DE1591871A1

DE1591871A1 - Anordnung zur Messung von Magnetfeldern

Info

Publication number: DE1591871A1
Application number: DE19671591871
Authority: DE
Inventors: Germain Guillemin
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1966-12-28
Filing date: 1967-12-23
Publication date: 1970-09-10
Also published as: US3515985A; GB1180470A; FR91438E; DE1591871B2; CH486705A; NL6717728A; SE330732B

Description

Pari s 16^e/Prankreioh Unser Zeichen; 0 2460

Anordnung zur Messung von Magnetfeldern

Zusatz zur Patentanmeldung 0 34686 IZ d/21 e β DAS 1 234 848

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anordnungen sur Messung von Magnetfeldern» mit einem sättigbaren ferromagnetisohen Kern im Inneren einer einsigen Sondenwioklung, die einerseits mit einem Generator für den Irregungsweohselstrom und andererseits mit einer MeSsohaltung verbunden ist, in

Ot/r

welcher

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welcher die bei jeder Halbwelle des Erregungestromes in der Wicklung entstehenden Spitzenwerte der Sättigungsströme integriert werden und welche an ihrem Ausgang eine der Differenz zwischen den Sättigungs-8tromen'proportionale Spannung abgibt, nach Patent ... (Patentanmeldung 0 34686 IX d/21 e = DAS 1234848).

Das im Hauptpatent beschriebene Magnetometer umfaßt für die Erregung der Sonde einen Generator für sinusförmigen Wechselstrom und eine daran angeschlossene Anpassungsschaltung mit niedrigem Innenwiderstand, wobei die Ankopplungen mittels auf die Generatorfrequenz abgestimmter Übertrager ausgeführt sind. Bei gewissen Anwendungefällen ist es wünschenswert, die Benutzung solcher übertrager zu vermeiden.

Ss ist ein Ziel der Erfindung, die symmetrische Anpaesungssohaltung der erwähnten Anordnung duroh ein· neu· Sohaltung zu ersetzen, bei wtloher Ankopplung·!! mittels abgestimmt« Übertrager nioht vorhanden sind*

ist zur symmetrisch®*» Anpassung zwisoh«B der Sondenwioklang us* "dta ttonarator für den

eine liriiafcaöeohaltuBg Torg«it~

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hen, die in Reihe mit einem Ladewiderstand an den Klemmen einer Diagonale mittels einer Gleichstromquelle gespeist ist, während die Primärwicklung des Erregungsttbertragers der Sonde an die andere Diagonale angeschlossen ist, wobei jeder Brttokenzweig einen unterbrecher enthält und die Unterbrecher der beiden nicht benachbarten Zweige durch die Gen.eratorsignale synchron gesteuert sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungeform der Erfindung ist der Wechselstromgenerator für die Sondenerregung als Multivibrator ausgebildet, der einem bistabilen Multivibrator zugeordnet ist.

Dieser Aufbau der Anpassungsschaltung hat gegenüber der Verwendung abgestimmter Übertrager gewisse Torteile. Die Frequenz des freien Multivibrators kann um etwa + 30 i» schwanken, ohne daß der Betrieb bzw* die Kennwerte des Magnetometers dadurch beeinträchtigt würden. Tatsächlich werden die Form und die Amplitude der Stromimpulse nicht verändert. Kur der Zeitabstand zwischen zwei Impulsen hängt von der Frequenz ab. Bin wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht daher darin, daß sie gegen

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über Frequenzveränderungen des Erregungsgenerators für die Sonde unempfindlich bleibt. Infolgedessen benötigt die Magnetometerschaltung keine Regelung in Abhängigkeit von der Erregungsfrequenz mehr.

