DE1942916C - Schaltungsanordnung zur Messung schwacher Magnetfelder - Google Patents

Description

die durch ein äußeres Feld (12) bewirkte Verän- Spannung der 2. Harmonischen, deren Amplitude ein

derung der Amplitude des von der Ausgangs- Maß für die zu messende Feldstärke bildet. Diese

wicklung abnehmbaren Signals (17) zur Messung Spannung der 2. Harmonischen wird durch ein Sieb-

des äußeren Feldes dient. ao glied aus dem Frequenzspektrum gelrennt, auf einen

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- nachgeschaltcten Verstärker gegeben, gleichgerichtet durch gekennzeichnet, daß das Amperewindungs- und analog angezeigt.

verhältnis zwischen der ersten Erregerwicklung Diese beschriebene Schaltungsanordnung (»Delek-

(5) und der zweiten Erregerwicklung (6) derge- loren für den Straßenverkehr«, Siemens-Sonderdruck

stalt veränderbar ist, daß der Sättigungsgrad des 25 aus Straßenverkehrstechnik 9, 19ft5, Heft 718) ge-

Ringkernmaterials im Bereich der Ausgangswick- stattet die Messung von schwachen Magnetfeldern

lung (16, 27) einstellbar ist. mit hoher Meßempfindlichkeit und kann heispiels-

3. Schallungsanordnung nach Anspruch 2. da- weise auch zur Erfassung von ferromagnetische!! durch gekennzeichnet, daß der Ringkern (2) ein Stoffen herangezogen werden, indem die durch diese erstes Loch (3), um dessen Außenjoch die erste 30 Stoffe hervorgerufene Veränderung des Frdmagnet-Erregerwicklung (5) gelegt ist, und ein zweites fddes registriert wird. Ein Nachteil dieser Anord-Loch (4) besitzt, um dessen Außenjoch die zweite nung liegt jedoch darin, daß sie, da sie eine große Erregerwicklung (6) und die Ausgangswicklung Anzahl von präzisen Schaltelementen erfordert, zicni-(16) gelegt sind. lieh aufwendig und teuer ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, da- 35 Bei anderen bekannten Schaltungsanordnungen, die durch gekennzeichnet, daß das zweite Loch (4) in der Verkehrsmeßtechnik zum Erfassen von vorkleiner als das erste Loch ist. überfahrenden Kraftfahrzeugen benutzt werden, sind

5. Schaltungsanordnung nach einem der vor- ebenfalls Sonden vorhanden, die mit einem pulsierenhergchenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, den Erregerstrom gespeist werden. Diese Sonden bedaß der pulsierende Erregerstrom (II) steile An- 40 stehen aus einer in der Fahrbahn verlegten Lciterstiegs- und/oder Abfallflanken besitzt. schleife oder aus .einem von einer Spule umgebenen

ft. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5. da- Eisenkern. In beiden Fällen bewirken die Eisendurch gekennzeichnet, daß den Erregerwicklun- massen eines diese Sonden überfahrenden Fahrzeugen (5, 6) eine hochfrequent pulsierende Gleich- ges, daß die Induktivität der Leiterschlcife bzw. der spannung mit rechteckförmigen Impulsen züge- 45 Spule verändert wird. Die Veränderung dieser Inführt wird. duklivitäten wird gemessen und als Anzeige für ein 7. Schallungsanordnung nach einem der vor- Fahrzeug registriert. Diese Sondenausführungen erhergchenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, fordern, daß zur Verlegung der Leiterschleifc in die daß das von der Ausgangswicklung (16) abnehin- Fahrbahndecke eine große ringförmige Nut cingebarc Signal (17) einem ^rlor(22) zugeführt wird, 50 fräst oder zur Aufnahme der Spule und des Eiscndas beim Überschreiten eines bestimmten Schwell- kcrns ein großes Loch in die Fahrbahndecke eingewerles des Ausj>angssignals (17) öffnet und mit bracht werden muß. Die Empfindlichkeit dieser Soneiner Zählvorrichtung zählbare Impulse durch- ilen ist im übrigen ziemlich begrenzt,
laßt. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (öslcr-S. Schaltungsanordnung nach einem der vor- 55 reichische Patentschrift 244 443), zur Messung von hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. äußeren Magnetfeldern eine Einrichtung zu benutzen, daß das von der Ausgangswicklung (16) abnehm- die einen Ringkern mit zwei gleichsinnigen Magnelibare Signal (17) einer analogen Meßeinrichtung sieruiigswicklungen enthält, die zugleich in einer (21) zugeführt wird. Kippschaltung liegen. Dabei wird durch die Vorma-

