DE2547254A1 - MAGNETOMETER - Google Patents

MAGNETOMETER

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DE2547254A1
DE2547254A1 DE19752547254 DE2547254A DE2547254A1 DE 2547254 A1 DE2547254 A1 DE 2547254A1 DE 19752547254 DE19752547254 DE 19752547254 DE 2547254 A DE2547254 A DE 2547254A DE 2547254 A1 DE2547254 A1 DE 2547254A1
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Losuke Harada
Satoshi Ichioka
Toshiro Kikuchi
Shinjiro Takeuchi
Saitama Toda
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Mishima Kosan Co Ltd
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Mishima Kosan Co Ltd
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    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/04Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle

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Description

MISHIMA KOSAN CO., LTD., 1-15, 2-chome, Edamitsu, Yawatahigashi-ku,MISHIMA KOSAN CO., LTD., 1-15, 2-chome, Edamitsu, Yawatahigashi-ku,

Kitakyushu-City, Fukuoka Prefecture, JapanKitakyushu City, Fukuoka Prefecture, Japan

MagnetometerMagnetometer

Die Erfindung betrifft ein Magnetometer zur Vermessung eines externen Magnetfeldes.The invention relates to a magnetometer for measuring an external Magnetic field.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Magnetometer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit möglichst einfachen Mitteln möglichst genau ein externes Magnetfeld vermessen werden kann.The object of the invention is to provide a magnetometer of the type mentioned at the beginning Art to be designed so that an external magnetic field can be measured as precisely as possible with the simplest possible means.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Gleichspannungsquelle betriebener schwingkreis vorgesehen ist mit einer schwingungsbestimmenden Induktivität, die einem als Magnetfeldsonde dienenden Magnetkern elektromagnetisch zugeordnet ist, welcher Schwingkreis übersteuert ist, so daß ein vorgesehner Transistor bei jeder Schwingung einmal leitend und einmal nichtleitend wird und daß das Zeitverhältnis für die Dauer des leitenden und des nichtleitenden Zustandes von dem externen Magnetfeld abhängig ist und eine über einen Ausgangswiderstand abgreifbare Ausgangsspannung beeinflußt. The invention is characterized in that an oscillating circuit operated by a DC voltage source is provided with an oscillation-determining inductance which is electromagnetically assigned to a magnetic core serving as a magnetic field probe, which oscillating circuit is overdriven so that a provided transistor becomes conductive and non-conductive with each oscillation and that the time ratio for the duration of the conductive and the non-conductive state is dependent on the external magnetic field and influences an output voltage that can be tapped off via an output resistor.

609819/0 3A3609819/0 3A3

- 2 P 3ο 919- 2 P 3ο 919

Nach der Erfindung wird ein schwingkreis aufgebaut, der ähnlich einem Multivibrator arbeitet und bei dem wesentliches, frequenzbestimmendes Glied eine oder mehrere Induktivitäten sind. Das Impuls-zu-Meke-yerMltnis der erzeugten deformierten Rechteckspannung wird bestimmt durch die Einwirkung des externen Magnetfeldes üher den Magnetkern auf diese Induktivitäten imd ist damit ein Maß für das externe Magnetfeld* Neben dem Impuls-lücke-Veriiältnis ändert sich auch die Frequenz der deformierten Rechteckspannung in Abhängigkeit von dem externen Magnetfeld*According to the invention, an oscillating circuit is constructed which works like a multivibrator and in which the essential, frequency-determining element is one or more inductances. The pulse-to-meke ratio of the generated deformed square-wave voltage is determined by the action of the external magnetic field via the magnetic core on these inductances and is therefore a measure of the external magnetic field * In addition to the pulse-gap ratio, the frequency of the deformed voltage also changes Square wave voltage as a function of the external magnetic field *

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert·The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing explained

6 098 19/03 λ 36 098 19/03 λ 3

2B472542B47254

P 3ο 919P 3ο 919

In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:

Figur 1Figure 1

Figur 2Figure 2

Figur 3Figure 3

Figur 4Figure 4

Figur 5Figure 5

Figur 6 Figur 7 Figur 8Figure 6 Figure 7 Figure 8

Figur 9Figure 9

Figur 1oFigure 1o

unter a bis d vier verschiedene Ausführungsformen der Schaltung eines Magnetometers nach der Erfindung mit einem einzigen Transistor,at a to d four different embodiments of the circuit of a magnetometer according to the invention with a single transistor,

unter a und b zwei Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Funktion der Ausführungsbeispiele nach Figur 1,at a and b two voltage diagrams to explain the function of the exemplary embodiments according to Figure 1,

eine Kennlinie zu den Ausführungsbeispielen nach Figur 1,a characteristic curve for the exemplary embodiments according to FIG. 1,

ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Wiedergabevorrichtung und einer Nullpunktkompensation,another embodiment with a playback device and a zero point compensation,

unter a, b und c drei weitere AusführungsbeispieIe, die zur Linearisierung der Kennlinie mit zwei Transistoren bestückt sind,under a, b and c three further examples, which are equipped with two transistors to linearize the characteristic curve,

unter a und b Spannungsdiagramme zu Figur 5, die Kennlinie zu Figur 5,under a and b voltage diagrams for Figure 5, the characteristic curve for Figure 5,

ein Ausführungsbeispiel mit der Schaltung aus Figur 5 a und der Wiedergabevorrichtung aus Figur 4,an embodiment with the circuit from Figure 5 a and the playback device from Figure 4,

den konstruktiven Aufbau eines Ausführungsbeispiels mit U-förmig gebogenem Magnetkern,the structural design of an exemplary embodiment with U-shaped bent magnetic core,

die Anordnung von linearen Magnetkernen zur Vermessung eines dreidimensionalen Magnetfeldvektors, undthe arrangement of linear magnetic cores to measure a three-dimensional magnetic field vector, and

Figur 11Figure 11

im Blockschaltbild eine Anordnung zur Vermessung eines äußeren magnetischen Wechselfeldes.in the block diagram an arrangement for measuring an external alternating magnetic field.

