DE3486048T2 - Vorrichtung zum nachweis von magnetismus. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus durch eine selbsterregende Arbeitsweise einer magnetischen halbleitergekoppelten Schaltung, die von einer nichtlinearen magnetischen Resonanzschaltung und einem Operationsverstärker gebildet wird.
• Beim Stand der Technik werden zum Messen schwacher magnetischer Felder typischerweise Magnetfeldsonden unter Verwendung ringartiger oder stabartiger Kerne verwendet. Unter diesen Magnetfeldsonden sind solche des externen Erregungstyps, die eine getrennte Wechselspannungs-Erregungsleistungs-Quellenschaltung verwenden und eine maximale Empfindlichkeit von einigen 10&supmin;&sup5; bis einigen 10&supmin;&sup6; Gauss haben.
• Die Basiskonstruktion dieser Vorrichtung enthält einen magnetischen Sensorabschnitt mit einem ringartigen oder stabartigen Kern als magnetisches Sensorelement, einen Treiberabschnitt mit einer Wechselspannungs-Erregungsleistungsquelle zum Erregen der Kerne bei einer Erregungsfrequenz f von einigen kHz bis einigen 10 kHz, einen synchronen Gleichrichterabschnitt zum Verstärken und Entdecken einer Ausgangskomponente bei der doppelten Frequenz 2f der Kernerregungsleistung, einen Doppelfrequenzabschnitt zur Erzeugung eines Bezugssignals der doppelten Frequenzkomponente bei 2f aus der Erregungsfrequenz f und zum Zuführen des Bezugssignals zu dem synchronen Gleichrichterabschnitt, sowie einen Anzeigeschaltungsabschnitt zum Anzeigen der Intensität und Polarität des magnetischen Feldes.
• Um jedoch die Messung eines magnetischen Feldes mit hoher Empfindlichkeit in einem sehr kleinen Raum mit diesem System zu ermöglichen, muß die Kernform möglichst klein gemacht werden. Mit einem kleinen Kern ist die entdeckte Komponente mit doppelter Frequenz (bei 2f) sehr klein, und das Verhältnis von Signal zu Störung sehr schlecht, so daß es schwierig wird, eine hochempfindliche Messung eines magnetischen Feldes zu erhalten.
• Zur Lösung dieses Problemes wurden Methoden vorgeschlagen, die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-6856 und der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-16232 beschrieben sind, bei denen die Erregungsfrequenz vergrößert wird, beispielsweise eine Erregungsfrequenz von einigen MHz angenommen wird, während eine Kapazität in eine Sensorschaltung eingefügt wird, wodurch eine Resonanz oder Oszillation der Komponente doppelter Frequenz bei 2f veranlaßt wird, die Ausgangsspannungsamplitude der Sensorschaltung zu vergrößern, bevor sie einem resonanten Verstärker zugeführt wird, dessen Ausgang der synchronen Gleichtrichterschaltung zugeführt wird.
• Diese Mittel basieren jedoch auf einer Erregung durch einen Hochfrequenztreibstrom. Daher sind die Abschwächung und die Wellenform-Verformung in der Übertragungsleitung ernst, und das Verhältnis von Signal zu Störung ist schlecht. Aus diesen Gründen sollte das den Magnetsensorabschnitt und den Treiberabschnitt verbindende Kabel so kurz wie höchstens einige Meter sein. Insbesondere ist in einem solchen Fall eine hochempfindliche Messung eines Magnetismus unmöglich, wenn der Treiberabschnitt und der Magnetsensorabschnitt in kleinen Räumen installiert sind und einen Abstand von einigen zehn bis einigen hundert Metern haben sollen.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, eine Magnetismus-Feststellvorrichtung vom selbsterregenden Typ zu schaffen, die auch unter den obengenannten Bedingungen verwendet werden kann.
• US-A-4 300 095 offenbart ein Magnetfeldsensorgerät, bei dem der durch ein auf einen Kern wirkendes externes Magnetfeld in eine dreieckige Wellenform verursachte durchschnittliche Offset um Null festgestellt und integriert wird. Der erhaltene integrierte Wert soll der Komponente des externen Magnetfeldes proportional sein, die in der Richtung des Sensors ist.
• Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus vorgesehen, die enthält:
• einen Kern;
• einen Operationsverstärker mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß, einem invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß zum Verstärken einer Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen auf eine Sättigungsspannung mit einem Charakter positiver oder negativer Polarität;
• ein Induktivitätselement, bestehend aus einer um den Kern gewickelten Spule mit einem Anschluß, der mit einem mit Masse verbundenen Masseanschluß verbunden ist, sowie mit einem anderen Anschluß, der mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers verbunden ist;
• einen ersten, mit dem anderen Anschluß des Induktivitätselementes und dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers verbundenen Widerstand;
• einen zweiten, mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und einem Anschluß des ersten Widerstands auf der Seite des Ausgangsanschlusses des Operationsverstärkers verbundenen Widerstand;
• einen dritten, mit dem Masseanschluß und einem Anschluß des zweiten Widerstands auf der Seite des invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers verbundenen Widerstand;
• wobei das Induktivitätselement ein nichtlineares Induktivitätselement ist, eine Brückenschaltung aus dem nichtlinearen Induktivitätselement und dem ersten, zweiten und dritten Widerstand gebildet ist, und wobei der Operationsverstärker als ein Vorzeichen-Diskriminator zur Überprüfung wirkt, ob eine Eingangsspannung zwischen den beiden Eingangsanschlüssen positiv oder negativ ist, eine entsprechende positive oder negative Sättigungsspannung liefert und automatisch die Sättigungsspannung schaltet, wobei der Kern der Brückenschaltung durch den Vorgang des Änderns der Impedanz des nichtlinearen Induktivitätselementes durch Ändern einer Flußdichte des Kerns, ausgehend von einem von einem entdeckten Feld bestimmten Wert, des Eingebens einer aus der Änderung der Impedanz zwischen dem weiteren Anschluß des nichtlinearen Induktivitätselementes und einem Anschluß des dritten Widerstandes auf der Seite des invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers resultierenden Spannung in den Operationsverstärker, des Änderns einer Stärke des entdeckten Feldes in dem Operationsverstärker auf ein Verhältnis zwischen positiven und negativen Erregungsperioden einer Sättigungsspannung des Operationsverstärkers mit einer Rechteck-Wellenform in dem Operationsverstärker und des Anlegens dieser Sättigungsspannungen an den Kern durch den ersten Widerstand selbst erregt wird.
• Ein in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendetes magnetisches Sensorelement ist ein nichtlineares Induktivitätselement, das eine oder zwei auf den Kern gewickelte Spulen enthält. Funktionell spielt eine Spannung als Eingangssignal bei diesem nichtlinearen Induktivitätselement eine wichtige Rolle der Bestimmung des Zeitablaufs des Schaltens der Polaritäten einer Sättigungsausgangsspannung des Operationsverstärkers.
• Weiterhin wird der von einem Treiberabschnitt an einen Magnetsensor gelieferte Strom als Gleichstrom übertragen, wobei der Magnetsensorabschnitt selbst, der einen magnetischen Dünnschichtkern und einen Operationsverstärker enthält, eine selbsterregende Schaltung des magnetischen Halbleiterkopplungstyps bildet, das Ausgangssignal des Magnetsensorabschnittes ist ein rechteckiges Wechselspannungssignal, dessen Verhältnis zwischen positiven und negativen Perioden entsprechend einem angelegten Magnetfeld sich ändert, und ein durch Integrieren des rechteckigen Wechselspannungssignals erhaltenes Gleichstromsignal wird zu einem Subjektsignal zur Magnetismus-Feststellung gemacht, wodurch ein Gleichstrom-Gleichstrom-Übertragungssystem realisiert wird, das es ermöglicht, daß das Magnetismus-Entdeckungssignal selbst dort erhalten wird, wo der Magnetsensorabschnitt und der Treiberabschnitt um einige zehn bis einige hundert Meter voneinander beabstandet sind.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein amorphes Material für den Magnetkern in dem Magnetsensorabschnitt verwendet, der auf diese Weise eine sehr stabile, selbsterregende Schaltung des Magnetsensortyps bildet als magnetische Halbleiterkopplungsschaltung. Daher werden die Leistungsquelle für Hochfrequenz-Wechselspannungs-Erregungsleistung und der Wechselstrom-Amplitudenstabilisatorabschnitt unnötig gemacht. Weiterhin gibt es keine Notwendigkeit für Gegenmaßnahmen gegen die Abschwächung des Wechselspannungs- Erregungsstroms und der Signalspannung auf den Übertragungsleitungen.
• Noch weiter wird mit der Erfindung eine Signalbearbeitungsfunktion des Entdeckens der angelegten Richtung und Intensität eines gemessenen Feldes in entsprechende Polarität und Höhe einer Ausgangsspannung erreicht, ohne Verwendung eines Phasendetektors oder Amplitudendetektors, sondern nur durch den Magnetsensorabschnitt selbst.
• Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Magnetsensorabschnitt von zwei gleichspannungsstabilisierten Leistungsquellen, d. h. einer positiven und einer negativen, getrieben, um die Verwendung einer gemeinsamen Leistungsquelle und einer gemeinsamen Masse für den Magnetsensorabschnitt und die Signalverarbeitungsschaltung zu ermöglichen.
• Weiterhin verbraucht der Magnetsensorabschnitt sehr wenig Leistung, so daß er auf einer gedruckten Schaltung des Niveaus einer linearen, integrierten Schaltung implementiert werden kann. Daher erhält man ein Magnetsensorsystem mit hoher Nützlichkeit und Vielseitigkeit. Dies bedeutet, daß der Strom zum Erregen des Kerns 10 mA oder weniger sein kann und ausreichend als Ausgang des Operationsverstärkers zur Verfügung gestellt werden kann, und daß eine Schaltung zum Verstärken des Erregungsstromes durch einen externen Leistungstransistor überhaupt nicht erforderlich ist.
