DE3828028A1

DE3828028A1 - Verfahren zur messung von magnetischen feldern

Info

Publication number: DE3828028A1
Application number: DE19883828028
Authority: DE
Inventors: Alfred Bruehn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-18
Filing date: 1988-08-18
Publication date: 1990-02-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Betrag und Richtung von magnetischen Feldern unter Anwendung von mindestens zwei in einem Winkelabstand angesordneten Hall- Generatoren.

Es ist bekannt, daß beim Aufbau eines sehr empfindlichen Meßplatzes magnetische Störeinstreuungen in die Meßapparatur eine Rolle spielen. Ein Beispiel hierfür ist die zu beobach tende Brummeinstreuung aus dem 50-Hz-Netz. Es gibt hierbei zwei Möglichkeiten, nämlich entweder eine Einstreuung durch elektrische oder durch magnetische Felder. Dabei ist es bei magnetischen Feldern wesentlich, aus welcher Richtung diese Felder auf die Meßapparatur treffen.

Abgesehen davon, daß mit bekannten Meßeinrichtungen diese Frage nicht ohne weiteres geklärt werden konnte, kam noch das Problem der Dimensionierung der Vorrichtungen hinzu, da in vielen Fällen für Messungen nur ein äußerst kleiner Raum zur Verfügung steht. Es fehlten daher auch noch entsprechend kleine Meßvorrichtungen.

Es wurden verschiedene Versuche mit magnetischen Sensoren durchgeführt, die mehr oder weniger positiv verliefen. Da bei wurden unterschiedliche Sensoren, beispielsweise Feld plattenfühler verwendet. Wenn damit auch teilweise zufrie denstellende Ergebnisse erzielt wurden, scheiterte der Ein satz insbesondere da, wo sehr kleine Vorrichtungen benötigt wurden.

Grundsätzlich sind Sensoren zur Bestimmung von magnetischen Feldern sowie Vorrichtungen, die die Richtung eines Magnet feldes über Sensorkombinationen und deren Verrechnungen be stimmen bekannt. Dabei gibt es auch bereits Verfahren, die als Sensoren Hall-Generatoren oder Magnetometeranordnungen verwenden. Solche Sensoren, einzeln oder in orthogonaler An ordnung, bestimmen unter anderem die Richtung eines Magnet feldes unter Ausnutzung von Bewegungen der Sensoranordnung. So werden beispielsweise die Minima und Maxima des Magnetfel des durch Rotation der Anordnung bestimmt und daraus die Rich tung ermittelt.

Ein anderes bekanntes Verfahren beschreibt eine 90°-Anordnung unter Ausnutzung der zweiten Harmonischen der Oberwellen ei nes Magnetometers.

Alle diese bekannten Verfahren reichen aber in ihrer Empfind lichkeit gegenüber einer Meßgröße nicht aus, um die gestellte Aufgabe zu lösen.

Diese Aufgabe lag darin, ein Verfahren der eingangs genann ten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine der Magnet feldrichtung proportionale elektrische Größe direkt, also ohne wesentliche Umwege zu gewinnen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man die beiden Erregerströme der Hall- Generatoren so auslegt, daß über die Additionstheoreme sofort eine Phasenverschiebung in einem Summensignal entsteht.

Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es wurde gefunden, daß die beiden Erregerströme der Hall-Ge neratoren bei entsprechender Auslegung über die Additions theoreme eine hochgenaue Bestimmung der Einfallsrichtung eines magnetischen Feldes ermöglichen, und dies ohne wesentliche Umwege. Dabei ist es möglich, durch eine hochempfindliche Phasenmessung eine sehr genaue Richtungsbestimmung mit ei ner kleinstmöglichen Meßvorrichtung vorzunehmen.

Es hat sich gezeigt, daß eine solche Anordnung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur geeignet ist, Sörungen auszumessen, sondern auch für eine Reihe wei terer Gebiete eingesetzt werden kann, und zwar sowohl hin sichtlich der Genauigkeit der Meßergebnisse als auch hinsicht lich der kleinen Dimensionierung einer Vorrichtung. So kann das Verfahren für einen elektronischen Kompaß und zur Ausmessung und Detektion von magnetischen Störfeldern, insbesondere von durch das Stromnetz verursachten Störungen genutzt werden. Das Verfahren ist ferner auch geeignet für die Ausnutzung einer zweiten, um einen bestimmten Frequenzbetrag von der für die Erregung genutzten Frequenz liegenden Frequenz, um eine ver größerte, leichter zu messende Zeitdifferenz durch Schwebungs bildung in einem Meßzweig und einem Referenzzweig zu gewinnen.