Das Magnetfeld kann in Form einer Differential-Gleichspannung am Ausgang zweier Integratorschaltungen erfolgen, wie beim Hauptpatent vorgesehen. Gemäß einer dort bereits angegebenen Anordnung liefert die verstärkte Differenzspannung den Gegenkopplungs-Strom, welcher einen aus der Sekundärwicklung des Erregungsübertragers und der einzigen Wicklung der Sonde bestehenden Kreis durchläuft und welcher darin einen Kompensations-Magnetfluß erzeugt, der das auf die Sonde einwirkende äußere Magnetfeld ausgleicht. Der Erregungs-Stromkreis für die Sonde ist über einen Kondensator geschlossen, der an den Klemmen dieser beiden Wicklungen liegt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, und

00.9837/0338 _yig.

Pig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung von Figur 1.

In der Figur 1 bezeichnet 50 einen Multivibrator, dessen Frequenz beispielsweise 40 kHz beträgt. Er steuert einen bistabilen Multivibrator 51» welcher komplementäre Signale S und S* liefert. Eine Brückenschaltung bildet eine symmetrische Anpassungsschaltung, welche vier Transistoren !D 10 bis T 13 aufweist. Dabei sind die Transistoren T 10 und T 11 von gleichem Typ, beispielsweise npn-Transistören, während T 12 und T 13 Transistoren von komplementärem Typ sind, im Beispiel also pnp-Transistören. Die Kollektoren der Transistoren T 10, T 11 und T 12, T 13 stellen die Klemmen einer Brückendiagonale dar, die in Reihe mit einem Ladewiderstand 53 zwischen einer positiven Spannungsquelle und Masse angeschlossen ist. Die andere Brükkendiagonale zwischen den Emittern der Transistoren T 10, T 12 und T 11, T 13 enthält die Primärwicklung eines Erregungstibertragers 57 für die Sonde 60 sowie einen Kondensator 58. Über zwei Spannungsteiler 54» werden die Signale S, S jeweils der Basis der Transistoren T 10, T 12 bzw. T 11, T 13 zugeführt. Diese Basen sind über einen Kondensator 56 miteinander ver

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bunden, welcher eine Zeitkonstante für das Auftreten der Spannung am Eingang der Brtickenschaltung 52 bewirkt. Eine Weichen- bzw. Trennschaltung 59 umfaßt zwei Transistoren T 14, T 15 von gleicher Art, die über ihre Emitter an den Ladewiderstand 53 angeschlossen sind. Der Basis dieser Transistoren werden jeweils die Signale S bzw. S* zugeführt, und ihre Kollektoren sind mit Anzeige- und Spitzenwert-Integrations-Schaltungen 61, 62 verbunden. Die Ausgänge dieser letzteren sind an einen Gleichstrom-Differentialverstärker 63 angeschlossen. An dessen Ausgangsklemmen 66 liegt einerseits ein Gegenkopplungskreis, der aus einem Widerstand 64, der Sonden-Erregungswicklung 60 und der Sekundärwicklung des Übertragers 57 besteht, und andererseits ein Kondensator 65, über welchen der Erregungsstromkreis für die Sonde geschlossen ist.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist die folgende. Ton dem Multivibrator 50 gehen Raohtecksignsle aus, deren Frauen» durch den bistabilen Multivibrator 51 in der Weise halblere wird, daß r·* iswel Signale S, S νοϊΐ <*^η kHz mit entgegengesetzter Phase liefert. Diese .ale wer&«m den B&ssü der iransiiätoren der Brüoken-

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■ohaltung

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schaltung 52 zugeführt, welche die Rolle von Unterbrechern spielen. Ist "beispielsweise S eine positive Rechteck-Halbwelle, so wird Transistor T 10 gesättigt und T 12 gesperrt; gleichzeitig wird durch die negative Rechteck-Halbwelle Έ der Transistor T 13 gesättigt und T 11 gesperrt. Die Transistoren T 10, T 13 sind auf diese W_eise leitend und der von der positiven Spannungsquelle ausgehende Strom fließt auf dem folgenden Pfad: Transistor T 10, Primärwicklung des Übertragers 57, Kondensator 58, Transistor T 13 und Ladewiderstand 53. Bei der darauffolgenden Halbwelle sind die Transistoren T 10 und T 13 gesperrt, während die Transistoren T 11 und T 12 leitend sind. Der Strom fließt dieses Mal daher auf dem Pfad: Transistor T 11, Kondensator 58, Primärwicklung des Übertragers 57, Transistor T 12 und Ladewiderstand 53. Alle Vorgänge laufen so ab, als ob die Transistoren T 11, T 12 sowie T 10, T 13 gekoppelte Unterbrecher wären, die im Rhythmus der Signale S synchron betätigt werden.

