CIRCUITRY FOR COMPENSATING VARIATIONS OF THE TRANSMISSION FACTOR OF A LINEAR MAGNETIC FIELD SENSOR

Abstract: 1. A circuit arrangement for compensating for fluctuations in the transmission factor of a linear magnetic field sensor (1) comprising a magnetic coil (4) connected to a current source (3) for producing an auxiliary magnetic field which is superimposed on the magnetic field to be measured, means (5-6) for determining the slope of the transmission characteristic of the magnetic field sensor by ascertaining the component, which is produced solely by the auxiliary magnetic field, of the output signal of the magnetic field sensor, and a division member (7) for division of the output signal by the slope, characterized in that the magnetic field sensor (1) is a magnetic field/voltage transducer, that the auxiliary current (ih ) produced by the current source (3) is an alternating current or pulsating direct current, that the output of the magnetic field sensor (1) and the current source (3) are connected to a multiplier (5) and that the output of the multiplier (5) is connected by may of a low pass filter (6) to the division member (7).

Description: Schaltungsanordnung zur Kompensation von Schwankungen des Uebertragungsfaktors eines linearen Magnetfeldsensors Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Kompensation von Schwankungen des Uebertragungsfaktors eines einem aren Magnetfeldsensors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. Es ist bekannt, einen elektrischen Strom über das von ihm erzeugte Magnetfeld potentialfrei zu messen. Zur Ermittlung der Stärke des Magnetfeldes dienen Magnetfeldsensoren, z.B. Hat tgeneratoren, Magnetotransistoren und andere Halbleiterelemente, die ein zum Ma gnetfeld mehr oder weniger proportionales Ausgangssignal erzeugen. Um den Einfluss von Nichtlinearitäten und Schwankungen der Steigung der Uebertragungskennlinie des Magnetfeldsensors auf das Messresuttat zu eliminieren, kann mittels eines Regelkreises und einer Magnetspule ein magnetisches Gegenfetd erzeugt werden, welches das zu messende Magnetfeld praktisch vollständig kompensiert (DE-AS 26 21 302). Nachteilig bei solchen sogenannten kompensierten Wandlern ist der verhältnismässig hohe Leistungsaufwand zur Erzeugung des kompensierenden Magnetfeldes. Manche der bekannten Magnetfeldsensoren zeichnen sich durch eine befriedigende Linearität der Uebertragungskenn tinie aus, wobei jedoch die Steigung der Uebertragungskennlinie eine Funktion der Temperatur darstellt und auch alterungsbedingten Aenderungen unterworfen ist. Es ist bekannt (EP-A-OO 18 750), bei einem an sich linearen, als Magnetfetd/Frequenzwandter arbeitenden Magnet feldsensor mit Hilfe eines magnetischen Gteichfetdes die Steigung der Uebertragungskennlinie zu bestimmen und die Ausgangsfrequenz durch eine der Steigung proportionale Frequenz zu dividieren, so dass Schwankungen der Steigung kompensiert werden. Diese Art der Bestimmung der Steigung setzt jedoch voraus, dass einerseits das zu messende Magnetfeld ein reines Wechselfeld ist und das andererseits die Uebertragungskenn t in ie des Magnetfetdsensors keinen Offset aufweist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit einem Magnetfetd/Spannungs- wandler als Magnetfeldsensor zu bestücken und derart auszugestalten, dass durch Temperatur- oder Atterungseinftüsse bedingte Schwankungen der Steigung der Uebertragungskennlinie des Magnet feldsensors auch dann einwandfrei kompensiert werden, wenn der Magnetfeldsensor eine Offset-Spannung aufweist und wenn das zu messende Magnetfeld eine Gteichfetdkomponente besitzt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher ertäutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild und Fig. 2 ein Detail einer Variante der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1. In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Magnetfeldsensor, der einem zu messenden Magnetfeld ausgesetzt ist, an seinem Ausgang eine Spannung u in Abhängigkeit von diesem Magnetfeld abgibt und somit als Magnetfetd/Spannungswandter arbeitet. Dieser Magnetfetdsensor 1 kann z.B. ein Haligenerator, ein MOS-Magnetotransistor oder eine