-
Verfahren und Anordnung zur Bestimmung eines
-
Magnetfeldes.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Magnetfeldes
mittels einer Magnetsonde, die mindestens eine Wicklung aufweist, wobei an eine
Erregerwicklung ein Erregerstrom gelegt wird, der im sättigbaren Eisenkern ein inneres
Magnetfeld erzeugt, das sich mit einem äußeren Magnetfeld, z.B. dem Erdfeld, überlagert
und die Sättigungspunkte des Eisenkerns verschiebt, und wobei an einer Meßwicklung
ein Antwortsignal abgeleitet wird, das eine Funktion der Stärke des äußeren Magnetfeldes
ist.
-
Es soll die Stärke eines Magnetfeldes gemessen bzw. die Richtung eines
Magnetfeldes, insbesondere des Erdfeldes, bestimmt werden. Dazu benützt man Magnetsonden,
die besonders geeignet sind, das relativ schwache Erdfeld zu Messen. Aus der Anordnung
zweier Magnetsonden, die in
einer horizontalen Ebene -:iikrecht
zueinander stehen, läßt sich je eine Komponente des horizontal einwirkenden Erdfeldes
messen. Aus dem Vergleich der beiden Feldstärkeko,npot-.enten läßt sich mit trigonometrischen
Methoden die Magnetfeldrichtung errechnen.
-
Es ist allgemein bekannt, zur Messung der Magnetfeldstärke folgenden
Effekt auszunutzen. Eine Magnetsonde weist einen Eisenkern, eine Primär- und Sekundärwicklung
auf. Der durch die Primärwicklung fließende Erregerwechselstrom erzeugt ein inneres
Magnetfeld, das sich mit einem äußeren Magnetfeld überlagert. Die in der Sekundärwicklung
induzierte Spannung weist aufgrund des äußeren Magnetteldes assnmetrische Amplituden
auf. Die unterschiedlichen Amplituden beider Halbwellen sind ein Maß für die zu
messende Feldstärke. Mit geeigneten Auswertevorricht'gen lassen sich die Amplitudendifferenzen
ermitteln und zur Anzeige bringen.
-
Solche Anordnungen haben aber verschiedene Nachteile.
-
Die Nichtlinearität des Eisenkerns führt zur Verzerrungen der induzierten
Spannung, so daß die Ausgangsspannung eine signifikant andere Kurvenform als die
des treibenden Erregerstroms aufweist. Insbesondere wird eine große Zahl von aussteuerungsabhängigen
Oberwellen erzeugt, die sich zu unterschiedlich großen Spitzenspannungen überlagern
und so den genauen Vergleich beider Halbwellenamplituden beeinträchtigen. Um diesen
Effekt klein zu halten, sind ausgeklügelte, aufwendige Filter und Verstärker erforderlich.
Das erzeugte Signal ist eine feldstärken?bhangige Spannung, die im allgemeinen zur
weiteren Bearbeitung mit einer zusätzlichen Einrichtung digitalisiert werden muß.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren anzugeben, das diese
Nachteile vermeidet und das geeignet ist, die Feldstärke und die ldrichtung eines
Magnetfeldes anzuzeigen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an die Erregerwicklung
eine zechteckförmige Wechselspannung gelegt wird, daß die Impulsdcuer der einzelnen
induzierten Spannungsimpulse gemessen und mit einem Bezugswert verglichen wird,
wobei aiesgBezugswert der Impulsdauer der induzierten Spannungsimpulse ohne Einwirken
eines äußeren Magnetfeldes entspricht, daß der Differenzbetrag aus der gemessenen
Impulsdauer und dem Bezugswert gebildet wird, und daß aus dem Differenzbetrag die
Feldstärke ermittelt und angezeigt wird.
-
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß keine hochwertigen Filter erforderlich
sind, weil nicht die Amplitudendifferenz der induzierten Spannung ausgewertet wird.
-
An die Erregerwicklung der Magnetsonde wird eine rechteckförmige Wechselspannung
gelegt. An der Meßwicklung der Magnetsonde wird die induzierte Spannung abgegriffen,
die nur wa.lrend der Ummagnetisierung des Eisenkerns ansteht. Die Dauer dieser induzierten
Spannungsimpulse ist ein Maß für die Zeit, die die Sonde braucht, um vom positiven
zum negativen Sättigungspunkt zu gelangen. Liegt kein äußeres Magnetfeld vor, so
haben die positiven und negativen Spannungsimpulse die gleiche Länge, d.h. es werden
Zeiten gleichen Betrags gemessen. Die Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes verschiebt
in Abhängigkeit der Stärke des äußeren Magrietfeldesdie Sättigungspunkte und damit
die Zeitdauer der induzierten Spannungsimpulse.
