DE4406351A1 - Eigensicherer magnetfeldabhängiger Meßfühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen eigensicheren magnetfeldabhängigen Meßfühler mit einer magnetoresistiven Widerstandsanordnung, welcher als Initiator oder Drehzahlsensor zur Erfassung der Position oder der Bewegung von Weicheisenteilen geeignet ist.

Bekannte eigensichere, nach dem Oszillatorprinzip arbeitende Sensoren weisen einen von Metall bedämpften Schwingkreis mit induktiver Rückkopplung auf, welcher mittels einer nachgeschalteten Elektronik in Abhängigkeit von der Bedämpfung ein Schaltverhalten auslöst. Das Schwingen oder das Nichtschwingen des Oszillators liefert am Ausgang einer Integrationsstufe zwei definierte Spannungspegel, die in einem nachfolgenden Schwellwertschalter ausgewertet werden und die ein Steuersignal für die Ausgangsstufen erzeugen. Die Oszillatorschaltung wird mit einem Schwingkreis und mit einem Mitkopplungswiderstand beschaltet. Durch den Widerstand kann der Arbeitspunkt und damit der Schwingeinsatzpunkt des Oszillators festgelegt werden. Nähert sich der Induktivität ein metallischer Gegenstand, wird der Oszillator bedämpft und die Schwingungen reißen ab. Beim Entfernen des Gegenstandes schwingt er wieder an. Abgetastet wird beispielsweise bei der Drehzahlmessung eine rotierende Scheibe aus ferromagnetischem Material, die mindestens einen schlitzförmigen Einschnitt aufweist.

Ein Nachteil der nach dem Oszillatorprinzip arbeitenden Sensoren besteht darin, daß der Sensor nur auf eine Veränderung des Abstandes zwischen dem Sensor und dem zu sensierenden Objekt reagiert. Das kann im speziellen bei der Abtastung von Zahnrädern zur Drehzahlerfassung bei kleineren Zahnmodulen Probleme bereiten, da die Differenz zwischen Zahnfußkreisdurchmesser und Zahnkopfkreisdurchmesser nicht ausreicht, um im Sensor einen Schaltvorgang auszulösen. Des weiteren ist das Auflösungsvermögen dieser Sensoren bei feinen Strukturen, wie zum Beispiel bei flachen Nuten, unzureichend, die damit nur bedingt erfaßbar sind.

Des weiteren sind magnetfeldabhängige Sensoren in Form von Hall- Generatoren bekannt. Diese bestehen aus einem Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit, das von einem Steuerstrom durchflossen wird. Unter dem Einfluß eines Magnetfeldes entsteht quer zu den Steuerstromanschlüssen ein Potentialunterschied, der an zwei punktförmigen Elektroden als Hall-Spannung abgreifbar ist. Die Hall-Spannung ist von der Höhe des Steuerstromes und von der Stärke des Magnetfeldes abhängig.

In der Praxis benötigen Hall-Generatoren für eine hinreichende Hall- Leistung einen ausreichend hohen Steuerstrom. Dadurch ist die Verwendung derartiger Sensoren in einem eigensicheren Bereich nicht möglich.

Darüber hinaus sind magnetfeldabhängige Meßfühler zum Messen eines äußeren Magnetfeldes auf der Grundlage des magnetoresistiven Effektes in dünnen ferromagnetischen Schichten bekannt.

Eine vorzugsweise aus zwei magnetoresistiven Streifenleitern zusammengesetzte Widerstandsanordnung bildet eine Spannungsteilerschaltung oder den einen Teil einer unmittelbar an die Versorgungsspannung angeschlossenen Brückenschaltung. Die magnetfeldabhängige Änderung des Widerstandes der magnetoresistiven Widerstandsanordnung wird als Brückenspannung abgegriffen und durch einen mit einer Rückkopplung versehenen Differenzverstärker verstärkt und durch einen Trigger in ein binäres Signal umgewandelt.

Die Empfindlichkeit der mäanderförmig als Streifenleiter ausgebildeten magnetoresistiven Widerstandsanordnung ist aus physikalischen Gründen durch die Breite und Länge des Streifens begrenzt. Die Empfindlichkeit einer magnetoresistiven Widerstandsanordnung wird infolgedessen mittels geeigneter Verstärker- oder Ansteuerschaltungen realisiert.