Weitere Anwendungsgebiete sind ebenfalls denkbar.

Nachdem gefunden wurde, daß bei entsprechender Auslegung der beiden Erregerströme der Hall-Generatoren über die Additions theoreme der Trigonometrie sofort eine Phasenverschiebung in einem Summensignal entsteht, war es möglich, Meßanordnungen zur hochgenauen Bestimmung der Einfallsrichtung eines magne tischen Feldes herzustellen.

Da die Winkelbestimmung entsprechend einem Vollkreis von 360° durchzuführen war, erfolgte die Repräsentation des Lagewinkels eines Magnetfeldes in der Phasenlage in Form eines periodischen Signals, zweckmäßig eines Sinussignals. Das auf diese Weise vom Sensor abgegebene phasencodierte Signal wurde so ausgewertet, daß die Lage eines am Sensor anstehenden magnetischen Feldes direkt in Winkelgrade angezeigt wird.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele und der Darstellungen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung von zwei Hall-Generatoren in einem Winkel von 90° zueinander,;

Fig. 2 eine Anordnung von zwei Hall-Generatoren in einer nicht genauen 90°-Winkelstellung;

Fig. 3 und 4 schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Wenn zwei Hall-Generatoren in einem Winkel von 90° zueinan der angeordnet werden und ein beliebig gerichtetes Magnet feld B wirkt auf diese Hall-Generatoren ein, wird an jedem Hall-Generator eine unterschiedliche Komponente dieses Mag netfeldes wirksam.

Ohne generelle Beschränkung hierauf wird auf eine zweidimen sionale Betrachtung gemäß Fig. 1 Bezug genommen.

Eine um jeweils 90° versetzte Anordnung von zwei Hall-Genera toren 1 und 2 führt dazu, daß diese jeweils eine Komponente unter dem im Winkel einfallenden Magnetfeldes B "wahrnehmen". Im dargestellten Beispiel Fig. 1 sind das die Komponenten

B _x = B₀ cos ϕ und B _y = B₀ sin ϕ.

Die Komponente in x-Richtung, also B _x, die mit dem Hall-Generator 2 gemessen wird, hat die Feldstärke

B _x = B₀ cos ϕ (Ia)

Entsprechend gilt für die Komponente B _y, die mit dem Hall-Generator 1 gemessen wird, die Feldstärke

B _y = B₀ sin d (Ib)

Betrachtet man nun die Hall-Spannung, die ein Hall-Generator abgibt, also

E _hall = B · i · k, mit k = μ v (II)

wobei
μ = konstruktionsabhängige Parameter und
v = Verstärkung
bedeuten
mit dem vom Hall-Generator, also dessen Bauweise, Typ, Do tierung usw., und von der Beschaltung, also Verstärkungs faktor usw., abhängigem Parameter k, wird in jedem Hall- Generator 1 und 2 das Produkt aus Feldstärke B und Erregungs strom I gebildet. Dies ist ein wesentliches Merkmal.

Die verschiedenen Komponenten für die beiden Hall-Generato ren untereinandergeschrieben, also

E _x = B _x · i₁ · k 1 = B₀ · cos ϕ · i₁ k 1 x-Komponente (IIIa)
und
E _y = B _y · i₂ · k 2 = B₀ · sin ϕ · i₂ k 2 y-Komponente (IIIb)

zeigen, daß die Feldstärke B₀ in beiden Hall-Generatoren 1 und 2 jeweils mit einer Richtungskomponente vertreten ist, die durch den jeweiligen Anteil sin ϕ und cos ϕ beschrieben wird.

Durch entsprechende Wahl der Erregerströme i ₁ und i ₂ wird nicht nur erreicht, daß sich der Lagewinkel in der Phasenla ge des Sinussignals repräsentiert, sondern aufgrund der Pha sencodierung auch eine leichte und sehr genaue Auswertung durch einen "parametrischen Verstärkungseffekt" möglich ist, bei dem ein vorgegebenes Frequenzverhältnis die gewünschte Meß- bzw. Anzeigegenauigkeit bestimmt.

