-
Die Erfindung betrifft eine Gradientensonde mit zwei im Abstand voneinander
angeordneten Richtungs-Magnetfeldmeßelementen, deren Achsen jeweils ungefähr parallel
zu einer vorbestimmten Achse verlaufen, die fest an einem steifen, nichtmagnetischen
Träger angebracht sind und mindestens einen Oszillator zur Anlegungvon Kernsättigungs-Anregungsschwingungen
sowie Meßgeräte zur Abgabe eines Differenz-Ausgangssignals aufweisen, und mit an
die Magnetfeldmeßelemente gekoppelten Neutralisierspulen, die Magnetfelder erzeugen,
auf welche die Magnetfeldmeßelemente ansprechen.
-
Magnetische Gradientensonden mit sättigungsfähigem Kern bestehen
gemäß einer bekannten Ausführungsform (USA.-Patentschrift 2 834 939) aus mindestens
zwei elektrisch aufeinander abgestimmten Magnetfeld-Meßelementen, die derart an
einem nichtmagnetischen Tragteil angebracht sind, daß ihre magnetischen Achsen theoretisch
genau parallel zueinander stehen, während jedoch die von den beiden Meßelementen
abgegebenen Signale einander entgegengesetzt sind. Wenn daher der Tragteil in beliebiger
Richtung in einem gleichförmigen Magnetfeld angeordnet wird, wirken auf die beiden
Meßelemente gleich große Magnetfeld-Komponenten ein, und es ergibt sich insgesamt
eine Nullanzeige.
-
Falls sich innerhalb des Meßbereichs des Instruments ein magnetischer
Gegenstand befindet, wirkt im allgemeinen auf das eine Meßelement ein stärkeres
Magnetfeld als auf das andere, so daß das Gerät ein Netto-Differenzsignal liefert,
welches das Vorhandensein des magnetischen Gegenstands anzeigt.
-
Zur Gewährleistung genauer Arbeitsweise müssen die magnetischen Achsen
der beiden Meßelemente jedoch genau parallel ausgerichtet sein. Die geforderte Genauigkeit
liegt im Bereich von drei Bogensekunden, wenn das durch die Mißausrichtung der magnetischen
Achsen hervorgerufene Fehlersignal kleiner sein soll als ein Gamma (10-S Gauß) in
einem Umgebungs-Magnetfeld von 60 000 Gamma. Falls die magnetischen Achsen der beiden
Meßelemente nicht genau parallel sind, ist die Komponente des längs der Magnetachse
des einen Meßelements vorhandenen gleichförmigen Umgebungs-Magnetfelds nicht gleich
der Komponente des längs der Magnetachse des anderen Meßelements vorhandenen Magnetfelds.
Der Unterschied zwischen den beiden Signalen der Meßelemente ist dann nicht Null,
so daß infolge dieser mechanischen Mißausrichtung ein Fehlersignal erhalten werden
kann.
-
Bei herkömmlichen Drossel- Gradientensonden (USA.-Patentschrift 2
966 853) werden mechanische Einrichtungen zur Hervorbringung der kritischen Ausrichtung
der Meßelemente verwendet. Typischerweise werden hierbei die Meßelemente in ein
Rohr eingebaut, das je nach den Erfordernissen geringfügig verbogen wird, um die
richtige Ausrichtung der Meßelemente zu erzielen. Durch das Biegen gelangt das Rohr
unter eine Spannung, die sich mit der Zeit aufhebt und zu einer Mißausrichtungder
Meßelemente führen kann, so daß sich Meßungenauigkeiten ergeben.
-
Weiterhin ist eine Gradientensonde bekannt (USA.-Patentschrift 2
996 663), bei welcher die Meßelemente in einem teilweise biegbaren Rohr vorgesehen
sind.
-
Zur Ausrichtung der Meßelemente werden mechanische Einrichtungen benutzt.
