DE1516296C - Magnetometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetometer mit einem Magnetkern, welcher eine sättigbare Primär- und Sekundärwicklung trägt.

Es sind bereits zahlreiche Ausführungen von mit zwei Kernen arbeitenden Magnetometern bekannt, die jedoch stets den Nachteil aufweisen, daß ein genauer Abgleich der Magnetkerne unbedingt erforderlich ist, weil andernfalls ein Fehler auftritt. Es ist aber bereits auch ein Magnetometer bekannt, welches nur einen einzigen Kern verwendet, wodurch das erwähnte Abgleichsproblem vermieden wird. Bei diesem' mit einem Kern arbeitenden Magnetometer wird jedoch eine harmonische Amplitude sowie ein gesonderter Oszillator verwendet, was zu einem beträchtlichen Schaltungsaufwand führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Magnetometer zu vermeiden und insbesondere ein Magnetometer derart auszubilden, daß bei geringem Schaltungsaufwand eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Magnetometer mit einem Magnetkern, welche eine sättigbare Primär- und Sekundärwicklung trägt, vorgesehen, daß beide Wicklungen mit einer einzigen selbst erregten Oszillatorschaltung verbunden sind, welche auf ein Signal von der Sekundärwicklung ansprechende Schaltmittel aufweist, die einSpannungs- oder Stromsignal von rechteckiger Wellenform an einen Integrator liefern, der seinerseits der Primärwicklung einen sägezahnförmigen Strom zuführt und daß Mittel zum Trennen der Gleichstromkomponente des Primärstroms vorgesehen sind, um so ein Maß für das äußere an den Kern angelegte Feld zu erzeugen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltmittel einen Multivibrator aufweisen, dessen Frequenz im freilaufenden Zustand niedriger ist als die normale Belriebsfrequenz des Magnetometers. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltung einen Rückkopplungsweg für das integrierte Signal aufweist, um den in seinem freilaufenden Zustand arbeitenden Multivibrator im Gleichgewicht zu halten. Ferner ist nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Magnetometerkern ein Toroid ist und eine zusätzliche Eingangswicklung trägt. Schließlich sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Frequenz des Multivibrators im freilaufenden Zustand annähernd halb so groß ist wie die Betriebsfrequenz des Magnetometers.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführiingsbeispieles der Erfindung an Hand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema einer Ausbildungsform eines einachsigen Magnetometers gemäß der CiTmdllll}!,

!•'ig. 2 Spannungs- und Stromwellcnfornien an verschiedenen Punkten des in Fig. 1 gezeigten Schallsclienias,

Ii)!. Ί c-ifi ausführlicheres, jedoch vereinfachtes Schaltbild eines einachsigen Magnetometers, wobei drei derartige Magnetometer mil ihren rechtwinklig zueinander angeordneten Magnetkernen kombiniert werden kümirii, um ein dreiachsiges Magnetometer /11 bilden.

Wie in !■ ifi. I gezeigt ist, bestellt das empfindliche. I.leinen! des Magnetometers aus einem dünnen, länglichen, eine Primärwicklung 2 und eine Sekundärwicklung 3 tragenden Kern 1. aus mu-Metall. Der Ausgang der Sekundärwicklung 3 ist an eine Differenzier- und Impulsverstärkungs-Schaltung 4 angelegt, welche Impulse mit wechselnder Polarität zur Umschaltung einer bistabilen Einrichtung 5 erzeugt.

Die Ausgangsspannung der bistabilen Einrichtung 5 wird an eine, den durch die Primärwicklung 2 des Magnetometers fließenden Strom steuernde Integrationsstufe 6 angelegt. Dieser Strom fließt über einen Auslese-Widerstand 7, dem ein Kondensator 8 parallel liegt, zur Erde zurück; der Widerstand bzw. die Kapazität dieser Bauelemente wird ausreichend groß gewählt, um sicherzustellen, daß die am Widerstand und folglich auch an der Ausgangsklemme 9 auftretende Spannung die stetige Gleichstromkomponente des Primärstroms darstellt. Diese Komponente ist ein Maß für das entlang des Kernes 1 des Magnetometers angelegte äußere Feld.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf F i g. 2 die Wirkungsweise des Magnetometers beschrieben.

