DE3134811C1 - Arrangement for determining the spatial variation of magnetic field gradients - Google Patents

Arrangement for determining the spatial variation of magnetic field gradients

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Abstract

the arrangement simultaneously determines the strength and gradients of magnetic fields originated by a magnetisable and/or conductive object in the earth's magnetic field using sensors (5a,5b) in a common probe body (3) which generate an output signal proportional to the magnetic field and are placed at positions in the surroundings of the object. Each two sensors (5a,5b) are arranged as a pair in parallel at a defined distance in the sensing direction and are electrically connected to form the difference of the field strengths detected by the sensors, which is a measure of the field gradient, and the sum

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach den Merkmalen des Ober­ begriffs des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement according to the features of the waiter concept of claim 1.

So ist beispielsweise aus der DE-OS 30 42 861 eine magnetische Vermessungsanlage bekannt, die ein annäherndes Bild des Verlaufs des magnetischen Feldes von magnetisierbaren Objekten mit Sonden liefert, die in einer Ebene parallel zur Erdoberfläche liegen und deren empfindliche Achsen in Richtung der Normalen zur Erdober­ fläche zeigen. Um Fehlmessungen zu vermeiden, ist es unerlässlich, die Sonden absolut senkrecht anzuordnen. Die mit den Vermessungs­ anlagen gewonnenen annähernden Bilder des magnetischen Verlaufs werden z. B. bei der deutschen Bundesmarine und bei den Marinen anderer Staaten einerseits benutzt, um sicherzustellen, daß die Magnetfelder von Schiffen einen bestimmten Wert nicht überschrei­ ten, um so die Gefährdung vor Magnetminen zu reduzieren, und an­ dererseits, um in Modellsimulationen, bei denen z. B. Ellipsoid­ modelle des Schiffmagnetfeldes verwendet werden, die Waffenwirk­ samkeit von Minen gegenüber Schiffen zu bestimmen. Mit diesen Anlagen wird nur der Feldwert in einer Ebene unterhalb des Schif­ fes bestimmt. Eine Differenzmessung war nicht geläufig, weil aus der Differenz selbst nicht auf die Amplitude geschlossen werden konnte.For example, from DE-OS 30 42 861 is a magnetic Measuring system known that gives an approximate picture of the course the magnetic field of magnetizable objects with probes supplies that lie in a plane parallel to the surface of the earth and their sensitive axes in the direction of the normal to the ground show area. To avoid incorrect measurements, it is essential arrange the probes absolutely vertically. The one with the surveying approximate images of the magnetic course z. B. in the German Federal Navy and the Navy other states used on the one hand to ensure that the Magnetic fields from ships do not exceed a certain value to reduce the risk of magnetic mines, and on on the other hand, in model simulations in which e.g. B. Ellipsoid Models of the ship's magnetic field are used to make weapons of mines compared to ships. With these Only the field value is attached to a level below the ship fes determined. A difference measurement was not common because of the difference itself cannot be deduced from the amplitude could.

Aus der DE-OS 29 42 847 ist schon eine Magnetfelddifferenzsonde bekannt, die im Basisabstand zwei Sensoren aufweist, mit denen die Differenz der Magnetfelder an den Orten der beiden Sensoren ermittelt werden kann. Das Ausgangssignal der Sonde entspricht somit der Differenz der Magnetfelder. Die absoluten Werte der Magnetfelder der einzelnen Sensoren können hiermit nicht gewon­ nen werden.DE-OS 29 42 847 is already a magnetic field difference probe known that has two sensors in the base distance with which the difference of the magnetic fields at the locations of the two sensors  can be determined. The output signal of the probe corresponds hence the difference in magnetic fields. The absolute values of the Magnetic fields of the individual sensors cannot be won with this be.

