Eine neue methode zur Messung kleiner magnetischer felder mit hilfe von Magnetfeldabhängigen widerständen aus indiumantimonid

Solid-State Electronics Pergamon

EINE

NEUE

Press 1965. Vol. 8, pp. 365-373.

METHODE

MAGNETISCHER

FELDER

FELDABHANGIGEN

Printed in Great Britain

ZUR

MESSUNG

MIT

HILFE

KLEINER

VON

WIDERSTiiNDEN

MAGNETAUS

INDIUMANTIMONID U.

VON

BORCRE,

Aus dem Forschungslaboratorium

H. MARTENS

und H. WEISS

der Siemens-Schuckertwerke

AG, Erlangen

(Received 9 October 1964)

Zusammenfassung-Die Symmetrie der Widerstandsanderung der Feldplatte aus InSb im Magnetfeld gestattet die Herstellung einer Sonde zur Messung von schwachen Magnetfeldern mit kleinem Nullpunktsgang i.iber einen grossen Temperaturbereich. Es kann jede unausgesuchte und unjustierte Feldplatte verwendet werden. In der angegebenen Schaltung liefert die Sonde eine dem Messfeld proportionale Wechselspannung. Die Gleichspannung hinter dem Demodulator gibt Griisse und Richtung des Magnetfeldes an. Die Sonde hat eine maximale Nullpunktsabweichung von 0,2 mG im Temperaturbereich von -20°C bis +6O”C. Summary-Because of the symmetry of the magnetoresistance effect in InSb it is possible to build a measuring probe for weak magnetic fields with a high stability. It is not necessary to use a selected and calibrated magnetoresistance device. With the described circuitry the probe delivers an a.c. voltage proportional to the magnetic induction to be measured. After demodulation the resulting d.c. voltage indicates the direction and the value of the magnetic induction parallel to the probe. The variations of the output voltage with no magnetic field between - 20°C and + 60°C corresponds to 0.2 mG. R&sumB-A cause de la symmetric de l’effet magnetoresistance dans 1’InSb il est possible de construire une sonde a grande stabilite pour mesurer un champ magnetique faible. L’element magnetoresistance ne doit etre ni choisi ni Ctalonne. Dans le circuit decrit la sonde donne une tension alternative proportionnelle a l’induction magnetique a mesurer. Apres demodulation la tension continue indique la direction et la valeur de l’induction magnetique parallele a la sonde. La variation de la tension continue sans un champ magnetique entre - 20°C et + 60°C correspond a 0,2 mG.

EINLEITUNG

MIT DEM zweiphasigen InSb-NiSb

ist ein Material bekannt geworden, das im Magnetfeld eine hohe Widerstandszunahme zeigt.(r) Damit lassen sich Bauelemente, genannt Feldplatten, herstellen. Sie besitzen die typische Eigenschaft, dass der Widerstandswert nur von der GrBsse, nicht aber von 2

der Polaritat des einwirkenden Magnetfeldes abhangig ist. In Abb. 1 ist der Widerstand RiB einer Feldplatte in Abhangigkeit von der magnetischen Induktion B dargestellt. Der Verlauf des Widerstandes ist zur Ordinate spiegelbildlich, d.h. RB hangt nicht vom Vorzeichen von B ab. Das wurde fur 3 kG mit einer Genauigkeit von 2.10-5 36.5

U.

366

VON RORCKE,

H.

MARTENS

bestatigt. Bei Erhiihung der Temperatur wird zwar die relative Zunahme des Widerstandes im Magnetfeld kleiner, die Symmetrie bezuglich der Ordinate bleibt jedoch erhalten.

-3

w -2

und

H.

WEISS

zeitlichen Verlauf des Widerstandes Re ergibt sich in Abb. 2 oben rechts die ausgezogene Kurve: ein konstanter Widerstand infolge der symmetrischen Widerstandskurve mit kurzzeitigen Widerstandseinbriichen a an den Flanken des Rechteckfeldes. Wird ein zu messendes Magnetfeld der Induktion B, iiberlagert, so erhalt man einen periodisch sich andernden Widerstand RB gem&s der gestrichelten Kurve. Die Wechselamplitude AR ist dann ein Mass fur die zu bestimmende Induktion B,. Fiir B, = 0 verschwindet die periodische Anderung AR, es bleiben lediglich die Einbriiche a mit der doppelten und mehrfachen

-1

t

I

kG

--l I

r-7

r--i

I

IAR

t-BABB. 1. Feldplattenwiderstand Re in Abhsngigkeit van der magn. Induktion B (bezogen auf den Widerstand Ro fiir B = 0) fiir 20°C und 60°C.

