1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 138<br />
274 5.3 Spulen 5.3.2 Sättigungskernverfahren 275<br />
e) bis g) Oberwellenanalyse der induzierten elektrischen Spannung nach d):<br />
e) Grundwelle<br />
f) 2. Harmonische<br />
g) 3. Harmonische<br />
Sättigungsbereich <strong>die</strong>nt, wirkt <strong>die</strong> zweite als Induktionsspule und mißt <strong>die</strong> resultierende<br />
Änderung der Induktionsflußdichte B im Kern. Die Abhängigkeit B(H) wird<br />
durch eine Hysteresekurve wie z.B. in Bild 5.2.2-1 beschrieben (schematisch in Bild<br />
5.3.2-2b), sie ist deutlich nichtlinear. Es wird sich zeigen, daß <strong>die</strong> Signalform der induzierten<br />
Spannung sehr empfindlich von der Anwesenheit äußerer Magnetfelder abhängt,<br />
so daß <strong>die</strong> ursprünglich eingegebene Zeitabhängigkeit des Magnetfeldes in<br />
charakteristischer Weise verzerrt wird. Die Art und Stärke der Verzerrung läßt sich<br />
durch eine Oberwellenanalyse bestimmen.<br />
Die verschiedenen Sättigungskernverfahren unterscheiden sich in der Signalform der<br />
periodischen Ansteuerung des Kerns, sowie in der Signalauswertung. In Bild 5.3.2-2 ist<br />
das Prinzip des Sättigungskernverfahrens mit Auswertung der zweiten Harmonischen<br />
einer sinusförmigen Ansteuerung erläutert.<br />
(Ausführung I: mit zusätzlicher Wicklung im Sensor, Ausführung II: ohne zusätzliche<br />
Wicklung): Im Vergleich zu a) und b) ergibt sich eine verbesserte Linearität.<br />
Die Fourieranalyse ergibt, daß bei einer sinusförmigen Ansteuerung des Magnetkerns<br />
ohne äußeres Magnetfeld nur ungeradzahlige Oberwellen auftreten, bei Wirkung eines<br />
äußeren Feldes H ext jedoch auch geradzahlige. Die Amplitude der zweiten Harmonischen<br />
kann also als Maß für <strong>die</strong> Stärke des äußeren Magnetfeldes herangezogen<br />
werden. In Bild 5.3.2-3 sind verschiedene Prinzipschaltbilder für den Aufbau von Sättigungskernsensoren<br />
dargestellt.<br />
Neben dem beschriebenen Verfahren mit Auswertung der 2. Harmonischen gibt es eine<br />
Vielzahl weiterentwickelter Verfahren. Bild 5.3.2-4 zeigt einen Sättigungskernsensor<br />
mit Auswertung von Impulshöhen, Bild 5.3.2-5 den entsprechenden Schaltungsaufbau.<br />
Bild 5.3.2-4<br />
Pulshöhenauswertung von sinusförmig angesteuerten Sättigungskernsensoren<br />
(nach [5.18]): Betrachtet werden <strong>die</strong> Signalformen ohne äußeres Magnetfeld (durchgezogen)<br />
und bei Wirkung eines Magnetfeldes H ext .<br />
a) Hysteresekurve des Magnetkerns<br />
b) Induzierte Spannung: Bei Aussteuerung des Magnetfeldes H bis weit in <strong>die</strong><br />
Sättigung hinein ändert sich in den Amplitudenspitzen <strong>die</strong> magnetische Induktionsflußdichte<br />
B nur noch wenig mit der Zeit, so daß nach (1) <strong>die</strong> induzierte Spannung<br />
u i abnimmt. Die Differenz der Pulshöhen<br />
ist dann ein Maß für <strong>die</strong> Größe des äußeren Feldes.<br />
Bild 5.3.2-3 Schaltungsrealisierungen für Sättigungskernsensoren mit Auswertung der 2. Harmonischen<br />
(nach [5.18]):<br />
a) mit frequenzabgestimmtem Verstärker<br />
b) mit phasenempfindlichem Gleichrichter<br />
c) mit Rückkopplung zur Kompensation des äußeren Magnetfeldes in der Sensorspule<br />
Bild 5.3.2-5 Blockschaltbild eines Impulshöhen-Magnetometers (nach [5.19])