DE102005038655B3

DE102005038655B3 - Magnetfeldsensitive Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102005038655B3
Application number: DE200510038655
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-08-17

Abstract

Die magnetfeldsensitive Sensoreinrichtung (1) hat eine Sensoreinheit (2) und eine Sende-/Empfangseinheit (3). Die Sensoreinheit (2) ist passiv ausgebildet und enthält einen Resonanzkreis (5) mit einem für ein zu messendes Magnetfeld (B_meas) empfindlichen Magnetfeld-Konverter (7), mit einer Resonanzkapazität (8) und mit einer Resonanzspule (9). Die Sende-/Empfangseinheit (3) umfasst eine mit der Resonanzspule (9) über eine drahtlose Verbindungsstrecke (4) hinweg induktiv gekoppelte Abfragespule (12), eine an die Abfragespule (12) angeschlossene Quelle (13) zur Erzeugung eines Anrege-Magnetfelds (B_exc) durch die Abfragespule (12), Empfangsmittel (12) zum Empfangen eines von der Resonanzspule (9) aufgrund des Anrege-Magnetfelds (B_exc) erzeugten und eine Information über das zu messende Magnetfeld (B_meas) tragenden Antwort-Magnetfelds (B_resp) und eine an die Empfangsmittel (12) angeschlossene Auswerteteileinheit (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetfeldsensitive Sensoreinrichtung mit einer Sensoreinheit und einer Sende-/Empfangseinheit.

Bei bekannten magnetfeldsensitiven Sensoreinrichtungen wird ein Magnetfeld-Konverter mittels einer Strom- oder Spannungsquelle elektrisch aktiviert und mittels einer Auswerteeinheit ausgelesen. Der Magnetfeld-Konverter ist beispielsweise ein Hall-Wandler oder ein magnetoresistiver Wandler, letzterer insbesondere in einer AMR (Anisotropic Magneto Resistance)-, GMR (Giant Magneto Resistance)- oder TMR (Tunnel Magneto Resistance)-Ausführung.

Der Magnetfeld-Konverter misst das Magnetfeld in einer Koordinatenrichtung. Er ist in einen Chip integriert, der auf einer Platine fixiert und mittels Bonddrähten elektrisch angeschlossen ist. Die Platine ist ihrerseits über elektrische Anschlussleitungen mit der Strom- oder Spannungsquelle (AC oder DC) verbunden. Ein Spannungsausgang des Magnetfeld-Konverters ist über weitere elektrische Leitungen an die Auswerteeinheit angeschlossen. Diese enthält üblicherweise einen rauscharmen Vorverstärker, eine Messelektronik und ein Display zur Anzeige des gemessenen Magnetfeldwerts. Eine derartige Sensoreinrichtung wird beispielsweise von dem Unternehmen Stefan Mayer Instruments als „Fluxgate Magnetometer FLUXMASTER" angeboten.

Mittels dieser bekannten Sensoreinrichtungen ist es nicht möglich, eine Magnetfeldmessung über physikalische oder chemische Barrieren hinweg vorzunehmen. Solche Barrieren können beispielsweise als Temperatur-, Material-, Druck- oder Spannungsbarriere vorliegen. Ebenso wenig lässt sich eine Messung in einem verschlossenen Behälter durchführen.

In der US 5 703 576A wird eine Sensoreinrichtung mit einer Sensoreinheit und einer Sende-/Empfangseinheit beschrieben. Die Sensoreinheit umfasst einen Resonanzkreis mit einem in Abhängigkeit von einer zu messenden physikalischen Größe veränderbaren widerstand, sowie eine Resonanzkapazität und eine Resonanzspule. Die Sende-/Empfangseinheit hat eine mit der Resonanzspule über eine drahtlose Verbindungsstrecke hinweg induktiv gekoppelte Abfragespule und eine an die Abfragespule angeschlossene Quelle zur Erzeugung eines Anrege-Magnetfeldes durch die Abfragespule. Die Abfragespule dient auch als ein Empfangsmittel zum Empfangen eines von der Resonanzspule aufgrund des Anrege-Magnetfelds erzeugten und eine Information über die zu messende physikalische Größe tragenden Antwort-Magnetfelds. An die Abfragespule ist auch eine Auswerteinheit angeschlossen.

