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Anordnung zur Messung von Magnetfeldern Die Erfindung bezieht sich
auf Anordnungen zur Messung von Magnetfeldern, bei denen als empfindliches Element
ein sättigbarer Kern verwendet wird, der unter dem Einfluß des zu messenden Feldes
und eines Hilfserregungswechselfeldes steht.
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Die meisten Magnetometer bekannter Art beruhen auf der Feststellung
der geradzahligen Oberwellen, insbesondere der 2. Harmonischen, welche bei der Sättigung
des Magnetmaterials der Sonde unter der Einwirkung des Erregungswechselfeldes und
des zu messenden Feldes entstehen. Man verwendet zu diesem Zweck entweder einen
einzigen Magnetkern, dessen Erregungswicklung mit einem Filter verbunden ist, auf
das ein Phasendetektor folgt, oder zwei parallele Magnetkerne, deren Wicklungen
in einer Brückenschaltung gegenphasig gespeist werden.
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Die erste dieser Lösungen ergibt wegen der Art der verwendeten Schaltung
keine befriedigenden Ergebnisse. Die zweite Lösung, die am häufigsten angewendet
wird, ergibt brauchbare Ergebnisse, sie erfordert aber eine sehr sorgfältige Abgleichung
der in den Brückeuzweigen enthaltenen Elemente.
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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Magnetometers, das
nicht auf der spezifischen Feststellung der geradzahligen Harmonischen der Frequenz
des Erregungsfeldes beruht, sondern den unmittelbaren Vergleich der in einem einzigen
Magnetkern bei jeder Halbwelle der Erregungsfrequenz erscheinenden Sättigungsströme
in einer Gegentaktschaltung benutzt.
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Das erfindungsgemäße Magnetometer enthält eine Sonde, die durch einen
sättigbaren ferromagnetischen Kern gebildet ist, der im Inneren einer einzigen Wicklung
angeordnet ist, die einerseits an einen Generator für den Erregungswechselstrom
und andererseits an eine Meßschaltung angeschlossen ist, und es ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklung mit dem Generator über eine symmetrische Anpassungsschaltung mit
sehr kleinem Innenwiderstand verbunden ist, die es ermöglicht, den Kern in die Sättigung
zu bringen, und daß die Meßschaltung zwei symmetrische Integrationsschaltungen enthält,
in denen die Spitzenwerte der Sättigungsströme integriert werden, welche in der
Wicklung bei jeder Halbwelle des Erregungsstroms entstehen und die an ihrem Ausgang
eine Differenzspannung abgeben, die der Differenz zwischen den Sättigungsströmen
proportional ist.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal ist die Vorspannung des Generators
für den Erregungswechselstrom dem Mittelwert der Ausgangsspannungen der beiden Integrationsschaltungen
derart nach-
geregelt, daß der Arbeitspunkt des Geräts stabililiert wird.
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Gegenüber den Magnetometern, die auf der Feststellung der geradzahligen
Harmonischen beruhen, weist das erfindungsgemäße Magnetometer mehrere bemerkenswerte
Vorteile auf: a) Es enthält nur einen einzigen sättigbaren Kern und eine einzige
Wicklung, die dem Erregungskreis und dem Meßkreis gemeinsam ist, wodurch die technologische
Ausführung vereinfacht wird; b) infolge der Verwendung einer einzigen Wicklung und
eines einzigen Kerns entfallen die Schwierigkeiten hinsichtlich der Symmetrierung
und des Abgleichs, welche bei den Magnetometern mit zwei Kernen auftreten; c) die
Impedanz der Erregungswicklung ist nicht kritisch, so daß eine Kabelverbindung zwischen
der Magnetometerschaltung und der Sonde erleichtert wird; d) das Differenzausgangssignal
liefert direkt die Angaben über die Polarität und die Stärke des überlagerten Gleichfeldes,
ohne daß eine Phasendetektorschaltung hinzugefügt werden muß; e) die Besonderheit,
daß mit dauernder Sättigung gearbeitet wird, beseitigt die Speichereffekte, die
gegebenenfalls als Folge eines starken überlagerten Gleichfelds auftreten;
f)
die Nachregelung des Arbeitspunktes ermöglicht die Aufrechterhaltung einer guten
Linearität der Kennlinie des Geräts unabhängig von Schwankungen der Speisespannungen
und der Temperatur.
