DE2408547B2 - Magnetische gradientensonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Gradientensonde mit zwei Magnetfeidsensoren. deren magnetische Achsen parallel zu einer gedachten Linie ausgerichtet sind, die in einem bestimmten Absland voneinander entlang der gedachten Linie angebracht sind und deren elektrische Ausgänge so miteinander verbunden sind, daß ein dem Gradienten der an den Orten der beiden Magnetfeidsensoren vorliegenden Magnetfelder entsprechendes elektrisches Signal entsteht.

Derartige Sonden sind seit langem bekannt. Sie dienen neben dem Ermitteln und Messen von magnetischen Feldgradienten an sich auch dem Aufsuchen von

ίο verborgenen ferromagnetischen Körpern, wie Minen. Bombenblindgängern. Schiffen und dgl., indem man die von diesen Körpern hervorgerufenen Störungen des magnetischen Erdfeldes zu ihrer Ortung benutzt.

Häufig bedient man sich dabei wegen ihrer hohen Empfindlichkeit und ihres einfachen Aufbaus der in vielen verschiedenen Erscheinungsformen bekannten Oberwellensonden. Diese besitzen als Wandlerorgan einen magnetisierbaren Kern, der von einem magnetischen Wechselfeid bestimmter Frequenz bis in die Sättigung erregt wird, wobei in einer den Kern umgehenden Spule, wenn das Erregermagnetfeld von einem zu messenden Magnetfeld überlagert ist. geradzahlige Harmonische der o. g. Frequenz entstehen, deren Amplitude der Feldstärke des zu messenden Magnetfeldes proportional ist. Grundsätzlich werden jedoch für die eingangs genannte Gradientensonde auch Magnetfeidsensoren anderer Art eingesetzt.

In vielen Anwendungsfällen. insbesondere bei den oben genannten Suchaufgaben, müssen Magnetfeldgradienten in der Größenordnung weniger γ (Iv= 10 ^s Oe) aufgelöst werden, wahrend gleichzeitig die Gradientcnsonde dem vollen magnetischen Erdfeld von ca. 0.3 Oc ausgesetzt ist. Um bei beliebigen Lageänderungen der Gradientensonde jeden Einfluß des ungestörten magnetischen Erdfeldes unterdrücken zu können, muß die Sonde zwei wichtige Forderungen erfüllen:

1. Die beiden elektrisch gegeneinander geschalteten Magnetfeidsensoren müssen innerhalb des gesamten Bereichs der in ihrer Umgebung möglichen magnetischen Feldstärken eine gleichbleibende Empfindlichkeit aufweisen.

2. Die magnetisch empfindlichen Richtungen der beiden Magnetfeidsensoren. kurz ihre magnetisehen Achsen, müssen sehr genau parallel zueinander, bzw. zu der oben genannten gedachten Linie ausgerichtet sein.

Während man der ersten Forderung nachkommen kann, indem man das mittlere magnetische Erdfeld am Ort beider Magnetfeldsensoren durch geeignete Gegenkopplungsspulen auf einen Wert nahe Null herunterkompensiert, ist für die zweite Forderung noch keine voll befriedigende Lösung bekannt. Bei einem seit vielen lahren eingesetzten Suchgerät sind die beiden Magnetfcldscnsoren in das obere und untere Ende eines Trägerrohres eingebaut, wo jeweils das eine Ende eines Magnetfeldsensors in einem Kugelgelenk gelagert ist und die Lage des anderen Endes über eine Stellschraube verändert werden kann. Auf diese Weise läßt sich zwar für den Augenblick eine sehr genaue Parallelisierung der beiden Sensoren erreichen, allein unter dem Einfluß des rauhen Sucheinsatzes tritt eine Dejustierung auf, die eine Wiederholung des Parallelisierungsvorganges von Zeit zu Zeit erforderlich macht. Daran sind die

