DE2219780C3 - Schaltanordnung zum Messen auch sehr schwacher magnetischer Wechselfelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zun Messen auch sehr schwacher magnetischer Wechsel felder unter Verwendung einer Aufnehmerspuie mi Induktivität und ohmschem Eigenwiderstand sowii einer nachgeschalteten elektronischen Verstärkerschal tung.

Eine Disziplin der elektrischen Meßtechnik nicht elektrischer physikalischer Größen ist die Matnetfeld Meßtechnik, an die im Zuge der Entwicklung hoch präziser Anlagen, beispielsweise der physikalischer und der geophysikalischen Forschung aber auch des Werkstoffkunde, steigende Anforderungen gestell werden. Insbesondere sind häufig Meßschaltunger erwünscht, die auch bei niedrigen Feldstärken des zi messenden magnetischen Feldes noch solche elektri sehen Meßsignale (Ausgangsströme oder Ausgangs spannungen) liefern, die lineare Abhängigkeit vom zi messenden magnetischen Feld aufweisen, ohne eint Empfindlichkeitsänderung in Abhängigkeit von dei Frequenz eines zu messenden magnetischen Wechsel feldes aufzuweisen.

Insbesondere die meßtechnisch derzeit erreichbarer Empfindlichkeiten in der Größenordnung von etw£ 1 Gamma (= ΙΟ-⁵ Gauß; 10"⁵ Gauß ~ 1,3 · 1(H Ampere pro Meter; zum Vergleich: vertikales Eid gleichfeld etwa 20000 Gamma) hinsichtlich statische! magnetischer Gleichfelder genügen vielen aktueller Anforderungen nicht mehr. Diese Empfindlichkeiter werden erreicht mit Meßsonden nach dem sogenannter Förster-Prinzip, die für Gleichfelder, und Wechsel felder bis etwa 100 Hz, anwendbar sind. Deren Wir kung beruht auf der Überlagerung eines in einen magnetischen Kern eingeprägten magnetischen Wech selfeldes mit dem zu messenden Gleichfeld, wobei ein« Sättigungsverschiebung des Kerns durch das Gleichfeld hervorgerufen wird (vgl. »Magnetfeldmessung mil Eisenkern-Magnetometer nach dem Oberwellenverfahren«, Blatt V 392-1 des »Archiv für technisches Messen«). Eine Auswertung der bei der magnetischen Anregung entstehenden Oberwellen bedarf aber eines erheblichen schaltungstechnischen Aufwandes, der den hohen Preis von Meßgeräten nach diesem Prinzip bedingt.

Für wissenschaftliche Präzisionsmessungen sind in jüngerer Zeit daneben das sogenannte ioiivet-Magnetometer und kernphysikalische Magnetometer bekannt geworden, deren Preise aber für Aufgaben der meßtechnischen Praxis in der Regel untragbar hoch sind; »Ein Jolivet-Magnetometer ist beschrieben in »Magnetic Testing of Space craft«, Mai 1969, von O. G. Feil und E. Wunderer, Nordwyk, Holland. Dieses Gerät ist aus mechanischen Gründen sehr störanfällig. Ein kernphysikaüsches Magnetometer ist beispielsweise

1969 in »Magnetic neld Measurements in lnteri„ititiiifi di Fisica, University of Rome b

■ Hot»¹¹¹¹ . '

Wick auf Anwendbarkeit für sehr schwache
komponenten magnetischer Felder ebenfalls noch zu wünschen übrig, weil ihre Empfindlichkeit kaum mehr ils eine Größenordnung besser ist als die der Meßlonden nach dem Förster-Prinzip.

Etwa um -c'rei Größenordnungen empfindlicher als mit diesen — eine statische Gleichfeldmessung durchführenden — elektrischen, elektromechanischen und !^physikalischen Magnetometern ist die Messung magnetischer Wechselfelder durchführbar. Deshalb !«hilft man sich für viele in der Praxis vorkommende meßtechnische Aufgaben damit, eine Relativbewegung twischen der Meßanordnung und einem Meßobjekt tu erzeugen; diese ist bei Meßaufgabe.; oft soear unvermeidbar gegeben, so daß jeisi niederfrequente Wechselfelder auszuwerten sind.

Solche Gegebenheiten liegen z. B. vor bei Vermessung von, an sich stationären, magnetischen Feldern von Himmelskörpern mit einem zwecks Eigenstabilisierung rotierenden Erdsatelliten. Vergleichbar damit sind die Verhältnisse bei einer Kontrolle von Werkstücken auf ihre magnetischen Eigenschaften hin. insbesondere magnetische Reinheit; diese Kontrolle beruht ebenfalls auf einer Messung von Quasigleichfeldern, wenn nämlich die Werkstücke als Meßobjekte an einem Meßaufnehmer, insbesondere der Aufnehmerspule der Meßschaltung, vorbeigeführt werden.

Bekannt sind auch schon andere Methoden des indirekten Messens schwacher magnetischer Gleichfelder über Wechselfeldmessung, so nach dem Generatorprinzip, also mittels einer rotierenden Aufnehmerspule. Eine solche Anordnung ist bekannt als Rotations- oder »Search-Coilw-Magnetometer und ebenfalls in der obengenannten Literaturstelle »Magnetic Measurements in Interplanetary Space« beschrieben. Präzisionsanforderungen für den praktischen Einsatz bei vertretbarem Gerätepreis sind auch hiermit jedoch nicht erfüllt worden, da der Aufbau hochpräzise elektromechanische Lösungen verlangt und da hinsichtlich erforderlicher Konstanz der Drehzahl der Aufnehmerspule regelungstechnische Probleme auftreten.

