DE4200156A1 - Vorrichtung zum bestimmen der staerke eines magnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum Be­ stimmen der Stärke eines Magnetfelds von vorgegebener Aus­ richtung mit einem Magnetfeldsensor und mit einer damit verbundenen elektrischen Auswerteschaltung.

Es ist bekannt, als Magnetfeldsensor einen Hall-Sensor zu verwenden. So zeigt die EP-B-02 63 775 einen Reifendruck­ wächter, bei welchem im Felgenring des Rades ein Falten­ balg verschieblich gelagert ist, der von innen mit dem Luftdruck des Reifens beaufschlagt ist, sich parallel zur Radachse erstreckt und an seinem äußeren Ende einen Dauer­ magnet trägt. Da die Dehnung des Faltenbalges vom Luftdruck abhängt, hängt auch die Lage des Dauermagneten vom Luftdruck ab. Der Dauermagnet rotiert an einem an der Radaufhängung ange­ brachten Hall-Sensor vorbei, der ein vom Magnetfluß und damit von der Lage des Dauermagneten abhängiges Signal abgibt, welches einer elektrischen Auswerteschaltung zugeführt wird.

Nachteilig dabei ist, daß der Hall-Sensor ein aktives Bauele­ ment ist und deshalb eine Energieversorgung benötigt. Deshalb gehen vom Hall-Sensor wenigstens drei Leitungen aus. Fahrzeuge enthalten heute aber bereits so viele elektrische und elek­ tronische Bauteile, daß es für die Ingenieure ein großen Problem ist, die dafür benötigten Kabelbäume unterzubringen. Es besteht deshalb ein Bedürfnis, die Anzahl der elektrischen Leitungen so klein wie möglich zu halten. Ein weiterer Nachteil der Hall- Sensoren liegt darin, daß sie temperaturempfindlich sind. Ihr Arbeitsbereich ist auf Temperaturen von -40 bis ungefähr +120°C- 150°C beschränkt. Bei Anwendungen an Fahrzeugrädern können jedoch höhere Temperaturen auftreten, weil die in der Nähe liegenden Bremsscheiben zeitweise eine erhebliche Wärme abstrahlen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche nicht mehr als zwei Zuleitungen benötigt und höhere Temperaturen aushält als ein Hall-Sensor.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird als Magnetfeldsensor eine feste An­ ordnung aus einem Elektromagneten und aus einem mit diesem in Reihe geschalteten elektrischen Widerstand mit magnet­ feldabhängiger Leitfähigkeit (Magnetoresistor) verwendet. Ein solcher Magnetfeldsensor kommt mit zwei Zuleitungen aus und eignet sich für den Einsatz in Temperaturbereichen von -40°C bis wenigstens +200°C. Vorteilhaft ist auch, daß Magnetoresistoren verglichen mit Hall-Sensoren einen sehr günstigen Preis haben; nachteilig ist bei ihnen jedoch, daß die Abhängigkeit ihres elektrischen Widerstandes vom magneti­ schen Fluß einer quadratischen Kennlinie folgt und somit stark nichtlinear ist. Ihr Widerstand steigt ausgehend von ihrem Grundwiderstand R_O, der bei Abwesenheit eines Magnet­ feldes vorliegt, bei zunehmendem Magnetfluß mit dem Quadrat des Betrages des Magnetflusses an. Nachteilig ist ferner, daß sich Magnetoresistoren einer Serie schon in ihrem Grund­ widerstand R_O stark unterscheiden: Streuungen des Grundwider­ standes um 20% sind normal. Deshalb kann man Magnetoresistoren nicht ohne weiteres für genaue Magnetfeldmessungen einsetzen, sie werden vielmehr typisch als Differentialsonden zur Messung von Magnetfeldänderungen, aber nicht als Sonden zur Absolutwert­ bestimmung von magnetischen Flüssen eingesetzt.