Eine andere Gradientensonde dieser Art (USA.-Patentschrift 3 286 169) verwendet
im wesentlichen zwei Meßeinheiten, welche derart in ein Netzwerk eingebaut sind,
daß Spannungen erzeugt
werden, welche der Differenz aus den beiden elektromagnetischen
Kräften an den Meßelementen proportional ist. Dabei werden die Detektoren mechanisch
beansprucht, um eine Verschiebung ihrer Achsen zu erreichen.
-
Zur Bildung einer automatischen Kompensationsvorrichtung in Anwendung
bei Magnetfeldfühlanordnungen (USA.-Patentschrift 3 311 821) wurde bereits der Versuch
gemacht, zwei Kompensatoren und eine Fühlanordnung zusammenzuschalten, wobei insbesondere
beim Auftreten von Interferenz-Magnetfeldern der durch die Fühlanordnung hervorgerufene
Fehler auf einen vernachlässigbaren Wert gebracht wird. Nachteiligerweise ergeben
sich hierbei jedoch wegen der nicht axialen Zuganordnungen der Kompensationsspulen
zueinander nicht vernachlässigbare Meßungenauigkeiten.
-
Bei einem anderen Meßgerät (USA.-Patentschrift 3 040 248) zur Messung
des magnetischen Flusses, welches sich speziell zur Messung bei schwachen magnetischen
Feldern eignet, arbeitet das Durchflußmeßgerät bzw. die Gradientensonde in Verbindung
mit einem Magnetverstärker, einem magnetischen Spannungsstabilisator, einem Modulator
usw. und erfordert damit einen erheblichen Aufwand an Zusatzgeräten.
-
Es ist auch bereits ein Gerät zur Messung von magnetischen Feldstärken
unter Verwendung von zwei Magnetometern bekannt. (USA.-Patentschrift 2 696 602),
bei welchem das eine Magnetometer mechanisch an das andere Magnetometer gekoppelt
ist und zu dessen Kontrolle dient. Diese Meßanordnung spricht jedoch nur auf langsame
Änderungen des Magnetfeldes an und ermöglicht keine präzisen Meßergebnisse, da entsprechende
Spulenkörper auch hier nicht axial zueinander angeordnet sind.
-
Weiterhin ist es bekannt, durch einen über ein Dämpfungsglied geführten
Strom ein zweites magnetisches Feld zur Kompensation einer Magnetfeld-Differenz
an zwei Spulen zu erzeugen (USA.-Patentschrift 2 520 677), bei ungleichförmigen
Magnetfeldern einen magnetischen Meßwertgeber in die dem Feld entsprechende Lage
einzupendeln (USA.-Patentschrift 2 491 736), oder Magnetometer mit Hilfe eines Motors
in eine Balancestellung bzw. Orientierungsmittel in eine Kompensierstellung zu verbringen
(USA.-Patentschrift 2 490 102 bzw. USA.-Patentschrift 2488389).
-
Aufgabe der Erfindung demgegenüber ist es, eine Meßvorrichtung zu
schaffen, bei welcher zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und Empfindlichkeit die Gleichheit
der von den Meßelementen abgegebenen Signale ohne mechanische Beanspruchung oder
mechanische Einstellung des Aufbaus, an welchem die Meßelemente angebracht sind,
erzielt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei zusätzliche
Richtungs-Magnetfeldmeßelemente, deren Achsen senkrecht zueinander und zur vorbestimmten
Achse stehen und die mit mindestens einem Oszillator zum Anlegen von Kernsättigungs-Anregungsschwingungen
und mit Leitungen zur Abgabe von Ausgangssignalen versehen sind, sowie eine elektrische
Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Gleichströmen in den Neutralisierspulen in
Abhängigkeit von den von den weiteren Richtungs-Magnetfeldmeßelementen gelieferten
Signalen vorhanden sind, welche in den beiden Haupt-Magnetfeldmeßelementen Magnetfelder
induzieren, die dem Unterschied des
Magnetfelds längs der Achsen
der beiden Haupt-Magnetfeldmeßelemente proportional sind, wenn sich letztere in
einem gleichförmigen Magnetfeld befinden.
