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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von
magnetischen Flussdichten.
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Auf
dem Gebiet der Messtechnik zur Ausmessung der Feldverteilung von
Magnetfeldern kommt Magnetfeldsonden vor allem bei der aktiven Magnetfeldkompensation
eine zunehmende Bedeutung zu. Einsatzgebiete der aktiven Magnetfeldkompensation
und damit benötigter
Feldmesssonden sind zum Beispiel die Elektronenmikroskopie, Kernspinntomographie
und Maskenschreiber in der Halbleiterherstellung. Derartige Geräte weisen
eine hohe H-Feld Empfindlichkeit auf, da z.B. bei einem Elektronenmikroskop
oder einem Maskenschreiber ein Elektronenstrahl, also bewegte elektrische
Ladungen, präzise
gesteuert werden sollen. Aufgrund der Lorenzkraft auf bewegte elektrische
Ladungen, welche in einem Magnetfeld die bewegten elektrischen Ladungen
ablenkt, ist es erforderlich, ein von außen auf die Elektronenstrahl-
erzeugende Anordnung wirkendes parasitäres Magnetfeld zu kompensieren,
um eine vorbestimmte präzise
Führung
des Elektronstrahls gewährleisten
zu können.
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Eine
herkömmliche
Magnetfelddetektionseinrichtung ist eine sogenannte Fluxgate-Sonde. Eine
Fluxgate-Sonde besteht aus einer Erregerspule, in welche ein Ferritkern
eingesetzt ist. Auf dem Ferritkern sitzt benachbart zur Erregerspule
eine Sensorspule zur Messung einer Induktionsspannung. Durch die
Erregerspule wird ein Erregerfeld konstanter Frequenz mit beispielsweise
15 kHz erzeugt. Durch dieses Erregerfeld wird der Ferritkern in
Sättigung
gebracht, und in der Sensorspule, welche sich ebenfalls auf dem
Ferritkern befindet, wird eine Spannung induziert. Tritt nun ein
zusätzliches
Magnetfeld auf, welches den Ferritkern durchsetzt, so wird das Erregerfeld
verstärkt
oder abgeschwächt,
so dass sich die induzierte Spannung in der Sensorspule verändert. Die Änderung
der induzierten Spannung dient als Maß für die magnetische Flussdichte des äußeren Magnetfeldes.
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In
einer Magnetfeldkompensationseinrichtung wird nun durch eine äußere Spule
in Abhängigkeit
von der detektierten magnetischen Flussdichte von außen ein
Gegenfeld zur Kompensation des ungewollten äußeren Magnetfeldeinflusses
erzeugt. Fluxgate-Sonden
sind für
die Messung von Magnetfeldern niedriger Frequenz bzw. statischer
Magnetfelder im Bereich von 0 bis maximal 3 kHz geeignet, weisen
also eine verhältnismäßig geringe
Bandbreite zur Messung magnetischer Flussdichten auf. Ein wesentlicher
Nachteil einer Fluxgate-Sonde besteht vor allem darin, dass sie
aufgrund des eigenen Erregerfeldes im Bereich zwischen 15 kHz bis
18 kHz eine Störabstrahlung
erzeugt. Eine solche aktive Messeinrichtung kann somit nur begrenzten
Anforderungen, was die Bandbreite betrifft, nachkommen.
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Eine
einfache, passive Spule bietet eine Möglichkeit zur Messung sie durchdringender
magnetischer Wechselfelder. Ein die Spule durchdringendes magnetisches
Wechselfeld, d.h. eine sich in der Spulenebene ändernde magnetische Flussdichte,
induziert in der Spule eine Spannung, welche proportional zur Änderung
der magnetischen Flussdichte ist. Auch aus dieser induzierten Spannung
ist ein Signal für
eine Magnetfeldkompensationseinrichtung ableitbar. Der wesentliche
Nachteil einer Spule bzw. Spulenanordnung liegt vor allem darin
begründet,
dass sie statische Magnetfelder nicht detektieren kann, was direkt
aus dem Induktionsgesetz folgt und niederfrequente Magnetfelder
nur unzureichend identifizieren kann, weshalb eine Bandbreiteneinschränkung am
unteren Frequenzbereich vorliegt. Aus diesem Grund wurden bisher
die Sonden, nämlich
die Fluxgate-Sonde und die einfache, passive Spule voneinander getrennt
eingesetzt, was zwei Zentren zur Folge hat.