19/0,V,19/0, V,

- 4 - P 3o 919- 4 - P 3o 919

In Figur T a bis d sind die Schaltungen von Magnetometern dargestellt, die jeweils mit einem einzigen Transistor bestückt sind und zwei Wicklungen aufweisen und eine GIeichspannungsquelle. Gemäß Figur 1a ist ein NPN-Transistor eingesetzt, der mit Q1 bezeichnet ist. Mit 1 ist ein langgestreckter, geradliniger Magnetkern bezeichnet, auf den die Spulen 2 und 3 gewickelt sind. Die Spule 2 ist über den Widerstand R. an den negativen Pol der GIeichspannungs quelle Bd angeschlossen. Das andere Ende der Spule 2 ist an die Basiselektrode des Transistors Q1 angeschlossen und über den Widerstand R2 an den positiven Pol der spannungsquelle Ed. Die Spule 3 ist zwischen Kollektorelektrode und den positiven Pol der Spannungsquelle Ed geschaltet. Zwischen die Emitterelektrode und den negativen Pol der Spannungs quelle Ed ist ein Widerstand RQ geschaltet, über dem eine Ausgangswechselspannung eQ1 abgegriffen wird, der eine Gleichspannung überlagert ist. Diese Gleichspannung kann man als Aus gangs spannung EQ allein abgreifen, wenn man dem Widerstand RQ eine Kapazität CQ parallelschaltet.In Figure T a to d, the circuits of magnetometers are shown, which are each equipped with a single transistor and have two windings and a DC voltage source. According to Figure 1a, an NPN transistor is used, which is designated by Q 1 . 1 with an elongated, rectilinear magnetic core is referred to, on which the coils 2 and 3 are wound. The coil 2 is connected to the negative pole of the DC voltage source Bd via the resistor R. The other end of the coil 2 is connected to the base electrode of the transistor Q 1 and via the resistor R 2 to the positive pole of the voltage source Ed. The coil 3 is connected between the collector electrode and the positive pole of the voltage source Ed. A resistor R Q is connected between the emitter electrode and the negative pole of the voltage source Ed, via which an output AC voltage e Q1 is tapped, on which a DC voltage is superimposed. This DC voltage can be tapped off as the output voltage E Q alone if a capacitance C Q is connected in parallel with the resistor R Q.

Die Wirkungsweise wird nachfolgend anhand eines Oszillationsbetriebes beschrieben. Das magnetische Flußniveau in dem Magnetkern 1 ■wird durch ein äußeres Magnetfeld H hervorgerufen. Wenn Spannung aus der Spannungsquelle Sd an den Transistor Q. gelangt, dann fließt ein Strom über die Schaltelemente Sd + - R2 - Q1 - S0 - Sd -. Der Kollektorstrom des Transistors Q- fließt in Abhängigkeit von diesem Strom und es wird in der Spule 2 eine spannung induziert, und zwar infolge Anstiegs des Basisstroms im Transistor Q-. Der Kollektorstrom des Transistors Q1 steigt also schnell an^ bedingt durch die positive Rückkoppelung "und der Transistor wird leitend. Der Magnetkern 1 hat eine nicht lineare Sättigungscharakteristik, so daß mit zunehmendem Kollektorstrom der Wert der Magnetflußänderung a$/at immer kleiner wird, wodurch auch die in der Spule 2 induzierte Spannung immer kleiner wird und der Kollektorstrom kleiner wird, bis der Transistor schließlich nichtleitend wird.The mode of operation is described below using an oscillation mode. The magnetic flux level in the magnetic core 1 ■ is caused by an external magnetic field H. When voltage from the voltage source Sd reaches the transistor Q., a current flows through the switching elements Sd + - R 2 - Q 1 - S 0 - Sd -. The collector current of the transistor Q- flows as a function of this current and a voltage is induced in the coil 2 as a result of the increase in the base current in the transistor Q-. The collector current of the transistor Q 1 thus rises rapidly ^ due to the positive feedback "and the transistor is conductive. The magnetic core 1 has a non-linear saturation characteristic so that with increasing collector current of the value of the magnetic flux change a $ / AT becomes smaller, whereby the voltage induced in the coil 2 also becomes smaller and smaller and the collector current becomes smaller until the transistor finally becomes non-conductive.