Aus der DE 197 33 904 C2 ist ein magnetoresistives Element als auf ein zu messendes Magnetfeld empfindlicher Magnetfeld-Konverter bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine magnetfeldsensitive Sensoreinrichtung anzugeben, die auch eine Magnetfeldmessung über physikalische oder chemische Barrieren hinweg erlaubt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen magnetfeldsensitiven Sensoreinrichtung ist die Sensoreinheit passiv ausgebildet, enthält die Sensoreinheit einen Resonanzkreis mit einem für ein zu messendes Magnetfeld empfindlichen Magnetfeld-Konverter, mit einer Resonanzkapazität und mit einer Resonanzspule, und umfasst die Sende-/Empfangseinheit eine mit der Resonanzspule über eine drahtlose Verbindungsstrecke hinweg induktiv gekoppelte Abfragespule, eine an die Abfragespule angeschlossene Quelle zur Erzeugung eines Anrege-Magnetfelds durch die Abfragespule, Empfangsmittel zum Empfangen eines von der Resonanzspule aufgrund des Anrege-Magnetfelds erzeugten und eine Information über das zu messende Magnet feld tragenden Antwort-Magnetfelds und eine an die Empfangsmittel angeschlossene Auswerteteileinheit.

Die erfindungsgemäße magnetfeldsensitive Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinheit und die Sende-/Empfangseinheit als vollständig voneinander getrennte Komponenten ausgeführt sind. Es besteht keine mechanische Verbindung. Insbesondere sind keine elektrischen Verbindungsleitungen wie beim Stand der Technik vorgesehen. Die Anregung und das Auslesen der Sensoreinheit erfolgt mittels induktiver Kopplung über die drahtlose Verbindungsstrecke hinweg. Vorteilhafterweise erfüllt die Resonanzspule dabei eine doppelte Funktion. Zum einen stellt sie die induktive Kopplung mit der Sende-/Empfangseinheit sicher, zum anderen bildet sie im Wesentlichen, d.h. abgesehen von weiteren Anteilen wie Leitungsinduktivitäten, die Induktivität des Resonanzkreises. Günstig ist außerdem, dass eine mit der induktiven Kopplung einhergehende Feld- oder Signalschwächung durch die Güte des vorzugsweise bei seiner Resonanzfrequenz betriebenen Resonanzkreises ausgeglichen wird.

Insgesamt ist die Sensoreinrichtung dank der induktiven Kopplung in der Lage, auch dann eine Magnetfeldmessung vorzunehmen, wenn zwischen dem Messort, an dem die Sensoreinheit platziert ist, und dem Ort der Sende-/Empfangseinheit eine physikalische oder chemische Barriere zu überwinden ist.

Das Anrege-Magnetfeld ruft am Ort der Resonanzspule ein Pump-Magnetfeld hervor, dessen Feldamplitude verglichen mit der des Anrege-Magnetfelds um einen Feldschwächungsfaktor kleiner ist, und der Resonanzkreis eine Güte aufweist, wobei ein Produkt der Güte und des quadrierten Feldschwächungsfaktors einen Wert von mindestens eins annimmt. Dann ergibt sich in der Auswerteteileinheit in etwa ein vergleichbarer Signalpegel wie bei den drahtgebundenen Sensoreinrichtungen nach dem Stand der Technik.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen magnetfeldsensitiven Sensoreinrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der der Resonanzkreis eine Güte mit einem Wert von größer als eins, insbesondere von mindestens hundert, aufweist. Eine hohe Güte gleicht die durch die induktiven Kopplung bedingte Feldschwächung besonders gut aus.

Bei einer anderen bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Abfragespule und die Resonanzspule jeweils einen Windungsdurchmesser aufweisen und in einem Spulenabstand voneinander angeordnet sind, wobei die Werte der beiden Windungsdurchmesser und des Spulenabstands in der gleichen Größenordnung liegen. Dadurch resultiert eine besonders niedrige Feldschwächung.

Vorzugsweise ist es weiterhin möglich, dass die Abfragespule und die Resonanzspule jeweils einen Windungsdurchmesser aufweisen und in einem Spulenabstand voneinander angeordnet sind, und das Anrege-Magnetfeld eine Wellenlänge aufweist, wobei die beiden Windungsdurchmesser und der Spulenabstand wesentlich kleiner als die Wellenlänge sind. Für die Feldkopplung und die Kommunikation zwischen der Abfragespule und der Resonanzspule sind dann ausschließlich quasistatische Verhältnisse maßgeblich. Vor allem spielt das elektromagnetische Strahlungsfeld keine Rolle. Ein elektromagnetisches Strahlungsfeld würde zwar eine geringere Feldschwächung aufweisen, jedoch ist die Ausgangssendeleistung bei höheren Frequenzen wesentlich geringer und auch mit höherem Aufwand verbunden.

