EP0593701A1 - Magnetfeld-messgerät - Google Patents

Description

Magnetfeld-Messgerät

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von mag¬ netischen Feldern nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches und ein Gerät zur Durchführung des Ver¬ fahrens.

Die Technik der Messung magnetischer Felder mit Hallsonden ist aus der Literatur bekannt. Die Firma List-Magnetik GmbH, D-7022 Leinfelden-Echterdingen, bietet beispiels¬ weise ein tragbares Magnetfeld-Messgerät unter der Be¬ zeichnung MP-U an. Dieses Gerät ist geeignet zur Messung von zeitlich konstanten Feldern in beiden Polaritäts¬ richtungen (Nord- und Südpol), wahlweise auch zur Messung von Wechselfeldern. Das Gerät verfügt als Bedienungsele¬ mente über je einen Wahlschalter für die Anzeigeart (Gleich- oder Wechselfeld, sowie Spitzenwert-Speicher) und den Messbereich, ferner über eine Taste zum Zurückstellen der Spitzenwert-Anzeige und einen Drehknopf zum Einstellen des Nullpunktes.

Ein ähnliches Messgerät wird von der Firma Walker Scien- tific Inc., Worcester, Massachusetts, USA, unter der Mo- dellbezeichnung MG-5DP angeboten. Auch dieses Gerät weist im wesentlichen dieselben Bedienelemente auf: Funktions¬ wähler, Messbereichswahler, Spitzenwert-Rückstelltaste und Nullpunkt-Einstellknopf. Wie beim erstgenannten Gerät erfolgt die Anzeige digital an der Frontplatte des Mess¬ gerätes. Die Magnetfeld-Sonde ist mit dem Gerät durch ein Kabel verbunden.

In der praktischen Anwendung sind diese Messgeräte unbe¬ quem in der Handhabung und kompliziert in der Bedienung. Bereits bei der Inbetriebnahme des Gerätes wird das Ein¬ stellen des Nullpunktes vielfach vergessen. Wenn in der Folge die Nullpunkt-Einstellung unabsichtlich verstellt wird, bewirkt dies laufend fehlerhafte Ablesungen.

Die Wahl des Messbereiches erfordert einen Eingriff am Messgerät, der von der eigentlichen Mess-Aufgabe ablenkt. Gerade bei der Diagnose von Magnetfeldern werden immer wieder Bereiche von ganz unterschiedlicher Feldstärke be¬ rührt, was immer wieder eine Korrektur des Messbereiches erfordert- Für die Spitzenwert-Messung muss die Grössen- ordnung des Wertes vorbekannt sein, damit die Anzeige be¬ nützt werden kann.

Das Messen von Magnetfeldern erfordert ein laufendes Zu¬ ordnen von Sonden-Position und Messwert. Dies bedingt ein wechselweises Beobachten der Sonde und der Anzeige. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches bedeutend weniger manuelle Eingriffe benötigt und die oben beschriebenen Schritte so weit wie möglich zu automatisieren.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein entsprechendes Messgerät vorgeschlagen, welches die Bedienung dem Ver¬ fahren entsprechend vereinfacht und nur ein Minimum an Eingriffen erforderlich macht.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässe Verfahrens ist, dass bei der automatischen Nullpunkt-Einstellung und der entsprechenden Messwertkompensation das örtliche Erd¬ magnetfeld und allenfalls vorhandene kleinere Störfelder automatisch mitberücksichtigt und kompensiert werden und die Messungen nicht verfälschen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messwerte so¬ wohl am Messgerät, wie auch am Sondenkörper selbst ab¬ lesbar sind.

Die vorliegende Erfindung verwirklicht dieses Ziel mit den Merkmalen gemäss den Patentansprüchen.

Das Verfahren wird im folgenden zusammen mit dem vorge¬ schlagenen Gerät beschrieben. Figur 1 zeigt das Messgerät 1 mit seinen wesentlichen Be¬ dienelementen.

Figur 2 zeigt die einzelnen Funktionsmodule in ihrem Zu¬ sammenhang.

