DE2347149B2 - Anordnung zum messen der drehgeschwindigkeit eines um eine achse rotierenden koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Drehgeschwindigkeit eines um eine Achse rotierenden Körpers mit einer gemeinsam mit diesem Körper rotierenden und in ein homogenes magnetisches Gteichfeld eintauchenden Megnetometersonde mit magnetischer Resonanz anhand eines Vergleichs der Frequenz eines von der Magnetometersonde abgegebenen elektrischen Signals mit einer Bezugsfrequenz sowie die Anwendung einer solchen Anordnung zum Aufbereiten des Kompensationssignals zum Kompen-

sieren des gyromagnetische)! Effekts in einem Magnetometer.

Allgemein IaBt sich die Erfindung insbesondere auf dem Gebiete der Trägheitsnavigation für Flugkörper, Raketensonden oder Satelliten u. dgl einsetzen.

Bekanntlich ermöglichen es bestimmte Atomkerne dank ihrer Eigenschaften, Detektoren für die Erkennung von .Winkelbewegungen zu bauen; das kinetische Eigendrehmoment, also der Spin dieser Atomkerne, ist nämlich empfindlich für gyroskopische Effekte, und ihr magnetisches Moment, das dem kinetischen Moment proportional ist, ermöglicht die Erkennung dieser Bewegung mit Hilfe elektromagnetischer Messungen.

Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften der Atom kerne gebaute Gyromoter besitzen eine Sonde für magnetische Kernresonanz, die zum einen in einem Richtmagnetfeld angeordnet und zum anderen fest mit dem Bauelement oder Gerät verbunden ist, dessen Rotationsbewegung messend verfolgt werden soll.

Beispiele für Gyrometer dieser Art finden sich in der US-PS 3243 694 und in der DT-AS 12 05714. Die Arbeitsweise dieser bekannten Gyrometer umfaßt neben vorbereitenden Schritten wie der Kopplung von Magnetometersonde und rotierendem Körper und der Erzeugung eines die Magnetometersonde beeinflussenden Magnetfeldes als in den eigentlichen Meßvorgang die Abnahme eines elektrischen Signals, die Bestimmung von dessen Frequenz und die Weiterverarbeitung dieser Frequenz als Meßgröße unter Vergleich mit einer Bezugsgröße, wobei das Vergleichsergebnis das gewünschte Maß für die interessierende Drehgeschwindigkeit des rotierenden Körpers abgibt.

Dabei wird bisher die Bezugsfrequenz für den Frequenzvergleich mit Hilfe einer gesonderten Schaltung erzeugt, sie stellt also eine feste Größe dar. In der Praxis wird jedoch das Richtmagnetfeld, dem die Sonde ausgesetzt ist, durch Störfelder aus der Umgebung wie beispielsweise das magnetische Erdfeld, die Felder benachbarter Massen usw. gestört, so daß die als Meßgröße ermittelte Frequenz außer der gewünschten gyrometrischen Information auch Fluktuationen magnetischer Natur aus der Umgebung enthält. Während der Messung auftretende Änderungen im äußeren Magnetfeld wirken sich somit auf das Meßsignal aus, und sie können daher in Wahrheit nicht vorhandene Änderungen der zu messenden Drehgeschwindigkeit vortäuschen, was letztlich eine starke Unzuverlässigkeit der Geschwindigkeitsmessung zur Folge hat. Weiterhin können sich Einflüsse auf das Verhalten der die Bezugsfrequenz liefernden Schaltung wie etwa eine Änderung von deren Umgebungstemperatur Änderungen in der abgegebenen Bezugsfrequenz bewirken, wodurch im Endergebnis ebenfalls eine in Wahrheit nicht vorhandene Änderung der zu messenden Drehgeschwindigkeit vorgetäuscht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sie eine Drehgeschwindigkeitsmessung ermöglicht, die keinerlei Fehler infolge der Anwesenheit von äußeren magnetischen Störfeldern enthält.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bezugsfrequenz die Resonanzfrequenz der magnetischen Resonanz der Magnetometersonde ist.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung arbeitet also mit der magnetischen Resonanzfrequenz selbst als Bezugsfrequenz und verwendet somit als solche Bezugsfrequenz anstelle eines von außen gelieferten Wertes eine materialeigene Größe. Auf diese Weise bleiben unerwünschte Einflüsse von außen her auf die Bezugsfrequenz ohne Auswirkung auf das Meßergebnis, und außerdem hängt die als MaB für die interessierende Drehgeschwindigkeit verwendete Frequenzdifferenz nicht von Änderungen im magnetischen Richtfeld ab.

