DD295930A5 - Dreikomponenten-magnetfeldsonde - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dreikomponenten-Magnetfeldsonde zur Messung schwacher Magnetfelder, insbesondere des Erdmagnetfeldes bzw. Magnetfelder im interplanetaren Raum. Zwei Ringkernsensoren sind mit zwei speziellen Spulensystemen auf einem zylinderischen Grundkoerper so angeordnet, dasz eine Messung der Komponenten X, Y und Z (Dreikomponentenmessung) ermoeglicht und zugleich fuer die beiden Ringkernsensoren eine Kompensation des Querfeldes erreicht wird. Die Magnetfeldsonde verfuegt ueber Elemente, die ihre Justierung erlaubt und eine UEberpruefung der Orthogonalitaet der Meszachsen gestattet.{Magnetfeldsonde; Erdmagnetfeld; Ringkernsensor; Spulensystem; Dreikomponentenmessung; Querfeld; Meszachsen; Justierung; Orthogonalitaet}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Dreikomponenten-Magnetfeldsonden finden zur Messung des Erdmagnetfeldes auf dem Gebiet der Geophysik und zur Bestimmung anderer schwacher Magnetfelder in der Technik Anwendung. Ein aktuelles Einsatzgebiet für derartige Sonden mit Sensoreigenschaften ist der interplanetare Raum.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Magnetfeldsonden zur Messung der drei Erdmagnetfeldkomponenten X, Y und Z im karthesischen, geodätisch orientierton Koordinatensystem sind seit den 40er Jahren bekannt und werden in sehr unterschiedlichen technischen Ausführungen hergestellt. So wurden in der Dreikomponententechnik zur vollständigen Erfassung des Erdmagnetfeldvektors zunächst Doppelkernsonden/1 /, 121, die konstruktiv zu einem sogenannten Dreibein zusammengefaßt sind, verwendet. Charakteristisch für diese Lösung zur ortsfesten Anwendung als kompaktes Element ist die Unterbringung der Baugruppe auf einem Untersatz, dem sogenannten Dreifuß. Bei der mobile ι Anwendung als Aero- oder Seemagnetometer wird das Dreibein durch eine kardanische Aufhängung/3/ oder durch Kreisöstabilisatoren horizontriert.

Eine andere bekannte Lösung mit der Bezeichnung Ringkernsensor bietet durch seine technische Gestaltung die Möglichkeit der Messung von zwei Magnetfeld-Komponenten mit einem Sensor/4/. Diese Tatsache wurde besonders bei der Entwicklung elektronischer Kompasse ausgenutzt, bei denen die beiden in der Horizontalebene liegenden magnetischen Erdfeldkomponenten gemessen werden/5/

Moderne bekannte technische Lösungen, mitdenendiedrei magnetisch m Erdfeldkomponenten in einem Meßvorgang bestimmt

werden können, weisen entweder Kornformen von komplizierter goometrischer Gestalt aus, deren Herstellung hohe Anforderungen on die Fortigungstechnologie stellen/6/ oder verwenden eine größere Anzahl von Ringkernen/7/. Beide genannten Lösungen zeichnon sich auf Grund ihres erheblichen Herstellungsaufwandes durch hohe Kosten ums.

1 DT-AS 2518764

2 DD-PS 258731

3 Serson, P.H.; Witham, K.

Three-Component Airborne Magnetometers, Handbuch der Physik, Teil III, S.384-394, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1971

4 US-PS 3571700

5 US-PS 4677381

6 US-PS 4462165

7 FR-PS 2608776

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Dreikomponenten-Magnotfeldsondo vorzuschlagen, deren technischer Herstellungsaufwand und Gewicht gegenüber den genannten Lösungen nachweisbar wesentlich geringer ist, bei gleichzeitigem Ei halt der die bekannten Lösungen auszuzeichnenden Meßparamotor.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Lösung für eine Dreikomponenten-Magnetfeldsonde anzugeben, die unkompliziert und robust im Aufbau ist, deren Justierung durch einfache Handhabung vorgenommen worden kann und auf Grund der relativ geringen geometrischen Abmessungen ein^n stationären als auch einen mobilen Einsatz problemlos zuläßt.

Erfindungsgemäß besteht die Dreikomponenten-Magnetfeldsonde aua einem zylinderförmigen Grundkörper aus nicht leitfähigem, unmagnetischem Material und zwei im Aufbau gleichen, an sich bekannten rechteckförmigen Ringkernsensoren, deren Größe die geometrischen Abmessungen des Grundkörpers bestimmen.

