DE2150059A1 - Magnetfeldsonde mit Wechselstrom-Vormagnetisierung - Google Patents

Description

DR. HAi.S KARL HACH 695 Mosbach, den 6.10.1971

PATENTANWALT Waldstadt, Hirschstraße

Meine Akte:'P 30 903 6. Oktober 1971

Ei/koe Magnetfeldsonde mit Wechselstrom-Vormagnetisierung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldsonde mit Wechselstrom-Vormagnetisierung, welche ein sehr schwaches magnetisches Feld (kleiner als 10 Gauß) und seine Polarität mjt hoher Empfindlichkeit messen kann.

Nach dem bekannten Stand der Technik werden zur Magnetfeldmessung sogenannte Suchspulen, Hall-Sonden, flux gates (Luftspaltmagnetometer), Mehrfrequenz-Schwingungselemente und dergl. verwendet. Bei diesen Einrichtungen ist, mit Ausnahme der Suchspule, die höchstmögliche magnetische Meßempfindlichkeit durch die magnetische Charakteristik des Werkstoffes der Magnetfeldsonde bestimmt, z.B. durch die Hall-Konstante der Hall-Sonde, durch die magnetische Charakteristik des Magnetkernes beim flux pate und durch den Hemanenzfluß beim Mehrfrequenz-Dohwingungselement. Diese Empfindlichkeit kann daher nur durch Weiterentwicklung des für das jeweilige System am besten ge- fiirupten magnetischen Werkstoffes verbessert werden. Beim Mehrf r'f'MUfifiz-ucnwingungseiement wurde ein Wert für den kleinsten

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Remanenzfluß einer hartmagnetischen Komponente eines magnetisch dünnen Films veröffentlicht, und es wurde daraufhin versucht, der genannten Unzulänglichkeit abzuhelfen. Es ist jedoch sehr schwierig, einen magnetischen Werkstoff herzustellen, dessen Remanenzfluß fast gleich Null ist, so daß auf diesem Weg keine brauchbare Lösung gefunden werden konnte.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Intensität und Polarität schwacher magnetischer Feldkomponenten zu sensieren durch Überwindung der obigen Unzulänglichkeit und durch Verwendung der Resonanzspannungs-Phasen-Charakteristik im Hinblick auf die Schaltungsanordnung, und zwar bei jeder beliebigen Magnetisierungs-Kennlinie, insbesondere jedem beliebigen Remanenzfluß des magnetischen Werkstoffes, der den Magnetkern bildet, und in gleicher Weise bei der Modulationsbetriebsart, der Oszillationsbetriebsart oder der Modulations-Oszillations-Betriebsart des Resonanzkreises.

Ein charakteristisches Merkmal der Erfindung, mit dessen Hilfe die Meßempfindlichkeit ganz wesentlich gesteigert werden kann, besteht darin, daß ein Vormagnetisierungskreis an einem aus einem magnetisch dünnen Film gebildeten Magnetkern vorgesehen ist und daß eine Vorrichtung zum Einspeisen eines Wechselstromes über die Klemmen dieses Stromkreises vorgesehen ist. Auf diese Weise kann auch ein Magnetfeld gemessen werden, das schwächer als das Magnetfeld ist, welches der Breite der Hystereseschleife der Resonanzspannungs-Phasen-Kennlinie ist.

Ein anderes Merkmal der Erfindung gestattet es, die Intensität des Magnetfeldes mittels des Betrages und die Polarität des Magnetfeldes mittels der Polarität eines auf besondere Weise gewonnenen Stromes mit hoher Empfindlichkeit festzustellen. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, da-., ein äuLeres Magnetfeld dein Vormagnetisierungs-Wechselfeld überlagert wird, daii ein negativer Rückführstrom zum Fliegen gebracht wird, der stark genug ist, die von dem äußeren Feld invertierte Phasenlage

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wieder in die ursprüngliche Phasenlage zurückzubringen, daß diese Phaseninversionen wiederholt werden und daß dabei der besagte, dem äußeren Magnetfeld entsprechende Strom von der Wechselstromkomponente des negativen Rückführstromes getrennt wird.