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In
der Druckschrift
DE
36 08 572 C2 ist eine Einrichtung zur Bruch- und Verschleißüberwachung von
insbesondere automatisch wechselbaren Werkzeugen beschrieben, bei
der die relative Lageänderung
zweier benachbarter Teile der Werkzeugmaschine überwacht und bei Überschreitung
eines vorgebbaren Grenzwertes ein Signal abgegeben wird, wobei die
relative Lageänderung
in einer Induktionsmessspule und/oder einer Hall-Sonde eine Spannung
induziert, wobei das homogene Magnetfeld und/oder die Magnetfeldänderung
eines auf dem Werkzeugträger
und/oder den Werkzeuggrundhalter und/oder der Revolverscheibe befestigten
Magneten gemessen wird, oder die durch den Werkzeugträger und/oder
den Werkzeuggrundhalter und/oder die Revolverscheibe verursachte
Beeinflussung eines von außen
angelegten Magnetfeldes gemessen wird.
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In
dem Artikel „The
future of magnetic sensors" („Die Zukunft
magnetischer Sensoren")
der Autoren R.S. Popovic, J.A. Flanagan, P.A. Besse werden die magnetischen
Sensoren mit dem höchsten Potenzial
für zukünftige Anwendungen,
wie z. B. Hallsensoren, Magnetwiderstände, induktive Spulen und Fluxgate-Sonden, beschrieben.
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In
der Druckschrift
DE
43 07 453 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Orten einer Leitung beschrieben. Das beschriebene Verfahren betrifft
das Orten wenigstens einer Leitung durch Erfassen und Auswerten
eines an der Leitung aufgebauten elektromagnetischen Feldes, wobei
der Leitung zum Aufbau des elektromagnetischen Feldes ein elektrischer
Wechselstrom eingeprägt
wird. Ein Messkopf mit einer Spulenanordnung wird über den
zu ortenden Leiter bewegt, das elektromagnetische Feld wird abgetastet
und die im Messkopf induzierte Spannung wird als Funktion des Abtastortes
erfasst. Aus der Lage und der Lageänderung der Spulenanordnung und
der Änderung
der induzierten Spannung wird die Position der Leitung abgeleitet.
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In
der Druckschrift
DE
42 12 961 A1 ist ein direktabbildender Stromsensor mit
einem vom zu messenden Strom beeinflussten Magnetkern und einem den
Fluss im Magnetkern erfassenden Magnetfeldsensor, dessen Ausgangssignal
einer Auswerteschaltung zugeführt
wird und als Messgröße für den zu
messenden Strom dient, beschrieben.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von
magnetischen Flussdichten zu schaffen, welche eine große Bandbreite
bei kompakten Abmessungen vorsieht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung besteht im wesentlichen darin, zwei Messeinrichtungen
in kompakter Weise miteinander zu kombinieren, wobei eine der Messeinrichtungen
mit einer Abschirmeinrichtung versehen ist und diese Vorrichtung
die Form einer einzigen Sonde mit einem Zentrum aufweist.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist zur Messung von magnetischen Flussdichten
eine aktive Messeinrichtung zur Messung von magnetischen Flussdichten
in einem ersten Frequenzbereich, eine passive Messeinrichtung zum
Messen von magnetischen Flussdichten in einem zweiten Frequenzbereich
und eine Abschirmein richtung über
der aktiven Messeinrichtung zum Abschirmen der von der aktiven Messeinrichtung
verursachten Abstrahlung in dem zweiten Frequenzbereich vorgesehen.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
Erfindung.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Vorrichtung zur Erläuterung
einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung; und
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2 eine schematische Darstellung
eines Details der Vorrichtung gemäß 1 zur Erläuterung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Bestandteile.
