DE102006043239B4 - Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen nach Hauptpatent
DE 10 2005 011 227 B4 mit einer Erregerinduktivität, wobei über eine elektrische Erregerspannung mittels eines durch die Erregerinduktivität fließenden Erregerstroms ein magnetischer Fluss in einem Körper erregbar sowie eine von dem magnetischen Fluss induzierte Induktionsspannung ermittelbar und anhand der Induktionsspannung eine magnetische Kenngröße des Körpers ermittelbar ist. - Gemäß Hauptpatent wird das Ermitteln der magnetischen Kenngröße mit geringem Aufwand ermöglicht, indem der Erregerstrom in eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung schaltbar oder geschaltet ist. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines ersten Verstärkers, der im Falle der Gegenkopplung die Induktionsspannung auf eine als Führungsgröße vorgebbare Eingangsspannung ausregelt.
- Der Erregerstrom wird durch eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung geregelt. Die Induktionsspannung US(t) = dΨS/dt entspricht dabei einer Führungsgröße UE(t). Bei konstanter Führungsgröße UE(t) ist die Induktionsspannung dΨS/dt ebenfalls zeitlich konstant. Daraus ergibt sich ein sich selbst regelnder, linearer Verlauf der zeitlichen Änderung des verketteten Flusses ΨS(t). Eine aufwendige Integration kann deshalb entfallen. Es ist lediglich eine Multiplikation mit der Dauer der Messung erforderlich, um den verketteten Fluss bis auf einen eventuellen Gleichfluss bestimmen zu können.
Die im Hauptpatent beschriebene Vorrichtung ermöglicht, insbesondere in einer Ausführungsform, bei welcher der erste Eingang des ersten Verstärkers über eine abgleichbare Brückenschaltung mit der Erregerinduktivität verbunden oder zumindest für den Fall der Gegenkopplung verbindbar ist, das Abgreifen der Induktionsspannung mit nur einer Induktivität, nämlich der Erregerinduktivität selbst. Auf diese Weise kann die in der Erregerspule induzierte Gegenspannung erfasst werden. Auf das Aufbringen einer Sekundärinduktivität kann daher verzichtet werden, was insbesondere bei komplexen und fertig montierten Körpern, beispielsweise Elektromagneten, den Messaufwand deutlich reduziert. Eine derartige Ausführungsform ist in der Hauptanmeldung anhand der5 beschrieben. - Eine besondere Ausprägung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Brückenschaltung einen zweiten Digital-Analog-Konverter und einen zweiten Verstärker aufweist, wobei der Ausgang des zweiten Digital-Analog-Konverters mit einem Eingang des zweiten Verstärkers verbunden ist. Hierdurch wird ein Gleichspannungsabgleich auf 0 V ermöglicht.
- Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit dieser Ausführungsform der Vorrichtung zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Die Erfindung sieht vor, dass die Brückenschaltung einen dritten Digital-Analog-Konverter aufweist, wobei der Ausgang des dritten Digital-Analog-Konverters mit einem zweiten Eingang des zweiten Verstärkers verbunden ist, und dass der zweite Digital-Analog-Konverter und der dritte Digital-Analog-Konverter multiplizierend ausgebildet sind. Die multiplizierenden Digital-Analog-Konverter können als programmierbare Spannungsteiler und Verstärker zum Abgleich der Brückenschaltung dienen. Vorteilhaft gegenüber der Hauptanmeldung ist, dass die Spannung von dem Strommesswiderstand nicht über einen festen Spannungsteiler, sondern über eine programmierbare Verstärkung an den zweiten Verstärker geführt wird. Durch den Abgleich der beiden multiplizierenden Digital-Analog-Konverter kann die Brücke sowohl gleichspannungsmäßig abgeglichen als auch ihre Verstärkung für die induzierte Gegenspannung in der Erregerspule eingestellt werden. Dies ermöglicht die Anpassung des ohmschen Widerstandes der Erregerinduktivität an die Vorrichtung.
- Die präzise und konstante Vorgabe einer Eingangsspannung gelingt insbesondere durch einen ersten Digital-Analog-Konverter, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers verbunden ist.
- Vorzugsweise erfolgt das digitale Vorgeben einer Eingangsspannung durch einen Steuerrechner, welcher mit dem Eingang des ersten Digital-Analog-Konverters verbunden ist. Dies ermöglicht eine einfache Einstellung des Systems. Der Steuerrechner kann außerdem auch nichtkonstante, zeitliche Spannungsverläufe vorgeben, die über den D/A-Konverter auf den Verstärker gelangen und im Falle der Gegenkopplung einen identischen Verlauf der Induktionsspannung hervorrufen.
