DE3317502A1 - Magnetischer impulsgeber mit einem wiegand-draht - Google Patents

Magnetischer impulsgeber mit einem wiegand-draht

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DE3317502A1 DE19833317502 DE3317502A DE3317502A1 DE 3317502 A1 DE3317502 A1 DE 3317502A1 DE 19833317502 DE19833317502 DE 19833317502 DE 3317502 A DE3317502 A DE 3317502A DE 3317502 A1 DE3317502 A1 DE 3317502A1
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Description

  • Magnetischer Impulsgeber
  • mit einem Wiegand-Draht Die Erfindung betrifft einen magnetischen Impulsgeber gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Unter dem Titel "Der Wiegand-Effekt" ist in der Fachzeitschrift "Funkschau", 1980, Heft 8, Seite 78 bis 80 der prinzipielle Aufbau eines Wiegand-Elementes, seine Wirkungsweise und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten beschrieben.
  • Nach jedem erzeugten Wiegand-Impuls ist es notwendig, die Schale und den Kern des Wiegand-Drahtes im Verlauf eines Vorbereitungszyklus nachzumagnetisieren. Dies wird bisher durch externe Dauermagnete unterschiedlicher Stärke bewerkstelligt. Während zuerst ein stärkerer Magnet ein Nachmagnetisierungsfeld für den gesamten Wiegand-Draht liefert, erzeugt anschließend ein schwächerer Magnet ein Feld entgegengesetzter Polarität, durch das nur der Drahtkern ummagnetisiert wird.
  • Die hierfür geeigneten Magnete sind relativ teuer. Ihre geometrische Zuordnung zum Wiegand-Element setzt eine mechanische Justierbarkeit voraus. Je nach Verwendungs- zweck kann der für die beiden Magnete benötigte Platzbedarf störend sein. Die AnsprechschwelLe für das einen Wiegand-Impuls auslösende externe Feld ist nicht einstellbar.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen auf dem Wiegand-Effekt beruhenden Impulsgeber zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes auf.
  • Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Verwendung der Sensorspule als Erregerspule in Verbindung mit einer elektronischen Stromsteuerschaltung externe Magnete zum Remagnetisieren entfallen, daß die während des Vorbereitungszyklus wirkenden Magnetfelder genau einstellbar sind, daß die Stromsteuerschaltung nicht notwendigerweise in unmittelbarer Nähe des Wiegand-Elementes angeordnet sein muß, daß die einstellbare Ansprechschwelle eine höhere Empfindlichkeit ermöglicht und daß durch den verkürzten Vorbereitungszyklus eine höhere Impulsabtastfrequenz als bisher gegeben ist.
  • Anhand von drei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Wiegand-Element in schematischer Darstellung, Fig. 2 in Prinzipdarstellung die erstmalige Magnetisierung eines Wiegand-Drahtes, Fig. 3 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Impulsgebers gemäß der Erfindung, Fig. 4 das Impulsdiagramm der Zykluslogik zur Steuerung der Erregerstromschaltung des Impulsgebers von Fig. 3, Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des durch die Bestromung der Sensorspule während eines Vorbereitungszyklus erzeugten Magnetfeldes aufgrund einer Ansteuerung durch die Erregerstromschaltung gem. Fig. 3, Fig. 6 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Impulsgebers gemäß der Erfindung, Fig. 7 das Impulsdiagramm zur Steuerung des Impulsgebers gem. Fig. 6, Fig. 8 den zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes, das durch die Sensorspule bei einer Ansteuerung durch die Stromsteuerschaltung gern. Fig. 6 erzeugt wird, Fig. 9 das Prinzipschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines Impulsgebers gemäß der Erfindung, Fig.lO a) Ansteuerimpuls und Stromverläufe der Strombis 10 c) steuerschaltung gem. Fig. 9.
  • Fig. 1 zeigt ein Wiegand-Element WE in schematischer Darstellung. Es besteht aus einem sogenannten Wiegand-Draht WD, der von einer Sensorspule SP umgeben ist. Durch ein spezielles Bearbeitungsverfahren hat die als Schale DS bezeichnete äußere Zone eine wesentlich höhere magnetische Koerzitivkraft als der Kern DK des Wiegand-Drahtes WD. Diese Eigenschaft ermöglicht eine spezielle Magnetisierung des Wiegand-Drahtes WD.
