DD300763A7 - Schaltungsanordnung mit magnetischer oberwellensonde zur messung von magnetfeldern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer magnetischen Oberwellensonde zum Messen von Magnetfeldern oder Magnetfeldgradienten, die aus einem Sondenkern, aus Primärwicklungen, die an einen Generatorausgang geschaltet sind, aus einer Sekundärwicklung, die über ein auf die doppelte Erregerfrequenz abgestimmtes Filter und einen Verstärker auf einen gesteuerten Gleichrichter und dessen Ausgang auf eine Anzeigeeinrichtung geschaltet ist, besteht. Das Ziel, an den Temperaturgang des Generators als auch des Filters keine hohen Anforderungen zu stellen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Generatorfrequenz periodisch auf die jeweilige Mittenfrequenz in einem den Meßvorgang nicht störenden Zyklus nachgeregelt wird. Der Generator ist spannungsabstimmbar und der Filtereingang ist über einen elektronischen Umschalter periodisch von der Sekundärwicklung der Sonde auf ein Speisesignal und der Ausgang des gesteuerten Gleichrichters über einen zweiten elektronischen Umschalter synchronperiodisch auf einen Frequenzsteuereingang des Oszillators geschaltet. Fig.1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung batrifft eine Schaltungsanordnung mit einer magnetischen Oberwellensonde zum Messen von Magnetfeldern oder Magnetfeldgradienten, die aus wenigstens einem langgestreckt«.· magnetisierbar«^ Sondenkern, aus einer oder mehreren wechselstromdurchflossenen, den oder die Sondenkerne umfassenden elektrischen Primärwicklungen, die an einen Generatorausgang geschaltet sind (Erregerwicklung), zur Erzeugung alternierender magnetischer Sättigung der Sondenkerne, aus wenigstens einer den oder die Sondenkerne umfassenden elektrischen Sekundärwicklung (Empfängerwicklung), die über ein auf die doppelte Erregerfrequenz abgestimmtes Filter und einen Verstärker auf einen gesteuerten Gleichrichter und dessen Ausgang auf eine Anzeigeeinrichtung und gegebenenfalls auf eine ebenfalls den oder die Sondenkerne umfassende Gegenkopplungswicklung geschaltet ist, besteht.

Anordnungen der genannten Art dienen zur Messung kleiner oder kleinster magnetischer Felder oder Feldgradienten in den verschiedensten Bereichen von Technik und Forschung. Ein wichtiger Einsatzfall sind unter anderem die magnetischen Suchgeräte, die auf Grund sehr kleiner Störungen des magnetischen Erdfeldes die Anwesenheit und den Ort von solchen Störungen hervorrufenden ferromagnetischen Körpern ermitteln helfen, etwa von Rohrleitungen und dergleichen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die DE-PS 18764 zeigt eine typische Schaltungsanordnung der genannten Art. Darin speist ein Wechselstromgenerator zwei gegensinnig in Reihen geschaltete Erregerwicklungen der Sonde und bringt die Sondenkerne alternierend in die magnetische Sättigung. In der Empfängerwicklung heben sich die Anteile der Grundwelle des Erregersignals durch die gegensinnige Schaltweise der Erregerwicklungen im wesentlichen heraus. Stehen die Kerne unter dem Einfluß eines Fremdfeldes, so ergibt sich eine Symmetrieverschiebung der Magnetisierungskennlinie, die einen dem Fremdfeld proportionalen Magnetfluß mit der Frequenz geradzahliger Harmonischer der Generatorfrequenz und eine entsprechende Signalspannung in der Empfängerwicklung zur Folge hat. Das nachgeschaltete Filter liest aus der Signalspannung die zweite Harmonische aus, die nach Verstärkung einem gesteuerten Gleichrichter zugeführt wird. Dieser bezieht seine Steuerspannung über einen 90-Grad-Phasenschieber und einen Frequenzverdoppler aus dem Generator. Die demodulierte Signalspannung gelangt an ein Meßinstrumet, dessen Ausschlag den Betrag deszu messenden Fremdfeldes wiedergibt. Es ist auch bekannt, zur Linearisierung der Sondenkennlinie die Sonde mit einer Gegenkopplungswicklung zu versehen, an weiche die demodulierte Signalspannüng nach Verstärkung so angeschaltet wird, daß sie dem zu messenden Fremdfeld entgegenwirkt und die Symmetrie der Magnetisierungskurve wieder herstellt.

