-
Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldkompensationseinrichtung,
insbesondere auf eine Magnetfeldkompensationseinrichtung mit einem magnetoresistiven
Magnetfeldsensor.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Einrichtungen
zur Kompensation magnetischer Felder sind bekannt. Derartige Einrichtungen verwenden
im Allgemeinen einen Feedback-Regelungskreis, wobei von einem oder
mehreren Sensoren eine Störfeldamplitude gemessen wird.
Das gemessene Signal wird nach Bearbeitung durch eine Regelungseinrichtung
als Steuersignal auf Helmholtzspulen gegeben, die mittels Abstrahlung
eines magnetischen Kompensationsfeldes die Störfeldamplitude
am Ort des Sensors minimieren.
-
Das
zu kompensierende Magnetfeld kann das Erdmagnetfeld sein oder von
anderen in der Umgebung befindlichen Einrichtungen erzeugt werden.
-
Neben
ausschließlich analogen Feedbacksystemen können
auch ausschließlich digital arbeitende Feedbacksysteme
eingesetzt werden. Um die mit rein analog und rein digital arbeitenden
Systemen jeweils verbundenen Nachteile zu vermeiden, wurden auch
Hybridsysteme entwickelt.
-
So
beschreibt das Patent
EP
1 873 543 A1 der Anmelderin ein solches Hybridsystem zur
Kompensation von Magnetfeldern. Bei diesem System kommt zur Messung
des Magnetfeld ein Kombinationssensor zum Einsatz, der sowohl Spulenaufnehmer
als auch Fluxgatesensoren umfasst. Die Signale der Spulenaufnehmer
werden hierbei für den analogen Anteil der Regelung verwendet,
die Signale der Fluxgatesensoren für den digitalen Anteil.
-
Bei
Spulenaufnehmern wird die durch ein externes Magnetfeld in einer
Spule induzierte Spannung gemessen.
-
Fluxgatesensoren
gibt es sowohl in zweiachsiger als auch in dreiachsiger Ausführung.
Derartige Sensoren können magnetische Felder senkrecht
zu einer Ebene oder auch in alle Raumrichtungen messen. Dabei befinden
sich auf zwei ferromagnetischen Kernen jeweils drei Spulen. Ein
Dreiecksgenerator erzeugt einen Strom, der durch die Anregungsspulen fließt.
In den ferromagnetischen Kernen wird durch diesen Strom ein Magnetfeld
aufgebaut. Die Veränderung des magnetischen Flusses induziert
in den sogenannten Pickup-Spulen Spannungen. Sofern kein externes
Feld anliegt, ist die Differenz der Spannungen der pickup-Spulen
Null. Sobald ein externes magnetisches Feld aufgebaut wird, entsteht
eine Differenzspannung
-
Derartige
Hybridsysteme mit einem analogen und einem digitalen Regelkreis
weisen den Nachteil auf, dass sowohl Spulenaufnehmer als auch Fluxgatesensoren
in einem Gehäuse untergebracht werden müssen.
Die räumliche Nähe der Fluxgatesensoren zu den
Spulenaufnehmern führt dabei zu einem Übersprechen
der Chopperfrequenz zu den Spulen und damit zu unerwünschten
Frequenzkomponenten im Spulensignal. Unter Chopperfreuqenz wird
hierbei die Frequenz verstanden, mit welcher die Anregungsspulen
des Fluxgatesensors betrieben werden. Die einzelnen Sensoren müssen
daher innerhalb des Gehäuses sorgfältig angeordnet
werden, um dieses Übersprechen klein zu halten. Dennoch lässt
sich eine Bauform von ca. 2 cm × 2 cm × 8 cm und
ein Gewicht von 300 g kaum unterbieten.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Die
Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Sensor zum
Einsatz in einer Magnetfeldkompensationseinrichtung bereitzustellen,
dessen Abmessungen deutlich geringer sind, als bei herkömmlichen
Sensoren.
-
Kurze Beschreibung der Erfindung
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird bereits durch eine Einrichtung zur Magnetfeldkompensation
nach Anspruch 1 gelöst.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind
den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Danach
ist eine Magnetfeldkompensationseinrichtung vorgesehen, welche einen
Magnetfeldsensor und einen Messverstärker zur Bearbeitung
des vom Sensor gelieferten Messsignals umfasst. Der Magnetfeldsensor
ist hierbei als ein einziger magnetoresistiver Sensor ausgebildet,
dem mindestens zwei Messverstärkerkreise zugeordnet sind.