Die bei solchen Messungen sich ergebenden Abweichungen zum tat­ sächlichen Feldbild sind so groß, daß in neueren Anlagen mit Tripelsonden das Feld in drei räumlichen Richtungen erfaßt wird. Bei Objekten mit magnetischem Eigenschutz ist jedoch der Feldverlauf, insbesondere im Nahbereich des Objektes, dadurch immer noch unzureichend erfaßt, da so über die abstandsabhängige Intensitätsverminderung keine Information erhalten wird. Dieses zeigt sich z. B. bei den Modellsimulationen der Marine zur Bestimmung der Waffenwirksamkeit von Minen, bei denen aus Ellip­ soidmodellen des Schiffsmagnetfeldes die Eingabeparameter für die simulierten Minen gewonnen werden. Diese Modelle sind zwar in der Lage, das Magnetfeld in größeren Abständen als den Meßabständen mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen; wird jedoch das Magnetfeld in einem geringeren Abstand als dem Meßabstand berechnet, so sind die auftretenden Fehler in der Größenordnung des realen Magnetfeldes an diesem Ort.The deviations resulting from such measurements did neuter field image are so large that in newer plants with Triple probes in the field  three spatial directions is detected. For objects with magnetic However, the course of the field is self-protection, especially in the vicinity of the object, thereby still insufficiently recorded, since so about the distance-dependent intensity reduction received no information becomes. This shows z. B. in the model simulations of the Navy to determine the weapon effectiveness of mines where Ellip Soidmodellen of the ship magnetic field the input parameters for the simulated mines. These models are in the Able to use the magnetic field at greater distances than the measuring distances determine sufficient accuracy; however, the magnetic field are calculated at a shorter distance than the measuring distance the errors occurring in the order of magnitude of the real magnetic field At this place.

Damit versagt diese Art von Modellen, um einerseits die Waffenwirk­ samkeit von modernen Flachwasserminen mit Gradientenzündsystem zu berechnen und um andererseits Maßnahmen zum Schutz von Objekten vor derartigen Minen zu treffen.This fails this type of models, on the one hand, the weapon effect of modern flat water mines with gradient ignition system calculate and on the other hand measures to protect objects from to hit such mines.

Eine Verbesserung der Simulation von magnetischen Feldern kann er­ zielt werden, wenn man von einem Ansatz aus der Potentialtheorie aus­ geht.He can improve the simulation of magnetic fields be aimed if you take an approach from potential theory goes.

Das Magnetfeld eines magnetisierbaren Objektes läßt sich außerhalb des Objektes in einem Bereich, der keine magnetischen Quellen ent­ hält, durch das skalare Potential Ø darstellen
The magnetic field of a magnetizable object can be represented outside the object in an area that contains no magnetic sources by the scalar potential Ø

B = -grad ØB = degree Ø

Es gilt die Maxwell-Gleichung
The Maxwell equation applies

div = 0
div = 0

und die Laplace-Gleichung
and the Laplace equation

Mit dem Lösungssatz
With the solution set

Ø (x, y, z) = (A1eαx + A2e-αx) (B1eβY + B2e-βy) (C1eγz + C2e-γz) = A . B . C
Ø (x, y, z) = (A 1 e αx + A 2 e -αx ) (B 1 e βY + B 2 e -βy ) (C 1 e γz + C 2 e -γz ) = A. B. C.

und der Nebenbedingung
and the constraint

α2 + β2 + γ2 = 0
α 2 + β 2 + γ 2 = 0

ergibt sich z. B. die z-Komponente des Magnetfeldes zu
z. B. the z component of the magnetic field

Unter der Bedingung, daß die z-Komponente des Magnetfeldes für sehr große Entfernungen sehr klein wird, gilt
Under the condition that the z-component of the magnetic field becomes very small for very long distances

so daß die Konstante C2 Null wird.so that the constant C 2 becomes zero.

