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Einrichtung zur Ermittlung von Betrag und Richtung einer magnetischen
Gleichfeldstärke Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung von Betrag
und Richtung einer magnetischen Gleichfeldstärke mit einer von einem Hilfswechselstrom
magnetisierten stabförmigen Kernanordnung, die sich auf einem Teil ihrer Länge in
zwei parallele, magnetisch gleiche Kernpfade mit einem gegenüber der restlichen
Kern anordnung verminderten Querschnitt verzweigt, von denen jeder eine Sekundärwicklung
zur Abnahme der Meßgeräte trägt und einen Gleichstromfluß entgegengesetzter Richtung
führt.
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Bei einer bekannten derartigen Einrichtung, die als Wiedergabekopf
für Magnetbandeinrichtung bestimmt ist, ist jeder Kernpfad von einer Wicklung umgeben,
wobei beide Wicklungen in Reihe geschaltet sind und so von dem Hilfswechselstrom
durchflossen werden, daß der erzeugte Fluß in den parallelen Pfaden entgegengesetzte
Richtung aufweist.
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Ein zweites Paar von Wicklungen von in Reihe geschalteten Wicklungen
ist an eine Gleichstromquelle angeschlossen und erzeugt in den parallelen Pfaden
entgegengesetztgerichtete magnetische Gleichflüsse.
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Von einer Wicklung eines dritten Wicklungspaares von auf die Kernpfade
aufgebrachten Wicklungen kann eine Spannung entnommen werden, die die Grundfrequenz
des Hilfswechselstromes sowie Harmonische davon enthalten, welche entsprechend dem
Betrag des zu ermittelnden magnetischen Gleichflusses in der Amplitude moduliert
sind.
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Nachteilig ist bei dieser bekannten Einrichtung, daß die parallelen
Magnetpfade jeweils drei Wicklungen tragen müssen, wodurch die Herstellungskosten
erheblich verteuert und die Abmessungen vergrößert werden. Weiter ist noch eine
Modulatorschaltung erforderlich, falls als Meßwert eine der Gleichfeldstärke proportionale
Gleichspannung gewünscht wird, wobei zudem nicht durch Polarität dieser Gleichspannung
die Richtung des Gleichfeldes angezeigt würde. Sehr ungünstig ist auch die Änderung
des Meßwertes bei Schwankungen des Hilfswechselstromes, der demgemäß genau stabilisiert
werden muß. Eine abgewandelte Ausführungsform dieser bekannten Einrichtung benutzt
eine Kernanordnung, bei der ein senkrecht zu den parallelen Pfaden verlaufender
Steg vorgesehen ist, der die den Hilfswechselstrom führende Wicklung trägt.
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Beidseitig dieses Steges sind auf einem parallelen Pfad je eine Wicklung
angeordnet, an die in Reihenschaltung ein Gleichrichter sowie eine parallelgeschaltete
Kondensator-Widerstands-Kombination angeschlossen ist, von welcher die Meßspannung
abgenommen wird.
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Auch bei dieser Einrichtung sind mit einer Ausnahme hinsichtlich
des bereits enthaltenen Modulators die gleichen Nachteile, wie vorstehend angegeben,
vorhanden.
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Eine andere bekannte Einrichtung zurMessung einer magnetischen Gleichfeldstärke
mit vergleichbarer Ausbildung der Kernanordnung weist auf den parallelen Kempfaden
je zwei Wicklungen und auf dem unverzweigten Teil beiderseits zwei Rückkopplungswicklungen
auf. Die Wicklungen auf den Kernpfaden sind jeweils mit einem Gleichrichter in Reihe
und diese Reihenschaltung zu einer Brücke geschaltet, in deren Diagonalen ein Meßinstrument,
zu dem die in Reihe geschalteten Wicklungen auf dem unverzweigten Teil parallel
geschaltet sind, liegt, während die Wechselstromquelle die andere Brückendiagonale
speist.