Bei einer anderen günstigen Ausgestaltung haben die Abfragespule und die Resonanzspule jeweils eine Spulenachse, und die Spulenachsen fluchten. Die Spulenachsen verlaufen insbesondere auch parallel. Insgesamt sind die beiden Spulen dadurch so zueinander ausgerichtet, dass eine gute Kopplung mit einer geringen Feldschwächung resultiert.

Vorteilhaft ist außerdem eine Variante, bei der der Magnetfeld-Konverter als ein anisotroper Magnetowiderstand oder als ein Tunnelmagnetowiderstand ausgebildet ist. Sie haben eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit und lassen sich außerdem in weiten Grenzen für den jeweiligen Anwendungsfall dimensionieren.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Magnetfeld-Konverter als ein hochohmiger Widerstand ausgebildet ist. Hochohmig bedeutet in diesem Zusammenhang einen widerstandswert von mindestens einigen 100 Ω, vorzugsweise von mindestens etwa 1 kΩ. Damit wird eine hohe Güte erreicht, insbesondere wenn der Resonanzkreis ein Parallel-Resonanzkreis ist.

Günstig ist eine weitere Variante, bei der die Empfangsmittel durch die Abfragespule gebildet sind. Die Abfragespule ist dann für eine bidirektionale Kommunikation mit der Resonanzspule ausgelegt. Für die Sende-/Empfangseinheit werden folg lich weniger Bauteile benötigt. Es ergibt sich ein kompakter Aufbau. Grundsätzlich ist aber auch möglich, in der Sende-/Empfangseinheit zwei getrennte Spulen zum Senden und Empfangen zu verwenden.

Vorteilhafterweise kann die Sende-/Empfangseinheit außerdem einen Rückkopplungszweig mit einer weiteren Spule enthalten, die induktiv mit der Abfragespule und der Resonanzspule gekoppelt ist. Eine solche Rückkopplung stabilisiert die Auswertung des empfangenen Antwort-Magnetfelds.