• Die Erfindung wird nun im einzelnen in Verbindung mit einer ihrer bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
• Fig. 1 eine Ansicht zur Erklärung einer Basiskonstruktion eines magnetischen Sensorelementes einer Ausführungsform nach der Erfindung;
• Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm, das zeigt, was man durch Hinzufügen eines variablen Widerstandes zu der in Fig. 1 dargestellten Schaltung A eines Magnetsensors erhält;
• Fig. 3(a) bis 3(c) sind Darstellungen zur Erklärung der Wirkprinzipien der Erfindung unter Verwendung einer B-H-Charakteristik eines Kerns, der eine nichtlineare Charakteristik darstellt;
• Fig. 4(a) bis 4(c) sind Darstellungen, die Wellenform einer Spannung e&sub0; zeigen, die an einem Ausgangsanschluß der Schaltung der Fig. 3 auftritt, wenn der Betrieb beginnt, mit Hex = 0, H'ex > 0 und H''ex < 0;
• Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung mit einem Magnetsensorabschnitt zum automatischen Schalten von Gleichspannungen zum Erregen eines Kerns, einem Treiberabschnitt mit einer Gleichspannungs-Leistungsquelle doppelter Polarität und einem Anzeigeschaltungsabschnitt zum Integrieren und Verstärken des Ausgangs des Magnetsensorabschnitts;
• Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zum automatischen Durchführen der Betriebsprinzipien nach der Erfindung; und
• Fig. 7 ist eine Darstellung eines Stromsensors.
• In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Glasrohr, auf dem eine Primärspule 2 mit Anschlüssen 2a und 2b und eine Sekundärspule 3 mit Anschlüssen 3a und 3b aufgewickelt sind. Eine Kapazität 5 ist zwischen den Spulenanschlüssen 3a und 3b eingeschaltet. Die Anschlüsse 2b und 3b sind mit Masse G verbunden. Die Spulen 2 und 3 haben gleiche Wickelungspolarität, wie dargestellt. Ein amorpher, magnetischer Kern 4 (im folgenden als Kern bezeichnet) ist durch einen zentralen Raum des Glasrohres 1 eingesetzt. Der Kern ist angebrachterweise aus einem amorphen, magnetischen Material hergestellt, das eine hohe magnetische Permeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft aufweist. Er kann jedoch auch aus anderen Materialien hergestellt sein, beispielsweise kann er ein dünner Permalloy-Draht sein, ein Draht mit einer magnetischen Dünnfilmbeschichtung (beispielsweise ein magnetischer plattierter Draht), ein Silikonstahl, ein reines Eisen, Ferrit usw..
• Fig. 2 zeigt ein Magnetsensorelement, das die oben beschriebene Konstruktion aufweist, zusammen mit einem veränderbaren Widerstand 9, der zur Impedanzeinstellung zum Anpassen der Wellenform einer an das Element angelegten Erregungsspannung vorgesehen ist.
• Fig. 3(a) bis 3(c) sind zum Erklären der Wirkprinzipien der Erfindung unter Verwendung der B-H-Charakteristik des Kerns 4, der eine nichtlineare Charakteristik darstellt. In Fig. 3(a) ist die B-H-Abhängigkeit des Kerns 4 dargestellt, wenn es kein gemessenes Feld Hex gibt (d. h. Hex = O). Der Kern 4 weist eine Hysterese in seinem Erregungszyklus auf, der längs des dargestellten Weges durch die Punkte (1) bis (4) und zurück zum Punkt (1) führt. Wenn der Kern 4 im Zustand Hex = 0 bis zur maximalen Flußdichte Bm durch ein positives Erregungsfeld erregt wird, das durch Anlegen einer positiven Gleichspannung an die Primärspule 2 erzeugt wird, tritt eine Flußdichtenänderung &Delta;B12 auf, wie dargestellt. Wenn die Gleichspannung auf Null reduziert wird, sobald die Flußdichte des Kerns 4 den Wert Bm erreicht, verschwindet das an dem Kern 4 angelegte Magnetfeld, so daß die Flußdichte schnell von dem Wert des Punktes (2) zu dem Wert des Punktes (3) zurückkehrt. Wenn der Kern 4 im wesentlichen bis zu der negativen maximalen Flußdichte -Bm durch ein negatives Erregungsfeld erregt wird, das durch Anlegen einer negativen Gleichspannung erzeugt wird, so ist die Flußdichtenänderung dieses Mal &Delta;B34. In diesem Fall gilt die Beziehung:
• &Delta;B12 = &Delta;B34 .
