DE3446015A1

DE3446015A1 - Schaltungsanordnung mit einem von einem steuerstrom beaufschlagbaren hallgenerator

Info

Publication number: DE3446015A1
Application number: DE19843446015
Authority: DE
Inventors: Rudolf 6302 Lich Langsdorf Bender; Wilfried 6450 Hanau Lein; Jörg 6451 Neuberg Quittkat
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1984-12-17
Filing date: 1984-12-17
Publication date: 1986-07-03
Also published as: JPS61145468A; GB2168820A; FR2574944A1; DE3446015C2; GB8530739D0; FR2574944B1

Description

Schaltungsanordnung mit einem von einem Steuerstrom beaufschlagbaren Hal!generator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem von einem Steuerstrom beaufschlagbaren Hai 1generator, dessen Hai 1 elektroden je mit einem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden sind.

:5 Hallgeneratoren werden unter anderem zur Messung von Magnetfeldern verwendet. Wenn der Hallgenerator mit einem konstanten Steuerstrom beaufschlagt wird, ergibt sich eine der Stärke des jeweiligen Magnetfelds im Hal Igenerator proportionale Hallspannung. Die maximal zulässige Temperatur des Hallgenerators wird

\0 von der Höhe des Steuerstroms, der Betriebsart, das heißt von den Kühlungsverhältnissen, und von der Umgebungstemperatur beeinflußt. Deshalb muß der jeweils zulässige Steuerstrom an die Kühlungsverhältnisse und die Umgebungstemperatur angepaßt werden. Um auch bei kleinen magnetischen Feldstärken eine ausreichend große Hall spannung zu erzeugen, muß der Steuerstrom erhöht werden. Wenn die Steuerströme in Form von Impulsen in die Hai 1 generatoren eingespeist werden, ist es möglich, höhere Stromamplituden zu verwenden. Hierdurch läßt sich die Empfindlichkeit steigern. Die Amplituden der Steuerstromimpulse können um ein Vielfaches größer als die zulässigen Steuergleichströme sein.

Um den jeweiligen Hallgenerator mit Steuerstromimpulsen zu versorgen, kann eine Steuerelektrode an eine Strom- oder Spanriungsquel 1 e angeschlossen werden, die periodisch Strom- bzw. Spannungsimpulse erzeugt, während die zweite Steuerelektrode an Masse oder ein anderes Bezugspotential gelegt wird. In einer solchen Schaltung entstehen bei der Beaufschlagung des jeweiligen Hallgenerators mit einem Steuerstromimpuls auch ohne Magnetfeld im Hallgenerator an den Hai 1 elektroden gegenüber dem Bezugspotential Spannungssprünge, die in etwa gleich groß sind und die gleiche Polarität haben. Die Höhe der Spannungssprünge entspricht ungefähr der halben an den Steuerelektroden anstehenden Spannung. Durch die Spannungssprünge wird der an die Hai 1 el ekt roden angeschlossene Differenzverstärker im Gleichtakt ausgesteuert. Es hat sich gezeigt, daß das Verhältnis der halben Steuerspannung zu der von kleinen Magnetfeldern erzeugten Differenzspannung bei der Messung von Streuflüssen an auf Gefügefehler zu prüfenden Gegenständen größer als 80 dB sein kann. Dies bedeutet, daß die insbesondere bei kurzen St euerst romimpul sendauern von etwa 5 iisec auftretenden hohen Gl eichtaktspannungen mit dem Differenzverstärker kaum zu unterdrücken sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei Beaufschlagung des Hallgenerators mit hochfrequenten Steuerströmen eine Gleichtaktbeaufschlagung des Differenzverstärkers weitgehend vermieden werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerelektroden des Hallgenerators ohne Bindung an ein festes Potential je an eine Stromquelle angeschlossen sind, daß die eine Stromquelle einen Strom in die eine Steuerelektrode einspeist und daß die andere Stromquelle einen gleich großen Strom aus der anderen Steuerelektrode aufnimmt. Bei der im Anspruch 1 erläuterten Anordnung tritt an den Hai 1 elektroden bei Beaufschlagung mit einem Steuerstromimpuls gegenüber der jeweiligen Bezugsspannung des Differenzverstärkers kein Spannungssprung auf. Die