Darüber hinaus ist es günstig, wenn die weitere Spule Teil einer nach Art eines Nulldetektors aufgebauten Kompensationsteileinheit ist, die ein als Ausgangssignal abgreifbares Speisesignal der weiteren Spule solange nachregelt, bis ein von der weiteren Spule erzeugtes Kompensations-Magnetfeld das zu messende Magnetfeld kompensiert. Dies erhöht den Linearitäts- und den Dynamikbereich.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer drahtlosen magnetfeldsensitiven Sensoreinrichtung mit einer Sensoreinheit und einer Sende-/Empfangseinheit,
2 ein Ausführungsbeispiel der drahtlosen magnetfeldsensitiven Sensoreinrichtung gemäß 1 und
3 eine Darstellung zum quasistatischen Magnetfeld, das von einer kreisförmigen Luftspule längs der Spulenachse erzeugt wird.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Blockschaltbild einer magnetfeldsensitiven Sensoreinrichtung 1 mit einer Sensoreinheit 2 und einer Sende-/Empfangseinheit 3 gezeigt. Die Sensoreinheit 2 und die Sende-/Empfangseinheit 3 sind über eine drahtlose Verbindungsstrecke 4 bidirektional induktiv gekoppelt. Die Sensoreinheit 2 umfasst einen Resonanzkreis 5 und einen an den Resonanzkreis 5 angeschlossenen Chip 6 mit einem Magnetfeld-Konverter 7.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der drahtlosen magnetfeldsensitiven Sensoreinrichtung 1 gemäß 1 dargestellt. Der Resonanzkreis 5 der Sensoreinheit 2 ist auf einer nicht näher dargestellten Platine integriert. Er umfasst neben dem Magnetfeld-Konverter 7 eine Resonanzkapazität 8 und eine Resonanzspule 9. Die Resonanzspule 9 bestimmt im Wesentlichen die Induktivität des Resonanzkreises 2. Sie weist eine Spulenachse 10 auf, die mit einer Spulenachse 11 einer Abfragespule 12 der Sende-/Empfangseinheit 3 fluchtet.
Die Sende-/Empfangseinheit 3 enthält außerdem eine Stromquelle 13 und eine Auswerteteileinheit 14, die beide an die Abfragespule 12 angeschlossen sind. Die Auswerteteileinheit 14 hat an ihrem Eingang einen rauscharmen Vorverstärker 15, dem ein erster phasenempfindlicher Gleichrichter (= Demodulator) mit einem ersten Multiplikator 16 und einem ersten Tiefpassfilter 17 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Tiefpassfilters 17 bildet einen Schaltungsknoten, der mit einem ersten Ausgang 18 der Auswerteteileinheit 14 verbunden ist. Daneben ist der Schaltungsknoten an einen zweiten phasenempfindlichen Gleichrichter (= Demodulator) mit einem zweiten Multiplikator 19 und einem zweiten Tiefpassfilter 20 angeschlossen. Der Ausgang des Tiefpassfilters 20 bildet einen zweiten Ausgang 21 der Auswerteteileinheit 14. Weiterhin ist ein optionaler als Kompensationsteileinheit 22 ausgebildeter Rückkopplungszweig mittels eines Schalters 23 an den Schaltungsknoten zuschaltbar. Die Kompensationsteileinheit 22 enthält einen Inverter 24, einen Verstärker 25, einen Ausgangswiderstand 26 und eine Kompensationsspule 27. Die Kompensationsspule 27 ist induktiv mit der Resonanzspule 9 und der Abfragespule 12 gekoppelt und mit einer Spulenachse 28 fluchtend zu den Spulenachse 10 und 11 ausgerichtet. An den Ausgangswiderstand 26 sind Abgriffe eines dritten Ausgangs 29 der Auswerteteileinheit 14 angeschlossen.
Im Folgenden werden auch unter Bezugnahme auf 3 die Funktionsweise der Sensoreinrichtung 1 gemäß 2 sowie besonders günstige Dimensionierungsvorschriften für einzelne Komponenten der Sensoreinrichtung 1 näher beschrieben.
Die Erfassung eines zu messenden Magnetfelds B_meas mit einer Messfrequenz f_meas oder auch die Erfassung einer Magnetfeldverteilung erfolgt mittels des Magnetfeld-Konverters 7. Im Unterschied zum Stand der Technik wird dem Magnetfeld-Konverter 7 die zum Betrieb erforderliche elektrische Energie drahtlos mittels induktiver Kopplung zugeführt. Ebenso erfolgt das Auslesen des Magnetfeld-Konverters 7 – im Ausführungsbeispiel die Abfrage einer über dem Magnetfeld-Konverter 7 abfallenden Spannung – drahtlos (= schnurlos).
Die Resonanzspule 9 wird zugleich als Resonanzinduktivität des Resonanzkreises 5 und als Transmissionsantenne für die bidirektionale Kommunikation zwischen der Sensoreinheit 2 und der Sende-/Empfangseinheit 3 genutzt. Um eine gute induktive Kopplung (= EMK von Induktion) zu erlangen, wird ein möglichst hoher Induktivitätswert für die Resonanzspule 9 gewählt, wobei der Einfluss dieses Induktivitätswerts auf die Güte und die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises 5 mit berücksichtigt wird.
