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Die
Erfindung betrifft einen Kalibriergenerator zur Kalibrierung von
Magnetfeldsonden, insbesondere Magnetometern oder Gradiometern,
mit einer Messstation und mit einer elektronischen Steuerung, wobei
die Messstation eine Halterung für
ein Sensorrohr des zu kalibrierenden Magnetfeldsensors und mindestens
eine Kalibrierspule aufweist, die ein definiertes magnetisches Feld
im unmittelbaren Bereich der Magnetfeldsonde erzeugt, welches von
einem Magnetfeldsensor der Magnetfeldsonde in einem Kalibriermodus
als Flussdichte mittels Induktion gemessen wird und dessen Messwerte
von seinem Steuerteil mit einer Auswertelektronik verarbeitet und an
Schnittstellen zur Übertragung,
Speicherung und/oder Auswertung bereit gestellt werden.
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Magnetfeldsonden,
insbesondere Magnetometer oder Gradiometer, sind Präzisionsmessmittel, welche
im Fall der Kampfmittelbeseitigung in der Gefahrenabwehr eingesetzt
werden. Der Eindeutigkeit und Zuverlässigkeit derartiger Magnetfeldsonden kommt
dahingehend besondere Bedeutung zu, als dass die am Messpunkt gemessene
Größe tatsächlich der
dort vorhandenen magnetischen Flussdichte entspricht. Demzufolge
ist die Funktionsfähigkeit
der Magnetfeldsensoren anhand eines Kalibriergenerators in regelmäßigen Zeitabständen zu
prüfen
und nachzuweisen. Hersteller von Magnetfeldsonden geben dazu an,
nach welchen Ereignissen und nach welchen Zeiten sie eine Kontrolle
der Magnetfeldsonden mit dem Kalibriergenerator im Sinne des bestimmungsgemäßen Gebrauchs
als erforderlich erachtet. Als Teil der Benutzerinformation macht
der Hersteller die gerätespezifischen
Angaben und gibt die Anweisungen für den Kalibriervorgang vor.
Des Weiteren legt er fest, welche Maßnahmen der Mängelbehebung
bei bestimmten Feststellungen und Abweichungen von den Sollwerten
zu ergreifen sind.
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Bekannte
Magnetometer (Gradiometer) verfügen
manchmal über
fest eingebaute Kontrollfunktionen, die hinsichtlich der Zielsetzung
einem Kalibriergenerator entsprechen können. Durch eine eingebaute
Spule wird ein definiertes magnetisches Feld im unmittelbaren Bereich
des Magnetfeldsensors erzeugt, welches vom Magnetometer im Kalibriermodus
als Flussdichte mittels Induktion gemessen wird und dessen Messwerte
in seinem eigenen fest eingebauten Steuerteil zur Anzeige gebracht und/oder
mit den fest programmierten Solldaten verglichen werden. Das Magnetometer
zeigt dem Bediener die Fehlfunktion an, wenn die Solldaten nicht
erreicht werden. Das im Kalibriermodus erzeugte Feld muss die Eigenschaft
aufweisen, wonach dessen Flussdichte mit zunehmendem Abstand in
der dritten Potenz abfällt.
Magnetometer stellen die Messdaten der magnetischen Flussdichte
in Echtzeit an einer geeigneten Schnittstelle bereit. Als geeignete Schnittstellen
dienen sowohl kalibrierte analoge Ausgangsspannungen als auch serielle
Schnittstellen. Die entsprechenden Messdaten werden vom Magnetometer
selbst oder von einem mit ihm mittelbar oder unmittelbar verbundenen
Datenspeicher (Datenlogger) abgespeichert. Derartige Kontrollfunktionen
weisen meist nur einen Kalibrierpunkt auf, weswegen die fest eingebaute
Kontrollfunktion nur bedingt zur Kalibrierung verwendbar ist. Sie
eignen sich mehr für eine
Funktionsprüfung
vor oder nach dem Einsatz von Magnetfeldsonden.