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Mit der Erfindung ist ferner möglich die angegebene Schaltung zur
Messung der Gradienten von Magnetfeldern mit Hilfe von Schaltungen mit zwei Kernen
anzuwenden, bei denen aber nicht zwei getrennte Magnetometerschaltungen erforderlich
sind und bei denen entweder die Feststellung der 2. Harmonischen der Erregungsfrequenz
oder Gegenkopplungsschaltungen angewendet werden, mit denen das Differenzfeld auf
der Höhe der Sonden kompensiert wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber
beschrieben. Darin zeigt F i g. 1 eine nach der Erfindung ausgeführte Magnetometerschaltung,
F i g. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung von F i
g. 1, F i g. 4 das Schaltbild einer Anordnung zur Messung des Gradienten eines Magnetfeldes
nach der Erfindung, Fig. 5 eine andere Ausführungsform eines Magnetometers, bei
dem eine Gegenkopplung angewendet wird, F i g. 6 und 7 Diagramme zur Erläuterung
der Wirkungsweise der Schaltung von F i g. 5 und F i g. 8 das Schaltbild einer anderen
Ausführungsform einer Anordnung zur Messung des Gradienten eines Magnetfeldes nach
der Erfindung.
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Fig.1 zeigt einen symmetrischen Wechselstromgenerator 10, der zwei
Transistoren T 1, T 2 enthält, deren Basen an eine negative Spannung - V1 angeschlossen
sind. Die Emitter sind gegen die Basen geringfügig durch eine Spannung vorgespannt,
die fest sein kann, vorzugsweise aber eine veränderliche Spannung ist, die über
einen Widerstand 11 von einer Regelschaltung 30 abgegriffen wird, die später beschrieben
wird.
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Der Generator 10 liefert einen Tonfrequenz-Wechseistrom, beispielsweise
in der Größenordnung von 5000Hz. Die Kollektoren der Transistoren Tl, T2 sind mit
einem Schwingkreis verbunden, der einen Kondensator 12 und die Primärwicklung eines
Transformators 13 enthält. Die Primärwicklung des Transformators 13 besitzt eine
Mittelanzapfung, die an eine negative Spannung - V2 gelegt ist. Die Sekundärwicklung
dieses Transformators ist mit den Basen von zwei Transistoren T3, T4 einer symmetrischen
Anpassungsschaltung 20 verbunden, die einen geringen scheinbaren Innenwiderstand
hat, der beispielsweise in der Größenordnung von 1 Ohm liegt. Der Emitterkreis enthält
wieder einen Schwingkreis, der aus einem Kondensator 15 und der Primärwicklung eines
Transformator 16 besteht, die mit ihrer Mittelanzapfung an der Spannung V2 liegt.
An die Klemmen der Sekundärwicklung dieses Transformators ist die Erregungswicklung
17 angeschlossen, welche den aus einem hochpermeablen Material bestehende Kern 18
der Sonde 19 umgibt. Die Transistoren T3, T4 sind direkt an die Meßschaltung angekoppelt,
die zwei weitere Transistoren T5, T6 einer zweiten Stufe enthält, welche in Kollektorschaltung
geschaltet sind; ferner enthält die Meßschaltung zwei Widerstände 21, 22, die an
Masse liegen. In den
Emitterkreisen dieser Transistoren liegen zwei Integrationsschaltungen
23, 24, die beispielsweise als RC-Schaltungen ausgeführt sind und symmetrisch mit
Masse verbunden sind. Auf diese Integrationsschaltungen folgen ein Kondensator 25
und zwei gleiche Widerstände 26, 27. Die gemeinsame Klemme dieser beiden Widerstände
ist vorzugsweise mit dem Eingang der Regelschaltung 30 verbunden. Die Ausgangsspannung
des Magnetometers wird zwischen den Klemmen 28, 29 abgenommen und kann einem anzeigenden
Meßgerät oder einer Femmeßeinrichtung zugeführt werden.
