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Die
Erfindung betrifft einen Magnetometer mit einem Vierkontakt-Hall-Geber,
einer Stromquelle, einem Schaltsystem und einer Abruf-Speicher-Einheit.
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Die
grundsätzlichen
systematischen Fehler umfassen die Restspannung, die Thermo-EMK
der Hall-Kontakte und die Temperaturabhängigkeit der Hall-Konstante
[1]. Diese grundsätzlichen
systematischen Fehler begrenzen die Genauigkeit der Messung der
Magnetfeldinduktion mittels eines Hall-Gebers.
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Es
ist ein Magnetometer bekannt, welches einen Hall-Geber, eine Wechselstromquelle,
ein Schaltsystem und Verstärker
enthält.
In diesem Magnetometer wird die Reduzierung des Temperaturfehlers
dadurch erreicht, dass die Temperatur des Hall-Gebers gemessen wird. Danach wird das
Messergebnis dafür
benutzt, um die Gebertemperatur konstant aufrechtzuerhalten. Dabei
wird die Temperaturabweichung nach der Amplitude der Restspannung bestimmt,
und die Richtung der Abweichung wird aus der Restspannungsphase
bestimmt [2]. Der Mangel dieses Magnetometers ist ein ungenügender Ausgleich
des Temperaturfehlers. Dieser Fehlerausgleich hängt mit den Phasenfehlern und
mit der Schaltstörung
zusammen. Die Phasenfehler werden durch den Verstärker und
durch den Hall-Geber selbst verursacht. Außerdem vergrößert die
Temperaturstabilisierung wesentlich die Größe und die Inertialität des Gebers.
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Es
ist ein Magnetometer bekannt, bei dem die Verminderung des Temperaturfehlers
des Hall-Gebers mittels Aufnahme des Nachlauf-Feedbacks in den Ausgleichskreis
der Unausgeglichenheit des Gebers erreicht wird [3]. Der Mangel
besteht darin, dass der Temperaturfehler nur teilweise ausgeglichen
wird. Dieser Fehler hängt
von der Abhängigkeit
der Konzentration der Träger
im Geber von der Temperatur ab. Dabei bleibt der durch die Temperaturabhängigkeit
der Trägerbeweglichkeit
bedingte Fehler unausgeglichen. Außerdem verändert der Anschluss der Quellen
an die potentiellen Geberkontakte die Stromverteilung innerhalb
des Gebers und verursacht einen Spannungsverlust an den Kontakten. Dies
verfälscht
die Messergebnisse.
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Der
nächstkommende
Stand der Technik gegenüber
der Erfindung ist ein Magnetometer, welcher einen Vierkontakt-Hall-Geber,
eine Gleichstromquelle, ein Schaltsystem mit Schaltern und einem
Steuersystem sowie ein Abruf- und Speichersystem enthält. Das
Abruf- und Speichersystem besteht aus einem Verstärker V und
einem Synchrodetektor mit nachfolgendem Tiefpaßfilter. Wenn das H-Signal
vom Steuersystem zum Steuereingang des Synchrodetektors gegeben
wird, so beträgt
sein Übertragungsfaktor nach
dem Signaleingang +1, und bei der L-Signalgabe beträgt der Übertragungsfaktor –1 [4].
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Die
Messung erfolgt in 4 Stufen (4 Takten). Beim ersten Schalttakt wird
der Strom von der Stromquelle mittels Schalter zwischen dem ersten
und dem dritten Kontakt des Hall-Gebers durchgelassen. Der Verstärker schaltet
sich an den zweiten und den vierten Kontakt an. Der Übertragungsfaktor
des Synchrodetektors stellt sich gleich +1 ein. Beim zweiten Schalttakt
wird der Strom zwischen dem dritten und dem ersten Kontakt des Hall-Gebers
durchgelassen. Der Verstärker
schaltet sich an den zweiten und den vierten Kontakt an. In diesem
Fall stellt sich der Übertragungsfaktor
des Synchrodetektors gleich –1
ein. Beim dritten Schalttakt wird der Strom zwischen dem zweiten
und dem vierten Kontakt des Hall-Gebers durchgelassen. Der Verstärker schaltet
sich an den ersten und den dritten Kontakt an. Der Übertragungsfaktor
des Synchrodetektors stellt sich in diesem Fall gleich +1 ein. Beim
vierten Schalttakt wird der Strom zwischen dem vierten und dem zweiten
Kontakt des Hall-Gebers durchgelassen. Der Verstärker schaltet sich an den ersten
und dem dritten Kontakt an. Der Übertragungsfaktor
des Synchrodetektors stellt sich in diesem Fall gleich –1 ein.
