JP5036425B2 - 広帯域化された磁界補償システム - Google Patents

Description

本発明は、磁界測定用装置および磁界補償用装置に関する。さらに本発明には、磁界を補償する方法が含まれる。

いくつかの磁界測定用装置が、知られている。
最新の磁界測定用センサは、しばしばフラックスゲート磁力計の形をとる。例として、２軸、またはすべての空間方向の磁界を測定できる３軸の、フラックスゲート磁界センサがある。この場合は、２つの強磁性体コア上にそれぞれ３つのコイルがある。三角波発生器が、励磁コイルを通って流れる電流を発生する。電流は、強磁性体コア中に磁界を設定する。磁束の変化は、検出コイルとして知られるコイルに電圧を誘起する。外部磁界が印加されない場合は、検出コイル中の電圧差はゼロである。外部磁界が設定されるとすぐに、差電圧が発生される。

この差電圧は、磁界補償システム内で、補償コイルを駆動するために用いられる。磁界補償用装置内で、通常ヘルムホルツ・コイルの形をとる補償コイルからの磁界は、外部磁界を補償する。
このようなフラックスゲート・センサは、高感度および高分解能の特徴がある。

フラックスゲート・センサを有する磁界補償用装置の欠点は、一般に、センサの帯域が非常に狭いことである。すなわちセンサの帯域は、通常２ＫＨｚを超えない。

別法として、磁界測定用に用いられるセンサをコイルとすることもでき、外部磁界によってコイル中に誘起される電圧を測定することができる。このようなコイル・センサは、比較的高い周波数すなわち交番磁界に特に適しており、対照的に通常１０Ｈｚ未満の周波数には適さない。さらに、この種のコイル・センサからの信号は、ディジタル信号処理システムに組み込むには不向きである。測定される交番磁界の周波数が高いということは、複雑で多くの場合実現不可能な、サンプル周波数の極めて高いディジタル信号処理システムを設けることが必要になることを意味する。

一方、本発明は、広帯域の磁界測定用装置を提供するという目的に基づく。特に、本発明の一目的は、交番周波数が非常に低い、さらには周波数がほとんど０Ｈｚの磁界に実際に適した磁界測定用装置を提供することである。

本発明の他の目的は、磁界測定用装置および、ディジタル駆動が可能であり同時にまた比較的高周波の交番磁界、特に２ＫＨｚを超える交番磁界向けに適した磁界補償用装置を提供することである。

本発明の別の目的は特に、磁界測定用の小型センサ・システム、特にセンサ・システム全体を１つの筐体に統合する必要がある、センサ・システムを提供することである。

本発明の目的は、独立請求項の１つに記載の磁界測定用装置、磁界補償用装置、および磁界を補償する方法によって達成される。

本発明の好ましい実施形態および発展形態については、それぞれの従属性請求項に見出すことができる。

したがって本発明によれば、第１のセンサと第２のセンサを備える磁界測定用装置が提供される。第１のセンサは、第１の周波数範囲内の磁界に対してアクティブであり、その周波数範囲は第２のセンサがアクティブとなる周波数範囲よりも低い周波数を含む。

このような、様々な周波数範囲でアクティブとなるセンサを結合することにより、非常に広帯域の磁界測定用装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態では、磁界測定用装置の帯域は、５Ｈｚ〜１ＫＨｚ、好ましくは２Ｈｚ〜１０ＫＨｚ、特に好ましくは０．１Ｈｚ〜２０ＫＨｚに及ぶ。したがって、０に等しい、またはほとんど０の周波数から、２０ＫＨｚの磁界の交番周波数までアクティブな磁界測定用装置が生成される。

好ましくは、第１の周波数範囲は、１５ＫＨｚ未満、好ましくは７ＫＨｚ未満、特に好ましくは３ＫＨｚ未満であり、同時に、第１の周波数範囲は、１Ｈｚ未満、好ましくは０．５Ｈｚ未満、特に好ましくは０Ｈｚから始まる。

第２の周波数範囲は、５Ｈｚより高く、好ましくは１５Ｈｚより高く、特に好ましくは２０Ｈｚより高く、少なくとも１０ＫＨｚまで、好ましくは１５ＫＨｚまで、特に好ましくは少なくとも２０ＫＨｚまで及ぶ。