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Die Regelschaltung 30 enthält im wesentlichen einen Transistor T7,
der in Kollektorschaltungen geschaltet ist und auf den eine RC-Schaltung 31 folgt,
die über den Widerstand 11 mit den Emittern der Transistoren T1, T2 des Generators
10 von den ist.
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Diese Magnetometerschaltung arbeitet in folgender Weise: Der Generator
10 liefert einen sinusförmigen, verzerrungsfreien Strom. Die am Widerstand 1 abgenommene
Gegenkopplungsspannung zwingt jeden Transistor T1 und T2, jeweils über etwas mehr
als eine Halbwelle Strom zu führen, wodurch die Verzerrung vermieden wird, welche
sich aus der Verringerung des Koeffizienten ß bei kleinen Stromwerten ergibt. Die
erzeugten Schwingungen werden der ersten Stufe T3, T4 der symmetrischen Anpasv sungsschaltung
20 zugeführt, welche die Impedanzen auf der Generatorseite an die Impedanzen auf
der Lastseite anpaßt, die von der Sonde 19 dargestellt wird. Der Tonfrequenzstrom
wird dann über die Wicklung 17 der Sonde geschickt, und er ist auf einen solchen
Wert eingestellt, daß der Magnetkern 18 einer magnetomotorischen Kraft ausgesetzt
ist, die ausreichend groß ist, daß die Sättigungsinduktion bei weitem erreicht wird.
Im Augenblick der Sättigung weist die Impedanz der Sonde einen beträchtlich kleineren
Wert als zuvor auf, und dieser Wert ist praktisch gleich dem ohmschen Widerstand
der Wicklung 17.
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Da die Verstärkerstufe mit den Transistoren T3, T4 so bemessen ist,
daß sie einen sehr kleinen Innenwiderstand hat, werden die Stromänderungen, welche
bei jeder Halbwelle des Erregungsstroms in der Wicklung 17 der Sonde entstehen,
in denWiderständen 21, 22 wiedergegeben, welche in den Kollektorkreisen angeordnet
sind.
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In F i g. 2 sind als Funktion der Zeit t die Stromimpulse Ii, 12
in den Widerständen 21 (Fi i g. 2A) und 22 (F i g. 2B) dargestellt. In der zweiten
Stufe ermöglichen die Transistoren T5, T6 eine Stromverstärkung, und die Integrationsschaltungen
23, 24 integrieren die Spitzenwerte dieser Stromimpulse. Die Stromänderungen in
den Widerständen der Integrationsschaltungen 23 und 24 sind in Fig.2C und 2D bei
13 bzw. 14 dargestellt. Am Ausgang erscheint zwischen der Klemme 28 und Masse eine
Spannung Ul und zwischen der Klemme 29 und Masse eine Spmnung U2.
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Wenn kein magnetisches Gleichfeld überlagert ist, sind die Ströme
I. und I2 aus Symmetnegründen gleich, und dementsprechend sind auch die Spannungen
Ut und U2 gleich. Die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 28 und 29 hat daher
den Wert Null.
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Wenn tin äußeres magnetisches Gleichfeld besteht, addiert sich die
in der Richtung der Achse des Kerns
18 liegende Komponente dieses
Feldes zu dem Welch selfluß für die eine Reihe der Halbwellen des Erregungsstroms,
während sie für die andere Reihe dieser Halbwellen diesem Fluß entgegenwirkt. Aus
diesem Grund ist das Niveau, von dem aus die Sättigung des Kerns erreicht wird,
für die beiden Reihen von Halbwellen nicht mehr gleich, und diese Asymmetrie drückt
sich in einer Ungleichheit der Ströme I und lX in den Widerständen 21 und 22 aus,
wie in den DiagrammenA und B von Fig.3 dargestellt ist. Die Richtung und die Amplitude
der Differenz zwischen diesen Strömen hängen von der Polarität und der Stärke des
überlagerten äußeren Feldes ab. Dadurch ergibt sich eine Ungleichheit zwischen den
Ladungen der Kondensatoren in den Integrationsschaltungen 23 und 24 und eine Ungleichheit
zwischen den Integrationsströmen 13, 14, die in den Diagrammen C bzw. D von F i
g. 3 dargestellt sind. Man erhält dann zwischen den Ausgangsklemmen 28 und 29 eine
Differenzgleichspannung U1 - U2, welche die in der Achsrichtung der Sonde liegende
Komponente des äußeren Feldes kennzeichnet, wobei die Polarität und die Amplitude
dieser Ausgangsspannung von der Polarität und der Amplitude dieser Komponente abhängen.
