DE1082344B

DE1082344B - Device for measuring the field gradient of weak magnetic fields

Info

Publication number: DE1082344B
Application number: DES54305A
Authority: DE
Inventors: Dr Herbert Weiss
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1957-07-16
Filing date: 1957-07-16
Publication date: 1960-05-25

Description

Einrichtung zur Messung des Feldgradienten schwacher magnetischer Felder Es sind elektrische Meßgeräte zur Messung von Magnetfeldern und von durch sie abgebildeten Größen bekanntgeworden, bei denen als Meßglieder Hall-Generatoren vorgesehen sind. Der Vorteil derartiger Geräte gegenüber schon länger bekannten Hall-Spannungserzeugern beruht darauf, daß - dank der Verwendung von Halbleiterstoffen mit Trägerbeweglichkeiten von mindestens 6000 cm2/Vsec - die Hall-Spannung über Galvanometergrößen hinausgehend leistungsmäßig belastet werden kann, daß es also möglich ist, die Hall-Spannung unmittelbar, ohne Verstärker mit hochohmigem Eingang, auf leistungsaufnehmende Einrichtungen zu schalten. Bei den früher bekannten Geräten dieser Art, z. B. bei einem Germanium-Halbleitergerät, würde die Hall-Spannung bei einer solchen Belastung zusammenbrechen. Device for measuring the field gradient of weak magnetic Fields There are electrical measuring devices for measuring magnetic fields and by the sizes shown became known where Hall generators were used as measuring elements are provided. The advantage of such devices over those that have been known for a long time Hall voltage generators are based on the fact that - thanks to the use of semiconductor materials with carrier mobilities of at least 6000 cm2 / Vsec - the Hall voltage above Galvanometer sizes can be loaded in terms of performance, so that it it is possible to measure the Hall voltage directly, without an amplifier with a high-impedance input, to switch to power-consuming facilities. With the devices known earlier of this type, e.g. B. in a germanium semiconductor device, the Hall voltage would be collapse under such a load.

Weiterhin sind Geräte vorgeschlagen worden, bei denen zur Steigerung der Empfindlichkeit der Hall-Generator zwischen zwei weichmagnetischen Metallstäben angeordnet und die Hall-Spannung rückgekoppelt ist, ferner Geräte, bei denen weiterhin Mittel vorgesehen sind zur Kompensation des Nulleffektes und des Temperatureffektes. Schließlich sind Maßnahmen zur Kompensation von Störfeldern und zur Beseitigung von Verfälschungen des Ofeßergebnisses auf Grund von Hystereseerscheinungen bei den weichmagnetischen Metallstäben eine magnetische Gegenkopplung eines Kompensationsverstärkers, auf den die Hall-Spannung des Hall-Generators geschaltet ist, vorgeschlagen worden. Furthermore, devices have been proposed in which to increase the sensitivity of the Hall generator between two soft magnetic metal rods arranged and the Hall voltage is fed back, also devices in which continue Means are provided to compensate for the background effect and the temperature effect. Finally, there are measures to compensate for interference fields and to eliminate them of falsifications of the oven result due to hysteresis phenomena the soft magnetic metal rods a magnetic negative feedback of a compensation amplifier, to which the Hall voltage of the Hall generator is switched, has been proposed.

Gegenstand der Erfindung ist eine Weiterbildung der vorgenannten Geräte zur Messung des Feldgradienten schwach magnetischer Felder. Sie betrifft eine Einrichtung zur Messung des Feldgradienten schwacher Magnetfelder mit Hilfe von zwei in dem Feldbereich, dessen Gradient bestimmt werden soll, angeordneten Hall-Generatoren. Nach der Erfindung induziert eine im Hall-Kreis des einen Hall-Generators angeordnete Spule den anderen Hall-Generator in derartigem Sinne und ist so dimensioniert, daß das von ihr erzeugte Feld beim Gradienten Null die Hall-Spannung dieses Hall-Generators gerade zum Verschwinden bringt, so daß dessen Hall-Spannung ein Maß für den Gradienten darstellt. The subject of the invention is a further development of the aforementioned Devices for measuring the field gradient of weakly magnetic fields. She concerns a device for measuring the field gradient of weak magnetic fields with the help of of two arranged in the field area whose gradient is to be determined Hall Generators. According to the invention, induces one in the Hall circuit of the one Hall generator arranged coil the other Hall generator in such a sense and is dimensioned so that the field generated by it at the gradient zero, the Hall voltage of this Hall generator just disappears, so that its Hall voltage is a measure of the gradient represents.

