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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung für die Messung der räumlichen Verteilung magnetischer Wechselfelder, wobei in einer Haltevorrichtung mehrere Magnetfeldsonden angeordnet sind, die jede zur gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Messung der Feldkomponenten in den drei Raumrichtungen eingerichtet sind.
In unserer Umwelt sind natürliche und künstlich hervorgerufene elektrische und magnetische Felder vorhanden. Da natürliche Phänomene immer vorhanden waren, kann man davon ausgehen, dass der menschliche Organismus durch natürliche Felder nicht beeinträchtigt wird bzw. sich im Laufe der Evolution darauf eingestellt hat.
Heute entsteht der überwiegende Teil der in der Umwelt vorhandenen ionisierenden Strahlungen und Felder nicht auf natürliche Weise, sondern er ist vielmehr ein Produkt der vom Menschen entwickelten technischen Geräte. Künstlich erzeugte elektromagnetische Felder sind teilweise erwünscht, wie z. B. das Hauptfeld in elektrischen Maschinen. Zu einem anderen Teil sind die Felder aber ein unerwünschtes Nebenprodukt, wie z. B. das Feld elektrischer Zuleitungen.
Bei jeder Art von Umweltverschmutzung (auch Felder können ein"Umweltverschmutzung"sein), ist die Festsetzung der für die Gesundheit des Menschen noch tolerierbaren Grenzwerte ein Problem. Bei radioaktiver Strahlung, die bei Kernspaltungsprozessen entsteht, ist die Gefahr für den Menschen allgemein bekannt und teilweise auch erforscht. Die bisherigen technischen und medizinischen Untersuchungen stellen eine Diskussionsgrundlange für die Beurteilung der Auswirkungen und für die notwendige Festlegung der Grenzwerte dar.
Spätestens seit dem Ansteigen der Zahl der Kernkraftwerke in den 70er Jahren und dem damit verbundenen Widerstand der Bevölkerung gegen diese Energieform ist ein allgemein wachsendes Umweltbewusstsein der Menschen zu bemerken. Dabei stösst auch die elektromagnetische Strahlung auf Interesse.
Auf diesem Gebiet sind die Forschungen zur Festlegung der Grenzwerte, die für die Physiologie und Psyche des Menschen unbedenklich erscheinen, noch nicht besonders weit gediehen.
Alle unter Spannung stehenden Gegenstände sind von einem elektrischen Feld umgeben. Überall wo Strom fliesst, ist zugleich ein zugehöriges magnetisches Feld vorhanden.
Das magnetische Feld der Erde ist ein stationäres Gleichfeld. Das bedeutet, dass die Richtung des Magnetismus immer gleich bleibt und seine Grösse im wesentlichen konstant ist. Weiters treten z. B. durch Gewitter magnetische Wechselfelder auf. Wechselfelder ändern im Gegensatz zu Gleichfeldern ständig ihre Richtung.
Im Falle der natürlichen Wechselfelder ist die Frequenz der Magnetfelder nicht ein einzelner spezieller Wert. Das Feld setzt sie meist aus einem Gemisch vieler Frequenzen zusammen.
Zusätzlich zu diesen natürlichen Feldern existieren noch technisch bedingte Magnetfelder.
Jeder stromführende Leiter ist von einem kreisförmigen, in sich geschlossen magnetischen Feld umgeben. Dies ist ein physikalisch unabwendbares Phänomen. Da die meisten technischen Einrichtungen mit Wechselstrom arbeiten, sind auch die dabei entstehenden Magnetfelder Wechselfelder. Das bedeutet, dass sie mit derselben Frequenz wie der elektrische Strom ihre Richtung ändern. Auch die Grösse der Felder ändert sich in direktem Zusammenhang mit den fliessenden Strömen.
Befindet sie nun ein elektrisch leitfähiger Körper in einem solchen Magnetfeld, so werden in diesem Körper Spannungen induziert (erzeugt), welche elektrische Ströme treiben.
Auch im Menschen wird aufgrund der Leitfähigkeit des Körpers durch ein vorhandendes natürliches oder auch technisches Wechselfeld Spannung induziert, die in sich geschlossene fliessende Ströme (Wirbelströme) hervorruft. Verschiedenste wissenschaftliche Untersuchungen haben folgende Ergebnisse geliefert : Induzierte Wirbelströme beeinflussen das Sehvermögen ; Verkrampfungen der Muskulatur treten bei sehr starken Feldern auf ; Störungen der Reizleitung entlang der Nervenbahnen können nachgewiesen werden ; alle beobachteten Beinflussungen verschwinden bei Verlassen bzw. bei Abschalten des Magnetfeldes.
Die oben angeführten Erscheinungen treten alle erst bei magnetischen Fluadichten über zwei Millitesla auf. Weder bei natürlichen noch bei technisch erzeugten Feldern, obwohl diese meist erheblich grösser als die natürlichen sind, werden solche FluBdichten üblicherweise erreicht, schon gar nicht auf längere Dauer.
Es kann aber nicht ausgeschlossen werden, dass auch dauernde Einwirkung von Magnetfeldern unter der Wahrnehmbarkeitsschwelle den Menschen physisch wie auch psychisch negativ beeinflusst. Um solche Beeinträchtigungen medizinisch bewerten zu können, muss deren Ursache messtechnisch erfasst werden.
Durch die FR-OS 2 560 388 ist allerdings bereits eine Messanordnung für die Messung von Magnetfeldgradienten beschrieben, wobei in einer Haltevorrichtung mehrere Magnetfeldsonden angeordnet sind, die zur Messung der Feldkomponenten in den drei Raumrichtungen eingerichtet sind. Diese bekannte Anordnung dient nicht dazu, die räumliche Verteilung technischer magnetischer Wechselfelder über eine vordefinierte Fläche aufzunehmen.
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Die EP 363 658 A offenbart eine Vorrichtung für schwache physiologische Felder, also nicht technische Wechselfelder.