• Ein Fall wird nun betrachtet, in dem der Erregungszyklus von einem Zustand mit einem positiven gemessenen Feld H'ex (> 0) ausgeführt wird, das an den Kern 4 angelegt wird, wie dies in Fig. 3(b) dargestellt ist, das einen Zustand der Änderung einer Flußdichte des Kerns zeigt, ausgehend von einem von dem gemessenen Feld H'ex bestimmten Wert (1). In diesem Fall ist die Änderung der Flußdichte zum Zeitpunkt der Anlegung des positiven Erregungsfeldes &Delta;B'12, und die Änderung zum Zeitpunkt der Anlegung des negativen Erregungsfeldes ist &Delta;B'34. Offensichtlich gilt in diesem Fall die Beziehung &Delta;B'12 < &Delta;B'34 zwischen &Delta;B'12 und &Delta;B'34. Mit anderen Worten gilt eine Beziehung t'+ < t'-, zwischen positiven und negativen Erregungsperioden t'+ und t'-, die zum Erregen des Kerns 4 aus dem Null-Erregungsgleichspannungszustand zu dem maximalen positiven bzw. negativen Flußdichtenwert erforderlich sind.
• Im Fall des Ausführens des Erregungszyklus aus einem Zustand mit einem negativen gemessenen Feld H''ex (< 0), das an dem Kern 4 anliegt, ist die Flußdichtenänderung &Delta;B''12 zum Zeitpunkt der positiven Erregung und &Delta;B''34 zum Zeitpunkt der negativen Erregung, siehe Fig. 3(c). Wie zu sehen ist, gilt eine Beziehung t''+ > t''- zwischen den positiven und negativen Erregungsperioden t''+ und t''-. Fig. 2 zeigt eine Magnetsensorschaltung, in der ein veränderbarer Widerstand 9 in Reihe mit der Primärspule 2 zur Steuerung der Impedanz mit dem veränderbaren Widerstand verbunden ist, um zu verhindern, daß die an den Kern 4 angelegte Erregungsgleichspannung in dem oben erwähnten Erregungszyklus selbst bei dem maximalen Flußdichtenwert des Kerns 4 verringert oder verändert wird. In dem Fall, in dem die Gleichspannungspolaritäten +Vc und -Vc automatisch bei Erreichen des maximalen Flußdichtenwertes im Punkt (2) oder (4) des Kerns 4 geschaltet werden, hat die am Anschluß 10 beobachtete Spannung e&sub0; eine rechteckige Wellenform mit positiven und negativen Polaritäten. Fig. 4 zeigt die Spannungswellenform an dem Anschluß 10, die man unter der oben erwähnten Annahme in den Fällen Hex = 0, H'ex > 0 und H''ex < 0 erhält. Es ist zu beachten, daß die Positivwert-Perioden t+, t'+ und t''+ und die Negativwert-Perioden t-, t'- und t''- dieser Rechteckwellen mit zwei Polaritäten durch das gemessene Feld Hex und H'ex und H''ex gesteuert werden. Dies bedeutet, daß es möglich ist, eine Messung eines magnetischen Feldes zu bewirken, bei der die Polarität und Intensität des gemessenen Feldes Hex in Werten des Vorzeichens und der Höhe des Integrals der rechteckigen Spannung ausgedrückt werden.
• Der Erfindung unterliegende Wirkprinzipien werden nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben, die eine Schaltung zeigt, die einen Magnetsensorabschnitt 100 zum automatischen Schalten der Gleichspannungen zum Erregen des Kerns 4, einen Treiberabschnitt 200 mit einer Leistungsquelle S einer Treibgleichspannung und einen Anzeigeabschnitt 300 zum Integrieren und Verstärken des Ausgangs des Magnetsensorabschnittes 100 enthält.
• Zunächst wird der Magnetsensorabschnitt 100 beschrieben. Er enthält einen Operationsverstärker 6, der einen mit Masse G verbundenen invertierenden Eingangsanschluß 7 und einen mit einem Anschluß 3a der Sekundärspule 3 verbundenen nichtinvertierenden Eingangsanschluß 8 aufweist. Der Anschluß 3b ist mit Masse G verbunden. Die Kapazität 5 ist über die Sekundärspule 3 angeschlossen und dient dazu, eine von dem Kern 4 erzeugte Störungskomponente zu absorbieren. Im Hinblick auf die Schaltungskonstruktion stellt sie mit der Sekundärspule 3 eine Resonanzschaltung dar und trägt zu der Stabilisierung des Zeitablaufs des Schaltens der Gleichspannungen bei. Der veränderbare Widerstand 9 ist mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 6 verbunden. Dieser Widerstand ist zum Einstellen der Spannungswellenform an dem Ausgangsanschluß 10 vorgesehen, d. h. zum Einstellen der Belastungsimpedanz unter Einschluß des veränderbaren Widerstands 9 und der Primärspule 2, um die an dem Ausgangsanschluß auftretende Spannungswellenform möglichst rechteckig zu machen.
