DE19615017A1 - Saturationskern-Magnetometer nach dem Verfahren der Pulsbreitenmodulation zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Anschluß magnetischer Wechselfeld-Meßeinrichtungen an Gleichfeld-Normale und Kalibrierung von Wechselfeld-Vorgabespulen. Messung magnetischer Wechselfelder in der Um­ gebung von Anlagen der elektrischen Energieversorgung. Messung magnetischer Streufelder mit technischen Frequenzen, die von elektrischen Geräten und Anlagen ausgehen (elektrische Maschinen und Transformatoren, Induktionsöfen, Haushaltsgeräte). Messung magnetischer Gleichfelder in der Umgebung von Hochmagnetfeldanlagen (Kernspinspektrographie bzw. -tomographie).

Stand der Technik

Zur Messung magnetischer Wechselfelder mit technischen Frequenzen werden nahezu ausschließlich Geräte mit Induktionsspulen als Sensoren, gelegentlich auch solche mit Hall­ sensoren, angeboten und eingesetzt.

Magnetometer, die die in einer Sensorspule bekannter Windungsfläche NA induzierte Spannung u_i als Maß für das zu messende Magnetfeld B(t) ausnutzen, sind aufgrund des Induktionsgesetzes u_i = NA dB(t)/dt frequenzabhängig. Sie sind deshalb a priori ungeeignet für die Messung von Gleich­ felder; zur Messung niederfrequenter Felder (Netzfrequenz) sind großflächige Sensorspulen mit einer Windungsfläche von etwa einem Quadratmeter erforderlich, wenn eine Auflösung von einigen nT erzielt werden soll. Üblich sind Spulen mit einem Durchmesser von etwa 100 mm, daher sind Mes­ sungen im Nahfeldbereich problematisch und meist fehlerbehaftet.

Magnetometer mit Sensoren, die den Hall-Effekt in dünnen, halbleitenden Schichten ausnutzen, wei­ sen zwar sehr kleine Sensorabmessungen von unter einem mm² auf, sind aber mit einer Nullpunktin­ stabilität von 10 bis 20 µT/°C und mit einer relativen Meßunsicherheiten im Bereich von 1% bis 5% für Kalibrieraufgaben zu ungenau. Ferromagnetische Flußkonzentratoren, mit denen die Empfind­ lichkeit gesteigert werden kann, erhöhen wiederum die Abmessungen des aktiven Sensorbereichs auf 10 bis 15 cm.

Mit Saturationskern-Magnetometern (engl.: fluxgate magnetometer) wird bei Sensorabmessungen von 1 bis 2 cm eine Auflösung unter 1 nT erzielt. Derartige Magnetometer verwenden als Sensor ei­ nen weichmagnetischen Kern, der mittels eines Wechselfeldes mit einer Frequenz im Bereich 1 bis 10 kHz bis in die Sättigung vormagnetisiert wird. Ein von außen angelegtes Feld, das sich im Sensor­ kern dem Wechselfeld überlagert, bewirkt eine Modulation des Wechselfeldes, die in unterschiedli­ cher Weise zur Messung des äußeren Feldes herangezogen werden kann. Saturationskern-Magnetometer wurden vornehmlich zur Messung schwacher Gleichfelder mit Flußdichten bis 100 µT konzipiert, ihre 3 dB - Frequenzgrenze liegt in der Regel im Bereich 20 bis 50 Hz.

