abfällt, zu unterdrücken. Gleichzeitig soll die
Siebschaltung den Anteil des Spannungsabfalls, der vom Meßfeld herrührt, durchlassen.
Ist der magnetfeldabhängige Widerstand z. B. gleichstromdurchfiossen, so hat die
Siebschaltung die Aufgabe, den Wechselspannungsanteil des Spannungsabfalls am magnetfeldabhängigen
Widerstand durchzulassen bzw. den Gleichstrom anteil zu unterdrücken. Als Sieb bietet
sich hier im einfachsten Fall ein Kondensator an. Ist der magnetfeldabhängige Widerstand
z. B. von Wechselstrom mit gleicher Frequenz wie die Wechselfeldanordnung durchflossen,
so hat die Siebschaltung die Aufgabe, den Wechselspannungsanteil des Spannungsabfalls
am magnetfeldabhängigen Widerstand zu unterdrücken. Das kann im einfachsten Fall
mit einer Induktivität, aber z. B. auch mit einer Brücke bewirkt werden.
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An Hand der schematischen Zeichnung mit Ausführungsbeispielen werden
weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.
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In Fig. 1 ist als Beispiel der hier mit Rß bezeichnete Widerstandswert
eines magnetfeld abhängigen Widerstandes abhängig von Größe und Vorzeichen
der
Induktion eines den Widerstand durchsetzenden Magnetfeldes B dargestellt. Der Verlauf
des Widerstandswertes ist zur Null-Linie der Induktion des einwirkenden Magnetfeldes
spiegelbildlich, d. h., der elektrische Widerstandswert RB hängt nur von der Größe
und nicht vom Vorzeichen des einwirkenden Magnetfeldes B ab. Im übrigen ähnelt die
Kurve für kleine Magnetfelder B einer Parabel, d. h. bei kleiner Induktion ergibt
sich eine sehr geringe Widerstandsänderung. Für größere Magnetfelder dagegen verläuft
RB etwa proportional zu B.
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Erfindungsgemäß ist der magnetfeldabhängige Widerstand sowohl einem
zu messenden Magnetfeld (Meßfeld) als auch einem sich gegenüber den Anderungen des
Meßfeldes schnell ändernden magnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Ist das Meßfeld
beispielsweise gleich Null, dann ist der elektrische Widerstandswert R des magnetfeld
abhängigen Widerstandes für die positive und negative Halbwelle des z. B. sinus-
oder rechteckförmigen Wechselfeldes B nach Größe und zeitlichem Verlauf genau gleich.
Ist das Meßfeld nicht gleich Null, so wird diese Symmetrie gestört, da das Meßfeld
je nach seinem Vorzeichen die eine Halbwelle des Wechselfeldes verstärkt und die
andere Halbwelle im gleichen Maße verkleinert. Entsprechend ist auch der Widerstandswert
des magnetfeldabhängigen Widerstandes für die positive und negative Halbwelle des
Wechselfeldes nicht mehr gleich.
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Eine sehr einfache Ausführung der Sonde des neuen Magnetfeldmeßgerätes
ist in F i g. 2 dargestellt. Der magnetfeldabhängige Widerstand 1 besteht aus einem
mäanderförmigen Halbleiterkörper mit den Anschlüssen 2 und 3, der auf einen plattenförmig
ausgebildeten Träger aufgebracht ist. Er ist im Innern einer Spule 4 mit den Anschlüssen
5 und 6 angeordnet, die von einem reinen Wechselstrom zur Erzeugung eines den magnetfeldabhängigen
Widerstand durchsetzenden Wechselfeldes durchflossen ist.
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Im Ausführungsbeispiel links in Fig. 2 ist das Magnetfeld der Spule
4 senkrecht zur Fläche des Trägers gerichtet. Im Ausführungsbeispiel rechts in F
i g. 2 verläuft das Magnetfeld der Spule 4 im wesentlichen parallel zur Trägerfläche,
aber senkrecht zu den längeren Teilen des Mäanders, der den eigentlichen Widerstand
darstellt.
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In Fig. 3 und in den folgenden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen wie in Fig. 2 a, 2 b versehen. Beiderseits des magnetfeldabhängigen
Widerstandes 1 sind Stäbe7 und 8 angeordnet, die aus ferromagnetischem Material
bestehen und das magnetische Feld im Halbleiterkörper verstärken, so daß die Anordnung
an Empfindlichkeit gewinnt.
