DE4126411A1 - Kontaktfreie magnetische signaluebertragung aus rotierenden wellen mittels mitlaufender spulen und ruhender streufeldsensoren - Google Patents

Description

Gattung des Anmeldungsgegenstandes

Hochsensible Technik zur kontaktfreien und analogen magnetischen Signalübertragung aus rotierenden - oder auch ruhenden - Syste­ men mit dem Ziel der astatisierten und verzerrungsfreien Messung und Registrierung kleinster elektrischer Gleich- und Wechsel­ spannungssignale - bis in den Bereich von Nanoampere bzw. eini­ ger 10^-8 Volt, basierend auf der kombinierten Anwendung von mitrotierenden, gegeneinandergeschalteten Signal-Auskoppelspulen und ihnen gegenüber ruhenden, astatisierten Magnetfeldsonden zur Streufeldmessung an diesen Spulenpaaren - sowie auf der nachfol­ genden Lock-in-Verstärkung der so übertragenen periodischen Signale.

Angaben zur Gattung

Die kontaktfreie magnetische Signalübertragung aus rotierenden Systemen mittels mitrotierender Auskoppelspulen und ruhender, astatisierter Magnetfeldsonden soll in Wissenschaft und ange­ wandter Technik die ungestörte, verzerrungs- und hysteresefreie analoge Informationsübertragung gewährleisten, wenn höchste Empfindlichkeit gefordert ist, alternative optoelektronische oder induktive Verfahren und Modulationstechniken jedoch entwe­ der nicht angewandt werden können, oder aber die benötigte Auf­ lösung nicht erbringen.

Stand der Technik mit Fundstellen

Die Übertragung elektrischer Signale von rotierenden Wellen, allgemein: aus rotierenden Systemen, ist selbstverständlich ein meßtechnisches Problem, das in vielfältigsten Variationen in zahlreichen Bereichen der angewandten Technik immer wieder auf­ tritt. Die Lösungen sind technisch anspruchsvoll sowie Schleif­ kontakte ausgeschlossen und die Signale berührungslos übermit­ telt werden müssen.

Kontaktfreie Signalübertragung kann z. B. optoelektronisch er­ folgen:
Uhle M. in Elektro-Anz., 29 (1976) 3, 37-39.

Unter den magnetisch arbeitenden Verfahren überwiegen die induk­ tiven Kopplungstechniken:
Kubach H., Heinze J.: Mess. u. Prüfen (Germany), vol. 5, no. 6 (1969), 421-422;
Schleuniger F.: Brown Boveri Rev. (Switzerland), vol. 63, no. 8 (1976), 532-533;
McLyman W. T.: Proc. 6th Int. PCJ 1983 Conf., Orlando, USA (1983), p. 48-59;
N. N.: Elektrotech. Cas. (Czechoslovakia), vol. 39, no. 6 (1988), 489-491.

Ein magneto-optisch funktionierendes Verfahren wird beschrieben bei:
Nomura T., Tokumaru H.: Trans. Inst. Electron. & Commun. Eng. Jpn. Part C (Japan), vol. J. 67C, no. 11 (1984), 871- 878.

Methoden zur kontaktfreien Signalübertragung, welche ein Paar mitrotierender identischer, aber gegengeschalteter Auskoppel­ spulen mit ruhenden astatisierten Magnetfeldsonden kombinieren, also Elemente der induktiven und der Sensortechnik vereinen, scheinen bislang noch nicht beschrieben worden zu sein.

Kritik des Standes der Technik

Im engeren Sinne verwandt mit den Varianten der hier vorgestell­ ten Technik sind nur die induktiv arbeitenden Methoden. Sie lassen sich relativ kompakt und raumsparend ausformen, erzielen jedoch diskutable und für die Übertragung sehr schwacher Signale unerläßliche Kopplungsgrade nur bei Verwendung hochpermeabler, meist ferritischer Spulenkerne. Dadurch entstehen aber prinzi­ piell hysteresebedingte Verluste und Nichtlinearitäten. Zudem ist dann der jeweilige "Arbeitspunkt" von äußeren magnetischen Störfeldern empfindlich abhängig.

Aufgabe

Siehe die obigen "Angaben zur Gattung".

Lösung

Die Aufgabe wird bei gattungsgemäßer Anordnung durch die kenn­ zeichnenden Ansprüche I und II gelöst.

Erzielbare Vorteile

Die erzielbaren Vorteile bestehen

• - in einer sehr hohen Empfindlichkeit und Auflösung moderner Magnetfeldsensoren,
• - in der Möglichkeit zur quantitativen, absolut eichbaren analogen und kontaktfreien Signalübertragung,
• - in der periodischen, für nachfolgende Lock-in-Verstärkung geeigneten Aufbereitung der elektrischen Signale.