Das Verfahren zum Messen von magnetischen Feldern mit einer magnetisch empfindlichen Sonde, welche in ein zu messendes magnetisches Feld eingeführt wird und dabei ein Signal an ein Messgerät zur Auswertung abgibt, weist folgende Schritte in folgender Reihenfolge auf: Manuelles Einschalten des Messgerätes, automatische Nullpunktmessung und NullpunktEinstellung mit Berechnung des Korrektur¬ wertes und dessen Speicherung, manuelles Einführen der Sonde in ein zu messendes Magnetfeld, automatische Polari¬ tätsüberwachung mit Rückmeldung und entsprechender Um¬ schaltung des Messgerätes, automatische Spitzenwert- speicherung der gemessenen Werte mit automatischer An¬ passung des Messbereiches an den Bereich des zu messenden Magnetfeldes, ablesen der Messwerte, manuelles Entfernen der Sonde aus dem zu messenden Magnetfeld und manuelles oder automatisches Ausschalten des Messgerätes.

Die Messwertablesung erfolgt auf einem Anzeigefeld am Messgerät oder am Sondenkorper. Die Ablesungen können auch über Computer via Schnittstelle für Datentransfer automa¬ tisiert werden. Zur automatischen Nullpunkt-Einstellung des Messgerätes dient ein Eigensignal der Sonde, welches nach Einschalten des Messgerätes von der Hallsonde abgegeben wird, wobei der gemessene Wert des Eigensignals gespeichert wird und über einen Regelverstärker dieser Wert bei alle weiteren Messungen kompensiert wird. Nach einer beliebigen Anzahl Messungen wird die Nullpunkt-Einstellung von neuem vorge¬ nommen.

Das Messsignal wird einem Diskriminator zugeführt, der ein in seiner Polarität konstantes, von einem zeitlich die Po¬ larität wechselndem Magnetfeld unterscheidet und ein ent¬ sprechendes Signal abgibt, welches zur Steuerung der wei¬ teren Signalverarbeitung dient.

Beim Vorliegen eines in seiner Polarität konstanten Magnetfeldes wird der Mittelwert des Messsignales selbstä- tig gebildet und angezeigt.

Beim Vorliegen eines in seiner Polarität wechselnden Magnetfeldes hingegen, wird der absolute Wert des Mess¬ signales selbstätig gebildet und dessen Mittelwert ange¬ zeigt; oder aber es wird nach Bedarf der Effektivwert des Messsignales gebildet und angezeigt.

Figur 1 zeigt das Messgerät 1 mit seinen wesentlichen Be¬ dienelementen. Das zu messende Magnetfeld wird von der Hallsonde 2 aufgenommen, welche eine dazu proportionale Spannung erzeugt. Das Sondengehäuse 3- dient zur bequemen Handhabung der Sonde. Es enthält eine Mehrfarbenanzeige 4, in Form von Leuchtdioden mit den beiden Farben rot und grün, welche bei gleichzeitigem Aufleuchten die dritte Farbe gelb ergeben. Weiter enthält das Sondengehäuse 3 die Drucktaste 5 zur Funktionswahl der Spitzenwertanzeige. Die ganze Sonde ist mit dem Messgerät über das Kabel 6 ver¬ bunden. Die Anzeige des Messwertes erfolgt an der digi¬ talen LCD Anzeige 14 am Messgerät. Zur einfacheren Hand¬ habung bei gewissen Einsätzen ist eine weitere Messwert¬ anzeige 14' auf dem Sondengehäuse 3 angebracht.

In einer Ausführungsform ist die Messwertanzeige 14' als qualitative Anzeige, die nur den gemessenen Bereich stufenweise angibt, ausgeführt. Eine Anzahl LED zeigen analog die Grössenordnung der gemessenen Werte an. In einer anderen Ausführungsform ist die Messwertanzeige 14' als quantitative Anzeige mit LCD so ausgeführt, dass die Messwerte gleich, wie bei der Messwertanzeige 14 am Mess¬ gerät, digital, angezeigt werden.

Das Gerät wird mit dem Ein/Aus-Schalter 7 in Betrieb ge¬ nommen. Die Steckdose 21 dient dem Anschluss einer ex¬ ternen Speisung als Alternative zur internen Batterie 20. Das verstärkte Signal der Hallsonde ist am externen Mess- anschluss 26 abgreifbar, beispielsweise für die weitere Untersuchung mit einem Oszilloskop.

Figur 2 zeigt die einzelnen Funktionsmodule in ihrem Zu¬ sammenhang. Mit Ausnahme des Verstärkers und der Speisung lassen sich die gezeigten Funktionen mit einzelnen digi¬ talen Schaltkreisen oder mit einem Mikroprozessor verwirk¬ lichen. Im zweitgenannten Fall sind die Funktionen nicht körperlich, sondern in Form von Programmabschnitten reali¬ siert. Der hier näher dargestellte Ablauf folgt der ersten Variante.