Besondere Empfindlichkeit hinsichtlich meßtechnischer Erfassung schwacher magnetischer Wechselfelder verspricht man sich von einer jüngs* in Angriff genommenen Entwicklung für die Raumfahnforschung (HELIOS-Projekt), bei der eine Aufnehmerspule — möglichst unbelastet, d. h. im Leerlaufbetrieb — an eine elektronische Verstärkerschaltung angeschlosen ist. Eine solche Anordnung ist in »Untersuchungen zur magnetischen Reinheit der Sonnensonde« von Dr. E. Wunderer, Junkers Flugzeug- und Motorenwerke, München, Mai 1969, beschrieben. Die Leerlaufspannung einer solchen Aufnehmerspulc ist der Frequenz der zu messenden Feldstärke direkt proportional. Die an sich frequenzabhängige Leerlaufspannung der Aufnehmerspule wird dann frequenzunabhängig, wenn der Aufnehmerspule eine integrierende Verstärkerschaltung nachgeschaltet wird.

Theoretisch ist dies zwar uneingeschränkt richtig. praktisch jedoch nur beschränkt ausnutzbar, da bei niedrigen Frequenzen die Leerlaufspannung so klein ist, daß im Meßsignal der Störabstand außerordentlich schlecht wird.

Auch dieses Prinzip _ die Messung schwacher magnetischcr Wechselfelder mittels einer leerlaufenden

^{( e alle} anderen eelaufiaen Verfahren, die auf ^VVed^lfeldmessung beruhen? den entscheidenden Nachteil, daß die Empfindlichkeit der Schaltanord_nung von der Frequenz des zu messenden Wechselfeldes abhängt und bei sehr niederfrequenten Wechsel_{fddern a|sQ insbesondere auch bei} Q⁴ _uasia,_eichf_e|dern, sehr schlecht wird

Zur Messung von schwachen, interplanetaren magnetischcn Gleichfeldern war es daher bislang notvvendig, rotierende Aufnehmerspulen zu verwenden. Die Meßempfindlichkeit solcher Rotationsmagnetometer

ist von der Umdrehuniisaeschwindi-keit^ der Auf_nchrnerSp_Ui_e abbände. Schwankungen in der Umdrehungsceschwindiekeit verfälschen also das Meßergebnis.Bn weiterer Nachteil des Rotationsmaanetometers für solche Anwendunesfälle liegt insbesondere _{dann daß mechanische h} q Lacerungs-Probleme in

der Wcltraumtechnik schwierig zu"beherrschen sind.

Zur Lösunc der erfindunesgemäßen Aufgabe., eine Schaltanordnung zu schaffen, die den Anforderungen nach frequenzunabhänaieer hoher Empfindlichkeit auch noch bei sehr niederfrequenten und sehr schwachen matinetischen Wechselfeldern genügt, ist bei dieser Erfindung von der Überleeung auscegancen, daß bei einer —Im Geeensatz zu"vergleichbaren Schallanordnungen — kurzgeschlossenen Aufnehmerspule der Kurzschlußstrom proportional zur Feldstärke des _/ü messenden magnetischen Wechselfeldes und theoretisch unabhängfe von dessen Frequenz ist, weil sowohl die Leerlaufspannunc als auch der induktive Widerstand der Aufnehmerspule proportional der Frequenz des magnetischen Feldes sind. Der Spulenkurzschlußstrom,"d. h. der Quotient aus diesen beiden Größen, müßte dann frcquenzunabhänaic sein. Die Erfindung beruht dann auf der Erkenntnis, daß diese theoretisch zu erwartende Frequenzunabhängigkeit bei der praktischen Realisierung solcher Schaltanordnung doch noch nicht auftritt,"und zwar auf Grund des bei niedrigen Frequenzen nicht mehr vernachlässigwaren ohmschen Eigenwiderstandes gegenüber deirTinduktivcn Widerstand der Aufnehmerspule.

Nach dem Grundgedanken dieser Erfindung liegt die Lösung dann darin, eine kurzgeschlossene Aufnehmcrspule mit vernachlässigbar geringem ohmschen Eigenwiderstand zu verwenden. In der Tieftemperaturphysik sind sogenannte supraleitende Spulenanordnungen auch schon experimentell betrieben worden; solche Anordnungen eignen sich des großen Aufwandes wegen bisher aber lediglich zu Demonstrationsund Studienzwecken über die physikalischen Effekte der Supraleitung, an eine Anwendung in Meßgeräten für die technische Praxis ist auf absehbare Zeit nicht zu denken.

Die vorstehend umrissene erfindungsgemäße Aufgäbe und der prinzipielle Lösnugsgedanke sind deshalb bei dei vorliegenden Erfindung durch eine Schaltanordnung der eingangs genannten Art gelöst bzw. verwirklicht, bei der die elektronische Verstärkerschaltung in guter Näherung einen resultierenden Eingangswiderstand von gleichem Betrage aber umgckchrtem Vorzeichen des ohmschen Eigenwiderstandes der Aufnehmerspule aufweist.

Die crfindungsgemäfk Lösung macht also von der Anwendung als solcher aus der elektronischen Schaltungslechnik bekannter Realisierbarkeit von aktiven

Zweipolen Gebrauch, die unter vorgegebenen Bedingungen ein negatives Spannungs-Strom-Verhällnis aufweisen. Eine entsprechend dimensionierte elektronische Verstärkerschaltung im Anschluß an die Aufnehmerspule bewirkt eine Kompensation ihres, bei der nichtidealen Aufnehmerspule unvermeidlichen, ohmschen Eigenwiderstandes, so daß nun in guter Näherung diesbezüglich das Verhalten einer supraleitenden Spule erzwungen ist.

Nach dieser Erfindung ist also die Anwendbarkeitsgrenze konventioneller Wechselfeld-Magnetometer überwunden, deren der Frequenz des zu messenden Wechselfeldes proportionale Empfindlichkeit bei schwachen Feldern von sehr niedrigen Frequenzen nicht mehr zu einem auswertbarem Meßsignal führten. Mittels dieser Erfindung ist es dagegen möglich, auch extrem schwache, und dabei sehr niederfrequente, magnetische Felder (also auch Quasigleichfelder) mit gleichbleibend hoher Empfindlichkeit unabhängig von der Frequenz über einen breiten Frequenzbereich zu messen.

