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Erdinduktor und magnetisches Meßgerät unter Verwendung von zwei Erdinduktoren
Die Erfindung betrifft einen Erdinduktor ohne bewegliche Stromabnehmer, der mit
einer Kompensationseinrichtung zur Kompensation von magnetischen Feldern ausgerüstet
ist, und ein aus zwei von diesen Erdinduktoren aufgebautes tragbares Meßgerät zum
Auffinden und Messen von Störungen in magnetischen Feldern.
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Bei den bekannten Erdinduktoren treten größte Schwierigkeiten bei
der Stromabnahme auf. Selbst wenn nach dem Nullverfahren gearbeitet wird, also praktisch
keine Stromabnahme erfolgt, treten an den Stromabnehmern infolge der Reibungswärme
Thermoströme auf, die das Meßergebnis verfälschen. Bei den Gleichstromerdinduktoren
tritt außerdem infolge einseitiger Abnutzung der Stromabnehmer eine Verschiebung
der Meßebene in Drehrichtung des Kollektors auf. Bei Wechselstromerdinduktoren ist
ferner die Drehzahl und damit die Höhe der Frequenz der Meßspannung begrenzt.
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Es sind nun Einrichtungen zur Abmessung magnetischer Felder, die
ohne mechanische Stromabnahme arbeiten, bekannt. In ihnen rotiert ein Leitersystem,
das nach Art des Trommelankers aus einzelnen Bauelementen zusammengesetzt ist, in
dem zu messenden Magnetfeld. Die einzelnen Stäbe des Leitersystems induzieren ihrerseits
in einem ortsfesten, äußeren Leitersystem Spannungen, die zur Ausmessung des Magnetfeldes
dienen.
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Im Gegensatz zu diesen Einrichtungen besteht die Erfindung darin,
daß ein in sich geschlossener fugenloser Ring aus einem elektrisch gut leitenden
Material um eine in der Ringebene liegende Achse rotiert und daß der in ihm durch
das magnetische Erdfeld induzierte Strom in einem innerhalb des Ringes ortsfest
angeordneten Spulensystem eine Wechselspannung doppelter Umlauffrequenz induziert.
Durch die Parallelstellung der einzelnen fugenlosen Leiter wird ein möglichst homogenes
und richtungsgebündeltes Sekundärfeld im Innern des rotierenden Systems erzeugt,
in dem das ortsfeste Spulensystem in bestmöglicher Kopplung angeordnet ist.
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Ein weiterer Fortschritt gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen
ähnlicher Art ist die Anordnung eines Kernes aus hochpermeabilem Werkstoff im Innern
des ortsfesten Spulensystems. Er erhöht sowohl die Induktionswirkung des zu messenden
Magnetfeldes auf das rotierende System als auch im verstärkten Maße die Induktionswirkung
des rotierenden Leitersystems auf das ortsfeste Spulensystem. Der Kern kann ferner
für verschiedene Meßaufgaben mit einer Kompensationswicklung, die senkrecht zu dem
inneren Spulensystem steht, versehen sein.
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Eine Lösung für die Schaffung eines Erdinduktors nach der Erfindung
ist in den Abb. 1 bis 8 dargestellt,
eine solche für ein tragbares Meßgerät zum Auffinden
und Messen von Störungen im magnetischen Erdfeld in den Abb. 9 und 10. Es zeigt
Abb. 1 einen Längsschnitt durch den Erdinduktor, Abb. 2 einen Querschnitt durch
den Erdinduktor, Abb. 3 die Ansicht eines aus Einzelringen aufgebauten Ringes mit
Welle, Abb. 4 einen Ouerschnitt von Abb. 3, Abb. 5 eine Draufsicht von Abb. 3, Abb.
6 eine Ansicht des Erdinduktors mit zwei Rompensationsspulen, Abb. 7 einen Querschnitt
durch den Erdinduktor mit den Kompensationsspulen und deren Schaltung, Abb. 8 einen
Querschnitt durch das ortsfeste Spulensystem mit der Anordnung der Meßspulen, der
Kompensationsspulen und deren Schaltung, Abb. 9 den Aufbau eines Meßgerätes zum
Messen des Gradienten eines magnetischen Feldes und Abb. 10 den Aufbau eines Meßgerätes
zum Messen der Winkeldifferenz zwischen den Richtungen zweier magnetischer Felder.
