DE2535804C3 - Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik sowie auf Elemente zur Automatisierung von Produktionsprozessen. Sie betrifft insbesondere Einrichtungen zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder, und zwar ist die Erfindung bestimmt für Messungen der Feldstärke und für die Erkennung der Richtung des Magnetfeldes von lokalen Quellen, z, B. von Dauermagneten, die in verschiedene Vorrichtungen eingebaut werden.

Zur Lösung ähnlicher Aufgaben dient eine Einrichtung, die ein Speisesystem, einen Hall-Geber und einen Verstärkerblock enthält Der Kristallplatte des Hall-Gebers wird Strom zugeführt, uod bei Beeinflussung der Platte durch ein äußeres Magnetfeld erscheint an den Ausgangsklemmen der Kristallplatte eine Hail-EMK, die 0,1 bis 0,3 Volt erreicht Die HaIl-EMK ist temperaturabhängig, die Herstellung der Kristallplatte ist kostspielig und erfordert die Anwendung einer Präzisionstechnologie.

Bekannt ist auch ein phasenempfindliches Magnetometer (vgl. J. W.Afanassjew »Ferrosonden«, Verlag »Energie«, 1969, Figur 42), zu dem ein Speiseteil und ein Block zur Signalregistrierung gehören. Der Speiseteil besteht aus mehreren Transistorstufen, und der Registrierblock enthält einen Synchrondetektor sowie einen Vorzeichenverteiler. Die vom Speiseteil erzeugten Hochfrequenzschwingungen werden den Erregerwicklungen der Ferrosonde zugeführt, in deren Ausgangswicklung beim Vorhandensein eines äußeren Magnetfeldes eine Spannung mit doppelter Frequenz (zweite Oberwelle) entsteht. Diese Spannung wird dem Registrierblock zugeführt, in dem ihre Anzeige, Gleichrichtung und Phasenbestimmung erfolgen. Da aber das Ausgangssignal der Ferrosonde eine Sinusoide mit verdoppelter Frequenz und kleine- Amplitude darstellt (sinuskurvenförmig ist), weist das bekannte Magnetometer einen komplizierten Aufbau und eine niedrige Zuverlässigkeit auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Einrichtung zu entwickeln, die es ermöglicht, die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Stärke- und Richtungsbestimmung bei äußeren Magnetfeldern zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder, die eine Differential-Ferrosonde mit einem Kern, mit Erregerwicklungen und mit einer Arbeitswicklung, einen Speiseteil zur Speisung der Erregerwicklungen sowie einen an die Arbeitswicklung der Ferrosonde angeschlossenen Registrierblock enthält, Jer Speiseteil erfindungsgemäß mit einem Thyristor und einem Kondensator aufgebaut wird, bei dem ein Anschluß mit einer Klemme der Speisequelle und mit einem Ende der Erregerwicklungen verbunden ist, und der andere Anschluß mit der Kathode des Thyristors und mit der Anode einer Diode Verbindung hat, deren Kathode an die andere Klemme der Speisequelle und an die Steuerelektrode des Thyristors angeschlossen ist. wobei die Thyristoranode mit dem anderen Ende der Erregerwicklungen verbunden ist. Im Registrierblock wird ein Thyristor verwendet, bei dem die Steuerelektrode mit einem Ende der Arbeitswicklung verbunden wird, die Anode an eine Ausgangsklemme und die Kathode an das andere Ende der Arbeitswicklung sowie an die zweite Ausgangsklemme angeschlossen werden.

Im Speiseteil der Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder können zweckmäßigerweise zwei zusätzliche in Reihe geschaltete Dioden verwendet werden, wobei die Anode der ersten zusätzlichen Diode mit einem Anschluß des Kondensators und die Kathode der zweiten zusätzlichen Diode mit dem anderen Anschluß des Kondensators verbunden werden, und der Verbindungspunkt beider zusätzlichen Dioden an eine Klemme der Speisequelle angeschlossen wird.

