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Magnetisch arbeitender Sensor
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Die Erfindung betrifft einen magnetisch arbeitenden Sensor, der aus
einem weichmagnetischen Kern und wenigstens einer an eine Wechselstromquelle angeschlossenen
Spule besteht, zur Messung von Werten, durch die die magnetischen Eigenschaften
des weichmagnetischen Kerns beeinflußt werden durch Auswertung des Spannungsabfalls
in der vom Wechselstrom durchflossenen Spule bzw. durch Auswertung der in einer
weiteren, den magnetischen Kern umgebenden Sekundärspule induzierten Spannung.
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Als Material für den weichmagnetischen Kern sind besonders amorphe
Werkstoffe geeignet, die eine Magnetostriktion besitzen, eine hohe mechanische Festigkeit
aufweisen und trotzdem gute weichmagnetische Eigenschaften haben.
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Ein Zugkraftsensor, bei dem die auf einen weichmagnetischen Kern aus
amorphem Material wirkende Kraft bzw.
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der den weichmagnetischen Kern verformende Weg ausgenutzt wird, um
daraus ein die Kraft oder den Weg verkörperndes elektrisches Signal zu gewinnen,
ist in der Zeitschrift IEEE Transactions on Nagnetics, VOl.-NAG-1?, No. 3, May 1981,
Seite 1317 bis 1319, beschrieben. Hier besteht der weichmagnetische Kern aus einem
Ring, der von zwei aus jeweils zwei Teilen bestehenden Spulen umgeben ist. Die Spulenteile
sind gleichmäßig über den Umfang verteilt, um Störfelder, wie z.B. das Erdmagnetfeld,
zu kompensieren. Je nach Durchbiegung des weichmagnetischen Kerns wird sich, bedingt
durch die Magnetostriktion des Materials, die Magnetisierungskennlinie ändern, so
daß die
in der Sekundärwicklung induzierte Spannung abhängig von
dem Weg der Rahmenplatten F1 und F2 ist (siehe Figur 3 auf Seite 1318).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen magnetisch arbeitenden
Sensor anzugeben, der es gestattet, bei gleichem Aufbau unterschiedliche Meßwerte
zu erfassen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Sensor mit weichmagnetischem Kern mit
einer an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Spule erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Wechselstromquelle so aufgebaut ist, daß sie einen eingeprägten, dreieckförmigen
Wechselstrom liefert und daß eine Auswerteeinrichtung an den Sensor anschließbar
ist, die mindestens zwei der folgenden drei Kennwerte der Ausgangsspannung (Spannungsabfall
bzw. induzierte Spannung U2) erfaßt: a) Maximalwert (Û2) der Ausgangsspannung als
Maß für eine elastische Verformung des weichmagnetischen Kerns, b) der zeitliche
Abstand Tv zwischen zwei bei der Ummagnetisierung des weichmagnetischen Kerns entstehenden
Spannungsspitzen als Maß für eine Vormagnetisierung des weichmagnetischen Kerns,
c) das Integral bzw. den Gleichrichtwert IUI der Ausgangsspannung als Maß für die
Temperatur des weichmagnetischen Kerns.
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Ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau des Sensors 1 ist in Figur
1 dargestellt. Hier besteht der Sensor 1 aus einem als Band aus vorzugsweise amorphem
Material ausgeführten weichmagnetischen Kern 2, der mit einer Spule 3 umwickelt
ist. Um die Kopplung zu einer ebenfalls den weichmagnetischen Kern umgebenden Sekundärspule
4 mit
dem weichmagnetischen Kern 2 möglichst eng zu halten, sind
die Windungen der Sekundärspule 4 unmittelbar auf den weichmagnetischen Kern 2 gewickelt.
Zum erfindungsgemäßen Betrieb des Sensors 1 ist an die Klemmen 5 der Spule 3 eine
Wechselstromquelle anzuschließen, die durch die Spule 3 einen dreieckförmigen, eingeprägten
Wechselstrom i schickt. An den Klemmen 6 ist dann die durch die magnetischen Eigenschaften
des weichmagnetischen Kerns bestimmte induzierte Spannung U2 abzugreifen. Die induzierte
Spannung ist damit abhängig von verschiedenen Einflüssen, die auf den weichmagnetischen
Kern 2 einwirken und die dessen magnetische Eigenschaften bestimmen. Dies ist beispielsweise
die Zugkraft , die auf den weichmagnetischen Kern 2 einwirkt und durch die Pfeile
6 in Figur 1 symbolisiert ist. Weiterhin kann auf den weichmagnetischen Kern 2 ein
Magnetfeld einwirken, das diesen mehr oder weniger vormagnetisiert. Hierzu ist in
Figur 1 ein Dauermagnet 7 dargestellt, der beispielsweise um eine Welle 8 rotieren
kann. Außerdem befindet sich der weichmagnetische Kern 2 in einem Raum mit bestimmter
Temperatur oder kann an einem Werkstück, dessen Temperatur ermittelt werden soll,
befestigt sein.