Bei nichtleitendem Transistor Q1 fließt kein Kollektorstrom und das Flußniveau im Magnetkern 1 erreicht wieder das ursprüngliche Niveau und der Zyklus wiederholt sich, wodurch eine magnetische Oszillation hervorgerufen wird. Das Flußniveau, das im Magnetkern 1 von demWhen the transistor Q 1 is non-conductive, no collector current flows and the flux level in the magnetic core 1 reaches the original level again and the cycle repeats itself, causing a magnetic oscillation. The flux level in the magnetic core 1 of the

60 9 819/034360 9 819/0343

2 5 A 7 2 b 42 5 A 7 2 b 4

- 5 P 3o 919- 5 P 3o 919

äußeren Magnetfeld H hervorgerufen wird, bestimmt das Verhältnis zwischen der Dauer der Leitfähigkeitsperiode und der Nichtleitfähigkeitsperiode des Transistors Q-, wie dies noch näher anhand der Diagramme der Figur 2 weiter unten erläutert wird.external magnetic field H, determines the ratio between the duration of the conductivity period and the non-conductivity period of the transistor Q-, as will be explained in more detail with reference to FIG Diagrams of Figure 2 will be explained below.

In den Figuren 1b und 1c sind gegenüber der Schaltung aus Figur 1a modifizierte Schaltungen dargestellt. Einander entsprechende Teile sind in den Figm-n mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die magnetische Oszillation wird gemäß den Figuren 1b und 1c, ebenso wie bei Figur 1a, durch eine Wechselwirkung zwischen Transistor und Magnetkern hervorgerufen. Gemäß Figur ld wird ein PNP-Transistor Q2 eingesetzt. In diesem Fall fehlt ein dem Widerstand R2 entsprechender Widerstand, weil die Schaltung nach Figur ld auch ohne diesen Widerstand schwingt. Die magnetische Oszillation entspricht im übrigen der zu Figur 1a erläuterten.In FIGS. 1b and 1c, modified circuits are shown compared to the circuit from FIG. 1a. Corresponding parts are denoted by the same reference numerals in FIGS. The magnetic oscillation is caused according to FIGS. 1b and 1c, just as in FIG. 1a, by an interaction between the transistor and the magnetic core. According to FIG. 1d, a PNP transistor Q 2 is used. In this case there is no resistance corresponding to the resistance R 2 , because the circuit according to FIG. 1d oscillates even without this resistance. The magnetic oscillation otherwise corresponds to that explained for FIG. 1a.

Die Diagramme aus Figur 2a und 2b sind tatsächlich gemessene Spannungen eQ1f abgegriffen über dem Widerstand RQ aus Figur 1a, und zwar bei fehlender Kapazität CQ. Figur 2a zeigt die Ausgangsspannung bei einem externen Magnetfeld Hex = 0. In diesem Fall ist das Verhältnis zwischen Leitfähigkeitsperiode TQN des Transistors Q1 und Nichtleitfähigkeitsperiode TOpp nämlich TON/Topp = 3,13. The diagrams from FIGS. 2a and 2b are actually measured voltages e Q1f tapped across the resistor R Q from FIG. 1a, specifically when there is no capacitance C Q. FIG. 2a shows the output voltage with an external magnetic field H ex = 0. In this case, the ratio between the conductivity period T QN of the transistor Q 1 and the non-conductivity period T Opp is namely T ON / T opp = 3.13.

Figur 2b zeigt den Spannungsverlauf bei der gleichen Schaltung jedoch bei einem äußeren Magnetfeld ELV = 1 Gauss, das auf den Magnetkern 1 einwirkt. Nun ist das Verhältnis Tqn^OFF = ^ »44, woraus ersichtlich ist, daß dieses Verhältnis ton/TOFF ist von dem einwirkenden äußeren Magnetfeld H . Demzufolge ist auch die Gleichspannungskomponente der über dem Widerstand RQ abgegriffenen Wechselspannung abhängig von der Größe des externen Magnetfeldes H_„. Schließlich kann man durch Vergleich der Figuren 2a und 2b auch feststellen, daß die Frequenz der magnetischen Oszillation, also 1/(ΤΟΝορρ) vom äußeren Magnetfeld Ηβχ abhängig ist.FIG. 2b shows the voltage profile for the same circuit, but with an external magnetic field EL V = 1 Gauss, which acts on the magnetic core 1. Now the ratio Tqn ^ OFF = ^ »44, from which it can be seen that this ratio is t on / T OFF of the external magnetic field H acting on it. Accordingly, the direct voltage component of the alternating voltage tapped across the resistor R Q is also dependent on the size of the external magnetic field H_ ". Finally, by comparing FIGS . 2a and 2b, it can also be determined that the frequency of the magnetic oscillation, i.e. 1 / (Τ ΟΝ + Τ ορρ ), is dependent on the external magnetic field Η βχ.

Figur 3 zeigt grafisch die Abhängigkeit der bei eingesetzter Kapazität C0 über dieser abgreifbaren Gleichspannungskomponente EQ vom äußeren Magnetfeld H für die Schaltung nach Figur 1a mit eingesetzter Kapazität Cn^ Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß dieseFigure 3 illustrates graphically the dependence of the capacitance C with inserted 0 above this can be tapped DC component E Q of the external magnetic field H for the circuit of Figure 1a with an inserted capacitance C n ^ 3 it can be seen that this

609Έ 19/0343609Έ 19/0343

- 8 - P 3ο 919- 8 - P 3ο 919

Auch die Periodizität TQN + Τορρ ist in Figur 6b gegenüber Figur 6a eine andere.The periodicity T QN + Τ ορρ is also different in FIG. 6b compared to FIG. 6a.

