DD149966A1

DD149966A1 - SELF-INDUCTION-FREE MODIFIED FOERSTER MAGNETOMETER

Info

Publication number: DD149966A1
Application number: DD21839280A
Authority: DD
Inventors: Winfried Schimmelpfennig
Original assignee: Winfried Schimmelpfennig
Priority date: 1980-01-10
Filing date: 1980-01-10
Publication date: 1981-08-05

Abstract

Das selbstinduktionsfreie modifizierte Foerster-Magnetometer bezieht sich auf das Gebiet der Gleichmagnetfeldmessung mittels Saturationskernsonden, vorrangig Doppelkern- und Ringkernsonden im Kompensationsprinzip. Ziele der Erfindung sind Beseitigung aller Induktivitaeten in der Schaltung, Steigerung der Empfindlichkeit durch Aenderung der Erregungsimpulsform, Vereinfachung der Schaltung durch Operationsverstaerkereinsatz und Erhoehung der Genauigkeit durch integrierende Regelstrecke. Die Aufgabe wurde dadurch geloest, dasz symmetrische Dreiecksimpulse zur Erregung benutzt werden, die sich stabil und einfach durch Integrierer und Komparator erzeugen lassen. Die noetige Frequenzverdopplung wurde mit einer speziellen Schaltung erreicht, d. Kompensationskreis arbeitet mit einem phasenempfindlichen Integrierer. Die Sekundaerwicklung der Sonde wurde gleichzeitig zur Kompensation genutzt.The self-induction-free modified Foerster magnetometer relates to the field of direct magnetic field measurement by means of saturation core probes, primarily double-core and ring-core probes in the compensation principle. Objects of the invention are elimination of all inductances in the circuit, increase of the sensitivity by changing the excitation pulse shape, simplification of the circuit by operation amplifier use and increase of the accuracy by integrating controlled system. The problem has been solved by using symmetric triangular pulses for excitation, which can be generated stably and easily by integrator and comparator. The necessary frequency doubling was achieved with a special circuit, i. Compensation circuit works with a phase sensitive integrator. The secondary winding of the probe was simultaneously used for compensation.

Description

-ι- 218392 -I- 218392

Selbstinduktionsfreies modifiziertes Foerster-i.iagnetoiueterSelf-induction-free modified Foerster-i.iagnetoiueter

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gleichmagnetfeldmessung mittels Saturations-Doppelkern-Sonden oder Hingkernsonden, z.B. zur Erdiaagnetfeldmessung als Zweikomponenten-Magne^ometer oder als Orientierungssystem in mobilen Meßsystemen.The invention relates to the field of direct magnetic field measurement by means of saturation double-core probes or ginger probes, e.g. for earth magnetic field measurement as a two-component magnetometer or as an orientation system in mobile measuring systems.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Cha ra kteristik the known technical solutions

Bekannte Foerster-Magnetometer arbeiten mit sinusförmiger Sondenerregung. Die Sonden werden in der Sättigung betrieben und der Sekundärstrom weist in den geradzahligen Harmonischen eine Abhängigkeit von einem von außen einwirkenden Gleichmagnetfeld auf. Es besteht zwischen den Amplituden der geradzahligen Harmonischen und der einwirkenden Gleichfeldstärke bei nur sehr kleinen Feldstärken angenäherte Proportionalität, v/ob ei in der zweiten Harmonischen die stärkste Abhängigkeit auftritt. Um den Meßfehler weitgehend zu beseitigen wird allgemein das Xonpensationsprinzip angewandt, Hierzu wird die zweite Harmonische über einen phasenempfindlichen Gleichrichter ausgesiebt und über einen hochverstärkenden Verstärker auf eine Wicklung der Sonde geleitet. Diese baut ihrerseits ein .Magnetfeld auf, das dem zu messenden Gleichfeld in der Sonde entgegenwirkt und so das Erdfeld kompensiert« Die Regelabweichung dieser Regelstrecke ist abhängig vom Verstärkungsfaktor des Verstärkers. Die Kompensationsstromstärke ist ein LIaß für das ein-Known Foerster magnetometers work with sinusoidal probe excitation. The probes are operated in saturation and the secondary current has a dependence on an externally applied direct magnetic field in the even harmonics. There is an approximate proportionality between the amplitudes of the even-numbered harmonics and the acting constant field strength with only very small field strengths, and that the greatest dependence occurs in the second harmonic. In order to largely eliminate the measurement error, the Xonpensationsprinzip is generally used, For this purpose, the second harmonic is filtered out via a phase-sensitive rectifier and passed through a high-gain amplifier on a winding of the probe. This in turn builds up a .Magnetic field, which counteracts the DC field to be measured in the probe and thus compensates the earth field «The control deviation of this controlled system is dependent on the amplification factor of the amplifier. The compensation current is a measure for the