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Will man ohne Verwendung ferromagnetischel Teile auskommen, so empfiehlt
es sich, eine Anordnung nach Fig. 4 zu wählen. Der Träger des magnetfeldabhängigen
Widerstandes 1 mit dem mäanderförmigen Halbleiterkörper mit den Anschlüssen 2 und
3 ist hier stabförmig ausgebildet, so daß sich genügend Raum für die Windungen der
Spule4 ergibt, die dann auch ohne ferromagnetische Rückschlüsse ein genügend hohes
Wechselfeld aufbauen kann.
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Eine elektrische Schaltung für die in den F i g. 2, 3 und 4 dargestellten
Sonden zeigt Fig. 5. Eine Spannungsquelle 9, die beispielsweise eine Spannung mit
zeitlich rechteckförmigem Verlauf liefert, ist über
einen Widerstand 10 mit den Anschlüssen
5 und 6 der Spule 4 verbunden. Der magnetfeldabhängige Widerstand 1 ist über einen
Widerstand 11 an eine Gleichspannungsquelle 12 angeschlossen. Parallel zu ihm liegt
die Reihenschaltung eines Kondensators 13 und eines Amperemeters 14.
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Die Funktionsweise dieser Schaltung läßt sich aus Fig. 6a bis 6c
ersehen. In Fig. 6a zeigt die ausgezogene Linie den zeitlichen Verlauf (t) der Induktion
des durch die Spule 4 hervorgerufenen Wechselfeldes B. Wie aus der B-R-Kennlinie
des magnetfeldabhängigen Widerstandes in F i g. 6b hervorgeht, ergibt sich der in
Fig. 6c ebenfalls mit ausgezogenen Linien gezeichnete zeitliche Verlauf (t) des
Widerstandswertes R für den magnetfeldabhängigen Widerstand 1. Überlagert sich dem
Wechselfeld B ein magnetisches Gleichfeld von der Größe, so wird der magnetfeldabhängige
Widerstand dem in Fig. 6 a gestrichelt gezeichneten Feldverlauf ausgesetzt. Entsprechend
der B-R-Kennlinie des magnetfeldabhängigen Widerstandes ergibt sich für diesen Fall
in Fig. 6c der gestrichelt eingezeichnete Verlauf des Widerstandswertes R des magnetfeldabhängigen
Widerstandes.
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Von dem Meßfeld Bx (F i g. 6 a bis 6 c) wird nur die Komponente für
die Widerstandsänderung wirksam, die am Ort des magnetfeldabhängigen Widerstandes
der Kraftlinienrichtung des einwirkenden Wechselmagnetfeldes B parallel ist. Mit
der erfindungsgemäßen Sonde können daher sowohl die Richtung als auch Größe eines
zu messenden Magnetfeldes (Meßfeld) bestimmt werden. Die Richtung des Meßfeldes
Bx kann auf einfache Weise dadurch bestimmt werden, daß die Sonde so lange im Raum
gedreht wird - wie das bei Sonden üblich ist bis die maximale Magnetfeldstärke eines
Meßfeldes herausgefunden ist. Es ergibt sich auf diese Weile also zugleich Größe
und Richtung des Magnetfeldes. Aui die Größe des Meßfeldes kann aus dem gemessenen
Signal des erfindungsgemäßen Meßgerätes deshalb auf einfache Weise geschlossen werden,
weil durch die Anwendung des überlagerten Wechselmagnetfeldes im linearen Bereich
der Kennlinie des magnetfeldabhängigen Widerstandes der Sonde gearbeitet wird.
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Die Temperaturunabhängigkeit der Meßergebnisse der erfindungsgemäßen
Anordnung ist besonders leicht an Hand der Fig. 6 a bis 6 c zu verstehen. Die erfindungsgemäße
Anordnung ist nicht etwa infolge irgendeiner Kompensation durch zusätzliche Bauelemente
temperaturunabhängig, wie z. B. die Anordnung nach der deutschen Auslegeschrift
1 137507.
