DD300492A7

DD300492A7 - Magnetic field strength measuring device according to the harmonic principle with automatic compensation

Info

Publication number: DD300492A7
Application number: DD21201079A
Authority: DD
Inventors: Klaus Wambutt
Original assignee: Klaus Wambutt
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1992-06-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldstaerkemeszeinrichtung nach dem Oberwellenprinzip mit automatischer Kompensation des zu messenden Feldes. Sie bezweckt den einfachen Bau des Sondenkopfes, ohne das dafuer ein hoher Aufwand an Schaltmitteln notwendig ist und hat die Aufgabe, eine Feldstaerkemeszeinrichtung, die die positiven Eigenschaften des Kompensationsprinzips hat und gleichzeitig einen einfachen Sondenaufbau ermoeglicht, zu schaffen. Dies wird erreicht, indem anstelle der Kompensationswicklung an den Anfang der Erregerwicklung ein Differenzverstaerker angeordnet ist. Sein positiver Eingang ist mit der Erregerspannung und sein erster negativer Eingang mit einer Festwertkompensationsspannung, die bei Bedarf den stoerenden Einflusz eines herrschenden Magnetfeldes ausschaltet, beaufschlagt. Der zweite negative Eingang ist mit der Sondenelektronik verbunden. Ist die Erregerwicklung zweigeteilt, ist jedem Teil ein Differenzverstaerker zugeordnet. Die Differenzverstaerker werden von um 180 phasenverschobenen Erregerspannungen versorgt. Anwendbar ist die Erfindung fuer militaerische Messungen, insbesondere Schiffsvermessungen, magnetische Erdfeldvermessungen und magnetometrische Messungen. Fig. 1The invention relates to a Magnetfeldstaerkemeszeinrichtung according to the harmonic principle with automatic compensation of the field to be measured. It aims at the simple construction of the probe head, without the need for a high cost of switching means is necessary and has the task of a Feldstaerkemeszeinrichtung, which has the positive characteristics of the compensation principle and at the same time allows a simple probe structure to create. This is achieved by a Differenzverstaerker is arranged instead of the compensation winding at the beginning of the field winding. Its positive input is supplied with the excitation voltage and its first negative input with a fixed value compensation voltage, which switches off the disturbing influence of a prevailing magnetic field when required. The second negative input is connected to the probe electronics. If the excitation winding is divided into two parts, each part is assigned a differential amplifier. The difference amplifiers are supplied by 180 phase-shifted exciter voltages. The invention is applicable to military measurements, in particular ship surveys, magnetic earth field surveys and magnetometric measurements. Fig. 1

Description

Hierzi' 1 Seite ZeichnungenHierzi '1 page drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldstärkemeßeinrichtung nach dem Oberwellenprinzip mit automatischer Kompensation des zu messenden Feldes.The invention relates to a Magnetfeldstärkemeßeinrichtung according to the harmonic principle with automatic compensation of the field to be measured.

Sie ist anwendbar für militärische Messungen, wie die magnetische Schiffsvermessung, für geophysikalische Messungen, wie die magnetische Erdfeldmessung an Land und auf See, und für magnetometrische Messungen, wie die Messung der wahren Feldstärke auf der Oberfläche von weichmagnetischen Prüfkörpern und der Bestimmung der statischen Abschirmwirkung.It is applicable to military measurements, such as magnetic ship surveying, geophysical measurements, such as terrestrial and terrestrial magnetic field measurements, and magnetometric measurements, such as measuring the true field strength on the surface of soft magnetic specimens and determining the static shielding effect.