In der Vergangenheit wurden etliche unterschiedliche Verfahren von Saturationskern-Magnetome­ tern mit verschiedenen Sensortypen entwickelt /1/,/2/. Üblich sind Sensoren mit einem toroidalen oder zwei stabförmigen Kernen /3/. Die Verfahren lassen sich grob einteilen in selektive und nichtse­ lektive:
Selektive Verfahren nutzen das Entstehen von geradzahligen Oberwellen in der Flußdichte im Kern aus, wenn das zu messende Feld überlagert wird. Dazu wird üblicherweise die zweite Harmonische der in einer zusätzlich am Kern angebrachten Wicklung induzierten Spannung u_i(2f_v) als Maß für das zu messende Feld ausgefiltert. Um eine von den magnetischen Kenndaten des Kernmaterials unab­ hängige Meßbereichsanpassung und -umschaltung vornehmen zu können sowie zur Verbesserung der Linearität, wird der Sensor fast immer als Nullfelddiskriminator betrieben. Dazu wird aus der Spannung u_i(2f_v) ein Strom i_g abgeleitet, der über eine weitere Wicklung am Kern ein Gegenkopp­ lungsfeld aufbaut. Die Stromstärke wird so ein Maß für das zu messende Feld.

Nichtselektive Verfahren arbeiten häufig nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation (PBM). Dabei wird ausgenutzt, daß sich die Nulldurchgänge der Flußdichte im Sensorkern um einen Betrag Δt zeitlich verschieben, wenn dem Vormagnetisierungsfeld H_v ein von außen angelegtes Feld - d.i. das zu messende Feld H_m - überlagert wird /4/,/5/,/6/. Fig. 1 zeigt den Zusammenhang von Feldstärke und Flußdichte im Kern, wenn das Vormagnetisierungsfeld einer dreieckförmigen Zeitfunktion ge­ horcht und das Kernmaterial eine nahezu rechteckförmige Hystereseschleife aufweist. Das zu mes­ sende Feld verursacht die Verschiebung der punktiert gezeichneten Zeitverlaufskurven gegenüber den ausgezogen gezeichneten Kurven ohne äußeres Feld. Die Nulldurchgänge der Flußdichte können aus der Spannung u_i, die in einer um den Kern gewickelten Spule induziert wird, zeitlich exakt de­ tektiert werden. Damit kann durch Tastung von zwei gleich großen Gleichspannungen unterschiedli­ cher Polarität ±U_R eine Spannung U_PM mit rechteckförmigem Zeitverlauf gewonnen werden, deren Tastverhältnis sich mit Δt ändert. Ihr zeitlicher Mittelwert _PM ist somit direkt proportional zu H_m, und es gilt

solange das Vormagnetisierungsfeld im Bereich der Hysterese­ schleife eine lineare Zeitabhängigkeit aufweist. Bislang kann das PBM-Verfahren nur in Verbindung mit stabförmigen Kernen angewandt werden /7/, die wegen ihres hohen Entmagnetisierungsfaktors Stromstärken <1A zur Generierung des erforderlichen Vormagnetisierungsfeldes benötigen /8/.

Problemstellung

In der Öffentlichkeit und in den betroffenen Fachkreisen - Hersteller und Betreiber von Anlagen zur Übertragung elektrischer Energie - werden mögliche gesundheitliche Risiken infol­ ge elektromagnetischer Felder immer intensiver diskutiert. Dementsprechend wird die Kalibrierung von Meßgeräten und Feldvorgabesystemen für magnetische Wechselfelder mit Frequenzen f1 kHz in zunehmendem Maße erforderlich. Die Einheiten der beiden magnetischen Feldgrößen, die Feld­ stärke und die Flußdichte, werden in Form von Gleichfeld-Normalen dargestellt und aufbewahrt. Deshalb ist ein Meßgerät erforderlich, mit dem sich in einfacher Weise Wechselfeldgrößen an Gleichfeldnormale anschließen lassen. Hiertür soll ein Magnetometer entwickelt werden, das in der Lage ist sowohl Gleich- als auch Wechselfelder mit geringer Unsicherheit (<0,1%) zu messen. Dabei soll weniger die Erzielung einer möglichst hohen Empfindlichkeit im Vordergrund stehen als vielmehr die Reduzierung der Meßunsicherheit aufgrund von Nichtlinearität, Frequenzgangfehler und durch zeitliche Instabilität.