Im Rahmen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Magnetometersonde wird mit einer Probe gearbeitet, welcher Ausdruck als Sammelbezeichnung für ein in einem Behälter enthaltenes Lösungsmittel verwendet werden soll, das Atomkerne mit von Null verschiedenem magnetischem Moment und mechanischem Drehimpuls, also genau definiertem gyromagnetischem Verhältnis aufweist und in dem eine paramagnetische Substanz wie beispielsweise freie Ionen oder Radikale mit unpaaren Elektronen gelöst sind, die mindestens eine Elektronenresonanzlinie aufweisen, die sich durch ein elektromagnetisches Feld von hohem Wert und vorgegebener Frequenz und unabhängig von einem die Probe umgebenden schwachen Magnetfeld sättigen läßt

Mit einem solchen Gyrometer kann gleichzeitig ein Bezugssignal und ein gyromagnetisches Signal erhalten werden, wobei als Magnetometer ein solches mit einem Oszillator mit Kernspinkopplung verwendet wird, um ein Cezugssignal zu erhalten, das von einer Rotation um die Achse nicht beeinflußt wird, für welche die interessierende Rotationsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Dazu muß die Achse der Abnahmespulen für das Meßsignal entlang dieser Achse gelegt werden. Um bei dieser Lage ein Bezugssignal zu erhalten, darf diese Achse keine verbotene Achse sein, worunter in diesem Zusammenhang eine Achse verstanden werden soll, die bei paralleler Lage zu einem Magnetfeld die Sonde für dieses Magnetfeld unempfindlich werden läßt. Die erfindungsgemäß für die Gewinnung des Bezugssignals verwendete Magnetometersonde ist daher eine Magnetometersonde ohne verbotene Achse, und sie soll daher im folgenden auch mit dem Ausdruck »isotrope Sonde« bezeichnet werden.

Für die Gewinnung des gyromagnetischen Signals kann auch ein Magnetometer mit einem Spinoszillator verwandet werden, es kann also auch eine zweite, der ersten Sonde ähnliche isotrope Sonde mit dazu senkrechter Achse angeordnet werden 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 erster Spinoszillators einerseits und der Frequenz eines Bezugsoszillators andererseits beruht

Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante für die Erfindung ist jedoch das Bezugsmagnetometer stets eir Magnetometer mit einem Oszillator mit Kernspinkopp lung, und es enthält eine uniaxialisotrope Sonde, derer Achse parallel zum Richtmagnetfeld liegt Außerden weist dieses Gyrometer mindestens eine Spule mit zurr Richtmagnetfeld senkrechter Achse, einen Verstärke! zum Verstärken der an den Anschlußklemmen diesel Spule auftretenden Spannung mit der von der zi erfassenden Rotation abhängigen Kreisfrequnez unc eine Meßeinrichtung zum Messen der Differen; zwischen dieser Kreisfrequenz und der Kreisfrequen; des Bezugsmagnetometers auf.

Vorzugsweise wird in diesem Falle anstelle mit eine einzigen Spule mit zwei Halbspulen gearbeitet, dii

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

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

Im übrigen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 einen schematisch gehaltenen Schnitt durch eine im Rahmen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung verwendbare isotrope Sonde,

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

Fig.3 ein Übersichtsschema für den allgemeinen Aufbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten Meßanordnung.

Wie bereits oben erläutert, kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Meßanordnung mit Vorteil mit einer uniaxialisotrppen Sonde ausgerüstet werden. Eine solche Sonde enthält zahlreiche Bauelemente, die im einzelnen in den DT-OSen 2136 236 und 2136 237 beschrieben sind. Im folgenden soll daher der Bau einer solchen Sonde unter Bezugnahme auf die Darstellungen in F i g. 1 und 2 nur kurz erläutert werden, während hinsichtlich der Einzelheiten im Aufbau einer solchen Sonde auf die oben erwähnten Druckschriften Bezug genommen werden kann.