-
Die positiven und negativen Spannungsimpulse haben unterschiedliche
Längen. Das eine Nal verlängert sich die
Impulsdauer, das andere
Mal verkürzt sie sich. Bildet man nun den Differenzbetrag aus der gemessenen Impulsdauer
bei Vorhandensein eines äußeren Magnetfeld es und der Impulsdauer ohne äußeres Magnetfeld
(Bezugswert), so ist dieser Betrag, der eine ermittelte Zeit darstellt, ein Maß
für die äußere Feldstärke. Diese kann beispielsweise optisch angezeigt werden.
-
Zweckmäßigerweise bildet man den Differenzbetrag aus den positiven
und negativen Spannungsimpulsen, so daß der Bezugswert, das ist die Zeit der Impulsdauer
ohne äußeres Feld, eliminiert wird. Das hat den Vorteil, daß dieser Wert nicht eigens
ermittelt werden muß. Das bedeutet, daß Nichtlinearitäten des Eisenkerns sowie Streuungen
bei der Fetigung der Magnetsonden keinen Einfluß haben.
-
Somit lassen sich Magnetsonden für dieses Meßverfahren preisgünstig
und mit nicht allzu hohen Anforderungen an die Präzision fertigen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung läßt sich dieses
Verfahren für Magnetsonden, sogenannte Erdfeldsonden, anwenden, die zur Ermittlung
der Richtung eines Magnetfeldes, z.B. des Erdfeldes, ausgebildet sind.
-
Hierbei weist die Magnetsonde mindestens zwei in einem bestimmten
Winkel zueinander stehende Schenkel mit mindestens Jeweils einer Wicklung auf. Mit
einer solchen Magnetsonde, die horizontal angeordnet ist, lassen sich die Feldstärken
zweier senkrecht zueinander stehender Feldvektoren ermitteln. Aus den Feldstärken
dieser zwei Feldkomponenten läßt sich, beispielsweise mittels eines Mikrocomputers,
aufgrund trigonometrischer Beziehungen die Richtung der Feldlinien eines äußeren
Magnetfeldes errechnen und anzeigen.
-
Besonderer vorteilhaft ist es bei diesem Verfahren, an ein- und derselben
Wicklung den Erregerstrom bzw.
-
die Erregerspannung anzulegen und die induzierten Spannungsimpulse
abzugreifen.
-
In einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung
der Feldstärke ist zweckmäßigerweise eine Zeit-Meßeinrichtungvorgesehen. Diese mißt
einmal die Impulsdauer der positiven induzierten Spannung, das andere Mal die Impulsdauer
der negativen induzierten Spannung und bildet daraus den Differenzbetrag. Die rechteckförmige
Wechselspannung wird durch periodisches Umpolen einer Gleichspannung erzeugt. Diese
wird über einen Vorwiderstand an die Wicklung der Magnetsonde gelegt. Das periodische
Umpolen wird von einer Steuervorrichtung vorgenommen, die auch die synchrone Anschaltung
der induzierten positiven und negativen Spannungsimpulse an die Zeitmeßeinrichtung
steuert. Der positive Spannungsimpuls wird an den ersten Eingang eines ersten logischen
Verkntipfungsgliedes, der negative Spannungsimpuls an den ersten Eingang eines zweiten
logischen Verknpfungsgliedes geschaltet. Die zweiten Eingänge der logischen Verknupfungsgliedersind
von einem Taktgenerator beaufschlagt. Jedem logischen Verknüpfungsglied ist eine
Zählvorrichtung, beispielsweise ein digitaler Zähler, nachgeschaltet, deren Ausgänge
an einen Subtrahierer geleitet sind. Der dort gebildete Differenzbetrag wird als
proportionale Größe der Feldstärke von einer nachgeordneten Anzeigevorrichtung angezeigt.
