DE1208897B

DE1208897B - Messumformer mit ortsfestem Hallgenerator im Luftspalt eines starren Magnetsystems

Info

Publication number: DE1208897B
Application number: DES43887A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Friedrich Kuhrt; Dipl-Ing Karl Maaz
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-05-11
Filing date: 1955-05-11
Publication date: 1966-01-13

Description

Meßumformer mit ortsfestem Hallgenerator im Luftspalt eines starren Magnetsystems Es ist bekannt, zur Messung, Steuerung oder Regelung des Ortes bzw. der Ortsveränderung von Körpern einen magnetfeldabhängigen Halbleiter im Luftspalt eines starren Magnetsystems anzuordnen, mit dem ein beweglicher Anker zusammenwirkt. Das vom Halbleiter, insbesondere einem Hallspannungserzeuger, gelieferte elektrische Signal stellt dann ein Maß für die Bewegung des Ankers dar. Vorteilhaft bildet man den Halbleiterkörper aus einer halbleitenden Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit von 6000 cm2/Vsec und mehr, insbesondere eine Verbindung der Form AmBv.
Die Erfindung ist eine vorteilhafte Ausbildung eines solchen Halbleitergerätes für die Erfassung von mechanischen Kräften, insbesondere Druck und Gewicht, und betrifft einen Meßumformer mit einem Hallgenerator, der ortsfest im Luftspalt eines starren Magnetsystems angeordnet ist und in Abhängigkeit von dem Ort bzw. der Ortsveränderung eines mit dem Magnetsystem zusammenwirkenden beweglichen Ankers ein elektrisches Signal für Meß-, Steuer- oder Regelzwecke abgibt.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgenerator im Mittelschenkel eines Topfmagneten angeordnet ist, der den Anker trägt, und daß zwischen Mittelschenkel und Anker ein meßgrößenabhängiger Luftspalt vorgesehen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt. Dabei ist der Hallgenerator 1 in dem Luftspalt eines Elektromagneten 2 mit Anker 3 angeordnet. Der Steuerstrom Ist für den Hallgenerator 1 wird von einer Spannungsquelle 4 geliefert, die Hallspannung ist einem Meßgerät 5 zugeführt. Durch mehr oder weniger starke Durchbiegung des Ankers 3 infolge einer auf ihn einwirkenden Kraft P wird der Luftspalt6 verändert. Diese Veränderung der Luftspaltbreite bedingt eine Änderung der magnetischen Induktion und somit eine Änderung der am Meßgerät 5 angezeigten Hallspannung, die bekanntlich dem Produkt aus der Größe des Steuerstromes und der Größe des Magnetfeldes direkt proportional ist.
Es ist vorteilhaft, den Hallgenerator zwischen dem mittleren Schenkel 2a und dem Joch 2b des Topfmagneten anzuordnen. Dadurch kann die Erregerwicklung 7 nachträglich auf den Mittelschenkel aufgebracht werden, ohne daß sich die Elektrodenzuführungen des Hallgenerators störend auswirken.
Um mit einer möglichst geringen Durchbiegung des Ankers 3 eine große Änderung der magnetischen Induktion zu erreichen, ist es vorteilhaft, den Gesamtluftspalt des magnetischen Kreises möglichst klein zu halten. Aus diesem Grund ist der Hallgenerator 1 zwischen zwei Ferritplatten gelagert, wie dies beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1098 581 beschrieben ist. Die Befestigung des Hallgenerators zwischen dem mittleren Schenkel und dem Joch kann dabei wie bei der Befestigung zwischen den Ferritplatten mit Hilfe einer dünnen Kunstharzschicht erfolgen.
Wie bereits oben ausgeführt, ist die Hallspannung proportional dem Produkt aus dem Steuerstrom Ist und der magnetischen Induktion. Wenn also eine einwandfreie Abhängigkeit der Hallspannung von der Größe der Induktion erwünscht ist, so ist die Verwendung einer Spannungsquelle mit konstanter Spannung erforderlich. Nun ist aber bei zahlreichen Hallgeneratoren außer der Hallspannung noch die Größe des von dem Hallgenerator dem Steuerstromist entgegengesetzten Widerstandes von der Größe des auf den Hallgenerator einwirkenden magnetischen Feldes abhängig, d. h., mit größerer Induktion wächst der elektrische Widerstand. Wird der Anker 3 von einer Kraft P belastet, so steigt die Induktion infolge geringeren Luftspaltes und damit die Hallspannung an.
Andererseits wird aber durch die größere Induktion der Widerstand des Hallgenerators größer, so daß der Strom Ist und damit die Hallspannung sinkt. Je größer also die magnetische Widerstandsänderung ist, um so unempfindlicher wird die Anordnung. Zur Erhöhung der Anzeigeempfindlichkeit kann in den Steuerstromkreis des Hallgenerators ein Widerstand geschaltet sein, der wesentlich größer ist als der Widerstand des Hallgenerators. Dadurch bleibt der Steuerstrom auch bei den Widerstands schwankungen des Hallgenerators praktisch konstant. Bei Verwendung von Elektromagneten kann, wie dargestellt, ein zusätzlicher Widerstand die Erregerwicklung 7 in Reihe zu dem Hallgenerator 1 an die Spannungsquelle 4 angeschlossen werden. Gegebenenfalls kann zur Vergrößerung des Gesamtwiderstandes noch ein zusätzlicher hochohmiger Widerstand 8 in den Steuerstromkreis eingeschaltet sein.
Um die Anzeigeempfindlichkeit des Hallgenerators zu erhöhen, kann auf dem Magneten 2 noch eine das Feld des Magneten verstärkende Wicklung 9 angebracht werden, welche von der Hallspannung gespeist wird und somit eine Art Rückkopplungswicklung darstellt.
In den in den Fig.2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Einrichtungen zur Kompensation der Nullspannung des Hallgenerators beschrieben. Dabei wird unter Nullspannung die Hallspannung bei unbelastetem Anker, d. h. also beispielsweise beim Druck P = 0, verstanden. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.2 ist zur Kompensation der Nullspannung eine in den Hallkreis geschaltete Gegenspannung vorgesehen. Diese Gegenspannung wird an einem dem Hallgenerator 1 parallelgeschalteten Widerstand 10 abgegriffen, dessen fester MittelabgrifflOa mit der einen Hallelektrode und dessen beweglicher AbgrifflOb mit dem Meßgerät 5- verbunden ist. Je nach Größe und Richtung der zu kompensierenden Nullspannung kann der AbgrifflOb eingestellt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 erfolgt die Kompensation der Nullspannung durch unsymmetrische Anordnung der Hallelektroden la und lb auf der Oberfläche des Hallgenerators 1. Ein Feinabgleich kann gegebenenfalls durch eine äußere Beschaltung vorgenommen werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte -Ausführungsbeispiel. Es ist ohne weiteres möglich, statt des dargestellten Elektromagneten einen Dauermagneten zu verwenden. Die Messung der magnetischen Induktion kann statt durch einen Hallgenerator auch durch Bestimmung des Widerstandes bzw. der Widerstandsänderung eines magnetfeldabhängigen Widerstandes, vorzugsweise aus einer halbleitenden Verbindung der Form AmBv, erfolgen.
Weiterhin ist es möglich, statt des anzeigenden Meßgerätes 5 auch ein steuerndes Gerät an die Hallspannung anzuschließen, so daß die Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise als Sollwertgeber für Rege- lungsaufgaben, z. B. zur Regelung des auf den Anker 3 einwirkenden Druckes, verwendet werden kann.