⁶> verschiedensien Ursachen beteiligt, wie Temperatureinflüsse, Stoß- oder Biegebcanspruchung und dergleichen mehr. Fine Vorstellung von den notwendigen Anforderungen an die Parallelität der beiden Magnetfeldsenso-

ren ernait man. wenn man erfährt, daß t B. cm Winkel zwischen den magnetischen Achsen der beiden Magnetfeldsensoren von 1/100° bereits eine fühlbare Dejustierung bedeuten kann. Natürlich ist das öftere Nachpara! lelisieren der Sonden sehr unerwünscht, da es den Betriebsablauf stört. Zudem muß das Parallelisieren an einem von Erdfeldstörungen freien Ort d. h. praktisch auf dem freien Feld, außerhalb geschlossener Ortschaften durchgeführt werden.

Aus US-PS 32 81660 ist ein Suchgerat mit einer Gradientensonde bekannt, deren beide Magnetfeldsensoren an den Enden eines in seiner Mine befestigten federnden Rohres eingebaut sind. Die P.irallelisierung der beiden Sensoren wird ausgeführt, indem man die beiden Enden des Rohres gegenüber der Mitte in /uei zueinander senkrechten Richtungen und senkrecht /ur Rohrachsrichtung auslenkt. Zu diesem Zweck sind entsprechend der gewünschten Abbiegenchtun^ an ilen beiden Rohrenden Längsschlitze an unterschiedlichen Stellen des Rohrumfanges vorgesehen, die eine zo Auslenkung der Rohrenden in definierte Richtungen möglich machen. Von erheblichem Nachteil bei der beschriebenen Ausführung einer Gradientensonde ist es. daß insbesondere bei inhomogener Erwärmung. etwa durch Sonneneinstrahlung, sich unerwünscht hohe 2< Spannungen des die Sensoren tragenden Rohres ergaben, die entsprechend hohe Parallelitätsfehler der Sensoren zur Folge hatten. Ein weiterer Nachteil kann dann erblickt werden, daß die notwendigerweise starke Ausfuhrung der Rohre Verstelleinrichiungcn erforderte. die hohe Kräfte aufzunehmen in der Lage waren.

Die Erfindung macht sich demgemäß eine Gradientensonde zur Aufgabe, die sich auf einfache Weise sehr genau und stabil parallelisieren läßt. Diese Aufgabe v, ird gelost durch eine Gradientensonde, die gemäß Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist. Dabei ergeben sich zu ei sehr wichtige Vorteile. Durch die Aufhängung der Magnetfeldsensoren an Spanndrähten ergibt sich zum einen eine gute Konstanz der Parallelisierung. da auch bei einer Verbiegung der tragenden Konstruktionsolemente die Parallelität der Spanndrähte erhalten bleibt, zum anderen bietet sich eine sehr einfache Möglichkeit zum genauen Einstellen der Parallelität. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Wnter.insprüchen beschrieben. _4i

Im folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden. Es zeigen im einzelnen F 1 g. 1 eine Gradientensonde im Schnitt.

F 1 g. 2 ein Prinzipschaltbild der dargestellten Sonde.

F 1 g. 3 ein Detail einer abgewandelten Gradientensonde.

In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gradientensonde im Schnitt dargestellt. Im gewählten Beispiel worden Magnetfeldsensoren, die nach dem Oberwellenprinzip arbeiten, benutzt, es können jedoch auch durchaus andere geeignete Magnetfeldsensoiren eingesetzt werden. Auch soll die Erfindung nicht auf den im vorliegenden Beispiel angeführten besonders vorteilhaften Fall 'ingeschränkt sein, bei dem die Spanndrähte gleichzeitig zur Herstellung des Erregcrmagnetfeldes dienen.

