DE3317502C2

DE3317502C2 -

Info

Publication number: DE3317502C2
Application number: DE19833317502
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7300 Esslingen De Mueller
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1983-05-13
Filing date: 1983-05-13
Publication date: 1991-01-17
Also published as: DE3317502A1

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Impulsgeber gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Unter dem Titel "Der Wiegand-Effekt" ist in der Fachzeit schrift "Funkschau", 1980, Heft 8, Seite 78 bis 80 der prinzipielle Aufbau eines Wiegand-Elementes, seine Wirkungs weise 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 bewerk stelligt. Während zuerst ein stärkerer Magnet ein Nachma gnetisierungsfeld für den gesamten Wiegand-Draht liefert, erzeugt anschließend ein schwächerer Magnet ein Feld ent gegengesetzter Polarität, durch das nur der Drahtkern um magnetisiert 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 Platzbe darf störend sein. Die Ansprechschwelle für das einen Wiegand-Impuls auslösende externe Feld ist nicht ein stellbar.

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 ins besondere darin, daß durch die Verwendung der Sensor spule als Erregerspule in Verbindung mit einer elektroni schen Stromsteuerschaltung externe Magnete zum Remagneti sieren entfallen, daß die während des Vorbereitungszyk lus wirkenden Magnetfelder genau einstellbar sind, daß die Stromsteuerschaltung nicht notwendigerweise in un mittelbarer 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 er läutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Wiegand-Element in schematischer Darstellung,

Fig. 2 in Prinzipdarstellung die erstmalige Magnetisie rung eines Wiegand-Drahtes,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbei spiels 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 Vorbereitungs zyklus erzeugten Magnetfeldes aufgrund einer Ansteuerung durch die Erregerstromschaltung gem. Fig. 3,

Fig. 6 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungs beispiels eines Impulsgebers gemäß der Erfindung,

Fig. 7 das Impulsdiagramm zur Steuerung des Impuls gebers gem. Fig. 6,

Fig. 8 den zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes, das durch die Sensorspule bei einer Ansteuerung durch die Stromsteuerschaltung gem. Fig. 6 erzeugt wird,

Fig. 9 das Prinzipschaltbild eines dritten Ausführungs beispiels eines Impulsgebers gemäß der Erfindung,

Fig. 10a bis 10c Ansteuerimpuls und Stromverläufe der Strom 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 magne tische Koerzitivkraft als der Kern DK des Wiegand-Drahtes WD. Diese Eigenschaft ermöglicht eine spezielle Magneti sierung des Wiegand-Drahtes WD

Fig. 2 zeigt in Prinzipdarstellung die erstmalige Magneti sierung 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 Gegen richtung 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 H_ext ummagnetisiert. Dieser Vorgang läuft aufgrund der Unterstützung durch das zum äußeren Feld H_ext 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 Wie gand-Impuls bildet. Nach jeder Erzeugung eines Wiegand- Impulses muß der Drahtkern DK wieder in den Ausgangszu stand ummagnetisiert werden. Dieses erfolgt im allgemeinen unmittelbar im Anschluß an einen Wiegand-Impuls im Ver lauf eines Vorbereitungszyklus.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines ersten Impuls gebers, 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 I₁, I₂ und I₀ unter schiedlicher Höhe und entgegengesetzter Richtung durch flossen, die eine Erregerstromschaltung ES liefert. Diese wird durch Impulse P₁, P₂ und P₀ einer Zykluslogik ZL gesteuert. Der Eingang der Zykluslogik ZL ist mit dem Ausgang A des Impulsgebers verbunden. Zwi schen 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 strömung der Sensorspule SP verursacht werden. Die Er regerstromschaltung ES besteht aus drei Gleichstrom quellen, die die drei Ströme I₁, I₂ bzw. I₀ 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 I₁, I₂ und I₀ erzeugt.