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Einige
Hersteller von Magnetfeldsonden liefern auch Kalibrierstäbe zur Überprüfung ihrer
Geräte
durch den Nutzer. Diese Kalibrierstäbe haben einen vom Hersteller
nach dessen Gutdünken
festgelegten Aufbau. Sie sind beispielsweise als dünner Stab
mit einer Länge
von etwa 400 mm ausgebildet und weisen einen Dauermagneten unbekannter
Remanenz, eingebaut in der unteren Spitze des Stabes, sowie eine
Abplattung am oberen Ende des Stabes zum Aufsetzen der Magnetfeldsonde
auf. Das bestimmte Magnetfeld des Dauermagneten wirkt auf die Magnetfeldsensoren
der Magnetfeldsonde ein, die, um als kalibriert zu gelten, dabei
einen vom Hersteller benannten Messwert anzeigen muss. Kontrollmessungen
willkürlich
ausgewählter
Kalibrierstäbe von
unterschiedlichen Herstellern haben eine stark variierende Flussdichte
ergeben. Zudem können
sich die magnetischen Werte derartiger Eichstäbe durch unsachgemäße Handhabung,
beispielsweise durch Schläge
oder falsche Lagerung, verändern.
Hieraus folgt, dass Eichstäbe, über deren
Eigenschaften der Nutzer keine Kenntnis hat und deren Güte auch
keiner Prüfung
unterliegt, für
Kalibrierungszwecke wertlos sind. Zudem zeigen die Messungen, dass
die eingebauten Dauermagnete in keiner Weise dem angenommenen Modell
eines Feldes, welches in der dritten Potenz mit dem Abstand abnehmen
soll, genügt. Daher
sind keinerlei weitere Aussagen über
die Genauigkeit der Magnetfeldsonde möglich, als bei diesem vorgegebenen
Messabstand.
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Um
die magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes der Erde tatsächlich messen
zu können,
bedarf es einer einheitlichen, definierten Kalibrierung der Messmittel
Magnetometer. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen
Kalibriergenerator vorzuschlagen, der die bislang verwendeten Eichstäbe mit unspezifizierten
Eigenschaften ablöst
und der eine Kalibrierung an einer Anzahl von Kalibrierpunkten mit
definierten, im Kalibriergenerator hinterlegten Feldstärkewerten
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Kalibriergenerator mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
erfindungsgemäße Kalibriergenerator
ist als eigenständiges
Testgerät
oder in Verbindung mit einem PC/Laptop konzipiert, um insbesondere
Differenzfeldsonden zu überprüfen bzw.
zu eichen. Es weist eine Messstation und eine elektronische Steuerung
auf, wobei die Messstation eine Halterung für ein Sensorrohr der zu kalibrierenden
Magnetfeldsonde und mindestens eine Kalibrierspule umfasst, die ein
definiertes magnetisches Feld im unmittelbaren Bereich der Magnetfeldsonde
erzeugt, welches von einem Magnetfeldsensor der Magnetfeldsonde
in einem Kalibriermodus als Flussdichte mittels Induktion gemessen
wird und dessen Messwerte von seinem Steuerteil verarbeitet und
an Schnittstellen zur Übertragung,
Speicherung und Auswertung bereitgestellt werden. Die Messstation
des Kalibriergenerators umfasst dazu im Wesentlichen zwei in axialer
Richtung voneinander beabstandete Abgleichköpfe, die die Kalibrierspulen
aufweisen, und deren Abstand voneinander variabel einstellbar ist.
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Mit
den zwei Abgleichköpfen,
die die Kalibrierspulen tragen, kann die Mitte eines bzw. beider Magnetfeldsensoren
bestimmt werden. Wird von beiden Magnetfeldsensoren die Mitte nacheinander
ermittelt, ohne das Sensorrohr nach dem Auffinden der zuerst ermittelten
Sensormitte relativ zu dem zugeordneten Abgleichkopf zu verschieben,
so kann an der Stellung der Abgleichköpfe die Sondenbasis als Abstand
der Magnetfeldsensoren abgelesen werden. Für die Bestimmung der Sondenmitte
bzw. Sondenbasis sollte mindestens einer der beiden Abgleichköpfe verschiebbar
sein. Durch den verschiebbaren Abgleichkopf des Kalibiergenerators
lassen sich Magnetfeldsonden mit unterschiedlichen Magnetfeldsensorabständen, beispielsweise
unterschiedlicher Gerättypen
oder Geräte
von unterschiedlichen Herstellern, prüfen.
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Vorteilhafterweise
weisen die Abgleichköpfe zwei
voneinander getrennte Kalibrierausrichtspulen zur Bestimmung der
Sensormitte der Magnetfeldsensoren auf und eine mittig dazwischen
angeordnete Kalibriereichspule zur Eichung der Magnetfeldsonde.