  • Fig. 2 zeigt in Prinzipdarstellung die erstmalige Magnetisierung eines Wiegand-Drahtes WD, bei der der Draht zuerst einem so starken positiven Magnetfeld +H ausgesetzt wird, daß eine Magnetisierung der äußeren hartmagnetischen Schale DS stattfindet. Der dabei in gleicher Richtung magnetisierte weichmagnetische Kern DK wird anschließend durch ein schwächeres negatives Magnetfeld -H in Gegenrichtung zur Schale DS ummagnetisiert. In diesem Zustand schließen sich die Feldlinien FL über den Kern DK, so daß der Wiegand-Draht WD nach außen nahezu magnetisch neutral wirkt.
  • Zum Auslösen eines Wiegand-Impulses wird in bekannter Weise der Kern DK des Wiegand-Drahtes WD bei Einwirken eines äußeren Magnetfeldes Heft ummagnetisiert. Dieser Vorgang läuft aufgrund der Unterstützung durch das zum äußeren Feld Hext gleichgerichtete Magnetfeld der Schale DS sehr schnell ab. Die sich dabei schlagartig außerhalb des Wiegand-Drahtes WD schließenden Feldlinien FL erzeugen in der den Draht WD umgebenden Sensorspule SP eine relativ hohe Spannung kurzer Dauer, die ausgangsseitig den Wiegand-Impuls bildet. Nach jeder Erzeugung eines Wiegand-Impulses muß der Drahtkern DK wieder in den Ausgangszustand ummagnetisiert werden. Dieses erfolgt im allgemeinen unmittelbar im Anschluß an einen Wiegand-Impuls im Verlauf eines Vorbereitungszyklus.
  • Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines ersten Impulsgebers, bei dem die Ummagnetisierung des Drahtkerns DK bei gleichzeitiger Nachmagnetisierung der Drahtschale DS über die Sensorspule SP erfolgt, die in der Zeit des Vorbereitungszyklus zur Erregerspule wird.
  • Sie wird nacheinander von Strömen Ii, 12 und 10 unterschiedlicher Höhe und entgegengesetzter Richtung durchflossen, die eine Erregerstromschaltung ES liefert.
  • Diese wird durch Impulse P1, P2 und P einer Zyklus logik 0 ZL gesteuert. Der Eingang der Zyklus logik ZL ist mit dem Ausgang A des Impulsgebers verbunden. Zwischen dem heißen Ende der Sensorspule SP und dem Ausgang A ist ein Differenzierglied c/R angeordnet, das den Wiegand-Impuls von Spannungen trennt, die durch die Be-Bestromung der Sensorspule SP verursacht werden. Die Erregerstromschaltung ES besteht aus drei Gleichstromquellen, die die drei Ströme Ii, I2 bzw. 10 liefern. Die Stromrichtung entspricht der angegebenen Pfeilrichtung.
  • Fig. 4 zeigt das Impulsdiagramm der Zykluslogik ZL; Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes, das die Spule SP im Verlauf der Bestromung durch die drei Ströme Ii, I2 und 1 erzeugt.
  • 0 Ein gemäß Fig. 4 zum Zeitpunkt xl erzeugter Wiegand-Impuls P w startet über seine Rückflanke die Zykluslogik ZL. Diese steuert über den Impuls P1 die erste der drei Stromquellen der Erregerstromschaltung ES an. Der z.B.