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Nachteilig ist bei dieser Einrichtung, daß insgesamt vier getrennte
Wicklungen relativ hoher Windungszahl angeordnet und vier Gleichrichter vorgesehen
werden müssen, der angezeigte Meßwert von der Größe des Hilfswechselstromes abhängt
und zudem keine galvanische Trennung zwischen dem Kreis des Hilfswechselstromes
und dem Meßkreis vorhanden ist. Schwierigkeiten bereitet auch die Beseitigung des
Restmagnetismus, da die Erregerwicklungen jeweils pulsierenden Gleichstrom führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Ermittlung
von Betrag und Richtung
einer magnetischen Gleichfeldstärke zu schaffen,
welche die Nachteile der bekannten Einrichtung vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird dies durch eine Einrichsung der eingangs genannten
Art durch eine Kombination der folgenden Merkmale erreicht: a) mindestens eine in
an sich bekannter Weise auf dem unverzweigten Teil der Kern anordnung befindliche
Wicklung, die vom Hilfswechselstrom durchflossen ist, magnetisiert beide Kernpfade
gleichsinnig; b) jede Sekundärwicklung ist in an sich bekannter Weise an eine Reihenschaltung
aus einem Einweggleichrichter und einem Widerstand angeschlossen, dergestalt, daß
die Gleichrichter bei gleichem Wicklungssinn der Sekundärwicklungen mit umgekehrter
Durchlaßrichtung gepolt sind; c) der Hilfswechselstrom ist so bemessen, daß die
parallelen Kernpfade in an sich bekannter Weise sich nahezu im Sättigungsgebiet
befinden; d) die beiden je aus Sekundärwicklung, Gleichrichter und Widerstand bestehenden
Sekundärkreise sind in einer Meßschaltung enthalten, welche durch Vergleich der
in den Sekundärwicklungen induzierten Spannungen eine Gleichspannung erzeugt, deren
Größe und Polarität ein Maß für den Betrag und die Richtung der Gleichfeldstärke
ist.
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Im folgenden wird an Hand der Zeichnung eine Ausführungsform der
Erfindung beispielsweise näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Draufsicht
auf die gesamte Kernanordnung sowie die darauf angebrachten Wicklungen und die zugehörige
Schaltung in schematischer Darstellung und Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt
der F i g. 1.
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In F i g. 1 stellt 10 einen sättigungsfähigen magnetischen Kern in
Stabform dar. Links und rechts auf dem Magnetkern befinden sich Primärwicklungen
11, die von einer Wechselstromquelle 12 erregt werden.
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Die Frequenz der Wechselstromquelle kann beliebig sein, obwohl höhere
Frequenzen wünschenswert sind, weil sie eine Verringerung der Abmessungen des Gerätes
ermöglichen. Am geeignetsten als Material für den magnetischen Kern 10 sind Ferritkerne.
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In der Mitte des Magnetstabes 10 befindet sich eine Öffnung 13, wodurch
sich zwei schmale magnetische Pfade 14 und 15 oberhalb und unterhalb der Öffnung
13 ergeben. Der in der Beschreibung verwendete Ausdruck »Sättigung des Magnetkernesn
bezieht sich auf die magnetische Sättigung der Pfade 14 und 15. Um jeden Pfad 14,
15 ist eine Sekundärwicklung 21 bzw. 31 angeordnet. Mit der einen Sekundärwicklung21
sind ein Gleichrichter 22 und ein Widerstand 23 verbunden, während ein ähnlicher
Gleichrichter 32 und ein Widerstand 33 mit der anderen Sekundärwicklung 31 verbunden
sind. Die Anschlußenden der Widerstände 23 und 33 sind mit Ausgangsklemmenpaaren
24 und 34 verbunden. Die Durchlaßrichtungen der Gleichrichter 22 und 32 sind so
gewählt, daß die durch den gleichgerichteten Strom der Sekundärwicklungen 21 und
31 erzeugten magnetischen Flüsse um die Öffnung 13 herum in einer Richtung fließen,
wie an später Stelle erläutert wird.