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Es wurde zuvor angegeben, daß die Emittervorspannung der Transistoren
T1, T 2 des Generators 10 fest sein kann, daß es jedoch als günstiger angesehen
wird, sie dem Mittelwert der Ausgangsspannungen der beiden Integrationsschaltungen
23, 24 nachzuregeln. Zu diesem Zweck wird die mittlere Spannung Ul 2 US die gegenüber
Masse an der gemeinsamen Klemme der Widerstände 26 und 27 besteht, der Regelschaltung
30 zugeführt, welche durch Einwirkung auf die Vorspannung der Transistoren T1, T2
des Generators 10 dessen Ausgangsspannung stabilisiert und dadurch eine gute Linearität
der Kennlinie des Magnetometers aufrechterhält, ungeachtet der Änderungen der Speisespannungen
und der Temperatur. Die RC-Schaltung 31 ist so bemessen, daß eine geeignete Zeitkonstante
für die Regelung erhalten wird.
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Die soeben beschriebene Magnetometerschaltung läßt sich für die Messung
des Gradienten von Magnetfeldern erweitern. Eine derartige Meßanordnung, die aus
dem zuvor angegebenen Magnetometer abgeleitet ist, ist schematisch in Fig.4 dargestellt,
wobei die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie zuvor versehen
sind.
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Zwei Sonden 19 und 19', die in einem bestimmten Abstand voneinander
angeordnet sind, stehen unter dem Einfluß eines Magnetfeldes H bzw. unter dem Einfluß
eines Magnetfeldes H + A H. Diese beiden Sonden sind in Serie geschaltet und mit
einer elektronischen Anordnung, die derjenigen von Fig. 1 analog ist, über einen
Transformator 16 verbunden, dessen Primärwicklung in den Emitterkreisen der Transistoren
T3, T4 liegt. An den Klemmen der Widerstände 21, 22, deren gemeinsamer Punkt an
Masse liegt, erhält man eine Spannung, die dem Mittelwert AH H+ 2H des Feldes proportional
ist und die wie im vorangehenden Fall mit Hilfe der in Fig.1 angegebenen Schaltung
gemessen werden kann. Die die Wicklungen 17 und 17' der beiden Sonden und die Sekundärwicklung
des Transformators 16 enthaltende Schaltung bildet eine Brückenschaltung, die an
ihrer
einen Diagonale vom Generator 10 gespeist wird.
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Zwischen einem an der Sekundärwicklung des Transformators 16 angebrachten
Mittelabgriff und der gemeinsamen Klemme der Wicklungen 17 und 17' erhält man somit
eine Spannung, deren Komponente mit der doppelten Frequenz der Erregungsfrequenz
in einer Anordnung 32 ausgewertet werden kann, welche eine Filter-Verstärkerschaltung
enthält, der ein Demodulator nachgeschaltet ist, der das Signal vom Erregungsgenerator
empfängt. Das Vorzeichen und die Amplitude des Ausgangsgleichspannungssignals sind
dann ein Kennzeichen für die Amplitude und das Vorzeichen des betreffenden Feldgradienten
dH.