ti ι , ' · ( ·'"» f :' ti ι, '· ( ·'"» f: '

wirkende Gleichfeld und weicht nur durch die liichtlinearität der Regelabweichung von der Proportionalität ab. Als phasenempfindlicher Gleichrichter wird gewöhnlich ein Ringmodulator und als Verstärker ein Operationsverstärker verwendet. Die Sinuserregung und Frequenzverdopplung zur Ansteuerung des Ringmodulators wird gewöhnlich über Sinusgeneratoren und abgestimmte Schwingkreise erreicht ("Magnetische Verstärker"; M. Gabler, VEB Verlag Technik, Berlin 1960).acting DC field and deviates only by the li-linearity of the deviation from the proportionality. As a phase-sensitive rectifier usually a ring modulator and an amplifier is used as an operational amplifier. The sinusoidal excitation and frequency doubling to drive the ring modulator is usually achieved via sine-wave generators and tuned resonant circuits ("magnetic amplifiers", M. Gabler, VEB Verlag Technik, Berlin 1960).

Die hierzu benötigten Induktivitäten sind technologisch schwer herstellbar und beeinflussen durch ihre Störmagnetfelder und schon durch ihre Materialbestandteile die in der Nähe befindliche Meßsonde und verfälschen so das Meßergebnis.The inductances required for this purpose are technologically difficult to produce and influence by their interference magnetic fields and even by their material components located in the vicinity of the probe and distort the measurement result.

Aim of the invention;

Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Impulserregung der Sonde den Schaltungsaufbau zu vereinfachen, die Induktivitäten zu beseitigen und durch integrierende Regelstrecke die Genauigkeit zu erhöhen.The object of the invention is to simplify the circuit structure by pulse excitation of the probe, to eliminate the inductances and to increase the accuracy by integrating the controlled system.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch optimale Impulserregung der Sonde die Abhängigkeit des Sekundärstromes vom einwirkenden Gleichfeld zu erhöhen, und durch einfache Impulsformen den Schaltungsaufwand zu verringern. Bei Anwendung der harmonischen Fourieranalyse für den Sekundärstrom gilt allgemein:The invention has for its object to increase by optimal pulse excitation of the probe, the dependence of the secondary current from the applied DC field, and to reduce the circuit complexity by simple pulse shapes. When applying the harmonic Fourier analysis for the secondary current, the general rule is:

(1) Λϊς,/t -k(b^cosa>t + o₂cos2coi + ... ♦ b_t fincjt+bisinbjt + -· - J (1) Λϊς, / t -k (b ^ cosa> t + o ₂ cos2coi + ... B _t fincjt + bisinbjt + - · - J

Erfindungsgemäß werden symmetrische Dreieckimpulse zur Erregung benutzt. Bei symmetrischen Dreiecksimpulsen als Sondenerregung gilt für den Sekundär strom ohne einwirkendes Gleich feld (Fig. 1)According to the invention symmetrical triangular pulses are used for excitation. For symmetrical triangular pulses as probe excitation applies to the secondary current without acting DC field (Fig. 1)

(2 ) Z₅^ = h(sinb sin cot * 3> sin3b s/n 3cot + J* sin5b s/nScj t *...(2) Z ₅ ^ = h (sinb sin cot * 3> sin 3b s / n 3cot + J * sin5b s / nScj t * ...