60 gnclisierung durch ein äußeres Feld der induktive Widerstand der Magnetisierungswicklungen verändert, so daß in der Regel durch die Stärke des äuße-

ren Feldes die Kippfrequenz der Kippschaltung bestimmt wird. Ist bei dieser Einrichtung jedoch die 65 normalerweise durch die Magnetisierungswicklungen erzeugte Sättigung des Ringkernes, der vorzugsweise

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung aus leicht sättigbarem Material mit rechteckiger Hy

zur Messung schwacher Magnetfelder mit einer elek- sterescschleife besteht, bereits durch das äußere Feld

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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 Feldstärkcnbcreiche benutzbar.

Außer den genannten Einrichtungen zur Messung schwacher magnetischer Felder ist aueli bereits eine eingangs beschriebene Schaltungsanordnung für diesen Zweck bekanntgeworden (deutsche Patentschrift 858 571), die einen Kern aus magnetisch permeablem Stoff besitzt, der mehrere Erregerwicklungen und Abnehmerspulen trügt, wobei die Erregerwicklungen durch*periodisch veränderlichen Strom gespeist werden. Dabei sind die Abnehmerspulen so abgeglichen und in einer Kompcnsicrungsschaltung untereinander verbunden, daß ohne Vorhandensein eines äußeren Feldes von den Armehmcrspulcn keine Spannung abgenommen werden kann. Da sämtliche Erregerwicklungen im gleichen Sinne gewickelt und in gleicher Richtung von dem Erregcrstroin durchflossen werden und somit der erzeugte Fluß überall ringförmig in der gleichen Richtung verlauft, ist bei dieser Anordnung die Gefahr sehr groß, daß bei geringen Schwankungen des Errcgerstromcs 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 Schaltungsanordnung^ 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 dei eingangs genannten Art dadurch erhalten werden kann, daß erfindungsgemäß die beiden Erregerwicklungen gegensinnig gewickelt und dergestalt im gleichen Takt vom Krrcgerstrom durchflossen werden, daß der Ringkern aus Material mit nahezu icchteckförmigcr HystercsckennUnie im Bereich der Aiisgangswicklung 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.

Eine solche Sonde ist äußerst klein, so daß sie beispielsweise beim Einsatz in der Vcrkehrsmeßteehnik kaum Platz beansprucht und nicht eine große Beschädigung der Fahrbahn notwendig macht. Außerdem ist sie, da Ringkerne aus Material mit rechteckförmiger Hysteresekcnnlinic in vielfältiger Form zu sehr niedrigen Preisen auf dem Markt zu erhalten sind, äußerst billig im Einsatz, dieweil auch die zu ihrem Betrieb notwendigen Schaltelemente von herkömmlicher und einfacher Art sein kommen, wobei durch die gegensinnige Wicklung der Erregerwicklungen die bei den anderen Schallungsanordnungen notwendige äußerst sensible Justierung entfällt und der Ringkern trol/.dcm nicht durch den Erregerslrom vollständig gesättigt werden kann, letzteres ist besonders bei Verwendung von Materialien mit rechteckförmiger llystccsekennlinie äußerst wichtig, da diese bei auch nur geringer Anregung im Regelfall sofort den Sätligungsbereich erreichen. Bei der alindungsgemäßen Anordnung wird dies mit Sicherheit unabhängig von der Stärke des Erregerstroms durch die gegensinnige Wicklung der Erregerwicklungen verhindert. Vorteilhafterweise wird das Amperewindungsverhältnis 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. h. durch Veränderung des Ampercwindungsverhältnisses 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-Ringkem verwendet wird. Dabei wird vorteilhafterweise das zweite Loch kleiner als das erste Loch gemacht, da dadurch die Empfindlichkeit weiterhin gesteigert werden kann. Bei der Vetwcndung eines Zweiloch-Ringkerns ist im übrigen auch die Richtungsempfindlichkeit größer, d. h., mit 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 herausgcstellt, daß ein pulsierender Erregerstrom mit steilen Anstiegs- und oder Abfallllanken verwendet wird, wobei es sich gezeigt hat, daß die Anordnung bei Speisung der Erregerwicklungen mit einer hochfrequent pulsierenden Gleichspannung mit rechteckförmigen Impulsen die größte Empfindlichkeit besitzt.

