DE1516296B1 - Magnetometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetometer mit einem Magnetkern, welcher eine sättigbare Primär- und Sekundärwicklung trägt.

Es sind bereits zahlreiche Ausführungen von mit zwei Kernen arbeitenden Magnetometern bekannt, die jedoch stets den Nachteil aufweisen, daß ein genauer Abgleich der Magnetkerne unbedingt erforderlich ist, weil andernfalls ein Fehler auftritt. Es ist aber bereits auch ein Magnetometer bekannt, welches nur einen einzigen Kern verwendet, wodurch das erwähnte Abgleichsproblem vermieden wird. Bei diesem mit einem Kern arbeitenden Magnetometer wird jedoch eine harmonische Amplitude sowie ein gesonderter Oszillator verwendet, was zu einem beträchtlichen Schaltungsaufwand führt,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Magnetometer zu vermeiden und insbesondere ein Magnetometer derart auszubilden, daß bei geringem Schaltungsaufwand eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Magnetometer mit einem Magnetkern, welche eine sättigbare Primär- und Sekundärwicklung trägt, vorgesehen, daß beide Wicklungen mit einer einzigen selbst erregten Oszillatorschaltung verbunden sind, welche auf ein Signal von der Sekundärwicklung ansprechende Schaltmittel aufweist, die ein Spannungs- oder Stromsignal von rechteckiger Wellenform an einen Integrator liefern, der seinerseits der Primärwicklung einen sägezahnförmigen Strom zuführt und daß Mittel zum Trennen der Gleichstromkomponente des Primärstroms, vorgesehen sind, um so ein Maß für das äußere an den Kern angelegte Feld zu erzeugen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltmittel einen Multivibrator aufweisen, dessen Frequenz im freilaufenden Zustand niedriger ist als die normale Betriebsfrequenz des Magnetometers. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltung einen Rückkopplungsweg für das integrierte Signal aufweist, um den in seinem freilaufenden Zustand arbeitenden Multivibrator im Gleichgewicht zu halten. Ferner ist nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Magnetometerkern ein Toroid ist und eine zusätzliehe Eingangswicklung tragt. Schließlich sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Frequenz des Multivibrators im freilaufenden. Zustand annähernd halb So groß ist wie die Betriebsfrequenz des Magnetometers.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung an Hand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema einer Ausbildungsform eines einachsigen Magnetometers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 Spannungs- und Stromwellenformen an verschiedenen Punkten des in Fig. 1 gezeigten Schaltschemas,

F i g. 3 ein ausführlicheres, jedoch vereinfachtes Schaltbild eines einachsigen Magnetometers, wobei drei derartige Magnetometer mit ihren rechtwinklig zueinander angeordneten Magnetkernen kombiniert werden können, um ein dreiachsiges Magnetometer zu bilden.

Wie in F i g. 1 gezeigt ist, besteht das empfindliche Element des Magnetometers aus einem dünnen, länglichen, ejne PrimgrwieJklung 2 und eine Sekundärwicklung 3 tragenden Kern 1 aus mu-Metall. Der Ausgang der Sekundärwicklung 3 ist an eine Differenzier- und Impulsverstärkungs-Schaltung 4 angelegt, welche Impulse mit wechselnder Polarität zur Umschaltung einer bistabilen Einrichtung 5 erzeugt.

Die Ausgangsspannung der bistabilen Einrichtung 5 wird an eine, den durch die Primärwicklung 2 des Magnetometers fließenden Strom steuernde Integrationsstufe 6 angelegt. Dieser Strom fließt über einen Auslese-Widerstand 7, dem ein Kondensator 8 parallel liggt, zur Erde zurück; der Widerstand bzw. die Kapazität dieser Bauelemente wird ausreichend groß gewählt, um sicherzustellen, daß die am Widerstand und folglich auch an der Ausgangsklemme 9 auftretende Spannung die stetige Gleichstromkomponente des Primärstroms darstellt. Diese Komponente ist ein Maß für das entlang des Kernes i des Magnetometers angelegte äußere Feld.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf F i g. 2 die Wirkungsweise des Magnetometers beschrieben.