Im Hinblick auf die Messung von Wechselfeldern mit einem Saturationskern-Magnetometer bietet das PBM-Verfahren Vorteile gegenüber dem Oberwellenverfahren: linearer Zusammenhang zwi­ schen zu messendem Feld und Ausgangssignal, keine Frequenzumsetzung zu höheren Frequenzen, einfache Auswerteelektronik.

Problemlösung

Um das PBM-Verfahren mit einem Kern, der einen geschlossenen Magnetisie­ rungspfad und deshalb keine Entmagnetisierung aufweist, anwenden zu können, wurde die in Fig. 2 abgebildete Kerngeometrie entwickelt. Als Ausgangsmaterial dient eine handelsübliche, amorphe NiFeCo-Folie mit einer Stärke von 25 µm. Die beiden Querstege (b) tragen die in Serie geschalte­ ten Erregerwicklungen zur Einkopplung des Vormagnetisierungsfeldes mit einer Frequenz von f_v 50 kHz. Mit dem Sensor wird die parallel zu den beiden Längsstegen (a) liegende Feldkompo­ nente eines äußeren Feldes gemessen. Damit vom äußeren Feld zeitliche Verschiebungen der Null­ durchgänge der Flußdichte hervorgerufen werden, muß im mittleren Bereich der Längsstege (a) über eine Länge (e) die Stegbreite d auf den Wert de reduziert werden, um in diesen Bereichen den Betrag der Flußdichte zu erhöhen. Nur so kann mit Induktionswicklungen, die an den Stellen mit verjüngtem Kernquerschnitt (e) angebracht sind, die gewünschte, in den beiden Längsstegen gegensinnig auftre­ tende Verschiebung Δt beobachtet werden, wenn der Sensor in ein äußeres Feld gebracht wird. Die in Fig. 2 angegebenen Abmessungen des Kern-Prototyps stellen wahrscheinlich noch nicht die opti­ male Lösung dar. Im mittleren Bereich der beiden Längsstege überlagern sich Vormagnetisierungs­ feld und äußeres Feld gegensinnig zu H_m+H_v bzw. H_m-H_v. Dementsprechend wird, wie die Zeitver­ laufsdiagramme in Fig. 3 deutlich machen, mit den in beiden Induktionswicklungen beobachteten Spannungen eine gegensinnige Verschiebung der Nulldurchgänge der Flußdichte nachgewiesen. In allen Zeitverlaufskurven von Fig. 3 gelten die gestrichelt gezeichneten Kurven für die Kernseite mit H_m+H_v, die punktiert gezeichneten für die Kernseite mit H_m-H_v. Beide induzierte Spannungen werden benutzt, um durch Tastung die breitenmodulierten Spannungen U_PM1 und U_PM2 zu gewinnen. Die Addition von U_PM1 und U_PM2 liefert schließlich die Impulsfolge U_m mit der Frequenz 2f_v und einer Breite und Höhe des einzelnen Impulses von 2Δt bzw. 2U_R. Der zeitliche Mittelwert _m der Impuls­ folge, der unabhängig von der Frequenz f_v des Vormagnetisierungsfeldes ist, ist entsprechend Gl. [1] proportional dem zu messenden Feld H_m und umgekehrt proportional zur Amplitude des Vormagne­ tisierungsfeldes _v.

Unter Ausnutzung der Nulldurchgänge von H_v - sie lassen sich in einfacher Weise aus den Null­ durchgängen des Stromes ableiten, der das Vormagnetisierungsfeld generiert - können durch Ta­ stung der Referenzspannungen ±U_R die Spannungen U_PM3 und U_PM4 mit rechteckförmigem Zeitver­ lauf gewonnen werden. Die Addition dieser Spannungen liefert die Spannung U_AR. Ihr zeitlicher Mittelwert ist

und damit unabhängig vom zu messenden Feld H_m und ebenfalls unabhängig von f_v. Die Feldstärke H_AP stellt im H(t)-Diagramm den wählbaren Ar­ beitspunkt dar; es ist der Wert, für den sich in der induzierten Spannung die Extremwerte zeigen. Mit der Spannung U_AR steht somit eine Größe zur Einstellung und zur Stabilisierung des Vormagnetisie­ rungfeldes zur Verfügung, so daß _v in Gl. [1] als konstante Größe angesetzt werden kann.