In kleinen Magnetfeldern wachst der Widerstand proportional mit Bs und erreicht bei 3 kG etwa den dreifachen Wert. Die Widerstandsanderung ist demnach fur die Messung von Magnetfeldern in der Grossenordnung von 1 G und darunter unmittelbar nicht geeignet. Urn so kleine Felder zu erfassen, kann man die Feldplatte in ein konstantes Magnetfeld von 1 bis 2 kG bringen, dem das zu messende kleine Feld iiberlagert wird. Damit erreicht man keine hohe Genauigkeit, da sowohl Vormagnetisierung als such Widerstand im Arbeitspunkt von der Temperatur abhangen. In der folgenden Arbeit wird eine neue Methode beschrieben, mit der es mijglich ist, unter Ausnutzung der Symmetrie der Kurve in Abb. 1 kleinste Magnetfelder mit hoher Nullpunktskonstanz zu messen. PRINZIP

DER MESSUNG

Der magnetfeldabhangige Widerstand wird zur Messung kleiner magnetischer Felder in ein magnetisches Wechselfeld gebracht. In Abb. 2 befindet sich die Feldplatte in einem magnetischen Wechselfeld mit zeitlich annahernd rechteckfiirmigem Verlauf und einer Amplitude von 3 kG. Infolge der symmetrischen Kennlinie der FeldPlatte werden die beiden Aste der Widerstandskurve fur positive und negative magnetische Induktion gleich weit durchlaufen. Fur den

j-beat-

-t

ABB. 2. Zeitlicher

Widerstandsverlauf einer Feldplatte im trapezfarmigen Wechselfeld mit und ohne iiberlagerte Induktion B,.

Frequenzen. Wahlt man die Bussere Beschaltung derart, dass nur ein Signal der Frequenz der Wechselamplitude AR ausgewertet wird, so erhalt man fur Bz = 0 und damit AR = 0 den Messwert 0. Dieser Nullwert der Sonde ist durch die Symmetrie der Kurve fur Re in Abhangigkeit von B gewahrleistet, und zwar unabhlngig von Ro und RB/R~, von der Amplitude des vormagnetisierenden Wechselfeldes und von der Temperatur. Verwendet man statt des rechteckformigen ein sinusfijrmiges Magnetfeld der Frequenz w, so ist die Anderung des Widerstandes RB in Abb. 2 rechts oben proportional zu sin%t. Die Widerstandsanderung erfolgt also mit der Frequenz 2~0,

EINE

NEUE

METHODE

ZUR

MESSUNG

wtihrend die B, proportionale, zusatzliche Widerstandsanderung AR die Frequenz w des Wechselfeldes hat. Auf Grund der beschriebenen Eigenschaften der magnetfeldabhangigen Widerstande aus InSb kann mit einer beliebigen Feldplatte, die nicht justiert zu werden braucht, eine Sonde fur kleinste Magnetfelder aufgebaut werden. Sie ist im Prinzip im gesamten Temperaturbereich nullfehlerfrei. Die Feldplattensonde kann ohne jedes ferromagnetische Material arbeiten. Die einfachste Ausfiihrung besteht aus einer Feldplatte, die im Innern einer Luftspule angeordnet ist (Abb. 3). Auf den maanderformigen Halbleiter wirken gleichzeitig die zu messende Induktion B, und das von der Spule erzeugte Wechselfeld. Mit einer Spulenlange von 10 mm und einem Aussendurchmesser von 15 mm l&t sich ein Wechselfeld von 300 G erzeugen. Eine solche einfache Sonde kann fur die Messung von Magnetfeldern unterhalb 100 G verwendet werden.

KLEINER

MAGNETISCHER

FELDER

367

Erhijhung der Empfindlichkeit ergibt sich durch Verwendung von kleinen Elektromagneten anstelle von Luftspulen. Nach diesem Prinzip wurden die hergestellt Feldplattensonden untersuchten (Abb. 9 und 10).