Wenn für die Erregerströme zur Messung der x-Komponente ein sinusförmiges und zur Messung der y-Komponente entsprechend ein cosinusförmiger Strom gewählt wird, zeigt (III), daß die Additionstheoreme der Winkelfunktionen erfüllt sind. Die Summierung der Spannungen E _x und E _y ergibt eine sinus förmige Summenspannung, bei der eine Phasenverschiebung ge genüber dem vorgegebenen Erregerstrom i.sin (wt) gerade um den Lagewinkel des Magnetfeldes B verschoben ist.

Durch entsprechende Wahl des Verstärkungsfaktors v (II) kön nen die Parameter k 1 und k 2 ohne weiteres gleich gehalten werden.

E _ε = E _x + E _y = B₀ · k 1 · ₁ · sin wt · cos ϕ + B₀ · k 2 · - ₂ · cos wt · sin ϕ (IV)

mit k 1 = k 2 = k
(also μ₁ v₁ = μ₂ v₂ = k bzw. (falls ₁ ≠ ₂) μ₁ v₁ ₁ = μ₂ v₂ ₂ = k):

= k · B₀ · (cos ϕ · sin wt + sin ϕ · cos wt)
= k · B₀ · sin (wt + ϕ)d ϕ.

Damit ist die Sensoraufgabe erfüllt:

Die Messung des Winkels, also die Messung der Richtung der Feldstärke B _o in dem Koordinatensystem, das durch die Anordnung der Hall-Generatoren gebildet wird, ist auf die Messung der Phasenverschiebung der Summenspannung in (IV) direkt zurückzu führen.

Es wurde gefunden, daß nicht eine exakte 90°-Anordnung der Hall-Generatoren erforderlich ist. Es genügt, wenn diese 90°- Forderung nur näherungsweise erfüllt wird.

Fig. 2 zeigt eine solche Fehlanordnung einer der Hall-Genera toren G 2 um den Winkel ψ. Von diesem Hall-Generator G 2 wird ein um den Faktor cos ψ veränderter Wert der Magnetfeldkompo nente "wahrgenommen". Bildet man damit wie oben die Summen der Hallspannungen, dann wird die Forderung k 1 = k 2 dann er füllt, wenn

i₁ μ₁v₁ cos ϕ = i₂ μ₂v₂ = K

gilt, also wieder eine über die Verstärkung erfüllbare Bedin gung:

E = E _x + E _y = (B₀ · k 1 · i₁) · sin ϕ · cos wt + (B₀ · k 2 · i₂ · -cos ϕ) cos ϕ sin wt = B₀ · K · sin (wt + ϕ).

Daraus ergibt sich, daß die Fehlanordnung des Hall-Generators G 2 zu einer um cosϕ veränderten Magnetfeldkomponente führt, die auf diesen Hall-Generator G 2 einwirkt. Wieder repräsen tiert sich aber der Winkel, unter dem das Magnetfeld die An ordnung durchdringt, in der Phasenverschiebung des resultie renden Summensignals.

Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Schaltung ist so aufgebaut, daß sie in der Lage ist, alle benötigten Frequenzen festzulegen.

Das sind zunächst die für die Erregung und zur Festlegung der Schwebungsfrequenz erforderlichen, jeweils um 90° verschobenen Signalfrequenzen gemäß Sinus und Cosinus. Hierzu ist ein Quarz generator 10 vorgesehen, der die beiden Grundfrequenzen lie fert, nämlich einerseite die relativ hohen Frequenzen 1 a und 1 b zur Erzeugung der Erregerströme 7 a und 7 b der Hall-Generatoren G 1 und G 2, wobei 7 a die Sinuserregung und 7 b die Cosinuserre gung ist. Durch einen Teiler T wird eine niedrigere Frequenz 2 a und 2 b erzeugt, die letztendlich die gewünschte Schwebungs periode bestimmen soll.

Von jeder Frequenz wird ein Sinus- und ein Cosinussignal benö tigt und dies wird durch eine 90°-Phasenverschiebung in einem Phasenschieber 3 erreicht, der den Multiplizierern 4 vorge schaltet ist, denen eine Addition 5 nachgeschaltet ist. Durch diese Anordnung wird die um die Schwebungsfrequenz "benachbar te Frequenz" 6 erzeugt, wofür das Additionstheorem ausgenutzt wird. Dabei wird das um einen bestimmten Betrag in seiner Fre quenz verschobene "Referenzsignal" wiederum aus der "Hoch-Fre quenz" - sin und cos - und der "Niederfrequenz" - in sin und cos - erzeugt, und zwar gemäß

sin (w + d) t = sin (wt) · cos (dt) + cos (wt) · sin (dt).