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Der erfindungsgemäß verwendete magnetfeldabhängige Widerstand kann
selbst sogar temperaturabhängigen Wert haben. Das spielt jedoch erfindungsgemäß
keine Rolle, denn es wird eine Eigenschaft der magnetfeldabhängigen Widerstände
ausgenutzt, die darin besteht, daß die Symmetrie der Magnetfeld-Widerstands-Kennlinie
von magnetfeldabhängigen Widerständen von Natur aus temperaturunabhängig ist. Bei
Temperaturänderungen kann die Kennlinie zwar gewissermaßen aufgebläht werden und
auf der Ordinate sich nach oben oder unten bewegen; es ist bisher jedoch noch kein
Fall mit temperaturabhängiger Symmetrie der Kennlinie bekanntgeworden.
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Das bedeutet, daß die drei Halbwellen in Fig. 6c für jeden Wert der
Umgebungstemperatur (bei dem der Widerstand z. B. nicht schmilzt) stets gleiche
Amplitude haben.
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In der Schaltungsanordnung nach F i g. 5 wird der magnetfeldabhängige
Widerstand 1 von einem Gleichstrom durchflossen. Dabei entsteht an ihm ein Spannungsabfall,
dessen Verlauf dem in Fig. 6c dargestellten zeitlichen Verlauf des Widerstandswertes
des magnetfeldabhängigen Widerstandes entspricht. Aus der gestrichelten Kurve in
Fig. 6 c ist also zu ersehen, daß sich bei vorhandenem Meßfeld dem Gleichspannungsabfall
am magnetfeldabhängigen Widerstand ein Wechselspannungsanteil überlagert, welcher
der Größe des einwirkenden Meßfeldes proportional ist, weil im linearen Bereich
der B-R-Kennlinie des magnetfeldabhängigen Widerstandes gearbeitet wird.
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Bei Umpolung des Meßfeldes wechselt der Phasenwinkel zwischen dem
Wechselspannungsanteil des Spannungsabfalls am magnetfeld abhängigen Widerstand
und dem Erregerstrom des überlagerten Wechselfeldes. Der Wechselspannungsabfall
wird durch eine Siebschaltung (Kondensator 13 von Fig. 5) und gegebenenfalls über
einen Verstärker oder Gleichrichter einem Meßinstrument (Amperemeterl4) zugeführt.
Die Phasenlage des Wechselspannungsabfalls in bezug auf den Erregerstrom des Wechselfeldes
und damit die Richtung des zu messenden Magnetfeldes läßt sich erfassen, wenn man
beispielsweise den Wechselspannungsanteil des Spannungsabfalls am magnetfeldabhängigen
Widerstand über einen von dem Erregerstrom des Wechselfeldes gesteuerten Ringmodulator
schickt. Bei niedriger Frequenz kann auch die phasengleiche Gleichrichtung der Meßwechselspannung
mit einem mechanischen Wechsel- oder Gleichrichter erfolgen.
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Während in den bisher beschriebenen Schaltungsanordnungen zur Messung
des Magnetfeldes der Wechselspannungsanteil des Spannungsabfalls am magnetfeld abhängigen
Widerstand herangezogen wurde, wird bei den folgenden Ausführungsbeispielen als
proportionale Größe für das Meßfeld der Gleichspannungsanteil des Spannungsabfalls
am magnetfeldabhängigen Widerstand verwendet. Dazu ist in dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 7 der magnetfeldabhängige Widerstand 1 mit der zur Erzeugung des Wechselfeldes
dienenden Spule 4 in Reihe geschaltet und an die Spannungsquelle 9 angeschlossen.
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Der magnetfeldabhängige Widerstand wird also von einem Wechselstrom
gleicher Frequenz und Phase, wie sie der Erregerstrom des Wechselfeldes hat, durchflossen.
In F i g. 8 a ist für diesen Fall der zeitliche Verlauf des Widerstandswertes RB
des magnetfeld abhängigen Widerstandes mit und ohne Meßfeld dargestellt. Die F i
g. 8b zeigt den zeitlichen Verlauf des durch den magnetfeldabhängigen Widerstand
fließenden Stromes Je. Aus Widerstand und Strom ergibt sich der in Fig. 8c gezeichnete
Spannungsabfall U. Die ausgezogene Kurve gilt jeweils für den Fall, daß das Meßfeld
Null ist.