Vorteilhaft wird eine elektronische Verstärkerschaltung angewendet, die aus einem mit Rückführungen beschalteten Operationsverstärker mit zwei zueinander gegenpoligen Eingängen besteht. Aus der elektronischen Analogtechnik ist bekannt, daß solche Operationsverstärker eine gegen den Wert »Unendlich« tendierende Leerlaufverstärkung aufweisen, die durch Rückführungsbeschaltungen auf einen endlichen, stabilen Wert festlegbar ist.

Wird dieser Operationsverstärker, der bezüglich seines Ausganges einen Negativ- und einen Positiveingang aufweist, so beschaltet, daß vom Ausgang ein Gegenkopplungswiderstand an den Negativeingang und an diesen zugleich die Aufnehmerspule geschaltet ist und zusätzlich vom Ausgang des Operationsverstärkers ein Mitkopplungswiderstand an den Positiveingang geschaltet ist, an den gleichzeitig ein Erdwiderstand zum, für den Eingang und den Ausgang der Versärkerschaltung gemeinsamen, Nullpotential angeschlossen ist, so ist der wirksame Eingangswiderstand der elektronischen Verstärkerschaltung genau dann betragsmäßig ebenso groß wie der ohmsche Eigenwiderstand der Aufnehmerspule — aber mit umgekehrtem Vorzeichen versehen —, wenn das Verhältnis des Produktes aus Erdwiderstand und Gegenkopplungswidcrstand bezogen auf den Mitkopplungswiderstand genau so groß ist, wie der ohmsche Eigenwiderstand der Aufnehmerspule.

Eine, weiter unten noch durchzuführende, Analyse dieser so ausgebildeten und dimensionierten Schaltanordnung wird beweisen, daß das Meßsignal nun nur noch von der Feldstärke des zu messenden magnetischen Wechselfeldes, nicht mehr von seiner — auch beliebig niedrigen — Frequenz abhängt.

Durch eine Erweiterung auf eine zweistufige elektronische Verstärkerschaltung, innerhalb derer die erste Stufe gemäß obigen Bedingungen dimensioniert ist, ist es möglich, nicht nur extrem schwache magnetische Feldstärken praktisch frequenzunabhängig zu messen, sondern diese Schaltanordnung auch für einen sehr weiten Dynamikbereich der zu messenden magnetischen Wechselfelder auszulegen: Mit einem denkbar billigen Gerät, da ohne besondere schaltungstechnische Schwierigkeiten, wird — bei einer vorgebbaren unteren Grenzfrequenz von z. B. 10 ³ Hz (vgl. unten) — ein Feldstärke-Meßbereich von 10 ⁸ bis 10"⁴ Gauß er-Eine vorteilhafte Weiterentwicklung stellt es darüberhinaus dar, eine frequenzabhängige Kopplung zwischen den Stufen einer z. B. zweistufigen Verstärket schaltung vorzusehen: mit nur der einzigen Aufnehmerspule ist es dann z. B. möglich, hinter der ersten Stufe ein alle Frequenzanteile des Wechselfeldes, hinter der zweiten Stufe (vorzugsweise mit der Verstärkung »Eins«) ein höherfrequente Wechselfelder und zwischen den Ausgängen beider Stufen ein die ίο Stärke von niederfrequenten Wechselfeldern (Quasigleichfeldern) angebendes Meßsignal abzugreifen: im Gegensatz dazu war es für solche Aufgabe, nieder- und hochfrequente magnetische Felder getrennt zu erfassen, bisher erforderlich, je eine gesonderte, dem interessierenden Frequenzbereich zugeordnete, vollständige Meßapparatur zu betreiben.

Eine weitere positive Eigenschaft der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die Tatsache, daß die Empfindlichkeit der Schaltanordnung im wesentlichen von der Verstärkerschaltung abhängt und nicht — wie bei der leerlaufenden Spule — maßgeblich von der Windungszahl der Aufnehmerspule bestimmt wird. So kann eine optimale Windungszahl allein auf Grund der Erfordernisse einer stabil arbeitenden Verstärkerschaltung gewählt werden, was die flexible Einsatzmöglichkeit dieser Erfindung noch unterstreicht.

Man kann zeigen, daß eine exakte Einhaltung der genannten Abgleichbedingung ein instabiles Verhalten der Verstärkerschaltung heraufbeschwört. Um Sicherheit gegen diese Instabilitäten zu schaffen, ist es vorteilhaft, eine gewisse Restabweichung von der idealen Dimensionierung einzuhalten. Diese Restabweichung bedingt dann eine schaltungstechnisch bedingte untere Grenzfrequenz der Meßanordnung.
Ein daraus resultierender besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Schaltanordnung liegt für die meßtechnische Praxis darin, daß mit ihr, ohne die sonst erforderlichen Maßnahmen zur Herstellung eines magnetisch freien Raumes, magnetische Wechselfelder erfaßt werden können, deren Feldstärke auch einen Bruchteil der wirksamen Feldstärkeschwankung des den Meßort umgebenden magnetischen Erdfeldes betragen darf. Indem nämlich ein einstellbarer ohmscher Zusatzwiderstand, vorzugsweise parallel zum Erdwiderstand, in die — an sich abgeglichene — elektronische Verstärkerschaltung eingefügt wird, ist die wirksame untere Grenzfrequenz der gesamten Schaltanordnung, je nach gerade auszuschließenden Umgebungsbedingungen, einstellbar.

Es ergibt sich so mit einer Schaltanordnung nach dieser Erfindung die vorteilhafte Möglichkeit, Präzisionsmessungen ohne besondere Aufwendungen zun· Ausschluß der Erdfeldstärke mit ihren langsamer Änderungen — wie bei den bekannten Gleichfeld magnetometern erforderlich — durchführen zu kön nen, und das in einem Frequenzbereich, der sonst nu von Gleichfeldmagnetometern — und dann normaler weise einschließlich aller überlagerter Störeinflüsse — erfaßt werden konnte.