MOS-Magnetodiode sein. Für die Ausgangsspannung u des Magnet feldsensors 1 gilt die Beziehung u=uO+a.b, wobei u die gegebe nenfalls vorhandene Offset-Spannung, a die Steigung der linearen Uebertragungskennlinie und b die magnetische Ftussdichte im Magnetfeldsensor 1 bedeutet. Die Steigung a ist eine Funktion der Temperatur und zudem auch alterungsbedingten Schwankungen unterworfen, so dass trotz der guten Linearität der Uebertragungskenn linie ohne besondere Massnahmen eine genaue Messung des Magnetfeldes nicht möglich ist. Der Magnetfeldsensor 1 kann zur Messung eines in einem elektri schen Leiter 2 fliessenden Messstromes i über das von ihm erzeug m te Magnetfeld dienen. Die Einkopplung des vom Messstrom i erzeug m ten Magnetfeldes in den Magnetfeldsensor 1 kann in bekannten Weise mittels eines Magnetkernes oder auch ohne einen Magnetkern dadurch erfolgen, dass der Magnetfeldsensor 1 auf der Oberfläche des als Flachleiter ausgebildeten Leiters 2 angeordnet wird. Mit Hilfe einer Stromquelle 3, einer Magnetspule 4 und eines aus einem Multiplikator 5 und einem Tiefpass 6 bestehenden Korrelators wird die Steigung a der Uebertragungskennlinie bestimmt, und mittels eines als Divisionsgtied arbeitenden Anatog/Digitatwandters 7 wird zur Kompensation von temperatur- oder alterungsbedingten Schwankungen der Steigung a die Division u durchgeführt. 0 Die Stromquelle 3 erregt die Magnetspule 4 mit einem Hilfsstrom i der ein Wechselstrom oder ein pulsierender Gleichstrom ist. Die Magnetspule 4 erzeugt ein alternierendes oder pulsierendes magnetisches Hilfsfeld bekannter Grösse und mit bekanntem zeitlichem Verlauf. Sie ist so angeordnet, dass dieses Hitfsfetd dem zu messenden Magnetfeld überlagert wird. Die Amplitude des Hilfsfeldes beträgt einige Prozent des Maximalwertes der Amplitude des zu messenden Magnetfeldes. Der Ausgang des Magnetfeldsensors 1 ist mit dem Signaleingang 8 des Analog/Digitalwandlers 7 verbunden. Der Multiplikator 5 besitzt zwei Eingänge, von denen der eine an den Ausgang des Magnetfeldsensors 1 und der andere an die Stromquelle 3 angeschlossen ist. Der Ausgang des Multiplikators 5 ist über den Tiefpass 6 an einen Referenzspannungseingang 9 des Anatog/Digitatwandters 7 angeschlossen. Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Der Magnetfeldsensor 1 erfasst die Summe des zu messenden Magnetfeldes und des vom Hilfsstrom h erzeugten Magnetfeldes. Für die Ausgangsspannung u des Magnetfeldsensors 1 gilt u = uo + a (bm + bh) wobei b die durch den Messstrom i und bh die durch den Hilfs m m strom ih erzeugte magnetische Flussdichte bedeutet. u ist in 0 der Regel vernachlässigbar klein und kann auf die weiter unten beschriebene Weise eliminiert werden. Auch die durch den Hilfsstrom h verursachte Komponente a.bh der Ausgangsspannung u kann erforderlichenfalls durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Filter herausgefiltert werden, da der zeitliche Verlauf dieser Komponente bekannt ist. Der Anatog/Digitatwandter 7 wandelt die Ausgangsspannung u bzw. die nach der Elimination der störenden Komponenten noch verbleibende Komponente a.b in m ein digitales Signal um. Der Multiplikator 5 bildet das Produkt v = u. ih der zeitveränderlichen Grössen u und ih. Die Gleichstromkomponente Vdc dieses Produktes entspricht dem allein durch das Hilfsmagnetfeld erzeugten Anteil der Ausgangsspannung u und ist zur Steigung a proportional. Der Tiefpass 6 tässt die Gleichstromkomponente Vdc des Signals v durch und sperrt dessen übrige Komponenten. Die Gleichstromkomponente Vdc gelangt als Referenzspannung zum Analog/Digitalwandler 7. Der Uebertragungsfaktor des Ana tog/Digi tatwand [ ers 7 ist proportional zum Reziprokwert der Referenzspannung, so dass dieser Wandler die Division u bzw. # durchführt und das digita Vdc le Messergebnis von der Steigung a unabhängig ist. Es ist leicht ersichtlich, dass die beschriebene Messeinrichtung sowohl zur Messung von Wechselströmen bzw. magnetischer Wechselfelder als auch von Gteichströmen bzw. magnetischer Gteichfetder geeignet ist. Der zeitliche Verlauf des Hilfsstromes ih ist derart zu wählen, dass Korrelationen mit dem zu messenden Magnetfeld vermieden