Die US 3 777 304 A zeigt die Anordnung einer einzelnen Dreifachspule als Steuersonde, die aber nicht geeignet ist, das "magnetische Belastungsgebirge" über einer definierten Fläche aufzunehmen, um die Belastung zB. eines Menschen durch elektrische Felder zu messen.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein geeignetes Messgerät bereitgestellt werden, das insbesondere zur selbständigen, langfristigen räumlichen Ausmessung von Wohn-, Nutz- und Arbeitsräumen im Bereich der technischen Frequenzen 16 2/3, 50 und 60 Hz konzipiert ist.
Diese Frequenzen stellen den grössten Beitrag zu den vom Menschen erzeugten magnetischen Feldern und sind für die Untersuchungen daher die interessantesten. Die Grösse dieser netzfrequenten Magnetfelder lässt sich durchaus von jedem Einzelnen beeinflussen, da sie direkt mit der verbrauchten Energie, den technischen Geräten und deren Anordnung zusammenhängt.
Die Messung des Feldes soll vorteilhafter Weise bei einem Messvorgang eine Fläche von einem Quadratmeter berücksichtigen. Innerhalb dieser Fläche soll sowohl der Betrag als auch die Richtung der magnetischen Flussdichte ermittelt werden. Eine Fläche von eine Quadratmeter stellt z. B. ca. die von einem sitzenden Menschen eingenommene Fläche dar. Auch in liegendem Zustand kann so noch der komplette Brustbereich erfasst werden. Andere Abmessungen sollen selbstverständlich ebenfalls möglich sein. Weiters soll die Speicherung der Ergebnisse sowie eine selbsttätige Langzeitmessung möglich sein. Die gesamte Messsondenanordnung soll transportabel und der Messsondenteil somit möglichst leicht und handlich ausgeführt sein.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, erscheint die Kombination eines analogen Aufnehmerteils mit anschliessender digitaler Wandlung und Weiterverarbeitung in einem tragbaren Personalcomputer am zweckmässigsten.
Gemäss vorliegender Erfindung wird das angestrebte Ziel dadurch erreicht, dass die Magnetfeldsonden jeweils drei senkrecht aufeinanderstehende Spulen aufweisen, die derart ausgerichtet sind, dass die Vektoren der gemessenen Felder aller Magnetfeldsonden jeweils die gleiten Richtungen x, y, z aufweisen und dass die Magnetfeldsonden innerhalb einer vorgegebenen Fläche rasterförmig angeordnet sind. Weiters umfassen erfindungsgemäss die Magnetfeldsonden einen Spulenkörper mit drei Spulen. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist die Aufsicht auf ein teilweise dargestelltes Ausführungsbeispiel der Messanordnung bei abgenommener Abdeck-
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und Fig. 2. Fig. 4 ist eine schematische teilweise Darstellung eines Verdrahtungsschemas. Die Fig. 5 bis 12 veranschaulichen die Elektronik und Fig. 13 zeigt den Signalverlauf einer Messung innerhalb der Elektronik.
Die Fig. 14 und 15 zeigen das Ergebnis einer beispielsweise durchgeführten Messung.
Für eine Magnetfeldmessung unter Verwendung der erfindungsgemässen Messanordnung sind drei Geräte notwendig : die Messanordnung, ein Computer mit A/D-und)/0-Karte und ein Verbindungskabel. In Fig. 1 ist die Messanordnung 1 in Ansicht von oben bei abgenommenen Deckel schematisch dargestellt, wobei aus Gründen der leichteren Darstellung nur wenige der einzelnen Magnetfeldsonden eingezeichnet sind. Das Verbindungskabel 2 leitet die Signale entsprechend den gemessenen Werten an den Computer 3, der mit einer entsprechenden 1/0-Karte und einer analog/digital-Karte ausgestattet ist.
Die Messanordnung umfasst ein Gehäuse, welches aus eines selbsttragenden Gerippe von elf Längsspanten 4, vier Querrohren 5 und zwei Querspanten 6 besteht. Ein Boden 7 (siehe auch Fig. 3) ist fix mit dem Gerippe verklebt. Nach oben hin ist die Messanordnung durch einen Deckel 8 verschliessbar, der auf die Anordnung aufgeschraubt wird. In bevorzugter Weise besteht das Gehäuse aus glasfaserverstärkten Epoxidharzteilen.
Durch diesen Aufbau sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 zehn Spalten 9, die durch das untere Querrohr 5 in einen Abschnitt mit den Sonden 10 und in einen Elektronikabschnitt 11 geteilt werden.
Im Sondenabschnitt sind bei zehn Spalten und acht Reihen insgesamt achtzig Sonden 10 vorgesehen.
Bezüglich der Abmessungen kann von diesen achtzig Sonden z. B. eine Fläche von 1 m2 eingenommen werden, sodass die Magnetfeldverteilung über diesen Qudratmeter messbar und darstellbar ist.
Der Elektronikabschnitt 11 nimmt die drei Elektronikplatinen 12, eine Batterie 13 und den Steckanschluss 14 für das Verbindungskabel 2 auf. Alle Magnetfeldsonden 10 sind über hier nicht dargestellte Drähte mit den Elektronikplatinen verbunden, wie weiter unten anhand der Fig. 4 näher erläutert wird.
Mit dem Bezugszeichen 15 sind Streifen oder Bänder aus Abschirmfolien bezeichnet, die z. B. aus Messing bestehen. Diese Streifen erstrecken sich am Boden 7 über die gesamte Länge der Messanordnung und sind weiters auch unter dem Deckel 8 angeordnet. Diese schirmen die Sonden und die Elektronik vor
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kapazitiven Einstreuungen ab, ohne die zu messenden Magnetfelder wesentlich zu beeinflussen. Die Folien oder Messingbänder in Deckel und Boden sind auf der Elektronikseite mit dem Masseanschluss des Steckers 14 verbunden, wobei die Verbindung zum Deckel vorzugsweise steckbar ist.
Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, finden die Elektronikplatinen 12 und der Batteriesatz 13 zwischen den Längsspanten 4 Platz. Es handelt sie bei den Elektronikplatinen beispielsweise um solche im Europakartenformat 160x100 mm.
Der Aufbau der einzelnen Sonden 10 wird anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben. Die Magnetfeldsonde umfasst einen Spulenkörper 16, der bevorzugt aus Holz oder aus Kunststoff besteht. Der Spulenkörper 16 weist drei orthogonal aufeinander stehende Spulen 17,18, 19 auf. Der Spulenkörper 16 sitzt auf einer Grundplatine 20 und ist mit dieser verklebt. Weiters weist die Grundplatine 20 sechs Lötösen 21 auf, an denen sowohl die Enden der Drähte der Spulen 17,18 und 19 befestigt sind, als auch die Leitungen zur Elektronik.
Die Kanten 22 der Grundplatine 20 oder wenigstens zwei dieser Kanten sind parallel zu den eingezeichneten Raumrichtungen x, y ausgerichtet, entsprechend den Feldvektoren x, y. Parallel dazu liegen die Achsen der Spulen 17 und 18. Die Achse der Spule 19 steht senkrecht auf beiden Kanten. Mit dieser Massnahme sind die Sonden in exakter Ausrichtung in das Gehäuse gemäss Fig. 1 einsetzbar. Die Ausnehmung 26 ermöglicht die Anbringung der für die Verschraubung des Deckels notwendigen Gewindestangen und erleichtert die Montage und Demontage der Sonde im Gehäuse.
Der Fig. 3 ist der Aufbau des Gehäuses und einer Messsonde bei geschlossenen Deckel 8 zu entnehmen. Auf dem Boden 7 sind streifenförmig die Abschirmfolien 15 angeordnet. Darüber liegt eine Schaumstoffschicht 23, die eingeprägte Kanäle 24 genau über den Abschirmfolien 15 zur Führung von Leitungsbahnen aufweist. Auf der Schicht 23 liegt die Grundplatine 20 mit dem aufgeklebten Spulenkörper 16. Der Spulenkörper 16 ist von einer Schaumstoffkappe 25 nach obenhin abgedeckt. Durch Aufpressen des Deckels 8 wird die Sonde fixiert und gegen Erschütterungen geschützt. Die am Deckel 8 angeordneten Abschirmstreifen 15 sind ebenfalls zu sehen, wie auch die Längsspanten 4 und ein Querrohr 5.
Fig. 4 zeigt schematisch die Verdrahtung der Magnetfeldmesssonden 10 der einzelnen Spalten 0 bis 9, wobei zur klareren Darstellung lediglich die Leitungsführungen der beiden äusseren linken Spalten 9 und 8 eingezeichnet wurden.
Je eine Elektronikplatine 12 ist den Spulen 17,18 oder 19 aller Sonden zugeordnet. Von jeder Spule jeder Sonde führt ein verdrilltes Drahtpaar zur zugehörigen Elektronikplatine. Jeder Leitungsstrich 10 Fig. 4 entspricht somit acht Leitungspaaren, da In jeder Spalte bei der Anordnung gemäss Fig. 1 acht Feldmesssonden angeordnet sind. Die Platinen 12 werden im folgenden als y-Platine, x-Platine und z-Platine bezeichnet.
Die jeweils sechs Anschlüsse jeder Sonde sind durch verdrillte Drahtpaare mit Steckern verbunden, die auf die Platinen gesteckt sind. Es ergeben sie für die zehn Kanäle zu je drei Koordinaten insgesamt dreissig
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mit den entsprechenden Platinen verbunden. Um die drei Kabelbündel pro Kanal zuverlässig den richtigen Koordinatenanschlüssen zuzuordnen, laufen sie in eigenen Rinnen. Die korrekte Verbindung jeweils einer aus acht Sonden in einem Kanal ist durch Farbcodierung gewährleistet : vier zur Verfügung stehende Drahtfarben ergeben zehn mögliche Farbpaare, acht davon wurden beim vorliegenden Ausführungsbeispiel benutzt.
Die drei Platinen sind mit dem Sub-D-Stecker und dem Batteriefach mittels eines Kabelbaum verbunden, der am elektronikseitigen Querträger 6 entlanggeführt ist.
Die Fig. 5 zeigt eine Übersicht über die Elektronik im Blockschaltbild, für jeweils 80 Spulen der Koordinatenrichtungen x, y und z. Auf jeder der Platinen 12 ist diese Elektronik ausgeführt.
Die achtzig Spulen 27 (x oder y oder z) der achtzig Magnetfeldsonden 10 sind über achtzig verdrillte Leiterpaare 28 mit einem Multiplexer MUX 29 verbunden, der zeitlich aufeinanderfolgend jeweils eine der 80 Spulen auswählt und deren Signale über die Leitung 30 dem Integrator 31 zuleitet. Über drei steuerbare Verstärker 32 mit Bandpass gelangen die Signale in das rücksetzbare LC-Filter 33, den Gleichrichter und rücksetzbaren Spitzenwertdetektor 34 in einen Buffer 35 und zum Ausgang 36. von wo das Signal über den Stecker 14 und das Kabel 2 (Fig. 1) zum Computer gelangt und ausgewertet wird. Mit 37 ist die Spannungsversorgung bezeichnet. Die Schaltung sieht dreizehn Pegelkonverter 50 und elf Speicher 51 sowie Einheiten zur Adressendecodierung 52, Verstärkerdecodierung 53 und Frequenzdecodierung 54 vor.