Die spezifische Natur und die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus der nachfolgenden ins einzelne gehenden Beschreibung eines typischen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Im einzelnen zeigen

Figur 1 eine grundlegende konstruktive Darstellung einer Magnetfeldsonde, die nach dem erfindungsgemäßen System

arbeitet;
Figuren 2a und 2b konstruktive Darstellungen von Magnetkernen, wie sie bei der in Figur 1 gezeigten Sonde auch benutzt

werden können;
Figuren 3a, 3b und 3c Spannungs-Phasen-Kennlinien eines

Resonanzkreises;
Figur 4- eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Spannungs-Phasen-Kennlinie und einem Vormagneti-

sierungs-Wechselfeld;
Figur 5 eine Spannungs-Phasen-Kennlinie im Falle der Anwendung

des Vormagnetisierungs-Wechselfeldes; Figuren 6 bis 8 Darstellungen einer Ausführungsart für die Überlagerung des Vormagnetisierungs-Wechselfeldes mit einem negativen Rückführstrom.

Figur 6a ist eine konstruktive Darstellung einer Magnetfeldsonde, deren Magnetkern dadurch gebildet ist, daJ: ein Leiter mit einer magnetischen Substanz ummantelt wurde, die

Figuren 6b und 6c sind konstruktive Darstellungen von Magnetfeldsonden, deren Magnetkerne durch Bewickeln einer magnetischen Substanz mit einer Erregerwicklung gebildet wurden. Die

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Figuren 7a und 7b sind Einzeldarstellungen der nur in den Figuren 6b und 6c gezeigten Magnetkerne.

Figur 8 ist eine Spannungs-Phasen-Kennlinie des Resonanzkreises. Figur 9 ist eine graphische Darstellung der Wellenformen einer

Resonanzspannung und
Figur 10 ist ein Blockschaltbild, das eine Einrichtung zum ■ Sensieren eines Magnetfeldes unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sonde zeigt.

Zunächst wird auf die Figuren 1 bis 5 Bezug genommen. Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsonde, bei der 1 und 2 Klemmen eines Erregerstromkreises sind, der dazu dient, ein magnetisches Wechselfeld auf einen magnetischen Kern 3 wirken zu lassen. Der magnetische Kern 3 besteht aus einem Leiter mit den Klemmen 1 und 2 und aus einer magnetischen Substanz 5·

Verschiedene Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns bieten sich an, die direkte Ummantelung eines Leiters 4- mit der magnetischen Substanz 5 (nach Fig. 2a), die indirekte Ummantelung (nach Fig. 2b) und andere. Als Beispiele für das erstgenannte grundsätzliche Verfahren naeh Figur 2a seien Verfahren erwähnt, bei denen eine magnetische Substanz 5, z.B. Permalloy, auf der äußeren Oberfläche eines Leiters 4-, z.B. eines Kupferdrahtes, z.B. galvanisch niedergeschlagen wird, ein Verfahren, bei dem der Leiter mit einem dünnen Film einer magnetischen Substanz umwickelt wird, oder ein Verfahren, bei dem dünne Filme schichtweise aufgebracht werden. Als Ausführungsbeispiele des zweitgenannten grundsätzlichen Verfahrens gemäii Figur 2b seien erwähnt die Beschichtung der äußeren Oberfläche des genannten Leiters 4- mit einem Isolator 6, z.B. Glas, die anschließende Beschichtung der äußeren Oberfläche der so entstandenen Isolierschicht mit einer magnetischen Substanz 5 durch eines der obengenannten Verfahren, oder ein Verfahren, bei dem die äußere Oberfläche eines Isolators, z.B. eines zylindrischen Glasrohres, in derselben Weise, wie oben beschrieben, mit einer magnetische Substanz ummantelt und dann erst der Leiter in de;' isolator eilige rührt wird.

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Die oben beschriebenen Herstellungsverfahren gehen vom Leiter aus: Es gibt jedoch auch Verfahren, die von der magnetischen Substanz ausgehen, denn die Funktion des magnetischen Kernes 3 bleibt auch aufrechterhalten, wenn der den Leiter darstellende Teil mit dem die magnetische Substanz darstellenden Teil ausgetauscht wird. So ist gemäß Fig· I eine stabförmige magnetische Substanz mit dem den Erregerstrom führenden Leiter umwickelt.

Zusätzlich zu dem oben Gesagten kann man den Leiter und die magnetische Substanz oder den Leiter, den Isolator und die magnetische Substanz je in Form einer Platte, eines Prismas, eines Zylinders, einer Säule oder dergl. ausbilden und diese Elemente dann aufeinander schichten.