Für die Gewinnung eines auswertbaren Ausgangssignals wird die magnetoresistive Widerstandsanordnung in der EP 419 041 A1 oder der DE 27 22 581 A3 unmittelbar an die Versorgungsspannung angeschlossen. Die Batteriespannung wird mit einer parallel zur Brückenschaltung geschalteten Zenerdiode stabilisiert und das Temperaturverhalten der magnetoresistiven Widerstandsanordnung durch ein gleichfalls temperaturabhängiges Widerstandselement ausgeglichen.

Dergestalt erhalten die magnetfeldabhängigen Meßfühler lediglich eine hinreichende Temperaturkompensation.

Für einen eigensicheren Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen oder Anlagen sind diese Meßfühler nicht geeignet. Hierfür sind Betriebswerte erforderlich, die eine Installation in explosionsgeschützten Anlagen in Zündschützart Eigensicherheit ermöglichen. Bei eigensicheren Schaltverstärkern liegt der Ansprechbereich deutlich niedriger als der von den bekannten magnetfeldabhängigen Meßfühlern mit einer magnetoresistiven Widerstandsanordnung. Der Arbeitspunkt des Steuerstromkreises muß innerhalb des Ansprechbereichs liegen. Die bevorzugte Schaltstromdifferenz beträgt 0,2 mA. Die bevorzugte Lage der Schaltstromdifferenz ist die Mitte des Ansprechbereichs. Der Ansprechbereich beträgt in Zündschützart Eigensicherheit 1,2-2,1 mA, was nicht realisierbar ist, wenn die magnetoresistive Widerstandsanordnung üblicherweise und unmittelbar an die Versorgungsspannung angeschlossen ist.

Die Zündschutzart Eigensicherheit ist auch nicht dergestalt herstellbar, daß die magnetoresistive Widerstandsanordnung mit Hilfe eines elektronischen Schalters getaktet und periodisch an die zugehörige Versorgungsspannung angeschaltet wird. Derartige Schaltungen sind in der DE 38 01 627 A3, DE 35 25 070 A3 und in der DD 2 92 721 A3 ausführlich beschrieben. Mit einer getakteten Ansteuerung der magnetoresistiven Widerstandsanordnung ist lediglich eine übermäßige Erwärmung der Widerstandselemente vermeidbar. Eine Verringerung des Stromflusses in den einzelnen Zeitintervallen in einer der Eigensicherheit entsprechenden Größenordnung stellt sich dadurch jedoch nicht ein.

Die Erfindung bezweckt einen eigensicheren magnetfeldabhängigen Meßfühler mit einer magnetoresistiven Widerstandsanordnung, welcher als Initiator oder Drehzahlsensor zur Erfassung der Position oder der Bewegung von Weicheisenteilen geeignet und in der Zündschutzart Eigensicherheit in explosionsgeschützten Bereichen und Anlagen einsetzbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eigensicheren magnetfeldabhängigen Meßfühler mit einer magnetoresistiven Widerstandsanordnung zu schaffen, welcher mit seinem Ausgangssignal in dem Ansprechbereich eines eigensicheren Schaltverstärkers liegt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem magnetfeldabhängigen, eine Widerstandsanordnung mit mehreren magnetoresistiven Dünnschichtwiderständen aufweisenden Meßfühler dadurch gelöst, daß die magnetoresistive Widerstandsanordnung vier aus einer Permalloy-Schicht bestehende und Barber-Pole-Struktur aufweisende, streifenförmige Dünnschichtwiderstände aufweist, welche zu einer wheatstonschen Vollbrücke zusammengeschaltet und derart symmetrisch mit einem Vorwiderstand an die Versorgungsspannung angeschlossen, sowie mit einem Abschlußwiderstand auf die Anschlußleitung geschaltet sind, daß die Brückenspannung dem Betrag der halben Batteriespannung entspricht.