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Am
Ende des vierten Taktes wird die Spannung am Eingang des Synchrodetektors
durch das Tiefpaßfilter
gemittelt und entspricht einem Viertel der Differenz zwischen der
Summe der ersten und der vierten Spannung und der Summe der zweiten und
der dritten Spannung. Diese Spannungen wurden jeweils im ersten,
dem zweiten, dem dritten und dem vierten Takt gemessen. Diese Spannung
ist der Hall-Spannung direkt proportional. Sie ist das Maß für die magnetische
Felddichte. Dabei wird der Fehler, welcher mit der Restspannung
zusammenhängt, nicht
berücksichtigt.
Der Mangel besteht darin, dass es nicht möglich ist, die Temperaturabhängigkeit
der Hall-Konstante auszugleichen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, den systematischen Fehler des Magnetometers
mittels Ausgleichs der Temperaturabhängigkeit der Hall-Konstante
zu reduzieren.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, dass zur Reduzierung der
systematischen Fehler der Hall-Geber (1) symmetrisch zu
den Stromlinien ausgebildet ist, welche den ersten (D1) und den
dritten (D3) sowie den zweiten (D2) und den vierten (D4) Kontakt
passiert, dass der dritte Kontakt (D3) durch die Mitte des Gebers
(1) entlang der Symmetrieachse und weiter parallel zur
Ausbildung des ersten Kontaktes (D1) verläuft, dass der vierte Kontakt
(D4) durch die Mitte des Gebers (1) entlang der Symmetrieachse
und weiter parallel zur Ausbildung des zweiten Kontaktes (D2) verläuft, dass
eine zweite Abruf- und Speicher-Einheit und ein Rechner eingebaut
ist und dass die zweite Abruf- und Speicher-Einheit an ihrem Ausgang
die Diffe renz (46) zwischen der Summe der ersten (41 und
der dritten (43) Spannung und der zweiten (42)
und vierten Spannung (44) bildet und dass der Rechner aus
den Spannungen (45, 46) an den Ausgängen der
ersten und der zweiten Abruf- und Speicher-Einheit die Größe der magnetischen Felddichte
je nach Abhängigkeit,
welche bei der Kalibrierung des Magnetometers festgelegt ist, erzeugt.
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Der
Vierkontakt-Hall-Geber ist symmetrisch den Linien ausgeführt, welche über den
ersten und den dritten sowie über
den zweiten und den vierten Kontakt passieren. Die Ausführung des
dritten Kontakts geht durch die Mitte des Gebers entlang die Symmetrieachse
und weiter parallel der Ausführung vom
ersten Kontakt. Die Ausführung
des vierten Kontakts geht durch die Mitte des Gebers entlang die Symmetrieachse
und weiter parallel der Ausführung vom
zweiten Kontakt. Bei dieser Bauweise verläuft der Strom sowohl zwischen
dem ersten und dem dritten Kontakt des Gebers als auch zwischen
seinem zweiten und vierten Kontakt und erzeugt keinen magnetischen
Fluss über
die Oberfläche
des Gebers. Der Hall-Geber fungiert in diesem Fall als ein linearer Vierpol.
Dabei ist die Hall-Spannung uH der zu messender
Magnetfeldinduktion B proportional und zugleich ”antigegenseitig”, und die
Restspannung uS ist dagegen gegenseitig.
- – Für die erste
Spannung u1 zwischen dem zweiten und dem
vierten Kontakt beim Stromfluss zwischen dem ersten und dem dritten
Kontakt,
- – für die zweite
Spannung u2 zwischen dem zweiten und dem
vierten Kontakt beim Stromfluss zwischen dem dritten und dem ersten
Kontakt,
- – für die dritte
Spannung u3 zwischen dem ersten und dem
dritten Kontakt beim Stromfluss zwischen dem zweiten und dem vierten
Kontakt und
- – für die vierte
Spannung u4 zwischen dem ersten und dem
dritten Kontakt beim Stromfluss zwischen dem vierten und dem zweiten
Kontakt gilt: u1 = uH + uS + uT1 + uMV, u2 = –uH – uS + uT1 + uMV,
u3 = –uH + uS + uT2 + uMV, u4 = uH – uS + uT2 + uMV,dabei sind:
- uH(T)
= K(T)B
- – Hall-Spannung; sie ist der
zu messenden Magnetfeldinduktion proportional,
- uS(T)
- – Restspannung,
- uT1
- – Thermo-EMK zwischen dem zweiten
und dem vierten Kontakt,
- uT2
- – Thermo-EMK zwischen dem ersten
und dem dritten Kontakt,
- uMV
- – Spannung der Messerverschiebung,
- S(T) = H(T)i0
- – Konversionssteilheit,
- H(T)
- – Hall-Konstante,
- T
- – Gebertemperatur,
- B
- – Komponente der zu messenden
Magnetfeldinduktion, wobei diese Komponente normal zu Geberebene
verläuft,
- i0
- – Strom durch den Hall-Geber.