Ausführungsbeispiel

Zur Erprobung der neuartigen Sensorgeometrie und der Regelung des Vorma­ gnetisierungsfeldes wurde ein Magnetometer mit Feldgegenkopplung aufgebaut, so daß der Sensor wie o.a. als Nullfelddiskriminator betrieben wird. Mit dem Prototyp-Magnetometer werden die nachstehenden Spezifikationen erzielt:

Sensorabmessungen (Kern): Länge 33 mm, Breite 11 mm, Dicke 0,025 mm
Vormagnetisierungsstrom: î_v = 60 mA, f_v = 50 kHz
Meßbereiche: 0,1 mT, 1 mT
Frequenzbereich (3dB): 2 kHz
Auflösung: 10 nT
Linearitätsfehler: <0,1%
Frequenzgangfehler, f_m <1,4 kHz: <0,1%.

Literatur:
/1/ Primdahl, F. (1979): The Fluxgate Magnetometer. J.Phys.E.: Sci.Instrum. 12, 241-253;
/2/ Heinicke, W. (1981): Magnetfeldmessung mit Saturationskernsonden-Magnetometern. Techn.Mess. 1, 3-9;
/3/ Acuna, M. H., Pellerin, C. J. (1969): A miniature two-axis fluxgate magnetometer. IEEE Trans. Geosci.Electr. GE-7, 252-260;
/4/ Trenkler, G. (1968): Die Messung schwacher magnetischer Felder mittels Magnetometer mit direkter Zeitverschlüsselung. Diss. TU Braunschweig;
/5/ Heinecke, W. (1978): Fluxgate Magnetometer with Time Coded Output Signal of the Sensor. IEEE Trans.Instr.Meas. IM-27, 402-405;
/6/ Lühr, H. (1980): Ein Saturationskern-Magnetometer mit digitaler Meßwertdarstellung. Diss. TU Braunschweig;
/7/ Bornhöfft, W., Trenkler, G. (1990): Magnetic Field Sensors: Flux Gate Sensors. in Sensors Vol.5, Göpel, W. (ed), Weinheim, VCH, 152-203;
/8/ Son, D. (1989): A New Type Of Fluxgate Magnetometer Using Apparent Coercive Field Strength Measurement. IEEE Trans.Magn. MAG-25, 3420-3422.

Claims (2)

1. Ein Sensor für ein Saturationskern-Magnetometer, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend Fig. 2 zwei parallel in Richtung des zu messenden Feldes angeordnete, stabförmige Sensoren durch Querstege magnetisch miteinander verbunden werden, so daß ein geschlossener Magnetisierungs­ pfad entsteht, in dessen Bereich das Kernmaterial periodisch vormagnetisiert wird, und weiter gekennzeichnet dadurch, daß in den beiden Längsstegen des vormagnetisierten Bereichs Querschnittverjüngungen angeordnet werden, um die Flußdichte in diesen Kernbereichen zu erhöhen und damit meßbare, zeitliche Verschiebungen der Nulldurchgänge der Flußdichte im Kern zu erzeu­ gen, die proportional zum von außen in Längsrichtung angelegten Magnetfeld sind.

2. Eine elektronische Regelung der Amplitude des das Vormagnetisierungsfeld erzeugenden Stromes für ein Saturationskern-Magnetometer nach dem Pulsbreitenverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß durch zeitliche Verknüpfung der Nulldurchgänge dieses Stromes mit denen der Flußdichte im Kern durch Tastung von zwei gleich großen Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität und durch zeit­ liche Mittelung dieser getasteten Spannung ein Signal gewonnen wird, mit dem sich ein einmal fest­ gelegter Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie des Kernmaterials unabhängig vom zu mes­ senden äußeren Feld stabilisieren läßt.