-
Die
Funktionsweise eines magnetoresistiven Sensors beruht auf magnetoresisitiven
Effekten. Bei diesen ändert sich der elektrische Widerstand
eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes,
proportional zu dessen Amplitude. Zu den magnetoresisitiven Effekten
gehören insbesondere der anisotrope magnetoresistive Effekt
(AMR-Effekt), der „gigantische” magnetoresistive
Effekt (GMR-Effekt), der CMR-Effekt, der TMR-Effekt und der planare Hall-Effekt.
Hierbei wird unterschieden zwischen magnetoresistiven Effekten in
nicht-magnetischen Materialien (Hall-Effekt), in magnetischen Materialien
(z. B. AMR-Effekt) und in hybriden Materialien aus nicht-magnetischen
und magnetischen Materialien (z. B. GMR-, EMR-Effekt).
-
Aus
Gründen der Klarheit sei betont, dass es sich bei dem gewöhnlichen
Hall-Effekt, im Gegensatz zum planaren Hall-Effekt, um keinen magnetoresistiven
Effekt handelt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
magnetoresistive Sensor als dreiachsiger Sensor ausgebildet.
-
Mittels
beigestellter low-noise Elektronik können durch eine derartige
Einrichtung Sensorsignale von DC bis 170 kHz oder mehr bereitgestellt werden.
-
Von
den beiden Messverstärkerkreisen ist einer als analoger
Breitband-Regler und der andere als digitaler Breitband-Regler ausgebildet.
Vor dem digitalen Breitband-Regler ist ein Analog-Digital-Wandler angeordnet,
hinter dem digitalen Breitband-Regler ein Analog-Digital-Wandler.
-
Erfindungsgemäß können
beide Messverstärkerkreise parallel betrieben werden. Alternativ kann
der Magnetfeldsensor aber auch zwischen den beiden Messverstärkerkreisen
umschaltbar sein, so dass zur gleichen Zeit jeweils nur der digitale
oder der analoge Messverstärderkreis genutzt wird.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst
der digitale Messverstärkerkreis mehrere parallel geschaltete
Regler für unterschiedliche Frequenzbereiche. Das Messsignal
des Magnetfeldsensors wird auf diese Weise in Abhängigkeit von
seinen Frequenzanteilen verschiedenen Reglern zugeführt.
-
In
einer weiteren Ausführungsform ist dem digitalen Breitband-Regler
ein Tiefpass für einen Frequenzbereich von 0–1kHz
vorgeschaltet, dem analogen Breitband-Regler ein Hochpass für
einen Frequenzbereich von 1 kHz bis mindestens 170 kHz.
-
Die
Frequenz, ab der das vom Magnetfeldsensor bereit gestellte Messsignal
nicht mehr dem digitalen, sondern dem analogen Breitband-Regler
zugeführt wird, kann auch in der Größenordnung
von 20 Hz liegen, so dass dem digitalen Breiband-Regler ein Tiefpass
für Frequenzen unterhalb von 20 Hz vorgeschaltet ist, und
dem analogen Breitband-Regler ein Hochpass für Frequenzen
oberhalb von 20 Hz.
-
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird einem
der beiden Messverstärkerkreise ein wählbarer
Hochpass vorgeschaltet, sodass die Frequenz, ab der das vom Magnetfeldsensor
bereit gestellte Messsignal nicht mehr dem digitalen, sondern dem
analogen Breitband-Regler zugeführt wird, manuell einstellbar
ist.
-
Zur
Magnetfeldkompensation wird der Magnetfeldsensor innerhalb von Helmholtzspulen
angeordnet. Für jede der drei Raumachsen ist hierbei jeweils
ein Paar von Helmholtzspulen vorgesehen. Die Ausgangssignale der
Messverstärkerkreise werden als Steuerungssignale auf die
Helmholtzspulen gegeben, so dass das am Ort des Magnetfeldsensors gemessene
Magnetfeld kompensiert wird.
-
Statt
der Paare von Helmholtzspulen kann auch eine Einzelspule je Raumachse
verwendet werden.