Das von der Hallsonde 2 gelieferte Mess-Signal wird im Verstärker 8 verstärkt, wobei die Verstärkung selbst in Stufen einstellbar ist, um Magnetfelder unterschiedlicher Grössenordnungen einwandfrei erfassen zu können. Diese stufenweise Einstellung erfolgt mittels der Bereichswahl- Funktion 10. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird ohne weitere Umformung auf die Ausgangsbuchse für die externe Messung 26 gebracht.

Das verstärkte Mess-Signal wird nun einerseits direkt, andererseits über den Messgleichrichter 9 auf den Funk¬ tionswähler 11 gebracht. Der Messgleichrichter 9 ist vorzugsweise als Effektivwert-Bildner ausgelegt. Hierfür stehen bekannte integrierte Schaltkreise, beispielsweise der Typ AD 636 des Herstellers Analog Devices, zur Ver¬ fügung. Mit der Umwandlung in den Effektivwert wird die Kraftwirkung des Magnetfeldes, welche auf einem quadra¬ tischen Zusammenhang zwischen Feldstärke und Kraft beruht, besonders gut dargestellt- Der Funktionswähler 11 wird vom AC/DC-Diskriminator 19 so angesteuert, dass bei Vorliegen eines Signales mit gleichbleibender Polarität, das vom Verstärker 8 gelieferte Messsignal direkt weiter gegeben wird. Bei rasch wechselnder Polarität erzeugt der AC/DC Diskriminator 19 ein Steuersignal mit der Bedeutung "Wechselfeld". Der Funktionswähler 11 übernimmt in diesem Fall das über den Messgleichrichter 9 umgeformte Signal.

Im weiteren Verlauf gelangt das Messsignal zum Spitzen¬ wertspeicher 12. Dieser wird vom Betriebsartwähler 28 an¬ gesteuert. Der Spitzenwertspeicher 12 verfügt über drei verschiedene Betriebsarten: unmittelbare Anzeige, Spitzen¬ wert positiv, Spitzenwert negativ. Für die unmittelbare Anzeige ist der Spitzenwertspeicher ausser Betrieb. Zur Anzeige des Spitzenwertes folgt sein AusgangsSignal dem Eingangssignal bis zu Erreichen eines Maximums, das dann gespeichert wird und dauernd am Ausgang anliegt, bis entweder ein noch höher liegender Wert gemessen wird oder bis durch Zurückstellen auf die unmittelbare Anzeige auch die Löschung des Speichers erfolgt.

In einer nächsten Stufe gelangt das Messsignal zum Digi¬ talvoltmeter 13, das seinerseits die LCD-Anzeige 14 an¬ steuert. Beide Bausteine sind als elektronische Kompo- nenten bekannt und handelsüblich.

Zum automatischen Umschalten des Messbereiches ist die Be¬ reichsauswertung 15 vorgesehen. Diese sorgt dafür, dass bei tiefem Messsignal ein empfindlicherer Messbereich, das heisst eine grössere Verstärkung im Verstärker 8 gewählt wird, während bei Überschreiten des Messbereiches des Digitalvoltmeters 13 ein weniger empfindlicher Messbereich mit entsprechend geringerer Verstärkung bestimmt wird. Die automatische Bereichsauswertung steuert einerseits die Be¬ reichswahl 10 des Verstärkers, andererseits die Position des Dezimalpunktes auf der Anzeige über die Dezimalpunkt- ansteuerung 25.

Die Auswertung des Messsignales erfolgt vorzugsweise auf zwei Arten: das Überschreiten des Messbereiches durch Aus¬ werten des entsprechenden Ausgangssignales des Digital¬ voltmeters 13, das Unterschreiten durch eine Überwachung des verstärkten Messsignales nach dem Funktionswähler 11. Die Messung beginnt immer mit dem empfindlichsten Bereich. Für den Fall der Spitzenwert-Messung muss das Zurück¬ schalten auf einen empfindlicheren Bereich gesperrt werden. Dies geschieht durch ein entsprechendes Signal vom Betriebsartwähler 28.