Wird das erstemal an die Schaltung die Stromversorgung angeschlossen, so steigt der durch die Primärwicklung des Magnetometers fließende Strom stetig mit einer durch die Integrationsstufe 6 bestimmten gleichmäßigen Rate an. Der Fluß im Kern 1 steigt proportional an, und dabei entsteht an der Sekundärwicklung 3 eine konstante Spannung 11 (F i g, 2 a), welche an die Differenzier- und Impulsverstärkungs-Schaltung 4 angelegt wird. Sobald der Kern 1 seinen Sättigurigszustand erreicht hat, fällt die Sekundärspannung sehnell auf Null, vgl. 12 (in Fig. 2a), ab, und durch die Differenzier- und Verstärkungsschaltung 4 wird ein Impuls 13 (Fig. 2b) erzeugt, der die bistabile Stufe 5 in ihren anderen Zustand umschaltet. Die Ausgangsgröße dieser bistabilen Stufe ist in F i g. 2 c gezeigt.

Dieser Vorgang kehrt die Polarität des an der Integrationsstufe angelegten Signals um und bewirkt, daß der durch die Primärwicklung 2 fließende Strom einsetzt, wobei er sich im umgekehrten Sinne ändert.

Der Primärstrom ändert sich weiterhin, bis der Kern Sättigung in seinem umgekehrten Magnetisierungssinn erreicht hat, woraufhin der Strom in der Sekundärwicklung wiederum plötzlich auf Null abfällt, und ein Impuls, dieses Mal mit entgegengesetzter Polarität, durch die Schaltung 4 erzeugt wird und die bistabile Stufe 5 wieder zurückschaltet.

Diese Aufeinanderfolge wird unbegrenzte Male mit einer Frequenz wiederholt, welche hauptsächlich von der Konstanten der Integrationsstufe 6 und den Eigenschaften des Kernes 1 sowie der Geometrie seiner Wicklungen 2 und 3 abhängt. Fig. 2a bis 2d zeigt die Spannungs-Well§nformen am Ausgang der Sekundärwicklung 3 bzw. der Differenzier*, und Impulsverstärkungsschaltung 4 bzw. der bistabilen Stufe 5 bzw. die Wellenform des der Primärwicklung durch die Integrationsstufe 6 zugeführten Stromes. Insbesondere hat der in Fig. 2d gezeigte Strom in der Primärwicklung 2 eine Sägezahn-Wellenform, dessen Amplitude gerade ausreicht, um den Kern in dem einen oder anderen Sinn zur Sättigung zu bringen. Wenn kein äußeres Feld vorhanden ist, dann sind die zur Sättigung jeweils im entgegengesetzten Sinn erforderlichen Ströme gleich und entgegengesetzt, und der Mittelwert dieses Stromes wird Null sein, so daß an der Klemme 9 in F i g. 1 eine Nullspannung bezüglich der Erde auftreten wird.

3 4

Wenn der Kern 1 des Magnetometers einem äuße- komponente gelangt über einen Auslese-(»read out«-) ren Feld ausgesetzt ist, wird er in einem Sinn magne- Widerstand 34 und die Primärspule 16 zur Erde. Zur tisch polarisiert, und es wird sodann ein kleinerer Verminderung der an der Ausgangsklemme 37 aufStrom erforderlich sein, um ihn in diesem Sinne zu tretenden Brumm-Komponente ist ein Serienwidersättigen, und ein entsprechend größerer Strom wird 5 stand und ein Parallelkondensator derart vorgesehen, erforderlieh sein, um ihn im umgekehrten Sinne zu daß die an dieser Klemme auftretende Spannung im sättigen. Daher wird der Primärstrom sich so, wie es wesentlichen die Gleichspannung am Auslese-Widerin Fig. 2e in übertriebener Form gezeigt ist, stand 34 und dem in Serie dazu liegenden Widerergeben, wobei er eine Gleichstromkomponente be- stand der Primärwicklung 16 darstellt und daher sitzt, die ein Maß für das angelegte Feld ist. Daher io ein Maß für die Gleichstromkomponente des Primärerscheint am Widerstand 7 und Kondensator 8 eine stromes ist.

dieser Gleichstromkomponente entsprechende Span- Ein Rückkopplungsweg ist durch die Verbindung

nung, die an der Klemme 9 gemessen wird und ein des Ausgangs der Stufen 31, 32 über einen zu einer

Maß für das magnetische Feld, dem der Kern aus- Seite des Multivibrators 21 führenden Widerstand 38

gesetzt ist, liefert. 15 vorgesehen.