-
In einer weiteren Schaltungsanordnung wird vorteilhafterweise eine
Magnetsonde benutzt, die erlaubt, die Feldstärke beider Komponenten eines Magnetfeldes,
insbesondere des Erdfeldes, zu messen. Die Schaltungsanordnung ist ähnlich wie die
vorgenannte Schaltungsan-
ordnung aufgebaut, mit dem Unterschied,
daß ein Teil der Schaltungselemente doppelt vorhanden ist. Die Magnetfeld sonde
weist zwei Wicklungen auf, für Jede Komponente des Magnetfeldes eine Wicklung. Denen
sind entsprechend zwei Zeitmeßeinrichtungen nachgeordnet, die von der Steuervorrichtung
entsprechend angeschaltet werden. Ebenso ist ein Taktgenerator vorgesehen, der gleichzeitig
beide Zeitmeßeinrichtungen beaufschlagt.
-
Ferner ist Jeweils ein Ausgang der beiden Zeitmeßeinrichtungen mit
einem Mikrocomputer verbunden. Aus den Feldstärken beider Feldkomponenten, die eine
Funktion der ermittelten Zeiten darstellen, ermittelt der Mikrocomputer die Richtung
der Feldlinien und zeigt diese Richtung mittels einer dem Mikrocomputer nachgeordneten
Anzeigevorrichtung an. Die Anzeigevorrichtung kann so ausgestaltet sein, daß sie
ähnlich wie ein Kompaß mit seiner Magnetnadel die Nordrichtung anzeigt. Ist beispielsweise
eine solche Magnetsonde in einem ortsveränderlichen Fahrzeug angeordnet, so kann
die Anzeigeeinrichtung so ausgestaltet sein, daß der Richtungswinkel des Fahrzeuges
bezüglich der Nordrichtung angezeigt wird.
-
Anhand der Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele sowie das Verfahren
näher erläutert werden.
-
Es zeigen Fig. 1 die prinzipielle Anordnung einer Magnetsonde, Fig.
2 die Hysteresekurve einer Magnetsonde mit entsprechend zugeordneten Strom- und
Spannungskurven, Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Magnetsonde, Fig. 4 den Strom-/Spannungsverlauf
der Sondeninduktivität nach Fig.3 ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes,
Fig.
5 den Strom-/Spannungsverlauf der Sondeninduktivität nach Fig.3 mit Einwirkung eines
äußeren Magnetfeldes, Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Feldstärke,
Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Feldrichtung.
-
In Fig.1 ist eine Magnetsonde SON dargestellt. Sie weist einen sättigbaren
Eisenkern KER mit einer Primärwicklung W1 und einer Sekundärwicklung W2 auf. An
die Wicklung W1 wird ein Erregerstrom ierr angelegt, der ein inneres Magnetfeld
erzeugt, so daß der Eisenkern abwechselnd den positiven und negativen Sättigungswert
erreicht. In der Sekundärwicklung W2 wird dadurch eine Spannung Uind induziert.
-
In Fig.2 ist die Hysteresekurve a einer Magnetsonde, entsprechend
dazu mit Kurve b der Erregerstrom i err ohne äußeres Magnetfeld dargestellt. Die
dazu entspechend dargestellte Kurve d zeigt den Spannungsverlauf der induzierten
Spannung Uind.
-
Unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes verschiebt sich die Erregerstromkurve
um den Betrag JO, der proportional der Stärke des äußeren Magnetfeldes ist, so daß
die Kurvezu den Verlauf des Erregerstroms ierr mit äußerem Magnetfeld darstellt.
Entsprechend dazu ist der Spannungsverlauf der induzierten Spannung Uind mit äußerem
Magnetfeld in Kurve e dargestellt. Ist kein äußeres Magnetfeld vorhanden, so ist
die positive und negative Amplitude + Amp und -Amp der induzierten Spannung Uind
gleich groß (Kurve d). überlagert sich diesem inneren Magnetfeld ein äußeres Feld,
z.B. das Erdfeld, so wird Je nach dessen Richtung und Stärke
die
Sättigung früher oder später eintreten, und damit wird die induzierte Sekundärspannung
Uind unsymmetrisch (Kurve e). Das heißt, es ergeben sich unterschiedliche Amplituden
für beide Halbwellen, + Amp' -Amp'. Dieser Unterschied ist ein Maß für die zu messende
Feldstärke.
-
Es ist ferner noch der Widerstandswert der Induktivität LS der Magnetsonde
in Abhängigkeit des Erregerstroms ierr mit Kurve f dargestellt.
-
In Fig.3 ist das Prinzipschaltbild einer Magnetsonde SON dargestellt.
