DE1942916B2 - Schaltungsanordnung zur messung schwacher magnetfelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung schwacher Magnetfelder mit einer elektromagnetischen Sonde, die einen Ringkern aus ma gnetisch permeablem Stoff umfaßt, der zwei mi einem pulsierenden Erregerstrom gespeiste Erreger wicklungen und eine Ausgangswicklung besitzt.

Zur Messung schwacher Magnetfelder sind bereit! Schaltungsanordnungen vorgeschlagen worden. Eim Schaltungsanordnung für diesen Zweck ist unter den Namen »Förstersonde« bekanntgeworden (ATM Blatt V 392-1, August 1952, S. 175 bis 178). Diest Schaltungsanordnung besitzt als Meßelement einer Kern aus hochpermeablem Material, der über eine ihn umgebende, mit Hochfrequenzstrom gespeiste Spule bis in seinen oberen Sättigungsbereich erreg wird. Bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldei auf das hochfrequenzerregte magnetische Wechsel· feld des Meßelementes entsteht in der Spule eine Spannung der 2. Harmonischen, deren Amplitude c-ir Maß für die zu messende Feldstärke bildet. Diese Spannung der 2. Harmonischen wird durch ein Siebglied aus dem Frequenzspektrum getrennt, auf einen nachgeschalteten Verstärker gegeben, gleichgerichtel und analog angezeigt.

Diese beschriebene Schaltungsanordnung (»Detektoren für den Straßenverkehr«, Siemens-Sonderdruck aus Straßenverkehrstechnik 9, 1965, Heft 718) gestattet die Messung von schwachen Magnetfeldern mit hoher Meßempfindlichkeit und kann beispielsweise auch zur Erfassung von ferromagnetischen Stoffen herangezogen werden, indem die durch diese Stoffe hervorgerufene Veränderung des Erdmagnetfeldes registriert wird. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt jedoch darin, daC sie, da sie eine große Anzahl von präzisen Schaltelementen erfordert, ziemlich aufwendig und teuer ist.

Bei anderen bekannten Schaltungsanordnungen, die in der Verkehrsmeßtechnik zum Erfassen von vorüberfahrenden Kraftfahrzeugen benutzt werden, sind ebenfalls Sonden vorhanden, die mit einem pulsierenden Erregerstrom gespeist werden. Diese Sonden bestehen aus einer in der Fahrbahn verlegten Leiterschleife oder aus einem von einer Spule umgebenen Eisenkern. In beiden Fällen bewirken die Eisenmassen eines diese Bonden überfahrenden Fahrzeuges, daß die Induktivität der Leiterschleife b/w. der Spule verändert wird. Die Veränderung dieser Induktivitäten wird gemessen und als Anzeige für ein Fahrzeug registriert. Diese Sondenausführungen erfordern, daß zur Verlegung der Leiterschleife in die Fahrbahndecke eine große ringförmige Nut einuefräst oder zur Aufnahme der Spule und des Eisenkerns ein große Loch in die Fahrbahndecke -lgcbracht werden muß. Die Empfindlichkeit dieser Sonden ist im übrigen ziemlich begrenzt.

Is isi auch bereits vorgeschlagen wurden (österreichische Patentschrift 244 443), zur Messung von äußeren Magnetfeldern eine Einrichtung zu benutzen. die einen Ringkern mit zwei gleichsinnigen Magnetisierungswicklungen enthält, die zugleich in einer Kippschaltung liegen. Dabei wird durch die Vormagnetisierung durch ein äußeres Feld der induktive Widerstand der Magnetisierungswicklungen verändert, so daß in der Regel durch die Stärke des äußeren Feldes die Kippfrequenz der Kippschaltung bestimmt wird. Ist bei dieser Einrichtung jedoch die normalerweise durch die Magnetisierungswicklungen erzeugte Sättigung des Ringkernes, der vorzugsweise aus leicht sättigbarem Material mit rechteckiger Hystereseschleife besteht, bereits durch das äußere Feld

bewirkt, so kann dieses höchstens angezeigt aber nicht mehr dessen Stärke gemessen werden, Die Einrichtung ist, abgesehen davon, daß sie eine sehr genaue Justierung erfordert, also nur zur Messung sehr begrenzter Feldstärkenbereiche benutzbar.