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1 zeigt eine schematische
Darstellung einer Vorrichtung zur Erläuterung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Vorrichtung nach 1 weist
eine Messeinrichtung 1, z.B. eine Fluxgate-Sonde auf, welche mit
einer Abschirmeinrichtung 2 versehen ist. Die Abschirmeinrichtung 2 besteht
vorzugsweise aus einem hohlzylindrischen Hohlkörper 2 bzw. einer
Haube 2 aus einem elektrisch leitfähigen, nicht ferromagnetischen
Material, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Gold. Die Abschirmeinrichtung 2 ist
von ihrer Wandstärke
her so dimensioniert, dass sie niederfrequente Magnetfelder kaum
dämpft,
jedoch in dem Bereich, in welchem die Fluxgate-Sonde 1 Störstrahlung
abstrahlt (15 kHz bis 18 kHz), die von der Erregerspule der Fluxgate-Sonde 2 herrührende Störstrahlung
in Form magnetischer Wechselfelder abschirmt.
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Die
aktive Messeinrichtung 1 ist über einen Kabelauslass 3 bzw.
einen Stecker 3 mit einer Zuleitung 4 verbunden,
welche an eine Schaltungsplatine 5 angeschlossen ist. Die
Schaltungsplatine 5 dient der Signalverarbeitung.
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Über Zuleitungen 6, 7 und 8 sind
drei jeweils senkrecht zueinander stehende Spulen 9, 10 und 11 mit
der Schaltungsplatine 5 verbunden. Die Spulenebenen der
drei Spulen 9, 10 und 11 definieren drei Seiten
eines Würfels.
Die Spulenkörper,
auf welche die Spulen 9, 10 und 11 aufgewickelt
sind, bestehen aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, wie beispielsweise
Kunststoff, um durch sie hindurchtretende Magnetfelder möglichst
geringfügig
zu dämpfen.
In Abhängigkeit
von Flussdichteänderungen, welche
in den von den Spulen umfassten Flächen auftritt, wird in den
Spulen dem Induktionsgesetz folgend eine Spannung induziert, welche über die
Zuleitungen 6, 7 und 8 an die Schaltungsplatine 5 gegeben
werden. Die drei jeweils senkrecht zueinander stehenden Spulen 9, 10 und 11 bilden
eine passive Messeinrichtung.
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Mit
einer Trägerplatte 12,
welche aus einem elektrisch nicht leitfähigem Material wie Kunststoff hergestellt
ist, wird die zylinderförmige,
mit der Abschirmeinrichtung 2 versehene Mess einrichtung 1, vorzugsweise
einer Fluxgate-Sonde, so mit Bezug auf die drei jeweils senkrecht
zueinanderstehende Spulen 9, 10 und 11 ausgerichtet,
dass der Kopfabschnitt 2a der Abschirmeinrichtung 2 bzw.
der Messeinrichtung 1 im Zentrum des durch die drei Spulen 9, 10 und 11 definierten
Würfels
liegt.
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An
der Trägerplatte 12 sind
die Spule 9 und die Spule 11 befestigt. Die dritte
Spule 10 ist über Trägerelemente 13 mit
der Trägerplatte 12 verbunden,
welche vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt sind. Weiterhin ist
an der Trägerplatte 12 eine
Steckerbuchse 14 als Schnittstelle zum Zuführen bzw. Abführen von
Signalen zu bzw. von der Platine 5 vorgesehen. Alle Befestigungsmittel
wie Schrauben, Nieten oder ähnliche
zur Anbindung der Spulen 9, 10 und 11 an
die Trägerplatte 12,
z.B. auch die zur Befestigung der Spule 10 an den Trägerelementen 13, sind
aus nicht leitfähigem
Material wie z.B. Kunststoff ausgeführt.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform hat
die Trägerplatte 12 vorzugsweise
eine solche Außenabmessung,
dass sie vorzugsweise als viereckige Platte Kantenlängen besitzt,
die etwa gleich oder geringfügig
größer als
der Durchmesser der Spulen 9, 10, 11 gewählt sind.
Mittig in der Trägerplatte 12 befindet
sich eine kreisförmige Öffnung 12a,
durch welche die Messeinrichtung 1 so durchgeführt ist, dass
der Kopfabschnitt 2a weitgehend vertikal zur Trägerplatte 12 ausgerichtet
ist. Durch den Mittelpunkt der Spulen 9, 10, 11 gehende
und senkrecht zu den Spulen 9, 10, 11 stehende
Achsen schneiden sich an einem Punkt, der das Zentrum sowohl der Spulen 9, 10, 11 als
auch der Messeinrichtung 1 definiert.