Die besonderen Vorteile der Anordnung nach der Erfindung liegen darin, daß der Gradient ohne weiteres in bezug auf große Distanzen gemessen werden kann und in den Sonden eventuell auftretende Hystereseerscheinungen das Meßergebnis nicht beeinflussen können. The particular advantages of the arrangement according to the invention are that the gradient can easily be measured with respect to long distances and any hysteresis phenomena that may occur in the probes do not affect the measurement result can influence.

In den Fig. 1 und 2 sind Einrichtungen zur Durchführung von Feldgradientenmessungen dargestellt, wie sie in ähnlicher Weise, aber ohne Hall-Generatoren, schon bekannt sind, und zwar zeigt Fig. 1 eine Einrichtung, bei der die beiden Hall-Generatoren primärseitig hintereinandergeschaltet und die Hall-Spannungen galvanisch getrennt gegen geschaltet sind, Fig. 2 eine Einrichtung, bei der die Primärkreise der beiden Hall-Generatoren galvanisch getrennt und die Hall-Spannungen direkt entgegengesetzt hintereinandergeschaltet sind; in Fig. 3 ist das Schaltbild einer Einrichtung gemäß der Erfindung mit magnetischer Gegenkopplung der Hall-Spannungen der Hall-Generatoren dargestellt. 1 and 2 are devices for carrying out field gradient measurements shown in a similar way, but without Hall generators, already known are, namely shows Fig. 1 shows a device in which the two Hall generators connected in series on the primary side and the Hall voltages galvanically separated are connected against, Fig. 2 a device in which the primary circuits of the two Hall generators galvanically separated and the Hall voltages directly opposite are connected in series; in Fig. 3 is the circuit diagram of a device according to of the invention with magnetic negative feedback of the Hall voltages of the Hall generators shown.

In Fig. 1 sind die beiden Hall-Generatoren mit 1 und 2 bezeichnet. Sie sind primärstrommäßig hintereinandergeschaltet und werden durch die Wechselstromquelle 3 gespeist. Die beiden Hall-Kreise 4 und 5 der Hall-Generatoren 1 und 2 sind induktiv und entgegengesetzt mit dem Meßkreis 6 gekoppelt. Die Spannung am Spannungsmesser 7 gibt ein Maß für den Feldgradienten in bezug auf das Feld am Ort des Hallgenerators 1 einerseits und des Hall-Generators 2 andererseits. Zur Erfassung des Absolutwertes des Feldes am Ort des Hall-Generators 1 dient der Sekundärkreis 8 mit dem Spannungsmeßgerät 9. The two Hall generators are denoted by 1 and 2 in FIG. They are connected in series in terms of primary current and are powered by the alternating current source 3 fed. The two Hall circuits 4 and 5 of the Hall generators 1 and 2 are inductive and coupled to the measuring circuit 6 in the opposite direction. The tension on the tension meter 7 gives a measure of the field gradient in relation to the field at the location of the Hall generator 1 on the one hand and the Hall generator 2 on the other hand. For recording the absolute value of the field at the location of the Hall generator 1 is used by the secondary circuit 8 with the voltmeter 9.

Bei der entsprechenden Einrichtung der Fig. 2 werden die Hall-Generatoren 11 und 12 primärseitig durch die galvanisch getrennten Kreise 13 und 14 versorgt. Die beiden Hall-Spannungen sind entgegengesetzt hintereinandergeschaltet, ihre Differenz wird am Spannungsmeßgerät 15 abgelesen. Diese ist ein Maß für den Feldgradienten, bezogen auf den Ort des Hall-Generators 11 einerseits und den Ort des Hall-Generators 12 andererseits. Der Absolutwert des Feldes am Ort des Hall-Generators 11L wird durch das Spannungsmeßgerät 16 erfaßt. In the corresponding device of FIG. 2, the Hall generators 11 and 12 supplied on the primary side by the electrically isolated circuits 13 and 14. The two Hall voltages are connected in series in opposite directions, their difference is read on the voltmeter 15. This is a measure of the field gradient, based on the location of the Hall generator 11 on the one hand and the place of the Hall generator 12 on the other hand. The absolute value of the field at the location of the Hall generator 11L is detected by the tension meter 16.