Eine rechteckförmige Wechselspannung Ugen liegt über den in Reihe geschalteten Vorwiderstand
RV an der Sondeninduktivität LS, an der die induzierte Spannung Uind abgegriffen
wird.
-
In Fig.4 ist der zeitliche Verlauf der rechteckförmigen Wechselspannung
Ugen mit Kurve a, in zeitlicher Zuordnung dazu der Stromverlauf des Erregerstroms
ierr mit Kurve b und der Spannungsverlauf der induzierten Spannung Uind mit Kurve
c ohne äußeres Magnetfeld dargestellt.
-
Hat die Magnetsonde SON ihren positiven Sättigungszustand erreicht,
so fließt während der positiven Halbwelle der Spannung Ugen ein positiver Endstrom
Wenn zum Zeitpunkt t1 die Spannung Ugen vom positiven zum negativen Wert wechselt,
fällt der Erregerstrom von seinem Endwert + JE auf den positiven Wert des Sättigungsstroms
+JS zurück. Während des Ummagnetisierens vergeht eine gewisse Zeit, so daß die Magnetsonde
bis zum Zeitpunkt t2 ihren negativen Sättigungspunkt -JS erreicht und dann auf den
Wert des negativen Endstroms -JE springt und dort bis zum Zeitpunkt t3 bleibt. Zu
diesem Zeitpunkt wechselt die Erregerspannung von minus nach plus. Der Vorgang wiederholt
sich in um-
gekehrter Richtung. Der Erregerstrom i fällt vom -JE
auf -J5. Bis zum Zeitpunkt t4 erriecht der Erregerstrom en seinen positiven Sättigungspunkt
+J5 und springt dann, solange noch die positive Halbwelle der Spannung Ugen ansteht,
auf Liegt kein äußeres Magnetfeld vor, so haben die Sättigungspunkte +JS und -JS
den gleichen Betrag. Die induzierte Spannung Uind, die mit der Kurve c dargestellt
ist, entsteht in dem Bereich, in dem die Sonde noch nicht in Sättigung ist. Das
heißt, während des Jeweiligen Ummagnetisierens steht ein induzierter Spannungsimpuls
Uind an. Die Dauer tu des induzierten Spannungsimpulses Uind ist für den positiven
und negativen Impuls gleich groß. Das ist die Zeitdauer vom Zeitpunkt t1 bis t2
für den positiven Spannungsimpuls und t3 bis t4 für den negativen Spannungsimpuls.
Es ist also die Zeit für den positiven und den negativen Spannungsimpuls tu+ = tu-
= tu In Fig.5 ist der zeitliche Verlauf des Erregerstroms 1,erz mit Kurve b' und
in entsprechend zeitlicher Zuordnung die induzierte Spannung U'ind (Kurve c') mit
äußerem Magnetfeld dargestellt. Das äußere Magnetfeld bewirkt eine änderung der
Vormagnetisierung und somit eine Änderung der positiven und negativen Sättigungspunkte
JS und -JS um den Betrag +E J. Dieser Betrag ist eine Funktion der Stärke des äußeren
Magnetfeldes. Damit verschiebt sich der Sättigungspunkt für den positiven und negativen
Erregerstrom ierr um +aj. Entsprechend ändert sich die Impulsdauer ttuuder induzierten
Spannung U'ind.
-
Wie in Kurve c dargestellt, ist die Impulsdauer t'uu der induzierten
Spannung U'ind für den.negativen Spannungsimpuls um t kürzer, also u-= tu ~ A t
und für den positiven Spannungsimpuls um # dtlänger, also t u+ = tu + a Mißt man
die beiden Zeiten t' und t'u+ und bildet die Differenz, so ergibt sich die Zeit:
t i = 2 # t, die eine Funktion der Sättigungspunktverschiebung ß J ist und somit
eine Funktion des äußeren Magnetfeldes.
-
Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Feldstärke
mit einer Zeitmeßeinrichtung ZME. Die rechteckförmige Wechselspannung ist hier dargestellt
durch das periodische Umpolen einer Gleichspannung U mittels des Schalters S1. Über
den Vorwiderstand RV fließt der Erregerstrom ierr in die. Spulenwicklung LS der
Magnetsonde SON. Das Antwortsignal, die induzierte Spannung Uind wird an der Wicklung
LS abgegriffen und mittels des Schalters S2 abwechselnd an zwei Eingängen einer
Zeitmeßeinrichtung ZME gegeben. Eine Steuervorrichtung STE steuert sowohl das periodische
Umpolen der Gleichspannung U mit dem Schalter Sl als auch das dazu synchrone Umschalten
des Schalters S2. Je nach Stellung des Schalters S2 gelangt das Antwortsignal einmal
an einen ersten Eingang eines ersten UND-Gliedes G1 und zum anderen Mal an den ersten
Eingang eines zweiten UND-Gliedes G2.
