Titel

Leistungsoptimierte Ansteuerung eines Fluxgatesensors Stand der Technik

Das Prinzip der Magnetfeldmessung mit Fluxgatesensoren findet in der Praxis vielfach Anwendung. Das Messprinzip basiert auf der wechselnden Ummagneti- sierung eines weichmagnetischen Kerns mit Hilfe einer Erregerspule und der De- tektion des dabei generierten zeitabhängigen magnetischen Flusses mit einer Detektorspule. Die Flussänderung wird dabei bestimmt durch die Magnetisierungskurve des weichmagnetischen Kerns in Abhängigkeit des zu messenden äußeren Magnetfeldes.

Je schneller die Ummagnetisierung erfolgt, desto größer ist auch die von der Detektorspule erzeugte Spannung, so dass die von der Detektorspule erzeugte Spannung sowohl durch eine steilere Magnetisierungshysterese durch Wahl eines Kerns mit höherer Permeabilität, als auch durch eine Erhöhung der Frequenz der Anregungsspule erhöht werden kann.

Ein bekanntes Messverfahren misst den Zeitpunkt der Ummagnetisierung anhand des Spannungsausschlages der Detektorspule. Dieser Zeitpunkt hängt vom externen Magnetfeld ab und ist somit ein Maß für die Stärke des zu messenden Magnetfeldes.

Der Messbereich des Fluxgatesensors ist abhängig von der Erregerspannung der Erregerspule. Je höher die Erregerspannung ist, desto mehr Raum besteht für eine Verschiebung der Ummagnetisierung, d.h., desto größere äußere Magnetfelder können gemessen werden. Der Zusammenhang zwischen Erregerspannung und der messbaren Größe des äußeren Magnetfeldes ist dabei nahezu linear. Bei praktischen Anwendungen können demjenigen Magnetfeld, dem das Interesse gilt, Störfelder überlagert sein. Sind diese Störfelder konstant und ihre Größe bekannt, können sie für die Messung kompensiert werden. Problematisch ist je- doch, dass die Störfelder sehr viel größer als das zu messende Magnetfeld sein kann. In diesem Fall muss der Messbereich so erweitert werden, dass das die Summe des Störfeldes und des zu messenden Magnetfeldes gemessen werden können. Dies bedeutet, dass auch die Erregerspannung entsprechend erhöht werden muss, was eine höhere Leistungsaufnahme der Messvorrichtung nach sich zieht.

Die Erfindung macht sich deshalb eine Reduktion des Leistungsverbrauchs einer Fluxgatesensormessvorrichtung für eine Magnetfeldmessung unter Einfluss starker Störfelder zur Aufgabe.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schließt die Einsicht ein, dass die Erregerspannung entsprechend den wirkenden externen Feldern angepasst werden sollte, so dass der Messbereich nicht erweitert, sondern verschoben wird, wodurch die Amplitude der Erregerspannung reduziert wird. Bei gleichen Messbedingungen wird auf diese Weise die Leistungsaufnahme minimiert. Ein erster Aspekt der Erfindung führt daher eine Messvorrichtung für das Messen eines Magnetfeldes mit einer um einen weichmagnetischen Kern angeordneten und mit einem Erregersignalgenerator verbundenen Erregerspule und einer um den weichmagnetischen Kern angeordneten und mit einer Auswerteeinheit verbundenen Detektorspule ein, bei der der Erregersignalgenerator ausgebildet ist, ein Erregersignal für die Erzeugung eines Magnetfeldes zu erzeugen und an die

Erregerspule auszugeben, und die Auswerteeinheit ausgebildet ist, ein von der Detektorspule ausgegebenes Messsignal auszuwerten. Erfindungsgemäß um- fasst der Erregersignalgenerator einen Gleichsignalgenerator für das Erzeugen eines konstanten Erregersignals und einen Wechselsignalgenerator für das Er- zeugen eines alternierenden Erregersignals, wobei der Gleichsignalgenerator und der Wechselsignalgenerator derart miteinander verschaltet sind, dass sich das konstante Erregersignal und das alternierende Erregersignal überlagern.

Das konstante Erregersignal bewirkt die Kompensation des bekannten konstan- ten Störfeldes während der Messung, während die Amplitude des alternierenden

Erregersignals so weit reduziert werden kann, wie es die Größe des zu messenden Magnetfeldes erlaubt. Im Ergebnis sinkt dadurch die durch die Erzeugung des Erregersignals verursachte Leistungsaufnahme der Messvorrichtung gegenüber dem vorbekannten Fall einer Vergrößerung der Amplitude des Erregersig- nals deutlich.

