DE2625964C3 - Magnetometer und Verfahren zur Herstellung des Kerns mit Wicklung für dasselbe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetometer, bestehend aus einer Induktionsspule mit einem hochpermeablen Kern und einer Kupferwicklung und aus einem Vorverstärker mit Halbleiterbauelementen, wobei das Magnetometer so ausgelegt ist, daß die Induktionsspule bei einer Magnetfeldänderung einer bestimmten Größe ein maximales Signal abgibt und der Vorverstärker ein geringes Spannungsrauschen bei an die Induktionsspule angepaßter Eingangsimpedanz aufweist.

Bei einem bekannten Magnetometer ist die Kupferwicklung auf ein kurzes Mittelstück des hochpermeablen Kernes konzentriert. Als Vorverstärker wird eine diskret aufgebaute Halbleiterschaltung mit Feldeffekttransistoren in der Eingangsstufe verwendet. Induktionsspule und Verstärker sind so dimensioniert, daß bei im Meßfrequenzbereich leistungsmäßiger Anpassung der Induktionsspule an den Vorverstärkereingang das Rauschen des ohmschen Widerstandes der Kupferwicklung der Induktionsspule in etwa dem Spannungsrauschen des Verstärkers entspricht.

Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, daß dieses bekannte Magnetometer den Nachteil aufweist, daß die Kupferwicklung in dieser geometrischen Anordnung ein hohes Wicklungsrauschen aufweist. Außerdem wurde als nachteilig festgestellt, daß wegen der hohen Impedanz der Induktionsspule das Stromrauschen des Vorverstärkers erheblichen Einfluß auf das Auflösungsvermögen hat.

Bei anderen bekannten Magnetometern, die als Vorverstärker im Gegensatz zu der oben beschriebenen Vorrichtung einen mechanischen Zerhackerverstärker benutzen, erstreckt sich die Wicklung der Induktionsspule, mit Ausnahme einer kurzen Endzone, gleichmäßig verteilt über die gesamte Länge des hochpermeablen Kernes. Auch hier konnte festgestellt werden, daß auf Grund der geometrischen Anordnung der Wicklung ein hohes Wicklungsrauschen auftritt, wodurch das Auflösungsvermögen nachteilig beeinflußt wird.

In Abweichung von der bisher einhellig geübten Praxis reicht es also nach der neuen erfinderischen

Erkenntnis nicht aus, zur Erzeugung eines hohen Auflösungsvermögens die Induktionsspule lediglich auf maximale Signalabgabe hin zu konstruieren und diesem Signal dann die Eingangsimpedanz eines nachgeschalteten rauscharmen Vorverstärkers anzupassen.

Ausgehend von vorstehender erfinderischer Erkenntnis liegt somit der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Auflösungsvermögen eines Induktionsspulenmagnetometers. weiter zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch ι ο gelöst, daß die Breite der Kupferwicklung dem 0,6-bis 0,8fachen der Länge des hochpermeablen Kernes entspricht und in einem gewählten Meßfrequenzbereich der Rauschspannungsabfall des Rauschstromes des Vorverstärkers an der Impedanz der Induktionsspule gleich der Rauschspannung des Vorverstärkers ist.