Die in F i g. 1 dargestellte Sonde besteht aus zwei ähnlichen Einheiten 2 und 4, die entlang der Achse ZZ' ausgerichtet sind; jede Einheit setzt sich ihrerseits aus zwei Halbspulen 6 und 6' zusammen, die zwei der oben gegebenen Definition entsprechende 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' smd in zwei voneinander unabhängigen Behältern 10 und 10' enthalten, die mit Vorteil die Form zweier symmetrischer Flaschen 14 und 15 bzw. 14' und 15' aufweisen können, so daß sie nebeneinander gestellt einen Raum begrenzen, in dem die beiden Halbspulen 6 und 6' angeordnet werden können. Der Resonanzhohlraum für die Erregung umfaßt einen Leiter 12, der mit dem Innenleiter 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 γ der Kerne und die Resonanzfrequenz 0=fHo für diese Kerne in einem Magnetfeld der Intensität flbfest

Der ausgenutzte Kernspin stammt im allgemeinen von Protonen, es lassen sich dafür aber auch andere Kerne heranziehen, tmd zwar insbesondere Kerne von Phosphor und Fluor. Im ersten Falle besteht das lösungsmittel im allgemeinen aus einer wassserstoffhaltigen 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 Overhauser-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 paramagnetischen Substanz gesättigt wird.

In uniaxialisotropen Sonden, wie sie in Fig.l 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 anderen der beiden Proben entgegengesetzt ist Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine einzige Erregungsquelle mit sehr hoher Betriebsfrequenz vorhanden ist, müssen sich diese entgegengesetzten Effekte als Reaktion auf eine Erregung ergeben, die sich für beide Proben mit der gleichen Frequenz vollzieht

Dazu werden 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 F i g. 2 ist das elektrische Schaltschema für eine der Darstellung in F i g. 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 Verstärkers 20

verbunden; zwischen diesen Enden der Spulen 6 und 6' liegt ein Abstimmkondensator 30, der dem Eingang des Verstärkers 20 eine geeignete Resonanzüberhöhung 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 hi, eine Rückkopplungsschleife zu den Eingängen zweier gleicher Widerstände 26 und 28, deren deren Widerstandswert gföB ist gegen die Impedanz der baden Halbspulen 6 und 6'. Um einen genauen Abgleich der Sonde zu ermöglichen, ist der Ausgang 22 des Verstärkers 20 mit den Widerständen 26 und 28 fiber ein Potentiometer 31 verbunden. Die Resonanzlinienfür die paramagnetische Elektronenresonanz in den beiden Proben « tmd «' werden durch einen einzigen Oszillator 32 mit sehr Sober Bstriebsfrequenz erregt, der nut dem durch die HülleiS

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gebildeten Resonanzhohlraum über das Koaxialkabel 13 verbunden ist.

Die oben beschriebene Sonde verhält sich in unterschiedlicher Weise je nachdem, ob sie in einem zu ihrer Achse senkrechten oder in einem zu ihrer Achse parallen Magnetfeld angeordnet ist:

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

E = K Μ|ω cos ω t

wiedergegeben werden kann, in der ω für die

Larmor-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\m[o'cos ω'ί

wobei ω'für ω + Ω gesetzt ist.

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 Twvt'ie das Bezugssystem, und die Ausgangsspannung behält ihre Frequenz ω bei.

Man kann daher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel 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 ω, während die zweite Sonde ein Signal mit der die gyrometrische Information enthaltenden Frequenz, nämlich der Frequenz ω' = ω + Ω, erzeugt. Die Differenz zwischen den Frequenzen der von den beiden Sonden abgegebenen Signale liefert dann ein Maß für die Rotationsgeschwindigkeit Ω um die Achse des Richtmagnetfeldes. Dieser Aufbau mit zwei Sonden kann in der Praxis stark vereinfacht werden, da es möglich ist, das die geometrische Information enthaltene Signal von einer Sonde abzunehmen, deren Achse parallel zum Richtmagnetfeld liegt; eine entsprechende Anordnung ist in F i g. 3 dargestellt.