  • über ein RC-Glied verzögert ansteigende Strom Ii ist in Richtung und Höhe so ausgelegt, daß das von der Spule SP erzeugte Magnetfeld H1 gemäß Fig. 5 den Sättigungswert H sat erreicht, der zum Nachmagnetisieren der Drahtschale DS dient. Anschließend wird über den Impuls P2 die zweite Stromquelle angesteuert, deren Strom I2 geringer als II ist und in Gegenrichtung fließt. Durch RC-Glieder wird ein fließender übergang von I1 zu I2 erreicht, der auch einen fließenden übergang des Magnetfeldes H1 in das dem Stromfluß 12 entsprechende Gegenfeld H2 (Fig. 5) bewirkt. Das Magnetfeld H2 ist nur geringfügig stärker als die Feldstärke H re s' die notwendig ist, den Drahtkern DK in die Gegenrichtung zur Drahtschale DS umzumagnetisieren. Während dieser beiden Magnetisierungsvorgänge ist die dritte Stromquelle üder den Impuls PO abgeschaltet. Sie wird mit dem Ende des Impulses P2 wieder eingeschaltet und liefert im fließenden übergang vom Strom I2 einen in gleicher Richtung wie der Strom I1 fließenden Grundstrom I . Das daraus resultierende Ma-0 gnetfeld Ho dient als magnetische Vorspannung Hoff zur Ansprechschwelle H set für die Auslösung eines Wiegand-Impulses Pw. über den Strom Io ist die magnetische Vorspannung Hoff derart einstellbar, daß ein Wiegand-Impuls P auch durch ein sehr schwaches externes magnetfeld Hext ausgelöst werden kann.
  • Mit dem Wiedereinschalten der dritten Stromquelle über den Impuls PO ist der Vorbereitungszyklus beendet, der die Zeit T beansprucht. Diese bestimmt die maximal mögliche Folge von Wiegand-Impulsen.
  • Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild eines zweiten Impulsgebers, dessen Stromsteuerschaltung einen Funktionsgenerator VCO enthält. Der Eingang E und der Ausgang A des Impulsgebers sind direkt oder über eine Logikschaltung miteinander verbunden. Letztere kann eine Impulsformerschaltung undfoder eine Steuerschaltung enthalten, die eine wahlweise Wiegand-Impuls-Erzeugung gestattet.
  • Die Schaltung Fig. 6 hat zwei eingangsseitige Flip-Flops FF1 und FF2, die Schalter S1 bzw. Schalter steuern. Diese sind vorzugsweise FETs. über den Schalter wird der Funktionsgenerator VCO gestartet. Parallel zum Schalter 1 wird der Generator VCO über einen Gate-Eingang angesteuert. Dieses bewirkt, daß der Generator in der 90°-Spannungsphase (Cosinus) startet. Der Schalter S2 verbindet den Sinus-Ausgang des Generators VCO mit dem Eingang eines Spannung-Strom-Wandlers W. Er ist von einem Widerstand R überbrückt.
  • 0 Der Eingang des Wandlers W ist über einen einstellbaren Widerstand R2 in Verbindung mit einem Spannungsteiler R1 vorgespannt-. Der Ausgang A' des Wandlers W ist mit dem heißen Ende der Sensorspule SP des Wiegand-Elementes WE verbunden, dem aus den genannten Gründen ein Differenzierglied c/R nachgeschaltet ist. Der Ausgang einer ebenfalls in der 900-Phase startenden Rechteckspannung ist mit den beiden anderen Steuereingängen der beiden Flip-Flops FF1 und FF2 verbunden.
  • Unter Bezug auf das Impulsdiagramm der Fig. 7 und anhand des Magnetfeldverlaufs von Fig. 8 wird die Funktionsweise des Impulsgebers von Fig. 6 nachfolgend näher erläutert.
  • Es sei angenommen, daß am Ausgang A ein Wiegand-Impuls P w auftritt, der parallel zur Auswertung dem Eingang E direkt zugeführt wird. Durch diese Ansteuerung wird gem. Fig. 7 das Flip-Flop FF1 gesetzt und dadurch der Schalter S1 geöffnet, während das Flip-Flop FF2 rückgesetzt wird, wodurch der Schalter S2 leitend wird. über den nunmehr wirksamen frequenzbestimmenden Kondensator C1 und den angesteuerten Gate-Eingang startet der Funktionsgenerator VCO in der 90°-Phase. Der damit über den Spannung-Strom-Wandler W einsetzende Stromfluß durch die Sensorspule SP hat über die ersten 1800 einen ungedämpften cosinusförmigen Verlauf. Entsprechend ist das Magnetfeld H1 ausgebildet, wie Fig. 8 zeigt, wobei der Strom durch die Spule SP so hoch ist, daß der Sättigungswert H sat erreicht wird.