Der Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht zum einen darin, daß beim Zusammenschalten der magnetoresistiven Widerstandsanordnung, die aus einer stabilisierten Spannungsversorgung gespeist wird, sich die Empfindlichkeit im Vergleich zu einer Halbbrücke verdoppelt. Durch den Vorwiderstand und den Abschlußwiderstand wird der Strom durch die Vollbrücke derart begrenzt, daß sich der Strombedarf der gesamten Schaltung im Ansprechbereich der Zündschutzart Eigensicherheit befindet. Die symmetrische Anordnung der Widerstände und die Wahl ihrer Werte derart, daß die Brückenspannung der halben Betriebsspannung der Schaltung entspricht, hat des weiteren einen positiven Einfluß auf die Aussteuerbarkeit der gesamten Schaltung. Ebenso werden Drifterscheinungen durch Spannung- oder Temperaturschwankungen unterdrückt. Die an der Widerstandsanordnung abgegriffene magnetfeldabhängige Ausgangsspannung wird einem mit einer Rückführung versehenen Operationsverstärker zugeführt, verstärkt und einer zweiten als Trigger geschalteten Verstärkerstufe zugeführt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Widerstandswerte des Vorwiderstandes zwischen der Spannungsquelle und der magnetoresistiven Widerstandsanordnung und des nachgeschalteten Abschlußwiderstandes derart bemessen sind, daß die Brückenschaltung mit einem Strom betrieben wird, welcher durch den Ansprechbereich eines eigensicheren Schaltverstärkers definiert ist. Dadurch kann der eigensichere magnetfeldabhängige Meßfühler unmittelbar in explosionsgefährdeten Bereichen oder Anlagen als Initiator oder Drehzahlfühler eingesetzt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, daß die Widerstandswerte des zwischen der Spannungsquelle und der Brückenschaltung geschalteten Vorwiderstandes und des gegen die Anschlußleitung geschalteten Abschlußwiderstandes gleich groß sind. Gegenüber der Anordnung lediglich eines einzigen Vorwiderstandes ergibt sich dadurch der Vorteil, daß die Vollbrücke weiterhin symmetrisch aussteuerbar ist und daß die Offsetdrift der gesamten Schaltung gering gehalten wird. Die Anordnung des Vorwiderstandes und des Abschlußwiderstandes in unmittelbarer Nähe der magnetoresistiven Widerstandsanordnung gewährleistet außerdem eine geringe Temperaturempfindlichkeit des Meßfühlers.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel und anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Meßfühlers und

Fig. 2 die dazugehörige Schaltung.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines magnetfeldabhängigen Meßfühlers mit einer magnetoresistiven Meßbrücke 1, die in einem Abstand von 0,1 bis 2,5 mm gegenüber einem Zahnrad 2 angeordnet ist. Die Meßbrücke 1 besteht aus vier streifenförmigen Magnetwiderständen 3 bis 6 aus Permalloy mit schrägen, elektrisch gut leitenden schmalen Metallstreifen, beispielsweise aus Gold oder Aluminium, sogenannten Barberpolen. Die vier Magnetwiderstände 3 bis 6 sind durch einen Permanentmagneten 7 zur Festlegung des optimalen Arbeitspunktes vorgespannt. Infolge des sich bewegenden Zahnrades 2 wird durch die Zähne 8 beziehungsweise durch die Zahnlücken 9 der elektrische Widerstand der mit Abstand gegenüber dem Zahnrad 2 angeordneten, zu einer Vollbrückenschaltung zusammengeschalteten Magnetwiderstände 3 bis 6 mit der sich ändernden magnetischen Feldstärke beeinflußt. Dadurch kann am Ausgang der Meßbrücke 1 eine Brückensignalspannung abgegriffen werden. Die Brückensignalspannung wird mit einem Brückensignalverstärker 10 verstärkt. Dem Verstärker 10 ist ein Operationsverstärker in Form eines Triggers 11 nachgeschaltet, mit dem die verstärkte Brückensignalspannung in ein digitales Meßsignal umgewandelt und einem eigensicheren Schaltverstärker zugeführt wird. Für die Betriebsspannung ist eine stabilisierte Spannungsversorgung 12 und eine Stromsenke 13 vorgesehen.

Aus Fig. 2 ist der äquivalente Stromlaufplan ersichtlich. Die Meßbrücke 1 enthält in einer Vollbrückenschaltung vier magnetoresistive Dünnschichtwiderstände 3-6 aus einer Permalloy-Schicht mit Barberpolen. Die magnetoresistiven Widerstände 3-6 sind symmetrisch einerseits mit einem Vorwiderstand 14 an die stabilisierte Spannungsversorgung 12 angeschlossen, sowie mit einem Abschlußwiderstand 15 auf die Anschlußleitung 16 und gegebenenfalls gegen Masse geschaltet. Die Widerstandswerte des Vorwiderstandes 14 und des Abschlußwiderstandes 15 sind derart gewählt, daß die Brückenspannung zwischen den Punkten A und C beziehungsweise B und C dem Betrag der halben Betriebsspannung entspricht.

Die an der Widerstandsanordnung abgegriffene und magnetfeldabhängige Brückensignalspannung wird einem mit einer Rückführung 17 versehenen Brückensignalverstärker 10 zugeführt. Vor dem Brückensignalverstärker 10 ist jeweils ein Tiefpaß RC-Filter aus einem Widerstand R3, R4 sowie C1 und C2 vorgesehen. Der nichtinvertierende Ausgang des Brückensignalverstärkers 10 ist mit dem positiven Eingang einer zweiten, als Trigger 11 geschalteten Verstärkerstufe verbunden. Das sich ergebende Ausgangssignal des Triggers 11 besteht aus einer Reihe von Spannungsimpulsen mit L- oder H- Potential, welche identisch mit der Frequenz der Zähne des rotierenden Zahnrades sind. Über eine Stromsenke 13 sind die beiden Anschlußleitungen 16 des Meßfühlers mit einem nicht dargestellten eigensicheren Schaltverstärker verbunden.

Hierbei ist vorgesehen, daß die Widerstandswerte des Vorwiderstandes 14 zwischen der Spannungsversorgung 12 und der magnetoresistiven Widerstandsanordnung 3-6 und des nachgeschalteten Abschlußwiderstandes 15 derart bemessen sind, daß die Brückenschaltung mit einem Strom betrieben wird, welcher durch den Ansprechbereich eines eigensicheren Schaltverstärkers definiert ist. Die Widerstandswerte sind derart bemessen, daß der Arbeitspunkt unterhalb des Ansprechbereichs des eigensicheren Schaltverstärkers liegt. Der Ansprechbereich beträgt in Zündschützart Eigensicherheit 1,2-2,1 mA.

Claims (4)

1. Eigensicherer magnetfeldabhängiger Meßfühler, welcher eine Widerstandsanordnung mit mehreren magnetoresistiven, streifenförmigen Dünnschichtwiderständen aufweist, die aus einer stabilisierten Spannungsversorgung gespeist wird, wobei die an der Widerstandsanordnung abgegriffene magnetfeldabhängige Ausgangsspannung einem mit einer Rückführung versehenen Operationsverstärker zugeführt, verstärkt und einer zweiten als Trigger geschalteten Verstärkerstufe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistive Widerstandsanordnung vier aus einer Permalloy-Schicht bestehende und Barberpole aufweisende streifenförmige Dünnschichtwiderstände (3 bis 6) aufweist, welche zu einer wheatstonschen Vollbrücke zusammengeschaltet und derart symmetrisch mit einem Vorwiderstand (14) an die Versorgungsspannung angeschlossen sowie mit einem Abschlußwiderstand (15) auf die Anschlußleitung (16) geschaltet sind, daß die Brückenspannung dem Betrag der halben Versorgungsspannung entspricht.

2. Eigensicherer magnetfeldabhängiger Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte des Vorwiderstandes (14) zwischen der Spannungsversorgung (12) und der magnetoresistiven Meßbrücke (1) sowie des nachgeschalteten Abschlußwiderstandes (15) derart bemessen sind, daß die Brückenschaltung mit einem Strom betrieben wird, welcher durch den Ansprechbereich eines eigensicheren Schaltverstärkers definiert ist.

3. Eigensicherer magnetfeldabhängiger Meßfühler nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte des zwischen die Spannungsversorgung (12) und die Meßbrücke (1) geschalteten Vorwiderstandes (14) sowie des in die Anschlußleitung (16) geschalteten Abschlußwiderstandes (15) gleich groß sind.

4. Eigensicherer magnetfeldabhängiger Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als Sensor mit nur zwei Anschlußleitungen (16) ausgeführt ist.