Ausführung Ausführungsbeispiele: I. Variante A aus Anspruch I

Die prinzipielle Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

1. Dimensionen

Die rotierende Welle habe einen Durchmesser von 2 · R=8 mm.

1.1 Auskoppelspulen

Auf der Welle sitzen nach Art der Fig. 1 zwei gegeneinander geschaltete, ansonsten identische Auskoppelspulen, deren typi­ sche Maße jeweils betragen könnten:

Spulenlänge 1 = 10 mm;
lichte Wickelweite d₁ = 10 mm;
maximaler Wickeldurchmesser d_m = 25 mm;
Drahtstärke: 0,07 mm (Kupferlackdraht);
Windungszahl n = 10 000;
Ohmscher Widerstand R_Ω = 10 kΩ.

Daraus ergibt sich ein mittlerer Wickelradius von =0,87 cm und eine entsprechende Querschnittsfläche F_q=2,38 · 10^-4 m². Die Selbstinduktivität einer solchen Spule liegt demnach in der Größenordnung von L≈3 [Henry].

Das bedeutet: für Signal-Frequenzen von 250 Hz übertrifft der Gesamtwiderstand

einer Spule den rein Ohm­ schen Anteil erst um 10%, für =100 Hz trägt der induktive Widerstand ωL nur noch 1,7% zu R_ges. bei.

1.2 Förstersonden

Die Linearabmessungen der kommerziellen Förstersonden betragen 10 · 10 · 60 mm³. Entscheidend sind folgende weitere Eigenschaften:

• 1. Die Nachweis- oder Auflösungsgrenze für magnetische Felder liegt bei 0,1 γ=10^-6 Oersted.
• 2. Äußere Felder bis zur Größenordnung des Erdmagnetfel­ des können intern kompensiert werden.
• 3. Die Betriebsfrequenz liegt bei 10 kHz, Signalfrequen­ zen _Sig.100 Hz können unverfälscht registriert werden.

2. Nachweisempfindlichkeit

Das magnetische Moment einer vom Strom i durchflossenen Spule mit Windungszahl n und effektivem Querschnitt F_q beträgt M=µ₀niF_q, im vorliegenden Beispiel ist M=2,98 · 10^-6 · i [V · sec · m], wobei der Strom i in Ampere anzugeben ist.

Setzt man auch im Spulennahbereich näherungsweise eine dipolartige Feldverteilung voraus, so ergibt sich für die Streu­ feldkomponente vor der Stirnfläche der Spule und senkrecht zur Spulenachse im Aufpunkt mit den Koordinaten (x, y, z), vergl. Fig. 5, der Ausdruck:

Wählt man nun für den Aufpunkt beispielsweise x=1,5 cm, y=0 cm, z=1 cm, so folgt H_x=0,56 · 10⁶ · i [A/m], oder

i = 1,78 · 10^-6 · H_x [A].

Die Nachweisempfindlichkeit kommerzieller Förstersonden liegt bei 10^-3 A/m, bei Spezialsonden sogar deutlich unter 10^-4 A/m. Demnach lassen sich im vorliegenden Beispiel noch Ströme von i_min1,8 · 10^-9 A durch ihre radiale Streufeldkomponente H_x nachweisen.

Bei zwei gegengeschalteten Spulen gemäß Fig. 1 verdoppelt sich das Streufeld im Aufpunkt und man erhält - ohne Verwendung von Spezialsonden - bereits eine Signalstromauflösung von i_min 0,9 · 10^-9 A! Dem entspricht bei zwei in Reihe geschalteten Spu­ len von je 10 kΩ Innenwiderstand eine Spannungsauflösung von U_min 18 · 10^-6 Volt=18 µVolt. Diese Grenze kann bei Verwendung von drei Sondenpaaren bereits auf 6 µVolt herabgedrückt werden. Mit Spezialsonden dürfte die Größenordnung von 1 µVolt noch unter­ schritten werden können.

3. Lock-in-Verstärkung

Prinzipiell wirken natürlich auch kleinere magnetische Streufel­ der als die oben genannten Grenzwerte auf die Förstersonden ein, nur vermögen die so erzeugten Signalspannungen das Sondenrau­ schen nicht mehr zu übertreffen - das Signal-Rausch-Verhältnis wird kleiner als eins: S/R<1.