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Wie
sich dies noch aus folgender Beschreibung ergibt, verläuft die
Abschirmung 2 der Messeinrichtung 1 oberhalb der
in 1 gezeigten Trägerplatte 12,
d.h. in dem durch die Spule 9, 10, 11 definierten
Raum sowie unterhalb der Trägerplatte 12, wobei
die aktiven Elemente, die in 2 mit 15 bezeichnet
sind, im Bereich der vorgenannten Spulenachsen liegen.
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Darüber hinaus
weist die Vorrichtung gemäß 1 z.B. auf der Platine 5 eine
Filtereinrichtung auf, in welcher ein Tiefpassfilter für das Signal
vorgesehen ist, welches durch die drei Spulen 9, 10, 11 bei einem
auftretenden magnetischen Wechselfeld abgegeben wird, sowie ein
Tiefpassfilter für
das von der Messeinrichtung 1 in Form der Fluxgate-Sonde
ausgegebene Signal. Die Eckfrequenz der Tiefpässe liegt z.B. bei 100 Hz.
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2 zeigt schematisch Details
der Vorrichtung gemäß 1 zur Erläuterung
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 2 ist als Messeinrichtung 1 eine
Fluxgate-Sonde dargestellt, welche die Abschirmvorrichtung 2 über den
aktiven, d.h. abstrahlenden, Elementen 15 der Fluxgate-Sonde
angeordnet aufweist. Die Abschirmeinrichtung 2 ist ein
zylinderförmiger
Hohlkörper
aus Aluminium, welcher über
den aktiven Elementen 15 der Fluxgate-Sonde 1 eine
geringe Materialstärke
aufweisen kann als im Bereich einer Steuerungs- bzw. Auswerteelektronik 16. Über einen
Stecker 3 werden die von der Fluxgate-Sonde detektierten
Signale zur Zuleitung 4 geführt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
in vorteilhafter Weise eine kompakte Anordnung einer Magnetfeldsonde
mit großer
Bandbreite ohne dass sich die beiden dazu eingesetzten Mess einrichtungen
gegenseitig negativ beeinflussen. Durch die erfindungsgemäße Messsonde
wird ein Frequenzbereich von 0 Hz bis ca. 100 kHz in einer kompakten Einheit
bereitgestellt.
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Die
Abschirmung des von der Erregerspule der Fluxgate-Sonde abgestrahlten
Magnetfeldes basiert auf der Wirbelstrombildung in dem leitfähigen Material;
welche frequenzabhängig
ist, wobei die abschirmende Wirkung mit steigender Frequenz zunimmt.
Deshalb dämpft
die Abschirmeinrichtung 2 ein äußeres Magnetfeld kaum im Arbeitsbereich
der Fluxgate-Sonde, da diese lediglich bei niedrigen Frequenzen
arbeitet. Die Induktionsspulen werden kaum von der metallischen
Abschirmeinrichtung 2 beeinflusst, da die metallische Abschirmeinrichtung
klein im Verhältnis
zu den Induktionsspulen gewählt
ist.
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- 1
- aktive
Messeinrichtung, z. B. Fluxgate-Sonde
- 2
- Abschirmeinrichtung;
Hohlkörper
bzw. Haube z. B. aus Alu
- 3
- Kabelauslass
bzw. Stecker
- 4
- Zuleitung
zwischen Fluxgate-Sonde und Platine
- 5
- Schaltungsplatine
- 6
- Zuleitung
zwischen Spule und Platine
- 7
- Zuleitung
zwischen Spule und Platine
- 8
- Zuleitung
zwischen Spule und Platine
- 9
- Spule
- 10
- Spule
- 11
- Spule
- 12
- Trägerplatte
aus nicht leitfähigem
Material wie Kunststoff
- 13
- Trägerelemente
z. B. aus Kunststoff
- 14
- Steckerbuchse
für Ab-/Zuleitung
von Signalen der Platine
- 15
- Aktive,
d. h. abstrahlende Elemente im Kopf der Fluxgate-
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- Sonde
- 16
- Steuerungs-
bzw. Signalverarbeitungselektronik der Fluxga
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- te-Sonde