CH682599A5 - Magnetfeld-Sonde mit zustellbarem Fluss-Sammelkörper. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Beschreibung der Erfindung Die Technik der Messung magnetischer Felder mit Hallsonden ist aus der Literatur bekannt. Die Broschüre «Gauss-meter Probes, 9900 Sériés» der Firma F.W. Bell, erschienen 1990, unterscheidet sogenanne Axialsonden mit axial empfindlichem Hallelement, und Transversalsonden mit quer zur Sondenachse empfindlichem Hallelement.

Für die Messung magnetischer Felder in einem Luftspalt werden in der Regel Transversalsonden eingesetzt. Die Axialsonde dient vorzugsweise zum Messen der magnetischen Feldstärke an der Oberfläche eines Magnetpoles, insbesondere wenn diese offen zugänglich ist.

Es ist weiterhin bekannt, dass nach dem Prinzip der Kompassnadel ein magnetisch leitender länglicher Körper das umgebende Magnetfeld konzentriert. Wenn seine Längsachse parallel steht zu den Feldlinien, ergibt sich an den beiden Enden eine erhöhte Flussdichte. Der magnetisch leitende Körper wird gewissermassen zur Antenne, die das umgebende Feld einsammelt.

Dieser Effekt wird dazu benützt, die Empfindlichkeit von Hallelementen zu erhöhen. So beschreibt beispielsweise die Firma Siemens im Datenbuch «Sensoren Teil 1: Magnetfeldhalbleiter» 1982/83 den sogenannten Ferrithallgenerator Typ RHY 15. Dieser verfügt zur Erhöhung der Empfindlichkeit über zwei Ferritkörper, die das umgebende Magnetfeld auf eine dazwischen liegende Halbleitersonde konzentrieren.

Ferrithallgeneratoren werden vornehmlich für die Positionsmessung eingesetzt, wobei die magnetische Feldstärke von vornherein begrenzt ist. Für die allgemeine magnetische Messtechnik eignet sich die Technik des Ferrithallgenerators nur mangelhaft, weil das Ausgangssignal in Abhängigkeit des Magnetfeldes infolge Sättigung und Hysterese mit Fehlern behaftet ist. Messgeräte für Magnetfelder setzten deshalb generell Hallgeneratoren ein, welche auf einem Träger aus unmagnetischem Material aufgebracht sind. Die schränkt die Empfindlichkeit ein, gewährleistet aber die bestmögliche Li-nearität und die geringste Hysterese.

Mit modernen Hallelementen ist die Messung der technisch genutzten Magnetfelder weitestgehend gelöst. Auf Probleme stösst aber das Erfassen schwacher, in ihrer Ausdehnung begrenzter Felder, wie sie beispielsweise im Restmagnetismus von Stahlteilen vorkommen. Der Einsatz anderer Messprinzipien, wie beispielsweise der sogenannten Förstersonde, stösst hier auf Schwierigkeiten. Die betreffende Sonde eignet sich nur für Felder, welche in ihrer Ausdehnung deutlich grösser sind als sie selbst. Selbst bei weit getriebener Miniaturisierung ist die Anwendung begrenzt auf Felder mit einem Polabstand in der Grössenordnung von Zentimetern oder mehr.

Die vorliegende Erfindung macht sich zur Aufgabe, die Nachteile der bekannten Hallsonden bei der Messung kleiner und schwacher magnetischer Felder zu beseitigen, gleichzeitig deren vorzügliche Eigenschaften für das Messen technisch nutzbarer

Magnetfelder zu erhalten, und schliesslich die Handhabung des Messgerätes zu erleichtern.

Das dabei eingesetzte Verfahren geht aus den Ansprüchen 1 bis 4 hervor.

Die Beschreibung beruht auf den Fig. 1 bis 8:

Fig. 1 zeigt ein ungestörtes Magnetfeld zur Erklärung der Funktion der Sonde.

Fig. 2 zeigt ein Magnetfeld unter Einwirkung eines Fluss-Sammelkörpers.

Fig. 3 zeigt eine konventionelle Hallsonde zur Messung magnetischer Felder.

Fig. 4 zeigt die mit dem Fluss-Sammelkörper ergänzte Sonde, ausgebildet als Transversalsonde.

Fig. 5 zeigt die mit dem Fluss-Sammelkörper ergänzte Sonde, ausgebildet als Axialsonde.