Die Wahl . der Betriebsart erfolgt auf besonders bequeme Weise durch Einbringen der Sonde in ein entsprechendes Magnetfeld und kurzes Drücken der Taste 5. Das Tasten- signal wird in der Tastenauswertung 27 ausgewertet und gelangt zum Betriebsartwähler 28. Dieser erhält während des Tastendruckes die Information über die Polarität des Signales von der Polaritätsüberwachung 16. Bei Vorliegen einer gleichbleibend negativen Polarität wird der Spitzen¬ wertspeicher 12 auf das Erfassen des negativen Spitzen¬ wertes gelegt und festgehalten. Bei positiver oder rasch wechselnder Polarität .(Wechselfeld) wird der Spitzen¬ wertspeicher 12 auf das Erfassen des positiven Spitzen¬ wertes festgelegt. Der Messgleichrichter 9 liefert dabei in jedem Fall ein positives AusgangsSignal.

Das Rückstellen des Spitzenwertspeichers 12 auf die Be¬ triebsart unmittelbare Anzeige erfolgt entweder durch nochmaligen kurzen Tastendruck, oder aber durch eine Zeit¬ schaltung für die automatische Rückstellung 29. Diese sorgt dafür, dass das Messgerät bei Nichtbenützung nach beispielsweise einer Minute in jedem Fall wieder in die unmittelbare Anzeige zurückspringt. Diese Funktion unter¬ stützt das automatische Ausschalten des Gerätes bei Nichtbenützung, welches später beschrieben ist, und verhindert Fehlinterpretationen der Anzeige. Die Funk¬ tionsart Spitzenwert wird zudem auf der LCD Anzeige durch ein besonderes Symbol angezeigt.

Bei Inbetriebnahme des Gerätes sorgt ein automatischer Nullabgleich für die Kompensation der Nullpunkt-Ablage. Diese stellt bei Hallsonden ein beträchtliches Problem dar, weil deren Nullpunkt-Signal stark temperaturabhängig ist. Bei Aufstarten des Gerätes löst das Ansteigen der internen Speisespannung 23 gleichzeitig die automatische NullpunktKompensation 24 aus. Für kurze Zeit wird vom Ausgangssignal des Verstärkers 8 über einen Regelver¬ stärker und eine digitale Speicherschaltung direkt das Nullpunkt-Korrektursignal bestimmt. In der Folge wird dieser Wert dauernd festgehalten und der Verstärker für seine normale Funktion freigegeben. Diese unmittelbare Rückführung des Ausgangssignales auf den Nullpunkt-Eingang des Verstärkers 8 hat zur Folge, dass die Ausgangsspannung der Nullpunkt-Kompensation 24 die Nullpunkt-Ablage der Hallsonde 2 exakt ausgleicht. In der Praxis ist diese Durchschalte-Speicher-Funktion mit dem Baustein AD 7569 des Herstellers Analog Devices, Norwood MA, USA, ver¬ wirklicht.

Die Polarität des Messsignales wird direkt am Ausgangs¬ signal der Hallsonde 2 mit der Polaritätsüberwachung 16 erfasst. Diese stellt ein dreibegriffiges Signal zur Verfügung: Hallsignal positiv, Hallsignal negativ, Hall¬ signal Null (oder sehr klein). Diese drei Begriffe werden in der LED-Ansteuerung 17 zum Betrieb der Mehrfar¬ ben-Anzeige 4 aufbereitet. Das Signal positiv bringt die rote Farbe der LED zum Leuchten, das Signal negativ ent¬ sprechend die grüne Farbe. Bei rasch wechselnder Polarität ergibt dies die Mischfarbe gelb. Das dreibegriffige Signal dient ebenfalls zum Ansteuern des AC-DC-Diskriminators 19 und des Betriebsartwählers 28. Der besondere Vorteil dieser^*Schaltung liegt darin, dass der Benutzer bei Auf¬ leuchten der Mehrfärben-Anzeige gleich erkennen kann, welche Art der Spitzenwert Speicherung mit dem Tastendruck gewählt wird.