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Im Ausfühungsbeispiel nach Figur 1 ist der weichmagnetische Kern 2
zus.ätzlich zur Spule 3 noch von einer Sekundärspule 4 umgeben. Es ist auch ein
Ausfuhrungsbeispiel denkbar, bei dem nur die Spule 3 vorhanden ist.
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In diesem Fall wurde als Ausgangsspannung des Sensors der Spannungsabfall
an der Spule 3 dienen. Allerdings hätte eine derartige Anordnung keine galvanische
Trennung zwischen Ein- und Ausgang des Sensors zur Folge und beim Vorhandensein
einer Gleichkomponente des in der Spule 3 eingespeisten Wechselstromes würde sich
auch das Potential der Ausgangsspannung gegenüber Erde ver-
schieben.
Aus diesem Grund ist im ausfuhrungsbeispiel nach Figur 1 die eng an den weichmagnetischen
Kern 2 gewickelte Sekundärspule 4 vorgesehen, so daß die Ausgangsspannung U2 nur
von der Flußänderung innerhalb des weichmagnetischen Kerns 2 bestimmt wird.
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In den Figuren 2 bis 7 sind Kurven für Spannung und Feldstärke dargestellt,
anhand derer die Wirkungsweise des Sensors 1 näher erläutert werden soll.
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Figur 2 zeigt über die Periodendauer T die Feldstärke H, die auf den
weichmagnetischen Kern 2 unter dem Einfluß des eingeprägten dreieckförmigen Stromes
i wirkt. Die gestrichelten Linien +HC und -H0 geben die Werte der Koerzitivfeldstärke
des weichmagnetischen Kerns 2 an.
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Figur 3 zeigt die gleichen Verhältnisse für den Fall, daß der weichmagnetische
Kern 2 durch ein Gleichfeld vormagnetisiert ist. Dies kann beispielsweise durch
einen in der Nähe angeordneten Dauermagneten der Fall sein, es ist aber auch möglich,
die Vormagnetisierung dadurch einzustellen, daß dem eingeprägten Wechselstrom i
ein Gleichstromanteil überlagert wird. In beiden Fällen wird die Kurve der Feldstärke
H in Richtung der Ordinate verschoben. Da der Kurvenverlauf dreieckförmig ist, bleibt
die Zeit tv zum Durchlaufen des Bereiches von der negativen zur positiven Koerzitivfeldstärke
(-Hc; +Ec) gleich lang, so daß eine Vormagnetisierung des weichmagnetischen Kerns
2 keinen Einfluß auf die Ummagnetisierungszeit hat.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen nun die induzierte Spannung U2, die an
den Klemmen 6 der Sekundärspule 4 in Figur 1 abgegriffen werden kann. Die Spannung
U2 ergibt sich aus dem Kurvenverlauf der Feldstärke H in den Figuren 2 und 3.
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Bei ansteigender Feldstärke entsteht eine kleine positive Spannung,
da zunächst der weichmagnetische Kern 2 noch gesättigt ist. Sobald die Feldstärke
H durch Null geht, beginnt die Ummagnetisierung des weichmagnetischen Kerns 2, so
daß ein steiler Anstieg der Spannung U2 zu verzeichnen ist. Der Spitzenwert der
Spannung U2 ist dabei abhängig von der Steilheit der Nagnetisierungskennlinien bei
Erreichen der Koerzitivfeldstärke Hc. Für die Spannung U2 gilt dabei die Gleichung
U2 = -N .A . dB dt mit N = Windungszahl, A = Querschnitt des Kerns 2 und B = Induktion.
Die Induktion B ist von der erregenden Feldstärke H abhängig: dB dH dB U2 = -N .