Erfindungsgemäß wird der Magnetoresistor nunmehr in einer Art und Weise betrieben, die doch eine recht genaue Magnetfeld­ messung ermöglicht. Zu diesem Zweck wird der Magnetoresistor zunächst einmal mit einem Elektromagneten gekoppelt und mit diesem in Reihe geschaltet. Das Feld des Elektromagneten durch­ setzt den Magnetoresistor und verschiebt dessen Widerstand vom Grundwiderstand R_O ausgehend längs der Widerstands-Magnet­ fluß-Kennlinie auf einen höheren Widerstand R_a, der nach­ folgend auch als Arbeitspunkt des Magnetfeldsensors bezeich­ net wird. Der Arbeitspunkt liegt auf einem ansteigenden Ast der parabelförmigen Kennlinie. Aufgrund der Steilheitszu­ nahme der Kennlinie nimmt auch die Empfindlichkeit des Magnet­ feldsensors zu. Ein zu messendes äußeres Magnetfeld verstärkt oder schwächt, je nachdem ob es dem Feld des Elektromagneten gleich- oder entgegengerichtet ist, das selbsterzeugte Feld des Magnetfeldsensors. Damit verschiebt sich der Widerstand des Magnetoresistors aus dem Arbeitspunkt R_a heraus längs der Kennlinie. Wegen der Parabelform der Kennlinie ist die Messung allerdings stark nichtlinear.

Um die Nichtlinearität auszugleichen, ist vorgesehen, daß die Auswerteschaltung einen Regelkreis enthält, welcher durch Steuerung der Spannung U oder des Stroms I der den Magnetfeld­ sensor speisenden Stromquelle den Widerstand des Magnetoresi­ stors konstant auf den Wert R_a regelt. Zu diesem Zweck werden am Magnetfeldsensor fortlaufend Strom und Spannung gemessen und daraus mittels einer Dividiereinrichtung der Widerstand R be­ stimmt. Aus der Abweichung des bestimmten Widerstandes vom Arbeitspunkt R_a wird eine Stellgröße abgeleitet, welche den Stromfluß durch den Magnetfeldsensor so steuert, daß dessen selbst erzeugtes Magnetfeld den Einfluß des äußeren Magnet­ feldes auf den Magnetoresistor kompensiert und dadurch dessen Widerstand auf den Arbeitspunkt R_a zurückführt.

Bei einem in dieser Art funktionierenden Regelkreis ist der Strom I linear abhängig von der Größe des Magnetflusses des äußeren Feldes am Ort des Magnetoresistors. Greift man ein elektrisches Signal proportional zu I ab, so erhält man eine Meßgröße für dieses Magnetfeld.

Die Schaltung, die dieses Signal abgreift, kann es entweder zur Weiterverarbeitung in der Auswerteschaltung oder zur An­ zeige bringen.

In Weiterbildung der Erfindung kann eine Temperaturdrift des Magnetfeldsensors dadurch kompensiert werden, daß ein Referenz­ magnet vorgesehen ist, welcher am Ort des Magnetfeldsensors ein Magnetfeld von bekannter Stärke und Orientierung erzeugt. Der Magnetfeldsensor wird von Zeit zu Zeit dem bekannten Magnetfeld des Referenzmagneten anstelle des zu bestimmenden Magnetfeldes ausgesetzt. Wird dabei festgestellt, daß das von der Abgreif­ schaltung gelieferte, der Stellgröße proportionale Signal, wel­ ches vom Einfluß des Referenzmagneten herrührt, von einem Normal­ wert, welcher z. B. bei einer Temperatur von 20°C bestimmt wurde, wegdriftet, dann wird, wenn das nächste Mal das unbekannte Magnet­ feld bestimmt wird, das der Stellgröße proportionale, abgegriffene Signal um die zuvor anhand des Referenzmagneten bestimmte Drift kompensiert und dadurch der Temperatureinfluß ausgeglichen. Auch andere das Meßergebnis verfälschende Einflüsse wie z. B. eine Alte­ rung können auf diese Weise kompensiert werden.

Grundsätzlich kann man als Elektromagnet eine Luftspule verwenden. Um mit kleineren Strömen auszukommen, wird es jedoch bevorzugt, die Spule auf einem Kern mit höherer magnetischer Suszeptibili­ tät µ anzuordnen. Am besten verwendet man eine zylindrische Spule mit einem Stabkern, an dessen einem Ende man den Magneto­ resistor anbringt. Im Falle einer Luftspule könnte man den Magnetoresistor auch an einem nichtmagnetischen, z. B. kerami­ schen Kern anbringen, der hinreichend wärmebeständig ist und zugleich als Träger für die Spule dienen kann. Als Magneto­ resistor wird vorzugsweise ein Feldplatten-Magnetsensor ver­ wendet, insbesondere ein solcher, dessen magnetfeldempfindliches Material einen Halbleiter auf der Basis von Indium-Antimonid/ Nickel-Antimonid enthält.