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 3 sind die Hall-Generatoren 21 und 22 jeweils zwischen weichmagnetischen Metallstäben, die mit 23, 24, 25 und 30 bezeichnet sind, angeordnet, wie dies bereits früher vorgeschlagen worden ist. Die Hall-Spannungen sind jeweils auf einen Verstärker 27 bzw. 28 geschaltet, z. B. auf einen Kompensationsverstärker - vorzugsweise auf einen Transistorverstärker mit nachfolgender Demodulation durch Ringmodulatoren - mit magnetischer Gegenkopplung. Die Gegenkopplungsspulen sind bei 29 und 26 angegeben. In dem zum Verstärker 27 gehörigen Gegenkopplungskreis ist in Reihe mit der Spule 29 die Spule 31, die auf den zum Hall-Generator 22 gehörigen weichmagnetischen Stab 25 wirkt, angeordnet. Sie ist so dimensioniert, daß das von ihr erzeugte Feld beim Gradienten Null die Hall-Spannung des Hall-Generators 22 gerade zum Verschwinden bringt; die verstärkte Hall-Spannung des Hall-Generators 22, die an dem Spannungsmeßgerät 32 abgelesen wird, stellt somit ein direktes Maß für den Feldgradienten dar. In the device according to FIG. 3, the Hall generators 21 and 22 each between soft magnetic metal rods, denoted by 23, 24, 25 and 30 are arranged as previously suggested. The Hall voltages are each connected to an amplifier 27 and 28, e.g. B. on a compensation amplifier - Preferably on a transistor amplifier with subsequent demodulation Ring modulators - with magnetic negative feedback. The negative feedback coils are indicated at 29 and 26. In the negative feedback circuit belonging to the amplifier 27 is in series with the coil 29, the coil 31, which belongs to the Hall generator 22 soft magnetic rod 25 acts, arranged. It is dimensioned so that that of its generated field at the gradient zero, the Hall voltage of the Hall generator 22 just disappears; the amplified Hall voltage of the Hall generator 22, which is read on the voltmeter 32, thus provides a direct measure for the field gradient.

Durch die magnetische Gegenkopplung werden Verfälschungen des Meßergebnisses vermieden, die durch Hystereseerscheinungen bei den weichmagnetischen Metallstäben eintreten können. Bei der Einrichtung gemäß Fig. 3 treten kleine Unterschiede in der Empfindlichkeit und Temperaturabhängigkeit der beiden Hall-Spannungen nicht störend in Erscheinung. In manchen Fällen ist es ausreichend, wenn nur der der Absolutmessung des magnetischen Feldes dienende Hall-Generator magnetisch gegengekoppelt ist. The magnetic negative feedback falsifies the measurement result avoided the hysteresis phenomena in the soft magnetic metal rods can enter. In the device according to FIG. 3, there are small differences in the sensitivity and temperature dependence of the two Hall voltages are not disturbing in appearance. In some cases it is sufficient if only the absolute measurement is used the magnetic field serving Hall generator is magnetically counter-coupled.

PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur Messung des Feldgradienten schwacher Magnetfelder mit Hilfe von zwei in dem Feldbereich, dessen Gradient bestimmt werden soll, angeordneten Hall-Generatoren, dadurch gekennzeidhnet, daß eine im Hall-Kreis des einen Hall-Generators angeordnete Spule den anderen Hall-Generator in derartigem Sinn induziert und so dimensioniert ist, daß das von ihr erzeugte Feld beim Gradienten Null die Hall-Spannung dieses Hall-Generators gerade zum Verschwinden bringt, so daß dessen Hall-Spannung ein Maß für den Gradienten darstellt.PATENT CLAIM: 1. Device for measuring the field gradient weaker Magnetic fields with the help of two in the field area whose gradient are determined should, arranged Hall generators, characterized in that one in the Hall circuit of the one Hall generator arranged coil the other Hall generator in such a Sense is induced and dimensioned in such a way that the field generated by it is at the gradient Zero just makes the Hall voltage of this Hall generator disappear, so that its Hall voltage is a measure of the gradient.

Claims

2. Device according to claim 1, characterized in that the two Hall generators each arranged between two soft magnetic metal rods are.

3. Device according to claim 2, characterized in that the Hall voltages the Hall generators are each connected to an amplifier and that at least a Hall generator has a magnetic negative feedback.

4. Device according to claim 3, characterized in that as an amplifier Transistor amplifier with subsequent demodulation by ring modulators provided are.

References considered: U.S. Patents No. 1,998 952, 2,725,504; "Siemens Zeitschrift", 28 (1954), pp. 376 to 384; »Metallkunde magazine«, 46 (1955), pp. 358 to 370; "Le Journal de Physique et le Radium Physique Appliquée", 18, pp. 108A to 111A (1957).