Die hierzu erforderlichen Rechenfunktionen werden durch die Multiplizierer 4 und die anschließende Addition 5 realisiert.

Auf die senkrecht angeordneten Hall-Generatoren G 1 und G 2 werden die sin- und cos-Signale strommäßig geschaltet. Dazu werden die Spannungen in den den Hall-Generatoren G 1 und G 2 vorgeschalteten U/I-Wandlern 7 in Ströme gewandelt. Die Hall- Spannungen werden mit Verstärkern 8 abgegriffen. Einer der Verstärker 8 hat einen einstellbaren Verstärkungsfaktor, um die Bedingung k 1=k 2=K erfüllen zu können.

Die beiden Ausgangsspannungen der Verstärker 8 werden in 9 summiert, oder gleichwertig subtrahiert, woraus sich das pha sencodierte Sinussignal ergibt, das bereits die Lage des Magnetfeldes repräsentiert. Das aus dem Rechner 9 kommende phasencodierte Signal hoher Frequenz 9 a und das um einen be stimmten Frequenzbetrag verschobene Sinussignal 6 werden nun zum Summensignal 10 addiert und bilden eine erste Schwebung 10 a.

Entsprechendes geschieht mit der ursprünglichen Sinusfunktion, also der hohen Frequenz, die keine Phasenverschiebung aufweist. Dies liefert eine "Referenzschwebung" 11 a.

Zur Auswertung sind die 0-Durchgänge der Schwebungen durch 0-Detektoren 12 zu bestimmen, auszuwerten und/oder zur Anzeige zu bringen.

Im einfachsten, in Fig. 3 dargestellten Fall, ist hierzu ein Zähler 13 mit dem 0-Durchgang der "Referenzschwebung" 11 a zu starten und mit dem folgenden 0-Durchgang der "Meß-Schwebung" zu stoppen. Der Zählerstand wird dann in einer Einrichtung 14 zur Anzeige bzw. Auswertung gebracht.

Eine entsprechende Wahl des Frequenzverhältnisses von Erregung und Schwebung, also die Wahl des Teilerverhältnisses im Teiler T erlaubt die direkte Umsetzung in Grad, 0.1 Grad, 0.01 Grad und so fort.

In Fig. 4 sind die Signale getrennt dargestellt. Zur Verein fachung sind die Blöcke teilweise weggelassen und unter SENS 1 und SENS 2 sind die Funktionskomponenten U/I-Wandler, Hall-Generator und Verstärker zusammengefaßt.

Gezeigt ist der Signalweg

1. bis zur Erzeugung des Signals sin (w+d)t,
2. die Erzeugung des phasencodierten Meßsignals 9 a und
3. die Entstehung der Schwebung mit halber Phasenverschiebung und der dadurch entstehenden "Zeitverstärkung".

Bei der Erzeugung des phasencodierten Meßsignals 9 a ist zu er kennen, daß sich die Phasenverschiebung praktisch aus dem am plitudenmäßig unterschiedlichen Sinus- und Cosinusanteil er gibt und dieser wiederum aus der Magnetfeldkomponente.

Zeichenerklärung:

₁ und ₂ Erregerstrom 1 und 2
Amplitude von Sinus- und Cosinussignal
w, ω Kreisfrequenz
k Verrechnungskonstante
B Feldstärke
v Verstärkung
ϕ Phasenverschiebung - Lagewinkel des Magnetfeldes
ψ Winkelabweichung
μ konstruktionsabhängige Parameter

Claims

1. Verfahren zur Messung von Betrag und Richtung von magneti schen Feldern unter Anwendung von mindestens zwei in einem Winkelabstand angeordneten Hall-Generatoren, dadurch gekennzeichnet, daß man die beiden Erregerströme der Hall-Generatoren so auslegt, daß über die Additionstheoreme sofort eine Phasenverschiebung in einem Summensignal entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hallspannungen der durch Sinus und Cosinus erregten Hall- Generatoren summiert und dabei eine dem Lagewinkel direkt proportionale Größe, die Phasenverschiebung gewinnt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Generatoren in einem Winkel von 90° angeordnet wer den.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine dreidimensionale Feldbestimmung drei orthogonal angeord nete Hall-Generatoren paarweise ausgewertet werden, wobei die drei sich durch Anordnung der Hall-Generatoren ergebenden Ko ordinaten drei unabhängige Meßanordnungen bilden.