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Zu
der Feststellung der Sensormitte der Magnetfeldsensoren wird zuerst
das Sensorrohr der Magnetfeldsonde in die Messstation eingelegt,
wobei Abstandshalter verwendet werden, die eine genaue konzentrische
Positionierung des Sensorrohrs, insbesondere der Magnetfeldsensoren
in den Kalibrierspulen der Abgleichköpfe bewirken. Die Auswahl des entsprechenden
aktiven Abgleichkopfes erfolgt durch die Steuerung des Kalibriergenerators.
Das Steuerteil für
die Magnetfeldsensoren wird nun eingeschaltet und der Nullabgleich
(Kompensation) durchgeführt.
Dabei wird ein konstanter Strom durch die zwei voneinander getrennten,
gegeneinander geschalteten Kalibrierausrichtspulen innerhalb eines
Abgleichkopfes geleitet. Befindet sich der jeweilige Magnetfeldsensor
der Magnetfeldsonde exakt in der Mittelebene zwischen den beiden
Kalibrierausrichtspulen, so ist an der Magnetfeldsonde kein Messeffekt
ersichtlich, da die Felddifferenz der beiden Kalibrierausrichtspulen
Null ist. Zeigt die Magnetfeldsonde einen Messwert an, muss das
Sensorrohr und/oder der entsprechende Abgleichkopf verschoben werden. Nachdem
die Mitte eines Magnetfeldsensors ermittelt ist, kann in gleicher
Weise die Mitte des anderen Magnetfeldsensors auch bestimmt werden.
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Vorzugsweise
ist das Sensorrohr der Magnetfeldsonde in der Messstation relativ
zu den Abgleichköpfen
verschiebbar. Dies ermöglicht
die Bestimmung der Sondenbasis auch dann, wenn die Messstation nur
einen verschiebbaren Abgleichkopf aufweist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Flussdichte in der Messstation mit der Steuerung
des Kalibriergenerators frei einstellbar. Die Feldstärkewerte
können
dabei mit 10er- bzw. 100er-Stufen im Bereich zwischen 0 und 990
nT eingestellt werden. Bei der Eichung wird der Konstantstrom für das Magnetfeld
nicht mehr durch die gegeneinander geschalteten Kalibrierausrichtspulen,
sondern durch die zwischen diesen befindliche Kalibriereichspule
geführt.
An einer Anzeige der Magnetfeldsonde kann der entsprechende Messwert
kontrolliert werden. Die Richtung des Konstantstromes ist umkehrbar,
so dass durch das Steuerteil der Magnetfeldsonde ein positiver und
ein negativer Messwertvergleich durchgeführt werden kann.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Steuerung des
Kalibriergenerators eine Anzahl von definierten abrufbaren Feldstärkewerten hinterlegt
ist. Die hinterlegten Feldstärkewerte
sind zur manuellen oder vollautomatischen Kalibrierung der Magnetfeldsonde
verwendbar. Mit ihnen kann eine Kalibrierung unter vorbestimmten
reproduzierbaren Bedingungen erfolgen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein analoges oder ein digitales Ausgangssignal
einer Auswerteelektronik der Magnetfeldsensoren in die Steuerung
des Kalibriergenerators einkoppelbar. So können Sensorrohre mit einem
analogen Signalausgang direkt mit dem Kalibriergenerator verbunden
werden. Das analoge Eingangssignal wird in der Steuerung des Kalibriergenerators
digital gewandelt und mit einem Referenzwert entsprechend dem Konstantstrom
für die
Kalibriereichspule verglichen. Abhängig von der Größe der Abweichung,
unter Berücksichtigung
der Toleranz, wird ein akustisches und/oder optisches Signal ausgegeben.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Messstation und/oder
die Steuerung des Kalibriergenerators über einen Personal Computer fremdsteuerbar
ist. Durch die Fremdsteuerung über den
PC und die Messdatenwandlung in der Steuerung des Kalibriergenerators
kann die Überprüfung bzw.
Eichung und die Protokollierung der zugehörigen Kalibrierdaten automatisch
erfolgen. Das Protokoll kann in der Steuerung des Kalibriergenerators und/oder
dem Personal Computer gespeichert sein und ist als Kalibriertabelle
bzw. Kalibrierkurve ausdruckbar.