Characteristic of the known technical solutions

Meßverfahren mit der Ausnutzung der nichtlinearen B-H-Kennlinie von magnetisierbarer! Werkstoffen zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke sind bereits mehrfach bekannt gemacht worden. - Zeitschrift für Metallkunde Band 46 (1955) Heft 5, Seite 358-370; Nachrichtentechnik 10 (1960) Heft 4, Seite 156-162; Nachrichtentechnik 10 (1960) Heft 6, Seite 247-256; messen und prüfen 8 (1972) Heft 11, Seite 705-708. Hierbei wird ein magneticierbares Material einem Wechselfeld unterworfen, das die Hystereseschleife des Materials annähernd bis zur Sättigung aussteuert. In einer Induktionsspule wird durch die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses im Material eine Spannung induziert. Wird dem Wechselfeld ein Gleichfeld überlagert, so verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Hystereseschleife, und der zeitliche Verlauf Jer induzierten Spannung verändert sich. Aus der Änderung des zeitlichen Verlaufes der Spannung kann auf die Größe des zu messenden Feldes geschlossen werden. Beim Oberwellenverfahren wird das vom zu messenden Feld abhängige Auftreten von geradzahligen Harmonischen in der induzierten Spannung zur Anzeige gebracht. Bei Differenzsonden werden die Grundwelle und die ungeradzahligen Harmonischen in der Sonde selbst durch Differenzbildung kompensiert. Die Sonde besteht dazu aus einer Erregerwicklung, die aus zwei gogensinnig gewickelten Teilen aufgebaut ist.Measuring method with the utilization of the non-linear B-H characteristic of magnetizable! Materials for determining the magnetic field strength have already been disclosed several times. - Journal of Metallurgy Volume 46 (1955) Issue 5, pages 358-370; Nachrichtentechnik 10 (1960) Issue 4, pages 156-162; Nachrichtentechnik 10 (1960) Issue 6, pages 247-256; Measure and test 8 (1972) Issue 11, page 705-708. Here, a magnetizable material is subjected to an alternating field, which controls the hysteresis loop of the material approximately to saturation. In an induction coil, a voltage is induced by the temporal change of the magnetic flux in the material. If a DC field is superimposed on the alternating field, the operating point shifts on the hysteresis loop, and the time course of the induced voltage changes. From the change in the time course of the voltage can be concluded that the size of the field to be measured. In the harmonic method, the occurrence of even harmonics in the induced voltage, which depends on the field to be measured, is displayed. In differential probes, the fundamental and odd harmonics in the probe itself are compensated by subtraction. The probe consists of a field winding, which is composed of two gogensinnig wound parts.

Die größte Verbreitung bei der magnetischen Messung hat die Messung nach dem Kompensationsverfahren gefunden. Einer Induktionswickiung ist auf der Sekundärseite eine Sondenelektronik und eine Kompensationswicklung in Reihe geschaltet. Die in der Induktionswicklung induzierte Induktionsspannung wird in einer Sondenelektronik weiterverarbeitet. Mit einem Selektiv/verfahren wird die zweite Harmonische herausgesiebt und anschließend verstärkt. Die durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter gleichgerichtete Spannung wird in einer Endstufe nochmals verstärkt und als Kompensationsstrom auf die Kompensationswicklung gegeben. Dadurch wird in der Sondenanordnung ein dem zu messenden Gleich- bzw. Wechselfeld gegensinniges Kompensationsfeld erzeugt. Die Bauform der Sondentypen ist sehr unterschiedlich. Das in den bekannten Lösungen beschriebene Kompensationsprinzip besitzt gegenüber der Messung durch oine direkte Anzeige folgende Vorteile:The largest spread in the magnetic measurement has found the measurement after the compensation method. An induction winding on the secondary side of a probe electronics and a compensation winding is connected in series. The induced in the induction coil induction voltage is further processed in a probe electronics. With a selective / procedural second harmonic is screened out and then amplified. The rectified by a phase-sensitive rectifier voltage is amplified again in a final stage and added as a compensation current to the compensation winding. As a result, a compensating field which is opposite to the DC or alternating field to be measured is generated in the probe arrangement. The design of the probe types is very different. The compensation principle described in the known solutions has the following advantages over the measurement by direct display:

a) An der Differenzsonde liegt immer nur ein sehr kleines Gleichfeld, die Regelabweichung. Für kleine Felder gilt abor ein linearer Zusammenhang zwischen dem Gleichfeld und der Amplitude der ersten Oberwelle.a) At the differential probe is always only a very small dc field, the deviation. For small fields abor a linear relationship between the dc field and the amplitude of the first harmonic applies.

b) Bei großer Verstärkung, d. h. bei vollständiger Kompensation ist das Meßergebnis von der Verstärkung unabhängig.b) At high gain, d. H. with complete compensation, the measurement result is independent of the gain.

c) Auch wenn ein nichtlinearer Verstärker verwendet wird, erfolgt die Anzeige linear, da der Zusammenhang zwischen Kompensationsstrom und Kompensationsfold linear ist.c) Even if a non-linear amplifier is used, the display is linear because the relationship between compensation current and compensation fold is linear.