Der Grundkörper ist senkrecht zu seiner Längsachse mit zwei im gleichen Abstand stehenden gleichartigen und voneinander um 90" zueinander versetzt angeordneten Aussparungen, nachfolgend Sensorkammer genannt, versehen.

An der in Längsrichtung des Grundkörpers sich befindenden Innenfläche jeder Sensorkammer ist jeweils eine um wenige i/Vinkelgrade drehbar gelagerte Aufnahmeplatte mit zwei vom Drehpunkt aus symmetrisch angeordneten Justier-Langlöchern vorhanden. Auf jeder der beiden Aufnahmeplatten befindet sich ein rechteckförmiger magnetischer Ringkernsensor, der mit der Aufnahmeplatte fest verbunden ist.

Zur Justierung und Fixierung mittels Schraubverbindung des rechteckförmigen magnetischen Ringkernsensor sind an der in Längsrichtung des Grundkörpers vorhandenen gekrümmten Außenfläche jeder Sensorkammer zwei Gewindebohrungen vorhanden, die den Justier-Langlöchern an der Kammennnenfläche fluchtend gegenüberstehen.

Auf jedem oberhalb und unterhalb der beiden Sensorkammern unmittelbar angrenzenden, nicht ausgesparten Teil des Grundkörpers befindet sich jeweils eine von drei Ringspulen, die in einem den Grundkörper ringförmig umschließenden Nut untergebracht ist.

Alle drei auf dem Grundkörper vorhandenen Ringspulen sind mit gleichem Abstand voneinander angeordnet. Dabei sind die Ringspulenwicklungen mit Windungen so versehen, daß sie über den einzelnen Ringkernsensor eine Optimierung der Homogenität des magnetischen Feldes bewirken.

Elektrisch sind die Spulenwicklungen der drei Ringspulen in Reihe geschaltet und mit einer gemeinsamen zweiadrigen Anschlußleitung versehen, die mit der Meßelektronik der Sonde verbunden ist.

Der Grundkörper, verlängert durch einen Fußteil mit gleichem Durchmesser und aus gleichem Material, endet in einom den Durchmesser des Grundkörpers überragenden Absatz, der Bodenplatte, wobei FuPteil und Bodenplatte mit dem Grundkörper mechanisch fest verbunden sind.

Am Fußteil sind vier kreisförmig um 90° versetzte Zentrierbohrungen angebracht, während je eine weitere Zentrierbohrung im Zentrum des Fußteils und am gegenüberliegenden oberen Teil des Grundkörpers mittig vorhanden ist.

Eins an sich bekannte zweilagige homogenisierte Zylinderspule, befestigt auf und mit der Bodenplatte, umschließt den mit Ringkernsensoren und Ringspulen ausgestatteten Grundkörper koaxial.

Die auf dam Grundkörper in möglichst geringem Abstand und um 90° zueinander versetzt angeordneten Ringkernsensoren messen die Erdmagnetfeldkomponenten X und Y. Der Grundkörper endet in einem Absatz (Bodenplatte), dessen Boden die Stand- oder Befestigungsfläche der Magnetfeldsonde bildet. Zugleich dient dieser als Distanzring für die koaxial über den Grundkörper geschobene zweilagige homogenisierte Zylinderspule, durch deren konstant eingestelltes Magnetfeld an den Befestigungsorten der Ringkernsensoren der jeweiligen Sensorkammer eine Grobkompensation der Vertikalkomponente Z erreicht wird. Mit dem ebenfalls im Grundkörper eingearbeiteten Spulensystem, bestehend aus den drei Ringspulen, das die beiden Ringkernsensoren überspannt, wird eine dem Restfeld in Z-Richtuny proportionale Signalspannung abgenommen.

Diese wird nach dem Ferrosonden- (flux-gate) Prinzip durch die beiden synchron erregten Ringkernsensoren erzeugt und nach entsprechender Verstärkung zur Messung und zur Feinkompensation der Z-Kornponente benutzt. Ein fundamentales Problem ist bei Dreikomponenten-Magnetfeldsonden die Justierung und Kontrolle der Orthogonalität der Meßachsen. Die Erfindung bietet die Möglichkeit der Justierung der Komponenten X und Y in der Horizontalebene und die Kontrolle aller Meßachsen bezüglich dreier mit hoher Genauigkeit am Grundkörper markierter orthogonaler Achsen. Diese werden durch jeweils ein Paar Zentrierbohrungen für die X-, Y- und Z-Komponente gegeben.