ABB. 4. Sonde

B,

mit zwei Halbleitern und zwei Spulen. ,Induktion der Vormagnetisierung; B, Zu messende Induktion. MESSSCHALTUNGEN

I2

34 (0)

@I

3. Sonde mit Luftspule. A, Mianderfb;rmiger Halbleiter auf isolierendem TrPger; B, Luftspule; l-2 Halbleiteranschliisse; 34, Anschliisse der Luftspule.

ABB.

Vorteilhafter als eine einzige Feldplatte sind zwei nebeneinander liegende mit jeweils dazugehijriger Luftspule. Die beiden Luftspulen werden im Gegentakt erregt, so dass man das in Abb. 4 dargestellte Bild erhllt: Zu messende Induktion B, und Wechselinduktion B, sind fiir die obere der beiden Feldplatten gleichsinnig, fur die untere entgegengesetzt. Nach einer halben Periode hat sich die Verhaltnisse die Richtung von B, umgedreht, sind dann gerade umgekehrt. Dadurch erreicht man in Verbindung mit einer der im folgenden beschriebenen Briickenschaltungen eine Unterdriickung von Storspannungen. Eine weitere

Die Vormagnetisierung erfolgt durch ein Wechselfeld. Die dem zu messenden Magnetfeld proportionale Signalspannung kann nun je nach Beschaltung eine Gleichoder eine Wechselspannung sein. Ein Gleichspannungssignal ist dann erwiinscht, wenn man ohne Verstarker auf einem Millivoltmeter oder Galvanometer unmittelbar ablesen mochte. Ein Wechselspannungssignal ist fur weitere Verstarkung mit nachfolgender Demodulation geeignet. Eine Schaltung mit zwei Feldplatten fur Gleichspannungssignale ist in Abb. 5 wiedergegeben. Der Transformator ist an das 50 HzNetz angeschlossen. Die Sekundarseite liefert einerseits den Erregerstrom i, fur die Vormagnetisierung, andererseits den wegen des Vorwiderstandes RV mit i, gleichphasigen Strom iF durch die beiden Feldplatten RI und Rs. Die Anordnung von RI und Rz sowie der beiden Spulen & und Ss kann in der in Abb. 4 angegebenen Weise erfolgen. In Abb. 6(a) ist der zeitliche Verlauf des Widerstandes der Feldplatte R1 dargestellt. Zum leichteren Verstandnis wird eine rechteckfijrmige

368

U.

BORCKE,

VON

H.

MARTENS

ABB. 5. Schaltung fiir Gleichstromsignal. i, und in sind gleichphasig. Ohne Vorwiderstand Rv erhlilt man ein Wcchselstromsignal der Frequenz 100 Hz.

r---l

5

I ,_

-----_-___-_ r-7

r--l

r-7

r--l

(a)

RO

r--i R2

r--l

r-7

r--7

_(b)

IR

t-1

t-1

t-1

t-1

%?

I

jF

(cl

“I

(d)

und

H.

WEISS

Spannung am Transformator angenommen. Die Linien gelten fiir B, = 0, die ausgezogenen gestrichelten fiir den Fall, dass eine zu messende Induktion B, vorhanden ist. Abbildung 6(b) zeigt den Widerstand der zweiten Feldplatte in Abhlngigkeit von der Zeit, Abb. 6(c) den zeitlichen Verlauf des Stromes in durch die beiden Feldplatten. In Abb. 6(d) und (e) sind die an den beiden Feldplatten liegenden Spannungen ~1 und 242mit und ohne Induktion B, als Funktion der Zeit angegeben. Fiir B, = 0 ist die Differenz der beiden Spannungen ~1 und 24 gleich Yull. Fiir Bz # 0 ist sie von Null verschieden und hat fiir beide Halbwellen des Wechselfeldes dieselbe Polaritgt, man erhiilt als Signal eine Gleichspannung. Sie wird an dem Voltmeter abgelesen, das in der aus den beiden Sekundirwicklungen des Transformators und den beiden Feldplatten bestehenden Briicke liegt. Eine reine Gleichspannung ergibt sich nur fiir rechteckfiirmige Spannung am Transformator und identische Feldplattenwiderstiinde RI und Rz.Bei nicht abgeglichener Briicke sowie bei nicht rechteckfijrmiger Versorgungsspannung erscheint am Ausgang ausser dem Gleichstromsignal noch eine Wechselspannung. Je nach G&se muss sie gegebenenfalls ausgesiebt werden, z.B. durch Parallelschalten des Instrumentes mit einem Kondensator. Eine dem zu crfassenden Magnetfeld proportionale Wechselspannung liefern zwei andere Verfahren. Beim ersten ist als Strom durch die Feldplatten ein Gleichstrom (Abb. 7) geleitet.