Damit ergibt sich die z-Komponente des Magnetfeldes zu
This results in the z component of the magnetic field

Bz = -A . B . γ C1eγz
B z = -A. B. γ C 1 e γz

wobei γ der Gradient des Magnetfeldes in z-Richtung ist und durch
where γ is the gradient of the magnetic field in the z direction and by

am Meßort angenähert werden kann.at the measuring location can be approximated.

Die beiden Klammern A und B lassen sich in diesem Fall unter der Be­ rücksichtigung, daß sie nur für eine begrenzte Ebene berechnet werden müssen, durch Fourierreihen darstellen, die die Konstante C1 als multi­ plikativen Faktor enthalten.In this case, the two brackets A and B can be represented by Fourier series, which contain the constant C 1 as a multiplicative factor, taking into account the fact that they only have to be calculated for a limited level.

Somit gilt für die z-Komponente des Magnetfeldes
Thus, the z component of the magnetic field applies

Bz = A* . B* . γ . eγz B z = A * . B * . γ. e γz

Die einzelnen Koeffizienten der Fourierreihen A*, B* lassen sich be­ stimmen, wenn der Parameter z bezogen auf die Vermessungstiefe Null gesetzt wird
The individual coefficients of the Fourier series A *, B * can be determined if the parameter z is set to zero in relation to the measurement depth

Bz (z = 0) = A* . B* . γB z (z = 0) = A * . B * . γ

Hierbei lassen sich die Parameter der Fourierreihen A* und B* alleine aus dem in einer Ebene gemessenen Magnetfeld bestimmen, wie es mit bereits vorhandenen Vermessungsanlagen möglich ist.The parameters of the Fourier series A * and B * can be used alone from the magnetic field measured in one plane determine how it works with existing measuring systems is possible.

Der Gradient γ des Magnetfeldes läßt sich hiermit jedoch nicht be­ stimmen.However, the gradient γ of the magnetic field cannot be used with this voices.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, mit der diese Nachteile bei der Vermessung von magnetisierbaren Objekten vermieden und der Verlauf der magnetischen Felder genauer bestimmt werden können. The object of the invention is to provide an arrangement with which these disadvantages when measuring magnetizable objects avoided and the course of the magnetic fields determined more precisely can be.  

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Haupt­ anspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausbildungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.According to the invention, the object is achieved by the main features demanding specified features solved. Further training of the Er invention are characterized in the subclaims.

Der wesentliche Vorteil der Anordnung nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß zur genaueren Beschreibung des Feldverlaufs auch der Gra­ dient des Feldverlaufs des Magnetfeldes erforderlich ist, der hiermit ermittelt werden kann. Diese Kenntnis ist für die modernen Gradienten­ minen von besonderer Bedeutung.The main advantage of the arrangement according to the invention is therein see that the Gra serves the field course of the magnetic field is required, which hereby can be determined. This knowledge is for the modern gradients mines of particular importance.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.Based on an embodiment shown in the drawing the invention is explained in more detail.

Es zeigen Fig. 1 eine Anordnung zur Bestimmung des räumlichen Ver­ laufs des Gradienten von magnetischen Feldern undIn the drawings Fig. 1 shows an arrangement for determining the spatial Ver running of the gradient magnetic fields and

Fig. 2 den prinzipiellen Sondenaufbau und ein Blockschalt­ bild eines Teils der Meßanordnung. Fig. 2 shows the basic probe structure and a block diagram of part of the measuring arrangement.

Nach Fig. 1 besteht die Anordnung aus einem Sondenfeld 2 mit seinen einzelnen Sonden 3, die sich auf einen gemeinsamen Sondenträger 1 befinden.According to Fig. 1, the assembly consists of a field probe 2 with its individual probes 3, which are located on a common probe carrier 1.