Damit erreicht man den Vorteil, daß das Wicklungsrauschen einen gegenüber bisherigen Vorrichtungen wesentlich verringerten Anteil am erzeugten Signal aufweist. Außerdem werden die Einflüsse, die durch das Verstärkerrauschen auf das Auflösungsvermögen ausgeübt werden, auf bisher nicht erreichte Werte reduziert. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß bei gleichem Auflösungsvermögen gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen eine wesentlich verringerte Baulänge des hochpermeablen Kernes erzielt werden kann, da das Auflösungsvermögen ungefähr proportional dem Quadrat der Kernlänge ist. Diese Eigenschaft wirkt sich besonders günstig für die FaHe aus, bei denen ein Sondentripel eingesetzt wird, so z. B. in der Raumfahrt oder bei Erdmagnetfeldmessungen im mobilen Einsatz. Ein Sondentripel besteht aus drei Induktionsspulen, deren Kerne jeweils senkrecht zueinander stehen und die drei Komponenten eines Feldes erfassen. Insgesamt sind Verbesserungen des Auflösungsvermögens um den Faktor 100 und mehr erzielt worden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann noch dadurch verbessert werden, daß der Außendurchmesser der Kupferwicklung dem 1,5- bis 3,5fachen, vorzugsweise dem 2,5fachen des Durchmessers des hochpermeablen Kernes entspricht. Damit wird eine weitere Verringerung des Rauschanteils der Kupferwicklung und damit eine weitere Verbesserung des Auflösungsvermögens erzielt.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform weist das Verhältnis von Lange zu Durchmesser des hochpermeablen Kernes den Wert 50-100, vorzugsweise den Wert 80 auf. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der hochpermeable Kern runden Querschnitt aufweist. Wie ausgedehnte Versuche gezeigt haben, läßt sich durch beide Maßnahmen bei gleichem Gesamtgewicht des Kernes und der Kupferwicklung gegenüber anderen Lösungsformen ein weiter erhöhtes Auflösungsvermögen erzielen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der hochpermeable Kern hocbpermeable Drähte auf, die in einem längs geschlitzten Mantelrohr angeordnet und in diesem mit einem Kunstharz ver- _Μ gössen sind. Damit erreicht man bei geringem Aufwand den Vorteil eines hochpermeablen Kernes mit geringen Wirbelstrom Verlusten und weitgehender Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Einflüssen. " _b5

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Mantelrohr ein dünnwandiges Messingrohr ist. Die Verwendung dieses handelsüblichen Messin grohres bringt den Vorteil mit sich, daß bei nur geringfügigen Wirbelstromverlusten die mechanischen Eigenschaften des Kernes wesentlich verbessert werden.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die hochpermeablen Drähte Mu-Metall-Drähte sind. Diese weisen nämlich eine sehr hohe Permeabilitätskonstante auf und sind als Rollenware in vielen Durchmessern handelsüblich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die hochpermeablen Drähte des hochpermeablen Kernes verschiedene Durchmesser aufweisen. Da die zwischen den Mantelflächen von Drähten mit größerem Durchmesser verbleibenden Zwischenräume mit hochpermeablen Drähten kleineren Durchmessers angefüllt werden können, wird ein höherer Füllfaktor des Kernes und damit eine Erhöhung der Permeabilität des Kernes erzielt. Dadurch wiederum wird das Auflösungsvermögen verbessert. Gleichzeitig wird die mechanische Stabilität des Kernes weiter erhöht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich, wenn sich die Kupferwicklung auf mehreren Teilspulen befindet, die jeweils mehrere Kammern aufweisen. Dadurch läßt sich die für die Grenzfrequenz der Induktionsspule mit ausschlaggebende Wicklungskapazität verringern. Außerdem wird der Wicklungsvorgang durch das Aufteilen der Wicklung in handliche Teilspulen vereinfacht.

Ferner ist es zweckmäßig, als Vergußmasse ein langsam härtendes Kunstharz mit niedriger Viskosität zu verwenden. Diese Maßnahme beschleunigt den Vergußvorgang und verringert die Gefahr der Blasenbildung innerhalb des Kernes, wodurch die mechanische Stabilität des Kernes weiter zunimmt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines oben näher beschriebenen Magnetometers.

Bei der Herstellung von Magnetometern kommt es wegen des gewünschten hohen Auflösungsvermögens darauf an, einen möglichst hochpermeablen Kern bei gleichzeitiger größtmöglicher Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen zu erzielen. Als Kernmaterial kommen daher nur hochpermeable Werkstoffe, wie z. B. Permalloy, Hyperm und Mu-Metall, in unterteilter Form in Frage.

Es ist bekannt, streifenförmige Permalloy-BIeche zu einem Blechpaket zu verkleben. Dieses Blechpaket wird anschließend durch Schleifen oder Abdrehen in die gewünschte Kernform gebracht.

Dieses Verfahren weist verschiedene Nachteile auf. So ist eine Herstellung bei den für Magnetometern üblichen Dimensionen der Kerne (Länge zwischen 20 cm und mehreren Metern, Durchmesser wenige Millimeter bis Zentimeter) ausgesprochen schwierig und demnach zeitraubend und kostspielig. Besondere Maßnahmen müssen getroffen werden, damit die Eigenschaften des Kernmaterials und der Verklebung nicht durch den Bearbeitungsvorgang verändert werden. Die erhaltenen Kerne sind in ihren magnetischen Werten sehr empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen des Kernes.