Im folgenden wird die magnetische Substanz des Magnetkerns 3 beschrieben. Sie kann so ausgebildet sein, daß sie einen offenen oder geschlossenen Magnetkreis bildet, der sich in gerader oder gekrümmter Linie in Richtung der Sensierungsachse oder senkrecht dazu erstreckt, die magnetische Substanz kann aber auch anisotrop sein. Ferner kann die magnetische Substanz als dünner Film oder als massive Schicht ausgebildet sein, wobei im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung Metalle, Oxyde oder dergl. in Frage kommen. Der Magnetkern kann die räumliche Gestalt einer flachen Platte, eines Streifens, Vielecks, Ringes, Stabes oder einer Spirale haben oder aus einem vollen, einem in einer Richtung mit Hohlräumen versehenen, porösen oder anderen Werkstoff bestehen, da derselbe Effekt auch durch die Anordnung der Stromleiter erreicht werden kann, wie z.B. durch Wickelsinn und Windungsanordnung der einzelnen Wicklungen.

Weiter sind nach Fig. 1 auf dem Magnetkern 3 aufgewickelte Spulen 7 und 8 vorgesehen, zwischen denen eine Anzapfung 9 angebracht ist. Hier kommt es darauf an, daß das Erreger-Wechselfeld in der Spule 8 keine Spannung induziert. Das wird zum Beispiel dadurch erreicht, daß die Spule 8 selbst oder die Erregerwicklung in zwei Teile aufgeteilt ist, die mit entgegengesetztem Wickelsinn gewickelt sind, wie in Fig. 7a dargestellt,

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oder daß Magnetkerne nach S¹Ig. 2a oder 2b verwendet sind. Im letzteren Falle liegt gar keine Verkettung zwischen dem Erreger-Wechselfeld und den Spulen 7 oder 8 vor.

Zusätzlich zu dem Verfahren einer direkten Bewicklung der äußeren Oberfläche des Magnetkernes 3 kann ein Verfahren der indirekten Bewicklung ins Auge gefaßt werden. Zum Beispiel ist eine stabförmige magnetische Substanz für die Durchführung dieses Verfahrens geeignet. Danach wird der Kern in der Weise hergestellt, 'daß zuerst die Spulen 7 und 8 auf die äußere Oberfläche einer Röhre, z.B. einer Glasrohre, aufgewickelt werden und daß dann

* der vorbereitete Magnetkern 3 frei in diese Röhre eingesetzt wird. Verglichen mit dem direkten Wickelverfahren kann die Herstellung der Magnetfeldsonden vorteilhafter nach diesem Verfahren erfolgen. Wenn sich nämlich nach Anwendung des direkten Wickelverfahrens herausstellt, daß die elektrischen Bedingungen nicht ganz erfüllt sind, dann müssen nicht nur die magnetische Substanz des Magnetkerns 3, sondern auch die Wicklungen 7 und 8 weggeworfen werden. Bei Einsatz des indirekten Wickelverfahrens hingegen können die Wicklungen 7 und 8 bei anderen Magnetkernen wiederverwendet werden. Im übrigen ist es wirtschaftlich und vorteilhaft, die magnetischen Eigenschaften und dergl. schon beim Herstellungsprozeß der magnetischen Substanz festzulegen oder die Substanz danach auszusuchen, ob sie die Funktion eines

ψ Magnetkernes haben wird oder nicht.

Weiter sind in Figur 1 eine Klemme 10 und eine Ausgangsklemme mit der Anzapfung 9 verbunden sowie eine Klemme 13 und eine Ausgangsklemme 19 mit dem anderen Ende der Spule 8. Ein Kondensator 12 ist zwischen den Klemmen 10 und 13 eingeschaltet und bildet mit der als nichtlineare Induktanz wirkenden Spule 8 einen Resonanzkreis. 14 und 15 sind Impedanzen, die so bemessen sind, daß kein Resonanzstrom durch den Resonanzkreis fließen kann.

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Ferner ist ein Vormagnetisierungs-Wechselstromkreis 16-14—7-9-10-17,vorgesehen. Dieser sowie die Stromkreise 17-10-9-8-13-19, 17-10-11-12-13-19, I8-15-II-IO-9-8-I3-19 können einzeln oder in Verbindung miteinander ausgeführt sein. Die Stellung des Magnetkernes relativ zu den Wicklungen, die in diesen Stromkreisen enthalten sind, sowie Wickelsinn und Windungsanordnung der Spulen ist zweckentsprechend zu wählen.