Die in Fig.3 dargestellte Anordnung besitzt eine uniaxialisotrope Sonde, die entlang der Achse ZZ' ausgerichtet ist Im übrigen entspricht die Sonde von Fig.3 der oben in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Sonde, und gleiche Bauelemente sind in F i g. 3 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet wie in Fig. 1. Von der zum Kernspinoszillator mit der Frequenz ω gehörigen Schaltung ist in Fig. 3 nur der Schleifenverstärker 20 dargestellt Entlang der Achse ZZ', um die die Rotationsgeschwindigkeit gemessen werden soll, wird mit Hilfe einer Wicklung 40, die auf einen Träger 43 aufgewickelt ist und aus einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gleichstromquelle gespeist wird, ein kontinuierliches und homogenes Magnetfeld Ho erzeugt Eine als Regelwicklung bezeichnete Wicklung 41 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 Halbspulen 42 und 42' liegen zu beiden Seiten der Sonde und sind hinreichend nahe bei dieser angeordnet, so daß die Feldlinien der Kernspine, die in F i g. 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 ω', 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 ω zugeführt erhält, das am Ausgang des Verstärkers 20 von dem Kernspinoszillator abgenommen wird. Am Ausgang 54 des Komparators 50 erscheint dann ein Korrektursignal, das in die Regelwicklung 41 eingespeist wird.

Die in F i g. 3 dargestellte Anordnung arbeitet in folgender Weise. Ohne eine Rotation um die Achse ZZ' weist die in den Halbspulen 42 und 42' induzierte elektromotorische Kraft eine Frequenz ω 'auf, die gleich der Frequenz ω für die Kernpräzession ist. Die strenge Gleichheit der Frequenzen ω und ω'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 Ω versetzt wird, so behält das vom Kernspinoszillator am Ausgang des Schleifenoszillators 20 abgegebene Signal seine Frequenz ω bei, das in den Halbspulen 42 und 42' induzierte Signal dagegen wird in seiner Frequenz auf einen Wert ω' = ω + Ω verschoben. Ein Vergleich der Signale mit den Frequenzen ω und ω' im Komparator 46 ergibt dann unmittelbar die Winkelgeschwindigkeit Ω, die am Meßausgang 48 erscheint.

Bei einer verbesserten Ausführungsform wird die Unabhängigkeit der Frequenz ω des Kernspinoszillators gegenüber gyromagnetischen Effekten dazu ausgenutzt, die Amplitude Ho des Richtmagnetfeldes zu stabilisieren. Zu diesem Zwecke wird die Frequenz ω des Ausgangssignals des Kernspinoszillators im Komparator 50 mit der des Bezugsoszillators 52 verglichen. Wenn die Frequenz ω = γ 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.

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 β 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 Sonde zu verwendenden Proben hängt daher von dem Wert ab, der für das Richtmagnetfeld gewählt wird.

Wird für das Richtmagnetfeld eine geringe Feldstärke

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gewählt, so läßt sich das Probenpaar zum einen aus siner Lösung von Triacetonaminnitroxyd (TANO) in Dimethoxyäthan und zum anderen aus einer Lösung von ΙΟ-³ M Tano in Methanol aufbauen. Die gemeinsame Frequenz für die Resonanzlinien der paramagnetischen Elektronenresonanz liegt d£inn bei etwa 62,6 MHz.

Da die Amplitude des Ausgangssignals des Kernspinoszillators eine Funktion des Magnetfeldes Ho ist, ist jedoch von Vorteil, ein Gyrometer so zu konstruieren, daß das Richtmagnetfeld Ho so groß wird wie möglich. In diesem Falle erweist sich das angegebene Probenpaar nicht mehr als geeignet. In praktischen Versuchen wurden Probenpaare ausfindig gemacht, die ein Arbeiten bei einer Amplitude 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 10~³M in Nonan aufgelöstem deuteriertem TANO, während die zweite Probe aus in einer Konzentration von 10~³ M in einer Mischung aus 50% 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 einem kugelförmigen Träger aufgewickelt ist, der beispielsweise aus einem einen geringen Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Glas mit einem Gehalt an B₂O₃ und Al₂O₃ besteht. Die Inhomogenität des Magnetfeldes läßt sich dann für 60% des nutzbaren

Volumens auf einen Wert von weniger als 10-⁵ 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 Gyromter in ein von Null verschiedenes Magnetfeld wie beispielsweise das magnetische Erdfeld eingebracht wird.

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 den DT-OSen beschrieben ist.