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Die
Kalibrierung der Magnetfeldsonde erfolgt dabei mit den folgenden
Schritten:
- A Positionieren des Sensorrohres der Magnetfeldsonde
konzentrisch zu den Kalibrierspulen in der Messstation des Kalibriergenerators;
- S Feststellen der Sensormitte eines ersten Magnetfeldsensors
der Magnetfeldsonde mit einem ersten zugeordneten Abgleichkopf,
der zwei voneinander beabstandete Kalibrierausrichtspulen aufweist;
- C Feststellen der Sensormitte eines zweiten Magnetfeldsensors
mit einem zweiten, dem ersten ähnlichen Abgleichkopf;
- D Feststellen des Sensorabstandes der beiden Magnetfeldsensoren
als Sondenbasis;
- E Protokollieren der Messdaten manuell in einem Kalibrierformular
und/oder automatisch in einem elektronischen Speicher der Steuerung
des Kalibriergenerators und/oder einer PC-Fremdsteuerung;
- F Einprägen
eines ersten vorbestimmten Eichstromes für eine durch Induktion zu messende
Flussdichte in eine mittig zwischen den Kalibrierausrichtspulen angeordneten
Kalibriereichspule der beiden Abgleichköpfe, entsprechend einem definierten
Feldstärkewert
eines Magnetfeldes;
- G Ermitteln der zugehörigen
Messwerte der beiden Magnetfeldsensoren der Magnetfeldsonde und
Protokollieren der Einpräge-
und Messdaten manuell in einem Kalibrierformular und/oder automatisch
in der Steuerung und/oder der Fremdsteuerung des Kalibriergenerators;
- H Vergleichen der ermittelten Messwerte mit den eingeprägten Feldstärkewerten,
manuell und/oder automatisch, und Signalisieren des Vergleichsergebnisses;
und
- I sich wiederholendes Einprägen
von weiteren Eichströmen
in die Kalibriereichspule für
vorbestimmte Flussdichten, Ermitteln der zugehörigen Messwerte sowie Auswerten
der Messergebnisse in aufeinander folgenden Schritten, mittels in
der (Fremd-)Steuerung des Kalibriergenerators hinterlegten definierten Feldstärkewerten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der Zeichnung und
in deren detaillierter Beschreibung offenbart. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kalibriergenerators;
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2 eine
Seitenansicht eines Abgleichkopfes aus 1;
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3 eine
Frontansicht des Abgleichkopfes aus 2; und
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4 ein
Blockschaltbild der Steuerung aus 1.
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1 stellt
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kalibriergenerators 1 schematisch
dar, der im Wesentlichen aus einer Messstation 2 und einer
elektronischen Steuerung 3 besteht. In die Messstation 2 ist
ein längliches
zylindrisches Sensorrohr 4 mit zwei voneinander axial beabstandeten
Magnetfeldsensoren 5, 5' eingelegt. Das Sensorrohr 4 ist,
wie in 3 gezeigt, durch zwei Abstandshalter 6 konzentrisch
in der Messstation 2, insbesondere in deren Abgleichköpfen 7, 7' angeordnet.
Von einer Auswertelektronik 26 der Magnetfeldsensoren 5, 5' führen Signalleitungen 8, 8' und von den
Abgleichköpfen 7, 7' Stromleitungen 9, 9' zu der Steuerung 3 des
Kalibriergenerators 2, die mit einem Schnittstellenkabel 10 mit
einem, in der Zeichnung nicht dargestellten PC zur Fremdsteuerung
verbunden ist.
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Die
Abgleichköpfe 7, 7' weisen je drei
Kalibrierspulen 13, 13', 14 auf. Die Kalibrierspulen 13, 13' sind als Kalibrierausrichtspulen 13, 13' für die Bestimmung
der Mitte der Magnetfeldsensoren 5, 5', und die Kalibrierspule 14 als Kalibriereichspule 14 für die Messung
der eingestellten magnetischen Flussdichte vorgesehen, wobei die
Kalibriereichspulen 14 in den Abgleichköpfen 7, 7' mittig zwischen
den Kalibrierausrichtspulen 13, 13' angeordnet sind. Sie zeigen einen
den Kalibrierausrichtspulen 13, 13' entsprechenden Durchmesser und
sind symmetrisch zur Mitte des Abgleichkopfes 7, 7' angeordnet.
