DE2261498A1 - Resonanzmesschaltung fuer magnetische eigenschaften - Google Patents
Resonanzmesschaltung fuer magnetische eigenschaftenInfo
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Dr. F. Zumsteln sen. - Dr. E. Assrnann
Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.
PATENTANWÄLTE
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BANKHAUS H. AUFHÄUSER
8 MÜNCHEN 2,
47P541-3
4/th
4/th
NIPPON KOKAH KABUSHIKI KAISIIA, Tokyo/Japan
Resonanzraeßschaltung für magnetische Eigenschaften
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen der magnetischen Eigenschaften für magnetisches oder wirbelstromleitendes Material
und insbesondere eine Resonanzmeßschaltung für die magnetischen Eigenschaften.
In der Grundanordnung einer solchen Meßschaltung für magnetische Eigenschaften ist eine aus einem isolierten Draht gewickelte
Detektorspule in bekannter Weise in der Nähe einer Probe aus einem magnetischen Metall angeordnet, welches kontinuierlich
in einer vorbestimmten Richbung läuft, und eine Abweichung in
der Ausgangsspannung, die zwischen den Enden der Detektorspule
auftritt, wird in der Detektorspule festgestellt, die durch eine
Wechse!spannung vorbestimmter Frequenz (üblicherweise in der
Größenordnung von 5 bis 100 KHz) erregt wird.
Wenn bei der so aufgebauten Meßschaltung irgendein Bereich mit abweichenden magnetischen Eigenschaften in der Probe untersucht
vn.i?d, ändert sich der Viert des Wirbelstroms, der durch die Probe
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fließt, entsprechend der Intensität eines WechselstrommagnetfeldeSf
das von der erregten Detektorspule erzeugt wird» wodurch bewirkt wird, daß die effektive Impedanz der Detektorspule geändert
wird. Als Folge davon ändert sich die an der Detektorspule auftretende Ausgangsspannung. Wenn die Änderung dieser
Ausgangsspannung bestimmt wird, dann kann in einfacher Weise
irgendein abweichender Bereich der Probe festgestellt werden, wie zum Beispiel Lunker , Risse, Vorsprünge, Vertiefungen,
Erhöhungen oder eingeschlossene Verunreinigungen oder Kombinationen hiervon, Schweißstellen usw.
Eine solche Meßschaltung, die nicht vom Resonanztyp ist, bei der eine solche Detektorspule allein verwendet wird, hat jedoch
eine relativ geringe Feststellungsempfindlichkeit, und es ist notwendig, als Eingangssignalquelle für die Messung einen
Oszillator zu verwenden, der ein relativ hohes Ausgangssignal erzeugt. Außerdem ist die Meßgenauigkeit ebenfalls verringert
infolge von äußerem Rauschen, das für die Anwesenheit von Streureaktanzkomponenten (insbesondere Eapazitätskomponenten)
der Detektorspule und der angeschlossenen Zuführungsdrähte verantwortlich 1st.
Um solche Nachteile zu vermeiden, wurde in jüngster Zeit eine Meßschaltung vom Resonanztyp vorgeschlagen, die, wie Fig. 1 zeigt,
einen Parallelresonanzkreis 15 aufweist, in dem ein Kondensator 13 parallel (oder in Reihe) mit einer Detektorspule 12 geschalt
tet ist, die sich in der Fähe einer Probe aus magnetischem Metall befindet, so daß sie in der Frequenz eines Eingangssignales
von einer Eingangssignalquelle für die Messung abgestimmt ist.
In Fig. 1 ist mit 16 eine Streukapazität des Parallelresonanzkreises
15 bezeichnet, während die Streuinduktivitätskomponente normalerweise äußerst klein und daher vernachlässigbar Ist.
Fig. 2 zeigt eine der Schaltung der Fig. 1 äquivalente Schaltung. In der äquivalenten Schaltung ist mit 21 ein Kondensator
mit einem Kapazitätswert bezeichnet, der aus dem Kondensator 13 und der Streukapazität 16 der Fig. 1 zusammengesetzt 1st. Mit 22
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ist ein Widerstand des obengenannten Parallelresonanzkreises bezeichnet, mit 23 ein Widerstand der Eingangssignalquelle 14,
mit e-j eine von der Eingangs signal quelle 14 zugeführte Eingangswechse!spannung,
und mit e0 eine Ausgangsspannungs die über
einem Parallelresonanzkreis 151 auftritt, der aus der Detekt'orspule
12 und dem Kondensator 21 besteht und den Widerstand 22 einschließt.
