DE3446015A1 - Schaltungsanordnung mit einem von einem steuerstrom beaufschlagbaren hallgenerator - Google Patents
Schaltungsanordnung mit einem von einem steuerstrom beaufschlagbaren hallgeneratorInfo
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Description
Schaltungsanordnung mit einem von einem Steuerstrom beaufschlagbaren Hal!generator
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem
von einem Steuerstrom beaufschlagbaren Hai 1generator, dessen
Hai 1 elektroden je mit einem Eingang eines Differenzverstärkers
verbunden sind.
:5 Hallgeneratoren werden unter anderem zur Messung von Magnetfeldern
verwendet. Wenn der Hallgenerator mit einem konstanten
Steuerstrom beaufschlagt wird, ergibt sich eine der Stärke des
jeweiligen Magnetfelds im Hal Igenerator proportionale Hallspannung.
Die maximal zulässige Temperatur des Hallgenerators wird
\0 von der Höhe des Steuerstroms, der Betriebsart, das heißt von den
Kühlungsverhältnissen, und von der Umgebungstemperatur beeinflußt.
Deshalb muß der jeweils zulässige Steuerstrom an die Kühlungsverhältnisse und die Umgebungstemperatur angepaßt werden.
Um auch bei kleinen magnetischen Feldstärken eine ausreichend
große Hall spannung zu erzeugen, muß der Steuerstrom erhöht werden. Wenn die Steuerströme in Form von Impulsen in die
Hai 1 generatoren eingespeist werden, ist es möglich, höhere
Stromamplituden zu verwenden. Hierdurch läßt sich die Empfindlichkeit
steigern. Die Amplituden der Steuerstromimpulse können
um ein Vielfaches größer als die zulässigen Steuergleichströme
sein.
Um den jeweiligen Hallgenerator mit Steuerstromimpulsen zu
versorgen, kann eine Steuerelektrode an eine Strom- oder
Spanriungsquel 1 e angeschlossen werden, die periodisch Strom- bzw.
Spannungsimpulse erzeugt, während die zweite Steuerelektrode an
Masse oder ein anderes Bezugspotential gelegt wird. In einer
solchen Schaltung entstehen bei der Beaufschlagung des jeweiligen Hallgenerators mit einem Steuerstromimpuls auch ohne Magnetfeld
im Hallgenerator an den Hai 1 elektroden gegenüber dem Bezugspotential Spannungssprünge, die in etwa gleich groß sind und die
gleiche Polarität haben. Die Höhe der Spannungssprünge entspricht
ungefähr der halben an den Steuerelektroden anstehenden Spannung.
Durch die Spannungssprünge wird der an die Hai 1 el ekt roden angeschlossene
Differenzverstärker im Gleichtakt ausgesteuert. Es hat
sich gezeigt, daß das Verhältnis der halben Steuerspannung zu der
von kleinen Magnetfeldern erzeugten Differenzspannung bei der
Messung von Streuflüssen an auf Gefügefehler zu prüfenden Gegenständen größer als 80 dB sein kann. Dies bedeutet, daß die insbesondere
bei kurzen St euerst romimpul sendauern von etwa 5 iisec auftretenden
hohen Gl eichtaktspannungen mit dem Differenzverstärker
kaum zu unterdrücken sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei Beaufschlagung des Hallgenerators mit hochfrequenten
Steuerströmen eine Gleichtaktbeaufschlagung des Differenzverstärkers
weitgehend vermieden werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerelektroden
des Hallgenerators ohne Bindung an ein festes
Potential je an eine Stromquelle angeschlossen sind, daß die eine Stromquelle einen Strom in die eine Steuerelektrode einspeist und
daß die andere Stromquelle einen gleich großen Strom aus der anderen Steuerelektrode aufnimmt. Bei der im Anspruch 1 erläuterten
Anordnung tritt an den Hai 1 elektroden bei Beaufschlagung
mit einem Steuerstromimpuls gegenüber der jeweiligen Bezugsspannung des Differenzverstärkers kein Spannungssprung auf. Die
' 5·
Differenzverstärkereingänge werden deshalb nicht mit hohen
Gl eichtaktsignal en beaufschlagt. Mit dem Hallgenerator können
somit kleine Feldstärken festgestellt werden. Es ist möglich, in kurzen Zeiträumen zahlreiche Meßzyklen durchzuführen.