  • Nach dem halben Schwingungszyklus des Generators (1800) wird über die negative Flanke der VCO-Rechteckspannung das Flip-Flop FF2 wieder gesetzt und dadurch der Schalter geöffnet. Zu diesem Zeitpunkt hat sich in Gegenrichtung zu H1 das Gegenfeld H2 ausgebildet. Dieses ist allerdings nur so groß, wie es zum Ummagnetisieren des Drahtkerns DK notwendig ist. Durch das öffnen des Schalters wird der Widerstand Ro wirksam, der im Verlauf der zweiten Schwingungshälfte (1800 - 3600) den Spannungsverlauf derart dämpft, daß der resultierende Stromfluß durch die Sensorspule SP am Ende der Generatorschwingung (360°) ein Magnetfeld Ho erzeugt, das gerade gleich der magnetischen Vorspannung Hoff ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Flip-Flop FF1 über die positive Flanke der VCO-Rechteckspannung rückgesetzt, wodurch der Schalter S1 wieder leitend und der Generator VCO stillgesetzt wird. Die Vorspannung des Wandlers W über den Widerstand R2 ist so eingestellt, daß außerhalb des Vorbereitungszyklus ein die magnetische Vorspannung Hoff bestimmender Dauerstrom die Sensorspule SP durchsetzt.
  • Fig. 9 zeigt das Prinzipschaltbild eines dritten Impulsgebers, dessen Stromsteuerschaltung eine Gegeninduktionsstrecke enthält. Der Eingang E der Schaltung ist die Basis eines Transistorschalters Tr, in dessen Kollektorkreis eine abstimmbare Induktivität L in Reihe mit einem einstellbaren Widerstand R3 und einem weiteren Widerstand R4 liegt Am Koppelpunkt der beiden Widerstände R3 und R4 liegt parallel zur Induktivität L ein Konden- sator C2 und ein einstellbarer Widerstand R 5 in Reihe mit einer Diode D. Am gleichen Punkt ist gegen Pluspotential ein einstallbarer Widerstand R6 und mit seinem Eingang E ein Spannung-Strom-Wandler W angeschlossen, dessen Ausgang A' mit dem heißen Ende der Sensorspule SP eines Wiegand-Elementes WE verbunden ist. In der Leitung zum Ausgang A des Impulsgebers ist aus den bereits genannten Gründen ein Differenzierglied R/C vorgesehen.
  • Auch bei dieser Schaltung steht der Ausgang A mit dem Eingang E in Verbindung. Allerdings ist in diesem Fall zumindest eine Impulsformerschaltung vorzusehen, die aufgrund eines am Ausgang A auftretenden Wiegand-Impulses einen Rechteckimpuls PE vorbestimmter Dauer erzeugt.
  • Durch diesen in Fig. 10a dargestellten Impuls PE wird der Schalttransistor T r für die Dauer des Impulses leitend geschaltet. Fig. 10b zeigt den Stromverlauf im Gegeninduktionszweig. Der über den Widerstand R3 einstellbare Strom 1Tr durch die Induktivität L hat einen Spannungsverlauf am Eingang E' des Wandlers W zur Folge, dessen mittlerer Wert bestimmt wird durch den notwendigen Sättigungswert H sat zum Nachmagnetisieren des Wi egand-Drahtes, wie Fig. 10c zeigt. Mit der Rückflanke des Impulses PE öffnet der Schalttransistor Tr, so daß der Stromfluß 1Tr schlagartig unterbrochen wird. Dieses ruft in der Induktivität L eine Gegeninduktion hervor, die eine steile Spannungsänderung bis in den Negativbereich bewirkt.
  • Durch den Kondensator Cz wird eine Abfaliverzögerung erreicht. Während des Uberschwingens in den negativen Spannungsbereich wird die Diode D leitend und der Widerstand R5 wirksam. Dieser ist so eingestellt, daß die Gegenspannung am Eingang E' des Wandlers W auf einen Wert begrenzt wird, der zum Erzielen der Feldstärke H res notwendig ist. über den aus den Widerständen R4 und R6 gebildeten Spannungsteiler wird der Wandler W so vorgespannt, daß außerhalb des Vorbereitungszyklus ein die magnetische Vorspannung Hoff bestimmender Dauerstrom die Sensorspule P durchsetzt.