Die Speisung der Gerätes ab Batterie 20 oder externem Speise-Anschluss 21 erfolgt auf bekannte Weise. Um einen übermässigen Batteriekonsum zu vermeiden, wird das Gerät mit dem automatischen Ausschalter 18 ausgeschaltet, wenn die Hallsonde 2 über längere Zeit kein von Null klar unterscheidbares Signal liefert. Die Bereichsauswertung 15 gibt beim Unterschreiten des Schaltpunktes für das Herunterschalten des Messbereiches ein entsprechendes Sig¬ nal ab, das im tiefsten, das heisst empfindlichsten Mess¬ bereich immer ansteht, solange nicht gemessen wird. Diese Zeit wird in einem Zeitschalter überwacht, der bei Überschreiten des besagten Schaltpunktes zurückgestellt wird, sonst aber nach Ablauf der Zeitspanne von beispiels¬ weise einigen Minuten das Gerät ausschaltet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Messen von magnetischen Feldern mit einer magnetische empfindlichen Sonde, welche in ein zu messendes magnetisches Feld eingeführt wird und dabei ein Signal an ein Messgerät zur Ausertung ab¬ gibt, gekennzeichnet durch folgende Schritte in folgender Reihenfolge: Manuelles Einschalten des Mess¬ gerätes, automatische Nullpunktmessung und Nullpunkt- Einstellung mit Berechnung des Korrekturwertes und dessen Speicherung, manuelles Einführen der Sonde in ein zu messendes Magnetfeld, automatische "Polaritäts- überwachung mit Rückmeldung und entsprechender Um¬ schaltung des Messgerätes, automatische Spitzenwert- speicherung der gemessenen Werte mit automatischer Anpassung des Messbereiches an den Bereich des zu messenden Magnetfeldes, Ablesen der Anzeige, manuelles Entfernen der Sonde aus dem zu messenden Magnetfeld, automatisches oder manuelles Ausschalten des Mess¬ gerätes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen Nullpunkt-Einstellung des Mess¬ gerätes ein Eigensignal der Sonde, welches nach Ein¬ schalten des Messgerätes von der Hallsonde abgegeben wird, als Wert gespeichert wird, worauf über einen Regelverstärker dieser Wert für alle weiteren Messungen kompensiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer beliebigen Anzahl Messungen die Null¬ punkt-Einstellung von neuem vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal einem Diskriminator zugeführt wird, der ein in seiner Polarität konstantes von einem zeitlich die Polarität wechselndem Magnetfeld unter¬ scheidet und ein entsprechendes Signal abgibt, welches zur Steuerung der weiteren Signalverarbeitung dient.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines in seiner Polarität kon¬ stanten Magnetfeldes selbstatig der Mittelwert des Messsignales gebildet und angezeigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines in seiner Polarität wechseln¬ den Magnetfeldes selbstatig der absolute Wert des Messsignales gebildet und dessen Mittelwert angezeigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines in seiner Polarität wechseln¬ den Magnetfeldes selbstatig der Effektivwert des Mess- signales gebildet und angezeigt wird.

8. Gerät zur Durchführung des Verfahrens zur Messung mag¬ netischer Felder nach Anpruch 1, bestehend aus einer magnetfeldempfindlichen Sonde an einem Sondenkörper und einem Messgerät mit einer Anzeige, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Sondenkörper mit einer Anzeige der FeldPolarität ausgerüstet ist, welche die drei Be¬ griffe "Positiv", "Negativ" und "Wechselfeld" unter¬ scheidet.

9. Gerät gemass Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt-Abgleich durch eine analoge Reglerschal¬ tung mit digitaler Speicherung des Korrekturwertes er¬ folgt.

10. Gerät gemass Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt-Abgleich durch eine digitale Rechen¬ schaltung mit Speicherung des Korrekturwertes erfolgt.

11. Gerät gemass einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass eine Bereichsauswertung dem Mess¬ bereich stufenweise selbstatig dem aktuellen Messwert angepasst.

12. Gerät gem ss einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass ein Spitzenwertspeicher den maxi¬ malen Anzeigewert speichert.

13. Gerät gemass Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messgleichrichter den angezeigte Maximalwert unab¬ hängig von der Polarität macht.

14. Gerät gemass Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein AC/DC Diskriminator den angezeigten Maximalwert bei Vorliegen eines in seiner Polarität wechselnden Magnetfeldes selbstatig als absoluten Wert des Mess¬ signales bildet.

15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Effektivwertbildner bei Vorliegen eines in seiner Polarität wechselnden Magnetfeldes selbstatig den Effektivwert des Messsignales bildet.

16. Gerät gemass Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitschaltung den Spitzenwertspeicher zurück¬ stellt und dadurch eine Umstellung in einen empfind¬ licheren Messbereich freigibt.

17- Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass auf dem Sondenkörper eine qualita¬ tive, analoge Anzeige des Messbereiches angeordnet ist .

18. Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass auf dem Sondenkörper eine quanti¬ tative, digitale Anzeige der Messwerte angeordnet ist.

19. Gerät nach einem der Ansprüche 17 öder 18, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Messgerät durch Rückmeldung die Anzeige auf dem Sondenkörper steuert.