Fig. 6 zeigt die Sonde als Transversalsonde, mit einem schwenkbar ausgebildeten Fluss-Sammelkörper.

Fig. 7 zeigt die Sonde als Transversalsonde, mit einem verschiebbar ausgebildeten Fluss-Sammelkörper.

Fig. 8 zeigt die Sonde als Axialsonde, mit einem verschiebbar ausgebildeten Fluss-Sammelkörper.

Die Wirkung des Fluss-Sammelkörpers ergibt sich aus den Fig. 1 und 2 wie folgt.

Fig. 1 zeigt ein ungestörtes Magnetfeld mit seinen Feldlinien 1. Fig. 2 stellt die Wirkung eines magnetisch leitenden Fluss-Sammelkörpers 3 auf das Magnetfeld dar. Die Feldlinien 2 werden durch den Fluss-Sammelkörper 3 auf Grund seiner guten magnetischen Leitfähigkeit in seiner näheren Umgebung so zusammengefasst, dass an seiner Stirnseite eine erheblich grössere Flussdichte herrscht als im ungestörten Magnetfeld.

Aufbau und Funktion einer Magnetfeld-Sonde bekannter Ausführung (Stand der Technik) sind in Fig. 3 am Beispiel einer Transversalsonde dargestellt. Das zu messende Magnetfeld ist beispielsweise durch den Dauermagneten 4 mit dem Nordpol 5 und dem Südpol 6 erzeugt. Ein Teil der Feldlinien 7 passiert das Magnetfeld-empfindliche Hallelement 8. Dieses ist in einen länglichen Tragkörper 9 eingelassen, der im Sondengriff 11 befestigt ist. Das Hallelement 8 ist durch Leiterbahnen oder Drähte 10 mit dem Sondenkabel 12 verbunden. Dieses Kabel verbindet die Sonde auf bekannte Weise mit dem Speise-, Mess- und Auswertegerät. Entsprechende elektrische Schaltungen sind beispielsweise im Siemens Datenbuch «Sensoren Teil 1: Magnetfeldhalbleiter» 1982/83 beschrieben.

Die im Beispiel Fig. 3 gemessene Feldstärke entspricht dem unbeeinflussten Magnetfeld im sogenannten offenen Magnetkreis. Diese Form des Magnetfeldes ist gekennzeichnet durch das Fehlen von magnetisch leitfähigen Teilen, welche einen Rück-schluss für die Feldlinien zwischen den Magnetpolen 5 und 6 bilden würden.

Fig. 4 zeigt dieselbe Messanordnung, wobei die Sonde zusätzlich mit einem Fluss-Sammelkörper 13 versehen ist. Der vom Dauermagnet 4 erzeugte Fluss, dargestellt durch die Feldlinien 7, wird durch den Fluss-Sammelkörper 13 auf das Hallelement 8

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konzentriert. Damit iässt sich im freien Magnetfeld ein mehrfach stärkeres Signal erzeugen. Bei gleicher Empfindlichkeit der elektronischen Auswerteschaltung können so wesentlich schwächere Magnetfelder festgestellt werden. Versuche haben gezeigt, dass mit einem geeigneten Fluss-Sammelkör-per ein Verstärkungsfaktor von 10 erzielbar ist.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Messanordnung, jedoch in Form einer sogenannten Axialsonde. Der wesentliche Unterschied zur Fig. 4 besteht darin, dass die Hallsonde 8 nun quer zur Längachse der Sonde angeordnet ist, und somit auf magnetische Feldlinien parallel zur Sonden-Längsachse anspricht. Die übrigen Bezeichnungen von Fig. 4 und Fig. 5 sind identisch.

Fig. 6 zeigt die erfindungsgemässe Transversalsonde, bestehend aus dem Hallelement 8, dem Tragkörper 9, den Leiterbahnen 10, dem Sondengriff 11 und dem Sondenkabel 12. Der Fluss-Sammelkörper 14 ist mit der Sonde über das Gelenk 15 drehbar verbunden. Er wird in der Endstellung 14a für Messungen schwacher Magnetfelder auf die beschriebene Art eingesetzt. In dieser Stellung berührt der Fluss-Sammelkörper mit seinem einen Ende das Hallelement. Für das Messen starker Magnetfelder, insbesondere im Luftspalt eines geschlossenen Magnetkreises, wird der Fluss-Sammelkörper 14 in die Stellung 14b geschwenkt, wo er keinen Einfluss mehr hat auf das zu messende Magnetfeld. Zum bequemen Umstellen des Fluss-Sammel-körpers 14 dient ein Griff 16. Die offene Position wird gegebenenfalls für automatische Messwerterfassung mit einem Endschalter 17 abgetastet, der als Signalgeber wirkt und ebenfalls über das Kabel 12 mit dem Auswertegerät verbunden ist.

