DE3322942C2 - Schaltung zur Messung der magnetischen Induktion mit einer Hall-Feldsonde - Google Patents
Schaltung zur Messung der magnetischen Induktion mit einer Hall-FeldsondeInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung mit Hall-Feldsonde zur Messung der magnetischen Induktion über die Hall-Spannung. Die Schaltung soll bei Hall-Feldsonden mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des Steuerstrompfades die Kompensation von Störgrößen ermöglichen. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß dem Steuerstrompfad des Hall-Generators ein praktisch temperaturunabhängiger Vorwiderstand vorgeschaltet und ein Operationsverstärker in bestimmter Weise mit dem Hall-Generator verbunden ist. Am Operationsverstärker ist dabei eine Gleich- oder Wechselspannung leistungslos eingekoppelt, die aus einem konstanten, den Steuerstrom erzeugenden temperaturunabhängigen und einem mit der Temperatur des elektrischen Systems des Hall-Generators sich ändernden Spannungsanteil mittels eines Summierers additiv so zusammengesetzt ist, daß der temperaturbedingte Abfall der Hall-Spannung kompensiert wird. Der temperaturabhängige Spannungsanteil wird dabei mit einem in Operationsverstärkertechnik ausgeführten Differenzverstärker erzeugt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Messung der magnetischen Induktion mit einer HaIl-Feldsonde, einem dem Steuerstrompfad der Hall-Feldsonde vorgeschalteten temperaturunabhängigen Vorwiderstand mit einer Verkopplung des Steuerstrompfades mit der Meßspannung an den Hall-Elektroden über
einen weiteren temperaturunabhängigen Widerstand und mit einer zur Erzeugung des durch die Feldsonde
fließenden Steuerstromes vorgesehenen Gleich- oder Wechselspannung konstanter Amplitude, bei der zur
Kompensation der Temperaturdrift der durch den Halleffekt erzeugten Hall-Spannung der Vorwiderstand mit
einem seiner beiden Anschlüsse mit Masse verbunden ist und ein erster Operationsverstärker mit seinem invertierenden Eingang mit einer Hall-Elektrode verbunden ist, an dessen nichtinvertierendem Eingang gegen
Masse zur Erzeugung des Steuerstromes die Gleichoder Wechselspannung eingekoppelt ist, bei der zur
Kompensation der Kalispannung der Feldsonde der weitere temperaturunabhängige Widerstand zwischen
dem ausgangsseitigen Steuerstromanschluß der Feldsonde und dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers liegt und bei der zur Kompensation der Temperaturdrift der ohmschen Restspannung ein zweiter Operationsverstärker mit einem Trimmer als Differenzverstärker vorgesehen ist, bei dem der nichtinvertierende
Eingang mit der zweiten Hall-Elektrode und der invertierende Eingang mit dem Schleifer des Trimmers verbunden ist und einer der beiden anderen Anschlüsse des
Trimmers mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und der weitere Anschluß mit Jim Ausgang des
ersten Operationsverstärkers verbunden ist
Die Meßspannung an den Hall-Elektroden setzt sich aus der durch den Halleffekt erzeugten Hall-Spannung
und aus einem die Messung verfälschenden ohmschen Restspannungsanteil zusammen. Beide Spannungsanteile sind abhängig von der Temperatur der Feldsonde,
was — wenn keine Maßnahmen zur Kompensation dieser Temperatureinflüsse getroffen werden — zur Verringerung der Meßgenauigkeit führt
Eine Schaltungsanordnung der oben bezeichneten Art ist in der DE-OS 32 35 188 beschrieben. Diese
Schaltungsanordnung ist geeignet zur voneinander getrennten Kompensation der Nullspannung der Feldsonde als auch der Kompensation der Temperaturdrift der
ohmschen Restspannung. Sie ist zwar außerdem geeignet zur Kompensation der Temperaturdrift der durch
den Halleffekt erzeugten Hallspannung, jedoch nur bei Hall-Feldsonden mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (TK)des Widerstandes des Steuerstrompfades,
nicht dagegen bei Hall-Feldsonden mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (TK) des Widerstandes des
Steuerstrompfades.