Figur 7 zeigt entsprechend wie Figur 3 die Abhängigkeit der Gleichspannungskomponente ^02, abgegriffen bei eingesetzter Kapazität CQ, in einer Schaltung gemäß Figur 5a. Aus Figur 7 ist ersichtlich, daß die Charakteristik gegenüber Figur 3 !linearer ist,As in FIG. 3, FIG. 7 shows the dependency of the direct voltage component ^ 02 , tapped when the capacitance C Q is used , in a circuit according to FIG. 5a. It can be seen from FIG. 7 that the characteristic is more linear compared to FIG.

Figur 8 zeigt die Schaltung aus Figur 5a kombiniert mit einer Wiedergabeschaltung DSP entsprechend Figur 4» Gemäß Figur 6 ist mit dem Verstärker A2 ein Tiefpaßfilter kombiniert, bestehend aus den Widerständen R^, R~, Rg und den Kapazitäten CL und C2» Dieses Tiefpaßfilter dient dazu, die Wechselspannungskomponente der magnetischen Oszillation au -unterdrücken* Das Ausgangssignal des Verstärkers A2 gelangt an einen hinsichtlich des Verstärkungsgrades · einstellbaren Verstärker A3 und das Ausgangssignal des Verstärkers A3 wird in der Wiedergabeschaltung DSP angezeigt· Der einstellbare Widerstand Hg dient zur Kompensation und kann auch durch einen einstellbaren Widerstand R^ ersetzt !»erden« Das Ausgangssignal des Verstärkers A„ gelangt über den negativen Rück— koppelungsmderstand Rnf an die Spule 4 und dient zur !Compensation des äußeren Magnetfeldes H.„, um auf diese Weise die Anzeige mit Nullkompensation vornehmen zu können.Figure 8 shows the circuit of Figure 5a in combination with a reproducing circuit DSP corresponding to Figure 4 »As shown in FIG 6 is connected to the amplifier A 2 is a low-pass filter combination, consisting of the resistors R ^, R ~, Rg and the capacitances CL and C This low-pass filter serves -unterdrücken the AC component of the magnetic oscillation au * the output of the amplifier a 2 is applied to an as regards the degree of amplification · adjustable amplifier a 3, and the output signal of the amplifier a 3 is displayed in the reproducing circuit DSP · the adjustable resistor Hg serves to Compensation and can also be replaced by an adjustable resistor R ^. The output signal of the amplifier A "reaches the coil 4 via the negative feedback sensor R nf and serves to compensate for the external magnetic field H." to be able to make the display with zero compensation.

Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit U-förmig gebogenem Magnetkern 1»Figure 9 shows an embodiment with a U-shaped bent magnetic core 1 »

Die um diesen gebogenen Magnetkern 1 gewickelten Spulen entsprechen den in den Figuren la bis 1d» 5a und 5bf 4 xaid 8 angegebenen Spulen. Die Spule 1o, die aus mehreren Teilen besteht, ist um die schenkel und den Quersteg des U-förmig gebogenen Magnetkerns herumgewickelt« J>er magnetische Taster 3, bestehend aus den Spulenteilen To und dem Magnetkern 1 ist in ein magnetisches Abschirmgehäuse 50 eingesetzt, um "unerwünschte äußere Magnetfelder fernsuhalten. Im Kopf bereich 60 -»eist das Gehäuse 5o eine öffnung auf, in der sich die beiden Enden des Magnetkerns 1 gegenüberstehen und einen schmalen Luftspalt einschließen· Mit 2o ist ein fehler-The wound around this curved magnetic core 1 correspond with the coil bobbin shown in Figures la to 1d "5a and 5b f 4 xaid. 8 The coil 1o, which consists of several parts, is wound around the legs and the transverse web of the U-shaped bent magnetic core "Keep away unwanted external magnetic fields. In the head area 60 -» the housing 5o has an opening in which the two ends of the magnetic core 1 face each other and enclose a narrow air gap.

609819/0343609819/0343

9 P 3ο 9199 P 3ο 919

haftes Element bezeichnet, das zum Zwecke der Prüfung magnetisiert ist. Die magnetischen Kraftlinien 4o dieser Magnetisierung sind an der Fehlerstelle 3o deformiert. Wird das fehlerhafte Element Zo an dem Luftspalt vorbeigeführt, dann wird die Fehlerstelle 3o durch eine plötzliche Änderung des gemessenen externen Magnetfeldes kenntlich.refers to a sticky element that is magnetized for the purpose of testing. The magnetic lines of force 4o of this magnetization are deformed at the fault location 3o. If the faulty element Zo is moved past the air gap, the fault location 3o can be identified by a sudden change in the measured external magnetic field.

Gemäß Figur ίο werden die drei Komponenten eines magnetischen Feldes mit drei entsprechend diesen Komponenten x, y und ζ angeordneten geradlinigen Kernen ix, 1y, Iz ausgemessen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird mit den einzelnen Kernen immer nur der Absolutwert der zugeordneten externen Magnetfeldkomponente gemessen. Jedem der einzelnen Kerne kann eine Schaltung, wie beispielsweise in den Figuren 1a bis 1d, 5a und 5b, 4 und 8 dargestellt, zugeordnet sein. An den Ausgangsklemmen dieser drei Schaltungen können dann die spannungen e xout» e Vout ^111^ ezout abgegriffen werden, die den Magnetfeldkomponenten in den entsprechenden Koordinatenrichtungen zugeordnet sind. Diese Ausgangsspannungen können dann in quadrierenden Schaltungen quadriertAccording to FIG. Ίο, the three components of a magnetic field with three straight cores ix, 1y, Iz arranged according to these components x, y and ζ are measured. In this exemplary embodiment, only the absolute value of the assigned external magnetic field component is measured with the individual cores. A circuit, as shown, for example, in FIGS. 1a to 1d, 5a and 5b, 4 and 8, can be assigned to each of the individual cores. At the output terminals of these three circuits can then the voltages E xout "V out e ^ 111 ^ e zout be tapped, which are assigned to magnetic field components in the respective coordinate directions. These output voltages can then be squared in squaring circuits