-
Der
erfindungsgemäße Magnetfeldsensor einschließlich
seiner mindestens zwei Messverstärkerkreise kann in einer
vergleichsweise kompakten Bauform bereit gestellt werden. Für
eine Achse kann eine Single-Layer-Platine auf einem Bauraum von etwa
20 mm × 4 mm × 5 mm bereit gestellt werden. Der
erfindungsgemäße Magnetfeldsensor wird auch in
dreiachsiger Ausführungsform deutlich kleiner und leichter
als vergleichbare Sensoranordnungen zur Kompensation magnetischer
Felder.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es
zeigen:
-
1:
eine Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung, bei
welcher ein analoger Breitband-Regler zu einem digitalen Breitband-Regler
parallel geschaltet ist.
-
2:
eine Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung, bei
welcher ein analoger Breitband-Regler parallel zu einem digitaler
Breitband-Regleranordnung geschaltet ist, die mehrere Einzelfreugenz-Regelkreise
umfasst,
-
3:
eine Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung, bei
welcher ein Breitband-Regler einen wählbaren Hochpass umfasst,
-
4:
eine Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung mit
einer Digitalregleranordnung und Aufteilung in Einzelregler für
Einzelfrequenzen,
-
5:
eine Magnetfeldkompensationsanordnung, und
-
6:
ein Blockdiagramm einer Messanordnung mit magnetoresistivem Sensors.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren anhand beispielhafter Ausführungsformen näher
beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Bauteile
beziehen.
-
6 zeigt
in einem Blockdiagramm eine Messanordnung mit einem magnetoresistiven
Sensor. Ein magnetoresistiver Sensor 1 in Gestalt eines Chips
wird von einer Spannungsquelle 65 mit einer Referenzspannung
von 5 V versorgt. Ein Resetschaltkreis 66 ermöglicht
ein „Power-Up” sowie ein externes Reset, wodurch
aufgrund eines Resetsignals 69 eine Flipspule zum Entmagnetisieren
des magnetoresistiven Sensor Chips aktiviert wird. Das Ausgangssignal
des Sensors 1 wird einem Instrumentenverstärker 62 zugeführt,
der das Ausgangssignal verstärkt. Typischerweise liegt
der Verstärkungsfaktor bei. etwa 200. Das Ausgangssignal
des Instrumentenverstärkers 62 wird einem Summationsverstärker 63 mit
Tiefpassfilter zugeführt. Der Verstärkungsfaktor
des Summationsverstärkers 63 beträgt
typischerweise bei 36. Das Ausgangssignal 68 des
Summationsverstärkers 63 und damit der Messanordnung
ist digital und hat typischerweise eine Frequenz von 120 kHz. Der
Level des Ausgangssignals liegt typischerweise bei 140 mV pro μT
des gemessenen Magnetfeldes. Für jede Raumachse ist eine
Messanordnung gemäß 6 vorgesehen.
-
1 zeigt
eine hybride Magnetfeldmessanordnung mit einem einzigen magnetoresisistiven
Magnetfeldsensor 1, dessen Ausgangssignal 68 in
zwei parallel angeordnete Messverstärkerzweigen eingespeist
wird. Jeder dieser Messverstärkerkreise umfasst ein, zwei
oder drei Verstärkerkanäle, je nach der Anzahl
der Sensorachsen, d. h. das jeweilige Signal besitzt ein oder mehrere
Komponenten. Der in 1 oben befindliche Verstärkerzweig
umfasst einen analogen Breitband-Regler 3 mit vorgeschaltetem
Hochpassfilter 2. Der in 1 unten
befindliche Messverstärkerzweig weist einen Tiefpassfilter 4 auf,
dessen Ausgangssignal in einen AD-Wandler 6 eingespeist wird,
dem ein digitaler Breitband-Regler 5 nachgeschaltet ist.
Das digitale Ausgangssignal des Breitband-Reglers 5 wird
von einem DA-Wandler 7 in ein analoges Signal umgewandelt.