• Die Prinzipien der Selbsterregung werden nun beschrieben. Wenn der Operationsverstärker 6 positiv gesättigt ist, so daß an dem Anschluß 10 eine Sättigungsspannung Vs (> 0) herrscht, fließt der Erregungsstrom zum Erregen des Kerns 4 durch den Widerstand 9 und die Primärspule 2 zur Masse G. Zu dieser Zeit wird eine Spannung in der Sekundärspule 3 durch den Kern 4 induziert. Die Polarität der induzierten Spannung ist positiv auf der Seite des Anschlusses 3a, so daß eine positive Spannung an den nichtinvertierenden Anschluß 8 des Operationsverstärkers 6 angelegt wird. Infolgedessen fährt der Operationsverstärker 6 fort, die positive Ausgangssättigungsspannung Vs zu liefern. Während dieser Zeit fährt der Kern 4 fort, gesättigt zu werden. Sobald schließlich die maximale Flußdichte Bm erreicht wird, verringert sich die magnetische Permeabilität des Kerns 4 nach und nach zur Verringerung der induzierten Spannung und verringert auf diese Weise extrem die Spulenimpedanz der Sekundärspule 3. Zu dieser Zeit wird die Kapazität 5, die von der induzierten Spannung aufgeladen wurde, entladen. Da die Kapazität 5 eine nichtlineare, magnetische Resonanzschaltung zusammen mit der Sekundärspule 3 als ein nichtlineares Induktionselement bildet, wird sie nach Entladung aufgrund des Resonanzphänomens wieder auf umgekehrte Polarität geladen. Daher wird die Spannung auf der Seite des Anschlusses 3a der Sekundärspule 3, die positiv war, ins Negative geändert, so daß ein negatives Spannungssignal dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 8 des Operationsverstärkers 6 zugeführt wird. Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung e&sub0; an dem Ausgangsanschluß 10 automatisch in eine negative Gleichspannungssättigungsspannung -Vs umgeschaltet wird. Unmittelbar danach wird der Flußdichtenwert des Kerns 4 schnell auf einen durch das gemessene Feld Hex bestimmten Wert zurückgeführt. Die Flußdichte des Kerns wird wesentlich in Richtung auf den negativen, maximalen Flußdichtenwert -Bm durch die negative Sättigungsspannung -Vs geändert. Zu dieser Zeit hat sich die Impedanz der Sekundärspule 3 als das nichtlineare Induktivitätselement vergrößert. Daher wird die Ausgangsspannung e&sub0; des Operationsverstärkers 6 bei -Vs gehalten, und die Kapazität 5 wird durch die induzierte Spannung geladen. Wenn der negative, maximale Flußdichtenwert -Bm des Kerns 4 erreicht ist, wird ein Eingangsspannungssignal (> 0) umgekehrter Polarität dem nichtinvertierenden Anschluß 8 des Operationsverstärkers 6 zugeführt aufgrund des Resonanzphänomens der nichtlinearen magnetischen Resonanzschaltung, und die Ausgangsanschlußspannung e&sub0; wird auf die positive Gleichspannungs-Sättigungsspannung Vs umgeschaltet.
• Es ist zu beachten, daß die an den Operationsverstärker 6 angelegten Gleichstromtreibspannungen Vc durch das in der auf den Kern 4 gewickelten Sekundärspule induzierte Spannungssignal beeinflußt werden, derart, daß die Sättigungsspannungen +Vs/-Vs abwechselnd an dem Ausgangsanschluß 10 des Operationsverstärkers 6 auftreten, und das Verhältnis zwischen den Perioden positiver und negativer Werte (d. h. die Einschaltdauer) der Sättigungsspannungs-Wellenform (d. h. der Ausgangsspannungs-Wellenform) mit entgegengesetzten Polaritäten wird durch das gemessene Feld Hex gesteuert. Die Funktion der Kapazität 5 kann durch die flotierende Kapazität zwischen benachbarten Windungen der auf den Kern 4 gewickelten Spule ersetzt werden, indem der Durchmesser und die Windungszahl der Spule in geeigneter Weise ausgewählt werden. In diesem Fall kann man die Kapazität 5 auch weglassen. In dem in Fig. 5 dargestellten Anzeigeabschnitt 300 wird die rechteckige Ausgangsspannung e&sub0; einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 11 eines Puffers 12 zugeführt. Das Ausgangssignal des Puffers 12 wird durch eine aus einem Widerstand 13 und einer Kapazität 14 oder einem nicht dargestellten Tiefpaß bestehende integrierende Schaltung an einen nichtinvertierenden Eingangsanschluß 15 eines Verstärkungsregelung-Operationsverstärkers 16 zur Verstärkung gekoppelt. Zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 16 und Masse sind Widerstände 17 und 20 eingesetzt, so daß der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers 16 entsprechend der Intensität des gemessenen Feldes Hex ausgewählt werden kann. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Kondensator, der zum Zweck der Entfernung unnötiger Wechselspannungs-Störungskomponenten eingesetzt wird. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet einen Wählschalter zum Auswählen eines Verstärkungsgrades. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Anzeige, die zur Funktion hat, die Polarität und Amplitude des Stromes anzuzeigen. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet einen veränderbaren Widerstand zum Steuern des Wertes des in die Anzeige 23 fließenden Stromes. Der Treiberabschnitt 200 ist eine Quelle der positiven und negativen Gleichspannungen Vc für den Operationsverstärker.