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Die gestrichelt gezeichneten Kurven ergeben sich bei überlagertem
Meßfeld. Wie aus Fig. 8c zu ersehen ist, enthält der Spannungsabfall einen Gleichspannungsanteil
U=, der ein Maß für das zu messende Magnetfeld ist. Zur Erfassung dieses Gleichspannungsanteiles
ist in F i g. 7 die Reihenschaltung einer Drossel 15 mit einem Amperemeter 14 dem
magnetfeldabhängigen Widerstand 1 parallel geschaltet. Die Drossel 15 stellt dabei
den einfachsten Fall einer Siebschaltung dar, die den Wechselspannungsanteil vom
Amperemeter absperrt. Das gleiche Meß-
ergebnis folgt, wenn man (wie F i g. 7 a zeigt)
den gesamten Spannungsabfall an der Reihenschaltung der Spule 4 und des magnetfeld
abhängigen Widerstandes 1 mit der Reihenschaltung von Drossel 15 und Amperemeter
14 abgreift und eine Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand wählt (eingeprägter
Strom). In dieser Schaltung kommt man mit nur zwei Zuleitungen für die Meßsonde
aus.
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Zur Unterdrückung des Wechselspannungsanteiles ist auch die Verwendung
einer Brückenschaltung vorteilhaft, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist. An der Spannungsquelle
9 liegt die Primärwicklung eines mit zwei Sekundärwicklungen versehenen Transformators
16. Eine der beiden Sekundärwicklungen ist über einen Vorwiderstand 17 an die Spule
4 zur Erzeugung des Wechselfeldes in der Sonde angeschlossen.
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Die zweite Sekundärwicklung speist eine Brückenschaltung. In einem
Zweig dieser Brückenschaltung ist der magnetfeldabhängige Widerstand 1 eingeschaltet.
Die übrigen Zweige werden durch die Widerstände 18, 19 und 20 gebildet. In der Brückendiagonale
liegt die Reihenschaltung der Drossel 15 mit dem Amperemeter 14. Die Brücke ist
so abgeglichen, daß ohne überlagertes Meßfeld am Meßinstrument im Brückenzweig keine
Gleichspannung liegt. Die noch auftretende Wechselspannung wird durch die Drossel
15 aufgenommen. Die Anzeige des Amperemeters 1 in dieser Schaltung folgt dem Meßfeld
nach Größe und Richtung. Eine Vereinfachung dieser Brückenschaltung zeigt Fig. 10.
Der Transformator 16 besitzt drei Sekundärwicklungen. Zwei davon sind an Stelle
der Widerstände 18 und 19 in die Brückenschaltung eingeschaltet.
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Einen weiter verringerten Wechselspannungsanteil im Gleichstrom-Nutzsignal
der Anordnung erhält man, wenn beispielsweise der Widerstand 20 in Fig. 10 ebenfalls
als magnetfeldabhängiger Widerstand ausgebildet und in der Meßsonde angeordnet ist.
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Ein Beispiel für die Anordnung dieses zweiten magnetfeldabhängigen
Widerstandes ist in Fig. 11 gezeigt. Die magnetfeldabhängigen Widerstände befinden
sich hier in den Luftspalten zweier U-förmig ausgebildeter Joche 21 und 22. Über
eine Spule 23 wird in diesem durch die Joche gebildeten magnetischen Kreis ein Wechselfluß
erzeugt. Diesem Wechselfluß überlagert sich das zu messende magnetische Feld, welches
durch die an den Jochen befestigten Stäbe 24 und 25 aus ferromagnetischem Material
verstärkt wird und das sich dem Wechselfeld derart überlagert, daß in einem der
beiden magnetfeldabhängigen Widerstände die Summe und in dem anderen die Differenz
von Meß- und Wechselfeld auftritt. Die Widerstandswerte der beiden magnetfeldabhängigen
Widerstände ändern sich also gegenläufig. Sollten die magnetfeld abhängigen Widerstände
etwas voneinander abweichende Widerstandsänderungen zeigen, so kann dies durch unterschiedliche
Luftspalte ausgeglichen werden. In diesem Fall wirkt das überlagerte Meßfeld auf
den einen magnetfeldabhängigen Widerstand etwas stärker als auf den anderen.
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Bei allen bisher beschriebenen Schaltungen ist es möglich, Erregerströme
für das Wechselfeld mit rechteck- oder sinusförmigem zeitlichem Verlauf zu verwenden.