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Die zuvor beschriebenen Magnetometer eignen sich insbesondere für
die Messung von Magnetfeldern oder mittleren Magnetfeldgradienten in der Größenordnung
von 10 bis 1000 Mikrotesla für die maximale Abweichung, je nach der Art und dem
Querschnitt des verwendeten Kerns bzw. Magnetfeldgradienten in der Größenordnung
von 0,1 bis 100 Mikrotesla pro Meter. Falls schwächere Felder gemessen werden sollen,
wird die Schaltung erfindungsgemäß so abgeändert, daß die Empfindlichkeit der Anordnung
durch die Gegenkopplung auf der Höhe der Sonde vergrößert wird. Die entsprechende
Schaltung ist in F i g. 5 dargestellt. Die Transistoren T3, T4 sind wie zuvor geschaltet,
und ihr Kollektorkreis enthält einen Lastwiderstand 37, dem ein Verstärker 33 nachgeschaltet
ist, der auf die Erregungsfrequenz abgestimmt ist. Der Ausgang des Verstärkers 33
ist mit dem einen Eingang eines Phasendetektors 34 verbunden, der am anderen Eingang
die Bezugsspannung mit der vom Generator 10 abgegebenen Erregungsfrequenz empfängt.
Die Ausgangsspannung des Phasendetektors wird dann über einen Widerstand 35 in Gegenkopplung
der Klemmen eines Kondensators 36 großer Kapazität zugeführt, der im Stromkreis
der Sonde zwischen der Sekundärwicklung des Transformators 16 und der Wicklung 17
liegt. Das Ausgangssignal wird an den Klemmen des Widerstands 35 abgenommen.
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Wenn kein überlagertes Gleichfeld vorhanden ist, besteht keine Unsymmetrie
in der Sättigung des Kerns, und man erhält an den Klemmen des Widerstands 37 Impulse
gleicher Amplitude (Fig.6B) für jede Folge von Halbwellen des Erregungsstroms IE
(F i g. 6 A). Diese Impulse rufen am Ausgang des abgestimmten Verstärkers 33 eine
Sinusspannung hervor (F i g. 6 C), deren Frequenz doppelt so groß wie die Erregungsfrequenz
ist. Nach Vergleich mit der Erregungsspannung im Detektor 34 erhält man an dessen
Ausgang die in F i g. 6 D dargestellte Spannung, die den Mittelwert Null hat. Das
gleiche gilt für den in den Sondenkreis zurückgeführten Gegenkopplungsstrom und
das am Widerstand 35 auftretende Signal.
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Wenn ein äußeres Gleichfeld besteht, haben die Impulse an den Klemmen
des Widerstands 37 (F i g. 7B) infolge der unsymmetrischen Sättigung des Kerns für
die beiden Folgen von Halbwellen ungleiche Amplituden. Es besteht dann am Ausgang
des abgestimmten Verstärkers 33 ein Signal mit der Erregungsfrequenz (F i g. 7 C),
das entweder gleichphasig oder gegenphasig zu dem vom Generator 10 abgegebenen Signal
1E ist, je nach der Polarität der in der Achsrichtung des Sondenkerns liegenden
Komponente des überlagerten Feldes, und der Detektor 34
gibt eine
Gleichspannung ab, deren Amplitude und Polarität kennzeichnend für die Amplitude
und die Polarität dieser Komponente sind. Dieser in Gegenkopplung den Klemmen des
Kondensators 36 zugeführte Strom kompensiert zum größten Teil die Wirkung der Komponente
des überlagerten Feldes, und er erzeugt an den Klemmen des Widerstands 35 eine Spannung,
die dieser Komponente proportional ist und dem Eingang einer Meß- oder Verwertungsschaltung
zugeführt werden kann.
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Dadurch, daß die Eingangssignale des Detektors 34 an getrennten Wicklungen
abgenommen werden, erhält man einen Ausgang, der elektrisch von dem Sondenkreis
isoliert ist, was eine große dynamische Impedanz sowie die Unabhängigkeit des Meßstroms
vom Laststrom ermöglicht.
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Der Kondensator 36 kann durch eine Kompensationswicklung ersetzt
werden, die den Kern 18 umgibt, jedoch hat diese Lösung den Nachteil, daß außer
der Kompensationswicklung selbst eine dritte Wicklung erforderlich ist, die gegensinnig
in Serie auf dem Transformator 16 liegt, um darin die Wirkungen auf der Erregungsseite
zu unterdrücken.