Claims

Patentansprüche: 1. Meßumformer mit einem Hallgenerator, der ortsfest im Luftspalt eines starren Magnetsystems angeordnet ist und in Abhängigkeit von dem Ort bzw. der Ortsveränderung eines mit dem Magnetsystem zusammenwirkenden beweglichen Ankers ein elektrisches Signal für Meß-, Steuer- oder Regelzwecke abgibt, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der Hallgenerator (1) im Mittelschenkel (2a) eines Topfmagneten (2) angeordnet ist, der den Anker (3) trägt, und daß zwischen Mittelschenkel und Anker ein Luftspalt (6) vorgesehen ist.
2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgenerator zwischen zwei Ferritplatten gelagert ist.
3. Meßumformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hallspannung eine das Feld des Magneten verstärkende Wicklung (Rückkopplungswicklung) angeschlossen ist.
4. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kompensation der Hallspannung bei unbelastetem Anker (Nullspannung) vorgesehen sind.
5. Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallspannungselektroden unsymmetrisch an dem Halbleiterkörper angeordnet sind.
6. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnet ein Elektromagnet dient, dessen Erregerwicklung in den Steuerstromkreis des Halbleiters geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1 098 581; deutsche Auslegeschrift S38725VIIIa/21a2 (bekanntgemacht am 6. 9. 1956); USA.-Patentschriften Nr. 1 998 952, 1 825 855, 2 536 805; Siemens-Zeitschrift (1954), H. 8, Jg. 28, S. 376 bis 384.