Es kann auch der Erregerstrom des Wechselfeldes einen sinusförmigen und der Strom
durch den magnetfeldabhängigen Widerstand einen
rechteckförmigen
Verlauf haben oder umgekehrt.
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Ferner bringt es keine großen Abweichungen, wenn für die Erregung
des Wechselfeldes nicht der Strom, sondern die Spannung einen zeitlich rechteckförmigen
Verlauf hat, so daß der zeitliche Verlauf des Erregerstromes eine dreieckförmige
Kurve ergibt. Für den Fall, daß die Spannungsquelle 9 in F i g. 7 einen zeitlich
sinusförmigen Spannungsverlauf hat, ist der sich dann ergebende Widerstandsverlauf
des magnetfeldabhängigen Widerstandes in Fig. 12 dargestellt.
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F i g. 12 a zeigt den Verlauf der Wechselfeldinduktion, Fig. 12b
die Widerstandskennlinie des magnetfeldabhängigen Widerstandes und F i g. 12 c den
sich ergebenden zeitlichen Verlauf des Widerstandswertes des magnetfeldabhängigen
Widerstandes.
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Die gestrichelt gezeichneten Kurven gelten wiederum für den Fall,
daß ein Meßfeld Bx vorhanden ist. Der am magnetfeldabhängigen Widerstand auftretende
Spannungsabfall ist in F i g. 13 dargestellt. F i g. 13 a zeigt wieder den zeitlichen
Verlauf des magnetfeldabhängigen Widerstandes RB und F i g. 13 b den durch den magnetfeldabhängigen
Widerstand fließenden Strom Je mit zeitlich sinusförmigem Verlauf. Der sich aus
den Fig. 13 a und 13 b ergebende Spannungsabfall U am magnetfeld abhängigen Widerstand
ist in F i g. 13 c dargestellt. Dieser Spannungsabfall hat eine Gleichkomponente
U=, die zur Anzeige der Größe des Meßfeldes geeignet ist.
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Nach den bisher beschriebenen Schaltungsanordnungen ergibt sich als
dem Meßfeld proportionale Meßgröße entweder eine Wechselspannung mit der Frequenz
des überlagerten Wechselfeldes oder eine Gleichspannung. Im folgenden Abschnitt
wird nun eine Anordnung beschrieben, welche zur Messung des Feldes die zweite Harmonische
eines Wechselspannungsabfalls am magnetfeldabhängigen Widerstand heranzieht. In
diesen nachfolgend beschriebenen Anordnungen gibt man dem durch den magnetfeldabhängigen
Widerstand fließenden Wechselstrom gegenüber dem Wechselfeld eine Phasenverschiebung
von 900, da die zweite Harmonische des Wechselspannungsabfalls am magnetfeldabhängigen
Widerstand sich dann am besten ausbildet.
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Die Entstehung dieser zweiten Harmonischen für den Fall eines eingeprägten
Wechselstromes mit zeitlich recheckförmigem Verlauf erläutert Fig. 14. In Fig. 14
a ist wiederum der Verlauf des magnetfeldabhängigen Widerstandswertes (ausgezogene
Kurve ohne Meßfeld - gestrichelte Kurve mit Meßfeld) dargestellt. Fig. 14 b zeigt
den gegenüber dem Erregerstrom des Wechselfeldes um 900 phasenverschobenen Verlauf
des Stromes durch den magnetfeldabhängigen Widerstand. In F i g. 14c ist der sich
dann ergebende Spannungsabfall am magnetfeldabhängigen Widerstand gezeichnet.
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Bei vorhandenem Meßfeld (gestrichelte Kurve) ergeben sich geradzahlige
Harmonische. Die zweite Harmonische ist ebenfalls gestrichelt in F i g. 14 c eingezeichnet.
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Das Ausführungsbeispiel einer Schaltung für die Messung eines Magnetfeldes
mit einem magnetfeldabhängigen Widerstand durch Messung der zweiten Harmonischen
des Spannungsabfalls am magnetfeldabhängigen Widerstand zeigt F i g. 15. Die Spule
4 der Sonde ist parallel zu einem Kondensator 26 und zu einer Wechselspannungsquelle
27 mit einem dazwischengeschalteten Transformator 28 geschaltet.
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Die Spule 4 bildet zusammen mit dem Kondensator
26 einen auf die Grundfrequenz
abgestimmten Schwingkreis. Hierdurch wird die Stromaufnahme geringer und der sinusförmige
Verlauf des Erregerstromes in der Spule 4 bei Verzerrung der Netzspannung besser.