Die Herstellung eines Magnetometers gemäß der Erfindung ist durch Anwendung der in Anspruch 11 angegebenen Verfahrensschritte besonders zweckmäßig.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichten Vorteile sind eine äußerst einfache Herstellung bei geringem Zeit- und Werkzeugaufwand sowie ein Kern mit einer bisher nicht Bekannten Unemp-

findiichkeit gegen mechanische Belastungen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann noch dadurch verbessert werden, daß die hochpermeablen Drähte vor dem Stopfen entgratet werden. Durch den damit verringerten Zwischenraum zwischen den Drähten irn Kern erhält man eine weiter gesteigerte Festigkeit des Kernes und eine Zunahme der Permeabilität.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das als Vergußmasse dienende Kunstharz und das Mantelrohr mit den eingebrachten hochpermeablen Drähten vor dem Vergießen auf eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur, vorzugsweise 70° C bis 90° C, gebracht wird. Damit wird der Vergußvorgang wegen der höheren Dünnflüssigkeit des Harzes, die infolge des erwärmten Kernes auch nach dem Einfüllen erhalten bleibt, beschleunigt und die Blasenbildung innerhalb des Kernes beim Vergießen weitgehend verhindert.

Besondere Vorteile werden dadurch erreicht, daß beim Stopfen des Mantelrohres mit den hochpermeablen Drähten eines größeren Durchmessers begonnen wird und die dabei verbleibenden Zwischenräume mit hochpermeablen Drähten kleineren Durchmessers ausgefüllt werden. Diese Vorteile wurden bereits oben näher erläutert.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läuft beispielsweise wie folgt ab: Die hochpermeablen Drähte, z. B. bei einer Meßfrequenz von unter 3 Hz Mu-Metall-Drähte mit 2 mm Durchmesser, werden entgratet und werden einzeln in das lotrecht gehaltene Mantelrohr eingeführt. Die zwischen den einzelnen hochpermeablen Drähten verbleibenden Hohlräume werden durch zusätzliche hochpermeable Drähte mit geringerem Durchmesser, z. B. 1 mm im Durchmesser, ausgefüllt. Wenn der Kerndurchmesser weniger als etwa 1 cm beträgt, empfiehlt es sich, die hochpermeablen Drähte außerhalb des Mantelrohres zu bündeln und als Ganzes in das Mantelrohr einzuziehen. Anschließend wird der Kern zusammen mit den Komponenten des Vergußhartes in einem Wärmeschrank erwärmt, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 70° C und 90° C. Als Vergußharze werden Typen mit geringer, wasserähnlicher Viskosität und langer Aushärtezeit verwendet. Das durch Verrühren der Komponenten erhaltene Vergußharz wird mit Hilfe eines Trichters innerhalb des Wärmeschrankes von oben in das lotrecht gehaltene, mit den hochpermeablen Drähten gestopfte Mantelrohr eingegossen. Auf Grund der geringen Viskosität des Harzes reicht bereits die Schwerkraft aus, das Mantelrohr blasenfrei zu füllen, so daß das üblicherweise verwendete Vakuumvergußverfahren, das bei. den bei Magnetometern benötigten Kernlängen bis zn mehreren Metern häufig nicht durchführbar ist, entfällt. Sobald das oben eingegossene Harz am unteren Ende des lotrecht gehaltenen Mantelrohres blasenfrei austritt, wird dieses mit einer im Durchmesser abgestimmten Abschlußkappe aus einem nichthaftenden Material, z. B. Teflon, verschlossen. Anschließend erfolgt die Aushärtung des Kernes im Wärmeschrank, worauf die Verschlußkappe entfernt wird. Die Kernherstellung der Induktionsspule wird beendet mit dem Schlitzen des Mantelrohres der Länge nach. Damit wird verhindert, daß sich im Mantelrohr großflächige Wirbelströme ausbilden können. Es schließt sich das Herstellen der Wicklung an. Wegen der meist notwendigen großen Wicklungsbreite wird die Wicklung auf mehrere Wickel körper für einzelne Teilspulen verteilt. Diese sind in mehrere Kammern unterteilt, wodurch die Wicklungskapazität niedrig gehalten wird. Damit kann die Forderung erfüllt werden, daß die Resonanzfrequenz wesentlich, z. B. um den Faktor 10, über der Meßfrequenz liegen soll. Bei Schwingungsperioden von größer als 10 see werden die Wicklungen der Teilspulen zur Verringerung des Einflusses der Thermospannungen an den Lötstellen mit einem Cadmium-Zinn-Lot