A .dH dtdH Wird das Material in beiden Richtungen bis in die Sättigung ausgesteuert,
so wird immer die äußere Eystereseschleife durchlaufen, und die maximale Induktionsänderung
erfolgt bei H = Hc. Somit ergibt sich der Spitzenwert der induzierten Spannungen:
Wenn die Ummagnetisierung des weichmagnetischen Kerns 2 erfolgt ist, erhält man
zunächst wieder eine kleine positive Spannung in Figur 4, die bei Umkehr der Feldstärkenänderung
in einen kleinen negativen Wert übergeht.
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Bei Durchlaufen der negativen Koerzitivfeldstärke -HC entsteht nunmehr
entsprechend eine negative Spitze im Spannungsverlauf der Spannung U2. Der zeitliche
Abstand der beiden Spitzen ist in Figur 4 mit TV bezeichnet, dieser Wert ist gleich
der halben Periodendauer.
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In Figur 5 ist nun die induzierte Spannung U2 für den Fall dargestellt,
daß der weichmagnetische Kern 2 entsprechend dem Feldstärkenverlauf in Figur 3 vormagnetisiert
ist. Man sieht, daß der zeitliche Abstand GV zwischen einer positiven Spannungs
spitze und der darauffolgenden negativen Spannungsspitze kleiner geworden ist.
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Der zeitliche Abstand Tv ist damit abhängig von dem Maß der Vormagnetisierung
des weichmagnetischen Kerns 2, so daß die Auswertung des zeitlichen Abstandes TV
einen Aufschluß über die Vormagnetisierung des weichmagnetischen Kerns 2 ergibt.
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Da bei dreieckförmigem Strom i die Feldstärkenänderung immer gleich
schnell verläuft, ist also der Spitzenwert der Spannung U2 im wesentlichen von der
Änderung der Induktion über der Feldstärke und damit vom Verlauf der Nagnetisierungskennlinie
abhängig. Verwendet man nun magnetostriktionsbehaftetes Material für den weichmagnetischen
Kern 2, so ändert sich wie bei dem eingangs beschriebenen Zugkraftsensor der Verlauf
der Magnetisierungskennlinien mit der einwirkenden Zugkraft.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen nun jeweils mit und ohne Vormagnetisierung
den Verlauf der induzierten Spannung U2 für den Fall, daß ein Material mit negativer
Magnetostriktion für den weichmagnetischen Kern 2 Anwendung findet und daß dieses
Material mechanisch beansprucht wird. Die mechanische Beanspruchung hat zur Folge,
daß die Nagnetisierungsschleife flacher wird und sich damit der Spitzenwert der
mechanischen Spannung U2 vermindert.
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Mit dem bisher beschriebenen Sensor läßt sich außerdem die Temperatur
im weichmagnetischen Kern ermitteln.
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Hierzu wird die Eigenschaft magnetischer Werkstoffe
ausgenutzt,
nach der die Sättigungsinduktion Bs sich bei steigender Temperatur vermindert, bis
die Curietemperatur überschritten wird und damit weichmagnetische Eigenschaften
nicht mehr vorliegen. Vergleicht man den Spannungsverlauf von Figur 4 und Figur
6, so erkennt man, daß zwar die Maximalspnnnung geringer geworden ist,-die Spannungszeitfläche
über eine Periodenspannung jedoch gleich bleibt. Um ein Maß für die Temperatur des
weichmagnetischen Kerns 2 zu erhalten, genügt es also, einen von der Sättigungsinduktion
abhängigen Wert aus dem Verlauf der Spannung U2 zu gewinnen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Spannungszeitfläche
über eine Periode gebildet wird. Während der Spitzenwert der Spannung U2 von der
Anderung der Induktion im weichmagnetischen Kern 2 abhängig ist, ermittelt man durch
Integrieren der Spannung U2 einen Wert, der direkt der Sättigungsinduktion Bs proportional
ist; beispielsweise läßt sich aus der induzierten Spannung U2 ein solcher Wert gewinnen,
indem man die Spannung gleichrichtet und den Mittelwert dieser gleichgerichteten
Spannung erfaßt. Für.diesen Mittelwert jU2j gilt die Formel = . A . Bs hierbei ist
N = Windungszahl, T = Dauer einer Periode und Bs = Sättigungsinduktion.
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Eine schematische Darstellung für den Sensor 1 mit einer angeschlossenen
Auswerteeinrichtung 9 zeigt Figur 8. Auf den Sensor 1 wirken die Einflußgrößen Zugkraft
F, Temperatur TE und die Vormagnetisierung HV ein. Der Sensor 1 ist an eine Wechselstromquelle
10 über einen Additionsbaustein 11 angeschlossen. Der Sensor 1 liefert die
Spannung
U2 entsprechend den Figuren 4 bis 7 an die Auswerteeinrichtung 9. In einem Adapter
12 innerhalb der Auswerteeinrichtung 9 wird die beschriebene Signalanpassung vorgenommen.