Claims (9)

  1. Patentansprüche 1. Magnetischer Impulsgeber mit einem Wiegand-Draht, der aus einer hartmagnetischen Schale und einem weichmagnetischen Kern besteht, dessen Schale und Kern in einem Vorbereitungszyklus zuerst durch ein starkes Magnetfeld gemeinsam ausgerichtet werden, dessen Kern anschließend durch ein schwaches Gegenfeld ummagnetisiert wird,und der von einer Sensorspule umgeben ist, an deren Anschlussen bei Einwirken eines äußeren Magnetfeldes auf den so vorbereiteten Wiegand-Draht im weiteren Zyklusverlauf Ausgangsimpulse (Wiegand-Impulse) auftreten, d a d u r c h g e k-e n n z'e i c h n e t daß die Sensorspule (SP) während des Vorbereitungszyklus als Erregerspule zum Nachmagnetisieren von Schale (DS) und Kern (DK) des Wiegand-Drahtes (WD) dient.
  2. 2. Impulsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sensorspule (SP) eine Stromsteuerschaltung angeschlossen ist, die während des Vorbereitungszyklus die Sensorspule (SP) durch Ströme (I1 und I2) entgegengesetzter Richtung und unterschiedlicher Stärke erregt.
  3. 3. Impulsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Vorbereitungszyklus die Sensorspule (SP) von einem Grundstrom (I ) durch flossen wird, 0 dessen resultierendes Magnetfeld (H ) die gleiche Richtung wie die Magnetisierung der Schale (DS) des Wiegand-Drahtes (WD) hat, aber geringer ist als die zum Ummagnetisieren des Kerns (DK) des Wiegand-Drahtes (WD) notwendige Feldstärke (HreS).
  4. 4. Impulsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichn-et, daß der Grundstrom (Io) einstellbar ist.
  5. 5. ImpuLsgeber nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuerschaltung eine,drei getrennte Stromquellen umfassende Erregerstromschaltung (ES) ist, daß die drei Stromquellen über eine Zykluslogik (ZL) getrennt ansteuerbar sind und daß der Eingang der Zykluslogik (ZL) mit dem Ausgang (A) des Impulsgebers verbunden ist.
  6. 6. Impulsgeber nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die StromsteuerschaLtung eine Erregerstromschaltung mit einem Funktionsgenerator (VCO) ist, der mit dem Auftreten eines Ausgangsimpulses (Wiegand-Impuls) für eine 36O0-Periode in der 90°-Spannungsphase gestartet wird, daß der Ausgang des Funktionsgenerators (VCO) über einen elektronischen Schalter (S2) mit dem Eingang eines Spannung-Strom-Wandlers (W) verbunden ist, daß der Schalter (S2) von einem Widerstand (R ) überbrückt ist, daß der 0 Schalter (S2) nach der halben Periode (1800) geöffnet wird und daß der Eingang des Spannung-Strom-Wandlers (W) über einen einstellbaren Widerstand (R2) derart vorgespannt ist; daß im Ruhezustand die Sensorspule (SP) vom Grundstrom (I ) o durchflossen wird.
  7. 7. Impulsgeber nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dan die Stromsteuerschaltung eine Gegeninduktionsstrecke ist, die aus einer über einen Schalttransistor (Tr) gesteuerten Induktivität (L) besteht, der ein Kondensator (C1) sowie ein Widerstand (R5) in Reihe mit einer Diode (D) parallel geschaltet ist, daß im Stromkreis der Induktivität (L) zwei Strombegrenzungswiderstände (R3, R4) liegen und daß der eine Widerstand (R4) mit einem Widerstand (R6) einen Spannungsteiler bildet, über den der Eingang eines nachgeschalteten Spannung - Strom-Wandlers (W) derart vorgespannt ist, daß im Ruhezustand die Sensorspule (SP) vom Grundstrom (Io) durchflossen wird.
  8. 8. Impulsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände CR3, R5, R6) einstellbar sind
  9. 9. Impulsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sensorspule (SP) und dem Ausgang (A) des Impulsgebers ein Differenzierglied (C/R) geschaltet ist.
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