2 2 22 2 2

werden zu den Spannungen e xout» e yout und e zout· Diese quadrierten Spannungen werden dann in einer Additionsschaltung addiert, so daß ein Ausgangssignal entsprechend der Spannung 2 2 2become the voltages e xout »e yout and e zout · These squared voltages are then added in an addition circuit, so that an output signal corresponding to the voltage 2 2 2

xout + vout + e zout entste5lt · Dieses Quadratsummensignal wird dann in einer Quadratwurzelschaltung verarbeitet und es entsteht ein Ausgangssignal entsprechend dem Wertxout + vout + e zout results · This square sum signal is then processed in a square root circuit and an output signal corresponding to the value is produced

e2 Ve^Ve1
xout yout zout
e 2 Ve ^ Ve 1
xout yout zout

Dieses Ausgangssignal entspricht dem Absolutwert des gemessenen externen Magnetfeldes. Man kann mithin die Größe des externen Magnetfeldes mit einer solchen Schaltung messen und auch in einer Wiedergabeschaltung DSP zur Anzeige bringen.This output signal corresponds to the absolute value of the measured external magnetic field. One can therefore adjust the size of the external Measure the magnetic field with such a circuit and also display it in a playback circuit DSP.

Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Vermessen eines externen magnetischen Wechselfeldes H, das an den Magnetkern 1 gelangt. Dieses magnetische Wechselfeld wird mit hoher Genauigkeit vermessen durch eine Phasenmessung des Ausgangssignals 6out» das and dem Verstärker A- oder A« aus Figur 4 beziehungsweise 8 abge-FIG. 11 shows an exemplary embodiment for measuring an external magnetic alternating field H which reaches the magnetic core 1. This alternating magnetic field is measured with high accuracy by a phase measurement of the output signal 6 out "that is taken from amplifier A- or A" from FIG. 4 or 8.

809819/0343809819/0343

2 b 4 7 2 b 42 b 4 7 2 b 4

~ 6 - P 3o 919~ 6 - P 3o 919

Gleichspannungskomponente EQ1 von der Größe des äußeren Magnetfeldes HQ„ abhängig ist.DC voltage component E Q1 is dependent on the size of the external magnetic field H Q ".

Figur 4 zeigt die schaltung aus Figur 1a mit einer Wiedergabeschaltung DSP. Gemäß Figur 4 ist mit A1 ein Verstärker bezeichnet, der die abgegriffene Spannung eQ integriert und verstärkt. R^ und Rp sind Widerstände zur Justierung des Verstärkungsgrades, SW ist ein Vorspannungsschalter und Cr. eine Kapazität zur Integration* Das integrierte und verstärkte signal am Ausgang des Verstärkers A1 wird in der Wiedergabe schaltung DSP -wiedergegeben* Bei der Wiedergabeschaltung kann es sich um ein bekanntes Meßgerät, eine Vorrichtung zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in einen akustischen Ton, z.B. einen Lautsprecher, oder eine optische Anzeigevorrichtung handeln* Sin verstellbarer ¥iderstand S , dient dazu, die Wiedergabe beziehungsiweise Anzeige der Wiedergabe schaltung DSP auf KuIl e insu jus tieren, wem das externe Magnetfeld H_„ = 0 ist· Um den Meßbereich auszudehnen» Jcann ein negativer Rückkoppelungsstrom zur Kompensation des externen Magnetfeldes Eav über die Kompensaticnsspule 4 und den Widerstand Enp für negative Rückkoppelung an den Magnetkern 1 rückgekoppelt -werden» Das Magnetometer nach der Erfindung ist sehr einfach, aufgebaut und weist nur einen einzigen Transistor auf. Man kann bei einem solchen Magnetometer auch noch Maßnahmen treffen, um der Nichtlinearität und der Temperaturabhäiig»"1 -it der Anzeige entgegenzuwirken, was anhand der nachfolgenden. Figuren beispielsweise erläutert wird* *FIG. 4 shows the circuit from FIG. 1a with a playback circuit DSP. According to FIG. 4, A 1 denotes an amplifier which integrates and amplifies the tapped voltage e Q. R ^ and Rp are gain adjusters, SW is a bias switch, and Cr. a capacity for integration * The integrated and amplified signal at the output of the amplifier A 1 is reproduced in the playback circuit DSP * The playback circuit can be a known measuring device, a device for converting an electrical input signal into an acoustic sound, for example a Loudspeaker, or an optical display device act * Sin adjustable resistance S, is used to adjust the reproduction or display of the reproduction circuit DSP on KuIl e to whom the external magnetic field H_ "= 0 · To expand the measuring range» Jcann a negative one Feedback current to compensate for the external magnetic field E av via the Kompensaticnsspule 4 and the resistor E n p for negative feedback to the magnetic core 1 -be fed back »The magnetometer according to the invention is very simple, constructed and has only a single transistor. You can meet even measures such magnetometers to the nonlinearity and the Temperaturabhäiig "" one counter -it the display, which is illustrated in the following. For example, figures * *