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Wenn ein Wechselstrom der Primärwicklung 11 zugeführt wird, so gehen
durch die Magnetbahnen 14 und 15 zwei gleich große Magnetflüsse, die ihrerseits
entsprechende elektromotorische Kräfte (EMKe) in den Sekundärwicklungen 21 und 31
erzeugen. Die Gleichrichter 22 und 32 lassen jedoch in jeder der Sekundärwicklungen
nur einen Stromfluß in einer Richtung zu. Die Richtungen der durch die Sekundärströme
erzeugten Magnetflüsse sind so gewählt, daß sie sich um die Öffnung 13 in einer
durch die Pfeile 16 und 17 in Fig.2 angegebenen Richtung bewegen. Dadurch ergeben
sich zuzüglich zu dem durch die Primärwicklungenl1 erzeugten Wechselfluß zwei magnetische
Gleichstromfelder in den magnetischen Pfaden 14 und 15, deren Richtungen einander
entgegengesetzt sind.
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Nimmt man an, daß sich in der Längsrichtung des Kernes 10 kein magnetisches
Gleichfeld befindet, so schwingen wegen des Stromes in den Primärwicklungen 11 die
magnetmotorischen Kräfte in den Magnetpfaden 14 und 15 um den Nullpunkt nach links
und rechts. Infolgedessen sind die gleichgerichteten Ströme in den Sekundärstromkreisen
einander gleich, und demzufolge sind auch die Spannungen, die an den Klemmenpaaren
24 und 34 auftreten, einander gleich. Die durch den Primärstrom erzeugte magnetmotorische
Kraft ist so eingestellt, daß die Magnetpfade 14 und 15 bis nahe an ihren Sättigungspunkt
erregt werden.
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Wenn ein magnetisches Gleichfeld bestimmter Größe in Längsrichtung
des Magnetstabes 10 besteht, wie es beispielsweise durch den Pfeil 18 in Fig.2 angedeutet
ist, so addilert sich dieses Feld zu dem magnetischen Feld 16, während es vom magnetischen
Felde 17 subtrahiert wird. Dann weichen die Mittelwerte der magnetmotorischen Kräfte
in den Magnetpfaden 14 und 15 von dem Nullpunkt nach beiden Seiten um die Größe
des magnetischen Feldes 18 ab und schwingen nach links und rechts um die Mittelwerte
um denselben Betrag, der durch den Primärstrom hervorgerufen wird. Infolgedessen
erreichen die magnetischen Pfade den Sättigungspunkt dann früher, wenn die durch
den Primärwechsel strom hervorgerufene Erregung in derselben Richtung wie das magnetische
Feld 18 schwingt, während die Pfade den Sättigungspunkt später oder gar nicht erreichen,
wenn die vom Primärstrom hervorgerufene Erregung nach der entgegengesetzten Richtung
schwingt.
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Obwohl die Wechselstromerregungen, wie oben beschrieben, elektromotorische
Wechseikräfte in den Sekundärwicklungen 21 und 31 erzeugen, lassen die Gleichrichter
22 und 32 in jeder Sekundärwicklung einen Stromfluß nur in einer Richtung zu. Die
Stromflußrichtungen (s. F i g. 2) sind so gerichtet, daß die von den Strömen erzeugten
Magnetflüsse um die Öffnung 13 in einer durch die Pfeile 16 und 17 angegebenen Richtung
herumlaufen. Das Magnetfeld, das durch den Sekundärstrom erzeugt wird, bewirkt,
daß sich das magnetische Gleichfeld in dem Pfad 14 um das magnetische Gleichfeld
18 erhöht, während sich das magnetische Gleichfeld in dem Pfad 15 um das magnetische
Feld 18 vermindert. Wenn nun diese Magnetfelder einschließlich des vom Primärstrom
erzeugten als ein Ganzes betrachtet werden, erhält das magnetische Feld in dem Pfad
14 einen Wert, der größer ist als der nur durch das magnetische Gleichfeld 18 gegebene,
während das magnetische
Feld in dem Pfad 17 einen Wert erhält, der
kleiner als derjenige ist, der durch das Feld 18 gegeben ist, und beide schwingen
nach links und rechts um denselben Betrag.