Wird das erstemal an die Schaltung die Stromversorgung angeschlossen, so steigt der durch die Primärwicklung des Magnetometers fließende- Strom stetig mit einer durch die Integrationsstufe 6 bestimmten gleichmäßigen Rate an. Der Fluß im Kern 1 steigt proportional an, und dabei entsteht an der Sekundärwicklung 3 eine konstante Spannung 11 (Fig. 2a), welche an die Differenzier- und Impulsverstärkungs-Schaltung 4 angelegt wird. Sobald der Kern 1 seinen Sättigungszustand erreicht hat, fällt die Sekundärspannung schnell auf Null, vgl. 12 (in Fig. 2a), ab, und durch die Differenzier- und Verstärkungsschaltung 4 wird ein Impuls 13 (Fig. 2b) erzeugt, der die bistabile Stufe 5 in ihren anderen Zustand umschaltet. Die Ausgangsgröße dieser bistabilen Stufe ist in Fig. 2c gezeigt.

Dieser Vorgang kehrt die Polarität des an der Integrationsstufe angelegten Signals um und bewirkt, daß der durch die Primärwicklung 2 fließende Strom einsetzt, wobei er sich im umgekehrten Sinne ändert.

Der Primärstrom ändert sich weiterhin, bis der Kern Sättigung in seinem umgekehrten Magnetisierungssinn erreicht hat, woraufhin der Strom in der Sekundärwicklung wiederum plötzlich auf Null abfällt, und ein Impuls, dieses Mal mit entgegengesetzter Polarität, durch die Schaltung 4 erzeugt wird und die bistabile Stufe 5 wieder zurückschaltet.

Diese Aufeinanderfolge wird unbegrenzte Male mit einer Frequenz wiederholt, welche hauptsächlich von der Konstanten der Integrationsstufe 6 und den Eigenschaften des Kernes 1 sowie der Geometrie seiner Wicklungen 2 und 3 abhängt. Fig. 2a bis 2d zeigt die Spannungs-Wellenformen am Ausgang der Sekundärwicklung 3 bzw. der DiiTerenzier- und Impulsverstärkungsschaltung 4 bzw. der bistabilen Stufe 5 bzw. die Wellenform· des der Primärwicklung durch die Intcgrationsstufe 6 zugeführten Stromes. Insbesondere hat der in Fig. 2d gezeigte Strom in der Primärwicklung 2 eine Sägezahn-Wcllenform, dessen Amplitude gerade ausreicht, um den Kern in dem einen oder anderen Sinn zur Sättigung zu bringen. Wenn kein äußeres Feld vorhanden ist, dann si-itl die zur Sättigung jeweils im entgegengesetzten Sinn erforderlichen Ströme gleich und entgegengesetzt, und der Mittelwert dieses Stromes wird Null sein, so daß an der Klemme 9 in Fig. I eine NuII-spaniiung bezüglich der Erde auftreten wird.

Wenn der Kern 1 des Magnetometers einem äußeren Feld ausgesetzt ist, wird er in einem Sinn magnetisch polarisiert, und es wird sodann ein kleinerer Strom erforderlich sein, um ihn in diesem Sinne zu sättigen, und ein entsprechend größerer Strom wird erforderlich sein, um ihn im umgekehrten Sinne zu sättigen. Daher wird der Primärstrom sich so, wie es in Fig. 2e in übertriebener Form gezeigt ist, ergeben, wobei er eine Gleichstromkomponente besitzt, die ein Maß für das angelegte Feld ist. Daher erscheint am Widerstand 7 und Kondensator 8 eine dieser Gleichstromkomponente entsprechende Spannung, die an der Klemme 9 gemessen wird und ein Maß für das magnetische Feld, dem der Kern ausgesetzt ist, liefert.