Gemäß Figur 5a νηά 5b sind Schaltungen für Magnetometer mit jeiseils 2 'Transistoren, vier Spulen und einer GleicBspaiinungsquelle Ed dargestellt· Geitiäß Figur 5a sind zwei NPN-Transistoren Q3 und Q, eingesetzt und der üszillationsbetrieb wickelt sich wie folgt ab.According to FIG. 5a and 5b, circuits for magnetometers each with 2 'transistors, four coils and a GleicBspaiinungsquelle Ed are shown · According to FIG. 5a, two NPN transistors Q 3 and Q, are used and the oscillation operation is as follows.

Zunächst gelangt Spannung aus der GleichspanmHigsqiaelle Sd an den Transistor Q3 und es fließt Strom wie folgt vom Plus-Pol der GIeichspanramgsquelle Sd über den Widerstand R5, über den Transistor Q„ und über den Widerstand SQ an den Minus-Pol der Gleichspanmmgsquelle Sd. Der Kollektorstrom des Transistors Q3 beginnt zu fließen und zwar über den Widerstand S0 an die spule 6, mjdurch Spannung in der Spule 5 induziert wird* Diese induzierte Spannung veranlaßtFirst, voltage from the DC voltage source Sd reaches the transistor Q 3 and current flows as follows from the plus pole of the DC voltage source Sd via the resistor R 5 , via the transistor Q " and via the resistor S Q to the minus pole of the DC voltage source Sd . The collector current of the transistor Q 3 begins to flow and that through the resistor S 0 to the coil 6, mj is induced by voltage in the coil 5 * This induced voltage causes

6 0 9 8 1 9 / 0 3 Ä 36 0 9 8 1 9/0 3 Ä 3

- 7 - P Jo 91- .- 7 - P Jo 91-.

einen Kollektorstrom des Transistors Q^i der mit seiner Basiselektrode über den Widerstand R5 am positiven Pol der Gleichspannungsquelle Ed liegt und mit seiner Emitterelektrode über den Widerstand R0 am negativen Pol der Gleichspannungsquelle Ed liegt. Der Transistor Q3 wird mithin leitend. Andererseits wird durch die in der Spule 8 induzierte Spannung der Transistor Q. nichtleitend, weil die in der Spule 8 durch den genannten Kollektorstrom induzierte Spannung an der Basiselektrode negativ und an der Emitterelektrode des Transistors Q4 positiv ist. Während dieses Zustandes wird infolge der nichtlinearen Charakteristik des Magnetkerns 1 der Wert αφ/dt im Magnetkern 1 immer kleiner und schließlich Null, wie im einzelnen im Text zu Figur 1a beschrieben. Wenn die in der Spule 5 induzierte Spannung Null wird und infolge davon der Kollektorstrom des Transistors Q3 immer kleiner wird, dann stellt sich in dem Magnetkern 1 wieder der ursprüngliche Flußwert, der nämlich durch das externe Magnetfeld H bestimmt ist, ein, so daß nun die induzierte Spannung in der spule 8 entgegengesetzte Polarität hat und an die Basiselektrode des Transistors Q4 positive, dagegen an die Emitterelektrode negative Spannung gelangt, wodurch der Transistor Q4 leitend wird und Kollektorstrom über den Widerstand R0 durch die spule 7 fließt. Es wird nun Spannung in der spule 5 induziert, die den Transistor Q_ nichtleitend macht. Das Spiel wiederholt sich nun und es entsteht eine magnetische Oszillation. Die Schaltungen nach Figur 5b und 5c sind gegenüber 5a modifiziert. Gemäß Figur 5b sind zwei PNP-Transistoren eingesetzt und gemäß Figur 5c, wie in Figur 5a, zwei NPN-Transistoren. Im übrigen sind in den Figuren 5 für gleiche beziehungsweise einander entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern verwendet.a collector current of the transistor Q ^ i which is connected with its base electrode via the resistor R 5 to the positive pole of the direct voltage source Ed and with its emitter electrode connected to the negative pole of the direct voltage source Ed via the resistor R 0. The transistor Q 3 therefore becomes conductive. On the other hand, the voltage induced in the coil 8 makes the transistor Q. non-conductive, because the voltage induced in the coil 8 by the aforementioned collector current is negative at the base electrode and positive at the emitter electrode of the transistor Q 4. During this state, as a result of the non-linear characteristic of the magnetic core 1, the value αφ / dt in the magnetic core 1 becomes smaller and smaller and finally zero, as described in detail in the text relating to FIG. 1a. When the voltage induced in the coil 5 becomes zero and as a result the collector current of the transistor Q 3 becomes smaller and smaller, the original flux value, which is determined by the external magnetic field H, is set in the magnetic core 1 again, so that now the induced voltage in the coil 8 has opposite polarity and a positive voltage is applied to the base electrode of the transistor Q 4 and a negative voltage to the emitter electrode, whereby the transistor Q 4 becomes conductive and collector current flows through the coil 7 via the resistor R 0. Voltage is now induced in coil 5, which makes transistor Q_ non-conductive. The game repeats itself and a magnetic oscillation occurs. The circuits according to FIGS. 5b and 5c are modified compared to FIG. 5a. According to Figure 5b, two PNP transistors are used and according to Figure 5c, as in Figure 5a, two NPN transistors. Otherwise, the same reference numerals are used in FIGS. 5 for the same or corresponding parts.