• Fig. 6 zeigt eine Schaltung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die Wirkungsprinzipien der Erfindung automatisch durchführen kann, wie sie oben beschrieben wurden. Funktionell enthält die Schaltung einen Magnetsensorabschnitt 400, einen Anzeigeabschnitt 500 und eine stabilisierte Leistungsquelle 600 für Gleichspannung.
• Der Magnetsensorabschnitt 400 weist eine Brückenschaltung auf, die als ihre Bauelemente einen veränderbaren Widerstand 30, die Sekundärspule 3 und die Kapazität 5 in einer Seite und die veränderbaren Widerstände 32 und 33 in der anderen Seite enthält. Jede Seite der Brücke ist an einem Ende mit einem Ausgangsanschluß 35 eines Operationsverstärkers 34 und an dem anderen Ende mit Masse G verbunden. In diesem Fall wird die Primärspule 2 in dem magnetischen Sensorelement A für einen unterschiedlichen Zweck als den oben beschriebenen verwendet. Spezieller gesagt erzeugt die Primärspule 2 ein magnetisches Erregungsfeld, das ausreicht, das an dem Kern 4 anliegende gemessene Feld Hex zu überwinden.
• Das Erregungsfeld wird als ein Erregungsstrom erzeugt, der von dem Anzeigeabschnitt 500 einem Anschluß 2a geliefert wird.
• Dieses, in Fig. 6 dargestellte positive Rückkopplungssystem hat den Zweck, das Schaltungssystem des Magnetsensorabschnittes zu stabilisieren und die Linearität einer Eingangs-Ausgangs-Eigenschaft zu verbessern, die eine Beziehung zwischen dem gemessenen Feld und der Ausgangsspannung darstellt, so daß es in der Praxis sehr nützlich ist.
• Jedoch kann die Primärspule 2 ohne Änderung des Gegenstandes der Erfindung ausgelassen werden. In Fig. 6 kann die Spule 3 die Funktion der Spule 2 erfüllen, da die Spule 2 elektromagnetisch an die Spule 3 gekoppelt ist und es daher möglich wird, die Spule 2 wegzulassen.
• Der Operationsverstärker 34 weist einen nichtinvertierenden Eingangsanschluß P und einen invertierenden Eingangsanschluß H auf. Ein Anschluß 3a der Sekundärspule 3 ist mit dem Anschluß P über einen Verbindungspunkt 31 verbunden, und die veränderbaren Widerstände 32 und 33 sind mit dem Anschluß H über einen Verbindungspunkt 36 verbunden. Der Operationsverstärker 34 wird nicht als ein Verstärker zum Verstärken einer Eingangsspannungsdifferenz eP-eN zwischen den Anschlüssen P und N verwendet, sondern er arbeitet als ein Vorzeichendiskriminator zum Überprüfen, ob die Eingangsspannungsdifferenz eP-eN positiv oder negativ ist, und zur Lieferung einer entsprechenden positiven oder negativen Sättigungsgleichspannung. Die Kapazität 5, die eine von dem Kern 4 erzeugte Störungskomponente absorbiert, hat auch die Funktion des Stabilisierens der selbsterregenden Betriebsart durch Unterdrückung des Einflusses plötzlicher Flußänderungen, d. h. des Phänomens des Flußrücksprungs, das mit dem Schalten der positiven und negativen an die Brücke gelegten Spannungen auftritt, so daß die Kapazität 5 erstrebenswerterweise eingesetzt wird.