-
Gleichzeitig sind beide UND-Glieder G1 und G2 mit Impulsen an zweiten
Eingängen beaufschlagt, die von einem Taktgenerator TG erzeugt werden.
-
Der Ausgang der UND-Glieder G1 und G2 ist Jeweils mit dem Eingang
einer Zählvorrichtung ZV1 und ZV2 verbunden.
-
Diese Zählvorrichtungen ZV können digitale Zähler sein.
-
Der Ausgang der Zählvorrichtungen ZV1 und ZV2 ist Jeweils an einen
Eingang des Subtrahierers SUB geführt.
-
Dieser wird von der Steuervorrichtung STE so angesteuert, daß er aus
der gemessenen Impulsdauer t' der positiven und der negativen Spannungsimpulse U'ind
den Differenzbetrag bildet. Auf diese Weise wird der oben näher erwähnte Bezugswert
tu eliminiert und nur die Zeit ts = 2 astermittelt. Zur Erhöhung der Meßsicherheit
und der Meßgenauigkeit kann der Subtrahierer SUB auch so gesteuert werden, daß er
den Differenzbetrag aus mehreren positiven und negativen Spannungsimpulsen bildet.
Diese so ermittelte Zeit t = 2 ht ist eine Funktion der Feldstärke des äußeren agnet
feldes und kann in einer nachgeordneten Anzeigeeinrichtung ANZ angezeigt werden.
-
Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Richtung
eines Magnetfeldes. Hierzu wird eine Magnetsonde SON verwendet, die erlaubt, beide
Komponenten eines Magnetfeldes, d.h. die Feldvektoren, die senkrecht zueinander
stehen, zu erfassen. Dazu weist die Sonde zwei Schenkel, die in einem bestimmten
Winkel zueinander stehen, und Jeweils eine Wicklung LS1 und LS2 auf. Die Ansteuerung
dieser Schaltung erfolgt ähnlich wie in dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Steuervorrichtung
STE polt periodisch die Gleichspannung U mittels des Schalters S1 um und führt sie
Jeweils über einen Vorwiderstand RV1 an die Wicklung LS1 und parallel dazu über
einen Vorwiderstand RV2 an die Wicklung LS2. Der von der Steuervorrichtu-ng STE
synchron dazu betätigte Schalter S2 greift Jeweils die induzierte Spannung U'ind
von den Wicklungen LS1 und LS2 der Magnetsonde SON ab und gibt sie Jeweils alternierend
auf zwei Zeitmeßeinrichtungen ZME1 und ZME2. Eine solche Zeitmeßeinrichtung ZME
weist wie im vorherigen Ausführungabeispiel zwei UND-Glieder G1 und G2 auf, denen
nachgeordnet Jeweils eine Zählvorrichtung
ZV, beispielsweise Digitalzähler,
und denen nachgeordnet einen Subtrahierer SUB auf.
-
Beide Zeitmeßeinrichtungen ZME1 und ZME2 sind von einem Taktgenerator
TG mit Impulsen beaufschlagt. Ebenso steuert die Steuervorrichtung STE die Subtrahierer
SUB, die in der Zeitmeßeinrichtung ZME1 die Differenz für 2 2 At1 der Wicklung LS1
und in der Zeitmeßeinrichtung ZME2 die Differenz für tg2 = nt2 der Wicklung LS 2
bilden.
-
Diese so ermittelten zwei Zeitwerte sind eine Funktion der zu messenden
Feldstärken beider zueinander senkrecht stehenden Feldkomponenten. Es ist Jeweils
ein Ausgang der Zeitmeßeinrichtungen ZME1 und ZME2 mit einem Mikrocomputer MC verbunden.
Der Mikrocomputer MC ermittelt aufgrund trigonometrischer Beziehungen aus den Feldstärken
beider Feldkomponenten die Richtung der Feldstärke des äußeren Magnetfeldes. Eine
dem Mikrocomputer MC nachgeordnete Anzeigeeinrichtung ANZ zeigt die Feldrichtung
an.
-
7 Figuren 6 Patentansprüche
Leerseite