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Die zuvor erläuterte Schaltung kann auch auf die Messung von sehr
kleinen Feldgradienten (von 1 Nanotesla pro Meter) erweitert werden, wie in F i
g. 8 dargestellt ist. Die beiden Sonden 19 und 19', die in einem bekannten Abstand
voneinander angeordnet sind, stehen unter der Einwirkung der Felder H bzw. II +
AH. Diese beiden in Serie geschalteten Sonden sind an eine erste Schaltung, die
derjenigen von Fig.5 analog ist, über einen Transformator 16 angeschlossen. Ein
in Serie mit dem Kondensator 36 im Gegenkopplungskreis liegender Widerstand 35 ermöglicht
die Messung der so kompensierten Feldkomponente, wobei der Gegenkopplungskreis so
bemessen ist, daß die in der Richtung der Achse der Sonden liegende Komponente des
Feldes H zum größten Teil kompensiert wird.
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Ein zweiter Gegenkopplungskreis ist in die Diagonale der von den
Wicklungen 17, 17' und der Sekundärwicklung des Transformators 16 gebildeten Brückenschaltung
eingeschaltet. Dieser Gegenkopplungskreis enthält einen 2 -Phasenschieberfilter
41, 2 dem ein Verstärker 43 nachgeschaltet ist, der auf die 2. Harmonische der Frequenz
des Erregungsgenerators 10 abgestimmt ist, und an dessen Ausgang ein Demodulator
44 angeschlossen ist, der an seinem anderen Enigang das Signal mit der Erregungsfrequenz
vom Generator 10 empfängt. Im Ausgangskreis dieses Demodulators liegen ein Widerstand
45 und zwei Kompensationswicklungen 40, 40', die in Serie geschaltet sind und gegensinnig
die Kerne der beiden Sonden 19 und 19' umgeben. Dieser zweite Gegenkopplungskreis
ist so bemessen, daß die in der Richtung der Sondenachsen liegende Komponente des
Feldes dH zum größten Teil kompensiert wird.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung bleibt der zuvor in Verbindung
mit Fig.5 erläuterten Wirkungsweise analog. Die erste Gegenkopplungsschaltung kompensiert
zum größten Teil die in der Richtung der Achsen der beiden Sonden liegende Komponente
des Feldes H, und das dieser Komponente entsprechende Signal ist an den Klemmen
des Widerstands 35 verfügbar. Im zweiten Gegenkopplungskreis wird die Spannung mit
der doppelten Fre-
quenz des Erregungssignals, die sich aus der unsymmetrischen Sättigung
der Sonden infolge der Komponente des Feldes dH ergibt, zunächst in der Schaltung
41 gefiltert und um 2 phasenverschoben, worauf sie in den Schaltungen 43 und 44
verstärkt und demoduliert wird. Der Demodulator 44 gibt dann an seinem Ausgang eine
Gleichspannung ab, welche der Komponente des Feldes AH proportional ist und die
gleiche Polarität wie dieses hat. Diese Gleichspannung wird den Kompensationswicklungen
40 und 40' zugeführt, und sie ermöglicht es, an den Klemmen des Widerstands 45 die
auf diese Weise von dem zweiten Gegenkopplungskreis kompensierte Komponente des
Feldes A H zu messen.
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Man verfügt somit an den Klemmen der Widerstände 35 und 45 über Spannungen,
welche dem Feld H bzw. dem Feldgradienten A H proportional sind und die gleiche
Polarität wie diese haben.
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Die Erfindung ist nicht ausschließlich auf die Messung von Magnetfeldern
in Magnetometern beschränkt, sondern sie eignet sich auch für die Messung von Gleichströmen
in hochpermeablen magnetischen Ringkernen und insbesondere in Magnetkomparatoren,
bei denen die Messung einer Größe auf die Messung eines Magnetfeldes zurückgeführt
ist.