本発明の一発展形態では、磁界測定用装置は、第１のセンサからの信号をディジタル処理する手段と、第２のセンサからの第２の信号をアナログ処理する手段を有する。

特に磁界測定用装置の駆動を容易にするために、たとえばコンピュータを使用して、第１のセンサからのセンサ信号のディジタル処理を用いることができる。好ましくは、第２のセンサからの信号はアナログ処理を受け、たとえばアナログ増幅器に送られる。したがって広帯域でのディジタル信号処理は必要なく、全体として磁界測定用装置のより広い帯域を得ることが可能となる。

第２のセンサからの信号のアナログ処理は、第１のセンサからの信号のディジタル処理が、アナログ処理に作用を及ぼすように用いることができることを妨げるものではなく、たとえばディジタル制御および／または調節ユニットが、アナログ制御ループ中に配置された増幅器の利得係数を制御および／または調節できることを妨げるものではない。

本発明の１つの好ましい実施形態では、センサがアクティブな軸はほぼ並行である。好ましくは、軸は互いにほぼ上／下に配置される。軸が一致することは、各センサが同じ方向で測定を行うことを意味する。これにより得られる効果は、２つのセンサからの信号が、適当な信号整形時に、互いに平滑に一体化することである。

可能な場合は、センサは互いに接近して、特に１０ｃｍ未満、好ましくは２ｃｍ未満の間隔で配置される。

本発明の一発展形態では、磁界測定用装置は、第１のセンサからの信号用にローパス・フィルタを有する。ローパス・フィルタは、高周波成分を遮断し、それによりセンサの帯域を制限するために用いられる。同時に、磁界測定用装置は、第２のセンサからの信号用にハイパス・フィルタを有し、ハイパス・フィルタは第２のセンサからの低周波成分を遮断するために用いられる。

ハイパス・フィルタとローパス・フィルタを同時に用いることによって得られる効果は、センサ信号がオーバラップする周波数領域がないことである。一方のセンサから他方のセンサへ遷移する遮断周波数は、好ましくは１５〜５０Ｈｚの間にある。

交番周波数が低い磁界は、好ましくはフラックスゲート・センサを用いて測定される。このようなフラックスゲート・センサは、純粋なＤＣ磁界（０Ｈｚ）にも応答し、非常に高感度でありかつ高レベルの精度を有するという特徴がある。
第２のセンサはコイルでよく、コイル中に誘起される電圧が測定される。

２つのセンサ間のクロストークをできるだけ小さく保つために、本発明の一発展形態でのフラックスゲート・センサは、磁界測定用装置がアクティブである帯域の上限の、少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍、特に好ましくは少なくとも５倍のチョッパ周波数で動作する。チョッパ周波数は、フラックスゲート・センサの励磁コイルが動作する周波数を意味することが分かる。フラックスゲート・センサを、磁界測定用装置がアクティブである帯域からずっと離れた周波数で動作させることにより、センサ間のクロストークが最小になる。

チョッパ周波数は、５０ＫＨｚより高く、好ましくは８０ＫＨｚより高く、特に好ましくは１２０ＫＨｚより高い。

センサは、クロストークをさらに最小化するために、センサから来る磁界の放出が、実質的にできるだけ互いのセンサから離れて指向するように取り付けられる。

したがって、両方のセンサを１つの筐体内に配置し、このようにして帯域が０〜２０ＫＨｚのハイブリッド・センサを得ることが可能になる。

筐体内または下流の処理装置内では、加算器内でセンサ信号を１つにすることができる。好ましくは、加算器の上流には、ハイパス・フィルタおよびローパス・フィルタが配置され、加算器は実質的にセンサ信号をラインに接続する機能を有するようになる。

本発明はまた、磁界測定用装置と少なくとも１つの補償コイルとを備える、磁界補償用装置に関する。

補償コイルは、通常、ヘルムホルツ・コイルの形をとる。好ましくは、互いにほぼ直交した３つのヘルムホルツ・コイルが用いられ、３つすべての空間方向において磁界補償が可能になる。

本発明の一発展形態では、磁界補償用装置は、少なくとも１つのディジタル信号プロセッサを備える。好ましくは、ディジタル信号プロセッサは、アナログ／ディジタル変換器を介して第１のセンサに接続される。したがって第１のセンサからの信号は、ディジタル信号プロセッサによってさらに処理される。特にディジタル信号プロセッサによって、信号を増幅することができ、またはディジタル・ローパス・フィルタを形成することができる。