Bevorzugt ist der Gleichsignalgenerator ausgebildet, das konstante Erregersignal mit einem wählbaren Wert zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der Wechselsignalgenerator ausgebildet sein, das alternierende Erregersignal mit ei- ner wählbaren Amplitude zu erzeugen. Der Vorteil dieser Schaltungsmaßnahmen liegt darin, dass die jeweiligen Komponenten des Erregersignals an die Umstände der jeweiligen Magnetfeldmessung angepasst werden können.

Besonders bevorzugt ist der Wechselsignalgenerator ausgebildet, das alternierende Erregersignal mit einer wählbaren Amplitude größer als das vom Gleichsignalgenerator erzeugte konstante Erregersignal zu erzeugen. Dadurch wird sichergestellt, dass das sich aus der Überlagerung des konstanten Erregersignals und des alternierenden Erregersignals entstehende Erregersignal immer eine Ummagnetisierung realisiert, auf der das Messprinzip basiert. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Wechselsignalgenerator und der Gleichsignalgenerator miteinander verbunden sind und dass der Wechselsignalgenerator zu der gewählten Amplitude die gewählte Größe des konstanten Erregersignals sowie optional einen Offsetwert betragsmäßig addiert. Je nach externem Feld kann auch ein Erregersignal ohne Vorzeichenwechsel benutzt werden.

Der Wechselsignalgenerator und der Gleichsignalgenerator können beispielsweise als seriengeschaltete Spannungsquellen oder als parallelgeschaltete Stromquellen realisiert werden. Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt ein Messverfahren für das Messen eines

Magnetfeldes ein, das folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines Erregersignals und Ausgeben des Erregersignals an eine um einen weichmagnetischen Kern angeordneten Erregerspule;

Wandeln des Erregersignals in ein Magnetfeld durch die Erregerspule; und Wandeln des Magnetfeldes in ein Messsignal durch eine um den weichmagnetischen Kern angeordnete Detektorspule und Ausgeben des Messsignals an eine Auswerteeinheit.

Erfindungsgemäß werden im Schritt des Erzeugens des Erregersignals ein konstantes Erregersignal und ein alternierendes Erregersignal zu dem Erregersignal überlagert.

Vorteilhafterweise können ein Wert des konstanten Erregersignals und/oder eine Amplitude des alternierenden Erregersignals vorgebbar sein.

Besonders vorteilhafterweise ist die Amplitude des alternierenden Erregersignals größer als ein Wert des konstanten Erregersignals. Je nach externem Feld kann auch ein Erregersignal ohne Vorzeichenwechsel benutzt werden.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den Aufbau eines Fluxgatesensors;

Fig. 2 typische Signalverläufe von Erregersignal und Messsignal in drei Unterabbildungen; und Fig. 3 ein Beispiel für eine Kompensation eines bekannten konstanten Störfeldes gemäß der Erfindung bei gleichzeitig optimierter Leistungsaufnahme der Messvorrichtung in zwei Unterabbildungen.

Ausführliche Beschreibung der Abbildungen Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Fluxgatesensors. Ein Erregersignalgenerator 1 1 ist mit den beiden Enden einer Erregerspule 21 verbunden (durchgezogene Linie), welche um einen weichmagnetischen Kern 30 angeordnet ist. Ebenfalls um den weichmagnetischen Kern 30 herum angeordnet ist eine Detektorspule 22 (gestri- chelte Linie), deren beiden Enden mit einer Auswerteeinheit 12 verbunden sind.

Erregerspule 21 und Detektorspule 22 sind voneinander sowie vom weichmagnetischen Kern 30 elektrisch isoliert.

Fig. 2 zeigt typische Signalverläufe von Erregersignal und Messsignal in drei Un- terabbildungen. Unterabbildung a) zeigt Signalverläufe von Erregersignal (unterer

Zeitstrahl) und Messsignal (oberer Zeitstrahl) für den feldfreien Fall. Das von der Detektorspule 22 ausgegebene Messsignal zeigt zu den Zeitpunkten, an denen ein Vorzeichenwechsel bzw. Nulldurchgang des Erregersignals stattfindet, einen kurzen Spannungsausschlag, dessen Vorzeichen von der Richtung des Vorzei- chenwechsels des Erregersignals abhängt.