In der Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und

der Richtung äußerer Magnetfelder ist die Anwendung einer Kompensations-Ferrosonde mit Kern zweckmäßig, bei der die Erregerwicklungen an den Speiseteil der Hauptferrosonde angeschlossen werden und die Arbeitswicklung mit der Arbeitswicklun,j der Hauptferrosonde gegensinnig verbunden wird.

Im Speiseteil dieser Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder ist der Ersatz des Thyristors durch eine Dynistordiode erwünscht

In der vorgeschlagenen Einrichtung beträgt der Pegel des Ausgangssignals der Ferrosonde mehrere zehn VoIl Das gab die Möglichkeit, den Aufbau der Einrichtung zu vereinfachen, ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen, ihre Abmessungen zu verkleinern und dadurch ihr Anwendungsgebiet zu erweitern. Unter anderem kann man diese Einrichtung weitgehend zum Ablesen der Information von magnetischen Adressiervorrichtungen beim Stückguttransport mittels Betriebsförderanlagen verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnungen näher erläutert Hierbei zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäß ausgeführten Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder;

Fig.2 eine Ausführungsvariante des Speise·eils mit den zusätzlichen in Reihe geschalteten Dioden gemäf· der Erfindung;

Fig.3 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder mit einer Kompensations-Ferrosonde;

Fig. 4 Kurven der Zeitabhängigkeit des Magnetflusses und der Ausgangsspannungen der Ferrosonde gemäß der Erfindung.

Die Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder F, die z. B. von einem Dauermagneten 1 (F i g. 1) erzeugt werden, enthält eine Differential-Ferrosonde 2 mit einem Kern 3 und z. B. in Reihe liegenden Erregerwicklurgi-n 4,4' sowie mit einer Arbeitswicklung 5.

In Fig. 1 sind auch entgegengesetzt gerichtete Magnetflüsse F'gezeigt, die im Kern 3 durch den in den Erregerwicklungen 4, 4' fließenden Strom erzeugt werden.

Zur Einrichtung gehört auch ein Speiseteil 6 zur Speisung der Wicklungen 4, 4' sowie ein Registrierblock 7, der an die Arbeitswicklung 5 angeschlossen ist.

Der Speiseteil 6 enthält einen Thyristor 8 und einen Kondensator 9, bei dem ein Anschluß 10 mit einer Klemme 10', der in der Zeichnung nicht gezeigten Speisequelle und mit einem Ende der Erregt· wicklungen 4,4' verbunden ist und der andere Anschluß 11 an die Kathode des Thyristors 8 und an die Anode einer Diode 12 angeschlossen ist Die Kathode der Diode 12 ist mit der anderen Klemme 1.2' der Speiseq'jelle und mit der Steuerelektrode des Thyristors 8 z. B. über einen Widerstand 13 verbunden. Die Anode des Thyristors 8 ist an das andere Ende der Erregerwicklungen 4, 4' angeschlossen. Der Registrierblock 7 enthält einen Thyristor 14, bei dem die Steuerelektrode an einem Ende der Arbeitswicklung 5 liegt, die Anode an eine Ausgangsklemme 15 geschaltet ist und die Kathode mit dem anderen Ende der Arbeitswicklung 5 und mit der zweiten Ausgangsklemme 16 Verbindung hat

In Fi g. 2 ist eine Ausführungsvariante des Speiseteils 6 mit zusätzlichen in Reihe geschalteten Dioden 17, 18 dargestellt Die Anode der ersten zusätzlichen Diode 17 liegt an einem Anschluß 11 des Kondensators 9, die Kathode der zweiten Diode 18 ist mit dem anderen Anschluß 10 des Kondensators 9 verbunden und der gemeinsame Verbindungspunkt 19 der zusätzlichen Dioden 17, 18 ist an eine Klemme 10' der Speisequelie angeschlossen.