Es werde angenommen, daß ein Bereich mit abweichenden magnetischen
Eigenschaften in der Probe auftritt. Der Widerstand 23 habe den Wert R, die effektive Impedanz des Parallelresonanzkreises
151 sei Z und die Abweichung der effektiven Impedanz Z sei Δ Z. Wie aus Fig. 2 ersichtlich-ist, ergibt sich die Abweichung
Ae0 der Ausgangsspannung eQ in der folgenden Weise:
Z + Az
Z
R + Z + ΔΖ ei " R + Z ei
eO _ (R+Z)(Z+dz) - Z(R+Z+AZ) * Δ Z RZ ,,ν
i (R+Z+/1 Z) (R+Z) ' · Z (R+Z)'
Wie aus der Gleichung (1) deutlich wird, zeigt die Schaltung der Fig. 2 ein maximales Ausgangssignal, das heißt eine maximale
Empfindlichkeit, wenn R gleich Z ist.
Bei der Resonanzmeßschaltung wird die effektive Impedanz Z des
Resonanzkreises.151 während der Resonanz nur gleich dem Widerstand
22. In diesem Falle wird nicht nur die Ausgangsspannung eQ,
die an dem Resonanzkreis 151 auftritt, wenn das Eingangswechselspannungssignal e* mit einer vorbestimmten Frequenz von
der Eingangssignalquelle 14 dem Resonanzkreis 151 zugeführt wird, sondern ebenso auch die Abweichung ΛeQ der Ausgangsspannung
eQ, die in Abhängigkeit von der Abweichung der effektiven
Impedanz des Resonanzkreises festgestellt wird, wenn irgendein in den magnetischen Eigenschaften abweichender Bereich
in der Probe auftritt, extrem groß im Vergleich zu den Werten,
die bei Meßschaltungen vom nicht-resonanten Typ erhalten werden,
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■ - ♦ -
und es ist daher möglich, als Eingangssignalquelle für die Messung
einen Oszillator zu verwenden, der ein günstig kleines Ausgangssignal im Vergleich mit der Meßschaltung vom nichtresonanten
Typ mit den daraus resultierenden Vorteilen erzeugt*
Bei dieser Resonanzmeßschaltung, die einen solchen Resonanzkreis aufweist, kann jedoch infolge der Anwesenheit einer Streu-*
reaktanz des Resonanzkreises keine hohe Meßgenauigkeit erwartet werden und dieses Problem bleibt ungelöst.
Ziel der Erfindung ist daher eine Resonanzmeßschaltung, die in einer möglichst hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit eine Inde*
rung in den magnetischen Eigenschaften einer Probe eines magnetischen oder wirbelstromleitenden Materials, das sich kontinuierlich in einer vorbestimmten Richtung bewegt, feststellen kann.
Zu diesem Zweck umfaßt eine Resonanzmeßschaltung gemäß der Erfindung
eine Eingangssignalquelle, die eine Wechselspannung
einer vorbestimmten Frequenz erzeugt, eine Brückenschaltung, die zwei in Reihe geschaltete Resonanzkreise, von denen jeder einen
Kondensator und eine Induktivität besitzt, die sich in der Hähe
einer Probe eines magnetischen oder wirbelstromleitenden Material befindet, das kontinuierlich in einer vorbestimmten Richtung
läuft, so daß sie in der Frequenz eines Eingangssignals von der
Eingangssignalquelle abgestimmt sind und einen gemeinsamen geerdeten
Anschluß besitzen, und zwei in Reihe geschaltete Widerstände oder ein Potentiometer, dessen beide Anschlüsse mit den
zugehörigen Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise
verbunden sind, einschließt, wobei die Brückenschaltung zwei Eingangsanschlüsse besitzt, die mit der Eingangssignalquelle
verbunden sind, und einen Verstärker* der mit zwei Ausgangsanschlüssen
der Brückenschaltung verbunden ist·
Bei der so aufgebauten Resonanzmeßschaltung heben sich die Streureaktanzkomponenten der zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise
gegeneinander auf, und nur wenn ein in den magnetischen Eigenschaften abweichender Bereich inder Probe auftritt, kann ein
Ausgangssignal, das der Abweichung in den magnetischen Eigenschaften
entspricht, von dem Verstärker mit hoher fittpfindlich-
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keit und hoher Genauigkeit festgestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs"beispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer herkömmlichen Resonanz«
meßschaltung für magnetische Eigenschaften.