• Die selbsterregende Wirkungsweise wird nun beschrieben. Zur Erleichterung des Verständnisses wird nun ein Fall angenommen, in dem die Anschlußspannungen über den veränderbaren Widerständen 30, 32 und 33 der Brücke V30, V32 und V33 sind, die Anschlußspannung über der aus der Sekundärspule 3 bestehende Resonanzschaltung V3 ist und eine Impedanzbeziehung R30 = R32 gilt. Wenn die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß 35 des Operationserstreckers 34 zu der positiven Sättigungsgleichspannung Vs in dieser Situation umgeschaltet wird, kehrt der Flußdichtenwert des Kerns 4 schnell auf einen von dem gemessenen Feld bestimmten Wert zurück (Zustand 1 in Fig. 3). Zu dieser Zeit tritt eine positive Spannung eN (> 0) aus dem aus den Widerständen 32 und 33 bestehenden Spannungsteiler an dem invertierenden Eingangsanschluß N auf, während eine von dem aus dem Widerstand 30 und der nichtlinearen magnetischen Resonanzschaltung bestehenden Spannungsteiler bestimmte positive Spannung eP (> 0) an dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß P auftritt. Da der Kern 4 in einem ungesättigten Flußzustand ist, ist die Impedanz Z&sub2; der Sekundärspule sehr hoch, und es gilt die Beziehung V3 > V33. Das Vorzeichen der Eingangsspannungsdifferenz an dem Operationsverstärker ist daher positiv (eP-eH > 0), so daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 34 bei der positiven Sättigungsgleichspannung +Vs gehalten wird. Mit der folgenden zunehmenden Vergrößerung des Flußdichtenwertes des Kernes 4 in Richtung auf die maximale positive Flußdichte Bm wird jedoch die magnetische Permeabilität reduziert, um die Impedanz Z&sub2; der Sekundärspule 3 zu verringern, um V3 zu werden, unmittelbar vor dem Erreichen der maximalen positiven Flußdichte Bm des Kerns 4. Zu diesem Zeitpunkt gilt die Beziehung V3 > V33. Unmittelbar danach wird jedoch die maximale Flußdichte Bm des Kerns 4 erreicht (Zustand 2 in Fig. 3), so daß jetzt gilt V3 < V33. Als Folge wird das Vorzeichen der Differenz zwischen den Eingangsspannungen des Operationsverstärkers 34 von positiv (eP-eN > 0) nach negativ geändert (eP-eN < 0). Die negative Sättigungsgleichspannung -Vs tritt daher an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 34 auf. Diese Spannung liegt zwischen dem Anschluß 35 der Brücke und Masse G an, und gleichzeitig kehrt der Flußdichtenwert des Kerns 4 schnell auf den durch das gemessene Feld bestimmten Wert zurück (Zustand 3 in Fig. 3). Nachdem dieser negative Teil des Erregungszyklus eingesetzt hat, fährt die Flußdichte des Kerns 4 fort, in negativer Richtung geändert zu werden. Mit einem Zeitablauf wird schließlich der maximale negative Flußdichtenwert -Bm des Kerns 4 erreicht (Zustand 4 in Fig. 3) zur Erfüllung der Beziehung V3 > V33. Daher wird das Vorzeichen der Differenz zwischen den Eingangsspannungen des Operationsverstärkers 34 positiv (eP-eN > 0), und die positive Sättigungsgleichspannung +Vs tritt wieder an dem Ausgangsanschluß 35 auf.
• Wie dargestellt wurde, werden die Sättigungsgleichspannungen +Vs/-Vs des Operationsverstärkers 34 automatisch geschaltet, wenn immer die maximalen Flußdichtenwerte +Bm/-Bm des Kerns erreicht werden.
• Es ist ebenfalls leicht zu verstehen, daß die in Fig. 4 dargestellten rechteckigen Spannungswellenformen an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 34 beobachtet werden können, wenn die oben beschriebene Wirkungsweise von den Zuständen mit den an dem Kern 4 anliegenden gemessenen Feldern Hex, H'ex (> 0) und H''ex (< 0) gestartet wird. Aus Gründen der Exaktheit kann +Vc/-Vc in Fig. 4 mit +Vs/-Vs ausgetauscht werden.
• Der Anzeigeabschnitt 500 enthält einen Operationsverstärker 39 zum Integrieren und Verstärken der Ausgangsspannung des Magnetsensorabschnitts 400, einen damit verbundenen integrierenden Kondensator 40, Widerstände 41, 42, 43 und 44, eine Drossel 45 und ein Anzeigeinstrument 46.
• An einem Ausgangsanschluß 47 des Operationsverstärkers 39 wird eine positive oder negative Gleichspannung entsprechend dem Nord- oder Südpol und der Intensität des Magnetfeldes beobachtet.
• Die Drosselspule 45 ist dazu eingesetzt, um zu verhindern, daß eine Störungskomponente von dem Magnetsensorabschnitt 400 nachteilige Wirkungen auf den Anzeigeschaltungsabschnitt hat, wenn ein Strom in einer das an dem Kern 4 anliegende gemessene Feld beseitigenden Richtung verursacht wird, und zum Blockieren eines aufgrund einer in der Sekundärspule induzierten Spannung induzierten Stroms, um dadurch einen stabilisierten Selbsterregungsbetrieb zu gewährleisten. Sie kann durch einen Widerstand ersetzt werden. Der Leistungsquellenabschnitt für eine stabilisierte Gleichspannung dient zum Treiben der Operationsverstärker 34 und 39. Erfindungsgemäß, wonach nur eine Gleichstromkomponente zwischen dem magnetischen Sensorabschnitt 400 und dem Anzeigeabschnitt 500 übertragen wird, ist es nur die Gleichspannungskomponente, die zwischen dem Magnetsensorabschnitt 400 und dem Leistungsabschnitt 600 für die stabilisierte Gleichspannung übertragen wird, d. h., daß Leistung und Signal von einem perfekten Gleichstrom-Gleichstrom-System übertragen werden. Daher ist es möglich, den gleichspannungsstabilierten Leistungsquellenabschnitt 600 und den Anzeigeabschnitt 500 in einer Meßkammer zu installieren und in der Meßkammer Änderungen eines Magnetfeldes oder abnormale Änderungen des Erdmagnetismus zu überwachen, die von dem Magnetsensorabschnitt 400 festgestellt werden, der von der Meßkammer um einige 100 m entfernt ist.
• Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Stromsensors, der einen einen geschlossenen magnetischen Weg bildenden ringartigen Kern 4 verwendet. In diesem Fall wird ein magnetisches Sensorelement vom Typ eines geschlossenen magnetischen Weges von einer Spule mit einer isolierenden Beschichtung gebildet, die auf einen ringartigen magnetischen Kern 4 gewickelt ist, und ein den ringartigen Kern 4 durchdringender Strom iex wird durch eine hochempfindliche Steuerung gesteuert. Die Prinzipien der Feststellung in diesem Beispiel werden leicht verstanden, indem man das oben für das erzeugte Magnetfeld erwähnte Hex durch iex ersetzt.
• Anspruch 4 erläutert eine besondere Ausführungsform der Erfindung.
• Wie im Vorgehenden beschrieben wurde, ist es erfindungsgemäß möglich, ein Verfahren zum Feststellen von Magnetismus zu schaffen, basierend auf einem magnetischen Halbleiterkopplungssystem, das sich auf einem IC-Substrat implementieren läßt, das eine vielversprechende Leistung und Nützlichkeit in der Technologie aufweist.
• Die Vorrichtung nach der Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, ist eine Magnetismus-Detektorvorrichtung des selbsterregenden Typs, die wirkungsvoll als Vorrichtung für die hochempfindliche Messung eines magnetischen Feldes in einem kleinen Raum ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus, enthaltend:

einen Kern (4);

einen Operationsverstärker (34) mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß, einem invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß zur Verstärkung einer Spannung zwischen diesen Eingangsanschlüssen auf eine Sättigungsspannung mit einem Charakter positiver oder negativer Polarität;

ein Induktivitätselement, das von einer um den Kern gewickelten Spule (3) besteht, die einen mit einem mit Masse (G) verbundenen Masseanschluß (3b) verbundenen Anschluß und einen weiteren mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers verbundenen Anschluß (3a) aufweist;

einen ersten, mit dem anderen Anschluß (3a) des Induktivitätselementes und dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers verbundenen Widerstand (30);

einen mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und einem Anschluß des ersten Widerstandes auf der Seite des Ausgangsanschlusses des Operationsverstärkers verbundenen zweiten Widerstand (32);

einen mit dem Masseanschluß und einem Anschluß des zweiten Widerstandes auf der Seite des invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers verbundenen dritten Widerstand (33);

wobei das Induktivitätselement ein nichtlineares Induktivitätselement ist, eine Brückenschaltung aus dem nichtlinearen Induktivitätselement und dem ersten, zweiten und dritten Widerstand gebildet ist, und wobei der Operationsverstärker als ein Vorzeichen-Diskriminator zur Überprüfung, ob eine Eingangsspannung zwischen den beiden Eingangsanschlüssen positiv oder negativ ist, zur Lieferung einer entsprechenden positiven oder negativen Sättigungsspannung und zum automatischen Schalten der Sättigungsspannung wirkt, wobei der Kern der Brückenschaltung durch den Vorgang des Änderns der Impedanz des nichtlinearen Induktivitätselementes durch Ändern einer Flußdichte des Kerns, ausgehend von einem von einem festgestellten Feld bestimmten Wert, des Eingebens einer sich aus der Änderung der Impedanz zwischen dem weiteren Anschluß des nichtlinearen Induktivitätselementes und einem Anschluß des dritten Widerstandes auf der Seite des invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers ergebenden Spannung in den Operationsverstärker, des Änderns einer Stärke des festgestellten Feldes in dem Operationsverstärker auf ein Verhältnis zwischen Erregungsperioden mit positiven und negativen Werten einer Sättigungsspannung des Operationsverstärkers mit Rechteck-Wellenform und des Anlegens dieser Sättigungsspannungen an den Kern durch den ersten Widerstand (30) selbst erregt wird.

2. Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus nach Anspruch 1, die weiterhin eine in Reihe mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers verbundene Anzeigeschaltung enthält, die eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zum Feststellen des Verhältnisses der in dem Operationsverstärkers geänderten Erregungsperioden mit positivem bzw. negativem Wert integriert.

3. Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus nach Anspruch 2, die eine getrennt von der Spule (3) um den Kern (4) gewickelte weitere Spule (2) enthält, die einen mit dem Masseanschluß verbundenen Anschluß und einen weiteren, mit einem Ausgangsanschluß der Anzeigeschaltung verbundenen Anschluß aufweist.

4. Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus nach Anspruch 3, bei der der Kern (4) und die auf den Kern gewickelten Spulen (3, 2) jeweils aus zwei Abteilungen bestehen und die Spulenabteilungen differentiell verbunden sind.

5. Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der eine Kapazität (5) über den Anschlüsse des nichtlinearen Induktivitätselementes (3) zur Bildung einer Resonanzschaltung vorgesehen ist.

6. Vorrichtung zum Feststellen von Magnetismus nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Kern ein ringartiger Kern ist.