Bei Messungen eines Fremdfeldes in einem weiten Temperaturbereich treten Fehler dadurch auf, daß infolge Temperaturganges die verdoppelte Oszillatorfrequenz nicht mehr mit der Filtermittenfrequenz übereinstimmt. Ist z.B. das Filter als Einzelkreis ausgebildet und der Wechselstromgenerator ist um Ω = Δί/f = 0,48 im Temperaturbereich ausgewandert, so ergibt das eine Spannungsabnahme am Ausgang des Filters von 10%, und der Phasenwinkel ändert sich um 25°. Diese Änderungen wirken sich voll als Fehler über den gesteuerten Gleichrichter auf die Anzeige und den Gegenkopplungsstrom aus. Da auch das Filter einen Temperaturgang besitzt, kann der Fehler sich noch vergrößern. Nach dem Stand der Technik ist erkennbar, daß der Fehler durch entsprechende aufwendige Baugruppen mit geringem Temperaturgang in Grenzen zu halten versucht wird.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, bei der an den Temperaturgang des Generators als auch des Filters keine hohen Anforderungen gestellt werden und diese daher ökonomisch aus Schaltkreisen mittleren Integrationsgrades realisiert werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend vom vorstehenden Ziel besteht die Aufgabe, den dem Stand der Technik anhaftenden Fehler bzw. die geringe Auflösung, die im Temperaturgang des Generators und des Filters ihre Ursachen haben, zu beseitigen, so daß die Schaltungsanordnung über einen erweiterten Temperaturbereich Messungen mit größerer Genauigkeit und Auflösevermögen gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Generatorfrequenz periodisch au^f die jeweilige Mittenfrequenz des Filters in einem den Meßvorgang nicht störenden Zyklus nachgeregelt wird. Dabei ist vorgesehen, daß der Generator spannungsabstimmbar ist und daß der Filtereingang über einen elektronischen Umschalter periodisch von der Sekundärwicklung der Sonde auf das am Eingang des 90-Grad-Phasenschiebers liegende Signal und der Ausgang des gesteuerten Gleichrichters über einen zweiten elektronischen Umschalter synchronperiodisch von der Anzeigeeinrichtung bzw. Gegenkopplungswicklung auf einen Frequenzsteuereii. jang des Oszillators, gegebenenfalls jeweils unter Zwischenschaltung eines Tiefpasses und eines Verstärkers, geschaltet ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gestatten die Realisierung mittels digitaler und analoger integrierter Schaltkreise dadurch, daß der Ausgang des Generators mit dem Zähleingang eines Binärzählers verbunden ist, dessen erster und zweiter Ausgang mit den Eingängen eines als 90-Grad-Phasenschieber dienenen Exklusiv-ODER, dessen dritter Ausgang gegebenenfalls über einen Verstärker mit der Primärwicklung der Oberwellensonde und dessen letzter Ausgang mit dem Zähleingang eines Dezimalzählers verbunden sind und entweder an dessen dritten, vierten oder Übertrag-Ausgang die Steuereingänge der elektronischen Umschalter oder der Zähleingang eines weiteren Zählers geschaltet sind, wobei im letzteren Fail die Steuereingänge der elektronischen Umschalter am Übertrag-Ausgang dieses weiteren Zählers liegen. Erfindungsgemäß ist eine hohe Meßsignalauflösung durch die Wahl des Verhältnisses von kurzer Nachregelzeit zu langer Meßzeit dadurch gewährleistet, daß der spannungsabstimmbare Generator am Steuereingang einen frequenzsteuerenden Feldeffekttransistor aufweist, dessen Gate mit einer RCR-Kombination beschaltet ist, deren Auf ladezeitkonstante klein und deren Entladezeitkonstante groß ist.

Ein höherer Integrationsgrad der Bauelemente wird dadurch erreicht, daß als 90-Grad-Phasenschieber ein Halbadder benutzt ist. Erfindungsgemäß sind die beiden elektronischen Analogwert-Schalter gleichartig aus Paaren von unipolaren Transistoren vorzugsweise selbstsperrende N- oder P-Kanal-FET oder aus unipolaren Schaltern vorzugsweise in CMOS-Technik aufgebaut, wobei dem Steuereingang des einen Schaltelementes ein Negator vorgeschaltet ist.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der Erfindung dargelegt und dessen Wirkungsablauf geschildert. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild dieser Anordnung.