-
Die Gradientensonde kann auf einem steifen, spannungsfreien Bauteil
angeordnet sein, wobei lediglich darauf zu achten ist, daß die Richtung der Magnetachsen
der Meßelemente um weniger als 5 Bogenminuten voneinander abweichen und daß die
Meßelemente auf solche Weise starr am tragenden Bauteil befestigt sind, daß letzterer
möglichst keiner Spannung bzw. Beanspruchung unterworfen ist. Die restliche Miß
au srichtung wird dann elektrisch korrigiert, so daß vorteilhafterweise durch die
erfindungsgemäße Gradientensonde eine automatische Berichtigung unabhängig von Richtung
und Stärke des umgebenden Magnetfelds gewährleistet wird.
-
Im folgenden ist die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 bis 4 mathematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Grundgedankens
der Erfindung und F i g. 5 eine teilweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung
einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
-
Vor der Erläuterung der konstruktiven Einzelheiten einer speziellen
Ausführungsform der Erfindung sei auf die mathematischen Aspekte des der Erfindung
zugrunde liegenden Problems eingegangen.
-
In F i g. 1 bedeutet der Buchstabe A die Magnetachse des einen und
der Buchstabe B die Magnetachse eines zweiten Richtung-Meßelements. Die Magnetachse
A liegt genau parallel zur Linie X-X, wobei der Ausdruck »parallel« die Bedeutung
»koaxial« einschließen soll, während die Magnetachse B unter einem kleinen Winkel
8 zur Linie X-X steht. Der Magnetfeldvektor H steht unter einem Winkels zur Linie
X-X.
-
Zur anfänglichen Vereinfachung der mathematischen Berechnung sei
angenommen, daß der Winkel und der Vektor H beide in der XZ-Ebene liegen.
-
Dann wirkt auf die Achse A die Magnetfeldkomponente HA = H cos 0 und
auf die Achse B die Magnetfeldkomponente Hg = H cos (O--s) ein. Die letztgenannte
Beziehung läßt sich auch durch die Gleichung Hg = H cos (9 cos 8 + H sin 0 sin 8
ausdrücken.
-
Wenn angenommen wird, daß e einen kleinen Winkel in der Größenordnung
einiger Bogenminuten darstellt, ist in der Praxis cos 8 1,0000, so daß sich der
Ausdruck für Hg wie folgt vereinfacht: lIB Hcos 0 + Hsin 0 sin 8.
-
Die Differenz He zwischen den auf die Achsen A und B einwirkenden
Magnetfeldkomponenten ist dann H=H-H=Hcos0+Hsin0sin -H cos zu = H sin 0 sin e.
-
Der Winkel 8 bewirkt also, daß das magnetische Gradiometersystem
ein Fehlersignal erzeugt, welches dem Ausdruck He = H sin 0 sin e proportional ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist die Ausschaltung dieses Fehlersignals auf
die in Verbindung mit dem Diagramm gemäß F i g. 2 erläuterte Weise.
-
Die in F i g. 2 dargestellte Situation entspricht derjenigen gemäß
F i g. 1 mit dem Unterschied, daß ein Richtung-Meßelement vorgesehen ist, dessen
Achse M senkrecht zur Linie X-X in der Ebene X-Z liegt. Die
längs der Achse M wirkende
Magnetfeldkomponente HM hat die Größe HM = H sind 0.
-
Ersichtlicherweise unterscheidet sich HM I nur durch den Faktor sin
e von Hs, so daß die von dem die Achse M besitzenden Meßelement erzeugten Meßsignale
zur Kompensation oder Unterdrückung der Wirkung von H8 ausgenutzt werden können.