- Dabei ist der Steuerrechner vorteilhafterweise mit einem Analog-Digital-Konverter verbunden, dessen Eingang eine Spannung über einem Messwiderstand im Stromkreis der Erregerinduktivität abgreift. Der Erregerstrom kann so als Spannungsabfall über dem Messwiderstand digital mit geringem Aufwand aufgenommen werden.
- Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Steuerrechner zur Aufnahme des Erregerstroms und/oder der Erregerspannung und/oder der Induktionsspannung und/oder ein Signal eines magnetfeldempfindlichen Bauelementes mit mehreren Analog-Digital-Konvertern und/oder über einen Analog-Digital-Konverter mit einem Multiplexer verbunden ist. Auf diese Weise sind mehrere oder alle Messgrößen mit einem einzigen Steuerrechner erfassbar. Insbesondere im Falle des Anschlusses über einen Multiplexer ist dabei nur ein Analog-Digital-Konverter erforderlich.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Referenzspannungen des zweiten Digital-Analog-Konverters und des dritten Digital-Analog-Konverters mittels des Steuerrechners einstellbar. Auf diese Weise sind die Verstärkungen der multiplizierenden Digital-Analog-Konverter mit geringem Aufwand einstellbar.
- Zweckmäßigerweise ist der erste Eingang des ersten Verstärkers invertierend und der zweite Eingang des ersten Verstärkers nichtinvertierend ausgebildet.
- Eine definierte magnetodynamische Ausgangssituation des Körpers vor dem Beginn einer Messung kann durch eine Strom- oder Spannungsgegenkopplung des ersten Verstärkers mit der Erregerinduktivität erfolgen. Dies gelingt insbesondere mit einem Schalter, mittels dessen der erste Eingang des ersten Verstärkers alternativ entweder zum Zweck einer Strom- oder Spannungsgegenkopplung mit der Erregerinduktivität verbindbar oder zum Zweck der Gegenkopplung mit der Induktionsspannung mit deren Abgriff verbindbar ist.
- Vorzugsweise ist dabei der Schalter durch einen Steuerrechner einstellbar. Dies ermöglicht ein zeitlich exaktes Umschalten in Verbindung mit dem Beginn eines Messdurchganges.
- Die Erfindung wird im nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert.
-
1 zeigt hierzu ein Schaltbild einer Vorrichtung. - Der invertierende Eingang des ersten Verstärkers
1 ist über einen als Multiplexer ausgeführten elektronischen Schalter2 alternativ in Stellung a in Spannungsgegenkopplung mit der ErregerspannungUP oder in Stellung b in Spannungsgegenkopplung mit der mit der AusgangsspannungUPi' des zweiten Verstärkers9 der Brückenschaltung7 schaltbar. Der Zustand des elektronischen Schalters2 wird von einem Steuerrechner3 festgelegt. Der Steuerrechner3 ist mit einem ersten Digital-Analog-Konverter4 und einem Analog-Digital-Konverter6 verbunden. Die Brückenschaltung7 weist neben einem zweiten Verstärker9 einen multiplizierenden zweiten Digital-Analog-Konverter8 , einen multiplizierenden dritten Digital-Analog-Konverter11 und einen zweiten Verstärker9 auf. Der nichtinvertierende erste Eingang des zweiten Verstärkers9 ist mit dem Ausgang des zweiten Digital-Analog-Konverters8 und der invertierende zweite Eingang des zweiten Verstärkers9 mit dem Ausgang des dritten Digital-Analog-Konverters11 verbunden. Der zweite Digital-Analog-Konverter8 ist mit dem ersten Pol der ErregerinduktivitätLP , also mit der ErregerspannungUP , verbunden. Der dritte Digital-Analog-Konverter11 ist mit dem zweiten Pol der ErregerinduktivitätLP verbunden. Die multiplizierenden Digital-Analog-Konverter8 ,11 weisen jeweils einen ersten Eingang für eine analoge Größe und einen zweiten Eingang für eine digitale Größe auf und geben am Ausgang ein analoges Signal ab, das dem Multiplikationsprodukt aus der digitalen und der analogen Größe entspricht. Die Digital-Analog-Konverter8 ,11 dienen als programmierbare Spannungsteiler und Verstärker zum Abgleich der