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In den Abb. 1 und 2 ist ein in sich geschlossener Ring 1 aus einem
elektrischl gut leitenden Material, der um eine in der Ringebene liegende Rotationsachse
rotiert, dargestellt. Er wird über eine Welle 2 angetrieben, die im Lager 3 gelagert
ist. Innerhalb des vom rotierenden Ring 1 umschlossenen Raumes befindet sich ein
Spulensystem 4, welches auf einen Wickelkörper 5 aufgebracht und mit Hilfe eines
Steges 6 ortsfest im Haltestück7 gelagert ist. Durch den hohlen Steg 6 führen die
Anschlüsse 8 des Spulensystems 4 nach außen. Die Wicklungsebene des Spulensystems
4 ist in der Richtung des zu messenden magnetischen Feldes ausgerichtet. In der
Abb. 2 ist die Wicklungsebene senkrecht zum Messen eines senkrechten Feldes dargestellt.
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In den Abb. 3, 4 und 5 ist eine andere Ausführung des rotierenden
Ringes gezeigt: Hier besteht der Ring aus einer Anzahl von Einzelringen, die gegeneinander
isoliert, in zwei Gruppen 9 und 10 zusammengefaßt sind und mit Hilfe eines Zwischenstückes
zusammengehalten werden. In das Zwischenstück 11 ist eine Weile 12 eingesetzt, um
die das Ringsystem rotiert.
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In den Abb. 6 und 7 ist der rotierende Ring 1 mit dem ortsfesten
Spulensystem 4 innerhalb zweier Spulen 13 und 14, die senkrecht zu den Spulen des
Spulensystems 4 stehen, angeordnet. Ein Gleichstrom beispielsweise einer Batterie
15 entnommen - durchfließt die beiden Spulen 13 und 14 im gleichen Windungssinn.
Seine Stärke wird mit Hilfe des Regelwiderstandes 16 geregelt und im Anzeigeinstrument
17 angezeigt.
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In der Abb. 8 ist eine weitere Anordnung des ortsfesten Spulen systems
dargestellt. Auf dem Wickelkörper 18 ist mit senkrechter Wicklungsebene ein Spulensystem
19 angeordnet, das im Beispiel mit einem Kopfhörer 20 verbunden ist. Das Spulensystem
21 und 22 ist rechtwinklig zum Spulensystem 19 angeordnet und wird mit Gleichstrom
aus der Batterie 23 gespeist.
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Seine Stärke wird durch den Regelwiderstand 24 geregelt und im Anzeigeinstrument
25 angezeigt.
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Abb. 9 zeigt ein Meßgerät zum Messen des Gradienten eines magnetischen
Feldes unter Verwentdung von zwei Erdinduktoren. Die beiden rotierenden Ringe a
und b werden synchron durch das Antriebsaggregat c angetrieben. Die Ringebenen der
beiden Ringe a und b liegen in derselben Ebene. Die in den beiden Spulensystemen
d und e induzierten Einzelspannungen sind gegeneinandergeschaltet. Die Differenz
dieser beiden Einzelspannungen wird am Anzeigeinstrument f angezeigt.
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Abb. 10 zeigt ein Meßgerät zum Messen der Winkeldifferenz zwischen
den Richtungen der magnetischen Felder innerhalb der beiden Erdinduktoren. Hier
rotieren die beiden Ringe g und h, angetrieben durch das Antriebsaggregat i, synchron,
sind aber in ihren Ringebenen um 450 gegeneinander versetzt. Die Spulensysteme k
und 1 sind je mit einer Mittelabzapfung versehen, die mit dem Anzeigeinstrumentnz
verbunden sind. Die Wicklungsenden der Spulensysteme k und 1 sind paarweise an die
gegenüberliegenden Diagonalpunkte eines Ringmodulators n gelegt.
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Die Wirkungsweise des Erdinduktors Der in den Abb. 1 und 2 dargestellte
Ring 1 ist aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt und rotiert in
einem im Beispiel senkrecht gedachten Magnetfeld. In ihm wird eine Spannung induziert;
infolge des sehr geringen Innenwiderstandes des Ringes entsteht ein hoher Strom,
der seinerseits in dem ortsfesten Spulensystem 4 eine Spannung induziert. Infolgc
des gleichzeitigen Vorzeichenwechsels des Stromes und Seitentausches des rotierenden
Ringes hat diese Wechselspannung die doppelte Frequenz der Ringdrehzahl.
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Um eine möglichst hohe lbleßspannung zu erhalten, ist es zweckmäßig,
den Wickelkörper aus einem hochpermeabilen Werkstoff zu fertigen.
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Zur Unterdrückung der ANirbelstromverluste ist es zweckmäßig, den
Ring 1 aus Einzelringen, die voneinander isoliert sind. aufzubauen.
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Um eine günstige Feldverteilung des vom Ringstrom erzeugten Querfeldes
zu erreichen, ist es von Nutzen - wie in den Abb. 3, 4 und 5 gezeigt -, die Einzel
ringe in zwei Gruppen 9 und 10 in einem geeigneten Abstand voneinander anzuordnen.