ディジタル信号プロセッサは、好ましくはたとえばＰＣ接続用のインターフェースを有し、前記インターフェースは、磁界補償用装置を制御および／または調節するために用いることができる。

次いで、ディジタル信号プロセッサの出力のセンサ信号を送出するために、ディジタル／アナログ変換器を用いることができ、前記センサ信号は補償コイルを動作させるための信号として用いることができる。

好ましくは第２のセンサを備えるアナログ制御ループを制御するのにも、ディジタル信号プロセッサを用いることができるようにするために、本発明の一発展形態では、ディジタル信号プロセッサは増幅器のゲインに接続される。ゲインは、アナログ信号ループの利得係数を制御および／または調節するのに用いることができる。

さらに、ディジタル信号プロセッサはまた、制御または調節においてアナログ制御ループからの信号を考慮に入れるため、信号を表示するため、かつ／またはアナログ制御ループに能動的に作用を及ぼすために、アナログ制御ループの別の素子に接続することができる。特に、ディジタル信号プロセッサはまた、第２のセンサからの信号を受け取って評価することができ、あるいは終端の増幅器としてヘルムホルツ・コイル用の補償信号を増幅する別の増幅器に接続することもできる。

最後に、本発明は磁界を補償する方法に関し、磁界は、第１の周波数範囲では第１のセンサによって検出され、第２の周波数範囲では第２のセンサによって検出され、少なくとも第２の周波数範囲の一部分は、第１の周波数範囲より高い。センサ信号は少なくとも増幅され、増幅されて場合によっては適合されかつ処理されたセンサ信号は、少なくとも１つの補償コイルを駆動するのに用いられる。

好ましくは、第１のセンサからの信号はディジタル制御パスで処理され、第２のセンサからの信号はアナログ制御パスで処理される。

したがって、極めて広い帯域で磁界補償が可能になる方法が提供される。同時に、サンプル周波数の高いディジタル制御装置を設ける必要なしに、ディジタル制御または調節が可能となる。
以下に本発明について、図１〜図５の図面を参照してより詳細に説明する。

図１を参照して、磁界補償の原理を説明する。好ましくは３つすべての空間方向でアクティブなセンサ１は、磁界を測定するために用いられる。センサ１は、制御パスを介してヘルムホルツ・コイル３に接続され、制御パス内では、センサ信号を増幅し、互いに直角に配置された３つのヘルムホルツ・コイル３を駆動するために、増幅器２が用いられる。ヘルムホルツ・コイル３は、補償磁界を生成し、理想的にはセンサ１の位置での全磁界をゼロに調節する。

磁界補償においては、センサが最も重要な役割を果たす。干渉磁界は、純粋なＤＣ磁界（０Ｈｚ）から数ＫＨｚまでの周波数をとり得る。したがってセンサは、広い帯域にわたって干渉磁界を検出できるはずである。同時に、センサが結合される制御パスは、低周波および高周波信号成分の両方を処理し、それらから補償信号を発生できなければならない。

図２は、フラックスゲート・センサの特性曲線を示す。磁界の周波数がＨｚにてＸ軸上にプロットされ、センサの信号振幅がＹ軸上にプロットされている。曲線から分かるようにフラックスゲート・センサは、ほとんど０Ｈｚの磁界にさえも応答する。約２ＫＨｚで、センサからの信号は急激に低下する。したがって、この種のセンサは最大２ＫＨｚまでの交番磁界を測定することができる。このセンサは、高感度および高精度という特徴がある。

図３は、誘導コイルの形をとるセンサの特性曲線を示す。この種のセンサでは、磁界の正確な測定ができる信号は、約２０Ｈｚを超えるまで存在しない。２０Ｈｚ未満では、センサ信号は非常に弱いので、磁界補償に用いることはできず、あるいは不十分にしか使用できない。

磁界補償用装置１０の例示的実施形態の基本構成要素について、図４を参照してより詳細に説明する。

磁界補償用装置１０は、２つのセンサを備え、フラックスゲート・センサの形をとる第１のセンサ１１は、低周波、特に０〜２０Ｈｚの範囲の周波数成分を検出する。このようなセンサはまた、０Ｈｚを超える磁界を検出するように設計されていても、ＤＣセンサと呼ばれる。比較的高周波の磁界、特に２０Ｈｚを超える磁界成分を検出するために、磁界補償用装置１０は、誘導コイルの形をとる第２のセンサ１２を備える。これはまた、ＡＣセンサと呼ばれる。