Der Magnetfeld-Konverters 7 ist Bestandteil des Resonanzkreises 5, der insbesondere als Parallel-Resonanzkreis hoher Güte ausgeführt ist. Um eine hohe Güte zu erreichen, sollte der Magnetfeld-Konverter 7 hochohmig sein. Außerdem ist eine große Magnetfeldempfindlichkeit angestrebt. Diese Bedingungen lassen sich beispielsweise mittels eines AMR-Widerstands oder eines TMR-Widerstands (= Tunnelelement) erfüllen. Bei einem als Widerstandselement ausgeführten Magnetfeld-Konverter 7 ist der Strom im Resonanzkreis 5 abhängig vom aktuellen Wi derstandswert des Magnetfeld-Konverters 7 und somit abhängig vom zu messenden Magnetfeld B_meas.
Wie bereits erwähnt, wird die passive Sensoreinheit 2 mittels induktiver Kopplung mit elektrischer Energie versorgt. Die Sende-/Empfangseinheit 3 ist so ausgelegt, dass im Resonanzkreis 5 ausreichend Energie verfügbar ist. So weist die Abfragespule 12 eine entsprechende Windungsanzahl auf, ist bezüglich der Resonanzspule 9 ausgerichtet und wird über die Stromquelle 13 mit einem ausreichend hohen elektrischen Erregerstrom I_exc gespeist. Die Erregerfrequenz f_exc des Erregerstroms I_exc ist außerdem vorzugsweise gleich der Resonanzfrequenz f_res des Resonanzkreises 5.
Angestoßen durch den Erregerstrom I_exc generiert die Abfragespule 12 ein Anrege-Magnetfeld B_exc, das am Ort der Resonanzspule 9 abgeschwächt als Pump-Magnetfeld B_pump vorliegt. Das Pump-Magnetfeld B_pump speist die Sensoreinheit 2 mittels Induktion in der Resonanzspule 9 und führt zu einem Stromfluss im Resonanzkreis 5, der vom zu messenden Magnetfeld B_meas abhängig ist. Der messgrößenabhängige Stromfluss im Resonanzkreis 5 generiert seinerseits in der Resonanzspule 9 ein Antwort-Magnetfeld B_resp, das demnach ebenfalls eine Information über das zu messende Magnetfeld B_meas trägt. Am Ort der Abfragespule 12 liegt das Antwort-Magnetfeld B_resp abgeschwächt als zu empfangendes Antwort-Magnetfeld B_resp,det vor.
Anders als im Ausführungsbeispiel gemäß 2 kann anstelle der bidirektional betriebenen Abfragespule 12 auch eine gesonderte Empfangsspule zur Detektion des Antwort-Magnetfelds B_resp,det in der Sende-/Empfangseinheit 3 vorgesehen sein. Bei einer Ausführungsform ohne Rückkopplung wird vorzugsweise ein linearer Magnetfeld-Konverter 7 eingesetzt. Dies bedeutet, dass in guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen dem Antwort-Magnetfeld B_resp,det und dem zu messenden Magnetfeld B_meas besteht. Dagegen kann bei einer Ausführungsform mit Rückkopplung auch ein nicht linearer Magnetfeld-Konverter 7 zum Einsatz kommen.
Nach der Detektion des Antwort-Magnetfelds B_resp,det durch die Abfragespule 12 erfolgt in der Auswerteteileinheit 14 eine Signalbearbeitung. Die detektierte Induktionsspannung der Abfragespule 12 wird erst durch den Vorverstärker 15 rauscharm vorverstärkt und anschließend phaseempfindlich gleichgerichtet, indem mittels des Multiplikators 16 eine Mischung mit der Erregerfrequenz f_exc und eine nachfolgende Filterung mittels des Tiefpassfilters 17 erfolgt. Am Ausgang 18 steht dann eine erste Ausgangsspannung U₁ an, die im Wesentlichen proportional zum Zeitverlauf des zu messenden Magnetfelds B_meas ist.
Falls nur die Amplitude des zu messenden Magnetfelds B_meas von Interesse ist, wird eine zweite phaseempfindliche Gleichrichtung mittels des Multiplikators 19 und des Tiefpassfilters 20 vorgenommen, wobei die Mischung im Multiplikator 19 mit der – bekannten oder anhand der ersten Ausgangsspannung U₁ bestimmten – Messfrequenz f_meas erfolgt. Am Ausgang 21 ist dann eine erste Ausgangsspannung U₂ verfügbar, die ein Maß der Feldamplitude des zu messenden Magnetfelds B_meas ist.
Optional kann der Rückkopplungszweig mit der Kompensationsteileinheit 22 zugeschaltet werden, wodurch die erste Ausgangsspannung U₁ invertiert und in einen Kompensationsstrom I_comp umgewandelt wird, der der Kompensationsspule 27 zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich der auf das zu messende Magnetfeld B_meas zurückzuführende Anteil im Antwort-Magnetfeld B_resp kompensieren. Bei vollständiger Kompensation ruft der Kompensationsstrom I_comp nach Art eines Nulldetektors am Ausgangswiderstand 26 einen Spannungsabfall hervor, der proportional zum zu messenden Magnetfeld B_meas ist und eine dritte Ausgangsspannung U₃ bildet.