Außer den genannten Einrichtungen zur Messung schwacher magnetischer Felder ist auch bereits eine eingangs beschriebene Schaltungsanordnung für diese^ Zweck uekanntgeworden (deutsche Patentschrift S58 571), die einen Kern aus magnetisch penneablem SiofT besitzt, der mehrere Erregerwicklungen und Abnehmerspulen trägt, wobei die Erregerwicklungen durch periodisch veränderlichen Strom gespeist werden. Dabei sind die Abnehmerspulen so abgeglichen und in einer Kompensierungsschaltung untereinander verbunden, daß ohne Vorhandensein eines äußeren Feldes von den Abnehmerspulen keine Spannung abgenommen werden kann. Da sämtliche Erregerwicklungen im gleichen Sinne gewickelt und in gleicher Richtung von dem Erregerstrom durchflossen werden und somit der erzeugte Fluß überall ringförmig in der gleichen Richtung verläuft, ist bei dieser Anordnung die Gefahr sehr groß, daß bei geringen Schwankungen des Erregerslromes ohne äußeres Feld bereits maximale Sättigung des Kerns erreicht wird und somit ein schwaches äußeres Feld praktisch nicht mehr angezeigt werden kann.

Gegenüber den bekannten Schaltungsanordnungcn ist überraschend gefunden worden, daß unter Verwendung von handelsüblichen Bauelementen eine sehr einfache, äußerst billige, sehr kleine, erstaunlich empfindliche und unabhängig von Schwankungen des Erregerstroms immer einsatzbereite Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch erhalten werden kann, daß erfindungsgemäß die beiden Erregerwicklungen gegensinnig gewickelt und dergestalt im gleichen Takt vom Erregerstrom durchflossen werden, daß der Ringkern aus Material mit nahezu rediteckförmigcr Hystercsekennlinie im Bereich der Ausgangswicklung nicht vollständig gesättigt wird, wobei die durch ein äußeres Feld bewirkte Veränderung der Amplitude des von der Ausgangswicklung abnehmbaren Signals zur Messung des äußeren Feldes dient.

Fine solche Sonde ist äußerst klein, so daß sie beispielsweise beim Einsatz in der Vcrkchrsmcßtcchnik kaum Platz beansprucht und nicht eine große Beschädigung der Fahrbahn notwendig macht. Außerdem i./t sie, da Ringkerne aus Material mit rcchtcekförmigcr Hystcresekcnnlinic in vielfältiger Form zu sehr niedrigen Preisen auf dem Markt zu erhalten sind, äußerst billig im Einsatz, dicwcil auch die zu ihrem Betrieb notwendigen Schaltelemente von herkömmlicher und einfacher Art sein können, wobei durch die gegensinnige Wicklung der Erregcrwickhingen die bei den anderen Schaltungsanordnungen notwendige äußerst sensible Justierung entfällt und der Ringkern trotzdem nicht durch den Erregerstrom vollständig gesättigt werden kann. Letzteres ist besonders bei Verwendung von Materialien mit rechteckförmiger Hysteresekennlinie äußerst wichtig, da diese bei aucn nur geringer Anregung im Regelfall sofort den Sattiyingsbereich erreichen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird dies mit Sicherheit unabhängig von der Stärke des Erregerstroms durch die gegenyrnige Wicklung der Erregerwicklungen verhindert. Vorteilhafterweise wird das Ampcrewindungsverhältnis zwischen der ersten Erregerwicklung und der zweiten Erregerwicklung dabei dergestalt veränderlich gemacht, daß der Sättigungsgrad des Ringkernmaterials im Bereich der Ausgangswicklung einstellbar ist. Hierdurch kann die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung genau eingestellt werden, d. Ii. durch Veränderung des Amperewindungsverhältnisses kann man den Arbeitspunkt einstellen, an dem die Schaltungsanordnung am empfindlichsten auf äußere Magnetfelder reagiert.