ある程度において磁界補償用装置１０の中核は、第１のセンサ１１からの信号を処理するためのディジタル制御パスを形成するのに用いられるディジタル信号プロセッサ１５によって形成される。ディジタル信号プロセッサは、シリアル・インターフェース１６を介してパーソナル・コンピュータ（図示せず）に接続することができる。

第１のセンサ１１からの信号を処理できるようにするために、信号はアナログ／ディジタル変換器１４を介して、ディジタル信号プロセッサ１５に送られる。この例示的実施形態では、ディジタル信号プロセッサ１５は、２０Ｈｚを超える周波数成分を濾去し、したがってディジタル・ローパス・フィルタを形成する。シリアル・インターフェース１６は、ディジタル・ローパス・フィルタの遮断周波数を設定するのに用いることができる。第１のセンサ１１からの信号はまた、増幅することができ、利得係数は同様にシリアル・インターフェース１６を用いて設定することができる。処理された信号は、ディジタル／アナログ変換器１７へ送られる。

第２のセンサ１２は、この例示的実施形態では基本的に増幅器として用いられるマルチプレクサ１８に接続される。マルチプレクサ１８のゲインは、ディジタル信号プロセッサ１５に接続される。したがって、第２のセンサ１２からの信号に対する利得係数も同様に設定することができる。マルチプレクサ１８の上流にはまた、２０Ｈｚ未満の周波数成分を濾去するハイパス・フィルタ（図示せず）がある。第２のセンサ１２からの信号は、ディジタル制御パスを通過しないで加算器１９に送られ、加算器１９は同様にアナログの形でディジタル／アナログ変換器１７に接続される。

加算器１９は信号をラインに接続し、最後に信号を、磁界補償用のヘルムホルツ・コイル１３のための補償信号を増幅するのに用いられる別の増幅器２０へ送る。
ここに示される磁界補償用システム１０は、０〜２０ＫＨｚの制御帯域を有する。

磁界補償のための本発明による方法の、例示的実施形態の方法の基本的工程について、図５を参照してより詳細に説明する。

第１のセンサ１１は、０〜２０Ｈｚの間の磁界の周波数成分を検出し、それらをアナログ／ディジタル変換器１４へ送るために用いられる。アナログ／ディジタル変換器はディジタル信号プロセッサ１５に接続され、ディジタル信号プロセッサ１５はコンピュータ２１に接続され、ローパス・フィルタを形成する。ディジタル信号プロセッサ１５は、センサ信号を処理する。利得特性は、コンピュータ２１によって設定することができる。処理の後、第１のセンサ１１からの信号は、ディジタル／アナログ変換器１７によってアナログ信号に戻される。

第２のセンサ１２は、アナログ制御パスに関連付けられる。信号は、次いで増幅器２０へ送るために、まずハイパス・フィルタ２２を通過する。増幅器２０のゲインは、ディジタル信号プロセッサに接続される。したがって、利得係数を制御するのにディジタル信号プロセッサ１５を用いることができる。増幅された信号は、加算器１９に送られ、そこで第１のセンサ１１からの処理された信号と加算される。

増幅器２３は、コイル１３のために、補償信号を再び増幅するために使用される。
ディジタル信号プロセッサ１５は、増幅器２３のゲインにも接続される。したがって、増幅器２３の利得係数も、コンピュータ２１によって制御することができる。

言うまでもなく、本発明の主題は上述の特徴の組合せに限定されることなく、当業者ならすべての特徴を適切に組み合わせるであろう。

磁界補償の原理を示す概略図である。 フラックスゲート・センサの特性曲線を示す図である。 コイルの特性曲線を示す図である。 磁界補償用システムの例示的実施形態の構成要素部分を示す概略図である。 磁界補償の例示的実施形態の方法の工程を示す概略図である。

符号の説明

１ センサ
２ 増幅器
３ ヘルムホルツ・コイル
１０ 磁界補償用装置
１１ 第１のセンサ
１２ 第２のセンサ
１３ ヘルムホルツ・コイル
１４ アナログ／ディジタル変換器
１５ ディジタル信号プロセッサ
１６ シリアル・インターフェース
１７ ディジタル／アナログ変換器
１８ マルチプレクサ
１９ 加算器
２０ 増幅器
２１ コンピュータ
２２ ハイパス・フィルタ
２３ 増幅器

Claims (19)