werden. Zur Messung von 50 Hz-Wechselfeldern eignet sich beispielsweise ein sinusförmiger Hilfsstrom ih mit einer Frequenz von einigen kHz. Besonders vorteilhaft ist es, die Stromquelle 3 als Pseudo-Zufalls-Stromquelle auszubilden. Falls der zeitliche Verlauf des Hilfsstromes h rechteckförmig ist, kann als Multiplikator 5 ein Umpolschalter verwendet werden, der die Polarität der Ausgangsspannung u im Takt des Hilfsstromes ih umpolt. Die beschriebene Kompensation von Schwankungen der Steigung a gewährleistet eine hohe Messgenauigkeit und reduziert in hohem Masse die Anforderungen an die Stabilität des Magnetfeldsensors 1. Die Verwendung des Analog/Digitalwandlers 7 als Divisionsglied ergibt einen besonders einfachen Schaltungsaufbau und erübrigt eine stabilisierte Gleichspannungsquelle zur Erzeugung der Referenzspannung für diesen Wandler. Da das magnetische Hitfsfetd gegen über dem zu messenden Magnetfeld schwach sein kann, erfordert die Erzeugung des Hilfsfeldes im Vergleich zu dem eingangs erwähnten kompensierten Wandlers einen wesentlich geringeren Leistungsaufwand. Wenn eine allfällige Gteichfetdkomponente des zu messenden Magnetfeldes von der Messung nicht erfasst werden soll, kann zwischen den Ausgang des Magnetfeldsensors 1 und den Signaleingang 8 des Analog/Digitalwandlers 7 ein Filter geschaltet werden, das die in der Ausgangsspannung u enthaltene Gleichstromkomponente sperrt. Durch diese Massnahme wird auch die Offset-Spannung uO des Magnetfeldsensors 1 eliminiert. Das genannte Filter besteht gemäss der Fig. 2 vorteilhaft aus einem Tiefpassglied 10 und einem Subtrahierglied 11, wobei der Ausgang des Magnetfeldsensors 1 (Fig. 1) an den Eingang des Tiefpassgtiedes 10 sowie an den "+" Eingang des Subtrahiergliedes 11, der Ausgang des Tiefpassgliedes 10 an den "-"-Eingang des Subtrahiergliedes 11 und der Ausgang des Subtrahiergliedes 11 an den Signaleingang 8 des Analog/Digitalwandlers 7 angeschlossen ist. Die Gleichstromkomponente u der Ausgangsspannung u gelangt über das Tiefpassglied 10 zum Sub trahierglied 11, an dessen Ausgang das Differenzsignal w=u-u entsteht. Schliesslich ist es auch möglich, die Elimination der Gleichstromkom- ponente u erst nach der Anatog/Digitatumwandtung durch digitale Filterung vorzunehmen.

Claims: PATENTANSPRUECHE 1. Schaltungsanordnung zur Kompensation von Schwankungen des Uebertragungsfaktors eines linearen Magnetfeldsensors, mit einer an eine Stromquelle angeschlossenen Magnetspule zur Erzeugung eines dem zu messenden Magnetfeld überlagerten Hilfsmagnetfeldes, mit Mitteln zur Bestimmung der Steigung der Uebertragungskenntinie des Magnetfeldsensors durch Ermittlung des allein durch das Hilfsmagnetfeld erzeugten Anteils des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors und mit einem Divisionsglied zur Division des Ausgangssignals durch die Steigung, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (1) ein Magnetfeld/Spannungswandler ist, dass der von der Stromquelle (3) erzeugte Hilfsstrom (ih) ein Wechselstrom oder pulsierender Gleichstrom ist, dass der Ausgang des Magnetfeldsensors (1) und die Stromquelle (3) an einen Multiplikator (5) angeschlossen sind und dass der Ausgang des Multiplikators (5) über einen Tiefpass (6) an das Divisionsglied (7) geschaltet ist. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Divisionsglied (7) ein Analog/Digitalwandler ist, dessen Signaleingang (8) mit dem Ausgang des Magnetfeldsensors (1) und dessen Referenzspannungseingang (9) mit dem Ausgang des Tiefpasses (6) verbunden ist. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang des Magnetfeldsensors (1) und das Divisionsglied (7) ein Filter (10,11) geschaltet ist, das die im Ausgangssignal (u) des Magnetfeldsensors (1) enthaltene Gleich- stromkomponente (u) sperrt. 4. Schalungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter aus einem Tiefpassglied (10) und einem Sub trahiergtied (11) besteht. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (3) eine Pseudo-Zufalls Stromquelle ist.

Inventors: GRUBER, PETER, STEINLE, BENEDIKT
Applicants: LGZ LANDIS & GYR ZUG AG
Application year: 1984
Main classification: G01R33
IPC codes: G01R33