Die in dem Magnetsensierungssystem nach der Erfindung enthaltenen Magnetfeldsonden sind zwar entsprechend der vorstehenden Beschreibung aufgebaut. Es können jedoch auch mehrere Magnetkerne verwendet werden, wobei dann zur Bildung einer nichtlinearen Induktanz lediglich ein Gleichstrom-Vormagnetisierungskreis vorgesehen zu sein braucht.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Sonde erklärt. Die an den Klemmen 1 und 2 angelegte Erreger-Wechselspannung kann ungedämpft oder amplitudenmoduliert sein. Solange der entsprechende Erreger-Wechselstrom if* fließt, wird der aus der nichtlinearen Induktanz und dem Kondensator 12 gebildete Resonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz f schwingen. Bei der in dem Resonanzkreis entstehenden und an den Ausgangsklemmen I? und 19 abzugreifenden Resonanzspannung ef sind zwei um TTgegeneinander verschobene Phasenlagen zu unterscheiden, die im folgenden als O-Phase und flf-Phase bezeichnet werden. Was die Abhängigkeit des Maximalwertes der Resonanzspannung von der Polarität des in Richtung der magnetischen Sensierungsach.se überlagerten äußeren Magnetfeldes anbelangt, sind drei Fälle zu unterscheiden. Dies sind der Fall, daß der Maximalwert sich proportional zur Intensität des Magnetfeldes ändert (nachfolgend als Modulationsbetriebsart bezeichnet), der Fall, da-s ein bestimmter Wert ohne Rücksicht auf die Intensität des Magnetfeldes aufrechterhalten wird (nachfolgend als Oszillationsbetriebsart bezeichnet), und der Fall, der ein Mittelding zwischen den beiden anderen darstellt (nachfolgend als Modulations-Oszillations-Betriebsart bezeichnet).

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Figur 3 zeigt eine Resonanzspannungs-Phasen-Kennlinie für jeden der drei genannten Fälle, a ist die Modulationsbetriebsart, b die Oszillationsbetriebsart und c die Modulations-Oszillations-Betriebsart.

Gemäß Figur 3 wird vorausgesetzt, daß sich die Spannungs-Phasen-Kennlinie der Resonanzspannung ef in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld H ändert. Bei der Modulationsbetriebsart kann die Intensität des äußeren magnetischen Feldes mit Hilfe des Maximalwertes der Resonanzspannung ef gemessen werden, bei der Oszillationsbetriebsart läßt sich diese Intensität messen durch geschickte Anwendung des Phasenumkehrpunktes der Kennlinie und bei der Mod.ulations-0szi.llations-Betriebsart ist die Sennierung durch Ausnutzung eine? der vorgenannten Kriterien oder mit Hilfe einer Kombination daraus möglich.

Was die höchstmögliche Sensierungsempfindlichkeit angeht, ist folgendes zu sagen. Bei der Modulationsbetriebsart nach Figur 3a hat die Spannungs-Phasen-Kennlinie keine Hysterese, so daß die Polarität und Intensität auch eines äußerst schwachen Magnetfeldes H sensiert werden kann. Bei den Resonanzkreisen jedoch, deren Spannungs-Phasen-Kennlinien Hysterese haben, wie in den Figuren 3b und 3c gezeigt, läßt sich eine Magnetfeld, das kleiner als das der Breite der Hystereseschleife entsprechend⁰ Mikromagnetfeld PAHh ist, kaum feststellen, so daß die Breite der Hystereseschleife den Höchstwert der magnetischen Sensierungsempfindlichkeit bestimmt.

Um dieses Problem zu lösen, ist bei der vorliegenden E^f der Wechselstrom-Vorma.Fneti sierun.^skreis 1 6-1 /l-7-°-i O-^{1 n} (oder 18-15-11-10-9-8-13-¹9) ^an dem magnetischen I'ern ^ ^-~t*- gesehen. Außerdem sind Mittel vorgesehen, 'im »irmⁿ -inrpd-'ivir ften Vormagnetisierungs-Wechpelstrom 1 f_ n-\ rl: ρ Kl.er.rnnr¹ 1 (" \-·η^ dieses Stromkreises anzulegen und so dap magnetj pche Fold mit höchster Empfindlicnkeit sensiereri zn können.

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Figur 4- zeigt die Beziehung zwischen der Spannungs-Phasen-Kennlinie mit Hysterese und einem Magnetfeld Hf₂, das dem Vormagnetisierungs-Wechselstrom ifο entspricht, wobei der Vormagnetisierungs-Wechselstrom if₂ jede beliebige Wellenform haben kann, jedoch ein Wechselstrom sein muß.