Aus Siemens Datenbuch 1976/77 »Magnetfeldabhängige Halbleiter« ist zwar eine Schaltung für eine Hall-Feldsonde, mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (TK) des Widerstandes des Steuerstrompfades bekannt. Bei dieser bekannten Schaltung wird die Kompensation der Temperaturdrift der Hall-Spannung jedoch in einer Brückenschaltung vorgenommen, bei der
3 4
die Hall-Feldsonde ein Teil der Brücke ist Bei dieser gestellten Schaltung.
bekannten Schaltung kann jedoch in nachteiliger Weise Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist dem Steuerstrompfad
entweder nur die den Steuerstrom erzeugende Span- 1-1' der Hall-Feldsonde der temperaturunabhängige
nung oder nur die Signalspannung erdsymmetrisch ein- Vorwiderstand Ri vorgeschaltet und der erste Opera-
bzw. ausgekoppelt werden. Außerdem ermöglicht sie 5 tionsverstärker OPi mit seinem invertierenden Eingang
keine Unterdrückung anderer temperatur- und amplitu- mit dem Signalspannungskontakt 2 der Hall-Feldsonde
denabhängigen Störspannungen. und mit seinem Ausgang mit dem ausgangsseitigen
Ferner ist aus der DE-OS 16 16 456 eine Vorrichtung Steuerstromanschluß Γ verbunden. Am nichtinvertie-
zur Messung der Magnetfeldstärke von Magnetfeldern renden Eingang des ersten Operationsverstärkers OP\
bekannt, bei der die Meßgenauigkeit der Feldstärke io ist gegen Masse eine Gleich- oder Wechselspannung Us
mittels Hall-Feldsonde über das bisher erreichte Maß (bzw. us) ieistungslos eingekoppelt, die aus einem kon-
gesteigert werden soll, was ggf. bei Verwendung von stanten temperaturunabhängigen und einem mit der
Hall-Feldsonden mit einem positiven Temperaturkoeffi- Temperatur des elektrischen Systems der Hall-Feldson-
zienten (TK) des Widerstandes des Steuerstrompfades de sich ändernden Spannungsanteil besteht. Der mittels
möglich sein solL Bei dieser bekannten Vorrichtung 15 des Trimmers T\ einstellbare, temperaturabhängige
wird von einer Einrichtung zur Thermostatierung des Spannungsanteil entsteht aus der Ausgangsspannung
Hall-Generators und von einem Meßfühler für die Hall- Uk des in Operationsverstärkertechnik (wie in F ig. 2
Generatortemperatur Gebrauch gemacht dargestellt} ausgeführten Differenzverstärkers D2. Der
Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einer nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers ist
Schaltung der eingangs angegebenen Art, eine Schal- 20 mit dem eragangsseitigen Steuerstromanschluß 1 und
tung zu schaffen, die bei einer Hall-Feldsonde mit einem der invertierende Eingang des Diffe; ;<7zverstärkers mit
positiven Temperaturkoeffizienten (TKJdes Widerstan- dem ausgangsseitigen Steuerstromanschbß Γ des HaII-
des des Steuerstrompfades zu einer Kompensation der Generators verbunden. Der konstante Spannungsanteil
Temperaturdrift der durch den Halleffekt «-zeugten und der sich mit der Temperatur ändernde Spanmings-
Hall-Spannung führt 25 anteil Ut wird mittels des aus Trimmer T\ und dritten
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird Operationsverstärkers OP3 bestehenden Summierers
durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 additiv so zusammengesetzt, daß der temperaturbe-
angegebenen Merkmale gelöst. dingte Abfall der Hall-Spannung kompensiert wird.