Auch der Einfluß von magnetischen Erdfeldschwan kungen oberhalb der unteren Grenzfrequenz, die (au Grund der Umgebungsbedingungen bei nicht magne tisch abgeschirmten Räumen) einem zu messende inhomogenen magnetischen Wcchsi'feld homogen al Störfeld überlagert sind, läßt sich, mittel seiner Weitei bildung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung, eir fach eliminieren, indem die Aufnehmerspule in zwi Halbspulen aufgespalten wird, die mit zucinandc

22 IS 780 Q

Verfahren zur Feldstärke-Grad.entenmessung^a «

Für die Messung interplanetarer magnetiscner G. 1 und wXUer ist die erfinduge^ Schaltanordnung ebenfalls besonders setzen, da sie sowohl die f»"^ktI°"

S=SS

dieser neuen Lösung sind nachstehend ai. Zeichnung an Anwendung*- und ^jJfS len samt zugehörigen ^heHungs^n^hen ü« sionierungsbeziehungen naher veranschaulicnt.

Schaltanordnung aus Aufnehmerspule und, nacgp schalteter einstufiger elcktron.schcr Verstärkern

F?g"Tzum Nachweis'der mit dieser

baren Vorteile, „up;« 2 eine zwei-

Fig. 4 als eine Weiterbildung,nach Γ.&. «£

stufige, frequenzabhangig gekoppelte,

Verstärkerschaltung, _ A„f_nphmerspule aus

Fig. 5 die Anwendung einer ^Auf™;^SJ_{nd mit}

zwei Halbspulen als Gradientenmeßsonde un

einem einstellbaren ohmschen ZualzwrfersUin

Beeinflussung der unteren Grenzfrequenz

anordnung nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt als .

Schaltanordnung 1 nach dieser E'''"""""'Ύ _agnc.

auch extrem niederfrequenter und schwacher η _o

tischer Wechselfeldcr (Quas.glevch f'^d"· ^ _lm

22), hier als Hilfsmittel für ^W^ÄUgne-

dargestellten Beispiel werden als MelioDjCK

tisch zu untersuchende Werkstucke 31 «3- ₅

einer Transporteinrichtung 4 '"Richtung desY

an der Schaltanordnung 1 vorbe.ge uhrL U ζ ^

steht aus einer AufnehmerspuIe β\m\: nachg ^

elektronischer VerstarkerschaUung 7 un ^ ^

Meßsignal 8 gemäß gemessener S^rke ^ ^

22 angebenden Anzeige- oder_ war^g _kstücke

gegebenenfalls von einem «/«»'1' 22 durch-31, 32, 33) ausgehende magnetische Fed 21, _s ^ ^.

setzt die Aufnehmerspule ⁶„£ucn _wjrd

solchen Feldern 21, 22 um Gteichfelder ^^

mittels der Schaltanordnung Mutoru ^

bewegung zwischen der Aufnehmerepulc ^

Werkstücken 31, 32, 33, nur c.nQj^ _Wcchselfeld ein sehr niederfrequentes magnet«sen _hub

j _., ΡγλπιιΡΠΖ UnLI U'¹- _.

Riß 10 in seiner Oberfläche.

Eine besondere Bedeutung wird der erfindungsgemäßen Schaltanordnung 1 bei der Prüfung von Werkstücken auf magnetische Reinheit zukommen, da auch sehr unhandliche, große Prüflinge sehr langsam an der Aufnehmerspule 6 vorbeibewegt werden können, wobei nun obendrein etwaige Schwankungen dieser Bewegungsgeschwindigkeit ohne Einfluß auf die Genauigkeit des Meßergebnisses sind. Bei einem magnetisch reinen Werkstück (z. B. Werkstück 33) dürfte, im Gegensatz zur links in Fig. 1 skizzierten Gegebenheit beim Werkstück 32, kein eigenes magnetisches Feld 22

auftreten.

Die Schaltanordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es nun, auch schwächste die ι Aufnehmerspule 6 durchsetzende magnetische Felder 21, 22 extrem niedriger Frequenz meßtechnisch zu erfassen, ohne daß die Empfindlichkeit von der Frequenz und damit von der Translations- oder Rotationsgeschwindigkeit des zu messenden Feldes 21, 22

ο beeinflußt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung 1 ist in einer Grundausführung in Fig. 2 detailliert dargestellt. Darin ist die Aufnehmerspule 6 gemäß den üblichen Ersatzschaltbildern der Elektrotechnik aufgegliedert in ihre Induktivität L und ihren ohmschen Eigenwiderstand Rl, wobei der (in Fig. 2 eingetragene) induktive Widerstand jwL bekanntlich auch von der Kreisfrequenz ω des zu messenden Wechselfeldes (Feld 21) abhängt. Die in die Aufnehmerspule 6 induzierte Spannung auf Grund des zu messenden, die Aufnehmerspule 6 durchsetzenden, Feldes 21 ist als eingeprägte Spannung U£ berücksichtigt.

Die der Aufnehmerspule 6 nachgeschaltete elektronische Verstärkerschaltung 7 besteht im wesentlichen aus einem aus der elektronischen Schaltungstechnik geläufigen Operationsverstärker 11, also aus einem verstärkenden aktiven Element, das durch theoretisch unendliche Verstärkung V charakterisiert ist. Die in üblichen Betriebsbereichen für die rechnerische Behandlung solcher elektronischer Operationsverstärker 11 gestattete Idealisierung einer unendlich großen Verstärkung V bedeutet, daß die Eingangsströme /El. IEl am Negativeingang 12 und am Positiveingang 13 vernachlässigbar klein und die Eingangsspannung Ul am Negativeingang 12 ebenso groß wie die Eingangsspannung U 2 am Positiveingang 13 sind. Diese Voraussetzungen sind als Gleichung 1 in der Tabelle Fig. 3 zusammengefaßt.