Im folgenden wird der Fall AH-HIf₂ ^ 0- untersucht, bei dem die Resonanzspannung zuerst in -Phase ist und ein dem Maximalwert If₂ des Vormagnetisierungs-Wechselstromes if₂ entsprechendes Magnetfeld HIf₂ kleiner als das der halben Hystereseschleifenbreite entsprechende Magnetfeld AHh ist.

Wie sich aus Figur 4 ergibt, verbleibt die Resonanzspannung in /T-Phase, solange das Magnetfeld HIf₂ die Bedingung AHh > HIf₂ erfüllt. Wenn man hier voraussetzt, daß das

Magnetfeld H = H' + AH __ als äußeres Magnetfeld (das ex ex "x

größer als AHh-HIf₂ ist) in axialer Richtung auf die Magnetfeldsonde einwirkt und ein H¹ kompensierender Strom ic

ex

an die Sonde, z.B. an die Klemmen 18 und 19 angelegt ist, dann kann man die Ungleichung AHh < HIf₀ +ΔΗ _v aufstellen. Sie besagt, daß die Phasenlage der Resonanzspannung in Figur von ursprünglich T-Phase in O-Phase überführt wird und anschließend so verbleibt, sogar wennAH_Q„ = 0 wird.

Wenn allerdings in diesem Zustand das äußere magnetische Feld sich nach H___ = H' -AH₀^ ändert, dann ergibt sich die Be-Ziehung -AHh > -HIf₂-^AH und dann wechselt die Resonanzspannung umgekehrt von O-Phase nach/T-Phase über.

Diese Eigenschaft bedeutet, daß, wenn das Vormagnetisierungs-Wechselfeld so eingestellt wird, daß es die Bedingung AHh = HIf₂ erfüllt, die Resonanzspannungs-Phasen-Kennlinie durch die Spannungs-Phasen-Kennlinie des hysteresefreien Falles ersetzt zu sein scheint, sofern das äußere Magnetfeld das zu sensierende Magnetfeld darstellt. In Figur 5 ist die Kennlinie als hysteresefreie Spannungs-Phasen-Kennlinie wiedergegeben.

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So kann anstelle Jeder hysteresebehafteten Spannungs-Phasen-Kennlinie mittels der konstruktiven Ausbildung und Schaltung der Sonde eine hysteresefreie Spannungs-Phasen-Kennlinie erhalten werden. Sie erlaubt eine magnetische Sensierung mit sehr hoher Empfindlichkeit mit Hilfe von Mitteln zum Feststellen der Größe und Polarität des Stromes ic, der dem äußeren Magnetfeld entspricht.

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung dieses Kompensationsmeßverfahrens verwendet Mittel zur Wiederholung der Phasenumkehr. Hiernach wird die Polarität des Kompensatirmsstromes fc von der Phasenlage der Resonanzspannung abhängig gemacht, und dieser abhängige Kompensationsstrom heißt im folgenden negativer Rückführstrom.

Zunächst soll davon ausgegangen werden, daß der Resonanzkreis infolge Überlagerung eines äußeren Magnetfeldes in O-Phase schwingt. Der negative Rückführstrom ist dann so gepolt, daß das von ihm erzeugte Kompensationsfeld dem äußeren Magnetfeld entgegengerichtet ist. Wird der Rückführstrom nun erhöht, so überwiegt schließlich das Kompensationsfeld, und es kommt zur Inversion in die Ε-Phase. Infolge der erwähnten Abhängigkeit wird nun aber der Rückführstrom und das ihm entsprechende Kompensationsfeld umgepolt, und letzteres addiert sich zum P äußeren Magnetfeld. Der Resonanzkreis fällt also in die O-Phase zurück usw. Es erfolgt mit anderen Worten ein ständiger Phasenwechsel und ein ständiger Polaritätswechsel des negativen Rückführstromes. Wenn man die Wechselstromkomponente aus dem Rückführstrom aussondert, dann kann anhand der Größe und Polarität des übrig bleibenden Stromes die Intensität und Polarität des Magnetfeldes mit sehr hoher Empfindlichkeit sensiert werden. Diese Sensierungseinrichtung wird realisiert durch Einspeisung des negativen Rückführströmes in den Stromkreis der Sonde, beispielsweise in den Stromkreis 18-15-11-10-9-8-13-19 (oder den Stromkreis 16-14-7-9-10-17).