218392218392

2 T Hierbei ist к eine gerätetechnische Konstante, со = ~^- · Es sind also ohne einwirkendes Gleichfeld keine geradzahligen Harmonischen enthalten. Das ist besonders bei Doppelkern- und Ringkern-Sonden günstig, da bei beiden durch konstruktive Maßnahmen die ungeradzahligen Harmonischen eliminiert sind. So ist also der Sekundärstrom.ohne einwirkendes <Leichfeld exakt NuIl. Die Amplitude und Phase der zweiten Harmonischen wird durch a₂ und b₂ in Gleichung (1) bestimmt. Durch harmonische Fourieranalyse des Sekundärstromes bei einwirkendem Gleichfeld H ergibt sich für die zweite Harmonische2 T Here, к is a device- specific constant, со = ~ ^ - · So there are no even-numbered harmonics without a dc field. This is particularly favorable for double-core and toroidal probes, since in both constructive measures the odd-numbered harmonics are eliminated. Thus, the secondary current is exactly the same without any effective <light field. The amplitude and phase of the second harmonic is determined by a ₂ and b ₂ in equation (1). By harmonic Fourier analysis of the secondary current with applied DC field H results for the second harmonic

(3) a₂ = f(H) = J sin 2b sin 2H(3) a ₂ = f (H) = J sin 2b sin 2H

(4-) b₂ = 0(4-) b ₂ = 0

Es tritt also im Kosinusanteil der zweiten Harmonischen die größte Abhängigkeit von H bei b = % auf (Fig. 1). Sie beträgt dannThus, in the cosine component of the second harmonic, the greatest dependence on H occurs at b = % (FIG. 1). It is then

(5) a₂ = jt ^sin ²^ (5) a ₂ = jt ^sin ² ^

Die Änderung von a_? durch Änderung von H Ist um den Punkt H = 0 am größten, es bietet sich bei dieser Impulsform also besonders das Kompensationsverfahren an. Die Dreieckimpulserzeugung und Frequensverdoppiung läßt sich durch Integrierer- und Komparatorschaltungen mit geringem Aufwand durch Operationsverstärker realisieren. Anstelle des phasenempfindlichen Gleichrichters und des nachgeschalteten Verstärkers läßt sich vorteilhaft ein phasenempfindlicher Integrierer einsetzen.The change of a _? by changing H Is highest around the point H = 0, so it is particularly suitable for this pulse shape to the compensation method. The triangular pulse generation and frequency doubling can be realized by integrator and comparator circuits with little effort by operational amplifier. Instead of the phase-sensitive rectifier and the downstream amplifier can be advantageous to use a phase-sensitive integrator.

}\]±^^^^s"^D о i SD i el } \] ± ^^^ ^s " ^D о i S D i el

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert werden. Operationsverstärker 1 arbeitet als mitgokoppelter Komparator, seine Ausgarigsspannung nimmt entweder positives oder negatives Betriebspotential ein. Ihm nachgeschaltet arbeitet Operationsverstärker 2 als Integrierer, dessen Ausgangsspannung sich also nur mit konstantem Anstieg entweder aufwärtsThe invention will be explained below with reference to an embodiment in connection with FIG. 2. Operational amplifier 1 operates as a mitgocoppelter comparator, its Ausgarigsspannung takes either positive or negative operating potential. Downstream of him operational amplifier 2 operates as an integrator whose output voltage so only with a constant increase either upwards

Z16392Z16392

oder abwärts bewegt. Erreicht sie einen durch R_?/IL eingestellten Wert, so schaltet der Komparator um, und auch die Integriererausgangsspannung.wechselt die Bewegungsrichtung. Die Amplitude dieser Dreiecksimpulse beträgtor moved down. Does she reach you through R _? / IL set value, the comparator switches over, and also the integrator output voltage changes the direction of movement. The amplitude of these triangular pulses is

(6) IL-j = U-g · -φ , die Frequenz der Impulsfolge ist mit(6) IL-j = Ug · -φ , the frequency of the pulse train is with

R₁ R ₁

(7) fт. = =—^—-χ- unabhängig von der Betriebsspannung.(7) ft. = = - ^ - -χ- independent of the operating voltage.