Der Durchmesser der Kalibriereichspule 14 kann auch gegenüber den
Kalibrierausrichtspulen 13, 13' variieren.
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Die
Steuerung 3 ist mit einer Anzeige 11 und mit Tasten 12 zur
Einstellung von Kalibrierpunkten und zum Start des Kalibriervorganges
ausgestattet. Die Stromleitungen 9 zu dem Ausgleichkopf 7 der Messstation 2 sind,
wie aus der 2 ersichtlich, mit Kalibrierausrichtspulen 13, 13', die gegeneinander geschaltet
sind, und mit einer Kalibriereichspule 14 verbunden. Die
Stromleitung 9' ist
in entsprechender Weise mit dem gleich aufgebauten Abgleichkopf 7' verbunden.
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Der
Abgleichkopf 7 ist mit einem Träger 15 durch Führungen 16 verbunden,
die den dazwischen angeordneten Abgleichkopf 7' axial verschiebbar
führen.
So kann, wie 2 zeigt, der dem Abgleichkopf 7 zugeordnete
Magnetfeldsensor 5 durch Verschieben des Sensorrohres 4 mittig
zu den Kalibrierausrichtspulen 13, 13' des Abgleichkopfes 7 ausgerichtet werden.
Anschließend
erfolgt die Ausrichtung des Abgleichkopfes 7' zu dem Magnetfeldsensor 5' durch axiales
Verschieben des Abgleichkopfes 7' unter Beibehaltung der Position
des Sensorrohres 4. Dabei werden die gegeneinander in Reihe
geschalteten Kalibrierausrichtspulen 13, 13' des jeweils
von der Steuerung angesteuerten Abgleichkopfes 7 bzw. 7' mit einem Konstantstrom
beaufschlagt und die Magnetfeldsensoren 5, 5' so lange relativ
zu den Abgleichköpfen 7, 7' verschoben,
bis in der Anzeige 11 der Steuerung 3 kein Messeffekt
ersichtlich ist.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung 3 des
Kalibriergenerators 1. Die Steuerung 3 weist einen
Mikroprozessor 17 auf, der den Kalibriervorgang steuert.
Mit einem Drehschalter 12 sind bestimmte, in einem Speicher 20 der
Steuerung 3 hinterlegte Feldstärkewerte für die Kalibrierung wählbar, auf
deren Basis der Mikroprozessor 17 eine Konstantstromquelle 23 einstellt.
Diese prägt den
Kalibrierspulen 13, 13', 14 einen Konstantstrom zur
Erzeugung einer für
die Kalibrierung gewünschten
magnetischen Flussdichte ein. Dabei wird das Ausgangsignal der Auswerteelektronik 26 der
Magnetfeldsensoren 5, 5' mit einem Signalverstärker 18 verstärkt und
anschließend
von einem Wandler 19 digital gewandelt dem Mikroprozessor 17 zur
Verarbeitung zugeführt.
Dieser vergleicht den so ermittelten Messwert mit in dem Speicher 20 abgelegten Soll-Messwerten,
die wählbaren
magnetischen Feldstärkewerten
zugeordnet sind. Die Messwerte sowie die Auswertung können in
dem Speicher 20 protokolliert werden, der als S-RAM oder
Flash-Speicher ausgebildet ist und den Kalibriergenerator beim Ausfall der
Spannungsversorgung hinreichend vor Verlust der gespeicherten Daten
schützt.
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Außerdem weist
die Steuerung 3 eine serielle Schnittstelle 21 zum
Anschluss eines Personal Computers, einen Lautsprecher 22 zur
Ausgabe eines akustischen Signals und eine Anzeige 11 zur
Visualisierung von Informationen auf.
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Die
Steuerung 3 kann alle benötigten Gleichspannungen zum
Betrieb der Messstation 2 und der Magnetfeldsensoren 5, 5' der zu kalibrierenden
Magnetfeldsonde bereitstellen. Dazu wird die Steuerung 3 von
einer internen Batterie/Akkumulator 24 gespeist, wodurch
der Kalibriergenerator 1 unabhängig von einem Spannungsnetz
einsetzbar ist. Die verschiedenen Spannungen werden mittels einem Gleichstromsteller 25 aus
der Spannung der Batterie 24 bzw. des Akkumulators 24 generiert.