Somit wird die Sondenwicklung 60 von einem Erregungs-Wechselstrom durchflossen, der von der Sekundärwicklung des Übertragers 57 weitergeleitet und dessen Größe so geregelt wird, daß die Sättigung des ferromagnetieohen Sondenkerne mit hoher Permeabilität weitgehend

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erreicht

erreicht wird. Im Augenblick der Sättigung wird die Impedanz der Sonde sehr niedrig, und zwar praktisch gleich dem ohmschen Widerstand ihrer Wicklung. In der Primärwicklung des Übertragers 57 steigt der Strom daher an, bis er nach Aufladung des Kondensators 58 auf Null abfällt.

Ist kein magnetisches G-leichfeld überlagert, so erhält man mithin an dem Ladewiderstand 53 Stromimpulse wie die in Figur 2 angegebenen Impulse I₁, I„. Diese sind aus Symmetriegründen für jede Halbwelle S des Erregungssignals gleich.

Wenn ein äußeres magnetisches G-leichfeld existiert, so addiert sich die in Richtung der Achse des Kerns der Sonde 60 verlaufende Komponente dieses Feldes zu dem Wechselfluß für die eine Reihe von Halbwellen des Erregungsstromes, während sie für die andere Reihe von Halbwellen diesem Wechselfluß entgegengesetzt gerichtet ist. Infolgedessen ist der Betrag, bei dem die Sättigung des Kerns erreicht wird, nicht mehr der gleiche; diese Unsymmetrie drückt sich in einer Ungleichheit der Stromimpulse I₁ und Ig aus, wie aus Figur 3 ersichtlich. Sie Richtung und die Amplitude

der 009837/0338

der Differenz zwischen diesen Strömen ist wie bei der Anordnung nach dem Hauptpatent τοη der Polarität und der Stärke des äußeren, überlagerten Magnetfeldes abhängig.

Um diese Differenz nutzbar zu machen, müssen die Stromimpulse I₁ und I₂ getrennt werden, die sämtlich dem Ladewiderstand 53 zugeführt werden. Hierzu ist die Weichen- bzw. Trennschaltung 59 vorgesehen, in welcher jeder der Transistoren T 14 und T 15 durch die der jeweiligen Basis zugeführten Signale S bzw. 'S abwechselnd leitend bzw. gesperrt wird.

Die in Figur 2 und Figur 3 eingezeichneten Signale Ig₁ und Ig« stellen die Signale dar, welche am Eingang der Integratorschaltungen 61 bzw. 62 auftreten. An ihrem Ausgang 1st die Differenz-Gleichspannung U₁ - U₂ ein Maß für die entlang der Achse der Sonde gerichtete Komponente des äußeren Feldes, in dem die Polarität und die Amplitude dieser Differenzspannung von der Polarität und der Amplitude der genannten Komponente abhängt.

ffaoh Verstärkung duroh den Verstärker 63 kann diese

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Differenzspannung unmittelbar an dessen Ausgangsklemmen 66 gemessen werden. Gemäß einer im Hauptpatent für die Messung an schwachen Feldern vorgesehenen Anordnung kann man auch eine Gegenkopplung verwenden. Die über einen Widerstand 64 zweckmäßig heruntergesetzte Ausgangsspannung des Verstärkers 63 liefert den Gegenkopplungs-Strom an die einzige Sondenwicklung 60, der einen dem überlagerten äußeren Magnetfeld entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt. Der Widerstandswert des Widerstandes 64 bestimmt die Empfindlichkeit des Magnetometers, und der Spannungsabfall an den Klemmen 66 stellt die Ausgangsspannung des Magnetometers dar.