Fig. 7 zeigt eine ähnliche Transversalsonde wie Fig. 6, jedoch ist der Fluss-Sammelkörper 18 verschiebbar angeordnet. Er nimmt die Stellungen 18a für Messung schwacher Felder beziehungsweise 18b für Messungen im Luftspalt ein. Zur genauen Führung des Fluss-Sammelkörpers 18 ist im Sondengriff 11 ein federndes Führungsorgan 19 vorgesehen.

Die erfindungsgemässe Axialsonde in Fig. 8 ist analog aufgebaut. Der verschiebbare Fluss-Sammelkörper 20 nimmt die beiden Stellungen 20a bzw. 20b ein. In seiner aktiven Endstellung 20a berührt er die Hallsonde 8, indem diese als Anschlag dient. Er ist in dieser Stellung durch die Führung 21 präzis positioniert.

Der Fluss-Sammelkörper besteht vorzugsweise aus einem hochpermeablen Material mit minimaler magnetischer Hysterese, wie beispielsweise unter dem Namen Mu-Metall handelsüblich und bekannt.

Die geometrischen Abmessungen des Fluss-Sammelkörpers bestimmen den Verstärkungsfaktor bei der Messung eines freien Magnetfeldes grosser Ausdehnung, beispielsweise dem magnetischen Feld der Erde. Die Empfindlichkeit der Anordnung ist in ihrer Richtung durch die Längsachse des Fluss-Sammelkörpers bestimmt, an dessen einen Ende die Hallsonde angebracht ist. Es ist deshalb zweckmässig, den Fluss-Sammelkörper so abzustimmen, dass ein ganzzahliger Verstärkungsfaktor entsteht.

Für die Analyse von Magnetfeldern, die durch Dauermagnete erzeugt sind, Iässt sich ein Vergleich der Messresultate mit zugestelltem/entferntem Fluss-Sammelkörper vorteilhaft einsetzen. Ein grosser Unterschied zwischen den beiden Messresultaten, das heisst ein grosser Verstärkungsfaktor des Fluss-Sammelkörpers, deutet auf ein grossräumi-ges, freies Magnetfeld hin. Ist diese Differenz geringer, aber immer noch deutlich feststellbar, weist dies auf einen Magnetpol eines hochremanenten Werkstoffes mit eher geringer Koerzitivkraft hin. Bei ganz geringer oder allenfalls verschwindender Differenz liegt ein Hinweis auf einen hochkoerzitiven Werkstoff vor.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung magnetischer Felder, dadurch gekennzeichnet, dass das im freien Raum existierende Magnetfeld durch einen wahlweise zustellbaren Fluss-Sammelkörper konzentriert und auf eine magnetfeldempfindliche Sonde geleitet wird.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Feldes mit einer und derselben Sonde bei offenem und bei teilweise geschlossenem Magnetkreis erfolgt.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung der Quelle des Magnetfeldes jeweils zwei Messungen an derselben Stelle, bei offenem und teilweise geschlossenem Magnetkreis herbeigezogen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Fluss-Sammelkörpers durch mindestens einen Signalgeber erfasst und in die Auswertung der Messung einbezogen wird.

5. Sonde zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Messung magnetischer Felder, bestehend aus einem magnetfeldempfindlichen Element und einem wahlweise zustellbaren Fluss-Sammelkörper.

6. Sonde zur Messung magnetischer Felder gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss-Sammelkörper auf das magnetfeldempfindliche Element aufsteckbar ist.

7. Sonde zur Messung magnetische Felder gemäss Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldempfindliche Element aus einem Halbleiter-Material besteht.

8. Sonde zur Messung magnetischer Felder gemäss Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkörper mit dem Träger der Sonde schwenkbar oder verschiebbar verbunden ist.

9. Sonde zur Messung magnetischer Felder gemäss einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkörper in einer Endstellung das magnetempfindliche Element berührt.

10. Sonde zur Messung magnetischer Felder gemäss einem der Ansprüche 5, 6, 8 oder 9, ausgerüstet mit mindestens einem Signalgeber zur Erfassung der Stellung des Sammelkörpers.

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