Die wesentlichen Bestandteile der Gradientensonde nach F i g. 1 sind die beiden Magnetfeldsensnren I und 2 zwei Spanndrahtstücke 3 und 4. die im \orhegendet Beispiel zu einem Draht 5 gehören, zwei Parallelisie- '·.-rungseinrichtungen 6 und 7, eine Spanneinrichtung 8. ein Schutzrohr 9 und eine Grundplatte 10. Die beiden Sensoren I und 2 sind genau gleich aufgebaut. Ihr wichtigstes Teil ist das den Kern der Oberwellensonden bildende Röhrchen II. bzw. 12. das aus hochwertigem ferromagnetischem Ma»erial besteht und vor dem Einbau einer speziellen Ausgluhbehandlung unterzogen werden muß. um frei von inneren Spannungen zu sein. Die Achse dieses Rohrchens bildet gleichzeitig im wesentlichen die magnetische Achse des Sensors, d.h. nur eine in diese Achse fallende Komponente eines magnetischen Feldvektors wird vom Sensor wahrgenommen. Durch eine ringförmige Klebestelle 13 ist das Röhrchen 11 mit einem Ende am Drahtstück 3 befestigt. Dadurch wird ein Verspannen des Röhrchens bei Ausdehnung unter Temperatureinfluß vermieden. Seitliche Bewegungen des freien Endes von Röhrchen 11 können vermieden werden, indem man etwas Fett oder Öl in den Raum zwischen Röhrchen 11 und Drahtstuck 3 bringt. Auf ein Spulenrohrchen 14 ist eine zylindrische Wicklung 15 aufgebracht. Beide miteinander sind in ein Tragröhrchen 17 eingeschoben, das mittels eines Bügels

18 am Stab 19 montiert ist. Obwohl die erfindungsgemaße Gradientensonde auch mit am Röhrchen 11 befestigter Wicklung ausgeführt werden kann, wird hier ,ils besonders vorteilhaft die Aufhängung der Wicklung unabhängig vom durch den Spanndraht getragenen Sondenkern angegeben. Damit soll die mit dem Spanndraht verbundene Masse klein gehalten werden, um auch Auslenkungen des Spanndrahtes möglichst in engen Grenzen zu halten. Die Ireien Enden 20, 21 und 22, 23 der Wicklungen 15 und 16 sind nach draußen geführt.

Der Spanndraht 5 ist. wie schon weiter oben gesagt, gleichzeitig für die magnetische Erregung der Röhrchen

11 und 12 vorgesehen. Zu diesem Zweck wird in die Drahtenden 25 bzw. 26 ein Wechselstrom / dor Frequenz /"eingeleitet, der die beiden Röhrchen 11 und

12 bis in die Sättigung zirkulär magnetisiert. Der Strom / nimmt dabei seinen Weg von Drahtende 25 über das Drahtstück 3, die U-förmige Schleife 27 und das Drahtstück 4 zum Drahtende 26.

Die notwendige hohe mechanische Spannung des Drahtes 5 wird von der Spanneinrichtung 8 hergestellt. Diese ist durch den Stab 19 mit der Grundplatte 10 starr \erbunden. Im angedrehten unteren Ende 28 des Stabes

19 gleitet eine genau eingepaßte Buchse 29, die selbst in einen Spannbügel 30 aus elektrisch nicht leitendem Material eingesetzt ist. Eine kräftige Spiralfeder 31 drückt die Buchse 29 mit dem Spannbügel 30 nach unten und spannt dabei den in einer Profilrinne 32 am Umfang des Spannbügels geführten Draht 5.

Um ein Verdrehen von Buchse 29 und Spannbügel 30 gegenüber dem Stab 19 zu verhindern, ist in das Stabende 28 ein Keil 33 eingesetzt, der in der "siut 34 gleiten kann. Die Spanneinrichtung 8 sorgt dafür, dal? die beiden Drahtstücke 3 und 4 stets weitgehend parallel zur Mittellinie 35, d.h. zur gedachten Achse der Gradientensonde bleiben.