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Am
Ausgang der ersten Abruf- und Speicher-Einheit wird die Spannung
u5 erzeugt. Sie ist der Differenz zwischen
der Summe der ersten (41) und der vierten (44)
Spannung und der Summe der zweiten (42) und der dritten
(43) Spannung gleich. Am Ausgang der zweiten Abruf- und
Speicher-Einheit wird Spannung u6 erzeugt.
Sie ist der Differenz zwischen der Summe der ersten (41)
und der dritten (43) Spannung und der Summe der zweiten
(42) und der vierten (44) Spannung gleich: u5 = (u1 +
u4) – (u2 + u3) = 4uH, u6 = (u1 + u3) – (u2 + u4) = 4uH.
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Somit
ist die Spannung am Ausgang der ersten Abruf- und Speicher-Einheit
der Hall-Spannung proportional.
Dabei sind die systematischen Fehler, welche durch die Restspannung
des Gebers, die Thermo-EMK der Kontakte sowie durch die Spannung
der Messerverschiebung bedingt sind, ausgeschlossen. Die Restspannung
des Hall-Gebers ist der Spannung am Ausgang der zweiten Abruf- und Speicher-Einheit
proportional. Diese Restspannung wird nach der Vierklemmenschaltung
gemessen und schließt
den Spannungsverlust an den Stromleitungen, den Kontakten des Metallhalbleiters
sowie die Thermo-EMK der Kontakte und die Spannung der Messerverschiebung
nicht ein.
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Die
Grundlage für
den Ausgleich der Temperaturabhängigkeit
der Hall-Konstante ist wie folgt. Bei schwachen Magnetfeldern mit
der Induktion von unter 0,1 Tesla sind die Fehler, welche durch
die Restspannung des Gebers, die Thermo-EMK der Kontakte, die Spannung
der Messerverschiebung bedingt sind, relevant. In diesen Feldern
kann die Abhängigkeit
der Hall-Konstante und der Leitfähigkeit
des Gebermaterials von der Magnetfeldinduktion vernachlässigt werden.
In diesem Fall wird die Hall-Konstante durch
die temperaturabhängige
Konzentration der Träger
im Geber bestimmt. Die Restspannung wird sowohl durch die Konzentration
der Träger
im Geber als auch durch die Beweglichkeit der Träger festgelegt [1]. Die durchgeführten Forschungen
zeugen davon, daß die
Hall-Spannung und die Restspannung für die Hall-Messstreifen (Hall-Folientaster) im
magnetischen Gleichfeld innerhalb des Temperaturbereichs von 0°C–70°C von der
Temperatur fast linear abhängt.
Dabei ist der Temperaturfaktor der Restspannung ungefähr um das
50-fache größer als
der Temperaturfaktor der Hall-Spannung. Deswegen kann die Temperaturabhängigkeit
der Hall-Konstante durch ihre Abhängigkeit von der Restspannung
dargestellt werden.
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Es
sei angenommen, dass uH0(uS)
= uH(B0, uS) die Abhängigkeit der Hall-Spannung
von der Rest-Spannung ist. Dieser Zusammenhang wurde bei der Kalibrierung
des Magnetometers im magnetischen Gleichfeld mit der Induktion B0 bei der Messung der Gebertemperatur erfasst.
Dann ist S(uH) = uH0(uS)/B0 die Abhängigkeit
Konversionssteilheit von der Restspannung beim fixierten Strom i0 durch den Hall-Geber. Diese Abhängigkeit
wird im SW-Speicher des Rechners abgespeichert. Während der
Messung werden die Hall- und die Restspannung erfasst, und die Induktion
des Magnetfeldes wird als B = uH(B, uS)/S(uS) berechnet.