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Differenzverstärkereingänge werden deshalb nicht mit hohen Gl eichtaktsignal en beaufschlagt. Mit dem Hallgenerator können somit kleine Feldstärken festgestellt werden. Es ist möglich, in kurzen Zeiträumen zahlreiche Meßzyklen durchzuführen.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die an die Hallelektroden angeschlossenen Eingänge des Differenzverstärkers je mit einem Widerstand verbunden sind und daß die zweiten Anschlüsse der Widerstände an das gleithe Bezugspotential wie der Differenzverstärker gelegt sind. Über die beiden, vorzugsweise gleich großen Widerstände zwischen den Hallelektroden und Bezugspotential wird eine Anbindung der Hall elektroden des Hallgenerators an das Bezugspotential des Differenzverstärkers erreicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist im Anspruch 3 beschrieben. Die im Anspruch 3 angegebene Schaltungsanordnung ermöglicht die Einstellung der an den Hai1 elektroden bei Beaufschlagung des Hallgenerators mit Steuerströmen in Abwesenheit eines zu messenden Feldes gegenüber dem Bezugspotential auftretenden Spannungen unterschiedlicher Polarität auf gleiche absolute Werte. Die Schaltungsanordnung kann somit auf einfache Weise an die jeweiligen Gegebenheiten des Hallgenerators angepaßt werden.

Bei einer günstigen Ausführungsform sind die beiden jeweils durch Steuerimpulse zur Steuerstromerzeugung beaufschlagbaren Stromquellen zwischen dem positiven und dem negativen Pol einer Spannungsquelle in Reihe mit dem Hallgenerator angeordnet. Der schaltungstechnische Aufwand ist bei dieser Anordnung gering.

Zur gleicht zeit igen Beaufschlagung der Steuereingänge der beiden Stromquellen mit Steuerimpulsen ist es zweckmäßig, den Steuereingang der an den positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossenen Stromquelle mit dem invertierenden und den Steuereingang der an

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den negativen Pol angeschlossenen Stromquelle mit dem nichtinvertierenden Ausgang eines von Taktimpulsen beaufschlagten Verstärkers anzuschließen.

Die Impulsdauer der Steuerströme ist vorzugsweise etwa fünf Mikrosekunden. Diese kurze Impulsdauer läßt die Beanschlagung der Hallgeneratoren mit hohen Steuerströmen und einem kleinen Impuls-Pausenverhältnis zu. Weiterhin ist es möglich, die Messung in kurzen Zeitabständen zu wiederholen.

Es ist günstig, Schaltungsanordnungen, wie sie in den Ansprüchen beschrieben sind, als Hallsonden zur Messung des Streuflusses bei der zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetisehen Gegenständen auf Gefügefehler einzusetzen. Die Hallsonden können in einer oder mehreren Reihen in kurzem Abstand von der Oberfläche des jeweiligen Gegenstands angeordnet sein.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus einem in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung mit einem von einem Steuerstrom beaufschlagbaren Hallgenerator, dessen eine Hallelektrode an Bezugspotential gelegt ist und

Fig. 2 ein Schaltbild einer Anordnung mit einem von einem Steuerstrom beaufschlagbaren Hallgenerator, dessen Hai1 elektroden nicht an ein festes Potential gebunden sind.

Ein Hallgenerator 10 ist mit seinen beiden Hal I elektroden 12, 14 je an einen Eingang eines Differenzverstärkers 16 angeschlosssen. Eine Steuerelektrode 18 ist an Erdpotential gelegt, während die andere Steuerelektrode 20 des Hallgenerators 10 mit einer Strom-

oder Spannungsquelle 22 verbunden ist, die den Hallgenerator 10 periodisch mit Strom- oder Spannungsimpulsen beaufschlagt. Die Strom- bzw. Spannungsquelle 22 ist an einen Pol 24 einer Spannungsquelle angeschlossen, deren anderer, nicht dargestellter Pol an Erdpotential gelegt ist.

Wird der Hallgenerator 10 an der Steuerelektrode 20 mit einem Strom- oder Spannungsimpuls beaufschlagt, dann entstehen unabhängig von einem zu messenden Magnetfeld an den Hal I elektroden 12 und 14 gegenüber dem Bezugspotential Spannungssprunge von gleicher Polarität. Die Spannungsprünge sind etwa gleich groß. Es gibt die Beziehung:

^Ust'

wobei mit u ₁ die Spannung an der Hai1 elektrode 12, mit u ~ die Spannung an der Hai 1 elektrode 14 und mit u die an den Steuerelektroden 18, 20 anstehende Spannung bezeichnet ist.