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Bei der hysteresefreien Spannungs-Phasen-Kennlinie ist offensichtlich die in dem negativen Rückführstrom enthaltene Wechselstromkomponente so schwach, daß sie einen vernach lässigbaren Wechselstrom darstellt.

Ferner ist es möglich, die Intensität und Polarität des Magnetfeldes durch außergewöhnliche Erhöhung des Vormagnetisierungs-Wechselstromes ifρ zu sensieren, d.h. durch Erregung mit einem Spitzenwert If₉, der die Bedingung AHh +JH___J < HIf₉ erfüllt.

Zu diesem Zweck wird ein Phasenlage- und Zeitdifferenz-Verfahren zur Sensierung eines Magnetfeldes betrachtet, bei dem Mittel eingesetzt werden, die es erlauben, einen Unterschied der Dauer der einzelnen Phasenlagen zu erfassen, d.h. der O-Phase und der Tl -Phase der Resonanz spannung, eine Zeitdifferenz nämlich, die von der Polarität und der Intensität des äußeren magnetischen Feldes H abhängt. Ein ebersogutes Verfahren zum Sensieren des Magnetfeldes besteht darin, dafs beispielsweise der negative Rückführstrom zwischen den Klemmen 18 und 19 so zum Fliegen gebracht wird, daß die Zeitdauer der O-Phase und der 7Γ-Phase jeweils gleich groL wird.

Im folgenden wird auf die Figuren 6 bis 10 Bezug genommen und ein Beispiel eines Systems in Einzelheiten erklärt, mit dem die Intensität und Polarität des magnetischen Feldes anhand der Größe und Polarität der Gleichstromkomponente eines negativen Rückführstromes mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann. Dabei wird der negative Rückführstrom, der dem äußeren Magnetfeld entspricht, dem Vormagnetisierungs-Wechselstrom überlagert. Der negative Rückführstrom muj.. so stark sein, dar. er die Phasenlage in die ursprüngliche Phasenlage umkehrt und diese Umkehrungen wiederholt.

In Figur 6a ist der Magnetkern 3 aus einem Leiter und einer magnetischen Substanz in derselben Weise aufgebaut wie in den

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Figuren 2a und 2b, so daß keine spezielle Erläuterung notwendig ist. Was jedoch die in den Figuren 6b und 6c gezeigten Beispiele angeht, so ist dort ein Magnetkern 3¹ verwendet, bei dem eine Erregerwicklung 21 nur auf eine plattenartige magnetische Substanz 20 aufgewickelt ist. Ein solcher Magnetkern 3¹ verwendet eine der in den Figuren 7a oder 7b gezeigten Windungsanordnungen bezüglich seiner Erregerwicklung 21. Um in den Ausgangswicklungen 25 keine Spannung zu induzieren, ist im Falle der Figuren 7a und 6b die Erregerwicklung 21 in zwei Teile aufgeteilt, die in entgegengesetztem Wickelsinn gewickelt sind, und im Falle der Figuren 7b und 6c ist die Erregerwicklung 21 durchweg mit gleichem Wickelsinn gewickelt, h wobei in diesem Fall, wie in Figur 6c gezeigt, die Ausgangswicklung 25 in zwei gegenläufige Hälften aufgeteilt ist.

In jedem in den Figuren 6a bis 6c gezeigten Beispiel ist ein Kondensator 22 zwischen die beiden Klemmen 24 und 25 der Ausgangswicklung 23 eingeschaltet und bildet mit dieser Wicklung einen Resonanzstromkreis. 26 ist eine Impedanz, die so hoch bemessen ist, daß in dem Resonanzstromkreis ein Resonanzstrom nicht fließen kann. Der Stromkreis 27-26-24-23-25-28 ist ein negativer Rückführkreis, in dem ein Strom zum Kompensieren des äußeren magnetischen Feldes fließt.

Bei diesen Magnetfeldsonden kann die Wellenform des Erreger-" stromes, der über die Klemmen 1 und 2 flieiit, beliebig sein. Solange ein solcher Erreger-Wechselstrom ix,- zwischen den Klemmen 1 und 2 flieiit, wird der von dem Kondensator 22 und der nichtlinearen Induktanz gebildete Resonanzkreis angeregt. Die Phasenlagen der Resonanzspannung ef , die in dem Resonanzkreis erzeugt wird, können O-Phase oderTT-Phase sein, und zwar hängt das von der Polarität des zu sensierenden Magnetfeldes ab, das mit der axialen Sensxerungsrxclitung übereinstimmt.