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Die
Erfindung wird anhand eines in der 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erklärt.
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Der
Hall-Geber 1 enthält
einen ersten D1, einen zweiten D2, einen dritten D3 und einen vierten D4
Kontakt. Der Strom i0 wird durch die Stromquelle über den
Hall-Geber 1 erzeugt.
Die Stromquelle besteht aus einer Spannungsversorgung 2 (5
V) und einem Widerstand R1. Das Schaltsystem ist durch die Schalter
S1 bis S8 gebil det. Die Schalter werden softwaremäßig über einen
Puffer 5 und durch eine Umschalteinheit 4 gesteuert.
Der Puffer 5 und die Umschalteinheit 4 gehören zum
Mikrosteuerwerk 3. Die Funktionen einer ersten und einer
zweiten Abruf- und Speicher-Einheit
werden durch einen Analog-Digitalumsetzer 7 und die Speicherplätze einer
Steuereinheit 8 ausgeführt.
Sie gehören
ebenfalls zum Mikrosteuerwerk 3. Die Spannung an den Kontakten
(D1 ... D4) des Gebers 1 wird mittels des Mikrosteuerwerkes 3 (ADUC834BS)
gemessen, Die Analog-Ausgänge A1,
A2, A3 und A4 dieses Mikrosteuerwerks 3 sind jeweils an
die Kontakte D1, D2, D3 und D4 des Gebers 1 angeschlossen.
Die Wahl der zu messenden Spannung erfolgt SW-mäßig durch die Umschalteinheit 4. Die
Stromrichtung durch den Hall-Geber 1 wird durch Schalter
K1–K8
(IRF7103Q) bestimmt. Die Bezugsspannung ist dem Strom i0 durch
den Hall-Geber 1 proportional.
Diese Spannung kommt zum Mikrosteuerwerk 3 vom Widerstand
R2. Dies schließt
den auf die Strominstabilität
i0 zurückzuführenden
Fehler aus. Ein programmierbarer Verstärker 6 gehört zum Mikrosteuerwerk 3.
Der programmierbare Verstärker 6 gibt
einen Verstärkungsfaktor
vor, dass der Analog-Digital-Umsetzer 7 den
gesamten dynamischen Bereich benutzt. Die durch den Umsetzer 7 digitalisierten
Angaben werden im Speicher der Steuereinheit 8 abgespeichert.
Die Steuereinheit 8 ist auch für die SW-mäßige Steuerung des Messablaufs
zuständig.
Sie speichert die Abhängigkeit
der Hall-Konstante von der Restspannung, führt die erforderlichen Kalkulationen
durch und zeigt die Ergebnisse am Bildschirm an. Zum Zeitpunkt der
Umschaltung und bis zum Ende der Übergangsvorgänge im Messkreis und
der Einwirkung der Schaltstörungen
werden die Eingänge
des Mikrosteuerwerks 3 SW-mäßig gesperrt. Die Messung beim
Gleichstrom während
des Betriebszustands schließt
sowohl Schalt- als auch Phasenfehler aus.
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Die
hier angeführten
Forschungen zeugen davon, dass der Fehler, welcher bei der Messung
des Magnetfeldes mit der Induktion von 1 μTesla vorliegt und welcher durch
die Restspannung bedingt wird, um das 1000-fache und der Temperaturfehler
im Temperaturbereich 10°C
bis 50°C
um das 100-fache reduziert werden.
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Informationsquellen:
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- [1.] Meßtechnik für Parameter des Magnetfeldes/J.
V. Afanasiev, N.;. Studentsov, V. N. Khorejev und andere. L.: Energia,
1979, 320 S.
- [2.] I. N. Sapranov. Verfahren zum Thermoausgleich von
Hall-Geber. Urheberschein der UdSSR Nr. 467303 Kl. G01R33/06.
- [3.] S. A. Azimov, M. N. Mirsaev, K. D. Potapenko. Die Einrichtung
zum Temperaturausgleich des Hall-Gebers. Urheberschein der UdSSR
Nr. 783730 Kl. G01R33/06.
- [4.] V. K. Ignatiev, A. G. Protopopov. Magnetometer auf
Basis des Hall-Umsetzers. Probory i tekhnika experimenta. 2003,
Nr. 4. S. 116–120
(Prototyp).
Fein V. M., Khanin J. I. Quanten-Hochfrequenzphysik.
M.: Sovetskoje Radio, 1965. S.