Die Spitzenspannung U2 und der gleichgerichtete Mittelwert IU21 'TT I werden einem
Adapter 13 zugeführt, der die Abhängigkeit dieser Spannung von der Zugkraft F bzw.
der Temperatur TE durch Vergleich der Spannungen mit einem vorgegebenen, von Sensor
und Sensormaterial abhängigen Kennlinienfeld vornimmt, so daß am Ausgang 14 des
Adapter 13 eine Spannung auftritt, die proportional der Zugkraft und am Ausgang
15 des Adapter 13 eine Spannung auftritt, die proportional der Temperatur des weichmagnetischen
Kerns 2 ist.
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Im Adapter 12 wird außerdem der zeitliche Abstand GV zwischen positivem
und negativem Spannungsimpuls in der Spannung U2 ermittelt und als Istwert auf einen
Regler 16 gegeben. Dieser Regler 16 erhält von einem Sollwertgeber einen Sollwert,
der der halben Periodendauer T/2 entspricht. Damit ergibt sich am Ausgang 18 des
Reglers 16 ein Gleichstrom, der auf den Additionsbaustein 11 einwirkt und damit
eine Gleichkomponente zu dem dreieckförmigen Wechselstrom i hinzuaddiert. Das Vorzeichen
dieser Gleichkomponente ist nun so gewählt, daß die auf den weichmagnetischen Kern
2 einwirkende Vormagnetisierungsfeldstärke HV vermindert wird. Damit regelt der
Regler 16 den weichmagnetischen Kern 2 des Sensors 1 so, daß auch bei einwirkendem
Außennagnetfeld die Ummagnetisierung symmetrisch erfolgt. Trotzdem ist das Maß des
Ausgangsstromes des Reglers 16 abhängig von der Vormagnetisierungsfeldstärke HV,
so daß am.Ausgang 19 der Auswerteeinrichtung 9 eine an einem Shunt 20 abzugreifende
Spannung meßbar ist, die der Vormagnetisierungsfeldstärke HV proportional ist.
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Für den Fall, daß man bei einer Anlage mehrere Sensoren vorsehen muß,
die Temperatur, Weg, Kraft und/oder Magnetisierung an bestimmten Stellen bzw. Aggregaten
erfassen sollen, ist es durchaus möglich, eine Auswerteeinrichtun 9 mit einer Wechselstromquelle
10 entsprechend Figut 8 vorzusehen und die Verbindung zu mehreren gleichartig gebauten
Sensoren nacheinander herzustellen. Beispielsweise läßt sich zur Uberwachung der
Betriebsdaten eines Verbrennungsmotors im F;raftfahrzeug mit einer einen Mikroprozessor
enthaltenden Auswerteeinrichtung die Temperatur an verschiedenen Stellen des Motors
erfassen, ein Maß-für das Drehmoment einer Welle oder die Belastung anderer mechanischer
Bauelemente im Eraftfahrzeug gewinnen sowie auch das Magnetfeld in der Lichtmaschine
oder in der Zündspule ermitteln.
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Es ist weiterhin möglich, die Auswerteeinrichtung 9 so aufzubauen,
daß im Adapter 13 beispielsweise das temperaturabhängige Signal verwendet wird,
um eine Temperaturkompensation des von.der Zugkraft abhängigen Signals vorzunehmen.
Für den Fall, daß man einen Sensor nur als Zugkraftsensor benutzen will, läßt sich
die gleichzeitige Ermittlung der Vormagnetisierung verwenden, um beispielsweise
den vormagnetisierenien Einfluß des Erd magnetfeldes zu kompensieren. Die Erfassung
von mehreren der hier beschriebenen Größen der induzierten Spannung U2 ist also
auch dann vorteilhaft, wenn man eine Größe mit möglichst guter Genauigkeit ermitteln
will. Es ist damit nicht mehr notwendig, durch Aufteilung der Spulen und Verwendung
eines Ringes oder durch andere aufwendige gonstruktionen für den Sensor Störeinflüsse
auszuschalten.
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Durcn Anwendung einer etwas aufwendigeren Auswerteeinrichtung 9 lassen
sich für unterschiedliche Meßgrößen und Meßstellen viele einfach und gleichartig
aufgebaute Sensoren 1 verwenden.
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