Die Spannungsversorgung der Messsonde erfolgt gemäss Fig. 6 über zwei 9 V E-Block-Batterien, vorzugsweise vom Alkali-Mangan-Typ, die neben der Sub-D-Buchse in ein Schnappgehäuse eingesetzt sind. Sie verbleiben im Normalfall (ausser bei längerer Nichtbenutzung) im Gerät, auch wenn damit nicht gemessen wird. Die Schaltung ist so konstruiert, dass sie keiner Strom braucht, solange sie nicht mit dem Computer verbunden ist und dieser die Sonde über einen High-Pegel an PB5 einschaltet. Tut er dies, wird die Schaltung mit +/-9 V und -5 V versorgt.
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Fig. 7 zeigt die TTL zu CMOS-Konverter. Die Sondenelektronik erhält Befehle vom ansteuernden Computer über 13 digitale Eingänge. Die Information liegt mit TTL-Pegel bei 38 an. Innerhalb der Sondenelektronik wird stromsparende CMOS-Logik eingesetzt. Die Fig. 7a zeigt den Schaltplan des Konverters für den Reset-Eingang, Fig. 7b den Schaltplan der zwölf anderen Konverter und Fig. 7c das Symbol dafür, das in den weiteren Abbildungen benutzt wird. Wenn ein Konverter am Eingang offen ist, ist sein Zustand logisch Low. Ein Konverter braucht ca. 150 J, LA im High-Zustand, im Low-Zustand ist er stromlos.
Der Reset-Konverter braucht etwa doppelt so viel Strom.
Fig. 8 zeigt den Schaltplan zur Sondenauswahl mit dem Multiplexer 29 (Fig. 5). Mit der steigenden Flanke des Reset-Signals wird die Information aO bis a6 in die D-Flip-Flops IC1 und IC2 übernommen und liegt dann an AO bis A6. Die binäre Information an A4-A6 kann 8 Zustände annehmen, davon wurden in dieser Anwendung 5 benutzt : von A6, A5, A4 = 000 binär" 0 dekadisch bis A6, A5, A4 = 100 binär" 4 dekadisch.
Der 1 aus 10-Decoder IC3 legt logisch"1"an den Ausgang an, wobei n der Information an A4-A6 entspricht. Die anderen Ausgänge liegen auf logisch "0".
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<tb>
<tb>
A6 <SEP> A5 <SEP> A4 <SEP> e4 <SEP> e3 <SEP> e2 <SEP> e1 <SEP> e0
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>
IC4 invertiert die logischen Zustände der Ausgänge, so dass genau einer von den fünf Ausgängen EO bis E4 logisch "0" ist, alle anderen sind "1".
Die Multiplexer-ICs Nr. 6-10 verbinden den Eingang Yn mit Z (wobei n der Information an AO bis A3 entspricht), solange am Enable-Eingang E logisch "0" anliegt. Uegt "1" an E, so sind alle Verbindungen Y bis Z unabhängig von der Information an AO bis A3 hochohmig. Somit ist in dieser Schaltung höchstens genau eine von 80 Spulen (Sp1,... Sp80) mit"AC in"verbunden : Die Information 0 an AO bis A6 verbindet Spule Nr. 1 (Sp1) mit "AC in", die Information 79 verbindet Spule Nr. 80 (Sp80) mit "AC in".
Der Integrator 31 und Verstärker 32 ist in Fig. 9 dargestellt. Das vom Multiplexer kommende Signal, bei
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da es von Spulen aufgenommen wird. Bei konstantem Effektivwert der Flussdichte ist die Spannung frequenzproportionat. Dieses Signal wird erst bandpassgefiltert (TP 1500 ; HP 8, 83 20% ; TP 100) und gelangt dann an den Integrator 31, eine Kunstschaltung um IC1, die in Bereich der zu messenden Frequenzen integrierendes Verhalten aufweist, Gleichgrössen aber nicht verstärkt. Nach dieser Stufe ist die Spannung bei einer Flussdichte von 100 u. T frequenzunabhängig etwa 0, 64 V.
Nach dem Integrator folgen mit OP2 bis OP4 drei gleich aufgebaute steuerbare Verstärker mit Eingangsbandpass, deren Verstärkung mittels High-Pegel am Steuereingang S1 bis S3 verzehnfacht werden kann. Die möglichen Verstärkungsfaktoren sind also 1,10, 100 und 1000, die mit den Messbereichsendwer-
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uT, 10 uT, 1 uT-5V- Av = 1, 255.
Die Gesamtcharakteristik der Bandpässe ist so beschaffen, dass Signale der Frequenzen 16 2/3 Hz und 50 Hz gleich stark verstärkt werden, Signale mit 60 Hz hingegen nur mit dem 5/6-fachen. Damit kann das nachfolgende Filter einfach gestaltet werden. Dies ist ein besonders vorteilhaftes Merkmal der beschriebenen Vorrichtung.
Die Gesamtverstärkung ist mit dem 500 Q-Trimmer 39 einzustellen, die Übereinstimmung der Verstärkungsfaktoren bei 50 Hz und 16 2/3 Hz mit dem 2 kQ-Trimmer 40.
Das Filter ist gemäss Fig. 10 ein rücksetzbares, umschaltbares 16 2/3 Hz/50 Hz/60 Hz LC-Filter mit der Güte 15. Die Induktivität, 30 oder 90 H, wird durch den Gyrator OP5/OP6 realisiert. Die Versorgung von OP5,6 ist +9/-5V. Die Ausgangsspannung bei 60 Hz ist gleich der Eingangsspannung, bei den anderen Frequenzen ist sie 5/6 der Eingangsspannung.
Somit ist im Zusammenwirken der Filtereigenschaften mit der Bandpasscharakteristik wieder eine frequenzunabhängige Ausgangsspannung erreicht. Die Filtergüte ist so gewählt, dass bei einer zulässigen Messfrequenzabweichung von +/-1 % die Ausgangsspannung um nicht mehr als 5 % zurückgeht. Über den vom computer angesteuerten Eingang FR 41 kann das schwingende Filter innerhalb kurzer Zeit rückgesetzt und eine neue Messung begonnen werden.