Eine besondere Ausführungsart der erfindungsgemä- F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung, in
ßen Schaltung besteht darin, daß der Vorwiderstand 30 der — ausgehend von der in F i g. 2 dargestellten Sch'al-
und der zwischen dem ausgangsseitigen Steuerstroman- tung — zusätzlich ein in seiner Differenzbildung ein-
Schluß der Hall-Feldsonde und dem Ausgang des Ope- stellbarer Differenzverstärker, der aus dem zweiten
rationsverstärkers liegende Widerstand thermisch ge- Operationsverstärker OP2 und dem vorgeschalteten
koppelt sind. Zweckmäßig ist ferner, daß die Steuer- Trimmer T besteht, vorgesehen ist Er dient dazu, die
stromführenden Zuleitungsdrähte der Hall-Feldsonde 35 eingekoppelte Spannung us in der Ausgangsspannung
thermisch gekoppelt sind. UH zu unterdrücken. Der Differenzverstärker ist dazu,
Die Schaltung gemäß der Erfindung ist zur Messung wie aus F i g. 3 zu ersehen ist, mit einem seiner Eingänge
kleiner magnetischer Wechselfelder mit hinreichender mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP\
Genauigkeit einsetzbar, ohne daß weitere Maßnahmen verbunden.
erforderlich wären. Dabei wird zweckmäßig als einzu- 40 In der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform der
koppelnde Spannung eine Wechselspannung vorgese- Schaltung ist zusätzlich der einstellbare Widerstand R2
hen, die eine höhere Frequenz als das magnetische zwischen dem ausgangsseitigen Steuerstromanschluß 1'
Wechselfeld aufweist, um die Hall-Spannung frequenz- der Hall-Feldsonde und dem Ausgang des ersten Opera-
selektiv messen zu können. Auf diese Weise ist die tionsverstärkers OP1 vorgesehen. Einer der beiden Ein-
Schaltung gemäß der Erfindung anwendbar, ohne daß 45 gänge des Differenzverstärkers bzw. zweiten Opera-
beispielsweise eine Kompensation der ohmschen Null- tionsverstärkers OP2 ist dabei mit dem ausgangsseitigen
spannung erforderlich wäre. Anschluß 2' des Widerstandes A2 und der andere Ein-
Die Schaltung gemäß der Erfindung ermöglicht, auch gang mit dem Ausgang des ersten Operationsverstär-
solche Hall-Feldsonden für genaue Messungen einzu- kers OPx verbunden. Durch entsprechenden Abgleich
setzen, die empfindlich sind, aber einen großen positiven 50 des weiteren Widerstandes R2 wird dem Differenzver-
Temperaturkoeffizienten aufweisen. stärker eine Spannung zugeführt, mit der dessen Aus-
Zur näheren Erläuterung der unterschiedlichen Funk- gangsspannung bei fehlendem Magnetfeld unterdrückt
tionen der Schaltung gemäß der Erfindung wird in den wird. Durch geeignete Einstellung der Differenzbildung
F i g. 1 und 2 zunächst eine Schaltungsstufe und in wird bsi dieser Schaltungsausführung der temperatur-
F i g. 3 die Gesamtschaltung gemäß der Erfindung dar- 55 abhängige Teil der Nullspannung kompensiert,
gestellt. Es zeigt Trimmer T wird — nach entsprechendem Abgleich
F i g. 1 Schaltungsstufe mit Hall-Feldsonde zur Korn- von R2 — zur Kompensation des temperaturabhängi-
pensation der Temperaturdrift der durch den Halleffekt gen Teils der Nullspannung abgeglichen,
(mit Hall-Feldsonde zur Kompensation der Tempera- In Fig.4 ist eine konkrete Ausführungsform der in
turdrift der durch den Halleffekt erzeugten Hall-Span- 60 Fi g. 3 dargestellten Schaltung wiedergegeben. Die Wi-
nung) erzeugten Hall-Spannung, derstandswerte, die verwendeten Verstärker sowie die
F i g. 2 Schaltungsstufe gemäß F i g. 1 mit in Opera- verwendete Hall-Feldsonde sind den beigefügten Zah-
tionsverstärkertechnik ausgeführten Differenzverstär- lenangaben bzw. den Typenbezeichnungen zu entneh-
ker, men.