In Fig.3 ist die Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder

ίο dargestellt die eine Kompensations-Ferrosonde 20 enthält Die Kompensations-Ferrosonde 20 weist einen Kern 21 sowie Erregerwicklungen 22 auf, die mit den Erregerwicklungen 4,4' der Hauptferrosonde 2 parallel oder in Reihe geschaltet sind und mit dem Speiseteil 6 Verbindung haben. Die Arbeitswicklung 23 der Kompensations-Ferrosonde 20 ist mit der Arbeitswicklung 5 der Hauptferrosonde 2 gegensinnig verbunden. In F i g. 3 sind auch homogene Magnetflüsse F" (z. B. das Magnetfeld der Erde) gezeigt

In den in F i g. 1 und 3 dargestellten Einrichtungen ist der Ersatz des Thyristors 8 durch eine Dynistordiode möglich.

F i g. 4 zeigt den Verlauf 24 der Zeitabhängigkeit der Magnetflüsse F', die im Kern 3 (F i g. 1) durch den in den Wicklungen 4, 4' bei Entladung des Kondensators 9 fließenden Strom erzeugt werden sowie Kurven 25 (F i g. 4) und 26 der Zeitabhängigkeit der Spannungen U, U', die durch diese Magnetflüsse F'in der Arbeitswicklung 5 erzeugt werden.

Beim Fehlen eines Fremdfeldes F arbeitet die Einrichtung wie folgt. An die Klemmen 10' (Fig. 1) und 12' des Speiseteils 6 wird eine Wechselspannung mit der Industriefrequenz von z. B. 50 Hz angelegt. Während der ersten Halbperiode der Wechselspannung lädt sich der Kondensator 9 über die Diode 12 auf. Am Anschluß 10 des Kondensators 9 erscheint ein positives und am Anschluß 11 ein negatives Potential. In der nächsten Halbperiode ändert die Speisespannung ihr Vorzeichen und das positive Potential der Speisequelle wird über den Widerstand 13 zur Steuerelektrode des Thyristors 8 übertragen, wobei der letzte leitend wird und die Entladung des Kondensators 9 über den Stromkreis Anschluß 10 — Erregerwicklungen 4,4' der Ferrosonde 2 - Thyristor 8 - Anschluß 11 erfolgt. In der nächstfolgenden Halbperiode ändert die Speisespannung ihr Vorzeichen, und ihr positives Potential wird an den Anschluß 10 des Kondensators 9 angelegt, wobei sich dieser auflädt. In der weiter folgenden Halbperiode ändert sich wieder das Vorzeichen der Speisespannung, der Thyristor 8 wird geöffnet, und der Kondensator 9 entlädt sich über die Wicklungen 4, 4'. Dieser Vorgang verläuft weiter zyklisch mit der Frequenz der Speisespannung, die dem Speiseteii b zugeführt wird.
Bei der Entladung des Kondensators 9 fließt durch die Wicklungen 4 und 4' ein Strom, der gegneinander gerichtete Magnetflüsse F'im Kern 3 erzeugt.

Die Magnetflüsse ändern sich in der Zeit gleich und ihre Änderung gibt in F i g. 4 die Kurve 24 wieder. Bis zum Zeitpunkt ii erfolgt ein steiler Anstieg der Magnetflüsse F', wonach sie langsam abnehmen.

In Fig.4 sind auch die in der Zeit t veränderlichen

Spannungen U, £/'(Kurven 25 und 26) gezeigt, die in der Wicklung 5 durch die Magnetflüsse F'induziert werden.

Der Magnetfluß F', der durch den in der Wicklung 4 fließenden Strom erzeugt wird, induziert in der Wicklung 5 die Spannung U (Kurve 25), und der Magnetfluß F' welcher infolge des Stromflusses durch die Wicklung 4' entsteht, induziert die Spannung Lf

(Kurve 26). Die Vorderflanken der Magnetflüsse F' induzieren Spannungen U, W mit kurzer Dauer und großer Amplitude, die Hinterflanken erzeugen Spannungen mit großer Dauer und kleiner Amplitude. Die Spannungen U, ty'sindg'eich groß, aber gegeneinander gerichtet und heben infolgedessen einander auf, wobei an der Steuerelektrode des Thyristors 14 (F i g. 1) keine Spannung anliegt.