Jeder der beiden Ringkernsensoren ist auf einer Aufnahmeplatte gehaltert, die durch ein Zentrum und eine

Befestigungsschraube um die für den Justiervorgang notwondigon geringen Winkelbeträge gedreht wird, um dann in der endgültig ermittelten Lago fixiert zu worden, Zum Justloren eines Rlngkornsonsors wird dor Grundkörper zwischen zwei genau axial eingestellten Spitzen in den Zontrierbci.rungen am Fußteil des Grundkörpers drehbar gelagert. Der Justiervorgang wird bei eingeschalteter Meßelektronik der Sonde z, B. für die Komponente Y (homogenen) Erdmagnetfeld vorgenommen. Die günstigsten Justierbedingungen ergeben sich, wenn die Richtung der zu prüfenden Achse In der magnetischen Ost-West-Richtung liegt. Ist die Achse Y dos betreffenden Ringkernsensors exakt parallel zu dor Achse, die durch die Zentrierbohrungen gegeben ist, dann erfolgt beim Drehen um eben diese Achse keine Änderung der vom Ringkernsensor gemessenen Magnetfeldkomponente. Anderenfalls ergibt sich eine sinusförmige Abhängigkeit der Ausgongsspannung des Ringkernsensors vom Drohwinkel. Aus deren Amplitude und Phase wird die Lage der magnetischen Achse des Ringkernsensors bestimmt. Durch die Justierung dor Aufnahmeplatte des Ringkernsensors erfolgt die Minimierung dieser Fehlergröße. Der beschriebene Justiervorgang ist für beide Ringkernsonsoron vorzunehmen, also für die X- und Y-Komponante. Für die Z-Komponento kann konstruktionsgemäß, unter Benutzung der im Zentrum der Bodenplatte und im Oberteil dos Grundkörpers mittig vorhandenen Zentrierbohrung, ebenfalls eine Messung der Fehlorgröße dor Achse Z vorgenommen werden, jedoch keine Mitsimierung.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen die Zeichnungen

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau der Dreikomponenten-Magnetfeldsonde,

Fig. 2: die Befestigungs-und Justierelemete für einen der verwendeten Ringkernsensoren.

In den zylinderförmigen Grundkörper 1 sind dicht nebeneinander die beiden Sonsorkammern 2 eingefräst. Die Kammerinnenflächen 4 stehen senkrecht aufeinander und repräsentieren die X- und die Y-Richtung, die Grundkörperachse die Z-Richtung. Auf der Kammerinnenfläche 4 liegt jeweils eine Aufnahmeplatte 5 für die Ringkernsonsoren 7,8 auf, die über einen zylindrischen Ansatz und eine Befestigungsschraube 21, die von der Kammeraußenfläche 9 her zugänglich ist, fixiert werden kann. Dem gleichen Zweck dienen auch die Schrauben, die durch die Justier-Langlöcher β verlaufen. Die nicht ausgesparten Teile 11 des Grundkörpers 1 nehmen die Einstiche (Nuten) für das dreiteilige Ringspulensystem auf. Dieses besteht aus drei Ringspulen 12,13,14 mit gleichen Abständen, deren Windungszahlen so bemessen sind, daß am Ort der Ringkernsensoren 7,8 ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugt wird. Der Fußteil 15 des Grundkörpers 1 geht in die Bodenplatte 16 über. Deren Unterseite dient als Standfläche der Droikomponcnten-Magnetfeldsondo und zugleich als Distanzstück für die das Gesamtsystem koaxial umschließende Zylinderspule 20. Die Wicklungen dieser doppellagigen Spule sind ebenfalls so bemessen, daß über den Ringkernsensoren 7,8 ein möglichst homogenes Magnetfeld entsteht. Die Ringkernsensoren 7,8 werden mit jeweils einem Kanal einer üblichen Ferrosondenelektronik betrieben, Zusätzlich wird durch einen entsprechend eingestellten konstanten Strom, der die Zylinderspule 20 durchfließt, das Querfeld in Z-Richtung am Ort der beiden Ringkernsensoren 7,8 grob kompensiert. Das Ringspulensystem 12,13,14 ist mit dem 3. Kanal der Ferrosondenelektronik verbunden. So kann das Restfeld der Z-Komponente gemessen werden und durch die übliche Rückführung eine automatische Feinkompensation in Z-Richtung erreicht werden.