1. 第１の周波数範囲の磁界に対してアクティブな第１のセンサと、
   第２の周波数範囲の磁界に対してアクティブであり、前記第２の周波数範囲の少なくとも一部分が前記第１の周波数範囲よりも高い、少なくとも１つの第２のセンサと
   前記第１のセンサからの信号用にローパス・フィルタと、
   前記第２のセンサからの信号用にハイパス・フィルタとを備え、
   前記ローパス・フィルタは、少なくとも１つのディジタル信号プロセッサにより形成され、
   前記ハイパス・フィルタは、前記第２のセンサからの信号をアナログ処理することを特徴とする磁界測定用装置。
2. ５Ｈｚ〜１ＫＨｚ、好ましくは２Ｈｚ〜１０ＫＨｚ、特に好ましくは０．１Ｈｚ〜２０ＫＨｚの帯域でアクティブである請求項１に記載の磁界測定用装置。
3. 前記センサがアクティブである少なくとも１つの軸、好ましくはすべての軸がほぼ平行に、特に互いにほぼ上下に配置される、請求項１に記載の磁界測定用装置。
4. 前記ローパス・フィルタの遮断周波数が、５００Ｈｚ未満、好ましくは１００Ｈｚ未満、特に好ましくは５０Ｈｚ未満である、請求項１に記載の磁界測定用装置。
5. 前記ハイパス・フィルタの遮断周波数が、５Ｈｚより高く、好ましくは１０Ｈｚより高く、特に好ましくは１５Ｈｚより高い、請求項１に記載の磁界測定用装置。
6. 前記第１のセンサがフラックスゲート・センサである、請求項１に記載の磁界測定用装置。
7. 前記フラックスゲート・センサは、前記磁界測定用装置がアクティブである帯域の上限の、少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍、特に好ましくは少なくとも５倍のチョッパ周波数で動作することができる、請求項６に記載の磁界測定用装置。
8. 前記チョッパ周波数が、５０ＫＨｚより高い、好ましくは８０ＫＨｚより高い、特に好ましくは１２０ＫＨｚより高い、請求項７項に記載の磁界測定用装置。
9. 前記第１のセンサからの信号を、前記第２のセンサからの信号に加算する手段を備える、請求項１に記載の磁界測定用装置。
10. 前記第１および第２のセンサが、一筐体内に配置される、請求項１に記載の磁界測定用装置。
11. 少なくとも１つの、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁界測定用装置と、少なくとも１つの補償コイルとを備える磁界補償用装置。
12. 少なくとも前記第１のセンサからの信号は、ＡＤ変換器を介して前記ディジタル信号プロセッサに送ることができ、かつ前記ディジタル信号プロセッサによって処理することができる、請求項１１項に記載の磁界補償用装置。
13. 前記第１のセンサからの信号を、前記第２のセンサからの信号、特に処理された信号に加算するための加算器を備える、請求項１１に記載の磁界補償用装置。
14. 前記第１のセンサからの信号を、前記ディジタル信号プロセッサから磁界補償用装置に含まれる加算器に送ることができる、請求項１１に記載の磁界補償用装置。
15. 前記少なくとも１つの補償コイルに接続された増幅器を備える、請求項１１に記載の磁界補償用装置。
16. 前記増幅器が、ディジタル信号プロセッサに接続される、請求項１５に記載の磁界補償用装置。
17. インターフェース、特に制御装置接続用のインターフェースを有するディジタル信号プロセッサを備える、請求項１１に記載の磁界補償用装置。
18. 第１の周波数範囲の磁界が、第１のセンサによって検出される工程と、
    少なくとも一部分が前記第１の周波数範囲よりも高い第２の周波数範囲の磁界が、第２のセンサによって第１のセンサと同じタイミングで検出される工程と、
    センサ信号が増幅される工程と、
    増幅されたセンサ信号によって少なくとも１つの補償コイルが駆動される工程とを含み、
    第１のセンサ用にディジタル・ローパス・フィルタを生成するために、ディジタル信号プロセッサが用いられ、
    前記第１のセンサからの信号がディジタル処理される、特にディジタル信号プロセッサを用いてディジタル処理され、
    ハイパス・フィルタにより、前記第２のセンサからの信号をアナログ処理することにより磁界を補償する方法。
19. 少なくとも前記第２のセンサからの信号の利得係数／ゲインを、制御および／または調節するのに、ディジタル信号プロセッサが用いられる、請求項１８に記載の磁界を補償する方法。

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