-
Die
Ausgangssignale der beiden parallel angeordneten Messverstärkerzweige
werden von einem Addierer 8 summiert und einer Helmholtzspulenaornung
H mit Helmholtzspulenpaaren H1, H2, H3 (5) zugeführt,
um eine Magnetfeldkompensationsanordnung zu bilden. Statt der Paare
von Helmholtzspulen kann auch eine Einzelspule je Achse verwendet
werden. Der analoge und der digitale Messverstärkerzweig
ist in 5 zu dem Messverstärker M zusammengefasst.
-
Die
Komponenten des Ausgangssignals der Magnetfeldmessanordnung können
zur Kompensation von Magnetfeldern verwendet werden, indem die Signalkomponenten
zur Steuerung des jeweiligen Stroms in den Helmholtzspulen H1, H2,
H3 oder Einzelspulen verwendet werden. Diese Spulen umgeben den
Messort und somit den Magnetfeldsensor 1. Es findet ein
Feedbackregelungskonzept Anwendung, bei welchem die Störfeldamplitude
des örtlichen Magnetfelds vom Sensor 1 gemessen
wird. In Abhängigkeit von der Größe dieser
Störfeldamplitude werden entsprechend geregelte Signalkomponenten auf
die Helmholtzspulen oder die Einzelspulen gegeben, so dass die Störfeldamplitude
am Messort minimiert wird.
-
Analoge
Regler und digitale Regler haben ihre jeweiligen Vorteile und Nachteile.
Analoge Regler können für größere
Bandbreiten gebaut werden, während digitale Regler eine
größere Wandelbarkeit hinsichtlich ihrer Steuercharakteristik
aufweisen oder ein weiteres Regelprogramm benutzt wird. Aufgrund des
analogen Teils der Magnetfeldmessanordnung wird der Nachteil von
rein digitalen Systemen vermieden. Hierzu gehört, dass
diese nicht nur eine AD-Wandlung der Sensorsignale vornehmen müssen,
sondern auch die Ausgangssignale zurück in analoge Signale
verwandeln müssen.
-
Aufgrund
dieser AD-DA-Wandlung ergibt sich wegen der Abstastung der Signale
ein Phasenverlust, der in praktischen Regelungssystemen die Bandbreite
der Regelung begrenzt. Derzeit erhältliche digitale Systeme
erreichen Bandbreiten von maximal 1 kHz.
-
Die
Kombination eines analogen mit einem digitalen Messverstärkerzweig
vermeidet diesen Nachteil. Dabei wird das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 1 in
seine Frequenzanteile aufgespaltet. In der in 1 gezeigten
Ausführungsform werden Frequenzen oberhalb von 20 Hz mittels
des Hochpassfilters 2 dem analogen Breitband-Regler 3 zugeführt
und Frequenzen unterhalb von 20 Hz dem digitalen Messverstärkerzweig
mit Tiefpassfilter 4, Wandlern 6, 7 und
digitalem Regler 5. Andere Grenzfrequenzen können
gewählt werden, um beispielsweise den Wirkungsgrad der
beiden parallel angeordneten Messverstärkerzweige zu optimieren.
-
2 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer hybriden Magnetfeldmessanordnung.
Auch hier wird das Ausgangssignal 68 des magnetoresistiven Magnetfeldsensors 1 in
zwei parallel angeordnete Messverstärkerzweige eingespeist,
deren in 2 oberer Zweig wiederum einen
analogen Breitband-Regler 3 mit vorgeschaltetem Hochpassfilter 2 umfasst.
Im unteren Zweig gibt es eine Parallelschaltung von mehreren Reglern
R1, R2, ..., Rn, denen jeweils Filter F1, F2, ..., Fn vorgeschaltet
sind. Die Ausgangssignale der Regler R1, R2, ..., Rn werden zusammengefasst
und von dem DA-Wandler 7 in analoge Signale umgewandelt
und dem Addierer 8 zugeführt.
-
Bevorzugt
werden die Filter F1, F2, ..., Fn wie folgt eingestellt:
- F1:
Tiefpass 20 Hz
- F2: 16,67 Hz Bandpass
- F3: 50 Hz (bzw. 60 Hz) Bandpass, Netzfrequenz
- F4–Fn: Ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz, also
2·50 Hz/2·60 Hz, 3·50 Hz, 3·60
Hz, usw. als Bandpass.