Durch die Spannung ssp runge u ₁ und u „ wird eine Gleichtaktaussteuerung des Differenzverstärkers 16 hervorgerufen. Wenn der Hallgenerator 10 als Hallsonde zur Messung von Streuflüssen eingesetzt wird, die von Gefügestörungen in Prüflingen bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Magnetfeldern entstehen, ergeben sich Hai1 spannungen, die wesentlich kleiner als die Gl eichtaktspannungen sind. Es hat sich gezeigt, daß das Verhältnis zwischen den Gl eichtaktspannungen und der differenziellen Hallspannung bei der Feststellung der vorstehend erwähnten Gefügestörungen // 80 dB sein kann. Wird mit Δ (u . - u „) die jeweilige differentiel Ie Hallspannung bezeichnet, dann gilt die Beziehung:

20 log _t 0,5 u > 80 [dBJ.

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s_t__

^(uel - ^ue2^}

Eine Gl eichtaktspannung von 1/2 u (zum Beispiel 5 V), die sich bei der impulsmäßigen Beaufschlagung des Hallgenerators 10 innerhalb einer sehr kurzen Zeit einstellt, ist vom Differenzverstärker l6 gegenüber der vom Streufluß erzeugten Differenzspannung daher kaum zu unterdrücken.

Dieser Nachteil wird durch die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung vermieden. Gleiche Elemente sind bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Die Steuerelektrode 18 ist bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 mit einem Anschluß einer Stromquelle 36 verbunden, deren anderer Anschluß an den negativen Pol 38 einer Spannungsquelle 40 gelegt ist. Die Steuerelektrode 20 steht mit einem Anschluß einer zweiten Stromquelle 42 in Verbindung, deren anderer Anschluß an den positiven Pol 44 der Spannungsquelle 40 gelegt ist. Die Stromquelle 42 speist einen Strom i, in die Steuerelektrode 20 ein, während die Stromquelle 36 der Steuerelektrode 18 einen Strom i„ entzieht. Die beiden Ströme i . und i „ sind gleich groß. Die Stromquellen 36 und 42 sind gepulste Stromquellen mit sehr hohen Innenwiderständen.

Mit den Eingängen des Differenzverstärkers 16 sind jeweils gleich große Widerstände 46, 48 verbunden, die mit ihren zweiten Anschlüssen an Bezugspotential, z. B. Erdpotential, gelegt sind. Die Stromquellen 36 und 42 enthalten je einen Steuereingang 50,

52. Der Steuereingang 50 der Stromquelle 36 ist mit dem nichtinvertierenden Ausgang eines Verstärkers 54 verbunden, der einen weiteren, an den Steuereingang 52 der Stromquelle 42 angeschlossenen invertierenden Ausgang hat. Der Eingang des Verstärkers 54 wird von einer periodischen Impulsfolge beaufschlagt, die eine konstante Frequenz und ein konstantes, kleines Impuls-Pausenver-

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hältnis hat. Die Steuerelektroden 18, 20 sind durch ein vorzugsweise hochohmiges Potentiometer 56 überbrückt, dessen Abgriff 58 mit der Hai 1 elektrode 14 verbunden ist.

Der Hallgenerator 10 ist ohne feste Anbindung an ein Potential, d. h. schwimmend, zwischen den beiden Stromquellen 36, 42 angeordnet. Die Hai 1 elektroden 12, 14 sind über die Widerstände 46 und 48 an Bezugspotential angebunden.

Bei der Einspeisung des Stroms i. in die Steuerelektrode 20 und der Entnahme des gleich großen Stroms i„ aus der Steuerelektrode 18 entsteht an der Steuerelektrode 20 eine positive Spannung u„_n und an der Steuerelektrode 18 eine negative Spannung u.n. Bei den großen Innenwiderständen der Stromquellen 36, 42, gleich großen Strömen i.. und i „ sowie einem symmetrischen Aufbau des Hallgenerators 10 sind die an den Steuerelektroden 20 und 18 auftretenden Spannungen u«^ und U₁ ο gleich groß und von entgegengesetzer Polarität. Unterschiede aufgrund der baulichen Gegebenheiten des Hallgenerators 10 können zu Unterschieden in den beiden Spannungen u_?Q und u.g führen. Durch einen Abgleich mit dem Potentiometer 56 lassen sich die beiden Steuerspannungen u„_n und U₁Q trotz der Unterschiede in den baulichen Gegebenheiten der jeweiligen Hallsonde hinsichtlich der Größe in Übereinstimmung bringen.