Ein solcher Operationsverstärker 11 ist bekanntlich nur mittels geeigneter Beschallung durch Mitkopplungswiderstand RM, Gegenkopplungswiderstand RC und Erdwiderstand RE stabil betreibbar. Dabei ist e: aus der elektronischen Schaltungstechnik geläufig, dal insbesondere durch das Verhältnis zwischen Gegen kopplungswiderstand RG und Vorwiderstand, der in dargestellten Schaltungsfalie in Fig. 2 identisch mi dem ohmschen Eigenwiderstand Rl der Aufnehme! spule 6 ist, bzw. durch das Verhältnis von Mitkopr. lungswiderstand RM zu Erdwiderstand RE die wirl same Spannungsverstärkung der gesamten elektron sehen Verstärkerschaltung 7 vorgebbar ist.

Die besonders vorteilhafte Eigenart dieser Verstä kerschalumg 7, zusammen mit einer vorgegebene Aufnehmerspulc 6 schwächste magnetische Wechsc felder (in Fig. 2 Feld 21) theoretisch auch noch b beliebig tiefen Frequenzen frequenzunabhängig ui mit hoher Empfindlichkeit zu messen, ist gerade dai erreicht, wenn der resultierende Eingangswiderstai

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10

(in Fig. 1 symbolisch angedeutet als Rl) der gesamten Verstärkerschaltung 7 von gleichem Betrage aber umgekehrtem Vorzeichen ist, wie der ohmsche Eigenwiderstand Rl der Aufnehmerspule 6; dieses bedeutet einen idealen Kurz.schlußbetrieb der Induktivität L der Aufnehmerspule 6 und ist gerade dann gewährleistet, wenn die Beschallung des Operationsverstärkers 11 so gewählt ist, daß das Produkt aus Gegenkopplungswiderstand RG und Erdwiderstand RE gerade so groß ist wie das Produkt aus Mitkopplungswiderstand RM ίο und ohmschem Eigenwiderstand Rl der vorhandenen Aufnehmerspule 6.

Daß gerade diese erfindungsgemäße Konstellation den optimalen Effekt ergibt, läßt sich aus den Be9). Werden hier die Gegebenheiten gemäß Gleichung 2 und 3 eingesetzt und darin dann Gleichung 6 berücksichtigt, so ergibt sich Gleichung 10, und aus einem Vergleich mit der Dimensionierungsbedingung Gleichui-.s 7 ist ersichtlich, da3 der wirksame Eingangswiderstand RI der Verstärkerschaltung 7 tatsächlich ebenso groß ist wie der ohmsche Eigenwiderstand Rl der Aufnehmerspule 6, allerdings mit negativem Vorzeichen, so daß letzterer vollständig kompensiert wird.

Das die Aufnehmerspule durchsetzende magnetische Feld (Feld 21 in Fig. 2) liefert bei Einhalten dieser Bedingung (Gleichung 7) einen Kurzschlußstrom _V~U (Gleichung 11), dessen Größe ohne irgendeine Frequenzabhängigkeit, also streng proportional der zu

ih 12

ziehungen Gleichungen I bis 8 verifizieren, die in 15 messenden Feldstärke i? ist, was durch Gleichung 12

Fig. 3 tabellarisch zusammengestellt sind, um die Übersichtlichkeit des laufenden Textes nicht zu beeinträchtigen.

Aus den sogenannten »Kirchhoffschen Regeln« sind die Beziehungen zwischen der Eingangsspannung U2 und der Ausgangsspannung Wa des Operationsverstärkers 11 herleitbar. Danach gelten, für die zulässige Fiktion eines idealen Operationsverstärkers 11 (in Fig. 3 als Gleichung 1 zusammengefaßt) und für den von der Aufnehmerspule 6 gelieferten Spulenstrom ^1, die Abhängigkeiten gemäß Gleichung 2 bis 4.

Durch Einsetzen dieser Abhängigkeiten ineinander und mit der bekannten Induktionsgleichung für die in einer Spule induzierte Spannung (Gleichung 5 mit der Spulengeometriekonstante K, die Permeabilität μ_η. Windungszahl η und Durchmesser d einer kreisförmigen Aufnelimerspule 6 zusammenfaßt) ergibt sich die in Gleichung 6 niedergeschriebene Abhängigkeit zwischen der Ausgangsspannung Ua des Operationserwiesen ist (aus Gleichung 11 mit Gleichung 10, Gleichung 7 und 5).

Betrachtungen zur Stabilität einer solchen Verstärkerschaltung 7 werden weiter unten aufgeführt.

Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Grundschaltung gemäß Fig. 2, die es in Folge mehrstufigen Aufbaues der elektronischen Verstärkerschaltung 7 (hier: zweistufig) ermöglicht, Meßsignale 81 höherfrequenter Wechselfelder von im unteren Frequenzbereich gemessenen zu trennen und. da erstere in vielen praktischen Anwendungsfällen eine verhältnismäßig kleine Amplitude aufweisen, zugleich zusätzlich zu verstärken. Es gelten für den Operationsverstärker 11 der ersten Stufe die gleichen Ansätze und Überleounoen. Hip für Ha« Su-lialthpi«nipl epmäü Fi C. 2

Überlegungen, die für das Schaltbeispiel gemäü Hg· angestellt wurden.