F i g. 3 Schaltung gemäß F i g. 2 mit Schaltungsteil zur 65
Unterdrückung der Kullspannung und zur Kompensa- Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
tion des temperaturabhängigen Teils der Nullspannung,
F i g. 4 konkrete Ausführungsform der in F i g. 3 dar-
Claims (3)
1. Schaltung zur Messung der magnetischen Induktion mit einer Hall-Feldsondo, einem dem Steu- s
erstrompfad der Hall-Feldsonde vorgeschalteten,
temperaturunabhängigen Vorwiderstand (Rx) mit einer Verkopplung des Steuerstrompfades mit der
Meßspannung an den Hall-Elektroden über einen weiteren temperaturabhängigen Widerstand (Ri)
und mit einer zur Erzeugung des durch die Feldsonde fließenden Steuerstromes vorgesehenen Gleichoder Wechselspannung konstanter Amplitude, bei
der zur Kompensation der Temperaturdrift der durch den Halleffekt erzeugten Hall-Spannung der
Vorwiderstand (R\) mit einem seiner beiden Anschlüsse mit Masse verbunden ist und ein erster
Operationsverstärker (OP\) mit seinem invertierenden Eingang mit einer Hall-Elektrode (2') verbunden
ist, an dessen nichtinvertierendem Eingang gegen Masse zur Erzeugung des Steuerstromes die Gieich-
oder Wechselspannung (Usbzw. Us) eingekoppelt ist,
bei der zur Kompensation der Nullspanr.ung der Feldsonde der weitere temperaturunabhängige Widerstand (R2) zwischen dem ausgangsseitigen Steu-
erstromanschluB (!') der Feldsonde und dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OPi) liegt
und bei der zur Kompensation der Temperaturdrift der ohmschen Restspannung ein zweiter Operationsverstärker (OPi) mit einem Trimmer (T) als Dif-
ferenzverstärk.T vorgesehen ist, bei dem der nichtinvertierende Eingang mit der zweiten Hall-Elektrode (2) und der invertierende Eingang mit dem Schleifer des Trimmers (T) verbunden jst und einer der
beiden anderen Anschlüsse des Trimmers (T) mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers
(OPi) und der weitere Anschluß mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OPi) verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Differenzverstärker (Di) beschalteter vierter Operationsverstärker (OPa) und ein als Summierer beschalteter dritter Operationsverstärker (OP3) vorgesehen sind, wobei der nichtinvertierende Eingang
des vierten Operationsverstärkers (OPa) an dem eingangsseitigen Steuerstromanschluß (1) und der in-
vertierende Eingang über den eingangsseitigen Widerstand (R3) mit dem ausgangsseitigen Steuerstromanschluß (V) verbunden sind und der Ausgang des
vierten Operationsverstärkers (OPa) einerseits mit dem über einen Trimmer (Ti) einstellbaren Gegenkopplungswiderc">nd und andererseits über einen
Trimmer (Ti) einstellbaren Widerstand mit einem der beiden Eingänge des Summierers verbunden ist
und wobei der als Summierer beschaltete dritte Operationsverstärker (OP3) mit seinem Ausgang mit
dem nichtinvertierenden Eingang des mit einem der Signalspannungskontakte der Hall-Feldsonde verbundenen ersten Operationsverstärkers (OPi) verbunden ist und wobei über den anderen Eingang des
Summierers eine Gleich- oder Wechselspannung in den ersten Operationsverstärkers (OPi) eingekoppelt ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (Ri) und der zwischen dem ausgangsseitigen Steuerstromanschluß
(V) der Hall-Feldsonde und dem Ausgang des Operationsverstärkers (OP1) liegende Widerstand (Ri)
thermisch gekoppelt sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerstromführenden Zuleitungsdrähte der Hall-Feldsonde thermisch gekoppelt sind.
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