Brückenschaltung7 . Die digitalen Multiplikationsfaktoren werden dabei unabhängig voneinander mittels des Steuerrechners3 eingestellt. So steht eine programmierbare Verstärkung zur Verfügung, wodurch die Vorrichtung insbesondere an den ohmschen Widerstand der ErregerinduktivitätLP angepasst werden kann, indem der multiplizierende zweite Digital-Analog-Konverter8 zur Verstärkung oder Abschwächung der ErregerspannungUP und der multiplizierende dritte Digital-Analog-Konverter11 zur Verstärkung oder Abschwächung des zum Erregerstrom I(t) proportionalen Spannungsabfalls am Messwiderstand5 eingestellt wird. - Vor der Messung wird der erste Verstärker
1 in Stellung a des Schalters2 als Spannungsverstärker betrieben und durch den ersten Digital-Analog-Konverter4 die ErregerspannungUP als Gleichspannung an die ErregerinduktivitätLP angelegt. Die Einstellung der Verstärkung der Brückenschaltung7 erfolgt anschließend mit dem dritten Digital-Analog-Konverter11 . Als Steuergröße dient der Wicklungswiderstand der ErregerinduktivitätLP und der damit verbundene Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand5 . Bei hohem Wicklungswiderstand wird eine höhere Verstärkung des dritten Digital-Analog-Konverters11 eingestellt. Anschließend erfolgt ein Gleichspannungsabgleich der Brückenschaltung7 mittels des zweiten Digital-Analog-Konverters8 , welcher als digitales Potentiometer durch den Steuerrechner3 eingestellt wird. Die AusgangsspannungUPi' des zweiten Verstärkers9 wird hierbei auf 0 V abgeglichen. Die Größe der in der ErregerinduktivitätLP induzierten GegenspannungUPi kann dabei aus den Schaltungsparametern und dem Einstellwert des zweiten Digital-Analog-Konverters8 und des dritten Digital-Analog-Konverters11 berechnet werden. - Nach dem Gleichspannungsabgleich wird der Schalter
2 zur Messung in die Schalterstellung b auf Gegenkopplung des als Regelverstärker ausgeführten Verstärkers1 über die Brückenschaltung7 umgeschaltet. Gleichzeitig wird von einem Steuerrechner3 über einen Digital-Analog-Konverter4 als konstante Führungsgröße eine kleine EingangsspannungUE von beispielsweise 0,1 V an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers1 vorgegeben, um über den Verstärker1 die der induzierten GegenspannungUPi entsprechenden AusgangsspannungUPi' der Brückenschaltung auf die Führungsgröße, also die EingangsspannungUE auszuregeln. Der so automatisch auf eine kontinuierliche Steigerung ausgeregelte Erregerstrom IPn(tn) wird in zeitdiskreten Schritten zu Zeitpunkten tn mit dem Steuerrechner3 aufgezeichnet. Der ErregerstromIP wird dazu als Spannungsabfall über einem Messwiderstand5 mit einem Analog-Digital-Wandler6 abgegriffen. Die Lösung der Differentialgleichung UE = UPi' = VBr·dΨPi/dt ergibt die Funktion ΨPin(tη) = UE·tn/VBr + Ψ0, aus der der Zusammenhang ΨPin(I) des verketteten Flusses mit dem MagnetisierungsstromIP durch Kombination der Messwerte ermittelt wird. Der Faktor VBr= UPi'/ UPi gibt hierbei den Verstärkungsfaktor der Brückenschaltung7 an. - Alternativ oder zusätzlich zu der Messung des Erregerstroms
IP , insbesondere über einen Messwiderstand5 , kann die magnetische Feldstärke mittels eines magnetfeldempfindlichen Bauelementes wie beispielsweise einer Hall-Sonde ermittelt werden. - Die Erfindung kann insbesondere mit einer linearen Prüfeinrichtung gemäß der Hauptanmeldung verwendet werden, wobei keine Sekundärinduktivität erforderlich ist. Sie ist außer für das Messen und/oder Prüfen von Material auch für Regel- und Steuerverfahren verwendbar, beispielsweise um Antriebskennlinien zu ermitteln, Elektromagnete im optimalen Ansteuerbereich zu fahren oder um festzustellen, ob ein Elektromagnet angezogen hat. Dazu kann insbesondere auch die Brückenschaltung
7 unabhängig von der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden.