Von besonderem Vorteil ist im Ausführungsbcispiel nach Fig. 4 die frequenzabhängige Kopplung 16 zwischen beiden Stufen der Verstärkerschaltung 7,

Verstärkers 11, (d. h., für Fig. 2, des Meßsignales 8) 35 hier dargestellt als einfache kapazitive Kopplung 16. und der zu messenden magnetischen Feldstärke £ des Während am Ausgang 15 des Operationsverstärkers Π zu messenden Feldes 21. Hierin ist zunächst noch der ersten Stufe — gemessen gegen Masse - üas wegen der Kreisfrequenz »< des zu messenden Feldes 21 gleiche Meßsignal 8 erscheint, wie In Fig. 2, also eine eine Frequcnzabhängigkeit enthalten, die aber nun Angabe über die resultierende Feldstärke £» des Feldes gerade dann entfällt, wenn gemäß dieser Erfindung 40 21 unler Berücksichtigung aller darin vorkommender die Beschallung des Operationsverstärkers 11 bei ge- Frequenzkomponenten, bewirkt die Hochpaßkopphmg gebener Aufnehmerspule 6 gemäß der Bedingung (Kopplung 16). daß das Meßsignal 81 am Ausgang 151 Gleichung 7 vorgenommen wird! Dann nämlich ist hinter der zweiten Stufe der Verstärkerschaltung 7 — die Ausgangsspannung Wa unabhängig von der Fre- gemessen gegen Masse — nur solche Feldstärken £ quenz der zu messenden Feldstärke £> (siehe Gleichung 45 repräsentiert, die von hochfrequenten Komponenten 8): es ist also eine Schaltanordnung gefunden, die des zu messenden Feldes 21 herrühren. Da im dargestellten Beispiel nach Fig. 4 die zweite Stufe der Verstärkerschaltung 7 keine Vorzeichenumkehr bewirkt (weil ihre Ansteuerung über einen Positiveingang eines 50 Operationsverstärkers 111 erfolgt), liefert diese erweiterte Schaltanordnung 1 zusätzlich noch — bei Messung zwischen den Ausgängen 15 und 151 ■- ein Meßsignal 82, das ausschließlich niederfrequ. ate Feldanteile — insbesondere ein im Feldgemisch enthaltenes nische Verstärkerschaltung 7 im Anschluß an die Auf- 55 Quasigleichfeld — repräsentiert, nehmerspule 6 ersetzt werden kann durch einen fik- So sind also mit dieser einzigen und wenig aufwen·

tiven ohmschen Eingangswiderstand RI (siehe Fig. 1) von gleicher Größe aber umgekehrtem Vorzeichen wie dem ohmschen Eigenwiderstand Rl der Aufnehmerspule 6, deren vom zu messenden Feld (21) eingeprägte Spannung Uf über die Induktivität L somit nun unmittelbar auf einen echten Kurzschluß arbeitet. Das läßt sich für jene Dimensionierung an Hand der

Beziehungen in Fig. 3 verifizieren, wenn man davon ^

ausgeht, daß der Quotient aus Eingangsspannung 111 6₅ auf Fig. 2 (bzw. die erste Verstärkerstufe in Fig. 4 des Operationsverstärkers 11 und Spulenstrom ^l von bezogen.

der Aufnehmerspule 6 gleich dem wirksamen Eingangs- Eine obere Grenzfrequenz, d. h. die höchste Fre

widerstand Rider Verstärkerschaltung 7 ist (Gleichung quenz mittels dieser Schaltanordnung 1 noch zu mes

wegen ihrer frequenzunabhängigen Empfindlichkeit auch noch zum Messen bisher nichterfaßbar niederfrequenter schwacher magnetischer Wechselfelder ohne Empfindlichkeitseinbuße geeignet ist!

Dieses bedeutende Ergebnis, bei dem eine Frequenzabhängigkeit vollständig eliminierbar ist, besagt schaltungstechnisch zugleich, daß im Falle dieser speziellen Dimensionierung (Gleichung 7) die gesamte elektrodigen Schaltanordnung 1 simultane Magnetfeldmessungcn in extrem unterschiedlichen Frequenzbereicher ermöglicht.

Hinsichtlich der erfindungsgeirußen Schaltanord nung 1 sind Grenzfrequenzbetrachtungen von Inter esse, mit denen im vorliegenden Falle sogar noch en weiterer vorteilhafter Anwendungsfall dieser Erfinduni nachweisbar ist. Diese Betrachtungen werden wiede

sender magnetischer Wcehsclfelder, ist nicht durch die erfindungsgemäße Schaltanordnung 1 an sich, sondern allein di-rch die obere Grenzfrequenz des in der elektronischen Verstärkerschaltung 7 benutzten Operationsverstärkers (11), gegeben.

Überlegungen hinsichtlich einer bei der praktischen Realisierung zu beachtenden unteren Grenzfrequenz "im werden mit einer Stabilitätsbetrachtung des beschalteten Operationsverstärkers 11 verbunden, für die von der Übertragungsfunktion Gleichung 13 (Fig. 3) auszugehen ist, die sich aus Gleichung 6 mit 7 ergibt.

Ein aus der Funktioncntheorie bekanntes Stabilitätskriterium fordert, daß Realteil und Imaginärteil des komplexen Ausdrucks im Nenner der Übertragungsfunktion Gleichung 13 gleiches Vorzeichen aufweisen müssen und der Realteil somit größer oder gleich Null sein muß. Damit in der Praxis Sicherheit für die Stabilität der Verstärkerschaltung 7 (Fig. 2) gewährleistet ist, muß das Produkt aus Eigenwiderstand Rl und Mitkopplungswiderstand RM um einen geringen Betrag größer sein als das Produkt aus Gegenkopplungswiderstand RG und Erdwiderstand RE, d. h., eine bestimmte Abweichung von der idealen Abgleichbedingung Gleichung 7 ist aus Gründen stabilen Betriebes der Verstärkerschaltung 7 zuzulassen. Damit ist nach Gleichung 14 die untere Grenzfrequenz '•>u der Schaltung definiert.

Die bei der Realisierung dieser Erfindung zuzulassende Abweichung von der idealen Abgleichbcdingung Gleichung 7 ist im Interesse einer stabil arbeitenden Schaltanordnung 1 erforderlich in Folge der Unzulänglichkeiten realer Operationsverstärker 11 und langzeitlicher Veränderung von Bauelementen für seine Beschallung.

Schon mit einem denkbar einfachen Laboraufbau gemäß Fig. 2 zur bloßen Demonstration der Funktionstüchtigkcii der erfindungsgcn-.üBen Schaltanordnung 1. also ohne Verwendung von besonders ausgesuchten Bauelementen zum Aufbau der elektronischen Verstärkerschaltung 7. und mit einer einfach zusammengewickelten Aufnehmerspule 6, ohne auf besonders hohe Spulcngüte Wert zu legen (Induktivität /.. 20 Henry bei einem ohmschen Eigenwiderstand RX von 1,5 kl>) wurde mit RC 100 ki> und RM 1.5 kÜ eine untere Grenzfrequenz ein von 10 niH? erreicht, also ein Wert, der keinen anderen, bekannten Meßanordnungen trotz ganz erheblichen Mehraufwandes jemals annähernd erreicht wurde.

Optimierungsüberlcgungen zur Realisierung der crfindungsgemäßen Lösung haben gezeigt, daß durch Verwendung von Aufnehmerspulen 6 mit höherer Spulengüte und von guten Operationsverstärkern 7 untere Grenzfrequenzen mu erreichbar sind, die noch um mindestens eine Größenordnung tiefer liegen, als obiges Ergebnis. Eine rechnerische Abschätzung der Empfindlichkeit einer Schaltanordnung gemäß Fig. 2 ergibt hinsichtlich der zu messenden Feldstärke .<> eine Empfindlichkeits-Dynamik zwischen 10 ^B und 10*^e Ampere pro Meter (1.25 ■ 10 ^;! Ampere pro Meter entspricht etwa 1 -/, zum Vergleich: die Erdfeldstärke beträgt in Westeuropa etwa 70 Ampere pro Meter!) als mit Hilfe dieser Erfindung erfaßbaren Dynamikbereich auch niederfrequentester magnetischer Wcchselfelder.

Eine weitere Optimierungsübcrlegung führt auf die Erkenntnis, daß es im Interesse einer großen Empfindlichkeit der Schaltanordnung 1 vorteilhaft ist, die Aufnehmerspule 6 von möglichst großem Durchmesser el hei möglichst geringer Windungszahl // zu gestalten. Dieses Ergebnis kommt dem Bestreben der Praxis entgegen, mit möglichst wenig Aufwand eine möglichst vielseitig verwendbare Meßschaltung zu realisieren. Allerdings sind diese letztgenannten Optimierungsübcrlegung gerade auch aus der Praxis Grenzen gesetzt. So wird die Abgleichbedingung um so kritischer exakt einzuhalten sein, je kleiner der vor der elektronischen Verstärkerschaltung 7 liegende ohmsche Eigenwiderstand RX der Aufnehmerspule 6 ist. Außerdem verbietet die Belastbarkeitsgrenze handelsüblicher Operationsverstärker 11 einen extrem geringen ohmschen Eigenwiderstand Rl, da dann — bei vorgegebener wirksamer Verstärkung des Operationsverstärkers 11 — der

S5 Gegenkopplungswiderstand RG entsprechend verkleinert werden müßte.

Mit Hilfe dieser Meßschallung gelingt es also bei gegenüber den bisherigen Meßgeräten für Präzisionsmessung erstaunlich geringem Geräteaufwand, in bis- her kaum erreichbare neue Bereiche der magnetischen Meßtechnik vorzustoßen. Da auch bei sehr niedriger Frequenz des zu messenden magnetischen Wechselfeldes noch kleinste Feldstärken .0 frequenzunabhängig erfaßt werden können, ist nun der Aufbau extrem langsam sich drehender Search-Coil Magnetometer für indirekte Gleichfcldmessung möglich, so daß die eingangs zitierten Schwierigkeiten hinsichtlich der Konstanz einer hohen Drehzahl und der damit zusammenhängenden mechanischen Probleme überwunden sind.

Eingesetzt in Raumsonden, die für die Spinstabilisieri.ng etwa eine Umdrehung pro Sekunde ausführen, ist es mit der relativ einfachen Schaltanordnung gemäß dieser Erfindung möglich, interplanetare Magnetfelder von der Raumsonde aus zu erfassen, wobei nunmehr die Aufnehmcrspule 6 fest mit der Raumsonde verbunden ist. Die Bedeutung der Magnetfeldmessung auch schwacher Felder für die Werkstoffkunde ist bekannt, wobei jetzt bei Problemen wie der Überprüfung auf magnetische Reinheit an die präzise Einhaltung einer bestimmten Geschwindigkeit beim Vorbeiführen der Werkstücke an der Meßanordnung keinerlei besondere Ansprüche mehr gestellt zu werden brauchen. Schließlich ist bei Anwendung dieser Erfindung den in der Straßenverkehrstechnik aufgetretenen Problemen abgeholfen, die darin bestanden, daß in den Straßenbelag eingelassene Magnetfeld-Meßsonden zur Fahrzeugzählung dann keinen Zählimpuls lieferten, wenn ein Fahrzeug nicht mit einer bestimmten Mindestgeschwindiekeit darüber hinwegfuhr und oder kein ausgeprägtes magnetisches Streufeld aufwies.

Es war schon festgestellt worden, daß bei nicht eingehaltener Abgkichbedingung (Gleichung 7 in Fig. 3) eine untere Grenzfrequenz »>u auftritt, unterhalb derei die angestrebte Frequenzunabhängigkeit des Meßsignales 8 (siehe Fig. 2 oder 5) nicht mehr gegeben ist Damit ergibt sich aber die in Fig. 5 berücksichtigte einfache Möglichkeit, mittels eines einstellbaren ohm sehen Zusatzwiderstandes 17. der parallel zum Erd widerstand RE zuschaltbar ist. die untere Grenzfre quenz <·■;/ so einzustellen, daß extrem niederfrequenti (auch inhomogene) Störfclder. die deutlich unterhall der Frequenz von tu messenden Feldern 22 liegen schon auf Grund geeignet eingestellter unterer Grenz frequenz ι·· 11 sich nicht auf das Meßsignal 8 auswirke:

können. Solche extrem niederfrequenten Störfelde sind beispielsweise durch die täglichen Schwankunge des Erdmagncticldes (vgl. »Einführung in die Gec physik« von Walter Kertz. Hochschultaschenbud

Bibliographisches Institut 1971) gegeben; deren störende Einflüsse auf Präzisionsmessungen können also, mittels dieser Weiterbildung der Erfindung, ohne besonderen Aufwand gezielt und wirksam unterdrückt werden. Den gleichen Effekt hat ein zusätzlicher, variabler Längswiderstand in Serie zur Aufnehmerspule6; dann wäre es aber, zur Vermeidung einer Änderung der wirksamen Verstärkung des beschalteten O peration sverstärkers 11, zweckmäßig, auch den Gegenkopplungswiderstand RG gleichmäßig veränderbar zu machen.

Diese Erdfeldkompensation versagt aber, wenn die Netzsignale so niederfrequent sind, daß sie in den Frequenzbereich höherfrequenter Erdfeldschwankungen fallen.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung löst auch dieses Problem in einer Weise, die für die meisten praktischen Meßprobleme wiederum trotz hochpräziser Feldmessung aufwendige Abschirmmaßnahmen erübrigt. Dazu wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die störenden Komponenten des Erdfeldes als homogene Felder 19 (siehe Fig. 5) vorliegen, während im Verhältnis dazu die zu messenden Felder 22, beispielsweise eines auf magnetische Reinheit hin untersuchten Werkstückes 32, in vergleichbaren geometrischen Zuordnungen als inhomogen zu beze.chnen sind. Um diese Gegebenheiten auszunutzen ist in Hg 5 die Aufnehmerspule 6 in zwei Halbspulen 61 und 62 „eteilt die im definierten Abstand α voneinander auf dner Längsachse 20 koaxial angeordnet und gegenpolig in Serie geschaltet sind.

Mit dieser Modifikation der Aufnehmerspule 6 ist es möglich, unmittelbar den Gradienten von Magnetfeldern zu messen, also ohne die bei üblichen Meßverfahren erforderlichen Zusatzschaltungen zur Dsficrenzbildung zwischen je zwei Meßwerten an verschiedenen Punkten eines magnetischen Feldes zu benötigen In beiden Halbspulen 61 und 62 erfolgt betragsmlißiü die gleiche Induktion, aber zueinander in umgekehrtem Vorzeichen, so daß aus diesem homogenen Feld 19 kein Signal an die Verstärkerschaltung 7 gelangt Gemessen werden folglich nun nur noch solche magnetischen Wechselfelder (in Fig. 5 Feld 22) d.e zwischen de.. Orten der beiden Halbspulen 61 und 62 einen Gradienten aufweisen, die also über den Abstand α zwischen den beiden Halbspulen 61 und 62 n,cni konstant sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche

1. Schaltanordnung zum Messen auch sehr schwacher magnetischer Wechselfelder unter Verwendung einer Aufnehmerspule mit Induktivität und ohmschem Eigenwiderstand sowie einer nachgeschalteten elektronischen Verstärkerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verstärkerschaltung (7) in guter Näherung einen resultierenden Eingangswiderstand (RI) von gleichem Betrage aber umgekehrtem Vorzeichen des ohmschen Eigenwiderstandes (Λ1) der Aufnehmerspule (6) aufweist.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (7) wenigstens aus einem mit Rückführungen beschalteten Operationsverstärker (11) besteht.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (11) ao einen Negativ-Eingang (12) und einen Positiv-Eingang (13) aufweist und von seinem Ausgang (15) mit einem Gegenkopplungswiderstand (RG) an den Negativ-Eingang (12), an den zugleich die Aufnehmerspule (6) angeschaltet ist, und zusätzlich durch einen Mitkopplungswiderstand (RM) vom Ausgang (15) an den Positiv-Eingang (13) beschaltet ist, an welchen letzteren gleichzeitig ein Erdwiderstand (RE) zum, für den Eingang (14) der Verstärkerschaltung (7) und den Ausgang (15) gemeinsamen, Nullpotential angeschlossen ist mit einer solchen Dimensionierungsbedingung, daß das Verhältnis des Produktes aus Erdwiderstand (RE) und Gegenkopplungswiderstand (RG) bezogen auf den Mitkopplungswiderstand (RM) genau so groß ist wie der ohmsche Eigenwiderstand (Rl) der Aufnehmerspule (6).

4. Schaltanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (7) mehrstufig aufgebaut ist.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrstufige Verstärkerschaltung (7) wenigstens eine frequenzabhängige Kopplung (16) aufweist.

6. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Kopplung (16) Hochpaßcharakter aufweist.

7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (7) zweistufig mit Hochpaßkopplung und ohne Vorzeichenumkehr in der zweiten Stufe, mit Dimensionierung der ersten Stufe gemäß Anspruch 3, ausgeführt ist und daß die Verstärkerschaltung (7) einen Ausgang (15) hinter der ersten Stufe und einen weiteren Ausgang (151) hinter der zweiten Stufe aufweist.

8. Schaltanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe der Verstärkerschaltung (7) die Verstärkung Eins aufweist.

9. Schaltanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8 für Vorgabe einer wählbaren unteren Grenzfrequenz der Schaltanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine definierte Abweichung von der exakten Dimensionierungsbedingung vorgenommen wird.

10. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Erdwiderstand (RE) ein einstellbarer Zusatzwiderstand (17) zu schaltbar ist.

11. Schaltanordnung nach einem oder mehrerei der vorangegangenen Ansprüche, dadurch eekenn zeichnet, daß die Aufnehmerspule (6) in zwei Halb spulen (61, 62) mit zueinander gegenläufigen Wicklungssinn aufgeteilt ist, die längs einer gemein samen Längsachse (20) in definiertem Abstand ta zueinander angeordnet sind.