Diese Anordnung enthält also keinen unabhän- Im normalen Betrieb schaltet der Multivibrator

gigen Oszillator, dessen Frequenz stabilisiert oder kurz nach dem Einschalten um, und die erzeugten

gesteuert werden muß, und ferner ist die Amplitude Ausgangsspannungen werden integriert, was einen

der Schwingung primär durch die magnetischen stetig ansteigenden, durch die Primärspule 16 flie-

Eigenschaften des Kernes 1 bestimmt sowie verhält- 20 ßenden Strom zur Folge hat, bis der Kern 15 gesät-

nismäßig unabhängig von der Versorgungsspannung, tigt ist. Wenn dies eintritt, ändert sich die Spannung

so daß eine nicht stabilisierte Speisebatterie verwen- der Abgriffspule 17, und sie wird durch die Stufen

det werden kann. 19 und 20 verstärkt und schaltet den Multivibrator

In Fig. 3 ist eine vereinfachte Schaltung eines in seinen anderen Zustand. Jetzt erfolgt die Integra-

einachsigen Magnetometers gemäß der Erfindung 25 tion der Ausgangsspannung vom Multivibrator in

gezeigt. Ein vollständiges dreiachsiges Magnetometer entgegengesetztem Sinn, bis der Kern 15 wiederum

weist drei Schaltungen, deren jede gleich der in gesättigt ist und der Multivibrator zurückgeschaltet

F i g. 3 gezeigten Schaltung ist, auf, wobei die magne- wird.

tischen Kerne rechtwinklig zueinander angeordnet Wenn aus irgendeinem Grunde die Spannungs-

sind. Die in F i g. 3 gezeigte Schaltung ist durch das 30 änderung in der Abgriffspule 17 keine Umschaltung

Weglassen einiger Dioden vereinfacht, welche in der bewirken sollte, so schaltet der Multivibrator nach

Praxis zum Schutz der Transistoren eingesetzt einiger Zeit von selbst um und bringt die Schaltung

würden. wieder in Betriebszustand. Wenn mehrere Perioden

Der Magnetometerkern 15 weist einen einzelnen auftreten sollten, in denen der Multivibrator in sei-

mu-Metall-Draht auf, der eine primäre Magnetisie- 35 nem freilaufenden Zustand arbeitet, dann verhindert

rungswicklung 16 und eine sekundäre Abgriffwick- der Rückkopplungsweg über den Widerstand 38, daß

lung 17 aufweist. Das von der Abgriffwicklung 17 der Integrator oder der Kern gesättigt und in einem

kommende Signal wird über einen Koppel- bzw. extremen Zustand blockiert wird, da dieser Rück-

Sperrkondensator 18 an eine erste Verstärkungsstufe kopplungsweg das Impulstastverhältnis des Multi-

19 angelegt, dessen Ausgangsgröße durch eine 40 vibrators in seinem freilaufenden Zustand derart

zweite Transistorstufe 20, deren Spannungsverstär- beeinflußt, daß die beiden Halbperioden gleich wer-

kungsfaktor 1 ist, umgekehrt wird. den. Wenn der Multivibrator in seinem durch die

Doppelausgänge der Stufen 19 und 20 sind mit Magnetisierung des Kerns 15 bestimmten aufgezwun-

einem Paar von Transistoren 21, 22 verbunden, die genen Zustand arbeitet, hat die Rückkopplung vom

durch Kondensatoren und Widerstände kreuzgekop- 45 Widerstand 38 eine vernachlässigbare Wirkung,

pelt sind, um eine Multivibratorschaltung üblicher Wenn das Magnetometer in Betriebszustand ist,