Diese Anordnung enthält also keinen unabhängigen Oszillator, dessen Frequenz stabilisiert oder gesteuert werden muß, und ferner ist die Amplitude der Schwingung primär durch die magnetischen Eigenschaften des Kernes 1 bestimmt sowie verhältnismäßig unabhängig von der Versorgungsspannung, so daß eine nicht stabilisierte Speisebatterie verwendet werden kann.

In Fig. 3 ist eine vereinfachte Schaltung eines einachsigen Magnetometers gemäß der Erfindung gezeigt. Ein vollständiges dreiachsiges Magnetometer weist drei Schaltungen, deren jede gleich der in F i g. 3 gezeigten Schaltung ist, auf, wobei die magnetischen Kerne rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung ist durch das Weglassen einiger Dioden vereinfacht, welche in der Praxis zum Schutz der Transistoren eingesetzt wurden.

Der Magnetometerkern 15 weist einen einzelnen mu-Metall-Draht auf, der eine primäre Magnetisierungswicklung 16 und eine sekundäre Abgriffwicklung 17 aufweist. Das von der Abgriffwicklung 17 kommende Signal wird über einen Koppel- bzw. Sperrkondensator 18 an eine erste Verstärkungsstufe 19 angelegt, dessen Ausgangsgröße durch eine zweite Transistorstufe 20, deren Spannungsverstärkungsfaktor 1 ist, umgekehrt wird.

Doppelausgänge der Stufen 19 und 20 sind mit einem Paar von Transistoren 21, 22 verbunden, die durch Kondensatoren und Widerstände kreuzgekoppelt sind, um eine Multivibratorschaltung üblicher Art zu bilden, welche derart ausgebildet ist, daß sie eine natürliche freilaufende Schwingungsart bei einer Frequenz aufweist, die ungefähr halb so groß ist wie die Frequenz, bei der sie arbeitet, wenn sie durch die Magnetisierung des Kernes 15 angesteuert wird. Der Ausgang des Multivibrators ist mit zwei Integrierschaltimgcn verbunden, die den Widerstand 23 in Serie mit dem Kondensator 24 und den Widerstand 25 mit dem Kondensator 26 aufweisen.

Die an den Verbindungspunkten der Widerstände und Kondensatoren auftretenden Spannungen werden durch einen abgeglichenen Transistorverstärker verstärkt, welcher zwei Transistorstufen 27, 28 aufweist, denen wiederum zwei Stufen 29, 30 und eine Ausgangsstufe 31, 32 nachgeschaltet sind; die Ausgangsstufe 31, 32 weist ein komplementäres Paar von Transistoren auf, die als Stufen mit festgelegtem Kollektor geschaltet sind.

Vom Ausgang der Stufen 31, 32 ist ein RückkoppluiiLjsweg vorgesehen; die Wcchselstromkomponente liiiift über den Konpelkonrl^nsator 33 i"ul über die Kapazität 26 zurück zum Eingang; die Gleichstromkomponente gelangt über einen Auslese-(»read out«-) Widerstand 34 und die Primärspule 16 zur Erde. Zur Verminderung der an der Ausgangsklemme 37 auftretenden Brumm-Komponente ist ein Serienwiderstand und ein Parallelkondensator derart vorgesehen, daß die an dieser Klemme auftretende Spannung im wesentlichen die Gleichspannung am Auslese-Widerstand 34 und dem in Serie dazu liegenden Widerstand der Primärwicklung 16 darstellt und daher ein Maß für die Gleichstromkomponente des Primärstromes ist.

Ein Rückkopplungsweg ist durch die Verbindung des Ausgangs der Stufen 31, 32 über einen zu einer Seite des Multivibrators 21 führenden Widerstand 38 vorgesehen.