Operationsverstärker 3 arbeitet als Frequenzverdoppler. Am invertierenden Eingang liegt über dem Spannungsteiler R^Rc der Dreiecksimpuls genau halbiert an. Am nichtinvertierenden Eingang liegt die ansteigende Impulsflanke über R₆ in voller Höhe an, die abfallende Flanke wird über den jetzt durchgesteuerten FET kurzgeschlossen. Der Komparator bildet dadurch Rechteckimpulse genau doppelter Frequenz (Fig. 3)·Operational amplifier 3 operates as a frequency doubler. At the inverting input above the voltage divider R ^ Rc the triangular pulse is exactly halved. At the non-inverting input, the rising edge of the pulse across R _{6 is applied} in full, and the falling edge is short-circuited via the FET that is now switched through. The comparator thereby forms rectangular pulses of exactly twice the frequency (FIG. 3).

Die Dreieckimpulse liegen über Rr₇ an der Primärwicklung der Sonde an. Der Sekundärstrom wird über C₂ ausgekoppelt und liegt am phasenempfindlichen Integrierer (Operationsverstärker 4·) an. Dieser richtet die zweite Harmonische gleich, da er von der verdoppelten Frequenz mittels eines Feldeffekttransistors getaktet, d.h. vom invertierenden zum nichtinvertierenden Integrierer umgeschaltet wird, dann integriert er über dieses gleichgerichtete Signal. Das Ausgangssignal ändert sich also kontinuierlich in einer Richtung. Es fließt über Ro ein steigender Gleichstrom durch die Sekundärwicklung, der in der Sonde' ein Kompeifationsfeld aufbaut, das dem Erdfeld entgegenwirkt und sich mit diesem überlagert. Sind beide gleich, so ist a~ = O, da H = O (2) und die Integriererausgangsspannung ändert sich nicht mehr. In diesem Regelkreis ist die Ausgangsspannung proportional dem Kompensationsstrom,U = R . I₁₇- und damit der KomDensations-The triangular pulses are applied to the primary winding of the probe via Rr ₇ . The secondary current is coupled out via C ₂ and is applied to the phase-sensitive integrator (operational amplifier 4 *). This aligns the second harmonic equal because it is clocked by the doubled frequency by means of a field effect transistor, that is switched from the inverting to the non-inverting integrator, then it integrates over this rectified signal. The output signal thus changes continuously in one direction. It flows over Ro an increasing direct current through the secondary winding, which builds up in the probe 'a Kompeifationsfeld, which counteracts the earth's field and superimposed with this. If both are equal, then a ~ = 0, since H = 0 (2) and the integrator output voltage no longer changes. In this control loop, the output voltage is proportional to the compensation current, U = R. I ₁₇ - and thus the ComDensations

a л. ~a l. ~

feldstärke, also dem Gleichfeld H, proportional. Da der gesamte Regelkreis mit nur einem Operationsverstärker realisiert werden konnte, ist еіле Temperaturdriftkompensa-· tion problemlos möglich, indem Щу, nicht gegen Masse, sondern über einen Kondensator gegen Masse geführt wird, der sich dann auf die Offsetspannung des Operationsverstärkers auflädt.field strength, ie the dc H, proportional. Since the entire control loop could be implemented with only one operational amplifier, temperature drift compensation is easily possible by leading Щu, not to ground, but via a capacitor to ground, which then charges itself to the offset voltage of the operational amplifier.

Claims

Invention; s application

1 · Self-induction-free modified Foerster magnetometer, characterized in that symmetrical triangular pulses are used for the excitation.

2. Self-induction-free modified Foerster magnetometer, characterized in that a phase-sensitive integrator is used in the compensation circuit.

3 × Freqznzverdoppler, characterized in that triangular and rectangular pulses of the same frequency, a rectangular pulse train of double frequency is obtained by means of a Cperationsverstärkerbeschaltung, which gets to one input the voltage divided by two resistors triangular pulses, and their other input, the triangular pulses over a third resistor gets periodically grounded by an electronic switch clocked by the square pulses.

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