Zur Dimensionierung der Sensoreinheit 2 wird eine Relation zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen abgeleitet. Die Eingangsgröße ist die Erregerspannung U_exc oder der Erregerstrom I_exc, der das Anrege-Magnetfeld B_exc gemäß folgender Gleichung erzeugt: Iexc Lexc = Aexc Bexc (1a) Uexc = Aexc jω Bexc (1b)
Dabei steht A_exc für die Windungsfläche der Abfragespule 12. Die Induktivität der Abfragespule 12 ist mit L_exc bezeichnet. Am Ort der Resonanzspule 9 führt das Anrege-Magnetfeld B_exc zu dem um einen Feldschwächungsfaktor δ kleineren Pump-Magnetfeld B_pump gemäß Gleichung (2) Bpump = δBexc, δ < 1 (2)
Im Resonanzkreis 5 wird durch das Pump-Magnetfeld B_pump ein Strom I_conv gemäß Gleichung (3) hervorgerufen: Iconv = [(NA)convδjωBexc]/[R/{1 + (ωRC)2} + jωL – jωCR2/{1 + (ωRC)2}) (3)
Dabei steht R für den Widerstand des Magnetfeld-Konverters 7, C für die Resonanzkapazität 8 und L für die Induktivität des Resonanzkreises 5. Die Produktfunktion von Windungszahl N und Windungsfläche A der Resonanzspule 9 ist mit (NA)_conv bezeichnet. Mit N_conv als der Windungszahl der Resonanzspule 9 ergibt sich das Antwort-Magnetfeld B_resp somit zu: Bresp = [δjωLNconvBexc]/[R/{1 + (ωRC)2} + jωL – jωCR2/{1 + (ωRC)2}] (4)
Unter Resonanzbedingung f_exc = f_res folgt Bresp = δQNconvBexc (5a) Bresp,det = δ2QNconvBexc (5b)für ωres = 2πfres = [1/RC]√(Q2 – 1) (6a) Q = R√(C/L) (6b)
Dabei steht Q für die Güte des Resonanzkreises 5. Eine in der Abfragespule 12 durch das Antwort-Magnetfeld B_resp,det induzierte Empfangsspannung U_det ist in Resonanz somit gegeben durch Gleichung (7): Udet = Uexcδ2NexcNconvQ (7a) Uexc = jωresLIexc (7b)
Der durch das zu messende Magnetfeld B_meas erzeugte Anteil der Empfangsspannung U_det ist: Udet(Bmeas) = Uexcδ2NexcNconvQ[ΔRmax/R(0)][Bmeas/Bmax] (8)
Dabei steht ΔR_max/R(0) für die maximal mögliche relative Änderung des Widerstands R des Magnetfeld-Konverters 7 und B_max für das maximal im linearen Bereich des Magnetfeld-Konverters 7 zu messende Magnetfeld B_meas Die Gleichung (8) für die Messspannung unterscheidet sich von einer vergleichbaren Gleichung, die für eine Sensoreinrichtung nach dem Stand der Technik angegeben werden kann, durch den zusätzlichen Faktor δ²N_excN_convQ. Dieser Faktor ist üblicherweise kleiner als eins und führt deswegen bei gleicher Erregerspannung U_exc zu einer geringeren Feldempfindlichkeit und Feldauflösung. Dafür entfallen bei der Sensoreinrichtung 1 gemäß 1 und 2 die beim Stand der Technik benötigten elektrischen Zuleitungen.
Die Sensoreinrichtung 1 lässt sich mit besonderem Vorteil dann einsetzen, wenn – wie zum Beispiel bei der Überwachung und Diagnose – eine etwas geringere Feldauflösung ausreichend ist und die Zugänglichkeit der Sensoreinheit 2 per Kabel wegen beispielsweise bewegter Teile oder eines verschlossenen Gehäuses beschwerlich oder gar unmöglich ist. Ein anderer An wendungsfall ist gegeben, wenn sehr widrige Betriebsbedingungen für die Sensoreinheit 2 herrschen, oder wenn ein Zuleitungs- oder Anschlussfehler die Lebensdauer einer drahtgebundenen Sensoreinrichtung nach dem Stand der Technik insgesamt begrenzen würde.
Der Feldschwächungsfaktor δ lässt sich bei der Sensoreinrichtung 1 aus dem quasistatischen Magnetfeld eines elektrischen Leiters ableiten. Alle für die induktive Kopplung zwischen der Abfragespule 12 und der Resonanzspule 9 relevanten Dimensionen sind wesentlich, d.h. um mindestens zwei Größenordnungen, kleiner als die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes, so dass alleine die quasistatischen Bedingungen maßgeblich sind. Das elektromagnetische Strahlungsfeld kann dagegen vernachlässigt werden. Stellvertretend ist in 3 die Abfragespule 12 schematisch als Luftspule mit einem Windungsdurchmesser D dargestellt. Das auf der Spulenachse 11 resultierende quasistatische Magnetfeld B berechnet sich dann für einen Abstand r vom Zentrum der Abfragespule 12 gemäß B(r) = B(0)(D/2)3/[(D/2)2 + r2]3/2 (9a)oder anders geschrieben δ = (D/2)3/[(D/2)2 + r2]3/2 = 1/[1 + (2r/D)2]3/2 (9b) B(0) = μ0(NI)exc/D (10)
Wie aus Gleichung (9) hervorgeht, ist die Schwächung des Magnetfelds B relativ gering, wenn die Querabmessungen, also die Windungsdurchmesser D, der Abfragespule 12 und der Resonanzspule 9 vergleichbar mit dem Abstand r zwischen den Spulen 12 und 9 sind. Unter dieser Bedingung und, wenn die Güte Q außerdem größer als eins ist, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 liegt, kann der Faktor δ²N_excN_convQ sogar einen Wert von größer als eins annehmen. Dann liegt in der Auswerteteileinheit 14 ein vergleichbarer Signalpegel vor wie bei einer drahtgebundenen und nicht resonant betriebenen Sensoreinrichtung nach dem Stand der Technik.