An den Hai 1 elektroden 12 und 14 tritt trotz der Beaufschlagung des Hallgenerators 10 mit einem Steuerstrom bei Fehlern eines zu messenden Magnetfelds keine Spannung von gleicher Polarität gegenüber dem Bezugspotential des Differenzverstärkers 16 auf.

Der Spannungsabfall u , zwischen den Steuerelektroden 18 und 20 ergibt sich bei einem Widerstand R„ des Hallgenerators 10 zwischen den Elektroden 18 und 20 nach der Beziehung:

^Ust ⁼ V ^RH ⁼ V ^RH

Da dre Hal 1 el ekt roden 18 und 20 keine Spannungen gleicher Polarität gegenüber dem Bezugspotential des Differenzverstärkers 16 führen, entfällt die Gleichtaktbeaufschlagung des Differenzverstärkers 16. Am Differenzverstärker 16 liegen daher bei Fehlern des zu messenden äußeren Magnetfelds nur noch Spannungen an, die sich aus der Unsymmetrie der Hallsonde und der ohmschen bzw. induktiven NuIlkomponenete ergeben. Die Messung von Magnetfeldern wird deshalb nicht mehr durch Gl eichtaktsignale an den Differenzverstärkereingängen beeinträchtigt. Es ist möglich den Hallgenerator 10 mit Steuerströmen von 5 μεεο Dauer zu beaufschlagen, wobei die Amplituden ein Vielfaches der zulässigen Steuergleichströme betragen. Daher lassen sich auch noch kleine Magnetfeldstärken genau messen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung kann insbesondere bei der zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer Körper auf Gefügestörungeh mittels Magnetisierung des jeweiligen Körpers eingesetzt werden. Der Hallgenerator 10 dient dabei als Hallsonde, der an oder nahe an der Prüflingsoberfläche angeordnet ist, um die von Gefügestörungen hervorgerufenen magnetischen Streuflüsse zu messen. Die Hallsonden können zweckmäßigerweise auf die in der DE-PS 31 32 808 dargestellte Art in geringem Abstand von der Oberfläche des zu prüfenden Körpers angeordnet sein. Das Tastverhältnis der Steuerströme für den jeweiligen Hallgenerator 10 hängt dann von der Anzahl der nacheinander betätigten Hallgeneratoren ab. Sind zum Beispiel 40 Hallsonden für die Prüfung vorhanden, dann beträgt das Tastverhältnis 1/40.

Bei einem Steuerstrom von 5 μεεο Dauer wird jeder HaiIgeneraior alle 200 μsec für 5 \isec mit Steuerstrom beaufschlagt. Die Ansteuerfrequenz der jeweiligen Hallsonde ist demnach 5 KHz.

Claims

15 Pat en tan Sprüche

1. Schaltungsanordnung mit einem einem Steuerstrom beaufschlagbaren Hallgenerator, dessen Hai 1 elektroden je mit einem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerelektroden (18, 20) des Hallgenerators (10) ohne Bindung an ein festes Potential je an eine Stromquelle (42, 36) angeschlossen sind, daß die eine Stromquelle (42) einen Strom (i,) in die eine Steuerelektrode (20) einspeist und daß die andere Stromquelle (36) einen gleich großen Strom
der anderen Steuerelektrode (18) aufnimmt.

aus

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die an die Hai 1 elektroden (12, 14) angeschlossenen Eingänge des Differenzverstärkers (16) je mit einem abgleichbaren Widerstand (46, 48) verbunden sind und daß die zweiten Anschlüsse der Widerstände (46, 48) an das gleiche Bezugspotential wie der Differenzverstärker (16) gelegt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (18, 20) mit einem Potentiometer (56) überbrückt sind, dessen Abgriff (58) an eine Hai 1 elektrode (14) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, jeweils durch Steuerimpulse zur Steuerstromerzeugung beaufschlagbaren Stromquellen (42, 36) zwischen dem positiven und dem negativ Pol (44, 38) einer Spannungsquelle (40) in Reihe mit dem Hallgenerator (10) angeordnet sind.

5· Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadur.ch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer der Steuerströme (i ι » iJ etwa fünf Mikrosekunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen (42, 36) gepulste Stromquellen sind.

7< Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (42) einen mit einem invertierenden Ausgang eines Verstärkers (54) verbundenen Steuereingangs' (52) und die andere Stromquelle (36) einen mit dem nichtinvertierenden Ausgang des Verstärkers (54) verbundenen Steuereingang (50) aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

die Verwendung des Hallgenerators (10) als Hallsonde zur Messung von Streuflüssen bei der zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetisehen Gegenständen auf Gefügefehler.