ίο Es hat sich herausgestellt, daß die größte Empfindlichkeit erhalten werden kann, wenn ein Ringkern verwendet wird, der ein erstes Loch besitzt, um dessen Außenjoch die erste Erregerwicklung gelegt ist, und der ein zweites Loch besitzt, um dessen Außenjoch die zweite Erregerwicklung und die Ausgangswicklung gelegt sind. Bei der Verwendung eines solchen Ringkernes ist die Schaltungsanordnung noch empfindlicher als wenn ein einfacher Einloch-Ringkerr, verwendet wird. Dabei wird vorteilhaflevweise

ao das zweite Loch kleiner als Jas erste Loch gemacht, da dadurch die Empfindlichkei' weiterhin gesteigert werden kann. Bei der Verwendung eines Zweiloch-Ringkerns ist im übrigen auch die Rich'ungsempfindlichkeit größer, d. ii., mil der Sonde kann mit größerer Genauigkeit festgestellt werden, in welcher Richtung das äußere Magnetfeld liegt.

Obgleich grundsätzlich alle Arten von pulsierenden Erregerströmen zur Speisung der Sonde benutzt werden können, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß ein pulsierender Erregerstrom mit steilen Anstiegs- und/oder Abfallflanken verwendet wird, wobei es sich gezeigt hat, daß die Anordnung bei Speisung der Erregerwicklungen mit einer hochfrequent pulsierenden Gleichspannung mit rechtecklörmigen Impulsen die größte Empfindlichkeit besitzt.

Bei Verwendung der Schaltungs: nordnung zur Zählung von beweglichen Eisenteilen, Fahrzeugen u. dgl. kann in zweckmäßiger Weise das von der Ausgangswicklung abnehmbare Signal einem Tor zugeführt werden, das beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes des Ausj_angssignals öffnet und mit einer Zählvorrichtung zählbare Impulse durchläßt. Auf diese Art und Weise können von dem Ausgangssignal Impulse abgeleitet werden, die geeignet sind, in einer Zählvorrichtung veiarbeitet zu werden. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, daß das von den Ausgangswicklungen abnehmbare Signal einer analogen Meßvorrichtung zugeführt wird.

die beispielsweise direkt die Amplitudenhöhc der Ausgangssignale wiedergibt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen in Ausführungsbeisoielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. I ein Aiisführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Schaltungsanordnung und

F i g. 2 Hysteresckcnnlinien von verwendeten Kernmaterialien.
Die Schaltungsanordnung genaäfl Fig. 1 enthält

eine elektromagnetische Sonde 1, die einen Ringkern 2 aus einem Material mit nahezu rechteckförmiger Hysteresekennlinie umfaßt, der ein erstes Loch 3 und ein zweites Loch 4 besitzt. Um das Außenjoch des ersten Loches 3 ist eine erste Erreger-

wicklung S und um das Außenjoch des zweiten Loches 4 sind eine zweite Erregerwicklung 6, die in bezug auf die erste Erregerwicklung gegensinnig gewickelt ist, und eine Ausgangswicklung 16 gelegt.

Beide Erregerwicklungen S und 6 sind dabei hintereinander geschaltet und werden von einem Taktgenerator 9 über einen Regelwiderstand 10 mit einem gleichgerichteten, pulsierenden, rechteckförmigen Erregerstrom 11 gespeist. Zur Veränderung des Amperewindungsverhältnisses zwischen der ersten Erregerwicklung 5 und der zweiten Erregerwicklung 6 ist die erste Erregerwicklung 5 mit einem Abgleichswiderstand 8 überbrückt.

Die Ausgangswicklung 16 ist an einen Verstärker 18 angeschlossen, dessen Ausgang über einen Gleichrichter 19 einem Tor 22 und oder einem Meßinstrument 21 zugeführt wird. Das Tor 22 ist so ausgebildet, daß es bei einer bestimmten Amplitudenhohe der ihm vom Gleichrichter zugeführten Gleichspannung 20 öffnet und bei einem bestimmten Ampiiuidenminimum wieder schließt, so daß über die hierdurch gegebene Zeitdauer von einem Taktgenerator 24 Impulse 23 zu einem Impulsumformer 25 gelangen können. In diesem Inipulsumformer wird für jedes Öffnen des Tores 22 ein zeitlich genau definierter Ausgangsimpuls 26 erzeugt, der in einem nachgeschalteten Zählgerät oder einer nacligesclialu:ten Datenverarbeitungsanlage weiter verarbeitet werden kann. Mittels dieser Ausgangsimpulse kann jedes Ansprechen der Sonde 1 auf das Einwirken eines äußeren Feldes 12 registriert werden. Außerdem liefert der Impulsumfonner 25 noch einen Anwesenheitsimpuls, der so lange bestehen bleibt, wie die Einwirkung des äußeren Feldes 12 auf die Sonde 1 andauert.

Bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung wird der Abgleichwiderstand 8 so eingestellt, daß der Ringkern 2 im Bereich der Ausgangswicklung 16 nicht vollständig gesättigt ist. Dabei entsteht auf Grund des Erregerstromes 11 an der Ausgangswickhmg ein Ausgangssignal 17 in der Form von kleinen Nadelimpulsen. Die Höhe dieser Nadelinipulse richlet sich nach der Einstellung des Abgleichwiderstandes 8. Dieser kann so einreguliert werden, daß die Nadelinipulse vollständig oder zumindest nahezu vollständig verschwinden. Die Größe dieser Nadelinipulsc kann mit dem Meßinstrument 21 abgelesen werden. Zweckmäßig wird zur Einreichung der Meßanordnung der Abgleichwiderstand 8 so einreguliert, daß das Ausgangssignal 17 nur sehr geringe Amplituden besitzt. Tritt nun im eingeeichten Zustand ein äußeres Feld 12 hinzu oder wird ein bereits anliegendes äußeres Feld verändert, so werden die im Ringkern 2 eingestellten Verhältnisse gestört, was sich dadurch bemerkbar macht, daß ein Ausgangssignal 17 mit wesentlich erhöhten Amplituden auftritt. Dadurch wird bewirkt, daß das Ausgangssigiial einen bestimmten Schwelhvert überschreitet, der zur Öffnung des Tores 22 erforderlich ist.

Die Empfindlichkeit der Sonde 1 ist von der Richtung des äußeren Feldes abhängig. Das Ausgangssignal 17 ist dann am größten, wenn das äußere Magnetfeld 12 die Spiegelachse des Zweiloch-Ringkems 2 senkrecht schneidet. Entsprechend besitzt das Ausgangssignal ein Minimum, wenn die Feldlinien des äußeren Feldes in Richtung der Spiegelachse des Ringkerns '.egen. Durch Drehung der Sonde 1 bis zum Erreichen eines maximalen Ausgangssignals kann somit auch die Richtung des äußeren Feldes gemessen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Kompass Verwendung finden.

Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß mit einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 seht kleine äußere Magnetfelder bzw. sehr kleine äußere Magnctfeldänderungen mit äußerst hoher Empfindlichkeit angezeigt werden konnten. Dabei wurden in praktischen Beispielen Ringkerne aus einem Material benutzt, das die in F i g. 2 angegebenen Hysteresekennlinien besaß. Dabei hat sich gezeigt, daß bei Verwendung eines Materials mit der mit 14 he/eichneten Hystercsekennlinie mcIi eine größere Empfindlichkeit ergab als bei Verwendung eines Materials mit der mit 13 bezeichneten Hystercsekennlinie. Die \ »in dem Taktgenerator 9 abgegebene pulsierende Gleichspannung besaß vorzugsweise eine Frequenz von tS bis 1OkH/. während die vom Taktgenerator 24 erzeugten Impulse 23 mit einer Frequenz von 0.8 bis I kHz aufeinanderfolgten. Die von beiden Generatoren 9 und 24 abgegebene Spannung betrug etwa 12 V. Dabei besaß die erste Erregerwicklung 5 eine Windungszahl von etwa 50. die zweite Erregerwicklung 6 eine Windungszahl son etwa 25 bis 30 und die Auseangswickhing eine Windungszahl von etwa 75.

Von der in Fig. I gezeigten und an Hand ihr beschriebenen Ausfüimingsform sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abweichungen möglich. So ist auch festgestellt worden, daß die Erregerwicklungen anstatt mit gleichgerichteten Rechteckimpulsen auch mit einer Wechselspannung erregt werden können.

In diesem Fall ist die Empfindlichkeit der Anordnung jedoch geringer. Ebenso ist es möglich zur Erregung der Erregerwicklungen eine rechtcckförmige Wechselspannung zu benutzen. In diesem !"all ist die Empfindlichkeit der Anordnung <chon wesentlich höher.