-
Die
Aufteilung des Ausgangssignals 68 des Sensors 1 mittels
Tiefpassfilter 4 und Hochpassfilter 2 wird derart
gewählt, dass für beide Bereiche, d. h. sowohl
für den digitalen, tieffrequenten als auch den analogen,
hochfrequenten Bereich der jeweils optimale Wirkungsgrad erreicht
wird. Typischerweise sind diese Frequenzbereiche 0–2 kHz,
2 kHz–170 kHz oder 0–4 kHz, 4 kHz–170
kHz oder mehr.
-
Das
Ausgangssignal der Magnetfeldmessanordnung wird zur Kompensation
von Magnetfeldern verwendet, wie beschrieben.
-
3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magnetfeldmessanordnung,
nämlich den analogen Zweig gemäß 1.
Der dem analogen Breitband-Regler 3 vorgeschaltete Hochpassfilter 2 kann mittels
Umlegen eines Schalters 9 überbrückt
werden, so dass das Ausgangssignal 68 des magnetoresistiven
Magnetfeldsensors 1 den analogen Breitband-Regler 3 ungefiltert
in voller Bandbreite erreicht. Das gefilterte und das ungefilterte
Ausgangssignal 68 des Magnetfeldsensors 1 werden
von einem Addierer 10 zusammengefasst.
-
Der
vorgeschaltete Hochpassfilter 2 dient einer Bandbegrenzung
des Ausgangssignals 68 des Sensors 1. Vorzugsweise
liegt die Filterfrequenz des Hochpassfilters 2 in dieser
Ausführungsform bei ca. 0,1 Hz. Der Hochpassfilter 2 wird
verwendet, wenn eine DC-Kompensation gewünscht wird. Ist
dies nicht der Fall, so wird der Hochpassfilter 2 mittels
manuellem Umlegen des Schalters 9 überbrückt.
Alternativ kann der Schalter 9 auch mittels Software betätigt werden.
-
Auch
hier werden die Komponenten des Ausgangssignals der Magnetfeldmessanordnung
zur Kompensation von Magnetfeldern verwendet.
-
4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer digitalen Magnetfeldmessanordnung,
die im Prinzip dem unteren Messverstärkerzweig in 2 entspricht.
Die Anordnung umfasst einen Tiefpassfilter 4, dessen Ausgangssignal
von einem AD-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt wird, das
in die parallel angeordneten, einzelnen Regler R1, R2, Rn mit den
vorgeschalteten Filtern F1, F2, ..., Fn eingespeist wird. Die Filterfrequenz
des Tiefpassfilters 4 beträgt vorzugsweise 1–5
kHz. Die Filter F1, F2, ..., Fn teilen das Eingangssignal in Abhängigkeit
von einzelnen Frequenzen auf die Regler R1, R2, ..., Rn auf. Die Frequenzen
werden in der bereits beschriebenen Weise auf die Filter F1, F2,
..., Fn aufgeteilt. Die Ausgangssignale der Regler R1, R2, ...,
Rn werden von einem DA-Wandler 7 in analoge Signale umgewandelt,
um zur Kompensation von Magnetfeldern verwendet zu werden.
-
5 zeigt
den magnetoresistiven Magnetfeldsensor 1 in einer Magnetfeldkompensationseinrichtung
H. Diese umfasst ein bis drei Paare von Helmholtzspulen H1, H2,
H3. jedes Paar von Helmholtzspulen H1, H2, H3 erzeugt jeweils ein
in eine der drei Raumrichtungen zeigendes Magnetfeld. Im zentralen
Bereich zwischen den Paaren der Helmholtzspulen H1, H2, H3 ist der
magnetoresistive Magnetfeldsensor 1 angeordnet. Die drei
Komponenten der Messsignale 68 des Sensors 1 werden
an eine Magnetfeldmesseinrichtung M weitergeleitet, wie mit 1–4 beschrieben.
Die Messsignale werden verstärkt und gegebenenfalls bearbeitet,
bevor sie zu der Magnetfeldkompensationseinrichtung rückgeführt
werden. Dabei werden die passenden Komponenten der Signale als Steuersignale
für die Paare von Helmholtzspulenpaaren H1, H2, H3 benutzt.
-
In
einer alternativen Ausführungsform werden statt der Paare
von Helmholtzspulen Einzelspulen je Raumachse verwendet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-