ίο verlötet. Am vorteilhaftesten hat sich das Uber-Kopf-Abwickeln des für die Wicklung verwendeten, oft im Durchmesser sehr geringen, z. B. 50 μΐη, Wicklungsdrahtes herausgestellt. Zwischen den Teilspulen werden kurze Abstände freigelassen, in die Tragstege den Kern direkt unterstützend eingreifen können. Diese Tragstege stützen sich andererseits auf einer Trägerplatte in Form eines U-Profils aus z. B. Aluminium ab. Dadurch wird ein mechanisch stabiler Träger für den Kern geschaffen und gleichzeitig eine ausreu chende elektrostatische Abschirmung gegen kapazitive Einstreuungen erzielt.

Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine Induktionsspule und

_>^r) Fig. 2 eine Schaltung eines Vorverstärkers.

Nach Fig. 1 besteht die Induktionsspule 1 aus einem hochpermeablen Kern 2 und einer Kupferwicklung 3. Der Kern weist beispielsweise eine Länge von 100 cm auf sowie einen Durchmesser von 1,7 cm und

jo besteht aus in einem Mantelrohr 4 gebündelt vergossenen Mu-Metall-Drähten 5 von maximal 2 mm Durchmesser. Die Kupferwicklung 3 ist, damit sie leichter gewickelt werden kann, auf mehrere Teilspulen 6 verteilt. Diese sind wiederum in einzelne Kam-

ü mern 7 zur Verringerung der Wicklungskapazität unterteilt. Dadurch liegt die Eigenresonanzfrequenz so weit oberhalb des Meßfrequenzbereiches, daß ein zusätzlicher Widerstand paralSel zur Induktionsspule zur Bekämpfung hauptsächlich der Eigenresonanzfrequenz entfallen kann oder so groß gewählt werden kann, daß der durch ihn verursachte Rausehbeitrag nur unwesentlich das Auflösungsvermögen verschlechtert. Die Kupferwicklung 3 besitzt eine Breite von 70 cm und einen Außendurchmesser von 4,2 cm.

Fig. 2 zeigt das Schaltschema des Vorverstärkers 8. Dieser besteht aus einer Eingangsstufe 9, dem 16^:/₃-Hz-Saugkreis 10 zur Unterdrückung von Störungen, die aus dem Fahrbetrieb der elektrischen Eisenbahnlokomotiven herrühren, und einem 10-Hz-Tiefpaßfilter 11 zur Unterdrückung höherfrequenter Signale, wie z. B. der Netzfrequenz von 50 Hz.

Die drei Stufen 9,10,11 des Vorverstärkers 8 weisen rauscharme integrierte Halbleiterverstärker auf.

Der Eingang der Eingangsstufe 9 wird durch antiparallel geschaltete und vorgespannte Dioden eines Typs mit sehr geringem Reststrom geschützt. Die Windungszahl der Induktionsspule ergibt sich aus der Bedingung für die Impedanz der Induktionsspule, daß nämlich in dem gewählten Meßfrequenzbereich der Rauschspannungsabfall der Räuschstromes des Vorverstärkers an der Impedanz der Induktionsspule gleich sein soll dem Spannungsrauschen des Verstärkers. Zur Kompensation der Eingangskapazität der

Eingangsstufe 9 und damit zur Erhöhung der Eigenresonanzfrequenz der Kombination von Induktionsspule 1 und Vorverstärker 8 wird die Kupferwicklung 3 der Induktionsspule 1 mit ihrem einen

Anschluß an den Gegenkopplungsabgriff am Ausgang der Eingangsstufe 9 gelegt. Saugk reis 10 und Tiefpaßfilter 11 sind in herkömmlicher Schaltungstechnik aufgebaut.