Unterabbildung b) zeigt entsprechende Signalverläufe für einen Fall, indem der weichmagnetische Kern 30 von einem externen Feld durchsetzt wird, das während des Messverlaufs konstant bleibt. Aufgrund der Überlagerung des externen Feldes und des vom Erregersignal erzeugten Feldes im weichmagnetischen Kern

30 sind die Zeitpunkte der kurzen Spannungsauschläge des Messsignals gegenüber jenen der Nulldurchgänge verschoben, wobei die Verschiebungsrichtung vom Vorzeichen des kurzen Spannungsausschlages bzw. der Richtung des Vorzeichenwechsels des Erregersignals abhängt, weshalb sich jeweils ein Paar von Spannungspulsen einander annähert. Die zeitliche Verschiebung der kurzen

Spannungsausschläge ist dabei ein Maß für die Stärke des externen Feldes.

Wird das externe Feld nun so stark, dass die Paare von Spannungspulsen zeitlich zusammenfallen würden, findet keine Ummagnetisierung des weichmagneti- sehen Kerns 30 mehr statt, so dass das Messprinzip versagt. Im Stand der

Technik muss für diesen Fall die Amplitude des Erregersignals entsprechend erhöht werden, was die Leistungsaufnahme stark erhöht.

Die dritte Unterabbildung c) zeigt einen weiteren Fall für ein Vorliegen eines ex- ternen Feldes, welches jedoch gegenüber dem Fall von Unterabbildung b) ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Wieder verschieben sich die Zeitpunkte der kurzen Spannungsausschläge des Messsignals gegenüber den Nulldurchgängen des Erregersignals, wobei aufgrund des umgekehrten Vorzeichens des externen Feldes sich auch die Verschiebungsrichtung umkehrt.

Fig. 3 ein Beispiel für eine Kompensation eines bekannten konstanten Störfeldes gemäß der Erfindung bei gleichzeitig optimierter Leistungsaufnahme der Messvorrichtung in zwei Unterabbildungen. Unterabbildung a) zeigt Signalverläufe, die denjenigen von Unterabbildung c) der Fig. 2 entsprechen. Um die Messung des starken externen Feldes durchführen zu können, muss die Amplitude des Erregersignals entsprechend groß sein. Im Fall einer Messung eines kleinen Feldes, das von einem starken bekannten Störfeld überlagert wird, wird im Stand der Technik die Amplitude des Erregersignals daher so groß gewählt, dass das kleine Feld plus dem starken bekannten Störfeld gemessen werden können.

Unterabbildung b) zeigt, wie erfindungsgemäß das starke bekannte Störfeld kompensiert wird, ohne gleichzeitig die Amplitude des Erregersignals über das für die Messung des kleinen Feldes nötige Maß hinaus zu erhöhen. Das im unteren Zeitstrahl der Unterabbildung b) dargestellte Erregersignal weist einen Gleichanteil V ₀ auf, der so bemessen ist, dass das starke bekannte Störfeld im weichmagnetischen Kern 30 kompensiert wird. Der Gleichanteil V ₀ ist in Unterabbildung b) als horizontale gestrichelte Linie dargestellt. Im dargestellten Fall ist das zu messende kleine Feld gleich 0, weshalb die Zeitpunkte der kurzen Spannungsausschläge im Messsignal mit jenen der Durchgänge des Wechselanteils des Erregersignals durch den Gleichanteil V ₀ zusammenfällt (siehe vertikale gestrichelte Linien). Gegenüber einer Messumgebung ohne Störfeld bleibt die Amplitude des Erregersignals bei Verwendung des erfindungsgemäßen Messprinzips gleich, lediglich die Erzeugung des Gleichanteils V ₀ bedeutet eine gewisse Steigerung der Leistungsaufnahme der Messvorrichtung. Insgesamt wird die benötigte Leistung jedoch stark reduziert. Außerdem kann die Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit bzw. die Frequenz (des Wechselanteils) des Erregersignals bei gleichbleibender Steilheit des Erregersignals (AV / At) gesteigert werden, was u.a. für eine Verbesserung des Messergebnisses durch Mittelung mehrere Messungen oder für die Messung schnell veränderlicher Felder ausgenutzt werden kann.