Claims (7)
- Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen eines Körpers gemäß Hauptpatent DE 10 2005 011 227 B4, mit einer Erregerinduktivität (LP), wobei über eine elektrische Erregerspannung (Up) mittels eines durch die Erregerinduktivität (LP) fließenden Erregerstroms (IP) ein magnetischer Fluss (Φ) in einem Körper erregbar sowie eine von dem magnetischen Fluss (Φ) induzierte Induktionsspannung (UPi, UPi') ermittelbar und anhand der Induktionsspannung (UPi, UPi') eine magnetische Kenngröße des Körpers ermittelbar und der Erregerstrom (IP) in eine Gegenkopplung mit der Induktionsspannung (UPi, UPi') schaltbar oder geschaltet ist, mit einem Steuerrechner (3), der über eine Digitalschnittstelle mit Digitaleingängen eines multiplizierenden Digital-Analog-Konverters (11) zur programmierbaren Erhöhung oder Abschwächung des an dessen Analogeingang gekoppelten Erregerstromsignals (IP), das als Spannungsabfall an einem in Reihe mit der Erregerinduktivität (LP) geschalteten Strommesswiderstand (5) gemessen und durch einen an den Steuerrechner angeschlossenen Analog-Digital-Wandler (6) erfasst wird, und einem zweiten multiplizierenden Digital-Analog-Konverter (8) zur programmierbaren Erhöhung oder Abschwächung des an dessen Analogeingang gekoppelten Erregerspannungssignals (Up) verbunden ist, wobei die Ausgänge der multiplizierenden Digital-Analog-Konverter (11) und (8) mit einem ersten und einem zweiten Eingang eines Differenzverstärkers (9) verbunden sind und gemeinsam mit diesem eine abgleichbare Brückenschaltung (7) bilden, um die Induktionsspannung (UPi) der Erregerinduktivität in Form der Messspannung (UPi') als Differenz der verstärkten oder abgeschwächten Signale der Erregerspannung UP und des Erregerstroms (IP) zweks Gegenkopplung und/oder Signalerfassung abzugreifen, wobei der Ausgang der Brückenschaltung (7) über den Schalter (2), gesteuert durch den Steuerrechner (3), zur Gegenkopplung mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers (1) verbunden wird, wobei die Ausgangsspannung (UPI') des Differenzverstärkers (9) nach dem Abgleich der Brückenschaltung (7) durch den Steuerrechner (3) der Induktionsspannung (UPi) entspricht, - mit einem ersten Verstärker (1) mit einem ersten und einem zweiten Eingang sowie einem Ausgang, wobei der erste Verstärker (1) im Falle der Gegenkopplung gemäß der Stellung des durch den Steuerrechner (3) einstellbaren Schalters (2), in einem Fall a) die Erregerspannung (UP) oder in einem Fall b) die Induktionsspannung (UPi, UPi') auf eine vom Steuerrechner (3) über einen ersten D/A-Wandler am zweiten Eingang des Verstärkers (1) als Führungsgröße vorgebbare Eingangsspannung (UE) ausregelt und der erste Eingang des ersten Verstärkers (1) über eine abgleichbare Brückenschaltung (7) mit der Erregerinduktivität (LP) verbunden oder zumindest für den Fall der Gegenkopplung verbindbar ist und die Brückenschaltung (7) zum Abgleich einen zweiten Digital-Analog-Konverter (8) und einen zweiten Verstärker (9) aufweist, wobei der Ausgang des zweiten Digital-Analog-Konverters (8) mit einem ersten Eingang des zweiten Verstärkers (9) verbunden ist, wobei - zur variablen Verstärkung oder Abschwächung des Strom- (Ip) und Spannungssignals (Up) die multiplizierenden Digital-Analog-Konverter (8, 11) verwendet werden, die jeweils einen ersten Eingang für eine analoge Größe und einen zweiten Eingang für eine digitale Größe aufweisen und an ihren Ausgängen ein analoges Signal an den zweiten Verstärker (9) abgeben, welches dem Multiplikationsprodukt aus der analogen und der digitalen Größe entspricht, - die Brückenschaltung (7) einen dritten Digital-Analog-Konverter (11) aufweist, wobei der Ausgang des dritten Digital-Analog-Konverters (11) mit einem zweiten Eingang des zweiten Verstärkers (9) verbunden ist, und dass der zweite Digital-Analog-Konverter (8) und der dritte Digital-Analog-Konverter (11) multiplizierend ausgebildet sind und - wobei als Steuergröße während eines Gleichspannungsabgleichs, bei Stellung a) eines Schalters (2), der Wicklungswiderstand der Erregerinduktivität (LP) und der damit verbundene Spannungsabfall über einen Strommesswiderstand (5) und während der Messung, bei Stellung b) des Schalters (2), die Induktionsspannung (Upi) dient.
- Vorrichtung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerrechner (3) mit einem Analog-Digital-Konverter (6) verbunden ist, dessen Eingang eine Spannung über einem Messwiderstand (5) im Stromkreis der Erregerinduktivität (LP) abgreift. - Vorrichtung nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerrechner (3) zur Aufnahme des Erregerstroms (IP) und/oder der Erregerspannung (UP) und/oder der Induktionsspannung (UPi, UPi') und/oder ein Signal eines magnetfeldempfindlichen Bauelementes mit mehreren Analog-Digital-Konvertern und/oder über einen Analog-Digital-Konverter mit einem Multiplexer verbunden ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen des zweiten Digital-Analog-Konverters (8) und des dritten Digital-Analog-Konverters (11) mittels des Steuerrechners (3) einstellbar sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang des ersten Verstärkers (1) invertierend und der zweite Eingang des ersten Verstärkers (1) nichtinvertierend ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (2) durch einen Steuerrechner (3) einstellbar ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Körpers ein oder mehrere magnetfeldempfindliche Bauelemente zur Messung der magnetischen Feldstärke angeordnet sind.
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