Es ist anzumerken, daß man ohne die Weichen- bzw. Trennschaltung 59 für die Ströme I^, I₂ auskommen könnte, indem anstelle des einen gemeinsamen Ladewiderstandes 53 in di« Kollektorkreise der !Transistoren T 12 bzw. T 13 zwei getrennte, gleichgroße Widerstände gelegt werden. Biess Lösung hat jedoch den Nachteil, daß diese Widerstände sehr genau abgeglichen werden müösen₉ wobei *λτ Abgleioh unter Umständen während des Betriebes infolge der ungleijinSEi Einwirkung verschiedene. Einflußgrößen, insbe-

Bondere 009837/033«

sondere der Temperatur, nicht erhalten "bleibt; dadurch wird eine Drift hervorgerufen, welche die Genauigkeit der Messung "beeinträchtigt.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehenden Merlanale und Vorteile der Erfindung einschließlich konstruktiver Einzelheiten und Verfahrensschritte können auch in beliebigen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Messung von Magnetfeldern, mit einem sättigbaren ferromagnetisehen Kern im-Inneren einer einzigen Sondenwicklung, die einerseits mit einem Generator für den Erregungswechselstrom und andererseits mit einer Meßschaltung verbunden ist, in welcher die "bei jeder Halbwelle des Erregungsstromes in der Wicklung entstehenden Spitzenwerte der Sättigungsströme integriert werden und welche an ihrem Ausgang eine der Differenz zwischen den Sättigungsströmen proportionale Differenzspannung abgibt, nach Patent ... (Patentanmeldung G 34686 ΙΣ d/21 e = DAS 1 234 848), dadurch gekennzeichnet, daß zur symmetrischen Anpassung zwischen der Sekundärwicklung (60) und dem Generator für den Erregungswechselstrom eine Brückenschaltung (52) vorgesehen ist, die in Reihe mit einem Ladewiderstand (53) an den Klemmen einer Diagonale mittels einer Gleichstromquelle gespeist ist, während die Primärwicklung des Erregungsübertragers (57) der Sonde an die andere Diagonale angeschlossen ist, und daß jeder Brüokenzweig einen Unterbrecher enthält, wobei die Unterbrecher der beiden nicht

benaofrb arten 009837/0338

benachbarten Zweige durch die G-enaratorsignale (S, i?) synchron gesteuert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als Multivibrator (50) ausgebildet ist, der einem bistabilen Multivibrator (51) zugeordnet ist, welcher Signale (S, 'S) entgegengesetzter Phase liefert.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecher von Transistoren (T bis T 13) gebildet sind, wobei die Transistoren der beiden nicht benachbarten Zweige (T 10, T 12, bzw. T 11, T 13) von komplementärem Typ sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom bistabilen Multivibrator (51) ausgehenden Signale (S, 3) entgegengesetzter Phase jeweils der Basis von zwei komplementären Transistoren (T 10, T 12 bzw. T 11, T 13) zweier benachbarter Zweige zugeführt sind,

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4> daduroh

gtktnngflohntt 009837/0338

gekennzeichnet, daß in der einen Brückendiagonalen in Reihe mit der Primärwicklung des Erregungsübertragers (57) der Sonde (60) ein Kondensator (58) angeordnet ist.

6. Anordnung naoh einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladewiderstand (53) über zwei die Signale (S, 3) des bistabilen Multivibrators (51) mit entgegengesetzter Phase gesteuerte Unterbrecher mit zwei Anzeige- und Spitzenwert-Integrations-Sohaltungen (61, 62) verbunden ist.

7· Anordnung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Unterbrecher aus zwei !Transistoren (T 14, T 15) gleiohen Type bestehen.

8. Anordnung naoh einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differensspannung der Ausgänge (66) der beiden Integrations-Sohaltungen (61, 62) über einen (Jleiohstrom-Differentialverstärker (63) einen Gegenkopplungs-Gleiche troin liefert, welcher die Sondsnwioklung (60) lowie die Sekundärwicklung de· Erregerübertragers (57) durchfließt, wobei ein Eondeneafcftr (6?) an di* KLem^sn dieser beiden Wiokangeaohlosaeii ißt.

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