Fig. 2 ist eine Schaltung, die der der Fig. 1 äquivalent ist·
Fig. 3 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform der Resonanzmeßschaltung für magnetische Eigenschaften gemäß
der Erfindung.
Fig. 4 und 5 sind jeweils Seitenansichten, die im einzelnen die Anordnung der Induktivitäten der Fig. 3 zeigen·
Fig. 6 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Abwandlung der Resonanzmeßschaltung der Fig. 4·
Fig. 7 zeigt einen schematischen Schaltplan einer anderen Ausführungsform der Resonanzmeßschaltung gemäß der Erfindung.
In Fig. 3 umfaßt eine Brückenschaltung 31 zwei in Reihe geschaltete
Parallelkreise 26 und 27, die Kondensatoren 21 und 22 mit gleichen Kapazitätswerten und Elektromagnete oder Induktivitäten
23 und 24 von gleichem Viert und mit einem gemeinsamen geerdeten Anschluß 25 einschließen, und ein Potentiometer 30 mit einem
langgestreckten Widerstandskörper 28, dessen beide Anschlüsse mit den zugehörigen Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten
Parallelkreise verbunden sind, und der einen Abgriff 29 besitzt, der gleitend auf dem Widerstandskörper 28 bewegbar ist. Der
Abgriff 29 des Potentiometers 30 und der Erdanschluß werden als die zwei Eingangsanschlüsse der Brückenschaltung 31 verwendet.
An die unsymmetrischen Eingangsanschlüsse ist eine Eingangssignalquelle 32 angeschlossen, die aus einem Oszillator wie zum
Beispiel einem astabilen Multivibrator zur Erzeugung einer Wechselspannung besteht, der zum Beispiel eine Frequenz von
5 KHz bis 100 KHz besitzt, die die Resonanzfrequenz der jeweiligen
Resonanzkreise 26 und 27 ist. Die zwei nicht-geerdeten Anschlüsse, die sich zwischen den zwei in Reihe geschalteten
Parallelresonanzkreisen 26 und 27 befinden, werden als die zwei
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Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung 31 verwendet. Mit den symmetrischen Ausgangsanschlüssen sind die Eingangsanschlüsse
eines Differenzverstärkers 33» der zwei Transistoren Q1 und Q„
mit geerdetem Emitter enthält, verbunden, das heißt jeweils die
Basis der Transitoren Q1 und Q2. Zwischen die Klemme 34 einer
Spannungsquelle -B und einen der Transistoren Q1 und Q«, zum
Beispiel den Kollektor des Transistors Q2, ist ein Lastkreis
37 geschaltet, der aus einem Parallelkreis aus einem Kondensator 35 und einer Spule 36 besteht, der in der Frequenz auf das Eingangssignal
von der Eingangssignalquelle 32 abgestimmt ist. Die Schaltungsanordnung ist so ausgelegt, daß ein gewünschtes Ausgangssignal
über dem Lastkreis 37 abgenommen wird· In diesem Falle bestehen die Induktivitäten 23 und 24 zum Beispiel aus
im wesentlichen U-förmigen Kernen 42 bzw. 43» die in der Hähe
einer Probe 41 aus einem magnetischen Material oder einem wirbelstromleitenden
Material angeordnet sind, wie zum Beispiel einem plattenförmigen, rohrförmigen oder irgendwie anders geeignet
geformten Stahl, rostfreiem Stahl, Kupfer oder Aluminium, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und Spulen 44 und 45 aus isolierten
Drähten sind um die zugehörigen Kerne 42 und 43 gewickelt·
Bei der so aufgebauten Resonanzmagnetmeßschaltung heben sich die
Streureaktanzkomponenten, die in den zwei Paralle!resonanzkreisen
26 und 27 der Brückenschaltung 31 vorhanden sind, gegenseitig auf, und in vorteilhafter Weise kann ein äußeres Bauschen