Ein spannungsabstimmbarer Rechteckwellengenerator 2 ist mit seinem Ausgang an den Zähleingang Tv eines Dualzählers 3.1 gelegt, dessen dritter Datenausgang Qc über einen Verstärker 3.4 an zwei gegensinnig in Reihe geschaltete

Primärwicklungen 1.1; 1.2 einer Magnetfeldsonde 1 geschaltet ist und diese mit einem Achtel der Frequenz des Rechteckwellengenerators 2 erregt und so die Kerne der Sonde 1 alternierend in die magnetische Sättigung gebracht werden. Bei Einfluß eines Fremdfeldes ergibt sich eine Symmetrieverschiebung der Magnetisierungskennlinie, und bekannterweise wird in der Sekundärspule 1.3 ein Signalgemisch induziert, indem vorwiegend die geradzahligen und die 2. Harmoniscne vorkommen. Aus diesem Signalgemisch wird in der gezeichneten Schalterstellung des elektronischen Umschalters 11 mit Hilfe des aktiven Bandpassfilters 4 die 2. Harmonische, d. h. das Signal mit einem Viertel der Generatorfrequenz ausgefiltert, mit Verstärker 5 verstärkt und einem gesteuerten Gleichrichter 6 zugeführt. Das demodulierte Signal wird vom Ausgang des gesteuerten Gleichrichters 6 über den zweiten elektronischen Umschalter 12, über einen Tiefpaß 8.1, einen Verstärker 8.2 und einer Strommeßeinrichtung 9 auf eine Gegenkopplungswicklung 1.4 der Magnetfeldsonde 1 so geschaltet, daß es die Symmetrie der Magnetisierungskurve (verschoben durch ein Fremdfeld) wiederherstellt. Der dazu .. (wendige Strom in der Gegenkopplungswicklung 1.4 stellt ein Maß für die Stärke des Fremdfeldes dar. Der gesteuerte, d. h. phasenempfindliche, Gleichrichter 6 bezieht seine um 90° gegenüber der doppelten Anregungsfrequenz verschobene Steuerspannung aus einem Exklusiv-ODER 7, das mit seinen Eingängen an dem ersten und zweiten Datenausgang QA; QB des Dualzählers 3.1 geschaltet ist. Die bis jetzt geschilderte Anordnung verursacht für den Fall, daß ein Viertel der Frequenz des Rechteckwellengenerators 2 nicht exakt mit der Filtermittenfrequenz des Bandpassfilters 4 übereinstimmt bzw. Phasenverschiebungen im Signal- und Steuerweg vor dem gesteuerten Gleichrichter 6 auftreten, einen Fehler, der die Auflösung der geschilderten Anordnung verschlechtert. Ursache kann der Temperaturgang der verwendeten Baugruppen sein. Um diesen Einfluß auszuschalten, wird in einer für die Signalmessung vernachlässigbaren kurzen Zeitspanne periodisch die Frequenz und Phase des Rechteckwellengenerators 2 so nachgeregelt, daß vorstehend geschilderte Einflüsse eliminiert werden. Dazu ist vorgesehen, daß mittels der elektronischen Umschalter 11; 12 zeitweilig ein Regelkreis so zusammengeschaltet wird, daß dem Filter 4 ein dem Dualzähler 3.1 am Ausgang QB entnommenes Signal mit einem Viertel der Generatorfrequenz zugeführt wird und der Ausgang des gesteuerten Gleichrichters 6 über ein Tiefpass 10.1 und Verstärker 10.2 an einen Frequenzsteuereingang des Rechteckwellengenerators 2 liegt. Damit wird der Rechteckwellengenerator innerhalb einer kurzen Zeitspanne, die durch Bemessung der Schleifenverstärkung und Tiefpassgrenzfrequenz des Tiefpasses 10.1 zu optimieren ist, auf die Frequenz und Phasenlage nachgeregelt, die einem ungestörten magnetischen Nullfeld entspricht.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der elektronischen Umschalter 11; 12 die aus unipolaren Analogwertschaltern 11.1; 11.2 z. B. in CMOS-Technik realisiert sind. Dabei schalten die Schalter 11.1; 11.2 dadurch alternierend durch, daß dem Steuereingang des einen Schalters 11.1 ein Negator 11.3 vorgeschaltet ist. Gemäß Fig. 1 wird die Steuerspannung für die Umschalter 11; 12 aus dem Übertragungsausgang Ü eines Zählers 3.3 entnommen, der mit seinem Zähleingang Tv an dem letzten Datenausgang QD eines Dezimalzählers 3.2 lieg'., wobei dessen Zähleingang Tv wiederum an den letzten Datenausgang QD des Dualzählers 3.1 geschaltet ist. Diese TeilerkeUe ist so ausgelegt, daß die Umschaltdauer auf „Generatorregelung" mindestens den Regeleinschwingvorgang erfaßt und die Umschalthäufigkeit an die Haltezeitkonstante des Generatorregelgliedes angepaßt ist, wobei die Auflösung der Meßwerterfassung nicht beeinträchtigt wird.