Ilie

r-r--IF

f

XBB.

A~B. 6. Zeitabhlngigkeit van RI, Rz, iF, 211, w fiir Schaltung nach Abb 5. __ B, = 0; - - - - -B, + 0.

7. Schaltung

fiir Wechselstromsignal

50 Hz.

Die Spannungen an den Feldplatten haben dann denselben zeitlichen Verlauf wie die Widerstandskurven in den Abb 6(a) und 6(b). Am Ausgang

EINE

NEUE

METHODE

ZUR

MESSUNG

der Briicke erscheint am Voltmeter eine Wechselspannung von der gleichen Frequenz wie das magnet&he Wechselfeld, die nach Phase und Grosse der Polaritat und Grijsse der zu messenden Induktion Bz entspricht. Da die Briicke nicht restlos abgeglichen werden kann, sind dem Nutzsignal Oberwellen, wie schon bei der Beschreibung zu Abb. 2 erlautert, iiberlagert. Die unerwiinschten Frequenzen konnen durch Filter und gegebenenfalls einen Demodulator ausgeschieden werden. Eine giinstigere Schaltung erhalt man, wenn man in Abb. 5 den Vorwiderstand Rv weglasst. 1st der induktive Widerstand im Erregerkreis der Vormagnetisierung gross gegeniiber dem ohmschen Widerstand, so ist die Spannung an den Feldplatten urn etwa 90” gegen den ErregerStrom i, verschoben. Die Wirkungsweise der Schaltung sol1 zur Verdeutlichung wieder mit rechteckformiger Spannung erlautert werden. Die Verschiebung urn 90” lasst sich in diesem Fall allerdings nicht mit der einfachen Schaltung in Abb. 5 erreichen. In Abb. 8(a) und 8(b) ist der aus Abb. 6 bekannte zeitliche Verlauf des Widerstandes in den beiden Feldplatten der Sonde nach Abb. 4 mit und ohne Induktion & dargestellt. Abbildung (8)~ zeigt den urn 90” verschobenen rechteckformigen Strom in durch die Feldplatten. Aus Widerstand und Strom ergeben sich dann die in Abb. 8(d) und 8(e) gezeichneten Spannungen &RI = u1 und ipR2 = 2~2 an den beiden Feldplatten. Die Spannungen ~1 und ua haben fur B, = 0 Rechteckform der Frequenz CL). 1st B, von Null verschieden, so enthalten ~1 und ~2 ausser der Frequenz w such die Frequenz 2~0, die ein Mass fur das zu messende Feld B, ist. Abbildung 8(f) zeigt die in der Brucke erscheinende Spannungsdifferenz ul- ~2. Man erhalt als Signal eine Rechteckspannung der Frequenz 2~. Praktisch hat man nicht vollig identische Widerstande RI und Ra. Am Ausgang der Briickenschaltung erscheinen dann ausserdem Spannungen der Frequenzen w, 3~ usw., sie konnen in sehr schwachen Feldern wesentlich starker als die Spannungen der Signalfrequenz 20.1 sein. Die Aussiebung des Nutzsignals der Frequenz 2tu durch geeignete Filter bereitet keine Schwierigkeiten, wie die Versuche zeigten. Es lassen sich kleinste magnetische Felder nachweisen. Bei kleinen Werten von B, ist der auf der Wider-

KLEINER

MAGNETISCHER

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FELDER

standskurve in Abb. 2 ausgesteuerte Bereich praktisch geradlinig. Wenn bei grosseren zu messenden Feldern die Widerstandskurve weiter ausgesteuert wird, entsteht praktisch kein Fehler, da, wie schon die Steigung der Widerstandskurve erwahnt, annahernd proportional zu B ist. Die Steigung nimmt dann oberhalb des Arbeitspunktes A in Abb. 2 ebensoviel zu, wie sie unterhalb von A abnimmt, so dass die mittlere Amplitude von AR der Induktion B, proportional bleibt.