Bei Annäherung eines Magneten 1 beeinflußt sein Magnetfeld F den Kern 3 der Ferrosonde 2. Das Magnetfeld F hat die gleiche Richtung wie der Magnetfluß F', welchen der die Wicklung 4 durchfließende Strom erzeugt, und weist gegenüber dem Magnetfluß F', weichen der die Wicklung 4' durchfließende Strom hervorruft, die entgegengesetzte Richtung auf. Die in der Wicklung 5 induzierten Spannungen U, U' (F i g. 4) ändern infolgedessen ihre Amplitude, und am Ausgang der Wicklung 5 erscheint eine Potentialdifferenz. An der Steuerelektrode des Thyristors 14 wird ein Signal wirksam, dessen Polarität von der Richtung des äußeren Magnetfeldes F abhängt. Die Amplitude des von der Wicklung 5 gelieferten Signals ist von der Feldstärke des Feldes Fabhängig.

Wenn an die Steuerelektrode des Thyristors 14 eine positive Spannung angelegt ist, wird der Thyristor 14 leitend, überbrückt die Ausgangsklemmen 15, 16, und durch die in der Zeichnung nicht gezeigte Belastung fließt ein Strom.

Werden die Pole des Magneten 1 gewechselt, so ändert die Ausgangsspannung an der Wicklung 5 ihr Vorzeichen, und der Steuerelektrode des Thyristors 14 wird negative Spannung zugeführt, wobei der Thyristor 14 gesperrt bleibt und die Belastung keinen Strom führt. So kann die Einrichtung auch die Richtungen des äußeren Magnetfeldes unterscheiden.

Bei Einschaltung der in Reihe liegenden Dioden 17 und 18 (Fig.2) in den Speiseteil 6 arbeitet die Einrichtung folgendermaßen. Bei Anlegung der Speisespannung erfolgt die Aufladung des Kondensators 9 über den Stromkreis: Klemme 10' — Verbindungspunkt 19 — Diode 18 — Anschluß 10 — Kondensator 9 — Anschluß 11 — Diode 12 - Klemme 12'. Während der nächsten Halbperiode fließt der Strom durch den Stromkreis: Klemme 12' — Widerstand 13 — Steuerelektrode des Thyristors 8 — Kathode des Thyristors 8 — Anschluß 11 — Diode 17 — Verbindungspunkt 19 — Klemme 10'. In diesem Falle fließt der Steuerstrom des Thyristors 8 nicht durch den Kondensator 9, die Ladung des Kondensators 9 bleibt konstant und dieser wird nicht umgeladen. Die Einrichtung arbeitet dabei mit größerer Stabilität- Als Kondensator 9 kann man in diesem Falle einen gepolten Kondensator verwenden, wobei die Abmessungen der Einrichtung kleiner werden.

Bei Messungen von äußeren Magnetfeldern, die von lokalen Quellen, z. B. von Dauermagneten hervorgerufen werden, wird die Ferrosonde 2 auch durch das Magnetfeld der Erde oder durch andere homogene Magnetflüsse F" beeinflußt. In diesem Falle mißt die Einrichtung die Summenstärke der äußeren Magnetfelder. Infolgedessen kann die vorgeschlagene Einrichtung auch für die Messung des magnetischen Feldes der Erde verwendet werden.

Bei Messungen von Magnetfeldern schwacher Quellen oder zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Messung von Magnetflüssen lokaler Quellen muß der Einfluß des magnetischen Feldes der Erde beseitigt werden. Diese Aufgabe wird durch Einführung der Kompensations-Ferrosonde 20 (F ι g. 3) gelöst.