Das oben beschriebene Magnetometer arbeitet wie folgt: Die Änderungen des Magnetfeldes induzieren in der Induktionsspule 1 eine der Feldstärke und deren Änderungsgeschwindigkeit proportionale Spannung. Durch den hochpcrmeahlcn Kern 2 wird eine Konzentration der Magnctfeldlinien gegenüber den die Induktionsspule 1 umgebenden Raum erreicht, was eine Spannungserhöhung gegenüber Luftspulen zur Folge hat. Die induzierte Spannung wird in der

Hngangsstufe 9 des Vorverstärkers 8 verstärkt. Die ld7,-Hz-Störungen aus dem Bahnbetrieb werden in einer Saugkrcisstule 10, die für ein 16/,-Hz-Signa! einen Kurzschluß darstellt, entfernt. Gleichzeitig wird das durch die Magnetfeldänderung erzeugte Signal geringfügig verstärkt. Als nächste Stufe sehließt sich ein 10-Hz-Tiefpaßfilter an, das alle Frequenzen unterhalb von 10 Hz verstärkt, dagegen die Frequenzen oberhalb dieser Frequenz abschwächt. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 11 ist an eine Anschlußbuchse 12 am Gerätegehäuse angeschlossen. An diese können verschiedene Anzeige- und Aufzeichnungsgeräte angeklemmt werden.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Magnetometer, bestehend aus einer Induktionsspule mit einem hochpermeablen Kern und einer Kupferwicklung und aus einem Vorverstärker mit Halbleiterbauelementen, wobei das Magnetometer so ausgelegt ist, daß die Induktionsspule bei einer Magnetfeldänderung einer bestimmten Größe ein maximales Signal abgibt und der Vorverstärker ein geringes Spannungsrauschen bei an die Induktionsspule angepaßter Eingangsimpedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Kupferwicklung (3) dem 0,6- bis 0,8fachen der Länge des hochpermeablen Kernes (2) entspricht und in einem gewählten Meßfrequenzbereich der Rauschspannungsabtall des Rauschstromes des Vorverstärkers (8) an der Impedanz der Induktionsspule (1) gleich der Rauschspannung des Vorverstärkers (8) ist.

2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Kupferwicklung (3) dem 1,5- bis 3,5fachen, vorzugsweise dem 2,5fachen des Durchmessers des hochpermeablen Kernes (2) entspricht.

3. Magnetometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des hochpermeablen Kernes (2) den Wert 50-100, vorzugsweise den Wert 80, aufweist.

4. Magnetometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hochpermeable Kern (2) einen runden Querschnitt besitzt.

5. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hochpermeable Kern (2) hochpermeable Drähte

(5) aufweist, die in einem längs geschlitzten Mantelrohr (4) angeordnet und ir. diesem mit einem Kunstharz (13) vergossen sind.

6. Magnetometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (4) ein dünnwandiges Messingrohr ist.

7. Magnetometer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hochpermeablen Drähte (5) Mu-Metall-Drähte sind.

8. Magnetometer nach Anspruch 5, 6 oder 7, gekennzeichnet durch hochpermeable Drähte (5) verschiedenen Durchmessers.

9. Magnetometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kupierwicklung (3) auf mehreren Teilspulen

(6) befindet, die jeweils mehrere Kammern (7) aufweisen.

10. Magnetometer nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch ein langsam härtendes Kunstharz mit niedriger Viskosität.

11. Verfahren zur Herstellung des Kerns mit Wicklung für ein Magnetometer nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Das als Kernträger dienende Mantelrohr (4) wird mit den hochpermeablen Drähten (5) gestopft;

- der so erhaltene hochpermeable Kern (2) wird mit dem Kunstharz (13) blasenfrei vergossen;

- nach Aushärten des Kunstharzes (13) wird das Mantelrohr (4) länes Beschützt:

- die Kupferwicklung (3) wird auf einen Spulenkörper aufgebracht;

— der Spulenkörper wird auf den hochpermeablen Kern (2) aufgeschoben.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die hochpermeablen Drähte (5) vor dem Stopfen entgratet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das als Vergußmasse dienende Kunstharz (13) und das Mantelrohr (4) mit den eingebrachten hochpermeablen Drähten (5) vor dem Vergießen auf eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur, vorzugsweise 70° C-90° C, gebracht werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Stopfen des Mantelrohres (4) mit den hochpermeablen Drähten (5) größeren Durchmessers begonnen wird und die dabei verbleibenden Zwischenräume mit hochpermeablen Drähten kleineren Durchmessers ausgefüllt werden.