RI

r--l

r-7

I

t-1

t

L-ununununununununu

r-7

r-7

t-i

t-1

r--l

t-1

t-1

n

uI-u2

(a)

(f)

ABB. 8. ZeitabhPngigkeit van RI, Rz, iF, UI, u2 und ul-uz fiir Schaltung nach Abb. 5 ohm Vorwiderstand Rv;

--Bz

= 0; -----Bz

# 0.

Wesentlich starker als die geringen Linearitatsfehler der Sonde kann sich die Temperaturabhangigkeit des Nutzsignales auswirken, wenn

U.

370

VON

BORCKE.

H.

MARTENS

die Schaltung nicht richtig bemessen ist. Fiir die Empfindlichkeit der Sonde, d.h. fiir die Grasse der abgegebenen Nutzspannung, ist in der Briickenschaltung nach Abb. 5 das Verhtiltnis der Widerstandsdifferenz AR nach Abb. 2 zum Absolutwiderstand R der Feldplatten massgeblich. Sowohl AR als such R nehmen mit zunehmender Temperatur ab, so dass sich ein geringerer Temperaturgang der Empfindlichkeit ergibt, als es der Temperaturabhtingigkeit von AR oder R allein entspricht. Die Temperaturabhgngigkeit der Empfindlichkeit wird ausserdem vom Belastungswiderstand bestimmt. Wie die Messergebnisse zeigen, l&t sich eine ilnderung der Empfindlichkeit von nur etwa _t 1 (‘,/, iiber einen Temperaturbereich von 30°C bei Anpassung des Verstgrkereingangs erreichen. Im iibrigen wird im allgemeinen zwecktiissigerweise die Sonde mit magnetischer Gegenkopplung betrieben, urn die Fehler der Feldplattensonde hinsichtlich Temperaturabhsngigkeit und Linearit5t einschliesslich der Fehler von Verstgrker und Demodulator gering zu halten. Zur magnetischen Gegenkopplung wird auf die Sonde eine Wicklung aufgebracht. Fiir die gegengekoppelte Sonde, die im Grenzfall bei stirkerer Gegenkopplung nur als Nullinstrument arbeitet, sind die sehr guten Nullpunktseigenschaften der Sonde ausschlaggebend, wghrend der Einfluss der Empfindlichkeits5nderung such iiber einen grijsseren Temperaturbereich sehr klein wird. AUFBAU

und H. WEISS

schematisch den inneren Aufbau der empfindlichen Feldplattensonde, Abb. 10 gibt eine Photographie wieder. Zwei Fangstgbe 1 und 2 aus Mumetall von 6 mm 4, die das zu messende Feld sammeln, sind in einer Halterung aus unmagnetischem Material befestigt. Es werden zwei Feldplatten RI und R2 verwendet. Das innere Ende des einen Fangstabes 2 ist so ausgefrlst, dass zwei Stege 3 und 4 von beispielsweise je 1 mm2 Querschnitt den Fluss 4% der zu messenden Induktion B, auf die Feldplatten konzentrieren. Auf den beiden Stegen sind die Spulen S1 und & fiir das Wechselfeld angebracht. Der Fluss 4% teilt sich gleichm&sig auf die beiden Feldplatten in den beiden Luftspalten auf. Die Halbleiterschichten befinden sich auf Ferrittrzgern zur Reduzierung des Luftspaltes.

(@,I

ABB. 9. Schematischer Aufbau der Sonde mit ferromagnetischem Material und zwei im Gegentakt arbeitenden Feldplatten Rlund Rz. 5’1 und Ss sind die Erregerspulen fiir den Wechselfluss $,_.

DER FELDPLATTENSONDE

Fiir kleine zu messende Felder ist die Empfindlichkeit der Sonde, wie aus Abb. 2 hervorgeht, proportional der Steigung der Widerstandskurve im Arbeitspunkt A. Da die Widerstandskurve bis 3 kG eine quadratische Funktion des Feldes ist, wschst die Steigung der Kurve annshernd linear mit der Induktion B. Die Empfindlichkeit der Sonde ist deshalb proportional der Amplitude des Wechselfeldes. Ein brauchbarer Wert fiir das Wechselfeld ist eine Amplitude von 3 kG. Der Widerstand der Feldplatte hat dann im Maximum etwa den 3 fachen Wert des Grundwiderstandes Ro. Ein Magnetfeld von 3 kG l&t sich jedoch mit Luftspule nicht ohne weiteres erreichen. Man verwendet dann besser einen ferromagnetischen Kreis fiir die Wechselerregung. Abbildung 9 zeigt