infolge der Anwesenheit von Streureaktanzkomponenten beseitigt werden. Bevor eine tatsächliche Messung durchgeführt wird,
werden die Induktivitäten 23 und 24 der Probe 41 gegenüber und in ihrer Fähe angeordnet, so daß ein geschlossener magnetischer
Weg gebildet wird, während das vorbestimmte Eingangssignal, wie oben beschrieben wurde, von der Eingangssignalquelle 32 zugeführt
wird, und gleichzeitig wird der Abgriff 29 des Potentiometers 30 gleitend auf dem langgestreckten Widerstandskörper
28 so eingestellt, daß das Ausgangssignal von dem Lastkreis
des Differenzverstärkers 33 auf Null eingestellt ist. In diesem
Zustand wird die Probe 41 kontinuierlich in einer vorbeetiimnten
Richtung bewegt, wobei sich die Induktivitäten 23 und 24 im
wesentlichen in ihrer ursprünglichen Stellung gegenüber und in
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der Nahe der Probe 41 befinden· Nur wenn ein in den magnetischen
Eigenschaften von den normalen Bereichen abweichender Bereich - solche abweichenden Bereiche können Lunker , Vorsprünge oder
Risse oder Kombinationen davon oder eine Schweißstelle einschließen - in der Probe 41 auftreten, ändert sich der Wert des
Wirbelstroms, der durch die Probe fließt, infolge einer Abweichung in äer effektiven Impedanz einer der erregten Induktivitäten
23 "and 24» die dem abweichenden Bereich der Probe 41 gegenübersteht.
Als Folge davon wird der symmetrische Zustand der Brückenschaltung 31 zerstört, so daß ein Ausgangssignal mit einer
Spannung entsprechend der Abweichung in der effektiven Impedanz
der zugehörigen Induktivität von der Brückenschaltung 31 dem Differenzverstärker 33 zugeführt wird. Das Ausgangssignal wird,
nachdem es durch den Differenzverstärker 33 geeignet verstärkt ist, mit hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit von dem
Lastkreis 37 des Differenzverstärkers 33 nachgewiesen. In der gezeigten Ausführungsform befinden sich beide Induktivitäten 23
und 24 gegenüber und in der nähe derselben Probe· Diese Induktivitäten
23 und 24 können jedoch auch so angeordnet sein, daß sich eine gegenüber und in der Nähe' einer Referenzprobe 4.11
mit bekannten magnetischen Eigenschaften und eine gegenüber und in der Höhe einer Probe 412 mit unbekannten magnetischen Eigenschaften
befindet, die aus dem gleichen Material wie die Referenzprobe 411 oder aus einem verschiedenen Material hergestellt ist, wie in !Fig. 5 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung vrird'
ein Unterschied in den magnetischen Eigenschaften zwischen der Eeferenzprobe 411 und der anderen Probe 412 an dem Lastkreis 37
des Differenzverstärkers 38 festgestellt, so daß ein gutes
Probestück von einem auszuscheidenden Probestück durch Auswerten der Abweichung von der Referenzprobe unterschieden
wer den kann.
Pig. 6 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Abwandlung
der Alisführungsform der Pig. 4. Bei dieser Abwandlung sind die
obengenannten Parallelresonanzkreise 26 und 27 durch Serien- · Resonanzkreise 26t und 271 ersetzt und das obengenannte Potentiometer
3Ö ist durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände 281 und 282 von gleichem Widerstandswert ersetzt. Eine solche
A^sonanzmeßschaltung zum Messen von magnetischen Eigenschaften
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kann in der gleichen Weise betrieben werden wie die Ausführungsform
der Fig. 4 und kann dieselben Wirkungen rad Vorteile wie diese erzielen.