Figur 6a und 6b zeigt Spannungsdiagramme, wie sie tatsächlich als Wechselspannung eO2, also bei nicht vorhandener Kapazität C0, an einer Schaltung gemäß Figur 5a abgegriffen wurden. Figur 6a zeigt die Ausgangsspannung eQ2 bei einem äußeren Magnetfeld Hex = O mit einem Zeitverhältnis zwischen Leitfähigkeitsperiode TQN und Nichtleitfähigkeitsperiode TopF bezogen auf den Leitfähigkeitszustand des Transistors Q3 im Wert von TON/Topp = 1,2. Figur 6b zeigt das entsprechende Diagramm für ein äußeres Magnetfeld Hex β 1 Gauss und einem dementsprechenden Verhältnis ton/toff ~ 1f36# FIGS. 6a and 6b show voltage diagrams as they were actually tapped as alternating voltage e O2 , that is to say when there was no capacitance C 0 , on a circuit according to FIG. 5a. Figure 6a shows the output voltage e Q2 with an external magnetic field H ex = O with a time ratio between conductivity period T QN and non-conductivity period T opF based on the conductivity state of transistor Q 3 in the value of T ON / T opp = 1.2. Figure 6b shows the corresponding diagram for an external magnetic field H ex β 1 Gauss and a corresponding ratio t on / t off ~ 1f36 #

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- Io - P 3ο 919- Io - P 3ο 919

griffen wird und mit einem Bezugssignal verglichen wird. In Figur 11 ist mit 7o ein Differentialverstärker bezeichnet, mit dem die GIeichspannungsSignalkomponente aus dem in die Schaltung gemäß Figur 11 eingespeisten am Ausgang des Verstärkers A- oder A3 ab- ' gegriffenen Ausgangssignals eout unterdrückt und die Wechselspannungskomponente allein verstärkt wird. Mit 71 ist ein abgestimmter Verstärker bezeichnet, der nur die Frequenzkomponente verstärkt, die mit der Frequenz des zu vermessenden externen magnetischen Wechselfeldes übereinstimmt. Das Aus gangs signal des Verstärkers 71 gelangt an einen Phasendetektor 72 und an einen Verstärker 73, der dazu dient, das Bezugssignal für den Phasenvergleich hervorzurufen, Der Verstärker 1J3 steuert einen J?echteckformer 74 an, in welchem das Aus gangs signal des Verstärkers in eine Sechteckspanming umgewandelt wird· Mit diesem Signal wird ein Abs tiismver stärker 75 angesteuert, der auf die Wechselfrequenz des externen Magnetfeldes abgestimmt ist* Das Aus gangs signal des Abstimmverstärkers 75 steuert einen Phasenschieber 76 an, der die Phasenlage fixiert und seinerseits über einen Wellenformer 77 den Phasendetektor 72 ansteuert» Das Signal-Geräuseh-Verhältnis des elektrischen Signals, das dem äußeren magnetischen Wechselfeld entspricht, wird verbessert und auf diese ¥eise wird die FeIdvermsssOng mit hoher Genauigkeit möglich. Mit 78 ist ein integrierender Verstärker bezeichnet, der den Geräuschanteil am Ausgangssignal des Phasendetektors 72 unterdrückt· Das verstärkte Signal wird in der Wiedergabesciialtung DSF { einer Digitalanzeige» einem lautsprecher oder dergleichen ) zur Anzeige gebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen» daß aus dem Ausgangssignal des Abstimmverstärkers 71 ein Bezugssignal in dem mit dem Verstärker 72 beginnenden Zweig abgeleitet wird, Man kann natürlich das Bezugssignal auch von außen in den Verstärker 73 einspeisen und muß dann die Verbindung zwischen dem Ausgang des Verstärkers 71 "and dem Eingang des Verstärkers 73and is compared with a reference signal. In figure 11 is provided with 7o a differential amplifier designated with which the GIeichspannungsSignalkomponente from the in the circuit of Figure 11 fed in at the output of amplifier A or A 3 off 'gripped output signal e out is suppressed and the AC component is amplified alone. A tuned amplifier is denoted by 71, which amplifies only the frequency component which corresponds to the frequency of the external magnetic alternating field to be measured. The off passage signal of the amplifier 71 is applied to a phase detector 72 and to an amplifier 73 which serves to cause the reference signal for the phase comparison, the amplifier 1 J3 controls a J? Echteckformer 74 on, in which the off passage signal of the amplifier in A hexagonal clamping is converted.This signal is used to control an abs tiismver 75, which is matched to the alternating frequency of the external magnetic field controls the phase detector 72 » The signal-to-noise ratio of the electrical signal, which corresponds to the external magnetic alternating field, is improved and in this way the field measurement is possible with high accuracy. 78 is an integrating amplifier which suppresses the noise component in the output signal of the phase detector 72. The amplified signal is displayed in the playback device DSF (a digital display, a loudspeaker or the like). In this embodiment it is assumed that a reference signal is derived from the output signal of the tuning amplifier 71 in the branch beginning with the amplifier 72. Of course, the reference signal can also be fed into the amplifier 73 from the outside and the connection between the output of the amplifier must then be established 71 "at the input of the amplifier 73