Sind diese Signale jedoch periodisch und von fester Phasen­ beziehung zu einem Referenzsignal gleicher Frequenz, so kann das Signal-Rausch-Verhältnis mit Hilfe der Lock-in-Technik erheblich verbessert werden: das Signal läßt sich im Rauschen erkennen und identifizieren und daher auch herausverstärken. Auf diese Weise sollten nochmalige Empfindlichkeitssteigerungen um wenigstens eine Größenordnung möglich sein.

II. Variante B aus Anspruch I

Die prinzipielle Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt.

Dimensionen

Der Durchmesser der rotierenden Welle betrage wie unter I.1 (Ausführung) 2 · R=8 mm.

1.1 Auskoppelspulen

Die zwei Auskoppelspulen mögen identische Abmessungen wie die unter I.1.1 angegebenen haben. Insbesondere sei die jeweilige Querschnittsfläche wieder F_q=2,38 · 10^-4 m². Die Selbstinduktivi­ tät betrage L≈3 [Henry].

1.2 Förstersonden

Das unter I.1.2 Gesagte gelte hier ebenfalls.

2. Nachweisempfindlichkeit

Das magnetische Moment einer vom Strom i durchflossenen Spule mit Windungszahl n und effektivem Querschnitt F_q beträgt M= µ₀ · n · i · F_q, bei obigen Dimensionen ist M=2,98 · 10^-6 · i [V · sec · m], wobei i in Ampere anzugeben ist.

Für die axiale Streufeldkomponente vor der Stirnfläche einer Spule gilt näherungsweise

wenn r den Abstand des Aufpunktes von der Stirnfläche bezeich­ net. Setzt man für r=1,5 cm, so folgt

i = 0,71 · 10^-6 · H_Str. [A]

für den minimalen Spulenstrom, dessen in A/m anzugebendes Streu­ feld noch nachgewiesen werden kann.

Beim Einsatz von Spezialförstersonden der Auflösung

(H_Str.)_min ≈ 10^-4 A/m ergibt sich i_min ≈ 0,7 · 10^-10 A.

Dem entspricht bei einem Spuleninnenwiderstand von10⁴ Ω eine Signalspannungsauflösung von U_min ≈ 0,7 · 10^-6 Volt=0,7 µVolt.

3. Lock-in-Verstärkung

Wiederum sind in der obigen Signalauflösung der zu erwartende Lock-in-Effekt und die durch ihn mögliche zusätzliche Signal- Rausch-Verbesserung noch nicht berücksichtigt.

Claims (5)

1. Oberbegriff
2. 1. Kontaktfreie magnetische Signalübertragung aus rotierenden Wellen - und auch ruhenden Systemen - zur analogen, hoch­ auflösenden, astatisierten und verzerrungsfreien Messung oder Registrierung sehr kleiner elektrischer Gleich- und Wechselspannungssignale - bis in den Bereich von Nanoampere bzw. deutlich weniger als 100 Nanovolt hinab -, basierend auf der kombinierten Anwendung von Lock-in-Technik und empfindlichen Magnetfeldsonden in "Spinner"-Anordnung, d. h. zur ruhenden Streufeldmessung an rotierenden (oder eben­ falls ruhenden) Spulen. Kennzeichnender Teil
   Variante A: Kontaktfreie, doppelt astatisierte magnetische Si­ gnalübertragung aus rotierenden - oder ruhenden - Systemen, be­ sonders geeignet für die nachfolgende Lock-in-Verstärkung im Falle periodischer Signale, deren Frequenz mit der Rotations­ frequenz übereinstimmen kann, jedoch nicht muß; gekennzeichnet durch

   • a) zwei in geringem Abstand auf der rotierenden unmagnetischen Achse übereinander und parallel zu ihr angebrachte Auskop­ pelspulen identischer Dimensionen, jedoch entgegengesetzten Wickelsinnes (erste Astatisierung zur Kompensierung ein­ streuender Störfelder);
   • b) drei Paare jeweils untereinander antiparalleler, zur Rota­ tionsachse radial und diametral ausgerichteter Försterson­ den, die entlang der Rotationsachse vor der Stirnfläche der ersten Auskoppelspule, zwischen den aufeinanderfolgenden inneren Stirnflächen beider Spulen und nach der letzten Stirnfläche der zweiten Spule so angeordnet sind, daß sie jeweils die maximalen radialen Magnetfeldkomponenten der vom Signalstrom durchflossenen, gegeneinander geschalteten Spulen zu registrieren und über einen Sondenadapter zu summieren erlauben, während Einflüsse äußerer Störfelder sich wieder paarweise wegkompensieren (zweite Astatisie­ rung) müssen, vergl. Fig. 1;
   • c) einen elektrischen Referenz-Signalgeber, bestehend aus diametral zu beiden Seiten des radial durchbohrten rotie­ renden Schaftes angeordneter Lichtquelle und Photodiode, womit im Falle übereinstimmender Signal- und Rotationsfre­ quenz die Voraussetzungen für eine Lock-in-Weiterverstär­ kung der ausgekoppelten Signalspannung gegeben sind;
   • d) ein System aus drei zueinander senkrechten Helmholtz-Spu­ lenpaaren zur komponentenweisen Kompensation des Erdmagnet­ feldes (und des homogenen Anteiles eventueller äußerer Störfelder) am Ort der Signalübertragung mit einer Genau­ igkeit von 10^-5 Oersted als Voraussetzung zum Betrieb der Förstersonden auf ihrem empfindlichsten Meßbereich;
   • e) die Möglichkeit, zusätzlich zur doppelten Astatisierung der Signalauskopplung, störende äußere Magnetfelder durch achs­ parallele ein- oder mehrlagige Abschirmungszylinder aus hochpermeablem Material, etwa Co-Netic-Folien, um einen Faktor der Größenordnung 100 abzuschwächen.
3. Variante B: Kontaktfreie, doppelt astatisierte magnetische Si­ gnalübertragung aus rotierenden Systemen, besonders geeignet für die nachfolgende Lock-in-Verstärkung nichtperiodischer, konstan­ ter oder langsam gegenüber der Rotationsfrequenz veränderlicher schwacher und schwächster elektrischer Signale, gekennzeichnet durch:

   • 1. zwei in geringem Abstand übereinander auf der rotierenden Achse angebrachte Auskoppelspulen identischer Dimensionen, jedoch entgegengesetzten Wickelsinnes (erste Astatisie­ rung), deren Achsen untereinander parallel sind und auf der Rotationsachse senkrecht stehen, vergl. Fig. 2;
   • 2. zwei Paare jeweils untereinander antiparallel ausgerichte­ ter, auf der Höhe der Spulenachsen radial und diametral zur Rotationsachse angebrachter Förstersonden, zwischen denen Rotationsschaft und gegeneinandergeschaltete Koppelspulen so rotieren, daß die magnetischen Momente der letzteren in den Förstersonden gleichgerichtete periodische Signale erzeugen, die sich über einen Sondenadapter summieren las­ sen, während Einflüsse äußerer Störfelder sich in den paar­ weise gegeneinander angeordneten Sonden wegkompensieren müssen (zweite Astatisierung);
   • 3. einen elektrischen Referenz-Signalgeber entsprechend der unter Variante A, Punkt 3 beschriebenen Anordnung;
   • 4. drei zueinander senkrechte Helmholtz-Spulenpaare wie bei Variante A;
   • 5. die Möglichkeit zur zusätzlichen Abschirmung äußerer magne­ tischer Störungen analog zu dem in Variante A, Punkt 5 dar­ gelegten Verfahren.
4. Variante C: Kontaktfreie, doppelt astatisierte magnetische Si­ gnalübertragung aus rotierenden - oder ruhenden - Systemen, vereinfacht gegenüber Variante A durch die Benutzung lediglich eines, des mittleren Sondenpaares, vergl. Fig. 3, gekennzeichnet im übrigen durch die unter Variante A aufgezählten Merkmale Punkt 1 bis Punkt 5.
   Variante D: Kontaktfreie, doppelt astatisierte magnetische Si­ gnalübertragung aus rotierenden Systemen, vereinfacht gegenüber Variante B darin, daß nur ein Paar antiparalleler (astatisier­ ter) Sonden verwendet und dabei in einer durch die Rotations­ achse verlaufenden Ebene zu beiden Seiten dieser Achse äquidi­ stant und antiparallel zu ihr derart angeordnet wird, vergl. Fig. 4, daß sich die achsparallelen Komponente des resultieren­ den Streuflusses der beiden gegeneinander geschalteten Signal­ spulen optimal registrieren lassen; gekennzeichnet im übrigen durch die unter Variante B aufgezählten Merkmale Punkt 1 bis 5. Oberbegriff des Unteranspruches
5. 2. Höchstauflösende kontaktfreie magnetische Signalübertragung aus rotierenden - und ruhenden - Systemen nach Anspruch I, Variante A bis D. Kennzeichnender Teil des Unteranspruches dadurch gekennzeichnet, daß die in der Beschreibung der Varian­ ten A bis D verwendeten Förstersonden auch durch physikalisch anders arbeitende, vektoriell registrierende Magnetfeldsonden hinreichend hoher Auflösung ersetzt werden können, insbesondere durch entsprechend orientierte und plazierte Hall-Sonden - in Extremfällen sogar durch supraleitende Squid-Detektoren.