Als günstigste Möglichkeit hat sich jedoch herausgestellt, die Erregerwicklungen, wie besehrieben, m<t hochfrequenten, gleichgerichteten RechteckimptiKen zu speisen. Außerdem kann der Ringkern 2 verschiedene Formen besitzen. Er kann statt der dargestellten rechteckigen Form ebensogut eine runde Form besitzen. Außerdem kann er statt zwei Löchern auch nur ein Loch besitzen. Die Verwendung eines derartigen Riiiiikerns bietet jedoch eine Empfindlichkeit, die nicht ganz so hoch ist wie bei Verwendung eine·; Zweiloch-Ringkerns.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist universell anwendbar und kann beispielsweise als Detektor bei der Straßenvcrkehrsmessung Verwendung finden. Bei dieser Verwendung bietet sie gegenüber allen bisher verwendeten Verkehrszählgeräten einen bedeutenden Vorteil, der darin besteht, daß die eigentliche Sonde so klein gehalten wird, daß sie unmittelbar auf der Straßendecke oder am Rand befestigt werden kann und keine Verkehrsbehinderung und keine Beschädigung der Fahrbahn erfordert Wird der Zweiloch-Ringkern 2 anstatt mit einer mi zwei Ausgangswicklungen versehen, die so auf derr Außenjoch des zweiten Loches 4 angebracht sind daß sie sich symmetrisch zur Spiegelachse des Ring

kerns befinden, so kann durch Anschneiden dei ersten Ausgangswicklung durch ein äußeres. Feld unc nachfolgend durch Anschneiden der zweiten Aus gangswicklung die Richtung des fahrenden Fahrzeu ges ermittelt werden. Hierzu muß lediglich festgestel!

werden, welche der Ausgangswicklungen zuerst eil Maximum ihres Ausgangssignales besitzt. Bei Ver wendung zweier miteinander gekoppelter elektroma gnetischer Sonden, die in einem bestimmten Abstanc

hintereinander stehen, kann außerdem auch die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges exakt bestimmt werden.

BesonH^rs vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgeoiäßen Schaltungsanordnung auch zur

Drehzahlmessung für rotierende Maschinenteile und für Regelkreise. Die Schaltungsanordnung kann außerdem auch zum Zählen von Einzelteilen aus magnetisch leitendem Material in Fertigungsstraßen oder Maschinen verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

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Patentansprüche:

1 .Schaltungsanordnung zur Messungschwacher Magnetfelder mit einer elektromagnetischen Sonde, die einen Ringkern aus magnetisch permeablem Stoff umfaßt, der zwei mit einem pulsierenden Erregerstrom gespeiste Erregerwicklungen und eine Ausgangswicklung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Erregerwicklungen (5, 6) gegensinnig gewickelt und dergestalt im gleichen Takt vom Erregerstrom durchflossen werden, daß der Ringkern (2) aus Material mit nahezu rechteckförmiger Hyüteresekennlinie im Bereich der Ausgangswicklung (16) nicht vollständig gesättigt wird, wobei die durch ein äußeres Feld (12) bewirkte Veränderung der Amplitude des von der Ausgangsuicklung abnehmbaren Signals (17) zur Messung des äußeren Feldes dient.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Amperewindungsverhältnis zwischen der ersten Erregerwicklung (5) und der zweiten Erregerwicklung (6) derge-MaIt veränderbar ist, daß der Sättigungsgrad des Ringkernmaterials im Bereich der Ausgangswicklung (16. 27) einstellbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (2) ein erstes Loch (3), um dessen Außenjoch die erste Erregerwicklung (5 gelegt i.,c, und ein zweites Loch (4) besitzt, um dessen Au^enjoch die zweite Erregerwicklung (6) und die Ausgangswicklung

116) gelegt sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Loch (4) Kleiner als das erste Loch ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Erregerstrom (11) steile An litiegs- und oder Abfallflankcn besitzt.

(1. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Erregcrwick'.un-(jen (5. 6) eine hochfrequent pulsierende Gleichspannung mit rcchtcckförmigcn Impulsen zügeführt wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, t.laß das von der Ausgangswicklung (16) abnehmbare Signal (17) einem Tor (22) zugeführt wird. t.las beim Überschreiten eines bestimmten Schwcll-'.veitcs des Ausgangssignals (17) ölTnct und mit einer Zählvorrichtung zählbare Impulse durchläßt.

<S. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Ausgangswicklung (16) abnehmbare Signal (17) einer analogen Meßeinrichtung (21) zugeführt wird.

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