DE102008045360B4 - Flächensonde für elektrische Wechselfelder im Nahbereich eines Magnetfeldsensors - Google Patents

Abstract

Metallische Flächensonde für elektrische Wechselfelder im Nahbereich eines Magnetfeldsensors wobei
diese mit einer isolierenden Struktur versehen ist,
• so dass in die verbleibende elektrisch leitfähige, flächige Struktur keine Kreisflächen projiziert werden können, deren Durchmesser größer ist als die maximal mit dem im Nahbereich befindlichen H-Feldsensor zu messende Wellenlänge geteilt durch Eintausend,
• dass es sich um eine Baumstruktur handelt welche in deren Stamm mit der nachgeordneten Schaltung kontaktiert wird.
und wobei
• die HF-Dichtigkeit der strukturierten Metallfläche dadurch gewährleistet wird, dass eine zweite Metallfläche in geringem Abstand mit einer Struktur korrespondierend zur elektrischen leitfähigen, flächigen Struktur versehen wird so dass deren Flächen bis auf eventuell sich kreuzende isolierenden Linien jeweils genau die isolierenden Linien der ersten Fläche mit einer Überlagerung abdecken.

Description

• In der Feldstärkemesstechnik wird aus praktischen Gründen häufig angestrebt, kombinierte Messgeräte/Sensoren für elektrische und magnetische Wechselfeldern zu konstruieren, da in der Praxis zumeist beide Feldtypen zu betrachten sind. Bei diesen kombinierten Messgeräten ergeben sich zwei Probleme bei der Konstruktion von deren Sensoren.
• 1. In H-Feldsonden bilden sich in umgebenden Wechselfeldern durch Gegeninduktion in Anwesenheit Konstruktionselementen z. B. des elektrischen Sensors falsche Messwerte für die Magnetfeldmessung mit höherer Frequenz zunehmend bis in die Größenordung des Faktors 100 bei wenigen Megahertz, und sich somit nur äußerst aufwändig digital kompensieren lassen. Auch die reduzierte Empfindlichkeit der Messanordnung bei elektronischer Kompensation kann problematisch sein. Die Größe der Beeinflussung hängt von kompakten nahegelegenen Metallflächen ab. Dies Isst sich in Annährung dadurch beschreiben, wie groß die größten Kreise sind, welche sich in die „Störfläche” projizieren bzw. einzeichnen lassen. Der störende Effekt beginnt schon, wie dem Fachmann bekannt ist, bei einer Kreisgröße von ca. 1/1000stel der Wellenlänge. Dieser Fehler ist bei einer definierten kompakten Fläche also umso stärker, je höher die Frequenz des vorhandenen Feldes ist. Für die hier betrachtete Messung im Bereich der TCO-Richtlinie für Bildschirmarbeitsplätze (bis 400 kHz) haben die Anmelder diesen Effekt auch im Labor nochmals nachgewiesen.
• 2. Die Problematik der Wirbelströme ist ein an sich bekanntes Phänomen, jedoch hat es noch keinen Eingang in die Messtechnik für niederfrequente Wechselfelder gefunden. Eine Verbindung runder oder vieleckiger Einzel-Sensorflächen mit Einzeldrähten ist mit einem ganz erheblichen Aufwand verbunden und verbietet sich zudem bei den üblicherweise würfelförmigen E-Feld-Sonden für die potentialfreie Messung elektrischer Felder. (Eine Reihenverbindung mit schmalen Zwischenkontaktierungen zwischen den Einzelflächen verbietet sich wegen der dadurch entstehenden induktiven Elemente.
• Stand der Technik
• Wie bereits im vorigen Abschnitt erwähnt haben einfache geometrische Verfahren, die beispielsweise kostengünstig durch gedruckte Schaltungen realisiert werden könnten, noch keinen Eingang in die Literatur gefunden und zudem technische Nachteile. Insofern konnten auch keine Drucksachen hierzu herausgefunden werden.
• Das Problem wird heute, wenn überhaupt, mittels digitaler Kompensation angegangen.
• Selbst wenn eine digitale Kompensation durchgeführt würde, so ginge diese naturgemäß zulasten der Dynamik, die aber in der Messtechnik als wesentliches Optimierungskriterium möglichst zu maximieren ist.
• Als wesentlicher Stand der Technik wurde vom Patentamt die Schrift DE 10 2005 052 367 A1 genannt, in welchem eine „Tannenbaumstruktur” in 1 dargestellt wird. Diese unterscheidet sich jedoch in zweierlei Beziehung klar von der hier angemeldeten Erfindung. In der oben genannten 1 ist ein Schlitz „18” bezeichnet, um den ein Wirbelstrom entstehen kann, der durch die Gestaltung der Unterbrechungen der Flächen in der hiesigen Erfindung gerade vermieden wird. Außerdem handelt es sich dabei um eine Applikation für die Hochfrequenz, während die hier vorgestellte Erfindung die Niederfrequenz betrifft.
• Weiterhin wurden 4 Schriften erwähnt, in welchen Sonden für elektrische Wechselfelder beschrieben sind.
• EP 0 728 322 B1 beschreibt eine Sonde in Tetraederform, DE 10 2005 023 591 A1 einen Feldsensor-Chip, DE 198 21 974 A1 eine Sonde, die auf photoelektrischen Prinzipien arbeitet und DE 37 88 868 T2 arbeitet mit Flüssigkristallen – kurz: Es gibt keinerlei Überschneidungen mit der hier vorgestellten Sonde.