Ein gemäß Fig. 4 zum Zeitpunkt t_x1 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 I₁ ist in Richtung und Höhe so ausgelegt, daß das von der Spule SP erzeugte Magnetfeld H₁ gem. 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 I₁ 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 I₂ entsprechende Gegenfeld H₂ (Fig. 5) bewirkt. Das Magnetfeld H₂ ist nur geringfügig stärker als die Feldstärke H_res, die notwendig ist, den Draht kern DK in die Gegenrichtung zur Drahtschale DS umzuma gnetisieren. Während dieser beiden Magnetisierungsvor gänge ist die dritte Stromquelle über den Impuls P₀ ab geschaltet. 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 I₀. Das daraus resultierende Ma gnetfeld H₀ dient als magnetische Vorspannung H_off zur Ansprechschwelle H_set für die Auslösung eines Wiegand- Impulses P_w. Über den Strom I₀ ist die magnetische Vor spannung H_off derart einstellbar, daß ein Wiegand-Im puls P_w auch durch ein sehr schwaches externes Magnet feld H_ext ausgelöst werden kann.

Mit dem Wiedereinschalten der dritten Stromquelle über den Impuls P₀ ist der Vorbereitungszyklus beendet, der die Zeit T beansprucht. Diese bestimmt die maximal mög liche Folge von Wiegand-Impulsen.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild eines zweiten Impuls gebers, dessen Stromsteuerschaltung einen Funktionsge nerator VCO enthält. Der Eingang E und der Ausgang A des Impulsgebers sind direkt oder über eine Logikschaltung miteinander verbunden. Letztere kann eine Impulsformer schaltung und/oder 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 S₂ steuern. Diese sind vorzugsweise FETs. Über den Schalter S₁ wird der Funktionsgenerator VCO gestartet. Parallel zum Schalter S₁ wird der Generator VCO über einen Gate-Eingang an gesteuert. 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 R₀ überbrückt. 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 Differenzier glied C/R nachgeschaltet ist. Der Ausgang einer ebenfalls in der 90°-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 ge öffnet, während das Flip-Flop FF₂ rückgesetzt wird, wo durch der Schalter S₂ leitend wird. Über den nunmehr wirk samen frequenzbestimmenden Kondensator C₁ und den ange steuerten Gate-Eingang startet der Funktionsgenerator VCO in der 90°-Phase. Der damit über den Spannung-Strom-Wand ler W einsetzende Stromfluß durch die Sensorspule SP hat über die ersten 180° 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 (180°) wird über die negative Flanke der VCO-Rechteckspannung das Flip-Flop FF₂ wieder gesetzt und dadurch der Schalter S₂ geöffnet. Zu diesem Zeitpunkt hat sich in Gegenrichtung zu H₁ das Gegenfeld H₂ ausgebildet. Dieses ist aller dings nur so groß, wie es zum Ummagnetisieren des Draht kerns DK notwendig ist. Durch das Öffnen des Schalters S₂ wird der Widerstand R₀ wirksam, der im Verlauf der zwei ten Schwingungshälfte (180°-360°) den Spannungsverlauf derart dämpft, daß der resultirende Stromfluß durch die Sensorspule SP am Ende der Generatorschwingung (360°) ein Magnetfeld H₀ erzeugt, das gerade gleich der magnetischen Vorspannung H_off ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Flip- Flop FF₁ über die positive Flanke der VCO-Rechteckspan nung 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 H_off bestimmender Dauerstrom die Sensorspule SP durchsetzt.