Bei Verwendung der Schaltungsanordnung zur Zählung von beweglichen Eiscnteilen, Fahrzeugen u. dgl. kann in zweckmäßiger Weise das von der Ausgangswicklung abnehmbare Signal einem Tor zugeführt werden, das beim Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes des Ausgangssignals 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 verarbeitet zu werden. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, daß das von den Ausgangswicklimgen abnehmbare Signal einer analogen Meßvorrichtung zugeführt wird,

die beispielsweise direkt die Amplitudenhöhe der Ausgangssignale wiedergibt.

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

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel tuner erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

F i g. 2 Hysteresekennlinien von verwendeten Kernmaterialien.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. I enthält

eine elektromagnetische Sonde I, die einen Ringkern 2 aus einem Material mit nahezu rechtecklormigcr Hysleresekcp.nlinie umfaßt, der ein erstes Loch 3 und ein /weites Loch 4 besitzt. Um das Aulknjoch des ersten Loches 3 ist eine erste Errcger-

wicklung 5 und um das Außenjoch des /weiten Loches 4 sind eine zweite Erregerwicklung 6, die in bezug auf die erste Erregerwicklung gegensiimig gewickelt ist, und eine Ausgangswicklung 16 gelegt.

Beide Erregerwicklungen 5 und 6 sind dabei hintci- Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß mit einer

einander geschaltet und werden \on einem Taktgene- Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 sehr kleine

rator9 über einen Regelwiderstand 10 mit einem äußere Magnetfelder bzw. sehr kleine äußere Magnel-

gleichgerichtclen, pulsierenden, reehteckförmigen Hr- feldänderungen mit äußerst hoher Empfindlichkeit

regerstrom 11 gespeist. Zur Veränderung des Am- 5 angezeigt werden konnten. Dabei winden in prak-

perewindungsvcrhäilnisses zwischen der ersten Hr- tischen Beispielen Ringkerne aus einem Material be-

rcgcrwicklung5 und der zweiten Erregerwicklung 6 nutzt, das die in Fig. 2 angegebenen Hysterese -

ist die erste Erregerwicklung 5 mit einem Abglcicbs- kennlinien besaß. Dabei hat sich gezeigt, daß bei

widerstand 8 überbrückt. Verwendung eines Materials mit der mit 14 bezdeh-

Dic Ausgangswicklung 16 ist an einen Verstärker io neten Hyslcresekcnnlinie sich eine größere Empf'md-

18 angeschlossen, dessen Ausgang über einen Gleich- lichkeit ergab als bei Verwendung eines Materials

lichter 19 einem Tor 22 und/oder einem Meßinstiu- mit der mit 13 bezeichneten Hystcrcsckcnnlinic. Die

ment 21 zugeführt wird. Das Tor 22 ist so ausgebil- von dem Taktgenerator 9 abgegebene pulsierende

det, daß es bei einer bestimmten Ampütudenhöhe Gleichspannung besaß vorzugsweise eine Frequenz

der ihm vom Gleichrichter zugeführten Gleichspan- 15 von 8 bis 1OkHz, während die vom Taktgenerator 24

nung 20 öffnet und bei einem bestimmten Ämpii- erzeugten Impulse 23 mit einer Frequenz von 0.S his

tudenminimum wieder schließt, so dali über die hier- I KH/ aufeinanderfolgten. Die von beiden Gcncrato-

durch gegebene Zeitdauer von einem Taktgenerator rcn9 und 24 abgegebene Spannung betrug etwa 12 V.