Die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt in einem Reifendruckwächter, wie er in der EP-B-02 63 775 beschrieben ist: Der Magnetfeldsensor ist ortsfest an einem Teil der Radaufhängung angebracht und parallel zur Rad­ achse orientiert. Am Felgenring des Rades befindet sich ein Dauermagnet am Ende eines Faltenbalges, der innen vom Reifen­ druck beaufschlagt ist. Der Faltenbalg und der Dauermagnet sind parallel zur Radachse orientiert, so daß der Abstand des Dauermagneten vom Magnetfeldsensor, wenn er an diesem vorbei rotiert, vom Reifendruck abhängt. Vom Magnetfeldsensor führen zwei Leitungen in das Innere des Fahrzeugs zur Aus­ werteschaltung, die sich vorzugsweise im Bereich des Armaturen­ bretts befindet. Ein für die Temperaturkompensation vorge­ sehener Referenzmagnet befindet sich ortsfest am Felgenring, und zwar in solcher Entfernung von dem Magneten am Faltenbalg, daß deren Felder einander praktisch nicht beeinflussen; vor­ zugsweise befindet sich der Referenzmagnet an einer dem Faltenbalg diametral gegenüberliegenden Stelle des Felgenringes.

In Weiterbildung der Erfindung kann ein Magnetfeldsensor mit Kernspule auch zum Detektieren von weichmagnetischen Materialien benutzt werden. Ein solcher Sensor erzeugt selbst ein Magnet­ feld und besitzt einen magnetischen Kreis, dessen Permeabilität µ den Proportionalitätsfaktor zwischen Spulenstrom I und er­ zeugtem Magnetfeld bestimmt. Da dieses µ durch die Anwesenheit von weichmagnetischem Material in Sensornähe erhöht wird, rea­ giert der Regelkreis auf dieses Material mit einer Senkung des Stroms I.

Eine bevorzugte Anwendung dieser Weiterbildung gibt es in einem Kfz-Antiblockiersystem als Sensor zum Detektieren von Zähnen eines rotierenden Zahnkranzes am blockiergeschützten Rad.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Bestimmen der Stärke eines Magnetfeldes mit einem Magnetfeldsensor und mit einer Auswerteschaltung,

Fig. 2 zeigt im Detail den Aufbau des Magnetfeldsensors,

Fig. 3 zeigt ein typisches Beispiel für den Verlauf der Kennlinie des Magnetfeldsensors, die die Änderung des Widerstandes in Abhängigkeit vom magnetischen Kraftfluß angibt,

Fig. 4 zeigt die Anordnung des Magnetfeldsensors an einer Radaufhängung, und

Fig. 5 zeigt als Detail das Zusammenwirken des Magnetfeld­ sensors mit einem Drucksensor am Fahrzeugrad.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Magnet­ feldsensor 1 und aus einer mit diesem verbundenen Auswerteschal­ tung 2. Der Magnetfeldsensor besteht aus einem Elektromagnet 3 und aus einem Magnetoresistor 4, insbesondere ein Feldplatten- Magnetsensor, dessen Widerstand R sich mit dem Quadrat des Be­ trages des Magnetflusses B (Fig. 3) ändert.

Der Elektromagnet 3 besteht aus einer zylindrischen Spule 6 auf einem stabförmigen Kern 5, an dessen einem Ende der Magneto­ resistor 4 befestigt ist.

Die Auswerteschaltung 2 enthält eine steuerbare Stromquelle 71 welche in den Magnetfeldsensor 1 einen Strom I einspeist, durch welchen am Ort des Magnetoresistors 4 ein magnetischer Kraft­ fluß B erzeugt wird, so daß der Widerstand R des Magnetoresi­ stors über den Grundwiderstand R_O, der bei Abwesenheit eines Magnetfeldes besteht, ansteigt. Die Spannung U der Stromquelle 7 wird so gesteuert, daß der Widerstand R einen vorgegebenen Wert R_a annimmt, der hier als Arbeitspunkt bezeichnet wird (siehe Fig. 3). Zu diesem Zweck ist eine Dividierschaltung 8 vorge­ sehen, welche einerseits die Spannung U der steuerbaren Strom­ quelle 7 abgreift und welcher zum anderen ein der Stromstärke I proportionales Meßsignal zugeführt wird. Durch Division des Spannungswertes U durch den Stromwert I ermittelt die Dividier­ schaltung den Widerstand R des Magnetfeldsensors und über­ mittelt das Ergebnis an einen Mikrorechner 9 und an einen Regler 10. Der Mikrorechner 9 erhält ferner ein dem Strom I proportionales Spannungssignal, digitalisiert das ihm über­ mittelte Widerstand-Signal in einem Analog/Digital-Wandler 11 und das den Stromwert I darstellende Signal in einem Ana­ log/Digital-Wandler 14, prüft den Widerstandswert und den Stromwert auf Plausibilität und gibt dem Regler 10 bei Meß­ bereichsüberschreitung bzw. -unterschreitung über einen Digital/Analog-Wandler 12 einen neuen Arbeitspunkt R_a des Magnetfeldsensors vor. Aus dem Vergleich von R und R_a leitet der Regler 10 eine Stellgröße S ab, mit welcher die Spannung U der steuerbaren Stromquelle 7 so eingestellt wird, daß der Magnetfeldsensor 1 den Widerstand R_a hat.