-
Wie später noch deutlicher werden wird, läßt sich dieses Ergebnis
durch Verwendung eines die Achse B umschließenden Solenoids erzielen, das von einem
durch das kompensierende Meßelement erzeugten Gleichstrom durchflossen wird, welcher
so eingestellt wird, daß das durch ihn auf der Achse B erzeugte Magnetfeld gleich
-H, = -H sin 0 sin e ist.
-
Andererseits kann aber auch eine ähnliche Anordnung zur Berichtigung
von Winkelfehlern des Meßelements mit der Achse A durch Einfügung eines anderen,
senkrecht zu den Achsen M und X-X stehenden Meßelements geschaffen werden.
-
Die vorstehenden Betrachtungen stellen eine äußerst vereinfachte
mathematische Analyse der tatsächlichen Verhältnisse dar. Im folgenden wird eine
vollständigere Darstellung an Hand der F i g. 3 und 4 geben.
-
In Fig.3 ist ein Rechteck-Koordinatensystem veranschaulicht, bei
welchem der Magnetfeldvektor H unter einem Winkel 1 gegenüber der Ebene X- Y steht.
-
Die Projektion H cos I auf der Ebene X- Y liegt unter einem Winkel
0 gegenüber der X-Achse. Das Magnetfeld H besitzt also in dem rechtwinkligen Koordinatensystem
folgende Komponenten: Hx = H cos 1 cos 0 parallel zu O-X Hy = H cos I sin 0 parallel
zu O-Y Hz = H sin I parallel zu O-Z.
-
Diese Komponenten werden in Verbindung mit F i g. 4 verwendet.
-
Gemäß F i g. 4 befindet sich die Achse M eines magnetischen Richtung-Meßelements
parallel zur Achse ZZ und die Achse N eines anderen Meßelements dieser Art parallel
zur Achse Y-Y. Die Achse A ist unter einem Winkel y gegen die Achse X-X und die
Achse B ist - wie im Fall von F i g. 1 - unter einem Winkel 8 gegen die Achse X-X
geneigt. Die Komponenten Hx, Hy und Hz eines Magnetfeldvektors H, beispielsweise
des Erdmagnetfelds, verlaufen parallel zu den Achsen X-X, Y-Y bzw. Z-Z.
-
Es sei angenommen, daß diese Komponenten über das ganze System gemäß
F i g. 4 hinweg gleichmäßig sind.
-
Wie erwähnt, ist die Achse B unter einem Winkel e gegen die Achse
X-X geneigt. Die Projektion der Achse B in die Ebene X- Y bildet einen Winkel a
mit der Achse X-X, und die Achse B bildet einen Winkel b mit der Ebene X-Y.
-
Weiterhin ist, wie erwähnt, die Achse A unter einem Winkel y gegen
die Achse X-X geneigt. Die Projektion der Achse A in die Ebene X- Y bildet einen
Winkel c mit der Achse X-X, und die Achse A bildet einen Winkel d mit der Ebene
X-Y.
-
Die durch die Projektion von Hx, Hy und Hz auf die Achse B erhaltene
Komponente HB genügt der Gleichung = = Hx cos 8 + Hy sin a cos b + Hz sin b, während
die durch die Projektion der Komponenten Hx, Hy und Hz auf die Achse A erhaltene
Komponente HA der Gleichung HA = Hx cos y + Hy sin c cos d + Hz sin d
genügt.
Dann ergibt sich für den Unterschied zwischen den Magnetfeldkomponenten längs der
Achsen B und A HE = HB-HA = HZ (cos 8-cos 7) + HY (sin a cos bsin c cos d) + Dz
(sind b-sind).
-
Alle diese Winkel sind sehr klein, so daß ihr Cosinus in der Praxis
als positiv und gleich 1 angenommen werden kann, während ihr Sinus je nach der Richtung,
in welcher diese Winkel gebildet sind, entweder positiv oder negativ sein kann.