Bei Anlegung der Spannung an die Klemmen 10', 12' wird der Kondensator 9 über den erwähnten Stromkreis aufgeladen. Während der nächsten Halbperiode erfolgt die gleichzeitige Entladung des Kondensators über die Erregerwicklungen 4, 4', 22 der Hauptferrosonde 2 und der Kompensations-Ferrosonde 20. Das Magnetfeld F des Dauermagneten 1 wirkt nur auf den Kern 3 der Hauptferrosonde 2 ein, da die Ferrosonde 20 aus dem Wirkungsbereich des magnetischen Feldes F des Dauermagneten 1 entfernt ist. Aber homogene Magnetflüsse F", z. B. des erdmagnetischen Feldes durchdringen die Kerne 3 und 21 der Hauptferrosonde 2 bzw. der Kompensationsferrosonde 20 und rufen gleiche Komponenten der Ausgangsspannungen U, U' an den Wicklungen 5 und 23 hervor. Diese Ausgangsspannungen werden kompensiert und gelangen nicht in den Steuerkreis des Thyristors 14.
Die Einrichtung reagiert also nicht auf ein äußeres homogenes Feld, und der Thyristor 14 des Registrierblocks 7 wird nur bei Einwirkung eines entsprechend gepolten äußeren Magnetfeldes Fdes Dauermagneten 1 geöffnet.
Die Erfindung ermöglicht es, die Zuverlässigkeit der Einrichtung zu erhöhen, ihren Aufbau zu vereinfachen und die Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder zu steigern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder, die eine Differential-Ferrosonde mit einem Kern, mit Erregerwicklungen und mit einer Arbeitswicklung, einen Speiseteil zur Speisung der Erregerwicklungen sowie einen an die Arbeitswicklung der Ferrosonde angeschlossenen Registerblock enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Speiseteil (6) mit einem Thyristor (8) und einem Kondensator (9) aufgebaut ist, bei dem ein Anschluß (10) mit einer Klemme (10') der Speisequelle und mit einem Ende der Erregerwicklungen (4,4') verbunden ist, und der andere Anschluß (11) mit der Kathode des Thyristors (8) und mit der Anode einer Diode (12) Verbindung hat, deren Kathode an die andere Klemme (12') der Speisequelle und an die Steuerelektrode des Thyristors (8) angeschlossen ist, wobei die Anode des Thyristors (8) mit dem anderen Ende der Erregerwicklungen (4, 4') verbunden ist, und im Registrierblock (7) ein Thyristor (14) verwendet wird, bei dem die Steuerelektrode mit einem Ende der Arbeitswicklung (5) verbunden ist, die Anode an eine Ausgangsklemme (15) und die Kathode an das andere Ende der Arbeitswicklung (5) sowie an die zweite Ausgangsklemme (16) angeschlossen sind.

2. Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der Richtung äußerer Magnetfelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Speiseteil (6) zwei zusätzliche in Reihe geschaltete Dioden (17, 18) benutzt werden, wobei die Anode der ersten zusätzlichen Diode (17) mit einem Anschluß (11) des Kondensators (9) und die Kathode der zweiten zusätzlichen Diode (18) mit dem anderen Anschluß (10) des Kondensators (9) verbunden sind, und der Verbindungspunkt (19) beider zusätzlichen Dioden (17, 18) an eine Klemme (10') der Speisequelle angeschlossen ist.

3. Einrichtung zur Bestimmung der Stärke und der *o Richtung äußerer Magnetfelder nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Kompensations-Ferrosonde (20) mit einem Kern (21), mit Erregerwicklungen (22) und mit einer Arbeitswicklung (23), wobei die Erregerwicklungen (22) der Kompensations-Ferrosonde (20) an den zur Speisung der Erregerwicklungen der Hauptferrosonde (2) dienenden Speiseteil (6) angeschlossen sind, und die Arbeitswicklung (23) der Kompensations-Ferrosonde (20) mit der Arbeitswicklung (5) der Hauptferrosonde (2) gegensinnig verbunden ist.

4. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Speiseteil (6) dieser Einrichtung anstelle des Thyristors (8) eine Dynistordiode verwendet wird.