Pig. 7 zeigt einen schematischen Schaltplan einer anderen Ausführungsform
der Resonanzmeßschaltung gemäß der Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die paarweisen Eingangsanschlüsse
und paarweisen Ausgangsansehlüsse der Brückenschaltung, die in Piß· 4 gezeigt ist, durch symmetrische Eingangsanschlüsse bzw.
unsymmetrische Ausgangsanschlüsse ersetzt» und der nicht-geerdete Anschluß dieser unsyymetrxschen Ausgangsanschlüsse, das heißt
der Abgriff 29 des Potentiometers 30, ist mit der Basis des !Transistors Q- verbunden, dessen Emitter geerdet ist. Zwischen
den Kollektor des Transistors Q^ und die Anschlußklemme 34 der
Spannungsquelle -B ist ein lastkreis 53 geschaltet, der aus
einem Parallelresonanzkreis aus einem Kondensator 51 und einer Spule 52 besteht. Diese so aufgebaute Resonanzmeßschaltung arbeitet
in der gleichen Weise wie die Ausführungsform der Pig. und kann dieselben Ergebnisse erzielen.
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Claims (7)
- Patentansprüche; 1.) Resonanzschaltung zum Messen von magnetischen Eigenschaften mit einer Eingangssignalquelle, die eine Wechselspannung vor-"bestimmter Frequenz erzeugt, und mit einer Resonanzschaltung, die aus einem Kondensator und einer Induktivität "besteht, welche in der Nähe einer Probe aus einem magnetischen oder einem wirbelstromleitenden Material angeordnet ist, das sich kontinuierlich in einer vorbestimmten Richtung bewegt, so daß der Resonanzkreis auf die Frequenz eines Eingangssignals von der Eingangssignalquelle abgestimmt ist, und in der, wenn irgendwelche in den magnetischen Eigenschaften abweichenden Bereiche in der Probe auftreten, die entsprechenden Abweichungen festgestellt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis zwei in Reihe geschaltete Einheiten umfaßt, die einen gemeinsamen geerdeten . Verbindungspunkt besitzen und eine Brückenschaltung bilden, indem sie mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen zusammengeschaltet sind, deren beide Anschlüsse mit den zugehörigen Anschlüssen dieser in Reihe geschalteten Resonanzkreise verbunden sind, daß die Eingangssignalquelle mit den zwei Eingangsanschlüssen der Brückenschaltung verbunden ist, und daß weiter ein Verstärker vorgesehen ist, der mit den zwei Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung verbunden ist und ein gewünschtes Ausgangssignal von diesen Ausgangsan-v^ Schlüssen feststellt.
- 2. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignalquelle vom unsymmetrischen iyp ist und zwischen Erde und einen gemeinsamen Anschlußpunkt der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Widerstände geschaltet ist, und daß der Verstärker ein Differenzverstärker ist, dessen zwei Eingangsanschlüsse jeweils mit den nicht-geerdeten Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Resonanzkreise verbunden sind.309826/0870
- 3. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignalquelle vom symmetrischen Typ ist und mit den zwei nicht-geerdeten Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Resonanzkreise verbunden ist, und daß der Verstärker ein gewöhnlicher Verstärker ist, dessen Eingangsanschluß mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der zwei in Reihe geschalteten, in der Brückenschaltung enthaltenen Widerstände verbunden ist.
- 4. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in Reihe geschalteten Widerstände, die in der Brückenschaltung enthalten sind, ein Potentiometer mit einem langgestreckten Widerstandskörper, dessen zwei Anschlüsse mit den entsprechenden Anschlüssen der zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise verbunden sind, und mit einem gleitend auf dem Widerstandskörper bewegbaren Abgriff, der als gemeinsamer Verbindungspunkt der zwei in Reihe geschalteten Widerstände dient, umfassen.
- 5. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise, die in der Brückenschaltung enthalten sind, Parallelresonanzkreise sind.
- 6. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei in Reihe geschalteten Resonanzkreise, die in der Brückenschaltung enthalten sind, Reihenresonanzkreise sind.
- 7. Resonanzmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Resonanzkreisen enthaltenen Induktivitäten jeweils einen in der Nähe der Probe angeordneten Kern und eine um diesen Kern gewickelte Spule umfassen«309826/0870M .Lee rsei le
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