Parallel zu der Spule 4 ist die Reihenschaltung der Eingangsklemmen eines Verstärkers
29 und des magnetfeldabhängigen Widerstandes 1 geschaltet, so daß der magnetfeldabhängige
Widerstand an der gleichen Spannungsquelle liegt wie der Schwingkreis. Zwischen
dem Erregerstrom des Wechselfeldes und dem Strom durch den magnetfeldabhängigen
Widerstand besteht damit eine Phasenverschiebung von etwa 900. Parallel zu den Eingangsklemmen
des Verstärkers 29 ist außerdem ein zweiter Schwingkreis geschaltet, der aus einer
Induktivität 30 und einem Kondensator 31 besteht und auf die doppelte Frequenz der
speisenden Spannung abgestimmt ist, so daß sich für die Grundwelle ein kleiner Widerstand
ergibt. Der Ausgang des Verstärkers 29 ist mit einem Ringmodulator32 verbunden.
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Dieser wird mit Hilfe des Gleichrichters 33 und des Kondensators 34
mit dem Wechselspannungsanteil der gleichgerichteten Speisespannung, d. h. mit einer
Spannung doppelter Frequenz, ausgesteuert. Am Ausgang des Ringmodulators erscheint
demnach die Komponente der Oberwellenspannung, die in Richtung der Wechselkomponente
der gleichgerichteten Speisespannung fällt. Die Ausgangsspannung des Ringmodulators
ist also ein Maß für Größe und Richtung des Meßfeldes. Die Ausgangsklemmen des Ringmodulators
32 sind deshalb direkt an ein Meßinstrument 35 angeschlossen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Meßsonde
mit einem magnetfeldabhängigen Widerstand ist in Fig. 16 dargestellt. Zwei ferromagnetische
Stäbe 36 und 37, die wiederum zur Konzentration des Meßfeldes an der Meßstelle dienen
sollen, sind bei dieser Sondenausführung an zwei Jochen 38 und 39 mit M-förmigem
Querschnitt befestigt. Auf den mittleren Schenkeln dieser Joche sind die Spulen
40 und 41 aufgebracht, durch die der Erregerstrom für das Wechselfeld fließt. Der
magnetfeldabhängige Widerstand 1 ist in dem mittleren der drei Luftspalte angeordnet.
Dieser Luftspalt ist gegenüber den zwei außenliegenden Luftspalten klein gehalten.
Die Verwendung derartiger Joche für die Führung des magnetischen Wechselfeldes hat
neben der Ersparnis an Erregerleistung den Vorteil, daß das letztere auf einen engen
Raum begrenzt bleibt und keine Störung des Meßfeldes hervorrufen kann.
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In der Ausführung nach Fig. 17 eignet sich die erfindungsgemäße Meßanordnung
auch für die Abtastung eines Magnetbandes. Zwischen einem an der Sonde vorbeizuführenden
Magnetband 42 und der Meßsonde ist eine Abschirmfolie 43 aus gut leitendem, nicht
magnetischem Material angebracht. Die Meßsonde besteht wiederum aus den Spulen 40
und 41 zur Erzeugung des überlagerten Wechselfeldes, aus dem magnetfeldabhängigen
Widerstand 1 und magnetischen Rückschlüssen 44 und 45. Die Dicke der Abschirmfolie
43 ist so gewählt, daß das hochfrequente Wechselfeld abgeschirmt wird, jedoch die
Feldlinien des mit wesentlich geringerer Frequenz sich ändernden Meßfeldes die Abschirmfolie
durchdringen, ohne daß auftretende Wirbelströme eine zu große Dämpfung hervorrufen.
Eine abgewandelte Ausbildung dieser Anordnung zeigt Fig. 18. Zwischen Abschirmfolie
43 und Magnetband 42 sind hier
zwei ferromagnetische Verbindungsstücke
46 und 47 angebracht, welche das Meßfeld den magnetischen Rückschlüssen 44 und 45
zuleiten. In dieser Anordnung sind zwei magnetfeldabhängige Widerstände 1 in den
Luftsplten der U-Förmig ausgebildeten magnetischen Rückschiüsse 44 und 45 angeordnet
und die Spulen 40 und 41 ebenfalls in den Luftspalt hineingezogen, so daß der Streufluß
weitgehend herabgesetzt wird.