Die beiden für die exakte Parallelisierung der beiden Sensoren 1 und 2 vorgesehenen Paralielisierungseinrichtungen 6 und 7 sind im Aufbau genau gleich, jedoch um 90" gegeneinander versetzt angeordnet. Mit der ersteren wird eine Verschiebung des Endes von Drahtstück 3 in Richtung von Pfeil 38. mit der letzteren ■ ine Verschiebung des Endes von Drahtsück 4 in l<'i"htung senkrecht zur Zeichenebene ermöglicht. Als Bedienungsorgane sind in beiden Fällen Stellschrauben vorgesehen, von denen im vorliegenden Schnitt nur Schraube 39 sichtbar ist. Diese besitzt /ur Betätigung einen Vierkantkopf 40 und ist durch ein Feingewinde in

Richtung von Pfeil 38 gegenüber der Grundplatte 10 bewegbar. Die Spitze der Schraube 39 greift an die Vorderseite eines Schlittens 41 an, der aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff besteht. Die Rückseite des Schlittens 41 stützt sich mit einer Reihe von Blattfedern 42 gegen die Grundplatte 10 ab, so daß der Schlitten durch Betätigung der Schraube 39 in Richtung von Pfeil 38 hin und her bewegt werden kann. Eine Flanke des Schlittens 41 gleitet dabei auf einer ihr gegenüber liegenden Fläche der Grundplatte 10 und wird von einem Satz Blattfedern auf diese Fläche angedrückt. Die Blattfedern sind im vorliegenden Schnitt bei der Parallelisierungseinrichtung 6 nicht sichtbar, entsprechen jedoch den Blattfedern 43 der identischen Parallelisierungseinrichtung 7. Der durch eine Bohrung des Schlittens 41 geführte Spanndraht 5 wird von einem Klermikonus 44, der in eine konische Öffnung des Schlittens gepreßt ist, festgehalten und gegen die Spannkraft der Spanneinrichtung 8 abgesichert.

Aus dem Dargestellten läßt sich leicht die Verbesserung der Konstanz der Parallelisierung erkennen. Ein Verbiegen des Stabes 19 in beliebigen Richtungen bewirkt lediglich eine entsprechende gemeinsame Richtungsänderung beider Spanndrahtstücke 3 und 4, nicht jedoch eine Änderung ihrer Parallelität. Dagegen wirkte sich bei den bisherigen Gradientensonden jede Durchbiegung des die Feldsensoren tragenden Rohres unmittelbar parallelitätsschädigend aus.

F i g. 2 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild für die im vorliegenden Beispiel dargestellte Oberwellensonden. Darin ist 45 ein Stromgenerator, der den zum Betrieb der Sonde nötigen Erregerstrom / für die Sondenkerne 11 und 12 mit der Frequenz /"erzeugt und durch den Draht 5 schickt. Die Wicklungen 15 und 16 sind mit den Differenzeingängen 46 und 47 eines Differenzmagnetometers 48 verbunden und speisen dieses mit einer Spannung der Frequenz 2/" entsprechend dem Magnetfeldgradienten der Orte der Magnet-

feldsensorcn 1 und 2, der am Meßinstrument 49 zui Anzeige kommt. Die Basis des angezeigten Magnetfeldgradienten wird dabei gebildet durch den Absland s der beiden Magnetfeldsensoren 1 und 2.

F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der Spanneinrichtung Der Spanndraht 5 wird wieder über einen Spannbügel 51 geführt, der dem in Fig. 1 gezeigten Spannbügel 30 entsprechen kann, aber in einem anderen Schnitt dargestellt ist. Spannbügel 51 ist starr verbunden mit einem Winkel 52, dessen Rückseite auf der Gleitfläche 53 eines Klotzes 54 aufliegt und der dadurch am Verdrehen gehindert wird. An der Unterseite des Winkels 52 greift über eine Schraube 55 eine Feder 56 an, die über eine zweite Schraube 57 am Boden 58 des Schutzrohres 59 angebracht ist. Grundsätzlich sind noch andere Arten der Aufhängung des Spanndrahtes 5 möglich. So kann statt des starren Spannbügels 30 oder 51 auch eine Umlenkrolle vorgesehen werden, an deren Rundheit und Lagerung jedoch hohe Anforderungen zu stellen wären. Selbstverständlich ist im Rahmen der Erfindung auch eine von einander unabhängige Aufhängung der unteren Enden der Drahtstücke 3 und 4 möglich, wobei gleichzeitig eine oder auch beide Parallelisierungseinrichiungen am unteren Ende der Drahtstücke vorgesehen sein können.