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Rechteckwellengenerator, der als frequenzbeeinflussendes Element einen FET aufweist, dessen Gatebeschaltung mit der R|-C-R₂-Kombination eine kleine Aufladezeitkonstante und eine große Entladezeitkonstante besitzt.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung mit magnetischer Oberwellensonde zur Messung von Magnetfeldern oder Magnetfeldgradienten, bei der die magnetische Oberwellensonde aus wenigstens einem langgestreckten magnetisierbaren Kern, aus einer oder mehrerer, den oder die Sondenkerne umfassenden Primärwicklungen, die gegensinnig direkt oder über Frequenzteiler an den Ausgang, vorzugsweise eines Rechteckwellengenerators geschaltet sind und aus wenigstens einer, den oder die Sondenkerne umfassenden Sekundärwicklung, die über ein, auf die doppelte Erregerfrequenz xabgestimmtes Filter und einen Verstärker an den Eingang eines gesteuerten Gleichrichters geschaltet ist, besteht, wobei der Steuereingang des letzteren unter Zwischenschaltung eines 90-Grad-Phasenschiebers, eines Frequenzverdopplers oder Frequenzteilers oder direkt ebenfalls an den Ausgang des Generators geschaltet ist, der Ausgang des gesteuerten Gleichrichters über einen Tiefpaß auf e. Anzeigevorrichtung und vorzugsweise auf eine Gegenkopplungswicklung der Oberwellensonde geschaltet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Generator (2) spannungsabstimmbar ist und daß der Filtereingang (5) über einen elektronischen Umschalter (11) periodisch von der Sekundärwicklung (1.3) der Sonde (1) auf das am Eingang des 90-Grad-Phasenschiebers (7) liegende Signal und der Ausgang des gesteuerten Gleichrichters (6) über einen zweiten elektronischen Umschalter (12) synchronperiodisch von der Anzeigeeinrichtung (9) bzw. Gegenkopplungswicklung (1.4) auf einen Frequenzsteuereingang des Oszillators (2), gegebenenfalls jeweils unter Zwischenschaltung eines Tiefpasses (8.1; 10.1) und eines Verstärkers (8.2; 10.2) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang des Generators (2) mit dem Zähleingang (T_v) eines Binärzählers (3.1) verbunden ist, dessen erster und zweiter Ausgang (QA; QB) mit den Eingängen eines als 90-Grad-Phasenschieber dienenden Exklusiv-ODER (7), dessen dritter Ausgang (QD) mit dem Zähleingang (Tv) eines Dezimalzählers (3.2) verbunden ist und entweder an dessen dritten, vierten oder Übertrag-Ausgang (QC; QD; Cl) die Steuereingänge der elektronischen Umschalter (11; 12) oder derZähleingang (Tv) eines weiteren Zählers (3.3) geschaltet ist, wobei im letzteren Fall die Steuereingänge der elektronischen Umschalter (11; 12) am Übertragausgang (Ü) dieses weiteren Zählers (3.3) liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der spannungsabstimmbare Generator (2) am Steuereingang einen frequenzsteuernden FET aufweist, dessen Gate mit einer RCR-Kombination (R₁; C; R₂) beschaltet ist, deren Aufladezeitkonstante klein und deren Entladezeitkonstante groß ist.

4. Schaltungsanordnung nach Punkt 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß als 90-Grad-Phasenschieber ein Halbadder benutzt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die elektronischen Umschalter (11; 12) aus Paaren von unipolaren Transistoren vorzugsweise selbstsperrende N- oder P-Kanal-FET oder aus unipolaren Schaltern (11.1 · 11.2) vorzugsweise in CMOS-Technik aufgebaut sind, wobei dem Steuereingang des einen Schaltelementes ein Negator (11.3) vorgeschaltet ist.