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Bis vor dem Filter ist der Signalweg bel einer Flussdichte, die dem Messbereichsendwert entspricht, nur zu 20 % angesteuert, so dass die Flussdichte nicht zu messender Störfrequenzen 500 % des Messbereichsendwertes betragen kann, ohne die Messung wesentlich zu stören. Nach dem Filter, wenn nur mehr Signale der Messfrequenz vorhanden sind, wird der Pegel mit OP7 auf ca 5, 3 Vss bei Vollaussteuerung angehoben.
Die Resonanzfrequenz 16 2/3 Hz wird mit dem 100 kQ-Trimmer 42 eingestellt, die Resonanzfrequenz 50 Hz mit dem 10 kO-Trimmer 42. Durch Verwendung zweier ausgesuchter Kondensatoren ist damit gleichzeitig auf die Frequenz 60 Hz korrekt eingestellt.
50 Hz-Signale werden vom 16 2/3 Hz-Filter auf 2, 5 % abgeschwächt und umgekehrt.
Neu und besonders vorteilhaft ist dabei folgende Schaltungskombination : Mit zwei Operationsverstärkern OP5 und OP6 sowie nur drei Analogschalter LSB, LSB und MSB (siehe Fig. 10) und einigen passiven Bauteilen wird ein LC-Filter simuliert, das bei konstanter Güte mit den Analogsohaltern auf drei verschiedene Resonanzfrequenzen einstellbar ist. Es gilt
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In dieser Schaltung werden dabei Signale der Frequenz 60 Hz gegenüber 16 2/3 Hz und 50 Hz um den Faktor 5/6 verstärkt.
Indem nun der sowieso notwendige Bandpass vor dem Filter so dimensioniert ist, dass Signale der Frequenz 60 Hz gegenüber 16 2/3 Hz und 50 Hz um den Faktor 5/6 abgeschwächt werden, erreicht man mit geringstem Aufwand an aktiven Elementen (wichtig für batteriebetriebene Geräte) bei allen drei Resonanzfrequenzen gleiche Filtereigenschaften.
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allerdings um den Faktor 1, 5 auf 4 Vs bei Vollaussteuerung angehoben.
Der nachfolgende Spitzenwertdetektor OP10/OP11 speichert den Spitzenwert der Spannung am Eingang und gibt ihn niederohmig an den Ausgang weiter. Die Spannung kann über den Reset-Eingang auf 0 V rückgesetzt werden.
In Fig. 12 ist die Ansteuerung von Filter und Verstärker dargestellt. Die Decodierung der Filterfrequenzen erfolgt dadurch, dass mit PB3 und PB4 die drei Messfrequenzen eingestellt und das Filter asynchron rückgesetzt werden können :
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<tb>
<tb> PB4 <SEP> PB3 <SEP> Frequenz/Funktion
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 16 <SEP> 2/3 <SEP> Hz <SEP>
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 50 <SEP> Hz <SEP>
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 60 <SEP> Hz <SEP>
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> Filter <SEP> reset <SEP>
<tb>
Mit PB1 und PB2 können die 4 Verstärkungen eingestellt werden.
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<tb>
<tb> PB2 <SEP> PB1 <SEP> Verstärkung <SEP>
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 1
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 10
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 100
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 1000
<tb>
Vor Beginn einer Messserie wird die Elektronik vom Computer eine Sekunde lang eingeschaltet und Filter und Spitzenwertdetektor rückgesetzt.
Dann folgen mindestens 80, bei Verstärkungsumschaltung entsprechend mehr, Messungen nach dem in Fig. 13 dargestellten Timing.
Es ergibt sie folgender Vorgang : (1) Adressen- und Kontrollinformationen werden angelegt, 1 ms Wartezeit
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(2) Der Reset-Eingang geht auf High, Informationen werden gespeichert, 1 ms Wartezeit (3) Filter und Spitzenwertdetektor werden 10 ms lang rückgesetzt (4) Das Filter wird für die Einschwingzeit freigegeben (5) RESET geht auf Low, Wartezeit eine Periode der Messfrequenz (6) Das Filter wird rückgesetzt, die Spitzenspannung ist gespeichert (7) Zweimalige Messung der gespeicherten Spannung (50 Hz-Brummunterdrückung) Die zuvor beschriebenen Schaltungen arbeiten auf jeder der Platinen 12 auf gleiche Weise. Die so erhaltenen Signale werden digitalisiert vom Computer gespeichert und weiterverarbeitet und z. B. in graphischer Darstellung ausgegeben.
Die Fig. 14 und 15 zeigen das Ergebnis einer beispielhaft durchgeführten Messung der Feldstärkeverteilung über eine Fläche von etwa 1m2 die von der x-Achse aufgespannt wird, wobei die Werte für die Feldstärke auf der z-Achse in Mikrotesla (u. T) aufgetragen sind und zwischen 131 nano Tesla und 816 nano Tesla variieren.
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The invention relates to a measuring arrangement for measuring the spatial distribution of alternating magnetic fields, a plurality of magnetic field probes being arranged in a holding device, each of which is set up for simultaneous or successive measurement of the field components in the three spatial directions.
In our environment there are natural and artificially created electrical and magnetic fields. Since natural phenomena were always present, it can be assumed that the human organism is not affected by natural fields or has adjusted to them in the course of evolution.
Today, the vast majority of the ionizing radiation and fields present in the environment do not arise naturally, but is rather a product of the technical devices developed by humans. Artificially generated electromagnetic fields are sometimes desirable, such as. B. the main field in electrical machines. In another part, the fields are an undesirable by-product, such as. B. the field of electrical leads.
With any type of pollution (fields can also be "pollution"), setting the limits that are still tolerable for human health is a problem. In the case of radioactive radiation that arises from nuclear fission processes, the danger to humans is generally known and in some cases also researched. The previous technical and medical examinations represent a basis of discussion for the assessment of the effects and for the necessary determination of the limit values.