5
5
Eine zweckmäßige Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß
die an die Hallelektroden angeschlossenen Eingänge des Differenzverstärkers
je mit einem Widerstand verbunden sind und daß die zweiten Anschlüsse der Widerstände an das gleithe Bezugspotential
wie der Differenzverstärker gelegt sind. Über die beiden,
vorzugsweise gleich großen Widerstände zwischen den Hallelektroden und Bezugspotential wird eine Anbindung der Hall elektroden
des Hallgenerators an das Bezugspotential des Differenzverstärkers
erreicht.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist im Anspruch 3 beschrieben.
Die im Anspruch 3 angegebene Schaltungsanordnung ermöglicht die
Einstellung der an den Hai1 elektroden bei Beaufschlagung des
Hallgenerators mit Steuerströmen in Abwesenheit eines zu
messenden Feldes gegenüber dem Bezugspotential auftretenden
Spannungen unterschiedlicher Polarität auf gleiche absolute
Werte. Die Schaltungsanordnung kann somit auf einfache Weise an
die jeweiligen Gegebenheiten des Hallgenerators angepaßt werden.
Bei einer günstigen Ausführungsform sind die beiden jeweils durch
Steuerimpulse zur Steuerstromerzeugung beaufschlagbaren Stromquellen
zwischen dem positiven und dem negativen Pol einer Spannungsquelle in Reihe mit dem Hallgenerator angeordnet. Der schaltungstechnische
Aufwand ist bei dieser Anordnung gering.
Zur gleicht zeit igen Beaufschlagung der Steuereingänge der beiden
Stromquellen mit Steuerimpulsen ist es zweckmäßig, den Steuereingang
der an den positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossenen
Stromquelle mit dem invertierenden und den Steuereingang der an
*■" 3A46015
den negativen Pol angeschlossenen Stromquelle mit dem nichtinvertierenden
Ausgang eines von Taktimpulsen beaufschlagten Verstärkers
anzuschließen.
Die Impulsdauer der Steuerströme ist vorzugsweise etwa fünf
Mikrosekunden. Diese kurze Impulsdauer läßt die Beanschlagung der
Hallgeneratoren mit hohen Steuerströmen und einem kleinen
Impuls-Pausenverhältnis zu. Weiterhin ist es möglich, die Messung
in kurzen Zeitabständen zu wiederholen.
Es ist günstig, Schaltungsanordnungen, wie sie in den Ansprüchen
beschrieben sind, als Hallsonden zur Messung des Streuflusses bei der zerstörungsfreien Prüfung von ferromagnetisehen Gegenständen
auf Gefügefehler einzusetzen. Die Hallsonden können in einer oder mehreren Reihen in kurzem Abstand von der Oberfläche des jeweiligen
Gegenstands angeordnet sein.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus einem in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung mit einem von einem
Steuerstrom beaufschlagbaren Hallgenerator, dessen eine
Hallelektrode an Bezugspotential gelegt ist und
Fig. 2 ein Schaltbild einer Anordnung mit einem von einem
Steuerstrom beaufschlagbaren Hallgenerator, dessen
Hai1 elektroden nicht an ein festes Potential gebunden
sind.
Ein Hallgenerator 10 ist mit seinen beiden Hal I elektroden 12, 14
je an einen Eingang eines Differenzverstärkers 16 angeschlosssen.
Eine Steuerelektrode 18 ist an Erdpotential gelegt, während die
andere Steuerelektrode 20 des Hallgenerators 10 mit einer Strom-
oder Spannungsquelle 22 verbunden ist, die den Hallgenerator 10
periodisch mit Strom- oder Spannungsimpulsen beaufschlagt. Die
Strom- bzw. Spannungsquelle 22 ist an einen Pol 24 einer Spannungsquelle
angeschlossen, deren anderer, nicht dargestellter Pol
an Erdpotential gelegt ist.
Wird der Hallgenerator 10 an der Steuerelektrode 20 mit einem
Strom- oder Spannungsimpuls beaufschlagt, dann entstehen unabhängig
von einem zu messenden Magnetfeld an den Hal I elektroden 12
und 14 gegenüber dem Bezugspotential Spannungssprunge von
gleicher Polarität. Die Spannungsprünge sind etwa gleich groß. Es
gibt die Beziehung:
Ust'
wobei mit u 1 die Spannung an der Hai1 elektrode 12, mit u ~ die
Spannung an der Hai 1 elektrode 14 und mit u die an den Steuerelektroden
18, 20 anstehende Spannung bezeichnet ist.