Wenn der Resonanzkreis sich in schwingendem Zustand befindet, kann die Beziehung zwischen der Intensität des Magnetfeldes II und der Resonanzspannung ef_r durch die Spannungs-Phasen-Charakteristik und die ResonanzspannuiiGS-Wellenform ausgedrückt

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werden, die in den Figuren 8 und 9 gezeigt sind. Jedoch ist die Spannungs-Phasen-Kennlinie hysteresebehaftet, so daß es schwierig ist, ein magnetisches Feld zu sensieren, das kleiner als 24Hh, d.h. kleiner als die Hystereseschleifenbreite ist, und diese 2AHh bestimmen die höchstmögliche Sensierungsempfindlichkeit.

Zur Lösung dieses Problems ist auch hierbei ein Vormagnetisierungs-Wechselfeld mit dem Spitzenwert AHh vorgesehen, wobei der Vormagnetisierungsstrom in dem RückführStromkreis wirkt.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen magnetischen Sensierungseinrichtung wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 10 erläutert. 30 ist eine Wechselspannungsquelle zur Erregung, 31 ist ein Verstärker, 32 ist eine Magnetfeldsonde, 33 ist ein Bezugsphasengenerator, 3^ ist eine Phasenvergleichseinrichtung, 35 ist eine Integrier- und Verstärkungseinrichtung und 36 ist eine Anzeigeeinrichtung.

Wenn hiernach der Erregerstrom if^ mit der Frequenz f^ in der Quelle 30 erzeugt und an den Klemmen 1 und 2 der Magnetfeldsonde 32 angeschlossen wird, nachdem er im Verstärker 31 verstärkt wurde, dann erscheint eine Resonanzspannung ef_r an den Klemmen 28 und 29 des Resonanzkreises.

Wenn daher die Phase des Bezugsphasengenerators 33 mit der Phase der Ausgangswelle ef der Magnetfeldsonde 32 in der Phasenvergleichseinrichtung 34 verglichen wird, dann erhält man ein von der Phasenlage der Ausgangsspannung abhängiges Ausgangssignal. Das so erhaltene Ausgangssignal wird integriert und verstärkt in der Integrier- und Verstärkungseinrichtung 35 und wird dann als negativer Rückführstrom, wie in Figur 10 gezeigt, über das Anzeigeinstrument 36 zum Kompensieren des zu .yorisiereudeu Magnetfeldes der Magnetfeldsonde 32 zugeführt. Auf ciie:ie Weifje ist der negative Rückführstrom ein Mai., für das

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Es sei angenommen, daß sich die Resonanzspannung in /T-Phase befindet. Der negative Rückführstrom wird an den Klemmen 27 und 28 angeschlossen, um das äußere Magnetfeld H zu kornpensieren und auszulöschen. Diese Phasenlage bleibt zunächst unverändert. Wenn jedoch der negative Rückführstrom weiter erhöht wird, dann wird das Magnetfeld mit der gegenüber dem zu sensierenden Magnetfeld entgegengesetzten Polarität an die Magnetfeldsonde angelegt. Dabei wird die Phasenlage der Resonanzspannung in die O-Phase invertiert infolge des kompensierenden Magnetfeldes, und als Ergebnis hiervon wird der negative Rückführstrom verringert.

Wenn die O-Phase eine bestimmte Zeit lang aufrechterhalten wird, dann nimmt der negative Rückführstrom allmählich ab, und die Resonanzspannung schwingt wieder in der ursprünglichen χ-Phase.

So wird das Ausgangssignal der Phasenvergleichseinrichtung $4· ein Polaritätssignal, das der Phasenlage entspricht und abhängig von der Dauer und Polarität der Phase zu- oder abnimmt. Das Ausgangssignal der Integrier- und Verstärkungseinrichtung wird dagegen zum negativen Rückführstrom, der die Wechselstromkomponente mit dem Hh entsprechenden Spitzenwert und die dem zu sensierenden Magnetfeld entsprechende Komponente enthält.

Die magnetische Sensierung wird daher möglich, wenn nur der dem zu sensierenden Magnetfeld entsprechende Strom von diesem negativen Rückführstrom abgesondert wird mit Mitteln zum Entfernen der Wechselstromkomponente, von Rauschen oder dergl., wie z.B. einem Filter oder einem Integriernetzwerk.