Fig. 9 zeigt das Prinzipschaltbild eines dritten Impuls gebers, dessen Stromsteuerschaltung eine Gegeninduktions strecke enthält. Der Eingang E der Schaltung ist die Basis eines Transistorschalters Tr, in dessen Kollektor kreis eine abstimmbare Induktivität L in Reihe mit einem einstellbaren Widerstand R₃ und einem weiteren Wider stand R₄ liegt. Am Koppelpunkt der beiden Widerstände R₃ und R₄ liegt parallel zur Induktivität L ein Konden sator C₂ und ein einstellbarer Widerstand R₅ in Reihe mit einer Diode D. Am gleichen Punkt ist gegen Pluspotential ein einstellbarer Widerstand R₆ und mit seinem Eingang E ein Spannung-Strom-Wandler W angeschlossen, dessen Aus gang 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 genann ten 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 auf grund eines am Ausgang A auftretenden Wiegand-Impulses einen Rechteckimpuls P_E vorbestimmter Dauer erzeugt. Durch diesen in Fig. 10a dargestellten Impuls P_E wird der Schalttransistor T_r für die Dauer des Impulses lei tend geschaltet. Fig. 10b zeigt den Stromverlauf im Gegen induktionszweig. Der über den Widerstand R₃ einstellbare Strom I_Tr durch die Induktivität L hat einen Spannungs verlauf am Eingang E′ des Wandlers W zur Folge, dessen mittlerer Wert bestimmt wird durch den notwendigen Sätti gungswert H_sat zum Nachmagnetisieren des Wiegand-Drahtes, wie Fig. 10c zeigt. Mit der Rückflanke des Impulses P_E öffnet der Schalttransistor Tr, so daß der Stromfluß I_Tr schlagartig unterbrochen wird. Dieses ruft in der Induk tivität L eine Gegeninduktion hervor, die eine steile Spannungsänderung bis in den Negativbereich bewirkt. Durch den Kondensator C₂ wird eine Abfallverzögerung erreicht. Während des Überschwingens in den negativen Spannungsbereich wird die Diode D leitend und der Wider stand 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 vorge spannt, daß außerhalb des Vorbereitungszyklus ein die magnetische Vorspannung H_off bestimmender Dauerstrom die Sensorspule SP durchsetzt.

Claims

1. Magnetischer Impulsgeber mit einem Wiegand-Draht, der aus einer hartmagnetischen Schale und einem weichmagne tischen Kern besteht, dessen Schale und Kern in einem Vor bereitungszyklus zuerst durch ein starkes Magnetfeld ge meinsam ausgerichtet werden, dessen Kern anschließend durch ein schwaches Gegenfeld ummagnetisiert wird, und der von einer Sensorspule umgeben ist, an deren Anschlüs sen bei Einwirken eines äußeren Magnetfeldes auf den so vorberei teten Wiegand-Draht im weiteren Zyklusverlauf Ausgangsimpulse (Wiegand- Impulse) auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule (SP) während des Vorbereitungszyklus als Erregerspule zum Nachmagnetisieren von Schale (DS) und Kern (DK) des Wiegand-Drahtes (WD) dient.

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) entgegen gesetzter Richtung und unterschiedlicher Stärke erregt.

3. Impulsgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß am Ende des Vorbereitungszyklus die Sensor spule (SP) von einem Grundstrom (I₀) durchflossen wird, dessen resultierendes Magnetfeld (H₀) die gleiche Rich tung wie die Magnetisierung der Schale (DS) des Wiegand- Drahtes (WD) hat, aber geringer ist als die zum Ummagne tisieren des Kern (DK) des Wiegand-Drahtes (WD) notwendige Feldstärke (H_res).

4. Impulsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundstrom (I₀) einstellbar ist.

5. Impulsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Stromsteuerschaltung eine, drei getrennte Stromquellen umfassende Erregerstromschaltung (ES) ist, daß die drei Stromquellen über eine Zykluslogik (ZL) ge trennt ansteuerbar sind und daß der Eingang der Zyklus logik (ZL) mit dem Ausgang (A) des Impulsgebers verbunden ist.

6. Impulsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Stromsteuerschaltung eine Erregerstromschal tung mit einem Funktionsgenerator (VCO) ist, der mit dem Auftreten eines Ausgangsimpulse (Wiegand-Impuls) für eine 360°-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 Schal ter (S₂) von einem Widerstand (R₀) überbrückt ist, daß der Schalter (S₂) nach der halben Periode (180°) 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 (I₀) durchflossen wird.

7. Impulsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Stromsteuerschaltung eine Gegeninduktions strecke ist, die aus einer über einen Schalttransistor (Tr) gesteuerten Induktivität (L) besteht, der ein Kon densator (C₂) 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-Wand lers (W) derart vorgespannt ist, daß im Ruhezustand die Sensorspule (SP) vom Grundstrom (I₀) durchflossen wird.

8. Impulsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R₃, R₅, R₆) einstellbar sind.

9. Impulsgeber nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen der Sensorspule (SP) und dem Aus gang (A) des Impulsgebers ein Differenzierglied (C/R) geschaltet ist.