Gibt es am Ort des Magnetoresistors 4 nur das vom Elektro­ magnet 3 selbst erzeugte Magnetfeld, aber kein äußeres Magnet­ feld, dann ist R=R_a und S=O. Wird jedoch dem vom Elektro­ magnet 3 selbst erzeugten Magnetfeld ein äußeres Magnetfeld 13 überlagert, dann wird der Widerstand des Magnetfeldsensors ent­ weder größer oder kleiner als R_a, je nachdem ob das äußere Magnetfeld 13 dem im Magnetfeldsensor selbst erzeugten Magnet­ feld gleichgerichtet oder entgegengerichtet ist. Der geänderte Widerstand wird von der Dividierschaltung 8 ermittelt, dem Reg­ ler 10 als Ist-Wert mitgeteilt, der daraufhin durch Vergleich mit dem Soll-Wert R_a eine Stellgröße S bildet, durch welche die Spannung der steuerbaren Stromquelle 7 so geändert wird, daß der Widerstand des Magnetfeldsensors wieder den Wert R_a annimmt. Die Stellgröße S ist proportional zum Kraftfluß des äußeren Magnetfeldes 13 am Ort des Magnetoresistors 4. Die Stellgröße wird deshalb einem weiteren Eingang des Mikrorechners 9 zugeführt, dort in einem Analog/Digital-Wandler 14 digitali­ siert und nach einem vorgegebenen Programm ausgewertet. Das Ergebnis der Auswertung kann auf einem Display zahlenmäßig angezeigt werden. Es ist aber auch möglich, über einen weiteren Digital/Analog-Wandler 15 eine Analoganzeige anzusteuern, z. B. eine Signallampe 16, welche das Erreichen eines Grenzwertes an­ zeigen kann.

Wenn man anstelle des zu bestimmenden äußeren Feldes 13 den Magnetfeldsensor 1 von Zeit zu Zeit dem bekannten Magnetfeld eines Dauermagneten 17 aussetzt, indem man den Dauermagneten 17 von Zeit zu Zeit dem Magnetfeldsensor 1 annähert, kann man aus dem Vergleich des gemessenen Kraftflusses, der vom Dauermagnet 17 ausgeht, mit seinem bekannten, tatsächlichen Kraftfluß eine eventuelle Temperaturdrift des Magnetfeldsensors ermitteln und kompensieren.

Fig. 4 zeigt die Anordnung eines solchen Magnetfeldsensors zur Überwachung des Drucks in Luftreifen von Fahrzeugen. Der Luftreifen 20 sitzt auf der Felge 21 eines Rades 22, welches mit einer Nabe 23 verschraubt ist, die Teil einer Radaufhängung 24 ist. In die Felge 21 ist parallel zur Radachse 26 ein Druck­ sensor 25 eingebaut, der mit seinem einen Ende in den Luftraum 27 des Reifens ragt und mit seinem anderen Ende außerhalb des Luftraumes 27 liegt. Der Aufbau des Drucksensors ist im Detail in Fig. 5 dargestellt. Er besteht aus einem Rohr 28, an dessen im Luftraum 27 liegenden Ende das offene Ende eines Faltenbalges 29 befestigt ist, welcher innen mit dem Druck P im Luftraum 27 beaufschlagt wird. Das gegenüberliegende Ende des Faltenbalgs 29 ist geschlossen und trägt einen Dauermagnet 30, dessen Lage im Rohr 28 vom Druck P abhängt. Im selben Achsabstand wie der Drucksensor 25 ist an einem Teil der Radaufhängung 24, nämlich an einem Federbein 31 ein erfindungsgemäßer Magnetfeldsensor angebracht, an welchem sich der Magnet 30 bei jeder Umdrehung des Rades 22 einmal vorüberbewegt. Aus dem gemessenen Kraft­ fluß des Magneten 30 am Ort des Magnetfeldsensors 1 kann der Druck P ermittelt werden.