Die Justiermöglichkeiten an den Aufnahmeplatten 5 für die Ringkernsensoren 7,8 gestatten deren Justierung in die horizontale Ebene parallel zu den durch die Justierbohrungen 9,10 exakt vorgegebenen Richtungen, Der für den Betrieb als Meßgerät für die zeitlichen Änderungen des Erdmagnetfeldes nicht so kritische Fehler der Orthogonalität zwischen der X- und Y-Meßachse innerhalb der Horizontalebene kann mit Hilfe der Justierbohrungen und einer geeigneten Vorrichtung (Spitzenlager) gemessen und gegebenenfalls als Korrekturgröße für das Meßergebnis verwendet werden. Das gleiche gilt für die Abweichung der Meßachse in Z-Richtung von der Richtung, die durch die Zentrierbohrungen 19 im oberen Teil des Grundkörpers 1 und in der Bodenplatte 16 vorgegeben ist.

Claims (1)

1. Dreikomponenten-Magnetfeldsonde, unter Verwendung eines zylinderförmigen Grundkörpers aus nichtleitfähigem unmagnetischem Material, gekennzeichnet dadurch, daß

   - der Grundkörper (1) senkrecht zu seiner Längsachse zwei mit gleichem Abstand voneinander und um 90° zueinander versetzt angeordneten gleichartigen Aussparungen, nachfolgend mit Sensorkammer (2) bezeichnet, versehen ist,

   - an der in Längsrichtung des Grundkörpers (1) sich bjfindenden Innenfläche (4) jeder Sensorkammer (2), jeweils eine um wenige Winkelgrade drehbar gelagerte Aufnahmplatte (5) mit zwei vom Drehpunkt aus symmetrisch angeordneten Justier-Langlöchem (6) zur Halterung eines, von zwei an sich bekannten rechteckförmigen magnetischen Ringkernsensoren (7,8) vorhanden ist,

   - an der in Längsrichtung des Grundkörpers (1) sich befindenden Außenfläche (9) jeder Sensorkammer (2) zwei Gewindebohrungen (10) vorhanden sind, die den Justier-Langlöchern (6) an der Kammerinnenfläche (4) fluchtend gegenüberstehen,

   - sich auf jedem der oberhalb und unterhalb der Sensorkammer (2) unmittelbar angrenzenden, nicht ausgesparten Teil (11) des Grundkörpers (1), jeweils eine von drei Ringspulen (12,13,14), liegend in dem im nicht ausgesparten Teil (11) des Grundkörpers (1) vorhandenen Nut, befindet,

   - die drei Ringspulen (12,13,14) auf dem Grundkörper (1) mit gleichem Abstand voneinander angeordnet und mit Windungen versehen sind, die über den einzelnen Ringkernsensor (6) eine Optimierung der Homogenität des magnetischen Feldes bewirken,

   - die drei Ringspulen (12,13,14) elektrisch in Reihe geschaltet sowie mit einer gemeinsamen Anschlußleitung versehen sind, die mit der Meßelektronik der Sonde verbunden ist,

   - der Grundkörper (1), verlängert durch ein Fußteil (15) mit gleichem Durchmesser, aus gleichem Material und einem den Durchmesser des Grundkörpers (1) überragenden Absatz, der Bodenplatte (16), endet, wobei Fußteil (15) und Bodenplatte (16) mit denr Grundkörper (1) fest verbunden sind,

   - am Fußteil (15) vier kreisförmig um 90° versetzte Zentrierbohrungen (17) vorhanden sind, von denen jeweils zwei gegenüberliegende Zentrierbohrungen die Komponentenrichtungen X und Y repräsentieren, während je eine weitere Zentrierbohrung sich im Zeptrum des Fußteils (15) und am gegenüberliegenden oberen Teil (19) des Grundkörpers (1) mittig befindet, die die Komponentenrichtung Z festlegt,

   - eine an sich bekannte zweilagige homogenisierte Zylinderspule (20), befestigt auf der Bodenplatte (16), den mit Ringkernsensor (7,8) und Ringspule (12,13,14) versehenen Grundkörper (1) koaxial umschließt.