Unter diesen Voraussetzungen vereinfacht sich der Ausdruck für HE wie folgt: HE
= HY (sin a-sin c) + Hz (sin b-sin d).
-
Gemäß Fig. 4 ist die Komponente des Magnetfelds Iängs der Achse M
gleich Ez und längs der Achse N gleich Hr. Infolgedessen kann das von einem Meßelement,
dessen Magnetachse durch eine Achse N gebildet wird, zur Kompensation des Teils
des auf den Ausdruck Hy (sin a-sin c) zurückzuführenden Teils des Fehlerfelds HE
benutzt werden. Auf ähnliche Weise kann das von dem Meßelement, dessen Magnetachse
durch die Achse M gebildet wird, zur Kompensation des auf den Ausdruck Hz (sin b-sin
d) zurückzuführenden Teils des Fehlerfelds HE ausgenutzt werden.
-
Gemäß F i g. 3 ist die Komponente Hz eine Funktion des Magnetfelds
H und der Richtungswinkel O und I, während die Komponente Hz eine Funktion der Feldstärke
H und des Winkels I ist. Aus diesem Grund gewährleistet das System eine automatische
Berichtigung unabhängig von der Stärke und Richtung des umgebenden Magnetfelds H.
-
In F i g. 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt.
Der in dieser Figur dargestellte Gradiometer weist vier Richtung-Magnetfeldmeßelemente
10, 11, 12, 13 auf, deren Magnetachsen mit A, B, M bzw. N bezeichnet sind. Die Meßelemente
10 und 11 sind die eigentlichen Magnet-Gradientmeßelemente, während die Meßelemente
12 und 13 zur Kompensation von Ausrichtfehfern zwischen den Meßelementen 10 und
11 dienen.
-
Die Meßelemente 10 und 11 sind mit Abstand voneinander längs der
Koordinatenachse X-X angeordnet und können an einem nichtmagnetischen Rohr T od.
dgl. steifen Tragteil beispielsweise mittels eines Klebstoffs befestigt sein, der
eine Mindestbeanspruchung bzw. -spannung auf den Tragteil ausübt. Auf ähnliche Weise
können die Meßelemente 12 und 13 mittels I (lebstoffs an einer nichtmagnetischen
Platte P befestigt sein, die senkrecht zur Achse X-X starr am Ende des Rohrs T befestigt
ist. Die Achsen A und B verlaufen unter einem Winkel von bis zu fünf Bogenminuten
parallel zur Achse X-X, während die Achsen M und N so senkrecht zueinander und so
senkrecht zur Achse X-X angeordnet sind wie es praktisch möglich ist. Ein Orthogonalfehler
der Achsen M und N von maximal 1/4 Grad ist zulässig.
-
Die Meßelemente können Drosselelemente gemäß der USA.-Patentschrift
2 981 885 oder von einem beliebigen anderen Typ sein. Obgleich die Einzelheiten
der Meßelemente keinen Teil der Erfindung darstellen, sei aus Gründen der Erläuterung
angenommen, daß jedes Meßelement einen rohrförmigen Kern aus magnetisch durchlässigem
Material mit einer in Längsrichtung durch den Kern hindurchgewickelten Erregerwicklung
und einer in Umfangsrichtung um den Kern herumgewickelten Signal-Abnahmewicklung
aufweist.
-
Die nicht dargestellten Erregerwicklungen werden
durch einen Oszillator
0 mit Wechselstrom gespeist.