An einer diametral vom Drucksensor 25 gegenüberliegenden Stelle der Felge 21 ist ein Dauermagnet 17 als Referenzmagnet fest angebracht, der eine Temperaturkompensation ermöglicht. Änderungen der Umgebungstemperatur, aber auch Wärme, die zeit­ weise von der Bremsscheibe 32 abgestrahlt wird und den Magnet­ feldsensor 1 erwärmt, führen auf diese Weise nicht zu einer Ver­ fälschung des Meßergebnisses.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Stärke eines Magnet­ felds von vorgegebener Ausrichtung mit einem Magnet­ feldsensor (1) und mit einer damit verbundenen elektri­ schen Auswerteschaltung (2),
dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (1) eine feste Anordnung aus einem Elektromagneten (3) und aus einem mit diesem in Reihe geschalteten elektrischen Widerstand (4) (nachfolgend als Magnetoresistor bezeichnet) mit magnetfeldabhängiger Leitfähigkeit ist,
daß die Auswerteschaltung (2) eine den Elektromagneten (3) speisende Stromquelle (7) hat, die den Widerstand R des Magnetoresistors (4) ausgehend von seinem Grundwider­ stand R_O bei fehlendem Magnetfluß (B=O) auf der R (B)- Kennlinie auf einen Arbeitspunkt mit höherem Widerstand R_a verschiebt,
daß die Auswerteschaltung (2) einen Regelkreis (10) ent­ hält, welcher durch Steuerung der Spannung U oder des Stroms I der Stromquelle (7) den Widerstand R des Magneto­ resistors (4) konstant auf den Widerstandswert R_a regelt,
und daß eine Abgreifschaltung (14) vorgesehen ist, welche ein dem Strom I proportionales Signal abgreift und zur Weiter­ verarbeitung in der Auswerteschaltung (2, 9) oder zur Anzeige (16) anbietet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzmagnet (17) vorgesehen ist, welcher am Ort des Magnetfeldsensors (1) ein Magnetfeld von bekannter Stärke und Orientierung erzeugt,
und daß Mittel (22) vorgesehen sind, die den Magnetfeldsensor (1) von Zeit zu Zeit dem bekannten Magnetfeld des Referenz­ magneten (17) anstelle des zu bestimmenden Magnetfeldes aus­ setzen,
und daß eine Korrekturschaltung (9) vorgesehen ist, welche das abgegriffene, der Stellgröße (S) proportionale Signal ent­ sprechend einer festgestellten Abweichung der beim Bestimmen des Referenzfeldes auftretenden Stellgröße (S) von einem Normal­ wert korrigiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (3) eine zylindrische Spule (6) auf einem Stabkern (5) hat und daß der Magnetoresistor (4) an einem Ende des Stabkerns (5) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (3) und der Referenz­ magnet (17) parallel oder antiparallel zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Magnetoresistor (4) ein Feldplatten-Magnetsensor ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetoresistor (4) als magnetfeldempfindliches Material einen Halbleiter auf der Basis von InSb/NiSb enthält.

7. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche als Bestandteil eines Reifendruckwächters, wel­ cher einen am Rad (22) angebrachten Drucksensor (25) mit einem Dauermagnet (30), dessen Abstand von der Radachse (26) konstant ist, dessen Lage parallel zur Radachse (26) aber vom Reifen­ druck (P) abhängt, und einen Magnetfeldsensor (1) hat, der in gleichbleibender Lage an der Radaufhängung (24, 31) angeordnet ist.

8. Reifendruckwächter nach Anspruch 7 und Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Referenzmagnet (17) an einer dem Drucksensor (25) diametral gegenüberliegenden Stelle des Rades (22) angeordnet ist.

9. Reifendruckwächter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnete (3, 17, 30) parallel zur Radachse (26) orientiert sind.

10. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erkennung von ferromagnetischen Gegenständen mit der Maßgabe, daß der Elektromagnet (3) einen ferromagnetischen Kern (5), insbesondere aus Weicheisen, hat.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände die Zähne eines Zahnkranzes an einem blockier­ geschützten Kfz-Rad sind.