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Claims (6)

P 30 919P 30 919 ANSPRÜCHEEXPECTATIONS Magnetometer zur Vermessung eines externen Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Gleichspannungsquelle betriebener Schwingkreis vorgesehen ist mit einer schwingungsbestimmenden Induktivität ( 2, 3 ), die einem als Magnetfeldsonde dienenden Magnetkern elektromagnetisch zugeordnet ist, welcher Schwingkreis übersteuert ist so, daß ein vorgesehener Transistor bei jeder Schwingung einmal leitend und einmal nichtleitend wird und daß das Zeitverhältnis für die Dauer des leitenden und des nichtleitenden Zustandes von dem externen Magnetfeld abhängig ist und eine über einen Ausgangswiderstand abgreifbare Ausgangsspannung beeinflußt.Magnetometer for measuring an external magnetic field, characterized in that an oscillating circuit operated with a DC voltage source is provided with a Vibration-determining inductance (2, 3), which is electromagnetically assigned to a magnetic core serving as a magnetic field probe is, which resonant circuit is overdriven so that a provided transistor conducts once with each oscillation and once becomes non-conductive and that the time ratio for the duration of the conductive and the non-conductive state depends on the external magnetic field and influences an output voltage that can be tapped off via an output resistor. 2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktivitäten auf den Magnetkern ( 1 ) aufgewickelt sind, von denen die eine im Kollektorkreis und die andere im Basiskreis des Transistors ( Q1 ) geschaltet ist.2. Magnetometer according to claim 1, characterized in that two inductors are wound onto the magnetic core (1), one of which is connected in the collector circuit and the other in the base circuit of the transistor (Q 1). 3· Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Gegentakt betriebene Transistoren ( Q1- und Q6 ) vorgesehen sind, denen jeweils zwei von insgesamt vier auf einen gemeinsamen Magnetkern ( 1 ) gewickelte Induktivitäten zugeordnet sind,3. Magnetometer according to claim 1, characterized in that two transistors (Q 1 - and Q 6 ) operated in push-pull are provided, each of which is assigned two of a total of four inductances wound on a common magnetic core (1), 609819/0343609819/0343 l - P 3o 919l - P 3o 919 indem jeweils eine derselben in den Basiskreis und die andere in den Kollektorkreis des zugehörigen Transistors geschaltet ist.by switching one of these into the base circuit and the other into the collector circuit of the associated transistor is. 4. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nullpunktkompensation mit einer von der verstärkten und ausgefilterten Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals angesteuerten, auf den gemeinsamen Magnetkern ( 1 ) gewickelten Kompensationsspule ( 4 ).4. Magnetometer according to one of the preceding claims, characterized by means of a zero point compensation with one of the amplified and filtered direct voltage components of the Output signal controlled, on the common magnetic core (1) wound compensation coil (4). 5. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgangssignal eine Anzeigevorrichtung ( DSP ) angesteuert wird.5. Magnetometer according to one of the preceding claims, characterized in that a display device with the output signal (DSP) is controlled. 6. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermessung eines externen magnetischen Wechselfeldes die mit der Frequenz dieses Wechselfeldes übereinstimmende Frequenzkomponente des Ausgangssignals ausgefiltert wird und in einem Phasendetektor mit einem gleichfrequenten Bezugssignal hinsichtlich ihrer Phasenlage verglichen wird.6. Magnetometer according to one of the preceding claims, characterized in that for measuring an external magnetic Alternating field, the frequency component of the output signal that corresponds to the frequency of this alternating field is filtered out and is compared in a phase detector with a reference signal of the same frequency with regard to their phase position. 7» Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 2ur Auffindung von durca Fehler in jaagnetisierten Werkstücken oder dergleichen Magaetfelddefekten ein U-förmig gebogener Magnetkern vorgesehen ist, der mitsamt den schwingungsbestiffljflenden Induktivitäten in einem magnetisch abschirmenden Gehäuse untergebracht ist, das für die einen Luftspalt zwischen sich einschließenden Po-lspitzen des Magnetkerns eine, öffnung aufwe ist, an der das %u untersuchende Werkstück vorbeigeführt wird»7 »Magnetometer according to one of the preceding claims, characterized in that a U-shaped bent magnetic core is provided in order to find faults in jaagnetized workpieces or similar magnetic field defects, which, together with the vibration-stabilizing inductances, is housed in a magnetically shielding housing, which for some air gap therebetween enclosing Po lspitzen of the magnetic core one opening aufwe is where the% is passed u examined workpiece " 8« Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermessung eines dreidimensionalen externen Magnetfeldes drei linear wirkende, je einen geradlinigen Magnetkern { ι ) aufweisende Sonden in Sichtung der drei ortogonalen Achsen angeordnet werden* mit denen die drei rom- - ponenten des Magnetfeldes gejaessen. werden und daß aus den ermittelten Ifeßspannungen durch Quadrieren, Summieren und Ratifizieren der Quadratsunane der Absolutwert der vektoriellen Größe errechnet wird, 609819/03438 «Magnetometer according to one of the preceding claims», characterized in that for measuring a three-dimensional external magnetic field, three linearly acting probes each having a straight magnetic core {ι) are arranged in sighting of the three orthogonal axes * with which the three components of the Magnetic field yes. and that the absolute value of the vector quantity is calculated from the determined Ifeß voltages by squaring, adding and ratifying the square suns, 609819/0343
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