At least since the increase in the number of nuclear power plants in the 1970s and the associated resistance of the population to this form of energy, there has been a general increase in environmental awareness among people. The electromagnetic radiation is also of interest.
In this area, research into setting limit values that appear harmless to human physiology and psyche has not yet progressed very well.
All objects under voltage are surrounded by an electrical field. Wherever electricity flows, there is also an associated magnetic field.
The earth's magnetic field is a stationary DC field. This means that the direction of magnetism always remains the same and its size is essentially constant. Furthermore, z. B. by thunderstorm alternating magnetic fields. In contrast to constant fields, alternating fields constantly change their direction.
In the case of natural alternating fields, the frequency of the magnetic fields is not a single special value. The field usually consists of a mixture of many frequencies.
In addition to these natural fields, there are also technical magnetic fields.
Each current-carrying conductor is surrounded by a circular, self-contained magnetic field. This is a physically inevitable phenomenon. Since most technical facilities work with alternating current, the resulting magnetic fields are alternating fields. This means that they change direction at the same frequency as the electric current. The size of the fields also changes in direct connection with the flowing currents.
If it is now an electrically conductive body in such a magnetic field, then voltages are induced (generated) in this body, which drive electrical currents.
Due to the conductivity of the body, human beings are also induced by an existing natural or technical alternating field, which causes self-contained flowing currents (eddy currents). Various scientific studies have yielded the following results: Induced eddy currents influence vision; Muscle cramps occur in very strong fields; Disorders of the conduction along the nerve pathways can be demonstrated; All observed leg influences disappear when the magnetic field is exited or switched off.
The phenomena mentioned above all occur only with magnetic fluids above two millitesla. Neither with natural nor with technically generated fields, although these are usually considerably larger than the natural ones, such flux densities are usually achieved, especially not for a long time.
However, it cannot be ruled out that permanent exposure to magnetic fields below the perceptibility threshold will have a negative physical and psychological impact on people. In order to be able to medically assess such impairments, their cause must be recorded using measurement technology.
FR-OS 2 560 388, however, already describes a measuring arrangement for the measurement of magnetic field gradients, a plurality of magnetic field probes being arranged in a holding device and being set up for measuring the field components in the three spatial directions. This known arrangement does not serve to record the spatial distribution of technical alternating magnetic fields over a predefined area.
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EP 363 658 A discloses a device for weak physiological fields, ie non-technical alternating fields.
The US 3 777 304 A shows the arrangement of a single triple coil as a control probe, which is not suitable, however, for absorbing the "magnetic load rock" over a defined area, for example to absorb the load. of a human being measured by electric fields.
The present invention is intended to provide a suitable measuring device which is designed in particular for independent, long-term spatial measurement of living, utility and work spaces in the range of the technical frequencies 16 2/3, 50 and 60 Hz.
These frequencies make the greatest contribution to the magnetic fields generated by humans and are therefore the most interesting for the investigations. The size of these network-frequency magnetic fields can be influenced by each individual, since it is directly related to the energy consumed, the technical devices and their arrangement.
The measurement of the field should advantageously take into account an area of one square meter during a measurement process. Both the amount and the direction of the magnetic flux density are to be determined within this area. An area of one square meter represents z. B. represents the area occupied by a seated person. Even when lying down, the entire chest area can still be detected. Of course, other dimensions should also be possible. Furthermore, the storage of the results and an automatic long-term measurement should be possible. The entire measuring probe arrangement should be portable and the measuring probe part should therefore be made as light and handy as possible.
In order to meet these requirements, the combination of an analog transducer part with subsequent digital conversion and further processing in a portable personal computer appears to be the most expedient.
According to the present invention, the desired goal is achieved in that the magnetic field probes each have three coils perpendicular to one another, which are aligned in such a way that the vectors of the measured fields of all magnetic field probes each have the sliding directions x, y, z and that the magnetic field probes within a predetermined range Surface are arranged in a grid. According to the invention, the magnetic field probes further comprise a coil former with three coils. Further advantageous features of the invention can be found in the patent claims, the following description and the drawings.
In the following the invention is described for example with reference to the drawings. 1 is a top view of a partially illustrated embodiment of the measuring arrangement with the cover removed.
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and Fig. 2. Fig. 4 is a schematic partial illustration of a wiring diagram. 5 to 12 illustrate the electronics and FIG. 13 shows the signal curve of a measurement within the electronics.
14 and 15 show the result of a measurement carried out, for example.
For a magnetic field measurement using the measuring arrangement according to the invention, three devices are necessary: the measuring arrangement, a computer with A / D and) / 0 card and a connecting cable. In Fig. 1, the measuring arrangement 1 is shown schematically in a view from above with the cover removed, with only a few of the individual magnetic field probes being drawn in for reasons of easier illustration. The connecting cable 2 conducts the signals corresponding to the measured values to the computer 3, which is equipped with a corresponding 1/0 card and an analog / digital card.
The measuring arrangement comprises a housing, which consists of a self-supporting framework of eleven longitudinal ribs 4, four transverse tubes 5 and two transverse ribs 6. A floor 7 (see also FIG. 3) is firmly glued to the frame. At the top, the measuring arrangement can be closed by a cover 8, which is screwed onto the arrangement. The housing preferably consists of glass fiber reinforced epoxy resin parts.
As a result of this structure, in the exemplary embodiment according to FIG. 1 there are ten columns 9 which are divided by the lower cross tube 5 into a section with the probes 10 and into an electronics section 11.
A total of eighty probes 10 are provided in the probe section with ten columns and eight rows.
In terms of dimensions, of these eighty probes, e.g. B. occupy an area of 1 m2, so that the magnetic field distribution can be measured and displayed over this square meter.
The electronics section 11 receives the three electronics boards 12, a battery 13 and the plug connector 14 for the connecting cable 2. All magnetic field probes 10 are connected to the electronic boards via wires (not shown here), as will be explained in more detail below with reference to FIG. 4.