Art zu bilden, welche derart ausgebildet ist, daß sie erzeugt jedes längsgerichtete Feld am Kern 15 eine

eine natürliche freilaufende Schwingungsart bei einer Asymmetrie in den zwei Halbperioden der durch die

Frequenz aufweist, die ungefähr halb so groß ist wie Rückkopplung zwischen den Primär- und Sekundär-

die Frequenz, bei der sie arbeitet, wenn sie durch die 50 wicklungen 16 und 17 erzeugten Schwingung, was

Magnetisierung des Kernes 15 angesteuert wird. Der eine Gleichstromkomponente in dem durch die Pri-

Ausgang des Multivibrators ist mit zwei Integrierschal- märspule 16 fließenden Strom zur Folge hat.

tungen verbunden, die den Widerstand 23 in Serie Die infolge dieser Komponente am Auslese-Wider-

mit dem Kondensator 24 und den Widerstand 25 mit stand 34 und am dazu in Serie liegenden Widerstand

dem Kondensator 26 aufweisen. 55 der Spule 16 abfallende Spannung erscheint an der

Die an den Verbindungspunkten der Widerstände Ausgangsklemme 37, wo sie ein Maß für die Kom-

und Kondensatoren auftretenden Spannungen wer- ponente des magnetischen Feldes längs der Achse

den durch einen abgeglichenen Transistorverstärker des Kernes bildet.

verstärkt, welcher zwei Transistorstufen 27, 28 auf- Ein Magnetometer der beschriebenen Art kann weist, denen wiederum zwei Stufen 29, 30 und eine 60 auch als ein Gleichstrommeßinstrument verwendet Ausgangsstufe 31, 32 nachgeschaltet sind; die Aus- werden, indem man den Kern 15 in der Form eines gangsstufe 31, 32 weist ein komplementäres Paar von geschlitzten Ringes ausbildet, der bei seiner VerTransistoren auf, die als Stufen mit festgelegtem wendung so angeordnet wird, daß er einen den Kollektor geschaltet sind. Gleichstrom führenden Draht umschließt. Die

Vom Ausgang der Stufen 31, 32 ist ein Rückkopp- 65 Magnetometerablesung bildet dann ein Maß für den

lungsweg vorgesehen; die Wechselstromkomponente durch den Draht fließenden Strom. Alternativ kann

läuft über den Koopelkondensator 33 und über die der Kern die Form eines Torroids haben, welches mit

Kapazität 26 zurück zum Eingang; die Gleichstrom- einer getrennten Eingangswicklung für den Gleich-

strom bewickelt ist, so daß er als Gleichstromisolator wirkt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Magnetometer mit einem Magnetkern, weleher eine sättigbare Primär- und Sekundärwicklung trägt, dadurchgekennzeichnet, daß beide Wicklungen (2, 3; 16,17) mit einer einzigen selbsterregten Oszillatorschaltung (5; 21, 22) verbunden sind, welche auf ein Signal von der Sekundärwicklung (3; 17) ansprechende Schaltmittel aufweist, die ein Spannungs- oder Stromsignal von rechteckiger Wellenform an einen Integrator (6; 23, 25) liefern, der seinerseits der Primärwicklung einen sägezahnförmigen Strom zuführt, und daß Mittel zum Trennen der Gleichstromkomponente des Primärstromes vorgesehen sind, um so ein Maß für das äußere an den Kern angelegte Feld zu erzeugen.

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Multivibrator aufweisen, dessen Frequenz im freilaufenden Zustand niedriger ist als die normale Betriebsfrequenz des Magnetometers.

3. Magnetometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Rückkopplungsweg für das integrierte Signal aufweist, um den in seinem freilaufenden Zustand arbeitenden Multivibrator im Gleichgewicht zu halten.

4. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein Torroid ist und eine zusätzliche Eingangswicklung trägt.

5. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Multivibrators im freilaufenden Zustand annähernd halb so groß ist wie die Betriebsfrequenz des Magnetometers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen