DE2929404C2 - Differenzfeldsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Differenzfeldsonde gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Differenzfeldsonden sind allgemein bekannt und können gemäß P i g. 1 a als sogenannte Quersonde ausgebildet sein, bei der die Achsen der Sensoren senkrecht zu der Längsachse der Sonde stehen. Ferner ist eine sogenannte Längssonde eingesetzt, bei der gemäß Fig. Ib die Achsen der Sensoren identisch mit der Längsachse der Sonde sind. Mit 1 bzw. Γ sind die Sonden bezeichnet, die normalerweise zwei richtungsabhängig messende Sensoren 2 und 3 bzw. 2' und 3' aufweisen. Die Sensoren sind im Abstand der sogenannten Basis 4 voneinander angebracht und antiparallel geschaltet. Die Pfeile neben den Sensoren deuten die Antiparallelität an.

In einem homogenen Erdfeld herrscht am Ort beider Sensoren eine genau gleiche Feldstärke. Demzufolge müßte die Sonde in jeder Lage die Felddifferenz Null messen. Dieses ist jedoch nur der Fall, wenn beide Sensoren

1) eine genau gleiche Meßrichtung haben und

2) eine genau gleiche Empfindlichkeit aufweisen.

Diese Voraussetzungen sind normalerweise nicht erfüllt. Die aus der US-PS 34 87 459 bekannte Differenzfeldsonde ist als Längssonde ausgebildet und weist eine Möglichkeit zur magnetischen Kompensierung eines Ausrichtfehlers der Sensoren auf.

In der Nähe eines Sensors ist ein magnetischer Block mit zwei senkrecht zueinander verlaufenden Bohrungen mit dem Sondengehäuse festverbunden. In die Bohrungen können weichmagnetische Schrauben eingesetzt werden. Wenn die Schrauben symmetrisch zur Längsachse der Sonde in die Bohrungen eingeschraubt sind, heben sich ihre magnetischen Wirkungen bei Anlagen

eines homogenen magnetischen Feldes auf. Ist einer der Sensoren nicht parallel zur Längsachse, wird ein Meßfehler festgestellt, der durch Herausdrehen der Schrauben kompensiert wird.

Mit dieser magnetischen Fehlerkompensation können nur Ausrichtfehler bei Längssonden behoben werden. Es sind immer zwei senkrecht zueinander liegende Schrauben zu bewegen, was den Abgleich erschwert

Eine Empfindlichkeitsjustierung ist nicht möglich. Die Empfindlichkeit wird im Gegenteil verschlechtert durch die Anwesenheit des weichmagnetischen Materials. Diese Art der Kompensation eines Ausrichtfehlers ist für größere Serien ungeeignet, weil der Vorgang zu zeitaufwendig ist

Wenn eine Differei?7feldsonde dieser Bauart vor einer Justierung des Ausrichtfehlers gemäß F i g. 2 quer zu einem homogenen Erdfeld um die Basis als Drehachse um den Winkel φ gedreht wird, so wird erfahrungsgemäß ein cosinusförmiger Verlauf des von der Richtung der Sonde zum Erdfeld abhängigen Fehlers Ferhalten, wie er in Fig.3 dargestellt ist Der von dem Drehwinkel abhängige Fehler läßt sich aus der Beziehung errechnen:

Fφ

cos (φ—οή

Der Winiiel φ wird 0, wenn der Sensor parallel zum Erdfeld liegt Dieser typische Fehlerverlauf ist wie folgt zu erklären: _^

Gemäß Fig.4a kann jedem Sensor ein Vektor E zugeordnet werden, dessen Richtung die Meßrichtung des Sensors ist Die Größe dieses Vektors wird durch die Sensor-Empfindlichkeit bestimmt. Dem Sensor 2 sind demnach Vektor E\ und dem Sensor 3 der Vektor %\ zugeordnet. Werden diese beiden Vektoren unter Beachtung ihrer Antiparallelschaltung addiert, so resultiert ein den Fehler der Differenzfeldsonde kennzeichnender Vektor 5; wie er in F i g. 4b dargestellt ist. Seine Richtung und Größe werden durch den Winkel bestimmt, um den die Sensoren 2 und 3 gegeneinander geneigt sind sowie durch die Ungleichheit der Empfindlichkeit der beiden Sensoren.

Der Vektor 5 bezieht sich auf die Differenzfeldsojjde. Bei Drehung der Sonde dreht sich der Vektor S in gleicher Weise, ^kennzeichnet demnach das fehlerhafte Verhalten einer Differenzfeldsonde und kann damit als »Apparate-Konstante« angesehen werden. Die Fehlerfunktion F für die Drehung der Differenzfeldsonde in einem homogenen Feld //entsprechend F i g. 3Jäßt sich durch das skalare Produkt der Vektoren S und H' beschreiben:

Hieraus erklärt sich der normalerweise entstehende Cosinus-Verlauf des Fehlers bei Drehungen. Der Differenzfeldsonden-Fehler Fist ein Vektor, der vom Neigungsfehler der Sensoren zueinander, unterschiedlicher Sensor-Empfindlichkeit, Größe und Richtung des äußeren Feldes und Richtung der Sensoren hierzu abhängig ist. Fbzw. Zusind, verglichen mit dem Erdfeld außerordentlich klein. In der Erdfeld-Totalen von 36 A/m liegt Fbei sehr guten Sonden erfahrungsgemäß etwa bei 0,01 A/m. Bei Anwendung der Differenzfeldsonden für den »störfeldgeregelten magnetischen Eigenschutz« ist es aber erforderlich, die Genauigkeit noch um eine weitere Größenordnung zu steigern. Das bedeutet beispielsweise, daß die Länge des Vektors 5 größenordnungsmäßig nur 1 mm betragen würde, wenn

man den Vektoren £J und Eu eine Länge von 36 m zuordnet

Um diese Genauigkeit zu erreichen, sind mechanische Justierverfahren nicht ausreichend. Bei einem bekannten Justierverfahren sind die Sensoren als Bestandteil eines einarmigen Hebels ausgebildet, an dessen freien Ende ein Schneckentrieb eingreift, der mit einem Schlüssel verstellt werden kann. Obwohl eine ständige Nachjustierung erforderlich ist, ist mit diesem Verfahren die angestrebte Genauigkeit nicht erreichbar.

Elektrische Justierverfahren beschränken sich auf das Kompensieren des Meßfehlers für eine bestimmte, feste Stellung der Sonde im Raum und sind für den Einsatz von Schiffen wegen Kurs- und Breitengrad-Änderungen, Schlingern usf. unbrauchbar.

Es ist schon aus der DE-ASJl 82 739 bekannt, mit einer Vorrichtung die zeitliche Änderung des magnetischen Zustandes von ferromagnetischen Körpern zu kontrollieren und die magnetische Veränderung durch spezielle, den Körpern zugeordnete Spulen zu kompensieren. Die Vorrichtung besteht aus zwei gegeneinandergeschalteten Sonden in der Nähe des Körpers, die die Differenz des Störfeldes anzeigen. Zwischen den beiden Sonden ist ein hochpermeabler, ferromagnetischer streifenförmiger Körper axial verschiebbar angeordnet, wird dieser Streifenkörper der dem Störungskörper entfernteren Sonde genähert, so wird im Anzeigegerät eine Felddifferenz angezeigt, die der Änderung des permanentmagnetischen Zustandes des Störungskörpers proportional ist Eine entsprechende Änderung des Stromes in der speziellen Kompensationswicklung läßt dann das Störfeld verschwinden. Mit dieser Vorrichtung sollen von außen auf die Sonden einwirkende magnetische Gradienten kompensiert werden, d. h. Änderungen der permanentmagnetischen Momente der einzelnen Störfelder überwacht werden. Über die Genauigkeit der Sonden wird in dieser Schrift nichts gesagt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Differenzfeldsonde zu schaffen, bei denen sowohl eine Kompensation des Winkelfehlers als auch eines Empfindlichkeitsunterschiedes der Sensoren mit einfachen technischen Mitteln möglich ist, und die erheblich billiger, aber hochgenau hergestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen erfindungsgemäß die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß auch fehlerhafte, aber stabile Differenzfeldsonden auf eine bisher nicht erreichbare große Genauigkeit gebracht werden können, was eine erhebliche Kostensenkung für Differenzfeldsonsen bedeutet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt Es zeigen Fig.5a—5d Maßnahmen zur schrittweisen Änderung der effektiven Meßeinrichtung des Sensors und F i g. 6 eine Justiereinrichtung.

Anhand der Fig.5a—5d soll zunächst erläutert werden, wie sich die effektive Meßeinrichtung des Sensors ändert, wenn ein Weicheisenstück quer zur Meßrichtung des Sensors bewegt wird. Fig.5a zeigt schematisch den Sensor mit dem Weicheisenkern 5 und der Spule 6 sowie eine die Meßrichtung kennzeichnende Kraftlinie 7. Wird gemäß F i g. 5t> zum Weicheisenkern 5 in seiner Verlängerung ein Weicheisenstück 8 hinzugefügt, so ändert sich hierdurch die Meßrichtung ebensowenig wie, gemäß 5c, wenn das hinzugefügte Weicheisenstück 8 gegen den Kern 5 geneigt wird Gemäß Fig.5d wird jetzt das Weicheisenstück 8 vom Kern 5 getrennt, wobei auch seine Gestalt verändert werden kann. Hierdurch tritt gegenüber der Fig.5c keine prinzipielle Änderung ein. Jedoch unterscheidet sich die ursprüngliche Meßrichtung des Kernes, die strichpunktiert eingesetzt ist, um den Winkel f von der ίο jetzigen effektiven Meßrichtung des Systems: Weicheisenkern/Weicheisenstück.

Das Justieren des Winkelfehlers einer Sonde kann also in der Weise erfolgen, daß ein Weicheisenstück so lange quer zur Meßrichtung eines Sensors verschoben wird., bis seine »effektive Meßrichtung« zur Meßrichtung des anderen Sensors in der Sonde exakt parallel ausgerichtet ist

Die Verwendung von möglichst idealem Weicheisen, oder magnetischem Material mit möglichst kleiner Remanenz und linearem Verlauf der Magnetisierungskurve im vorgesehenen Meßbereich, bewirkt, daß bei Drehung der Richtung eines homogenen Feldes cosinus-förmige Verlaufsformen im Weicheisen-Sensor induziert werden, die die Verlaufsform des Differenzfeldfehlers kompensieren.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig.6 zeigt einen Sondenkörper 1 mit den Sensoren 2 und 3. Am Ort des Sensors 3 ist ein als Ring ausgebildetes Bauteil 9 auf den Sondenkörper geschoben und mit Schrauben 10 fixierbar. In den Ring ist als weiteres Bauteil eine amagnetische Schraube 11 hinein- und herausschraubbar angeordnet. In die Schraube 11 ist ein Weicheisenstück 12 eingesetzt Dieses Weicheisenstück läßt sich über den Ring und die Schraube in den angegebenen Pfeilrichtungen bewegen. Mit Hilfe dieser Einrichtung kann die effektive Meßrichtung in einfacher Weise verändert werden.

Weiterhin kann zur Justierung auch die Menge des Weicheisens vergrößert werden, was z. B. durch Hinzufügen von Weicheisenfeilspänen, Einfügen von Weicheisenschrauben, -stiften und -scheiben geschehen kann. Eine Verkleinerung der Weicheisenmenge kann durch Entfernen lösbar angebrachter Teile, durch Abschneiden oder Befeilen erfolgen. «5 Eine Überprüfung der durchgeführten Justierung kann zweckmäßig in der Weise erfolgen, daß die Sonden in ein exakt homogenes Erdfeld gebracht und in folgenden Schritten jeweils um 360° gedreht werden. Dabei wird der Sondenfehler gemessen.

1. Drehung der Sonde um den Winkel φ gemäß F i g. 2, Richtung der Basis senkrecht zum Erdfeld.

2. Drehung der Sonde um den Winkel φ, kichtung der Basis parallel zum Erdfeld.

3. Drehung der Sonde um den Winkel # (Querachse) gemäß F i g. 4a, bei Quersonden ist die Richtung der Sensoren in Drehrichtung zu legen.

4. Drehung der Sonde um den Winkel & um eine Querachse, die senkrecht zu der Querachse gemäß

_Μ 3. steht.

Verbleibt bei diesen Messungen gemäß den Punkten 1 bis 4 ein für alle Dreharten konstanter Fehler, so kann diesel !eicht durch einen Permanentmagneten kompensiert werden, der mit den Sensoren fest verbunden ist. Nach Maßgabe der Größe eines solchen Fehlers muß das Feld des Magneten auf den einen Sensor mehr einwirken als auf den anderen. Das kann in beliebiger Weise durch Abstandsänderung πηΗ/nHer VprHrshin

und/oder Vergrößern bzw. Verkleinern des magnetischen Momentes des Magneten erreicht werden. Das Letztere bedeutet eine Verkleinerung oder Vergrößerung der Masse oder ein beliebiges Auf- und Abmagnetisieren.

Ein weiterer Vorteil der Justierung nach der Erfindung besteht darin, daß die erforderliche außerordentlich kleinen magnetischen Kompensationseffekte durch verhältnismäßig große Strecken, Winkeländerungen oder Massenänderungen erreicht werden. Ein Justiereffekt in der Größenordnung von '/loooo des Sensormeßeffektes kann mittels der Bewegung des Weicheisenstückes in der Größenordnung von Zentimetern bzw. Mill'metern, Drehungen um Grade bzw. Massenänderungen um Zehntelgramm erzielt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Differenzfeldsonde, bei der an einem Sondenkörper zwei Sensoren parallel angeordnet und einander antiparallel geschaltet sind, eine Einrichtung zur Justierung der Sensoren aufweist, die aus einem Bauteil zur Aufnahme und zur Verschiebung eines Weicheisenstückes besteht, und das Bauteil im Wirkungsbereich der Sensoren angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (9) um den Sondenkörper (1) drehbar und verschiebbar gelagert ist, in welches ein weiteres, ein Weicheisenstück (12) aufnehmendes Bauteil (11) in radialer Richtung zum Sondenkörper (1) verstellbar angeordnet ist, und daß beide Bauteile (9,11) in jeder Stellung fixierbar sind.

2. Differenzfeldsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Bauteil (9) ein amagnetischer Ring ist, der mittels Schrauben (10) auf dem Sondenkörper (1) fixierbar ist

3. Differenzfeldsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Bauteil (11) als in den Ring hinein- oder herausdrehbare amagnetische Schraube ausgebildet ist

4. Differenzfeldsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube eine senkrecht zu ihrer Längsachse verlaufende Bohrung zur Aufnahme des Weicheisenstückes (12) aufweist.