With the reference numeral 15 strips or ribbons made of shielding films are designated, the z. B. consist of brass. These strips extend at the bottom 7 over the entire length of the measuring arrangement and are also arranged under the cover 8. These shield the probes and the electronics
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capacitive interference, without significantly influencing the magnetic fields to be measured. The foils or brass strips in the lid and base are connected on the electronics side to the ground connection of the plug 14, the connection to the lid preferably being pluggable.
As can be seen in FIG. 1, the electronic boards 12 and the battery pack 13 find space between the longitudinal ribs 4. The electronic boards are, for example, those in the 160x100 mm European card format.
The structure of the individual probes 10 is described with reference to FIGS. 2 and 3. The magnetic field probe comprises a coil former 16, which preferably consists of wood or plastic. The coil former 16 has three coils 17, 18, 19 which are orthogonal to one another. The coil former 16 sits on a base plate 20 and is glued to it. Furthermore, the base board 20 has six soldering eyes 21, to which both the ends of the wires of the coils 17, 18 and 19 are fastened, and the lines to the electronics.
The edges 22 of the base plate 20 or at least two of these edges are aligned parallel to the spatial directions x, y shown, corresponding to the field vectors x, y. The axes of the coils 17 and 18 lie parallel to this. The axis of the coil 19 is perpendicular to both edges. With this measure, the probes can be inserted into the housing according to FIG. 1 in an exact alignment. The recess 26 enables the attachment of the threaded rods required for screwing the cover and facilitates the assembly and disassembly of the probe in the housing.
3 shows the structure of the housing and a measuring probe with the cover 8 closed. The shielding foils 15 are arranged in strips on the bottom 7. Overlying this is a foam layer 23 which has embossed channels 24 exactly above the shielding films 15 for guiding conductor tracks. The base plate 20 with the glued-on bobbin 16 lies on the layer 23. The bobbin 16 is covered at the top by a foam cap 25. By pressing the cover 8, the probe is fixed and protected against vibrations. The shielding strips 15 arranged on the cover 8 can also be seen, as can the longitudinal ribs 4 and a cross tube 5.
FIG. 4 shows schematically the wiring of the magnetic field measuring probes 10 of the individual columns 0 to 9, with only the cable routing of the two outer left columns 9 and 8 being drawn in for the sake of clarity.
One electronic board 12 is assigned to the coils 17, 18 or 19 of all probes. A twisted pair of wires leads from each coil of each probe to the associated electronics board. Each line line 10 in FIG. 4 thus corresponds to eight line pairs, since eight field measuring probes are arranged in each column in the arrangement in accordance with FIG. The boards 12 are referred to as y-board, x-board and z-board.
The six connections of each probe are connected by twisted wire pairs with plugs that are plugged onto the circuit boards. They give a total of thirty for the ten channels with three coordinates each
EMI3.1
connected to the corresponding boards. In order to reliably assign the three cable bundles per channel to the correct coordinate connections, they run in their own channels. The correct connection of one of eight probes in one channel is ensured by color coding: four available wire colors result in ten possible color pairs, eight of which were used in the present exemplary embodiment.
The three boards are connected to the Sub-D connector and the battery compartment by means of a cable harness which is guided along the cross member 6 on the electronics side.
Fig. 5 shows an overview of the electronics in the block diagram, for 80 coils of the coordinate directions x, y and z. This electronics is implemented on each of the boards 12.
The eighty coils 27 (x or y or z) of the eighty magnetic field probes 10 are connected via eighty twisted pairs of conductors 28 to a multiplexer MUX 29, which selects one of the 80 coils successively in time and whose signals are fed via line 30 to the integrator 31. Via three controllable amplifiers 32 with bandpass, the signals reach the resettable LC filter 33, the rectifier and resettable peak value detector 34, a buffer 35 and the output 36. From there the signal via the connector 14 and the cable 2 (FIG. 1) gets to the computer and is evaluated. The voltage supply is denoted by 37. The circuit provides thirteen level converters 50 and eleven memories 51 as well as units for address decoding 52, amplifier decoding 53 and frequency decoding 54.
6 is powered by two 9 V E-block batteries, preferably of the alkaline-manganese type, which are inserted in a snap housing in addition to the Sub-D socket. They normally remain in the device (except when not in use for a long time), even if they are not used to measure. The circuit is designed in such a way that it does not need any power as long as it is not connected to the computer and it switches the probe on to PB5 via a high level. If he does so, the circuit is supplied with +/- 9 V and -5 V.
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7 shows the TTL to CMOS converter. The probe electronics receive commands from the controlling computer via 13 digital inputs. The information is available at 38 with TTL level. Energy-saving CMOS logic is used within the probe electronics. FIG. 7a shows the circuit diagram of the converter for the reset input, FIG. 7b the circuit diagram of the twelve other converters and FIG. 7c the symbol for this, which is used in the other figures. If a converter is open at the input, its status is logically low. A converter needs approx. 150 J, LA in the high state, it is de-energized in the low state.
The reset converter uses about twice as much electricity.
Fig. 8 shows the circuit diagram for probe selection with the multiplexer 29 (Fig. 5). With the rising edge of the reset signal, the information aO to a6 is transferred to the D flip-flops IC1 and IC2 and is then connected to AO to A6. The binary information on A4-A6 can assume 8 states, of which 5 were used in this application: from A6, A5, A4 = 000 binary "0 decadic to A6, A5, A4 = 100 binary" 4 decadic.
The 1 out of 10 decoder IC3 logically applies "1" to the output, where n corresponds to the information on A4-A6. The other outputs are at logic "0".
EMI4.1
<tb>
<tb>
A6 <SEP> A5 <SEP> A4 <SEP> e4 <SEP> e3 <SEP> e2 <SEP> e1 <SEP> e0
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>
IC4 inverts the logic states of the outputs so that exactly one of the five outputs EO to E4 is logic "0", all others are "1".
The multiplexer ICs No. 6-10 connect the input Yn to Z (where n corresponds to the information at AO to A3) as long as there is a logic "0" at the enable input E. If "1" is at E, then all connections Y to Z are high-impedance regardless of the information at AO to A3. Thus in this circuit at most exactly one of 80 coils (Sp1, ... Sp80) is connected to "AC in": The information 0 at AO to A6 connects coil no. 1 (Sp1) to "AC in", the information 79 connects coil no. 80 (Sp80) with "AC in".
The integrator 31 and amplifier 32 is shown in FIG. 9. The signal coming from the multiplexer, at
EMI4.2
because it is taken up by coils. With a constant effective value of the flux density, the voltage is frequency proportional. This signal is first bandpass filtered (TP 1500; HP 8, 83 20%; TP 100) and then reaches the integrator 31, an art circuit around IC1, which has an integrating behavior in the range of the frequencies to be measured, but does not amplify the same variables. After this stage, the voltage is at a flux density of 100 u. T independent of frequency about 0.64 V.
The integrator is followed by OP2 to OP4, three identically constructed controllable amplifiers with an input bandpass, the amplification of which can be increased tenfold by means of the high level at the control input S1 to S3. The possible amplification factors are 1.10, 100 and 1000, which are related to the
EMI4.3
uT, 10 uT, 1 uT-5V- Av = 1, 255.
The overall characteristics of the bandpass filters are such that signals of the frequencies 16 2/3 Hz and 50 Hz are amplified to the same degree, whereas signals at 60 Hz are only 5/6 times higher. The following filter can thus be easily designed. This is a particularly advantageous feature of the device described.
The total gain can be set with the 500 Q-Trimmer 39, the agreement of the gain factors at 50 Hz and 16 2/3 Hz with the 2 kQ-Trimmer 40.
According to FIG. 10, the filter is a resettable, switchable 16 2/3 Hz / 50 Hz / 60 Hz LC filter with quality 15. The inductance, 30 or 90 H, is realized by the gyrator OP5 / OP6. The supply of OP5.6 is + 9 / -5V. The output voltage at 60 Hz is equal to the input voltage, at the other frequencies it is 5/6 of the input voltage.
Thus, in the interaction of the filter properties with the bandpass characteristic, a frequency-independent output voltage is again achieved. The filter quality is selected so that with a permissible measurement frequency deviation of +/- 1%, the output voltage does not decrease by more than 5%. The oscillating filter can be reset within a short time via the computer-controlled input FR 41 and a new measurement can be started.
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Up to the filter, the signal path with a flux density that corresponds to the full scale value is only controlled to 20%, so that the flux density of interference frequencies that cannot be measured can be 500% of the full scale value without significantly disturbing the measurement. After the filter, when only more signals of the measuring frequency are available, the level is raised to approx. 5.3 Vpp with OP7 at full modulation.
The resonance frequency 16 2/3 Hz is set with the 100 kQ trimmer 42, the resonance frequency 50 Hz with the 10 kO trimmer 42. By using two selected capacitors, the frequency 60 Hz is set correctly at the same time.
50 Hz signals are attenuated to 2.5% by the 16 2/3 Hz filter and vice versa.
The following circuit combination is new and particularly advantageous: With two operational amplifiers OP5 and OP6 as well as only three analog switches LSB, LSB and MSB (see Fig. 10) and a few passive components, an LC filter is simulated which, with constant quality, reduces the analogue holder to three different resonance frequencies can be set. It applies
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In this circuit, signals with a frequency of 60 Hz are amplified by a factor of 5/6 compared to 16 2/3 Hz and 50 Hz.
Since the bandpass in front of the filter, which is required anyway, is dimensioned in such a way that signals with a frequency of 60 Hz are attenuated by a factor of 5/6 compared to 16 2/3 Hz and 50 Hz, you can achieve the least amount of active elements (important for battery-operated devices) ) same filter properties at all three resonance frequencies.
EMI5.2
however, increased by a factor of 1.5 to 4 Vs at full modulation.
The subsequent peak value detector OP10 / OP11 stores the peak value of the voltage at the input and passes it on to the output with low resistance. The voltage can be reset to 0 V via the reset input.
The control of the filter and amplifier is shown in FIG. The filter frequencies are decoded by setting the three measurement frequencies with PB3 and PB4 and resetting the filter asynchronously:
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<tb>
<tb> PB4 <SEP> PB3 <SEP> frequency / function
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 16 <SEP> 2/3 <SEP> Hz <SEP>
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 50 <SEP> Hz <SEP>
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 60 <SEP> Hz <SEP>
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> filter <SEP> reset <SEP>
<tb>
The 4 gains can be set with PB1 and PB2.
EMI5.4
<tb>
<tb> PB2 <SEP> PB1 <SEP> gain <SEP>
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 1
<tb> 0 <SEP> 1 <SEP> 10
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 100
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 1000
<tb>
Before the start of a measurement series, the electronics are switched on by the computer for a second and the filter and peak value detector are reset.
This is followed by at least 80 measurements, correspondingly more when the gain is switched, according to the timing shown in FIG. 13.
It results in the following process: (1) Address and control information is created, 1 ms waiting time
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(2) The reset input goes high, information is saved, 1 ms waiting time (3) filter and peak value detector are reset for 10 ms (4) the filter is released for the settling time (5) RESET goes low, waiting time one period the measuring frequency (6) the filter is reset, the peak voltage is stored (7) twice measuring the stored voltage (50 Hz hum suppression). The circuits described above operate in the same way on each of the boards 12. The signals obtained in this way are digitized, stored by the computer and further processed and z. B. output in a graphical representation.
14 and 15 show the result of an exemplary measurement of the field strength distribution over an area of approximately 1 m 2 which is spanned by the x-axis, the values for the field strength being plotted on the z-axis in microtesla (below) and vary between 131 nano Tesla and 816 nano Tesla.