Weiter ist die Erfindung auch nicht auf den oben beschriebenen Fall eines Gyrometers mit magnetischer "Kernresonanz beschränkt, sondern es kann auch die Erscheinung der magnetischen Elektronenresonanz ausgenutzt werden, wie sie sich beispielsweise bei einem Magnetometer mit optischem Pumpen ergibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   L Anordnung zum Messen der Drehgeschwindigkeit eines um eine Achse rotierenden Körpers mit S einer gemeinsam mit diesem Körper rotierenden und in ein homogenes magnetisches Gleichfeld eintauchenden Magnetometersonde mit magnetischer Resonanz anhand eines Vergleichs der Frequenz eines von der Magnetometersonde abgegebenen elektrischen Signals mit einer Bezugsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfrequenz die Resonanzfrequenz (ω) der magnetischen Resonanz der Magnetometersonde (2, 4) ist
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetometersonde (2, 4) eine solche mit magnetischer Kernresonanz ist
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Gleichfeld (Ho)'m bezug auf die Magnetometersonde (2,4) eine konstante Richtung aufweist
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Detektor (6,6', 8,8') für die Erfassung der Frequenz (ω) der magnetischen Kernresonanz und durch eine Einrichtung (20 bis 30) zum Messen der Differenz zwischen der Frequenz (ω') des von der Magnetometersonde (2, 4) gelieferten elektrischen Signals einerseits und der Bezugsfrequenz (ω) andererseits.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Detektor für die Erfassung der Frequenz (ω) der magnetischen Kernresonanz eine zweite Sonde, die keine verbotene Achse für die Messung und Abnahmespulen für das Resonanzsignal der magnetischen Kernresonanz mit zum Richtmagnetfeld (Ho) paralleler Achse aufweist und damit gekoppelte elektrische Schaltungen besitzt, die einen Oszillator (20) mit Kernspinkopplung bilden.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4, 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 (20) mit Kernspinkopplung bilden, der mit der Bezugskreisfrequenz (ω) schwingt und daß diese zweite Sonde mindestens eine Spule (42, 42') mit zum Richtmagnetfeld (Ho) senkrechter Achse, einen Verstärker (44) zum Verstärken der an den Anschlußklemmen dieser Spule auftretenden Spannung mit der von der zu erfassenden Rotation abhängigen Kreisfrequenz (ω) und eine Meßeinrichtung (46) zum Messen der Differenz zwischen den Kreisfrequenzen (ω und ω') enthält.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule der zweiten Sonde in zwei Halbspulen (42,42') aufgeteilt ist, die symmetrisch zu beiden Seiten der Sonde angeordnet und so geschaltet sind, daß sich ihre Nutzsignale addieren.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sonde mit dynamischer Polyrisation ausgestattet ist und zwei Proben (8 und 8'), 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 (Ho) 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 (6, 6') mit der gemeinsamen Frequenz aufweist
9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß d&s Radikal für die eine Probe (8) in Nonan in einer Konzentration von 10-³M aufgelöstes und deuteriertes Triacetonaminnitroxyd (TANO) und das Radikal für die andere Probe (8') in einer 50%igen Mischung aus Aceton und Wasser in einer Konzentration von 10"³M aufgelöstes deuteriertes Diterbiobutylnitroxyd (DTBN)_ist und die Amplitude des Richtmagnetfeldes (Ho) bei 2,5 Oersted und die gemeinsame Pumpfrequenz bei 65,5 MHz liegt
10. 10. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß zum Erzeugen des Richtmagnetfeldes (Ho) eine sphärische Spule (40) vorgesehen ist, die aus einem auf einen kugelförmigen isolierenden Träger (43) aufgewickelten leitenden Draht besteht und aus einer Gleichstromquelle gespeist wird.
11. U. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Richtmagnetfeldes (Ho) eine Regelwicklung (41) mit zum Richtmagnetfeld paralleler Achse, eine diese Regelwicklung speisende Regelschaltung mit einem bei einer Bezugsfrequenz arbeitenden Oszillator (52) und ein Frequenzkomparator (50) vorgesehen sind, der mit seinem einen Eingang an den Bezugsisolator und mit seinem anderen Eingang an den Detektor (20) für die Resonanzfrequenz (ω) der magnetischen Kernresonanz angeschlossen ist und an seinem Ausgang (54) ein die Regelwicklung speisendes Korrektursignal abgibt
12. 12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die zweite Sonde (42, 42') mit einer magnetischen Abschirmung umgeben ist.
13. 13. Anwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Aufbereiten des Kompensationssignals zum Kompensieren des gyromagnetischen Effekts in einem Magnetometer.