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Title
Development of a high temperature dilatometer for measuring magnetostriction / Jürgen Möller
AuthorMöller, Jürgen
CensorGrössinger, Roland
Published2010
Description125 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2010
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Magnetostriktion / Hochtemperatur / Magnetisierung / Dilatometer / Messsystem / Kapazitätsmesszelle / Temperaturgradient / Joule Magnetostriktion / Volumsmagnetostriktion / Temperaturdrift
Keywords (EN)magnetostriction / high temperature / magnetization / dilatometer / measuring system / capacitance cell / temperature gradient / Joule magnetostriction / Volume magnetostriction / temperature drift
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-30301 Persistent Identifier (URN)
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Development of a high temperature dilatometer for measuring magnetostriction [3.74 mb]
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Abstract (German)

Magnetoelastische Effekte eines Festkörpers sind Wechselwirkungen von äußeren Einflüssen, wie Temperatur T, Druck p und der magnetischen Feldstärke H mit den inneren Parametern des Materials, wie Magnetisierung M, Dehnung e und Entropie S. Die Magnetostriktion stellt dabei eine spezielle Art dieser Interaktionen zwischen magnetischer Feldstärke H und Dehnung e dar. Deshalb ändert ein Material als Antwort auf ein Magnetfeld H seine Dimensionen, um seine Magnetisierung M dem angelegten Feld anzupassen. Atomar lässt sich dieses Verhalten durch zwei parallel ablaufende Mechanismen erklären:

die Spin-Bahn-Wechselwirkung und das Kristallfeld des Festkörpers, welches die Energieniveaus der "magnetischen Elektronen" aufspaltet.

Um diese Formänderung der Kristalle festzustellen, gibt es einige Messmethoden, die sich jedoch aufgrund ihrer Auflösung, ihres Temperaturbereiches und der möglichen magnetischen Feldstärken unterscheiden. Besonders Dehnungsmessstreifen und kapazitive Dilatometer überzeugen durch ihr hohes Auflösungsvermögen und ihre breitgefächerte Funktionalität. Bisherige Studien mit kapazitiven Dilatometern wurden vor allem im Tieftemperaturbereich bis hin zu Raumtemperatur durchgeführt. In Verbindung mit Magnetostriktionsmessungen im Hochtemperaturbereich ergeben sich zusätzliche Problemstellungen, wie die Auswahl geeigneter Materialien.

Diese Diplomarbeit untersucht das Verhalten einer kapazitiven Messzelle oberhalb von Raumtemperatur und setzt sich mit der daraus ergebenden Problematik auseinander. Die Entwicklung dieses Messsystems, verbunden mit dem Aufbau der Kapazitätsmesszelle und einer dazu notwendigen Software zum Steuern des Messablaufes, findet vor allem im Raumtemperaturbereich statt. Erst nach einem adäquaten Abgleich mit gut dokumentierten Magnetostriktionsmessungen für Nickel bei Raumtemperatur wird der Messaufbau für Hochtemperatur adaptiert. Die grundlegenden Probleme werden dabei angesprochen und analysiert.

Magnetostriktionsmessungen sind stark temperaturabhängig.

Schwierigkeiten, die es zu lösen gibt, ergeben sich vor allem durch einen Temperaturgradienten auf der Zelle. Schließlich wird der optimale Einsatz der kapazitiven Messmethode erläutert und ein Ausblick auf die Realisierung verbesserter Messsysteme diskutiert.

Abstract (English)

Magnetoelastic effects of a solid are interactions between external influences like temperature T, stress p and magnetic field H and the internal parameters of the material, magnetization M, strain e and entropy S. Magnetostriction represents thereby a specific interaction between the magnetic field H and the strain e. As a consequence of the applied magnetic field H a material alters its dimensions in order to modulate its magnetization M with the external magnetic field H. Atomically this behaviour is explained with two parallel proceeding mechanisms: spin-orbit coupling and the crystal field of the solid body that splits the energy levels of the "magnetic electrons".

For detecting these deformation several different measuring methods are used, which alter however due to their sensitivity, their temperature range and their possible magnetic fields. Especially strain gauges and capacitive dilatometers satisfy with high resolution and a wide-ranging functionality. Up to now most studies with capacitive dilatometers were accomplished from cryogenic temperature up to room temperature.

Magnetostriction measurements at high temperatures go hand in hand with additional difficulties, as the choice of qualified materials.

This diploma thesis examines the manners of a capacitive measuring cell at high temperatures and reflects its problems. The development of this gauging system, combined with the construction and assembly of the capacitance cell and a for that purpose necessary software for actuating the detection system, takes primarily place at room temperature. Not until after a adequate calibration with well documented magnetostriction measurements for nickel at room temperature, the gauging setup is adapted for the use at high temperatures. Basic problems are discussed and analyzed. Magnetostriction measurements are highly temperature-sensitive. Difficulties which have to be studied, arise from a temperature gradient on the cell. Finally the optimal operation of the capacitive measuring technique is elucidated and a perspective on the realisation of temperature improved measurement systems discussed.

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