24 Impulse 23 zu einem Impulsumformer 25 gelan- Dabei besaß die erste Erregerwicklung 5 eine Win-

gen können. In diesem Impulsumformer wird für 20 dungszahl von etwa 50, die zweite Erregerwick

jedes öffnen des Tores 22 ein zeitlich genau defi- hing 6 eine Windungszahl von etwa 25 bis 30 und

niertcr Ausgangsimpuls 26 erzeugt, der in einem die Ausgangswicklung eine Windungszahl von

j nachgcschalteten Zählgerät oder einer nachgeschal- etwa 75.

U'ten Datenverarbeitungsanlage weiter verarbeitet Von der in Fig. 1 gezeigten und an Hand ilu be

j werden kann. Mittels dieser Ausgangsimpulsc kann 25 schriebenen Ausfülmiiigsform sind im Rahmen dct

jede:. Λ;. .^rechen der Sonde 1 auf das Einwirken Erfindung /ahlreiche Abweichungen möglich. So ist

eines äußeren Feldes 12 registricil werden. Außer- auch festgestellt worden, daß die Erregerwicklungen

j dem liefert der Impulsumformer 25 noch einen An- anstalt mit gleichgerichteten Rcchtcckimpulsen auch

! Wesenheitsimpuls, der so lange bestehen bleibt, wie mit einer Wechselspannung erregt werden können,

die Einwirkung des äußeren Feldes 12 auf die 3° In diesem I all ist die Empfindlichkeit der Anordnung

Sonde 1 andauert. jedoch geringer. Ebenso ist es möglich zur Erregung

Bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung wird der Erregerwicklungen eine rechleckförmigc Weeli-

! der Abglcichwiderstand 8 so eingestellt, daß der selspannung zu benutzen. In diesem Fall ist die Emp

j Ringkern 2 im Bereich der Ausgangswicklung 16 findlichkeit der Anordnung schon wesentlich höher.

nicht vollständig gesättigt ist. Dabei entsteht auf 35 AK günstigste Möglichkeit hat sich jedoch herausge-

Grund des Erregerstromes 11 an der Ausgangswick- McIIt, die Erregerwicklungen, wie beschrieben, mit

j lung ein Ausgangssignal 17 in der Form von kleinen hochfrequenten, gleichgerichteten Rcchtcckimpulsen

j Nadelimpulscn. Die Höhe dieser Nadclimpulse rieh- zu-speisen. Außerdem kann der Ringkern 2 vcrschie-

tet sich nach der Einstellung des Abglcichwidcrsian- dene ί-oimen besitzen. Er kann statt der dargestcll-

des 8. Dieser kann so einreguliert werden, daß die 40 ten rechteckigen Form ebensogut eine runde Form

' NadelimpuJse vollständig oder zumindest nahezu besitzen. Außerdem kann er statt zwei Löchern auch

vollständig verschwinden. Die Größe dieser Nadel- nur ein Loch besitzen. Die Verwendung eines der-

impulse kann mit dem Meßinstrument 21 abgelesen artigen Ringkerns bietet jedoch eine Empfindlichkeit

werden. Zweckmäßig wird zur Einreichung der Meß- die nicht ganz so hoch ist wie bei Verwendung eines

anordnung der Abglcichwiderstand 8 so einreguliert, 45 Zweiloch-Ringkerns.