Wie aus der ErlPuterung des Prinzips der Feldplattensonde hervorgeht, leidet der Nullpunkt der Sonde such dann nicht, wenn die Grasse des Luftspaltes, in dem die Feldplatten eingebaut sind, durch Temperaturschwankungen reversibel oder irreversibel vergndert wird. Man muss lediglich dass durch Temperatursnderungen vermeiden, eine mechanische Beschidigung der Feldplatten erfolgt. Die Feldplatten auf Ferrittrggern haben eine Dicke von 0,68 mm. Der Halbleiter von etwa 20 p Stirke befindet sich ohne Isolation auf dem Ferrittrsger. DURCH+tiHRUNG Die bei den Messungen

8 verwendete Schaltung

DER MESSUNGEN nach der Methode Figur ist in Abb. 11 dargestellt.

ABB. 10. Bild der Sonde.

[facing

p. 370

EINE

NEUE

METHODE

ZUR

MESSUNG

Mit Hilfe der Wicklungen III und IV des ubertragers wird an die Feldplatten je nach gewiinschter Empfindlichkeit der Sonde eine Spannung bis zu 420 mV, 1 kHz, gelegt. Die Spannung hat gegeniiber dem Erregerstrom der an der Wicklung II des Ubertragers angeschlossenen Erregerwicklung fur das magnetische Wechselfeld eine Phasenverschiebung von angenahert 90”. Infolge der Briickenschaltung der beiden Feldplatten erschkint am Eingang des Selektivverstarkers nur ein geringer Teil der 1 kHz-Spannung der Wicklungen III und IV.

v

Selektivversttirker 2 kHz

Frequenzverdoppler

Demodulator Steuersponnung 2 kHz

KLEINER

MAGNETISCHER

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FELDER

liefern die Frequenzverdopplung fur die Ansteuerung des Demodulators mit 2 kHz. Die Feldplatten werden im Wechselfeld maximal auf den 3fachen Grundwiderstand ausgesteuert, so dass sich infolge der Briickenschaltung ein Innenwiderstand der Sonde etwa von der Griisse des Grundwiderstandes einer Feldplatte ergibt. Fur die Aussteuerung auf den 3fachen Grundwiderstand der Feldplatte wird ein sinusformiges Wechselfeld mit einer Amplitude von annlhernd 3 kG benotigt. Kompensiert man die Grundwelle 1000 Hz des Erregerstromes mit einem Kondensator von 24 pF, so betragt der Erregerstrom 6.5 mA und die Erregerleistung 27 mVA. Als lOOO-Hz-Generator fur die Erregung, die Briikkenschaltung der Feldplatten und die Speisung des Frequenzverdopplers fur den Demodulator ist ein Messender eingesetzt. Bei der Messung der Nullpunktskonstanz befand sich die Sonde in einer magnetischen Mehrfachabschirmung aus M 1040. Bei den Temperaturversuchen wurde nur die Temperatur der Sonde geandert, die iibrigen Teile der Schaltung blieben auf Raumtemperatur. Fur die Messung der Einstellzeit wurde mit einer Spule, in der sich die Sonde befand, ein rechteckformiges Magnetfeld erzeugt und das Ein- und Ausschwingen des Signals am Ausgang des Verstarkers beobachtet.

< Schrelber I kfiQ.25

Lu

MESSERGEBNISSE

V

Von der in den Abb. 9 und 10 dargestellten Sonde mit einer Gesamtlange von 80 mm wurden

ABB. 11. Versuchsschaltung.