Durch die Spannung ssp runge u 1 und u „ wird eine Gleichtaktaussteuerung
des Differenzverstärkers 16 hervorgerufen. Wenn der
Hallgenerator 10 als Hallsonde zur Messung von Streuflüssen
eingesetzt wird, die von Gefügestörungen in Prüflingen bei der
zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Magnetfeldern entstehen,
ergeben sich Hai1 spannungen, die wesentlich kleiner als die
Gl eichtaktspannungen sind. Es hat sich gezeigt, daß das
Verhältnis zwischen den Gl eichtaktspannungen und der differenziellen
Hallspannung bei der Feststellung der vorstehend erwähnten Gefügestörungen // 80 dB sein kann. Wird mit Δ (u . - u „)
die jeweilige differentiel Ie Hallspannung bezeichnet, dann gilt
die Beziehung:
20 log t 0,5 u >
80 [dBJ.
3U6Q15
s_t__
(uel - ue2}
Eine Gl eichtaktspannung von 1/2 u (zum Beispiel 5 V), die sich
bei der impulsmäßigen Beaufschlagung des Hallgenerators 10 innerhalb
einer sehr kurzen Zeit einstellt, ist vom Differenzverstärker
l6 gegenüber der vom Streufluß erzeugten Differenzspannung
daher kaum zu unterdrücken.
Dieser Nachteil wird durch die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung
vermieden. Gleiche Elemente sind bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Steuerelektrode 18 ist bei der Schaltungsanordnung gemäß
Fig. 2 mit einem Anschluß einer Stromquelle 36 verbunden, deren anderer Anschluß an den negativen Pol 38 einer Spannungsquelle 40
gelegt ist. Die Steuerelektrode 20 steht mit einem Anschluß einer
zweiten Stromquelle 42 in Verbindung, deren anderer Anschluß an den positiven Pol 44 der Spannungsquelle 40 gelegt ist. Die
Stromquelle 42 speist einen Strom i, in die Steuerelektrode 20
ein, während die Stromquelle 36 der Steuerelektrode 18 einen
Strom i„ entzieht. Die beiden Ströme i . und i „ sind gleich groß.
Die Stromquellen 36 und 42 sind gepulste Stromquellen mit sehr
hohen Innenwiderständen.
Mit den Eingängen des Differenzverstärkers 16 sind jeweils gleich
große Widerstände 46, 48 verbunden, die mit ihren zweiten Anschlüssen an Bezugspotential, z. B. Erdpotential, gelegt sind.
Die Stromquellen 36 und 42 enthalten je einen Steuereingang 50,
52. Der Steuereingang 50 der Stromquelle 36 ist mit dem nichtinvertierenden
Ausgang eines Verstärkers 54 verbunden, der einen weiteren, an den Steuereingang 52 der Stromquelle 42 angeschlossenen
invertierenden Ausgang hat. Der Eingang des Verstärkers 54 wird von einer periodischen Impulsfolge beaufschlagt, die eine
konstante Frequenz und ein konstantes, kleines Impuls-Pausenver-
r 3U6Q15
hältnis hat. Die Steuerelektroden 18, 20 sind durch ein
vorzugsweise hochohmiges Potentiometer 56 überbrückt, dessen
Abgriff 58 mit der Hai 1 elektrode 14 verbunden ist.
Der Hallgenerator 10 ist ohne feste Anbindung an ein Potential,
d. h. schwimmend, zwischen den beiden Stromquellen 36, 42 angeordnet. Die Hai 1 elektroden 12, 14 sind über die Widerstände 46
und 48 an Bezugspotential angebunden.
Bei der Einspeisung des Stroms i. in die Steuerelektrode 20 und
der Entnahme des gleich großen Stroms i„ aus der Steuerelektrode
18 entsteht an der Steuerelektrode 20 eine positive Spannung u„n
und an der Steuerelektrode 18 eine negative Spannung u.n. Bei den
großen Innenwiderständen der Stromquellen 36, 42, gleich großen Strömen i.. und i „ sowie einem symmetrischen Aufbau des
Hallgenerators 10 sind die an den Steuerelektroden 20 und 18
auftretenden Spannungen u«^ und U1 ο gleich groß und von
entgegengesetzer Polarität. Unterschiede aufgrund der baulichen
Gegebenheiten des Hallgenerators 10 können zu Unterschieden in
den beiden Spannungen u?Q und u.g führen. Durch einen Abgleich
mit dem Potentiometer 56 lassen sich die beiden Steuerspannungen
u„n und U1Q trotz der Unterschiede in den baulichen Gegebenheiten
der jeweiligen Hallsonde hinsichtlich der Größe in Übereinstimmung bringen.
An den Hai 1 elektroden 12 und 14 tritt trotz der Beaufschlagung
des Hallgenerators 10 mit einem Steuerstrom bei Fehlern eines zu
messenden Magnetfelds keine Spannung von gleicher Polarität gegenüber dem Bezugspotential des Differenzverstärkers 16 auf.