Diese Meßanordnung kann sich, wie gezeigt, auf dem Boden eines Ge­ wässers, Sees, Flusses u. ä. befinden oder in einer bestimmten Tiefe im Wasser angeordnet sein. Über der Meßanordnung befindet sich das zu vermessende Objekt 4, in diesem Fall ein Schiff.This measurement arrangement can, as shown, on the bottom of a Ge water, lake, river and. Ä. Are or be arranged at a certain depth in the water. The object 4 to be measured, in this case a ship, is located above the measuring arrangement.

Die in Fig. 1 gezeigte räumliche Beziehung zwischen Meßobjekt 4 und Sondenfeld 2 muß nicht notwendigerweise so aussehen, das Sondenfeld kann sich auch über, neben, vor oder hinter dem zu vermessenden Ob­ jekt befinden. Auch ist es möglich, daß das Sondenfeld nur aus einer einzigen Sondenzeile besteht. The spatial relationship shown in Fig. 1 between the test object 4 and the probe field 2 does not necessarily have to look like this, the probe field can also be located above, next to, in front of or behind the object to be measured. It is also possible that the probe field consists of only a single row of probes.

Gleichartige Anordnungen können sich auch an Land, zur Vermessung ferromagnetischer Objekte wie z. B. Anlagen, Komponenten von Anlagen, Fahrzeugen oder auch Panzern, befinden.Similar arrangements can also be made on land for surveying ferromagnetic objects such as B. plants, components of plants, Vehicles or tanks.

Nach Fig. 2 enthält die Sonde 3 zwei Sensoren 5a und 5b, die z. B. nach dem Verfahren mit direkter Zeitverschlüsselung arbeiten. Die empfindlichen Achsen beider Sensoren 5a, 5b sind die Sondenlängsrichtungen. Diese Sonden 3 können bezogen auf ihre empfindlichen Achsen entweder nebeneinander oder übereinander angeordnet werden. Bei vertikaler An­ ordnung der Sonden 3 wird die Vertikalkomponente des Magnetfeldes des zu vermessenden Objektes gemessen. Eine andere Anordnung ist eine horizontale Ausrichtung der Sensoren 5, die entweder übereinander oder auch nebeneinander parallel ausgeführt werden kann.According to FIG. 2, the probe comprises two sensors 3 5 a and 5 b, the z. B. work according to the procedure with direct time encryption. The sensitive axes of both sensors 5 a, 5 b are the longitudinal directions of the probe. These probes 3 can be arranged either next to one another or one above the other in relation to their sensitive axes. With vertical arrangement of the probes 3 , the vertical component of the magnetic field of the object to be measured is measured. Another arrangement is a horizontal alignment of the sensors 5 , which can either be carried out in parallel one above the other or next to one another.

Die Anordnung kann, bezogen auf das zu vermessende Objekt, sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung ausgeführt werden. Mit Hilfe von Längssonden, Quersonden und einer Vertikalsonde lassen sich Son­ dentripel aufbauen, die an einem Ort die drei Komponenten des Magnet­ feldes sowie den räumlichen Gradienten in einer Feldrichtung erfassen.The arrangement can, based on the object to be measured, both in Longitudinal direction as well as in the transverse direction. With help of longitudinal probes, transverse probes and a vertical probe, Son dentripel build up the three components of the magnet in one place field and the spatial gradient in a field direction.

Bei einer anderen Ausbildung der Sonde können in der Sonde am Ort der Sensoren 5a, 5b jeweils zwei bzw. drei Sensoren angeordnet sein, um das Magnetfeld und den räumlichen Gradienten des Magnetfeldes in zwei bzw. drei Komponenten zu erfassen.In another design of the probe, two or three sensors can be arranged in the probe at the location of the sensors 5 a, 5 b in order to detect the magnetic field and the spatial gradient of the magnetic field in two or three components.

