1 Überblick über die Sensorik

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274 5.3 Spulen 5.3.2 Sättigungskernverfahren 275
e) bis g) Oberwellenanalyse der induzierten elektrischen Spannung nach d):
e) Grundwelle
f) 2. Harmonische
g) 3. Harmonische
Sättigungsbereich dient, wirkt die zweite als Induktionsspule und mißt die resultierende
Änderung der Induktionsflußdichte B im Kern. Die Abhängigkeit B(H) wird
durch eine Hysteresekurve wie z.B. in Bild 5.2.2-1 beschrieben (schematisch in Bild
5.3.2-2b), sie ist deutlich nichtlinear. Es wird sich zeigen, daß die Signalform der induzierten
Spannung sehr empfindlich von der Anwesenheit äußerer Magnetfelder abhängt,
so daß die ursprünglich eingegebene Zeitabhängigkeit des Magnetfeldes in
charakteristischer Weise verzerrt wird. Die Art und Stärke der Verzerrung läßt sich
durch eine Oberwellenanalyse bestimmen.
Die verschiedenen Sättigungskernverfahren unterscheiden sich in der Signalform der
periodischen Ansteuerung des Kerns, sowie in der Signalauswertung. In Bild 5.3.2-2 ist
das Prinzip des Sättigungskernverfahrens mit Auswertung der zweiten Harmonischen
einer sinusförmigen Ansteuerung erläutert.
(Ausführung I: mit zusätzlicher Wicklung im Sensor, Ausführung II: ohne zusätzliche
Wicklung): Im Vergleich zu a) und b) ergibt sich eine verbesserte Linearität.
Die Fourieranalyse ergibt, daß bei einer sinusförmigen Ansteuerung des Magnetkerns
ohne äußeres Magnetfeld nur ungeradzahlige Oberwellen auftreten, bei Wirkung eines
äußeren Feldes H ext jedoch auch geradzahlige. Die Amplitude der zweiten Harmonischen
kann also als Maß für die Stärke des äußeren Magnetfeldes herangezogen
werden. In Bild 5.3.2-3 sind verschiedene Prinzipschaltbilder für den Aufbau von Sättigungskernsensoren
dargestellt.
Neben dem beschriebenen Verfahren mit Auswertung der 2. Harmonischen gibt es eine
Vielzahl weiterentwickelter Verfahren. Bild 5.3.2-4 zeigt einen Sättigungskernsensor
mit Auswertung von Impulshöhen, Bild 5.3.2-5 den entsprechenden Schaltungsaufbau.
Bild 5.3.2-4
Pulshöhenauswertung von sinusförmig angesteuerten Sättigungskernsensoren
(nach [5.18]): Betrachtet werden die Signalformen ohne äußeres Magnetfeld (durchgezogen)
und bei Wirkung eines Magnetfeldes H ext .
a) Hysteresekurve des Magnetkerns
b) Induzierte Spannung: Bei Aussteuerung des Magnetfeldes H bis weit in die
Sättigung hinein ändert sich in den Amplitudenspitzen die magnetische Induktionsflußdichte
B nur noch wenig mit der Zeit, so daß nach (1) die induzierte Spannung
u i abnimmt. Die Differenz der Pulshöhen
ist dann ein Maß für die Größe des äußeren Feldes.
Bild 5.3.2-3 Schaltungsrealisierungen für Sättigungskernsensoren mit Auswertung der 2. Harmonischen
(nach [5.18]):
a) mit frequenzabgestimmtem Verstärker
b) mit phasenempfindlichem Gleichrichter
c) mit Rückkopplung zur Kompensation des äußeren Magnetfeldes in der Sensorspule
Bild 5.3.2-5 Blockschaltbild eines Impulshöhen-Magnetometers (nach [5.19])