Um einen derartigen Gütewert zu erreichen, wird als Magnetfeld-Konverter 7 beispielsweise ein kleines Tunnelelement (TMR-Widerstand) mit einer Fläche von 10 μm² oder ein langer AMR-Widerstand mit einer Länge von wenigen mm gewählt.
Gemäß Gleichung (6b) ist die Güte Q proportional zum Widerstand R des Magnetfeld-Konverters 7. Sie lässt sich also über den Widerstand R einstellen. Ein hochohmiger Widerstandswert von in etwa 1 kΩ ist günstig im Hinblick auf eine hohe Güte Q. Allerdings sollte sich gleichzeitig die Feldempfindlichkeit des Magnetfeld-Konverters 7 U(B)/B = Ubias(ΔR/R)(1/Bmax) (11)aufgrund der hochohmigen Auslegung des Widerstands R nicht verringern.
Bei einem AMR-Widerstand steigt die Feldempfindlichkeit wegen des Abfalls der Vorspannung U_bias über dem Widerstand R proportional mit der Länge des Widerstands R und somit proportional mit dem Widerstandswert. Für einen AMR-Widerstand mit einer Länge im Bereich zwischen 1 mm und 1 cm sind Feldempfindlichkeiten von 20 bis 100 V/T praktisch realisierbar.
Bei einem TMR-Widerstand lässt sich ein Widerstandswert von 1 kΩ mit einer Bauelement-Fläche von wenigen μm² erzielen. Die TMR-Lösung ist somit sehr Platz sparend. Allerdings kann die Vorspannung U_bias keine Werte wie bei einem AMR-Widerstand (z. B. 5 Volt) annehmen, da ansonsten die Durchbruchfeldstärke weit überschritten wäre. Stattdessen liegt die Vorspannung U_bias bei etwa 0,5 Volt. Dafür ist die relative Widerstandsänderung (ΔR/R) um mindestens einen Größenordnung größer als bei einem AMR-Widerstand (in etwa 3% für AMR und in etwa 50% für TMR). Insgesamt hat also ein TMR-Widerstand eine vergleichbare Feldempfindlichkeit wie ein AMR-Widerstand.
Mit einem Widerstand R von in etwa 1 kΩ und einem geforderten Wert der Güte Q von 100 ergibt sich folgende Bedingung für L und C: √(C/L) = 0,1 (12)
Für die Induktivität L folgt unter Berücksichtigung von Gleichung (10) L ≅ μ0πDNconv (13)
Aus der nachfolgenden Tabelle sind Zahlenbeispiele für die Induktivität L, die Resonanzkapazität C und die Resonanzfrequenz f_res bei unterschiedlichen Windungszahlen N zu entnehmen, wobei außerdem ein Windungsdurchmesser D von 1 cm, ein Widerstand R von 1 kΩ und eine Güte Q von 100 zugrunde gelegt sind:
Unter diesen Bedingungen ist δ² in etwa 0,1 und somit δ²Q = 10. Der Signalpegel und der Rauschpegel des Magnetfeld-Konverters 7 werden also mindestens um den Faktor 10 (N_excN_conv = 1) angehoben, wodurch das Signal-Rauschverhältnis bis zu einem der Ausgänge 18, 21 und 29 bewahrt werden kann.
Für die Rauschabschätzung ist zu berücksichtigen, dass das thermische Rauschen eines 1 kΩ-Widerstands mindestens 4nV/√Hz beträgt. An der Abfragespule 12 ergibt sich somit unter den vorstehenden Bedingungen ein Rauschen von 40 nV/√Hz. Mit in der Auswerteteileinheit 14 eingesetzten gängigen Verstärkern ist es ohne weiteres möglich, deutlich unter diesem Rauschbeitrag zu bleiben. Hinsichtlich des Rauschens ist ein AMR-Widerstand etwas günstiger als ein TMR-Widerstand.
Falls δ²N_excN_convQ sehr viel kleiner als 1 ist, erfolgt die Dimensionierung und/oder Auswahl des Magnetfeld-Konverters 7 anders. Da dann der effektive Rauschpegel des Magnetfeld-Konverters 7 im Zuge der Übertragung zur Abfragespule 12 nicht mehr angehoben, sondern reduziert wird und somit das Verstärkerrauschen der nachfolgenden Bearbeitung in der Auswerteteileinheit 14 eine dominante Rolle spielt, ist anstelle eines möglichst guten Signal-Rauschabstands ein möglichst hoher Signalpegel ein maßgebliches Auswahlkriterium.
Gegenüber bekannten drahtgebundenen Sensoreinrichtungen bietet die Sensoreinrichtung 1 erhebliche Vorteile. So lässt sich die Magnetfeldmessung auch in einem verschlossenen Behälter durchführen. Außerdem ist die Überbrückung von Druckbarrieren (z. B. bei Reifendruckprüfung), von Medienbarrieren (z. B. Anwendungen in der chemischen Industrie) oder von Spannungsbarrieren (z. B. galvanische Trennung bei Messung auf hohem elektrischen Potential) möglich. Weiterhin hilft der Einsatz der drahtlosen Kommunikation von und zu der Sensoreinheit 2 insbesondere dann, wenn viele Messstellen vorgesehen sind, Fehler in der Anschluss- und Verbindungstechnik zu reduzieren.

Claims

Magnetfeldsensitive Sensoreinrichtung mit einer Sensoreinheit (2) und einer Sende-/Empfangseinheit (3), wobei a) die Sensoreinheit (2) a1) passiv ausgebildet ist und a2) einen Resonanzkreis (5) mit einem für ein zu messendes Magnetfeld (B_meas) empfindlichen Magnetfeld-Konverter (7), mit einer Resonanzkapazität (8) und mit einer Resonanzspule (9) enthält, b) die Sende-/Empfangseinheit (3) b1) eine mit der Resonanzspule (9) über eine drahtlose Verbindungsstrecke (4) hinweg induktiv gekoppelte Abfragespule (12), b2) eine an die Abfragespule (12) angeschlossene Quelle (13) zur Erzeugung eines Anrege-Magnetfelds (B_exc) durch die Abfragespule (12), b3) Empfangsmittel (12) zum Empfangen eines von der Resonanzspule (9) aufgrund des Anrege-Magnetfelds (B_exc) erzeugten und eine Information über das zu messende Magnetfeld (B_meas) tragenden Antwort-Magnetfelds (B_resp) und b4) eine an die Empfangsmittel (12) angeschlossene Auswerteteileinheit (14) umfasst, und c) das Anrege-Magnetfeld (B_exc) am Ort der Resonanzspule (9) ein Pump-Magnetfeld (B_pump) hervorruft, dessen Feldamplitude verglichen mit der des Anrege-Magnetfelds (B_exc) um einen Feldschwächungsfaktor (δ) kleiner ist, und der Resonanzkreis (5) eine Güte (Q) aufweist, wobei ein Produkt der Güte und des quadrierten Feldschwächungsfaktors (δ) einen Wert von mindestens eins annimmt.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis (5) eine Güte (Q) mit einem Wert von größer als eins, insbesondere von mindestens hundert, aufweist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragespule (12) und die Resonanzspule (9) jeweils einen Windungsdurchmesser (D) aufweisen und in einem Spulenabstand (r) voneinander angeordnet sind, wobei die Werte der beiden Windungsdurchmesser (D) vergleichbar mit dem Wert des Spulenabstands (r) sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragespule (12) und die Resonanzspule (9) jeweils einen Windungsdurchmesser (D) aufweisen und in einem Spulenabstand (r) voneinander angeordnet sind, und das Anrege-Magnetfeld (B_exc) eine Wellenlänge aufweist, wobei die beiden Windungsdurchmesser (D) und der Spulenabstand (r) wesentlich kleiner als die Wellenlänge sind, sodass für die Feldkopplung und die Kommunikation zwischen der Abfragespule (12) und der Resonanzspule (9) ausschließlich quasistatische Verhältnisse maßgeblich sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragespule (12) und die Resonanzspule (9) jeweils eine Spulenachse (10, 11) haben, und die Spulenachsen (10, 11) fluchten.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld-Konverter (7) als ein anisotroper Magnetowiderstand oder als ein Tunnelmagnetowiderstand ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeld-Konverter (7) als ein hochohmiger Widerstand mit einem Widerstandswert von mindestens einigen 100 Ω ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsmittel durch die Abfragespule (12) gebildet sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinheit (3) einen Rückkopplungszweig mit einer weiteren Spule (27) enthält, die induktiv mit der Abfragespule (12) und der Resonanzspule (9) gekoppelt ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Spule (27) Teil einer nach Art eines Nulldetektors aufgebauten Kompensationsteileinheit (22) ist, die ein als Ausgangssignal (U₃) abgreifbares Speisesignal (I_comp) der weiteren Spule (27) solange nachregelt, bis ein von der weiteren Spule (27) erzeugtes Kompensations-Magnetfeld das zu messende Magnetfeld (B_meas) kompensiert.