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Als Beispiel für die Meßempfindlichkeit sei folgendes ausgeführt:
Mit der Anordnung nach Fig. 16 in der Schaltung nach Fig. 5 ergibt sich eine Meßempfindlichkeit
von 0,5 , falls man folgende Daten zugrunde legt: Länge der Mu-Metallstäbe je 200
mm, Durchmesser der Mu-Metallstäbe je 200 mm, R0= 60--Widerstand des Halbleiterkörpers
ohne Magnetfeld, B = 2-kg-Amplitude des rechteckförmigen Magnetfeldes, RB= = 120-#-Widerstand
des Halbleiterkörpers im Magnetfeld von + 2 kG, I= 30-mA-Gleichstrom durch den Halbleiter,
R=300-#-Widerstand des Galvanometers.
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Das magnetische Wechselfeld wurde bei der Mes.-sung der oben angegebenen
Empfindlichkeit von einem angenähert rechteckförmig verlaufenden Strom erregt, der
einem. mechanischen Wechselrichter entnommen wurde. Die dem Meßfeld proportionale
Rechteckspannung wurde durch einen Elektrolytkondensator von dem Gleichspannungsabfall
am magnetfeldabhängigen Widerstand getrennt, gleichgerichtet und mit einem Galvanometer
gemessen.
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In einigen Schaltungen stört die unvermeidlich im magnetfeldabhängigen
Widerstand einschließlich seiner Zuleitungen induzierte Spannung Diese karl mit
Hilfe einer Drahtschleife in bekannter Weise auf ein Minimum reduziert werden, oder
bei Verweqdung von zwei magnetfeldabhängigen Widerständen können diese so hintereinandergeschaltet
werden, daß sich die induzierten Spannungen möglichst weit. gehen aufheben. Bei
annähernd rechteckförmigem Verlauf des Wechselfeldes besteht die induzierte Spannung
aus kurzen, aber hohen Spannungsspitzen.
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Diese können durch bekannte Methoden der Amplitudenbegrenzung weiter
reduziert werden. Es kann auch der Verstärker oder Ringmodulator und auch der mechanische
Gleichrichter für die Zeit der Spannungsspitzen, d. h. während der Umpolzeit des
rechts eckigen Magnetfeldes, wirkungslos gemacht werden.
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Der dem Meßinstrument jeweils zugeführte Anteil vom Spannungsabfall
am magnetfeldabhängigen Widerstand ist nicht nur abhängig von der Größe des Meßfeldes,
sondern außerdem ? rotortional dem Strom im magnetfeldabhängigen Widerstand. Das
Meßgerät eignet sich also auch zur Produktbildung zweier Größen, wenn man Meßfeld
und Steuerstrom variabel und von je einer dieser Größen abhängig macht. Macht man
außerdem das Wechselfeld proportional einer weiteren veränderlichen Größe, so zeigt
das Meßinstrument des Magnetfeldmeßgerätes das Produkt dieser drei Größen an.
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Patentansprüche : 1. Magnetfeldmeßgerät mit einer Sonde mit einem
stromdurchffossenen magnetfeldabhängigen Widerstand, auf den das zu messende Magnetfeld
gegebenenfalls einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb der Sonde (1) dem
zu messenden Magnetfeld .(ßx) ein sich diesem gegenüber schnell änderndes magnetisches
Wechselfeld (B) überlagert ist, derart: daß die Sonde (1) gleichzetig im linearen
Teil ihrer Magnetfeld-Widerstands-Kennlinie (Fig. 1) betrieben und die Temperaturunabhängigkeit
der Symmetrie dieser Kennlinie für eine teruperaturunabhängige Messung ausgenutzt
ist, und daß die Anschlüsse (5, 6) der Sonde (1) mit einem MeK-instrument über eine
Siebschaltung (13, 10) verbunden sind, welche das durch das zu messende Magnetfeld
(Bx) hervorgerufene elektrische Meßsignal (U) durchläßt und den Gleichstromanteil
des Spannungsabfalls einer gleichstromdurchfiossenen Sonde bzw. den Wechselstromanteil
des Spannungsabfalls einer wechselstromdurchflossenen Sonde im wesentlichen fernhält.