Obwohl die möglicherweise am Draht auftretenden Schwingungen wegen der Spannung des Drahtes eine Frequenz aufweisen, die in den meisten Fällen wegen ihrer Höhe nicht mehr störend ist, soll hier noch ein Mittel genannt werden, mit dem auf einfache Weise solchen Schwingungen entgegengewirkt werden kann. In der Gegend des mutmaßlichen Schwingungsbauches, der infolge der geringen Masse der Röhrchen 11 und 12 nur unwesentlich von der Mitte der Drahtstücke 3 oder 5 abliegt, durchläuft das Drahtstück ein Röhrchen, das ebenfalls am Stab 19 befestigt sein kann und das eine durch Kapillarwirkung im Röhrchen haftende schwingungsdämpfende Flüssigkeit enthält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Magnetische Gradientensonde mit zwei Magnetfeldsensoren, deren magnetische Achsen parallel zu einer gedachten Linie ausgerichtet sind, die in einem bestimmten Abstand voneinander entlang der gedachten Linie angebracht sind und deren elektrische Ausgänge so miteinander verbunden sind, daß ein dem Gradienten der an den Orten der beiden Magnetfeldsensoren vorliegenden Magnetfelder entsprechendes elektrisches Signal entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetfeidsensoren (I, 2). zumindest aber die deren magnetischen Achse bestimmenden Elemente (U, 12) an je einem von zwei parallel zueinander und zur genannten gedachten Linie (35) verlaufenden gespannten Drahtstücken (3, 4) befestigt sind, wobei zumindest an einem Ende eines j^den der beiden Drahtsiiicke (3, 4) eine Parallelisierungseinrichturig (δ, 7) vorgesehen ist. deren eine (6) ein Verschieben des Endes des ihr zugeordneten Drahtstückes (3) in einer ersten Richtung senkrecht zur Achsrichtung des Drahtstückes (3) erlaubt, deren /weile (7) ein Verschieben des Endes des ihr zugeordneten Drahtstückes (4) in einer zweiten Richtung senkrecht zur Achsrichtung des Drahtstückes (4) erlaubt.

2. Magnetische Gradientensonde nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drahtstucke (3, 4) durch eine oder mehrere federn (31) gespannt sind.

3. Magnetische Gradientensonde nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichne', daß die beiden Drahtstucke (3, 4) zu einem Draht (5) gehören, der durch eine Umlenkeinnchtung(30) umgelenkt uirti.

4. Magnetische Gradientensonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetfeidsensoren (I, 2) Oberwellensonden mit rohrförmigen Sondenkernen (H, 12) sind, die koaxial auf die Drahtstücke (3, 4) aufgezogen sind.

5. Magnetische Gradientensonde nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden rohrförmigen Sondenkerne (11, 12) jeweils mit einem Ende an den Drahtstücken (3,4) befestigt sind.

6. Magnetische Gradientensonde nach einem der Ansprüche 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerwicklungen (15, 16) der beiden Magnetfeidsensoren (1, 2) unabhängig von den Sondenkernen (11, 12) und von den Drahtslücken (3, 4) aufgehängt sind.

7. Magnetische Gradientensonde nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenkerne (11, 12) von einem Strom durch die beiden Drahtstücke (3,4) magnetisch erregt werden.

8. Magnetische Gradientensonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtstücke (3, 4) zur Bedämpfung mechanischer Schwingungen im Bereich eines Schwingungsbauches ein eine Flüssigkeit einhaltendes Röhrchen durchlaufen.