Das Nutzsignal der Sonde hat eine Frequenz von 2 kHz. Nach der Verstgrkung durch den auf 2 kHz abgestimmten Selektivverstarker wird das Nutzsignal im Demodulator, der iiber den Frequenzverdoppler ebenfalls mit 2 kHz angesteuert wird, phasenabhangig gleichgerichtet und auf einem Linienschreiber mit einem Eingangswiderstand von 1 kti und Vollausschlag & 1,25 V geschrieben. Als Selektiwerstarker fur 2 kHz dient ein 3stufiger Transistorverstarker mit einer Verstarkung von 118 db. Die Demodulation erfolgt mit Hilfe eines Transistordemodulators. Trockengleichrichter in Graetz-Schaltung am Ausgang der Sekundarwicklung V des Transformators

-30

II -20 -10

II -0

IO

I

20

Temperotur,

II

30

40

I

50

I

60

I

70

OC

ABB. 12. Relative Signalspannung der Feldplattensonde in Abhlngigkeit van der Temperatur fiir verschiedene Belastungswiderstsnde.

372

U.

VON

3 Versuchsmodelle untersucht. wurden dabei gemessen :

BORCKE,

Folgende

H.

MARTENS

Grossen

(a) Empfbzdlichkeit der Sonde (ohne Verstiirker) Die Empfindlichkeit der 3 Sonden betrug im Mittel 30 mV/G bei Anpassung an den Innenwiderstand der Sonde von 60 Q. Die Feldplatten wurden hierbei mit je 1,5 mW belastet. Hinter

und

H.

WEISS

(b) Nullpunktskonstanz Bei mehrfach wiederholten Messungen bei Zimmertemperatur ohne Thermostaten mit einer Messdauer von je 15 bzw. 60 Stunden ergab sich eine Nullpunktschwankung < f 0,05 mG. Einen Ausschnitt aus einem Schreiberdiagramm iiber einen Zeitraum von 2 Studen zeigt Abb. 13. 2

50

40

30

20

IO

I

50

40

II

I

ItI Raumtemperatur

50

,

23%

ABB. 13. Nullpunktsgang

ABB. 14. Nullpunktsgang der Sonde bei mehrfachen Temperaturwechseln zwischen -20°C und + 60%.

dem 3stufigen Verstarker entsprach Vollausschlag am Schreiber einer Induktion von etwa + 1 mG. Abbildung 12 zeigt die Temperaturabhangigkeit der Signalspannung, bezogen auf die Spannung bei 23°C fur verschiedene Belastungswiderstande. Fur Widerstande zwischen 100 und 150 Q ist die Signalspannung zwischen 0 und 40°C nahezu tempernturunabhangig.

Die Temperaturabhangigkeit des Nullpunktes wurde im Temperaturbereich von -20°C bis +6O”C bei stetiger Anderung der Temperatur entsprach gemessen. Die Nullpunktswanderung 0,18 mG zwischen - 20°C und + 60°C. Abbildung 14 zeigt einen Ausschnitt aus einem Schreiberdiagramm fur wiederholte schnelle Temperaturwechsel zwischen den Werten - 20°C und +6O”C.

der Sonde iiber einen Zeitraum van 2 Stunden.

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METHODE

ZUR

MESSUNG

Die Spitzen beim raschen Temperaturwechsel wurden durch Thermospannungen verursacht, die wahrend des Temperaturausgleiches auftraten. (c) Einstellxeit am Verstiirkerausgang Die Einstellzeit der Messanordnung kann nicht durch eine Zeitkonstante ausgedrtickt werden. Die Anstiegszeit des Signals am Ausgang des Verstarkers bei plijtzlichem Einschalten eines Magnetfeldes betrug bis zum Erreichen von 90 y0 des Endwertes 10 msec. Diese Zeit kann noch verkiirzt werden, wenn das Nutzsignal weniger stark gefiltert wird. Im Versuchsaufbau wurde mit Hilfe von Resonanzkreisen so stark ausgesiebt, dass das Ausgangssignal als eine reine Sinusspannung am

KLEINER

MAGNETISCHER

373

FELDER

Oszillographen beobachtet werden konnte. Dieses ist fur eine einwandfreie Funktion des Demodulators aber nicht erforderlich. Die Empfindlichkeit der Sonde nimmt ab, wenn die Gesamtlange kleiner wird. Eine auf 20 mm verkiirzte Sonde lieferte eine Empfindlichkeit von 30 mV/Gauss bei einem Belastungswiderstand von 1200 R. Die Belastung der einzelnen FeldPlatte betrug dabei 3,3 mW. Anerkmnnung-Herrn HINI Herstellung der Feldplatten

mijchten wir Dank sagen.

fiir

die

LITERATUR 1. H. WEISS und M. WILHELM, Z. f. Physik. 176, 399 (1963).