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Wenn die magnetischen Felder 14 und 15 gerade in gleicher Richtung
schwingen, die auch das magnetische Feld 18 hat, so erreichen die Pfade verhältnismäßig
höhere Sättigung, und es besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen den magnetischen
Flüssen der beiden Pfade 14 und 15. Schwingen indessen die Magnetfelder in entgegengesetzter
Richtung, so gelangen sie zu verhältnismäßig geringerer Sättigung, und infolgedessen
erlangt der Magnetfluß im Pfad 15 einen höheren Wert als der Magnetfluß im Pfad
14. Dadurch ist die in der Sekundärwicklung 31 erzeugte Spannung insgesamt etwas
größer als die in der Sekundärwicklung 21 erzeugte, so daß die Gleichspannung am
Klemmenpaar 34 größer als die an dem Klemmenpaar 24 ist.
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Wenn das magnetische Gleichfeld 18 entgegengesetzt zu dem in Fig.
2 durch Pfeile angedeuteten verläuft, so ist, da die Richtungen der Magnetflüssse
durch die Sekundärströme noch dieselben wie durch die Pfeile angegeben sind, die
erzeugte Spannung in der Sekundärwicklung 21 höher als die in der anderen Sekundärwicklung
31, und daraus ergibt sich, daß die Gleichspannung an dem Klemmenpaar 24 höher als
die an dem Klemmenpaar 34 ist. Dadurch kann leicht die Richtung des magnetischen
Gleichfeldes 18 festgestellt werden. Andererseits ist es auch möglich, die Größe
des magnetischen Gleichfeldes zu messen, da sich die Differenz der Ausgangsspannungen
an den Klemmen 24 und 34 annähernd proportional dem Feld 18 ändert. Daneben ist
auch eine Messung des magnetischen Feldes mit einem Nuliverfahren möglich, indem
ein magnetisches Feld von annähernd demselben Betrag und entgegengesetzter Richtung
zu dem zu messenden Felde in Gestalt einer besonderen Erregung oder negativen Rückkopplung
anlegt.
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Der Gegenstand der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß er den
Nachweis eines magnetischen Gleichflusses, durch direkte Umwandlung des Flusses
in eine Gleichspannung oder Gleichstrom mittels eines einfachen Gerätes ermöglicht.
Selbst wenn die Wechselspannungsquelle gewisse Schwankungen aufweist, bleibt die
Ausgangsgleichspannung so lange gleich Null, wie das magnetische Gleichfeld Null
ist, weil die magnetischen Flüsse in den magnetischen Pfaden 14 und 15 um den gleichen
Betrag nach den Plus- und Minusseiten schwingen. Infolgedessen haben Spannungsänderungen
keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Weiter sind Fehler durch Temperaturwechsel praktisch
gleich Null, da die beiden Magnetpfade 14 und 15 sehr nahe beieinander liegen und
jeder Wechsel der Umgebungstemperatur sich gleichmäßig auf beide Pfade erstreckt.
Falls erforderlich, so kann die Kernanordnung aus zwei Kernen bestehen, indem man
einen einzigen Kern in der Längsrichtung zerlegt, anstatt die Öffnung 13 in dem
Kern 10 anzubringen. Statt üblichen Wechselstrom mit konstanter Amplitude zu verwenden,
kann auch Wechselstrom mit geeigneter modulierter Amplitude
als Energiequelle 12
verwendet werden. In diesem Falle kann die Null abweichung infolge eines Restmagnetismus
sehr wirksam beseitigt werden, wenn die Amplitude des Wechselstromes so moduliert
wird, daß sie sich periodisch Null nähert.
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Als Beispiel für die Anfertigung einer erfindungsgemäßen Einrichtung
können die folgenden Angaben dienen: Abmessungen des benutzten Ferritkernes: Stärke
0,5 mm, Länge 40 mm und Breite 4 mm, mit einer Kernöffnung: Durchmesser in der Mitte
3 mm. Die Speisung erfolgt durch einen von einem Transistoroszillator erzeugten
Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 bis 2 Megahertz. Die Ausgangsspannung dieser
Einrichtung beträgt etwa 0,2 Volt für eine zu messende Gleichfeldstärke von 100
Gauß.