• Aufgabenstellung
• Die Anmelder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine kostengünstig herstellbare, durch herkömmliche, gedruckte Schaltungen (Leiterplatten) realisierbare Lösung für das oben geschilderte Problem zu finden. Sie soll die Messfehler, welche bei den heutigen Lösungen, sofern sie nicht digital kompensiert werden, zwangsläufige Folge sind, nicht aufweisen und zwar unter Vermeidung einer aufwändigen digitalen oder konstruktiven Lösung.
• Ziel ist es somit, die leitende Oberfläche des E-Feldsensors oder auch sonstiger größerer Metallflächen in der Nähe des H-Feld-Sensors derart zu gestalten,
• • dass keine zusammenhängende, kreisförmige Fläche entsteht, die einen größeren Durchmesser hat als Lamda/1000 der höchsten zu betrachtenden Frequenz und
• • gleichzeitig die Gesamtfläche mit möglichst wenigen Kontakten und möglichst symmetrisch (d. h. mit gleichlangen Drähten) mit der nachgeordneten Auswerteelektronik zu kontaktieren ist.
• Die maximale Größe eines einzuzeichnenden Kreises ist bestimmt dabei die untere Grenzfrequenz, ab welcher sich Wechselfelder störend bei der Messung bemerkbar machen.
• Beschreibung der neuen Struktur
• Als Lösung bietet sich die Strukturierung der Sondenfläche in eine Baumstruktur an, in der Praxis häufig eine symmetrisch geteilte Baumstruktur. Die Geometrie der isolierenden Bahnen in der Gesamtfläche ist prinzipiell vergleichbar mit der Zeichnung 1. Im Einzelfall kann dieses prinzipielle Muster jedoch an die gewünschte, z. B. durch Behörden vorgeschriebene, äußeren Sondengeometrie angepasst werden. Realisiert wird die Struktur als eine Schaltung in Microstriptechnik, wie sie z. B. für Frequenzfilter verwendet wird. Eine vorteilhafte Ausprägung der Baumstruktur ist diejenige, bei der die Breite der leitenden Bahnen vom Ende der jeweiligen „Zweige” (um im Bild des Baums zu bleiben) bis hin zum Kontaktierungspunkt etwa gleich breit sind, da jede schmalere Stelle in Bezug auf die Gesamtfläche auch eine breitere und damit für Wirbelströme durch niedrigere Frequenzen anfällige Stelle ausgeglichen werden muss. Zudem sorgen in etwa gleiche Breiten für gleichmäßige Stromtragfähigkeit und die Unterteilung in viele Zweige für eine Minimierung von Fehlern durch Phasenverschiebung. Die Kontaktierung mit der nachgeordneten Schaltung erfolgt immer im Bereich desjenigen Punktes, wo die „Zweige” der Baumstruktur zusammentreffen.
• Es ist wünschenswert, dass die in der Sonde liegende Auswerteelektronik, so wie sie z. B. für potentialfreie, isotrope E-Feld-Sonden benötigt wird, gegen hochfrequente Störeinstrahlung abgeschirmt ist. Dies ist bei der dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Konstruktion der elektrischen Feldplatten (nämlich durchgängige Flächen) relativ gut gegeben. Bei erfindungsgemäß durch Isolationsbahnen strukturierten Metallfläche(n) kann man es dadurch gewährleisten, dass eine zweite Metallfläche in geringem Abstand zur Sondenfläche mit einer zur erfindungsgemäßen Struktur korrespondierenden Struktur versehen wird (z. B. auf der Rückseite einer zweiseitig mit Kupfer beschichteten Leiterplatte) so dass die Flächen bis auf eventuell sich kreuzende isolierenden Linien jeweils genau die isolierenden Linien der ersten Fläche mit einer Überlagerung abdecken, die größer ist, als ein Drittel des Querdurchmessers der Metallstruktur der Fläche aus Anspruch 1 an dieser Stelle. Beispielhaft ist das in Zeichnung 2 dargestellt.
• Vorteile der Erfindung und Anwendung
• Die Vorteile der hier vorgestellten Feldsonde für elektrische Wechselfelder zur Verwendung in der Nähe von H-Feldsensoren liegen in der Vermeidung der eingangs geschilderten Schwächen bisheriger Lösungen mit einer wenig aufwändigen und zugleich technisch deutlich überlegenen geometrischen Gestaltung dieser Sonde.

Claims (1)

1. Metallische Flächensonde für elektrische Wechselfelder im Nahbereich eines Magnetfeldsensors wobei diese mit einer isolierenden Struktur versehen ist, • so dass in die verbleibende elektrisch leitfähige, flächige Struktur keine Kreisflächen projiziert werden können, deren Durchmesser größer ist als die maximal mit dem im Nahbereich befindlichen H-Feldsensor zu messende Wellenlänge geteilt durch Eintausend, • dass es sich um eine Baumstruktur handelt welche in deren Stamm mit der nachgeordneten Schaltung kontaktiert wird. und wobei • die HF-Dichtigkeit der strukturierten Metallfläche dadurch gewährleistet wird, dass eine zweite Metallfläche in geringem Abstand mit einer Struktur korrespondierend zur elektrischen leitfähigen, flächigen Struktur versehen wird so dass deren Flächen bis auf eventuell sich kreuzende isolierenden Linien jeweils genau die isolierenden Linien der ersten Fläche mit einer Überlagerung abdecken.