Der Spannungsabfall u , zwischen den Steuerelektroden 18 und 20
ergibt sich bei einem Widerstand R„ des Hallgenerators 10
zwischen den Elektroden 18 und 20 nach der Beziehung:
Ust = V RH = V RH
Da dre Hal 1 el ekt roden 18 und 20 keine Spannungen gleicher Polarität
gegenüber dem Bezugspotential des Differenzverstärkers 16
führen, entfällt die Gleichtaktbeaufschlagung des Differenzverstärkers
16. Am Differenzverstärker 16 liegen daher bei Fehlern
des zu messenden äußeren Magnetfelds nur noch Spannungen an, die sich aus der Unsymmetrie der Hallsonde und der ohmschen bzw.
induktiven NuIlkomponenete ergeben. Die Messung von Magnetfeldern
wird deshalb nicht mehr durch Gl eichtaktsignale an den Differenzverstärkereingängen
beeinträchtigt. Es ist möglich den Hallgenerator 10 mit Steuerströmen von 5 μεεο Dauer zu beaufschlagen,
wobei die Amplituden ein Vielfaches der zulässigen Steuergleichströme
betragen. Daher lassen sich auch noch kleine Magnetfeldstärken genau messen.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung kann insbesondere
bei der zerstörungsfreien Prüfung ferromagnetischer Körper auf
Gefügestörungeh mittels Magnetisierung des jeweiligen Körpers
eingesetzt werden. Der Hallgenerator 10 dient dabei als Hallsonde, der an oder nahe an der Prüflingsoberfläche angeordnet
ist, um die von Gefügestörungen hervorgerufenen magnetischen
Streuflüsse zu messen. Die Hallsonden können zweckmäßigerweise
auf die in der DE-PS 31 32 808 dargestellte Art in geringem Abstand von der Oberfläche des zu prüfenden Körpers angeordnet
sein. Das Tastverhältnis der Steuerströme für den jeweiligen
Hallgenerator 10 hängt dann von der Anzahl der nacheinander
betätigten Hallgeneratoren ab. Sind zum Beispiel 40 Hallsonden
für die Prüfung vorhanden, dann beträgt das Tastverhältnis 1/40.
Bei einem Steuerstrom von 5 μεεο Dauer wird jeder HaiIgeneraior
alle 200 μsec für 5 \isec mit Steuerstrom beaufschlagt. Die
Ansteuerfrequenz der jeweiligen Hallsonde ist demnach 5 KHz.
Claims (8)
1. Schaltungsanordnung mit einem einem Steuerstrom beaufschlagbaren
Hallgenerator, dessen Hai 1 elektroden je mit einem Eingang
eines Differenzverstärkers verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerelektroden (18, 20) des Hallgenerators (10) ohne
Bindung an ein festes Potential je an eine Stromquelle (42, 36) angeschlossen sind, daß die eine Stromquelle (42) einen
Strom (i,) in die eine Steuerelektrode (20) einspeist und daß
die andere Stromquelle (36) einen gleich großen Strom
der anderen Steuerelektrode (18) aufnimmt.
der anderen Steuerelektrode (18) aufnimmt.
aus
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die an die Hai 1 elektroden (12, 14) angeschlossenen
Eingänge des Differenzverstärkers (16) je mit einem abgleichbaren
Widerstand (46, 48) verbunden sind und daß die zweiten Anschlüsse der Widerstände (46, 48) an das gleiche Bezugspotential wie der Differenzverstärker (16) gelegt sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (18, 20) mit einem Potentiometer (56)
überbrückt sind, dessen Abgriff (58) an eine Hai 1 elektrode
(14) angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, jeweils durch Steuerimpulse zur Steuerstromerzeugung
beaufschlagbaren Stromquellen (42, 36) zwischen dem positiven und dem negativ Pol (44, 38) einer Spannungsquelle
(40) in Reihe mit dem Hallgenerator (10) angeordnet sind.
5· Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadur.ch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer der Steuerströme (i ι » iJ etwa fünf
Mikrosekunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen (42, 36) gepulste Stromquellen sind.
7< Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (42) einen mit einem invertierenden
Ausgang eines Verstärkers (54) verbundenen Steuereingangs' (52)
und die andere Stromquelle (36) einen mit dem nichtinvertierenden Ausgang des Verstärkers (54) verbundenen Steuereingang
(50) aufweist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
die Verwendung des Hallgenerators (10) als Hallsonde zur
Messung von Streuflüssen bei der zerstörungsfreien Prüfung von
ferromagnetisehen Gegenständen auf Gefügefehler.
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