daß das Ausgangssignal 17 nur sehr geringe Ampli- Die erfindungsgemäßc Schaltungsanordnung ist luden besitzt. Tritt nun im cingeeichten Zustand ein universell anwendbar und kann beispielsweise als Deaußcres Feld 12 hinzu oder wird ein bereits anliegen- lcktor bei der Straßenverkehrsmessung Verwendung des äußeres Feld verändert, so werden die im Ring- finden. Bei dieser Verwendung bietet sie gegenübet kern 2 eingestellten Verhältnisse gestört, was sich 5° allen bisher verwendeten Verkchrszählgeräten einen dadurch bemerkbar macht, daß ein Ausgangssignal bedeutenden Vorteil, der darin besteht, daß die 17 mit wesentlich erhöhten Amplituden auftritt. Da- eigentliche Sonde so klein gehalten wird, daß sie undurch wird bewirkt, daß das Ausgangssignal einen mittelbar auf der Straßendecke oder am Rand bebestimmten Schwcllwert überschreitet, der zur OfT- festigt werden kann und keine Verkchrsbchindcrunj nung des Tores 22 erforderlich ist. 55 und keine Beschädigung der Fahrbahn erfordert Die Empfindlichkeit der Sonde 1 ist von der Rieh- Wird der Zweiloch-Ringkern 2 anstatt mit einer mil lung des äußeren Feldes abhängig. Das Ausgangs- zwei Ausgangs-wicklungen verschen, die so auf derr signal 17 ist dann am größten, wenn das äußere Ma- Außenjoch des zweiten Loches 4 angebracht sind gnelfcld 12 die Spiegclachse des Zweiloch-Ring- daß sie sich symmetrisch zur Spicgelachsc des Ringkems 2 senkrecht schneidet. Entsprechend besitzt das 60 kerns befinden, so kann durch Anschneiden dei Ausgangssignal ein Minimum, wenn die Feldlinien ersten Ausgangswicklung durch ein äußeres Feld und des äußeren Feldes in Richtung der Spicgelachse des nachfolgend durch Anschneiden der zweiten Aus-Ringkerns liegen. Durch Drehung der Sonde 1 bis gangswicklung die Richtung des fahrenden Fahrzcuzum Erreichen eines maximalen Alisgangssignals ges ermittelt werden. Hierzu muß lediglich fcslgcstclli kann somit auch die Richtung des äußeren Feldes 65 werden, welche der Ausgangswickhingen zuerst cir gemessen werden. Auf diese Weise kann beispicls- Maximum ihres Ausgangssignales besitzt. Bei Verweise die erfindungsgemäßc Schaltungsanordnung als Wendung zweier miteinander gekoppelter elektroma Kompass Verwendung finden. cnetischer Sonden, die in einem bestimmten Abstaue

itereinahder stehen, kann außerdem auch die Geiwindigkeit eines Fahrzeuges exakt bestimmt wer-

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erjungsgemäßen Schaltungsanordnung auch zur

Drehzahlmessung für rotierende Maschinenteile u für Regelkreise. Die Schaltungsanordnung ka außerdem auch zum Zählen von Einzelteilen aus π gnetisch leitendem Material in Fertigungsstraßen οι Maschinen verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

ι 2 , tromagnetischen Sonde, die einen Ringkern aus ma- Patcntansprüche: gnctisch permeablem Stoff umfaßt, der zwei mit \ 'einem pulsierenden Erregerstrom gespeiste Erreger-

1. Schaltungsanordnung zur Messung schwacher wicklungen und eine Ausgangswicklung besitzt. Magnetfelder mit einer elektromagnetischen 5 Zur Messung schwacher Magnetfelder sind bereits

Sonde, die einen Ringkern aus magnetisch per- Schaltungsanordnungen vorgeschlagen worden. Eine

meablem Stoff umfaßt, der zwei mit einem pui- Schaltungsanordnung für diesen Zweck ist unter dem

sierenden Erregerstrom gespeiste Erregcrwick- Namen »Förstersonde« bekanntgeworden (ATM-

lungcn und eine Ausgangswicklung besitzt, da- Blatt V 392-J, August 1952, S. 175 bis 178). Diese

durch gekennzeichnet, riaß die beiden ίο Schaltungsanordnung besitzt als Meßelement einen

Erregerwicklungen (5, 6) gegensinnig gewickelt Kern aus hochpermeablcm Material, der über eine

und dergestalt im gleichen Takt vom Erreger- ihn umgebende, mit Hochfrequenzstrom gespeiste

strom durchflossen werden, daß der Ringkern (2) Spule bis in seinen oberen Sättigungsbereich erregt

aus Material mit nahezu rechteckförmiger Hy- wird. Bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes

steresekennlinic im Bereich der Ausgangswick- 15 auf das hochfrequeiucrregte magnetische Wcchsel-

Iung(16) nicht vollständig gesättigt wird, wobei feld des Mclk-k-mcnu-s entsteht in der Spule eine