Im normalen Betrieb schaltet der Multivibrator kurz nach dem Einschalten um, und die erzeugten Ausgangsspannungen werden integriert, was einen stetig ansteigenden, durch die Primärspule 16 fließenden Strom zur Folge hat, bis der Kern 15 gesättigt ist. Wenn dies eintritt, ändert sich die Spannung der Abgriffspule 17, und sie wird durch die Stufen 19 und 20 verstärkt und schaltet den Multivibratoi in seinen anderen Zustand. Jetzt erfolgt die Integration der Ausgangsspannung vom Multivibrator in entgegengesetztem Sinn, bis der Kern 15 wiederum gesättigt ist und der Multivibrator zurückgeschaltet wird.

Wenn aus irgendeinem Grunde die Spannungsänderung in der Abgriffspule 17 keine Umschaltung bewirken sollte, so schaltet der Multivibrator nach einiger Zeit von selbst um und bringt die Schaltung wieder in Betriebszustand. Wenn mehrere Perioden auftreten sollten, in denen der Multivibrator in seinem freilaufenden Zustand arbeitet, dann verhindert der Rückkopplungsweg über den Widerstand 38, daß der Integrator oder der Kern gesättigt und in einem extremen Zustand blockiert wird, da dieser Rückkopplungsweg das Impulstastverhältnis des Multivibrators in seinem freilaufenden Zustand derart beeinflußt, daß die beiden Halbperioden gleich werden. Wenn der Multivibrator in seinem durch die Magnetisierung des Kerns 15 bestimmten aufgezwungenen Zustand arbeitet, hat die Rückkopplung vom Widerstand 38 eine vernachlässigbare Wirkung.

Wenn das Magnetometer in Betriebszustand ist, erzeugt jedes längsgerichtete Feld am Kern 15 eine Asymmetrie in den zwei Halbperioden der durch die Rückkopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen 16 und 17 erzeugten Schwingung, was eine Gleichstromkomponente in dem durch die Primärspule 16 fließenden Strom zur Folge hat.

Die infolge dieser Komponente am Auslese-Widerstand 34 und am dazu in Serie liegenden Widerstand der Spule 16 abfallende Spannung erscheint an der Ausgangsklemme 37, wo sie ein Maß für die Komponente des magnetischen Feldes längs der Achse des Kernes bildet.

Ein Magnetometer der beschriebenen Art kann auch als ein Gleichstrommeßinstrument verwendet werden, indem man den Kern 15 in der Form eines geschlitzten Ringes ausbildet, der bei seiner Verwendung so angeordnet wird, daß er einen den Gleichstrom führenden Draht umschließt. Die Magnetometerablesung bildet dann ein Maß für den durch den Draht fließenden Strom. Alternativ kann der Kern die Form eines Torroids haben, welches mit einer getrennten Eingangswicklung für den Gleich-

strom bewickelt ist, so daß er als Gleichstromisolator wirkt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Magnetometer mit einem Magnetkern, welcher eine sättigbarc Primär- und Sekundärwicklung trägt, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wicklungen (2, 3; 16, 17) mit einer einzigen selbsterrcgtcn Oszillatorschaltung (5; 21, 22) verbunden sind, welche auf ein Signal von der Sekundärwicklung (3; 17) ansprechende Schaltmittcl aufweist, die ein Spannungs- oder Stromsignal von rechteckiger Wellenform an einen Integrator (6; 23, 25) liefern, der seinerseits der Primärwicklung einen sägczahnförmigen Strom zuführt, und daß Mittel zum Trennen der Gleichstromkomponente des Primärstromes vorgesehen sind, um so ein Maß für das äußere an den Kern angelegte Feld zu erzeugen.

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Multivibrator aufweisen, dessen Frequenz im freilaufenden Zustand niedriger ist als die normale Bctriebsfrequenz des Magnetometers.

3. Magnetometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Rückkopplungsweg für das integrierte Signal aufweist, um den in seinem freilaufenden Zustand

ίο arbeitenden Multivibrator im Gleichgewicht zu halten.

4. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein Torroid ist und eine zusätzliche Eingangswicklung trägt.

5. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Multivibrators im freilaufenden Zustand annähernd halb so groß ist wie die Betriebsfrequenz des Magnetometers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen