DE2347149A1 - Verfahren und gyrometer zum messen der geschwindigkeit einer drehbewegung um eine achse - Google Patents

Description

• Patentanwälte Dipl.-Ing. R. CS -^TZ send Dipl~Inj> K. LA" T?=; 2CHT

Dr.-Ing. R. U C IL T Z Jr. t MInch·n 22, Steinsdoririr. «

410-21.413P 19. 9. 1973

Commissariat ä I¹Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Verfahren und Gyrometer zum Messen der Geschwindigkeit einer Drehbewegung um eine Achse

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer Drehbewegung um eine Achse, bei dem der Wert der Rotationsgeschwindigkeit aus der Abweichung zwischen der Frequenz eines von einer mit dieser Rotationsgeschwindigkeit umlaufenden Magnetometersonde mit magnetischer Resonanz gelieferten Signals einerseits und einer Bezugsfrequenz andererseits hergeleitet wird, sowie auf zum Durchführen eines solchen Verfahrens geeignete Gyrometer.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf dem Gebiete der Trägheitsnavigation für Flugkörper, Raketensonden oder Satelliten usw..

Bestimmte Atomkerne ermöglichen es bekanntlich durch ihre Eigenschaften, Detektoren für die Erkennung von Winkelbe-

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wegungen zu bauen; ihr kinetisches Eigendrehmoment, also ihr Spin, ist nämlich empfindlich für gyroskopische Effekte, und ihr magnetisches Moment, das dem kinetischen Moment proportional ist, ermöglicht die Erkennung dieser Bewegungen mit Hilfe elektromagnetischer Meßverfahren,

Die Anwendung der magnetischen Kernresonanz hat den Bau von Gyrometern ermöglicht, die auf der für Spinsysteme gegebenen Äquivalenz zwischen einem Magnetfeld und einer Rotationsbewegung beruhen. Die Analyse der Spiribewegungen zeigt nämlich, daß der Einfluß der Rotation des Vektors JL. gleich dem Einfluß eines Magnetfeldes H ist, das der Beziehung J L = γ~ H genügt, wobei 'f- für das gyromagnetische Spinverhältnis steht. Um eine Rotationsbewegung zu messen, erzeugt man daher ein Magnetfeld Hq,das als Richtmagnetfeld bezeichnet wird, und ordnet in diesem Riehtmagnetfeld eine Sonde für die magnetische Kernresonanz an. Diese Sonde wird fest mit dem Gerät verbunden, dessen Rotationsbewegung gemessen werden soll.

Dabei sind grundsätzlich zwei Typen von Geräten möglich:

Die Rotationsbewegung verläuft parallel zum Riehtmagnetfeld Ho; sie äußert sich dann in einer Modifizierung der IARMOR-Frequenz, die von dem Wert UJ. = /Ήο zu dem Wert (AJ ^f 5/Ή0+ YV übergeht. Die Messung von SL läuft damit auf eine Messung der Frequenzverschiebung hinaus.

Die Rotationsbewegung vollzieht sich senkrecht zum Richtmagnetfeld Ho; dann muß dem Richtmagnetfeld Ho ein magnetisches Wechselfeld überlagert werden; diese Anordnung führt zu einem Gyrometer, das als Gyrometer mit Kerninduktion bezeichnet wird.

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Die Erfindung betrifft Gyrometer, die zu dem oben an erster Stelle erwähnten Typ gehören. Bei den bisher bekannten Anordnungen dieser Art wird die Messung der durch die Rotationsbewegung herbeigeführten Frequenzänderung dadurch vorgenommen, daß die Winkelfrequenz

'•Ο ^f = γΈο +-Π. mit der eines Bezugssignals verglichen wird, das einem äußeren Oszillator entnommen wird. Nun wird jedoch das Richtmagnetfeld, dem die Sonde ausgesetzt wird, in der Praxis durch Störfelder aus der Umgebung wie beispielsweise das magnetische Erdfeld, die Felder benachbarter Massen usw. gestört, so daß die Frequenz U/' gleichzeitig die gewünschtegyrometrische Information - in Form des Terms -1- - und Fluktuationen magnetischer Natur - in Form des Terms χ Ho - umfaßt. Durch eine magnetische Abschirmung der Sonde läßt sich der auftretende Fehler zwar verringern, nicht aber völlig ausschalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf dem sich eine Drehgeschwindigkeit mit Hilfe eines Gyrometers erfassen läßt, ohne daß sich Fehler durch die Anwesenheit von magnetischen Störfeldern einstellen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer Drehbewegung um eine Achse gelöst, bei dem der Wert der Rotationsgeschwindigkeit aus der Abweichung zwischen der Frequenz eines von einer -mit dieser Rotationsgeschwindigkeit umlaufenden Magnetometersonde mit magnetischer Resonanz gelieferten Signals einerseits und einer Bezugsfrequenz andererseits hergeleitet wird und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Bezugsfrequenz gleich der magnetischen Resonanzfrequenz gewählt wird.

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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bezugsfrequenz, mit der die Frequenz ft Ho +-A. verglichen wird, nicht mehr von einem äußeren Oszillator gewonnen, sondern diese Bezugsfrequenz ist die Frequenz der magnetischen Kernresonanz für die verwendete Sonde selbst, also 3" Ho.-Diese Frequenz läßt sich durch die Oszillationsfrequenz eines Oszillators mit Kernspinkopplung messen, der aus einer magnetometrisehen Sonde und angekoppelten elektrischen Schaltungen besteht. Die Frequenz ^Ho ist unempfindlich gegen die Rotation und berücksichtigt das tatsächliche Magnetfeld Ho, inüem sich die Meßsonde befindet. Der Unterschied zwischen den Frequenzen Jf Ho + _fl_ einerseits und γ Ho andererseits liefert daher die gesuchte Rotationsgeschwindigkeit _0_ selbst, die nicht mehr von Fluktuationen des Richtmagnetfeldes abhängt.

In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemaßen Verfahrens wird so vorgegangen, daß als Magnetometersonde eine solche mit magnetischer Kernresonanz gewählt wird, wobei außerdem auf Höhe der Sonde ein kontinuierliches und homogenes Magnetfeld mit in Bezug auf die Sonde konstanter Richtung erzeugt werden kann.

Eine bevorzugte Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbereiten des Kompensationssignals in einem Verfahren zum Kompensieren des gyromagnetischen Effekts in einem Magnetometer.

Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Gyrometer, das sich zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines homogenen und kontinuierlichen Richtmagnetfeldes entlang der Achse, um die sich die in ihre-/· Geschwindigkeit zu erfassende

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Rotation vollzieht, und einer in diesem Magnetfeld angeordneten Magnetometersonde mit magnetischer Kernresonanz ausgestattet ist, wobei diesei Gyrometer erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen Detektor für die Erfassung der Frequenz der magnetischen Kernresonanz und eine Einrichtung zum Messen der Differenz zwischen der Frequenz des von der Magnetometersonde gelieferten elektrischen Signals einerseits und der Bezugsfrequenz andererseits aufweist.

In einem solchen Gyrometer kann man gleichzeitig das Bezugssignal mit der Frequenz γ Ho und das gyromagnetische Signal mit der Frequenz f Ho + J\- erhalten. Dabei sucht man ein Magnetometer der Bauart mit einem Oszillator mit Kernspinkopplung zu verwenden, um ein Bezugssignal zu erhalten, das von einer Rotation um die Achse nicht beeinflußt wird, für die die interessierende Rotationsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Dazu muß die Achse der Abnahmespulen für das Nutzsignal entlang dieser Achse gelegt werden; damit sich bei dieser Lage ein Signal mit der Frequenz f Ho ergeben kann, darf diese Achse keine verbotene Achse sein; mit dem Begriff "verbotene Achse" wird in diesem Zusammenhang eine Achse bezeichnet, die bei paralleler Lage zu einem Magnetfeld die Sonde für dieses Magnetfeld unempfindlich werden läßt. Die in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Gyrometer für die Gewinnung des Bezugssignals verwendete Magnetometersonde ist daher eine Magnetometersonde ohne verbotene Achse; sie soll daher im folgenden auch mit dem Ausdruck "isotrope Sonde" bezeieUinet werden.

Für die Gewinnung des gyromagnetischen Signals mit der Frequenz /"Ho + -Π_ kann man auch ein Magnetometer der Bauart

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mit einem Spinoszillator verwenden, bei dem die Achsen der Entnahmespulen für das Nutzsignal senkrecht zur Meßachse liegen; man kann daher eine zweite, der ersten Sonde ähnliche isotrope Sonde mit dazu senkrechter Achse anordnen und damit einen zweiten Spinoszillator bilden. Das Gyrometer wird in diesem Falle durch einen Differenzfrequenzmesser, der mit den Signalen der beiden Spinoszillatoren gespeist wird, und ein Regelsystem für die Intensität des Richtmagnetfeldes vervollständigt, dessen Arbeitsweise auf einem Vergleich zwischen der Frequenz des ersten Spinoszillators einerseits und der Frequenz eines Bezugsoszillators andererseits beruht.

Bei einer bevorzugten AusfUhrungsvariante für die Erfindung ist jedoch das Bezugsmagnetometer stets ein Magnetometer der Bauart mit einem Oszillator mit Kernspinkopplung, und es enthält eine uniaxialisotrope Sonde, deren Achse parallel zum Richtmagnetfeld liegt. Außerdem weist dieses Gyrometer mindestens eine Spule mit zum Richtmagnetfeld senkrechter Achse, einen Verstärker zum Verstärken der an den Anschlußklemmen dieser Spule auftretenden Spannung mit der von der zu erfassenden Rotation abhängigen Kreisfrequenz o> ' und eine Meßeinrichtung zum Messen der Differenz zwischen dieser Kreisfrequenz u, ' und der Kreisfrequenz α/ des Bezugsmagnetometers auf.

Vorzugsweise wird in diesem Falle anstelle mit einer einzigen Spule mit zwei Halbspulen gearbeitet, die symmetrisch zu beiden Seiten der Sonde angeordnet und so geschaltet sind, daß sich ihre Nutzsignale addieren.

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Bei einer Ausführungsvariante wird das zweite Magnetometer auf diese Weise durch eine einfache Spule ersetzt, die der Kernspinpräzession des ersten Magnetometers ausgesetzt wird, die, darin ein mit der Bezugsfrequenz alternierendes Signal induziert, das auf die Drehung des Gyrometers um die Achse des Richtmagnetfeldes anspricht.

Pur die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Gyrometer veranschaulicht ist; dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 einen schematisch gehaltenen Schnitt durch eine in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Gyrometer verwendbare isotrope Sonde;

Fig. 2 ein Schaltbild für den elektrischen Aufbau einer solchen Sonde und

Fig. 3 ein Übersichtschema für den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gyrometers.

Wie bereits oben erläutert, kann das Gyrometer mit Vorteil mit einer uniaxialisotropen Sonde ausgerüstet werden, Eine solche Sonde enthält zahlreiche Bauelemente, die im einzelnen in der FR-OS entsprechend der Patentanmeldung EN 7027009 vom 22.7.I97O betreffend "Kernmagnetresonanz-Magnetometer" der Anmelderin beschrieben sind, so daß für die Einzelheiten im Aufbau dieser Sonde auf diese Patentanmeldung Bezug genommen werden kann. Im folgenden soll daher der Bau einer solchen Sonfle unter Bezugnahme auf die

Darstellungen

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in Fig. 1 und 2 nur kurz dargelegt werden.

In Fig. 1 ist ein schematisch gehaltener Schnitt durch eine solche isotrope Sonde dargestellt. Die dargestellte Sonde besteht aus zwei ähnlichen Einheiten 2 und 4, die entlang der Achse ZZ¹ ausgerichtet sind; jede Einheit setzt sich ihrerseits aus zwei Halbspulen 6 und 6^! zusammen, die zwei Proben 8 und 8' umgeben; die Halbspulen 6 und 6' können einen beliebigen Querschnitt und insbesondere einen dreieckigen Querschnitt aufweisen; die Proben 8 und 8' sind in zwei voneinander unabhängigen Behältern 10 und 10' enthalten, die mit Vorteil die Form zweier symmetrischer Flaschen 14 und 15 bzw. 14' und 15^f aufweisen können, so daß sie nebeneinander gestellt einen Raum begrenzen, in dem die beiden Halbspulen β und 6' angeordnet werden können. Der Resonanzhohlraum für die Erregung umfaßt einen Leiter 12, der mit dem Eingangsleiter eines Koaxialkabels 13 verbunden ist, und eine äußere Hülle 18.

Die beiden Proben 8 und 8' sind beide aus einem Lösungsmittel, das einen Kernspin besitzt, und einer in diesem Lösungsmittel aufgelösten paramagnetischen Substanz zusammengesetzt; diese Substanz legt das gyromagnetische Verhältnis f der Kerne und die Resonanzfrequenz Uu= f Ho für diese Kerne in einem Magnetfeld der Intensität Ho fest.

Der ausgenutzte Kernspin stammt im allgemeinen von Protonen, es lassen sich dafür aber auch andere Kerne heranziehen, und zwar insbesondere Kerne von Phosphor und Fluor. Im ersten Falle besteht das Lösungsmittel im

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allgemeinen aus einer wasserstoffhaltigen Flüssigkeit. Die paramagnetische Substanz kann durch ein Ion oder ein freies Radikal gebildet werden, das ein unpaares Elektron enthält, das mit einem Atomkern der Substanz in Wechselwirkung treten kann. Die Natur dieser Proben wird so bestimmt, daß von der Erscheinung der dynamischen Polarisation oder dem ÖVERHAUSER-ABRAGAM-Effekt Gebrauch gemacht werden kann, der auf einer dipolaren Kopplung zwischen dem Kernspin des Lösungsmittels und dem Spin eines zur paramagnetischen Substanz gehörigen Elektrons beruht* Die Polarisation wird durch Pumpen mit Hilfe eines sehr hochfrequenten Feldes erzielt, wobei die Resonanzlinie für die paramagnetische Elektronenresonanz in der päramagnetisehen Substanz gesättigt wird.

In uniaxialisotropen Sonden, wie sie in Fig. 1 dargestellt Sind* sind die Meßspule und die Injektionsspule 6 und 6' Spulen mit umgekehrtem Wicklungssinn, so daß sich die darin induzierten Störsignale gegenseitig kompensieren; die Nutzsignale dagegen, die auf elektromotorische Kräfte zurückgehen, die durch die Erscheinung der Kernresonanz entstehen, addieren sich zueinander. Dieses Ergebnis kommt jedoch nur dann zustande, wenn die makroskopische Resultante der magnetischen Momente der Kerne in der einen der beiden Proben der makroskopischen Resultante der magnetischen Momente' der Kerne in der andren der beiden Proben entgegengesetzt ist* Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine einzige Erregungsquelle mit sehr hoher Betriebsfrequenz vorhanden ist, müssen sich diese entgegengesetztenEffekte als Reaktion auf eine Erregung ergeben, die sich für beide Proben mit der gleichen Frequenz vollzieht. Dazu werden

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zwei Proben verwendet, in denen die paramagnetischen Substanzen von verschiedener Art sind, indem sie bei etwa der gleichen Erregerfrequenz zwei zueinander inverse Resonanzlinien für die paramagnetische Elektronenresonanz zeigen* Dies bedeutet, daß in einer der beiden Proben, beispielsweise der Probe 8, die Sättigung der Resonanzlinie durch das elektromagnetische Feld eine Zunahme der Energieabsorption bei der Kernresonanzfrequenz herbeiführt, während bei der anderen Probe, beispielsweise der Probe 8', diese Sättigung der Resonanzlinie für die Elektronenresonanz eine stimulierte Energieemission mit der Resonanzfrequenz für die magnetische Kernresonanz zur Folge hat.

In Fig. 2 ist das elektrische Schaltschema für eine der Darstellung in Fig. 1 entsprechende uniaxialisotrope Sonde und eine Oszillatorschaltung mit Kernspinkopplung veranschaulicht. Beide Halbspulen 6 und 6' sind mit einem Ende an Masse gelegt und an ihren anderen Enden mit den Eingängen eines Schleifenverstärkers 20 verbunden^ zwischen diesen Enden der Spulen 6 und 6' liegt ein Abstimmkondensator 30, der dem Eingang des Verstärkers einen geeigneten Uberspannungskoeffizienten verleiht. Die Ausgangssignale des Verstärkers 20 werden zum Teil wieder in die Halbspulen 6 und 6' eingespeist. Dazu führt vom Ausgang 22 des Verstärkers 20, der im übrigen über eine Leitung 24 mit in der Zeichnung nicht dargestellten weiteren Baustufen verbunden ist, eine Rückkopplungsschleife zu den Eingängen zweier gleicher Widerstände 26 und 28, deren Widerstandswert groß ist gegen die Impedanz der beiden Halbspulen 6 und 6'. Um einen genauen Abgleich der Sonde zu ermöglichen, ist der Aus-

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gang 22 des Verstärkers 20 mit den Widerständen 26 und über ein Potentiometer 30 verbunden.

Die Resonanzlinien für die paramagnetische Elektronenresonanz in den beiden Proben 8 und 8' werden durch einen einzigen Oszillator 32 mit sehr hoher Betriebsfrequenz erregt, der mit dem durch die Hülle 18 gebildeten Resonanzhohlraum über das Koaxialkabel 13 verbunden ist.

Die oben beschriebene Sonde verhält sich in unterschiedlicher V/eise je nachdem, ob sie in einem zu ihrer Achse senkrechten oder in einem zu ihrer Achse parallelen Magnetfeld angeordnet ist:

1. Wenn das Magnetfeld senkrecht zur Sondenachse verläuft, induziert die Präzession der makroskopischen Resultante M für die Kernspine in den Meßspulen eine elektromotorische Kraft, die durch, die Beziehung:

E = K

•jü COS VJ t

wiedergegeben werden kann,, in der ^J für die IARMOR-Frequenz steht. Wenn die Sonde in eine Rotationsbewegung in einer zu Ho senkrechten Ebene versetzt wird, ändert sich unter der Voraussetzung einer Konstanz der Frequenz für die Spinpräzession die Frequenz der induzierten elektromotorischen Kraft, und sie stellt dann ein Bild für ein virtuelles Feld dar, das von der der Sonde aufgeprägten Winkelgeschwindigkeit beeinflußt wird. Auf diese Weise geht die oben angegebene Beziehung über in die Beziehung:

E' = K

u; ' cos vl 't

wobei co' für u + .!gesetzt ist.

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2. Wenn das Magnetfeld parallel zur Sondenachse verläuft, so führt eine zum Magnetfeld Ho parallele Rotation nicht zu einer Frequenzänderung. Das Spulensystem zeigt dann stets den gleichen Drehvektor M wie das Bezugssystem, und die Ausgangsspannung behält ihre Frequenz OJ bei.

Man kann daher gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung in einem kontinuierlichen und homogenen Richtmagnetfeld Ho zwei Sonden anordnen, von denen die eine mit ihrer Achse parallel zum Richtmagnetfeld Ho liegt, während die Achse der anderen Sonde senkrecht zum Richtmagnetfeld Ho steht. Die erste Sonde liefert dann ein Bezugssignal mit der Frequenz w > während die zweite Sonde ein Signal mit der die gyro-Γη etrische Information enthaltenden Frequenz, nämlich der Frequenz UJ ' = oi + /\., erzeugt. Die Differenz zwischen den Frequenzen der von den beiden Sonden abgegebenen Signale liefert dann ein Maß für die Rotationsgeschwindigkeit JV. um die Achse des Richtmagnetfeldes. Diese Anordnung mit zwei Sonden kann in der Praxis stark vereinfacht werden, da es gemäß einer vorteilhaften AusfUhrungsVariante der Erfindung möglich ist, das die geometrische Information enthaltende Signal von einer Sonde abzunehmen, deren Aehse parallel zum Richtmagnetfeld liegtj ein entsprechendes Gyrometer ist in Fig. 3 dargestellt.

Das in Fig. 3 dargestellte Gyrometer besitzt eine uniaxialisotrope Sonde, die entlang der Achse ZZ¹ ausgerichtet ist. Im übrigen entspricht die Sonde von Fig. 3 der oben in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Sonde,

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und gleiche Bauelemente sind in Fig.5 mit den /xeiehen Bezugszahlen bezeichnet wie in Pig.l. Von dr* zum Kernspi'ioözillator mit der Frequenz ^J gehc5jxgen Schaltung ist in Fig. 3 nur der Schleifenversfv ker 20 dargestellt. Entlang der Achse ZZ¹, um die '•lie Rotationsgeschwindigkeit gemessen werden soll, Wjvd mit Hilfe einer Wicklung 40, die auf einen Träger Ό aufgewickelt ist und aus einer in der Zeichnung nicvit dargestellten Gleichstromquelle gespeist wird, ein kontinuierliches und homogenes Magnetfeld Ho erzeugt. Eine als Regelwicklung bezeichnete Wicklung -¹M liegt koaxial zur Wicklung 40. Eine Gruppe aus zwei Halbspulen 42 und 42' ist entlang der zur Achse ZZ' ,senkrechten Achse XX' angeordnet; die beiden Halbsyulen 42 und 42' liegen zu beiden Seiten der Sonde und sand hinreichend nahe bei dieser angeordnet, so daß die Feldlinien der Kernspine, die in Fig. 1 durch gestrichelte Linien 45 angedeutet sind, die von den Proben 8 und 8' ausgehen, die Halbspulen 42 und 42' durchqueren. Die elektrische Spannung mit der Frequenz U/¹, die an den Anschlußklemmen der Halbspulen 42 und 42' auftritt, wird in einem Verstärker 44 verstärkt. Ein Frequenz- oder Phasenkomparator 46, der mit seinen beiden Eingängen an den Schleifenverstärker 20 bzw. an den Verstärker 44 angeschlossen ist, bildet mit seinem Ausgang den Meßausgang 48 des Gyrometers. Außerdem ist ein Frequenzkomparator 50 vorhanden, der an einem seiner Eingänge mit einem von einem Bezugsoszillator 52 gelieferten Signal gespeist wird, während er an seinem anderen Eingang ein Signal mit der Frequenz ui zugeführt erhält, das am Ausgang des Schleifenverstärkers 20 von dem Kernspinoszillator abgenommen wird. Am Ausgang des !Comparators 50 erscheint dann ein Korrektursignal, das in die Regelwicklung 4l eingespeist wird.

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Das in Pig.5 dargestellte Gyrometer arbeitet in folgender Weise. Ohne eine Rotation um die Achse ZZ¹ weist die in den Halbspulen 42 und 42' induzierte elektromotorische Kraft eine Frequenz u/' auf, die gleich der Frequenz ιλ> für die Kernpräzession ist. Die strenge Gleichheit der Frequenzen i^und «a/' ermöglicht es, das Signal am Meßausgang 48 des Komparators 46 vollkommen auf den Wert Null einzustellen. Wenn die Sonde in eine Drehbewegung um die Achse ZZ' mit der Winkelgeschwindigkeit j\_ versetzt wird, so behält das vom Kernspinoszillator am Ausgang des Schleifenoszillators 20 abgegebene Signal seine Frequenz (A) bei, das in den Halbspulen 42 und 42' induzierte Signal dagegen wird in seiner Frequenz auf einen Wert u/' = uj + J]- verschoben. Ein Vergleich der Signale mit den Frequenzen w und uj ^f im Komparator ergibt dann unmittelbar die Winkelgeschwindigkeit J"L, die am Meßausgang 48 erscheint.

Bei einer vervollkommneten AusführungsVariante des dargestellten Gyrometers wird die Unabhängigkeit der Frequenz uu des Kernspinoszillators gegenüber gyromagnetischen Effekten dazu ausgenutzt, die Amplitude Ho des Richtmagnetfeldes zu stabilisieren. Zu diesem Zwecke wird die Frequenz \Λ/ des Ausgangssignals des Kernspinoszillators im Komparator 50 mit der des Bezugsoszillators 52 verglichen. Wenn die Frequenz Ui = ^ Ho des Kernspinoszillators variiert, so zeigt dies eine Variation des Richtmagnetfeldes Ho an; der Komparator 50 erzeugt dann einen Strom, der in die Regelwicklung 41 mit solchem Richtungssinn eingespeist wird, daß das Richtmagnetfeld auf seinen anfänglichen Wert zurückgeführt wird.

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Wie bereits oben erläutert, arbeitet die uniaxialisotrope Sonde mit dynamischer Polarisation, wobei angenommen wird, daß die Resonanzlinien für die paramagnetische Elektronenresonanz in den beiden Proben 8 und 8' in der Sonde bei ein und derselben Frequenz liegen. Die Proben 8 und 8' befinden sich in einem Magnetfeld, das durch das Richtmagnetfeld dargestellt wird; die Resonanzlinien für die Elektronenresonanz hängen in ihrer Frequenzlage daher von der Amplitude dieses Magnetfeldes ab, da dieses Magnetfeld die Hyperfeinstruktur der in den. Proben enthaltenen paramagnetischen Substanzen ändert. Die Auswahl für die in der Sone zu verwendenden Proben hängt daher von dem Wert ab, der für das Richtmagnetfeld gewählt wird.

Wird für das Richtmagnetfeld eine geringe Feldstärke gewählt, so läßt sich das Probenpaar zum einen aus einer Lösung von Triacetonaminnitroxyd (TANO) in -Pimethoxy^ . äthan und zum anderen aus einer Lösung von 10 M TANO in Methanol aufbauen. Die gemeinsame Frequenz für die Resonanzlinien der paramagnetischen Elektronenresonanz liegt dann bei etwa 62,6 MHz.

Da die Amplitude des AusgangsSignaIs des Kernspinoszillators eine Funktion des Magnetfeldes Ho ist, ist es jedoch von Vorteil, ein Gyrometer so zu konstruieren, daß das Richtmagnetfeld Ho so groß wird wie möglich. In diesem Falle erweist sich das oben angegebene Probenpaar nicht mehr als geeignet. In praktischen Versuchen hat die Anmelderin Probenpaare ausfindig gemacht, die ein Arbeiten bei einer Amplitude

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des Richtmagnetfeldes gestatten, die größer ist als die des magnetischen Erdfeldes. Beispielsweise erweist sich für ein Richtmagnetfeld der Größe 2,5 Oersted das folgende Probenpaar als geeignet: Die erste Probe besteht aus in einer Konzentration von 10 M in Nonan aufgelöstem deuteriertem TANO, während die zweite Probe aus in einer Konzentration von 10 M in einer Mischung aus 5O^ Aceton und 50^ Wasser aufgelöstem deuteriertem Diterbiobutylnitroxyd (DTBN) besteht. Die gemeinsame Frequenz für die Resonanzlinien der paramagnetischen Elektronenresonanz liegt dann bei etwa 65,5 MHz.

Das Richtmagnetfeld Ho kann von einer Wicklung erzeugt werden, die aus einem leitenden Draht besteht, der auf einen kugelförmigen Träger aufgewickelt ist, der beispielsweise aus Pyrexglas mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten besteht. Die Inhomogenität des Magnetfeldes läßt sich dann für 60% des nutzbaren Volumens auf einen Wert von weniger als 10 bringen. In den Fällen,' in denen eine besonders große Genauigkeit für die Winkelgeschwindigkeitsmessung verlangt wird, lassen sich die zu korrigierenden Störungen durch Verwendung einer magnetischen Abschirmung rund um diese Kugel noch erheblich vermindern.

Die Erfindung ist nicht auf den Fall des oben beschriebenen Gyrometers beschränkt, bei dem auf Höhe der Sonde ein kontinuierliches Magnetfeld, das Richtmagnetfeld, erzeugt wird. Ihre Vorteile bleiben nämlich auch dann erhalten, wenn das Gyrometer in ein von Null verschiedenes Magnetfeld wie beispielsweise das magnetische Erdfeld eingebracht wird.

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In diesem letzten Falle besteht eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung in der Kompensation der gyromagnetischen Effekte bei der Magnetfeldmessung durch ein Magnetometer mit magnetischer Resonanz, das mit einem bewegten Träger wie beispielsweise einem Flugzeug verbunden ist. In diesem Falle ist es nämlich unabdingbar, die Drehgeschwindigkeit dieses Trägers um die Richtung der magnetischen Feldlinien zu messen, um das notwendige Fehlersignal zu erhalten; das erfindungsgemäß ausgebildete Gyrometer ist für diesen Zweck geeignet und kann gegebenenfalls in eine Vorrichtung eingebaut werden, wie sie in der vorerwähnten FR-OS beschrieben ist.

Außerdem bildet auch ein dem oben beschriebenen Gyrometer analoges Gyrometer, bei dem die Erscheinung der magnetischen Elektronenresonanz ausgenutzt wird, wie sie sich beispielsweise bei einem Magnetometer mit optischem Pumpen ergibt, einen Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   f Iy Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer Drehbewegung um eine Achse, bei dem der Wert der Rotationsgesehwindigkeit aus der Abweichung zwischen der Frequenz eines von einer mit dieser Rotationsgeschwindigkeit umlaufenden Magnetometersonde mit magnetischer Resonanz gelieferten Signals einerseits und einer Bezugsfrequenz andererseits hergeleitet wird, dadurch gekennze ichnet, daß die Bezugsfrequenz gleich der magnetischen Resonanzfrequenz gewählt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetometersonde eine solche mit magnetischer Kernresonanz gewählt wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß auf Höhe der Son* ein kontinuierliches und homogenes Magnetfeld mit in Bezug auf die Sonde konstanter Richtung erzeugt wird,

   4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zum Aufbereiten des Kompensationssignals in einem Verfahren zum Kompensieren des gyromagnetischen Effekts in einem Magnetometer.

   5. Gyrometer zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines homogenen und kontinuierlichen Richtmagnetfeldes entlang der Achse, um die sich die in ihrer Geschwindigkeit zu erfassende Rotation vollzieht, und einer in diesem Magnetfeld angeordneten Magnetometersonde mit magnetischer Kernresonanz, dadurch gekennzeichnet, daß es einen

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   Detektor für die Erfassung der Frequenz der magnetischen Kernresonanz und eine. Einrichtung zum Messen der Differenz zwischen der Frequenz des von der Magnetometersonde gelieferten elektrischen Signals einerseits und der Bezugsfrequenz andererseits aufweist.

   6. Gyrometer nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die Erfassung der Frequenz der magnetischen Kernresonanz eine zweite Sonde, die keine verbotene Achse für die Messung und Abnahmespulen für das Resonanzsignal der magnetischen Kernresonanz mit zum Richtmagnetfeld paralleler Achse aufweist, und damit gekoppelte elektrische Schaltungen besitzt, die einen Oszillator mit Kernspinkopplung bilden.

   7. Gyrometer nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die Erfasaung der Frequenz der magnetischen Kernresonanz eine zweite Sonde, die keine verbotene Achse für die Messung und Abnahmespulen für das Resonanzsignal der magnetischen Kernresonanz mit zum Richtmagnetfeld paralleler Achse aufweist, und damit gekoppelte elektrische Schaltungen besitzt, die einen Oszillator mit Kernspinkopplung bilden, der mit der Bezugskreisfrequenz iv schwingt, und daß diese zweite Sonde mindestens eine Spule mit zum Richtmagnetfeld senkrechter Achse, einen Verstärker zum Verstärken der an den Anschlußklemmen dieser Spule auftretenden Spannung mit der von der zu erfassenden Rotation abhängigen Kreisfrequenz U-/' undjeine Meßeinrichtung zum Messen der Differenz zwischen den Kreisfrequenzen (//und WJ' enthält.

   8. Gyrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule der zweiten Sonde in zwei Halbspulen aufgeteilt

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   ist, die symmetrisch zu beiden Seiten der Sonde angeordnet und so geschaltet sind, daß sich ihre Nutzsignale addieren.

   9. Gyrometer nach Anspruch 6 oder 7> dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sonde mit dynamischer Polarisation ausgestattet ist und zwei Proben, von denen jede aus einem Lösungsmittel, mit Kernspin und einer in diesem Lösungsmittel gelösten paramagnetischen Substanz zusammengesetzt ist und bei Berücksichtigung des auf sie einwirkenden Richtmagnetfeldes eine Resonanzlinie für die paramagnetische Elektronenresonanz bei einer gemeinsamen Frequenz aufweist, für welche Resonanzlinien eine Sättigung bei der einen Probe zu einer Zunahme der Energieabsorption bei der Resonanzfrequenz für die magnetische. Kernresonanz und bei der anderen Probe zu einer Energieemission bei der Resonanzfrequenz für die magnetische Kernresonanz führt, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Pumpfeldes mit der gemeinsamen Frequenz aufweist.

   10. Gyrometer nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Radikal für die eine Probe in Nonan in einer Konzentration von 10 M aufgelöstes und deuteriertes Triacetonarainnitroxyd (TANO) und das Radikal für die andere Probe in einer 50$igen Mischung aus Aceton und Wasser in einer Konzentration von lO^MJaufgelöstes deuteriertes Diterbiobutylnitroxyd (DIBN) ist und die Amplitude des Richtmagnetfeldes bei 2,5 Oersted und die gemeinsame Pumpfrequenz bei 65,5 MHz liegt.

   11. Gyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,daß zum Erzeugen des Richtmagnetfeldes eine sphärische

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   Spule vorgesehen ist, die aus einem auf einen kugelförmigen isolierenden Träger aufgewickelten leitenden Draht besteht und aus einer Gleichstromquelle gespeist wird.

   12. Gyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Richtmagnetfeldes eine Regelwicklung mit zum Riehtmagnetfeld paralleler Achse, eine diese Regelwicklung speisende Regelschaltung mit einem bei einer Bezugsfrequenz arbeitenden Oszillator und ein Frequenzkomparator vorgesehen sind, der mit seinem einen Eingang an den Bezugsoszillator und mit seinem anderen Eingang an den Detektor für die Resonanzfrequenz der magnetischen Kernresonanz angeschlossen ist und an seinem Ausgang ein die Regelwicklung speisendes Korrektursignal abgibt.

   13. Gyrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sonde mit einer magnetischen Abschirmung umgeben ist.

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