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Die in den Abb. 6 und 7 dargestellten Rompensationsspulen 13 und
14 werden mit Gleichstrom gespeist. Die Stromrichtung in ihnen ist so gewählt, daß
das erzeugte Isompensationsfeld dem ursprünglichen Feld en entgegengerichtet ist.
Wird nun die Stromstärke mit Hilfe des Regelwiderstandes 16 so geregelt, daß im
Spulensystem 4 die Spannung Null wird, so ist die im Anzeigeinstrument 17 angezeigte
Stromstärke ein Maß für das auf den Erdinduktor wirkende magnetische Erdfeld.
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Der in Abb. 8 im Schnitt dargestellte ortsfeste Wikkelkörper 18 trägt
senkrecht zu dem Spulensystem 19, das im Beispiel mit seiner Spannung den Kopfhörer
20 speist, das Spulensystem 21 und 22, das zur Kompensation des magnetischen Feldes
dient. Um das ursprüngliche Feld zu kompensieren, wird die Stromstärke mit Hilfe
des Regelwiderstandes 24 so eingeregelt, daß im Kopfhörer ein Tonminimum auftritt.
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Die im Anzeigeinstrument 25 angezeigte Strom stärke ist dann ein Maß
für die auf den Erdinduktor wirkende Feldstärke des magnetischen Erdfeldes.
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Der erfindungsgemäße Erdinduktor ist in seiner Arbeitsweise absolut
betriebssicher und störungsfrei. Infolge der möglichen hohen Drehzahl ist seine
Leistung. trotz der möglichen kleinen Abmessungen, sehr hoch.
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Der einfache Aufbau ergibt eine rationelle und billige Fertigung.
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Die Wirkungsweise des Meßgerätes zum Auffinden und Messen von Störungen
in magnetischen Feldern In Abb. 9 ist ein Meßgerät zum Messen des Gradienten eines
magnetischen Feldes dargestellt. Die beiden Erdinduktoren mit den Ringen a und b
sowie den Spulensystemen d und e sind einander vollkommen gleich. Die Ringe a und
b werden von dem Antriebsaggregat gemeinsam angetrieben. Die Ringebenen liegen in
der gleichen Ebene. Die von den Spulensystemen d und e gelieferten Einzelspannungen
sind bei ungestörtem Feld einander gleich; aber gegeneinander auf das Anzeigeinstrument
f geschaltet. Sind die Feldstärken in den Erdinduktoren gleich, so gibt das Anzeigeinstrument
f einen Anschlag. Durch Schwenken und Krängen des Meßgerätes läßt sich ein Masimalausschlag
des Anzeigeinstrumentes f feststellen.
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Der Maximalwert des Anzeigeinstrumentes f ergibt ein Maß für den Gradienten
des magnetischen Feldes.
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Auf sinngemäße Weise läßt sich durch Bestimmung des Minimalausschlages
des Anzeigeinstrumentes f die Richtung der Potentiallinien des Feldes feststellen.
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In Abb. 10 ist ein Meßgerät zum Messen der Winkeldifferenzen zwischen
den Richtungen der örtlichen Felder in den beiden Erdinduktoren dargestellt. Die
beiden Erdinduktoren mit den Ringen g und Ii sowie den Spulensystemen k und l sind
einander gleich. Die Ringebene des Ringes g ist aber gegen die Ringebene des Ringes
h um 450 versetzt. Die Windungsebenen der Spulensysteme k und l liegen dagegen in
der gleichen Ebene. Bei der Rotation der Ringe g und ii. im ungestörten Feld entstehen
in den Spulensystemen k und I Wechselspannungen, die infolge der doppelten Rotationsfrequenz
einen Phasenwinkel von 900 gegeneinander haben. In bekannter Weise entsteht an den
Mittelabzapfungen der Spulensysteme k und l mit Hilfe eines Diskriminators, beispielsweise
eines Ringmodulators n, eine Gleichspannung vom Wert Null. Sind die Richtungen der
örtlichen Felder in den beiden Erdinduktoren nicht parallel, ist die Phasenlage
der beiden Einzelspannungen ungleich 900. Es entsteht zwischen den Mittelabzapfungen
der Spulensysteme k und l
eine Spannung, die im Anzeigeinstrument
m angezeigt wird und die ein Maß für die zwischen den örtlichen magnetischen Feldern
in den beiden Erdinduktoren vorhandene Feldverdrehung darstellt.
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An Stelle der mechanischen Verdrehung der Ringebenen der beiden Ringe
g und 12 um 450 gegeneinander könnte auch eine elektrische Phasendrehung der Meßspannungen
um 900 gegeneinander an den Enden der Spulensysteme k und l treten. In diesem Falle
könnte durch eine Umschaltung bekannter Art das Gerät auch zum Messen des Gradienten
und zur Bestimmung des Verlaufes der Potentiallinien des magnetischen Feldes verwendet
werden.