Nachteilig aber ist, daß bei der Herstellung der Sondentypen, insbesondere der Differenzsonde, die für eine hohe Meßgenauigkeit notwendigen Symmetriebedingungen schwer erfüllbar sind und damit einen komplizierten Bau des Sondenkopfes erfordern.The disadvantage, however, is that in the manufacture of the probe types, in particular the differential probe, the symmetry conditions necessary for a high accuracy of measurement are difficult to fulfill and thus require a complicated construction of the probe head.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist der einfache Bau des Sondenkopfes, ohne das dafür ein hoher Aufwand an Schaltmitteln notwendig ist.The aim of the invention is the simple construction of the probe head, without the need for a high cost of switching means is necessary.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Feldstärkemeßeinrichtung, die die positiven Eigenschaften des Kompensationsprinzip hat und gleichzeitig einen einfachen Sondenaufbau ermöglicht, zu schaffen.The object of the invention is to provide a field strength measuring device, which has the positive properties of the compensation principle and at the same time enables a simple probe structure.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Anfang der Erregerwicklung am Ausgang und der Ausgang der Sondenelektronik, die in bekannter Weise der Induktionswicklung nachgeschaltet ist, am ersten negativen Eingang eines Differenzverstärkers mit zwei negativen Eingängen und einem positiven Eingang angeordnet sind. Der positive Eingang ist mit einer Erregerspannung und der zweite negative Eingang des Differenzverstärkers bei Bedarf mit einer Festwertkompensationsspannung beaufschlagt. Die Enden der Erregerwicklung und der Induktionswicklung liegen an Nullpotential. Besteht die Erregerwicklung aus zwei gegensinnig gewickelten Teilen Ist dem ersten Teil ein erster und dem zweiten Teil ein zweiter Differenzverstärker zugeordnet. Die an den positiven Eingängen der beiden Differenzverstärker anliegenden Erregerspannungen sind um 180° phasenverschoben.According to the invention the object is achieved in that the beginning of the excitation winding at the output and the output of the probe electronics, which is connected downstream of the induction coil in a known manner, are arranged at the first negative input of a differential amplifier with two negative inputs and a positive input. The positive input is supplied with an excitation voltage and the second negative input of the differential amplifier if necessary with a fixed value compensation voltage. The ends of the field winding and the induction winding are at zero potential. If the exciter winding consists of two oppositely wound parts, the first part is assigned a first and the second part a second differential amplifier. The applied to the positive inputs of the two differential amplifiers exciter voltages are phase-shifted by 180 °.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show

Fig. 1: die Schaltung des Feldstärkemessers bei einer einzigen Erregerwicklung Fig. 2: die Schaltung des Feldstärkemessers bei einer Erregerwicklung, die aus zwei gegensinnig gewickelten Hälften besteht.Fig. 1: the circuit of the field strength meter in a single field winding Fig. 2: the circuit of the field strength meter in a field winding, which consists of two oppositely wound halves.