-
Die sekundären harmonischen Magnetflüsse, die in den Kernen infolge
der Einwirkung eines längs der Kernachsen wirkenden äußeren Magnetfelds erzeugt
werden, schneiden die nicht dargestellten Abnahmewicldungen und erzeugen in diesen
sekundäre harmomonische Ausgangsspannungen. Die von den Meßelementen 10 und 11 abgegebenen
Spannungen werden in Differenzschaltung in ein Meßgerät Q, beispielsweise ein Wechselstrom-Voltmeter,
eingespeist, so daß dieses in einem gleichförmigen Magnetfeld Null anzeigt, wenn
die Meßelemente 10 und 11 aufeinander abgestimmt und die Achsen A und B genauestens
aufeinander ausgrichtet sind, Das Meßelement 12 erzeugt eine Spannung, deren Größe
der Intensität des längs seiner Magnetachse M wirkenden Magnetfelds Hz proportional
ist und deren Phase von der Richtung des Magnetfelds Hz abhängt.
-
Diese Spannung wird über Leitungen 14 einer elektronischen Einheit
15 zugeführt, die einen Gleichrichter aufweist und über Leitungen 16 und 17 eine
Gleichspannung abgibt, welche der Intensität des Magnetfelds Hz proportional ist
und deren Polarität von der Richtung des Magnetfelds Hz abhängt. Diese Gleichspannung
wird über einen Umschalter 22 und Leitungen 19, 20, von denen letztere einen einstellbaren
Widerstand 21 enthält, einer Neutralisierspule 18 zugeführt, welche den Kern des
Meßelements 11 umgibt.
-
Der durch die Spule 18 fließende Gleichstrom erzeugt ein Magnetfeld,
das parallel zur Achse B des Meßelements 11 liegt und dessen Richtung unmittelbar
von der Richtung der Magnetfeldkomponente Hz abhängig ist. Das zunächst bestehende
Verhältnis der Polarität des in der Spulel8 erzeugten Magnetfelds zur Richtung der
Komponente Hz wird durch die Richtung bestimmt, in welche der Umkehrschalter 22
umgelegt ist, während das Größenverhältnis zwischen dem Magnetfeld Hz und dem in
der Spule 18 erzeugten Magnetfeld durch ein im Ausgangskreis der elektronischen
Einheit 15 vorhandenes Dämpfungsglied bestimmt wird, das durch den Regelwiderstand
21 dargestellt ist. Auf diese Weise kann das parallel zur Achse B erzeugte Magnetfeld
in seiner Intensität der Komponente Hz (sin b - sin d) gleich gemacht, jedoch entgegengesetzt
zu dieser gerichtet werden.
-
In F i g. 5 ist eine ähnliche Anordnung bezüglich der Achsen A und
N dargestellt, deren Teile mit Bezugsziffern mit angehängtem Indexstrich versehen
sind und die dazu dient, in einer um das Meßelement 10 herumgelegten Spule 18' ein
Magnetfeld zu erzeugen, das dieselbe Intensität wie die Komponente Hy (sin a - sin
c) besitzt, dieser jedoch entgegengesetzt gerichtet ist.
-
Die das Meßelement M enthaltende Anordnung kompensiert somit eine
Mißausrichtung der Achsen A und B in der Ebene X-Z, während die das Meßelement N
enthaltende Anordnung Mißausrichtungen der Achsen A und B in der Ebene X-Y kompensiert.
-
Das Gerät läßt sich leicht mittels der Widerstände 21 und 21' einstellen
bzw. abgleichen, so daß das Anzeigeinstrument Q eine größere Anzeige liefert, wenn
sich die Meßelemente in einem gleichförmigen Magnetfeld befinden, und zwar unabhängig
von der Intensität oder Richtung des Magnetfelds.
-
Obgleich vorstehend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich innerhalb
des Rahmens der Erfindung zahlreiche Änderungen und
Abwandlungen
möglich. Beispielsweise können die von den Meßelementen 10 und 11 gelieferten Fehlausrichtungssignale
sowie die von den Meßelementen 12 und 13 gelieferten und an die diese zwecks Unterdrückung
der Fehlausrichtungssignale weiterverarbeitenden Stromkreise angelegten Spannungen
angezeigt werden.