Beide Sensoren 5a und 5b der Sonde 3 werden von einem Vormagneti­ sierungsgenerator 6 angesteuert, ihre Ausgangsspannung wird mit Hilfe eines Vergleichers 7 in ein pulslängenmoduliertes Digitalsignal über­ führt, das in nachgeschalteten Kodewandlungseinheiten 8 in je eine Binärzahl umgewandelt wird. Both sensors 5 a and 5 b of the probe 3 are controlled by a bias magnetization generator 6 , their output voltage is carried out with the aid of a comparator 7 into a pulse-length-modulated digital signal, which is converted into a binary number in downstream code conversion units 8 .

Aus beiden Ausgangssignalen der Kodewandler 8 wird in einer Diffe­ renzbildungsstufe 9 die Differenz Δ der Magnetfeldwerte am Ort von Sensor 5a und Sensor 5b entsprechend dem Gradienten zwischen beiden Sensoren 5 bestimmt.From the two output signals of the code converter 8 , the difference Δ of the magnetic field values at the location of sensor 5 a and sensor 5 b is determined in accordance with the gradient between the two sensors 5 in a difference formation stage 9 .

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird aus den beiden Aus­ gangssignalen der Kodewandler 8 in einer weiteren Stufe 10 die Summe Σ der Magnetfeldwerte am Ort von Sensor 5a und Sensor 5b gebildet.In a further embodiment of the invention, the sum Σ of the magnetic field values at the location of sensor 5 a and sensor 5 b is formed from the two output signals of the code converter 8 in a further stage 10 .

Claims (7)

1. Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung des räumlichen Verlaufs der Stärke und der Gradienten von magnetischen Feldern, welche durch ein magnetisierbares und/oder leitfähiges, im Erdmagnet­ feld befindliches Objekt verursacht werden mittels Sensoren, die in einem gemeinsamen Sondenkörper untergebracht sind, welche ein dem magnetischen Feld proportionales elektrisches Ausgangs­ signal liefern und in Raumpunkten in der Umgebung des Objektes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei dieser Sen­ soren (5) als Sensorpaar in einem bestimmten Abstand in ihren empfindlichen Richtungen parallel angeordnet sind und so elek­ trisch geschaltet sind, daß sowohl die Differenz, welche ein Maß für den Gradienten des Feldes ist, als auch die Summe der von den einzelnen Sensoren (5) erfassten magnetischen Feldstärke gebildet wird.1. Arrangement for the simultaneous determination of the spatial profile of the strength and the gradients of magnetic fields, which are caused by a magnetizable and / or conductive object located in the earth's magnetic field by means of sensors, which are housed in a common probe body, which is a magnetic field Provide proportional electrical output signal and are arranged in spatial points in the vicinity of the object, characterized in that two of these sensors ( 5 ) are arranged in parallel as a pair of sensors at a certain distance in their sensitive directions and are so electrically connected that both the difference, which is a measure of the gradient of the field, and the sum of the magnetic field strength detected by the individual sensors ( 5 ) is formed. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sen­ soren mit magnetisierbarem Kernmaterial Verwendung finden.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that Sen sensors with magnetizable core material are used. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sen­ soren aus halbleitendem Material Verwendung finden.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that Sen sensors made of semiconducting material. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Sensorpaare in jedem Raumpunkt zu einem orthogonalen Tripel zusammengeschaltet sind.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that three Sensor pairs in each spatial point to form an orthogonal triple are interconnected. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tripel aus Sensorpaaren in einer Ebene unterhalb des Objektes angeordnet sind. 5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the Triple from sensor pairs on one level below the object are arranged.   6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorpaare in ihren empfindlichen Achsen parallel zur Normalen zur Erdoberfläche ausgerichtet sind und sich in einer zur Erdoberfläche parallelen Ebene befinden.6. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the sensor pairs in their sensitive axes parallel to Normal are aligned with the surface of the earth and are in one plane parallel to the earth's surface. 7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorpaare parallel zur Erdoberfläche ausgerichtet sind und daß ihre empfindlichen Achsen auf einer Geraden liegen.7. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the sensor pairs are aligned parallel to the earth's surface and that their sensitive axes lie on a straight line.
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