Wird auf den positiven Eingang des Differenzverstärkers DV die Erregerspannung U_Err gegeben, baut sich ein konstantes Wechselfeld in der Erregerwicklung Wi auf. Dieses Wechselfeld erzeugt bei Wechselwirkung mit dem äußeren magnetischen Gleichfeld H. in der Induktionswicklung W₂ eine Induktionsspannung U_)nd, die in der Sondenelektronik SE in bekannter Weise weiterverarbeitet und von der als Kompensationsstrom U ausgegeben wird. In der Schaltung nach Fig. 1 werden die Felder, die ursprünglich durch die Kompensationswicklung und die Festwertkompensationswicklung zur Kompensation des herrschenden konstanten Erdfeldes bei Störfeldmessungen aufgebaut wurden, durch die Erregerwicklung W₁ aufgebaut, indem sie mit einem Gesamtstrom l_sgespeist wird, der gleich derSumme des Kompensationsstromes Uund des Festwertkompensationsstromes lf_K ist. Die Summierung dieser Ströme erfolgt durch den Differenzverstärker DV, an dessen einem negativen Eingang die Kompensationsspannung Uk und an dessen zweiten negativen Eingang je nach dem zu kompensierenden konstanten Erdfeld die Festwertkompensationsspannung Unc gegeben wird.If the excitation voltage U _Err is applied to the positive input of the differential amplifier DV, a constant alternating field builds up in the exciter winding Wi. This alternating field generated in interaction with the external magnetic DC field H. in the induction winding W _2, an induction voltage U _{) nd} , which is further processed in the probe electronics SE in a known manner and is output from the as a compensation current U. In the circuit of Fig. 1, the fields originally set up by the compensation winding and the bucking compensation winding to compensate for the dominant earth constant field in spurious field measurements are established by the field winding W ₁ by being fed with a total current I _s equal to the sum of the compensation current U and the fixed value compensation current lf _K. The summation of these currents takes place through the differential amplifier DV, at whose one negative input the compensation voltage Uk and at the second negative input of which the fixed value compensation voltage Unc is given, depending on the constant earth field to be compensated.

Der Kompensationsstrom I_K erzeugt außerdem am Normalwiderstand R_n einen Spannungsabfall, der als Ausgangsspannung Ua ein Maß für das anliegende äußere magnetische Gleichfeld H. ist. Das Anlegen der Festwertkompensationsspannung Up* an den Differenzverstärker DV erfolgt natürlich nur dann, wenn es nach Art der Messung erforderlich ist, z.B. bei magnetischen Schiffsvermessungen.The compensation current I _{K also} generates a voltage drop at the normal resistance R _n , which is a measure of the applied external magnetic field H. as the output voltage Ua. The application of the fixed value compensation voltage Up * to the differential amplifier DV is of course only if it is required by the type of measurement, for example in magnetic ship surveying.

Ist die Erregerwicklung nach Fig. 2 in zwei Hälften unterteilt, die gegensinnig gewickelt sind, ist jedem Teil W_ri bzw. W,,₂ ein Differenzverstärker DV₁ bzw. DV₂ zugeordnet. Wird jeweils auf den positiven Eingang des Differenzverstärkers DV₁ die Erregerspannung Uc,,, bzw. des Differenzverstärkers DV₂ die Erregerspannung U_Elr2 gegeben, die um 180° phasenverschoben sind, bilden sich jeweils in der Erregerwicklung Wu der Gesamtstrom Is₁ bzw. in der Erregerwicklung W_1-2 der Gesamtstrom Is₂, die nicht gleich sein müssen.If the exciter winding according to FIG. 2 is divided into two halves which are wound in opposite directions, a differential amplifier DV ₁ or DV _{2 is} assigned to each part W _ri or W ,, ₂ . Is in each case to the positive input of the differential amplifier DV _1, the excitation voltage Uc ,,, respectively of the differential amplifier DV _2, where the excitation voltage U _El r2, which are phase shifted by 180 °, the total current are formed respectively in the excitation winding Wu Is ₁ and in the excitation winding W _1-2 the total current Is ₂ , which need not be the same.

Claims

1. Magnetstärkstärkemeßeinrichtung according to the harmonic principle with automatic compensation comprising a field winding and an induction winding, to which in series is a probe electronics which sieves out of the induced voltage twice the frequency, amplified and rectified, characterized in that the beginning of the exciter winding (W ₁ ) at the output and the output of the probe electronics (SE) at the first negative input of a differential amplifier (DV) are arranged, wherein the positive input with an excitation voltage (U _Err ) and the second negative input of the differential amplifier (DV) if necessary with a fixed value compensation voltage (U _FK ) and the ends of the excitation winding (W ₁ ) and the induction winding (W ₂ ) are subjected to zero potential.

2. Magnetic strength measuring device according to item 1, characterized in that in a field winding, which consists of two oppositely wound parts (W _1-1 , W ₁₂ ), the first part (W _1-1 ), a first differential amplifier (DV ₁ ) and the a second differential amplifier (DV ₂ ) is assigned to the second part (W _1-2 ), the excitation _voltages (U _Err1 ; U _Err2 ) applied to the positive inputs of the two differential _amplifiers (DV ₁ ; DV ₂ ) being phase-shifted by 180 °.