Was die Anzeigeeinrichtung 36 angeht, sollte sie dazu geeignet sein, den dem zu sensierenden Magnetfeld entsprechenden Strom, wie oben beschrieben, aus dem negativen Rückführstrom herauszufühlen. Beispielsweise kann der Ausgangsstrom der Integrier- und Verstärkungseinrichtung 35 der Magnetfeldsonde als negativer

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Rückfuhrstrom zugeführt werden, während ein Teil davon integriert und verstärkt und von der darin enthaltenen Wechselstrom- oder Rauschkomponente befreit wird. Die das zu sensierende Magnetfeld wiedergebende Grobe und Polarität des Stromes wird einfach mittels eines Zeigersystems oder eines digitalen Anzeigesystems angezeigt. Der Resonanzkreis kann in der Oszillationsbetriebsart, der Modulationsbetriebsart oder der Modulations-Oszillations-Betriebsart betrieben werden. Bei der Modulationsbetriebsart beispielsweise hat die Spannungs-Phasen-Kennlinie keine Hysterese, so daß der Rückführstrom keine Wechselstromkomponente enthält, sondern nur den dem äußeren magnetischen Feld entsprechenden Strom.

Erfindungsgemäß ergibt sich aus der vorstehenden Erläuterung, daß die Eigenschaften der Resonanzspannungs-Phasen-Kennlinie mittels der Schaltungsanordnung geschickt ausgenützt werden, und zwar ohne Rücksicht auf die magnetischen Eigenschaften, insbesondere den Remanenzfluii oder dergl. des magnetischen Werkstoffes, aus dem der Magnetkern gebildet ist, und ohne Rücksicht darauf, ob der Resonanzkreis in der Modulations-, Oszillations- oder Modulations-Oszillations-Betriebsart betrieben wird. Immer kann die Intensität und Polarität der mikromagnetischen Feldkomponente in Richtung der Hauptoder Axialrichtung der Magnetfeldsonde mit sehr hoher Empfindlichkeit sensiert werden.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   ( l.J Magnetfeldsonde mit Wechselstrom-Vormagnetisierung, dadurch gekennzeichnet, daß an einem unter Verwendung eines magnetisch dünnen Films hergestellten Magnetkern ein Vormagnetisierungskreis und ferner eine Vorrichtung zum Einspeisen eines Wechselstromes über die Klemmen dieses Kreises vorgesehen ist, wobei das zu sensierende Magnetfeld mit sehr hoher Empfindlichkeit sensiert wird.
2. 2. Magnetfeldsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres Magnetfeld dem Vormagnetisierungs-Wec'iselfeld überlagert wird, dah ein negativer Rückführstrom zum Fliegen ψ gebracht wird, der stark genug ist, die von dem äußeren Feld invertierte Phasenlage wieder in die ursprüngliche Phasenlage zurückzubringen, da... diese Phaseninversionen wiederholt werden und dab dabei der dem äuheren Magnetfeld entsprechende (Gleich-) Strom von der Wechselstromkomponente des negativen Rückführstromes getrennt wird, wobei die Intensität des Magnetfeldes von der Größe dieses Stromes und die Polarität des Magnetfeldes von der Polarität dieses Stromes abhängt und somit mit hoher Empfindlichkeit sensiert werden kann.

   J. Einrichtung zur Messung eines magnetischen Feldes, gekennzeichnet durch die folgenden Bestandteile:

   a) eine Erreger-Wechselstromquelle zur Erzeugung eines Erregerwechselstromes,

   b) ein magnetischer Sondenkern, auf den der Erregerwechselstrom und ein äußeres magnetisches Feld wirken,

   c) Mittel, mit denen ein magnetisches Wechselfeld an dem Kern zur Wirkung gebracht wird,

   d) ein Resonanzkreis, bestehend aus einer niciitlinearen Induktanz und einem Kondensator,

   e) Mittel, um einen negativen Kückführstrorn auf die nichtlineare Induktanz wirken zu lassen,

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   ί") Mittel zum Trennen eines dem zu messenden Magnetfeld eatsprechenden Stromes von dem negativen Rückführstrom und Mittel zum Anzeigen dieses Stromes,

   wobei die Intensität und Polarität des zu messenden Magnetfeldes mit hoher Empfindlichkeit gemessen wird.

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