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Verfahren zur Bestimmung eines Magnetfeldes
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Verfahren zur Bestimmung eines Magnetfeldes mittels einer Magnetsonde,
die mindestens eine Wicklung aufweist, wobei an eine Erregerwicklung eine rechteckförmige
Wechselspannung mit einer Frequenz f gelegt wird, die 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.
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Aus der EP-A 65589 ist ein solches Verfahren bekannt.
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Es soll die Stärke eines Magnetfeides gemessen bzw. die Richtung eines
Magnetfeldes, insbesondere des Erdfeldes, bestimmt werden. Dazu werden Magnetsonden
benutzt, die besonders geeignet sind, das relativ schwache Erdfeld zu messen. Aus
der Anordnung zweier Magnetsonden, die in einer horizontalen Ebene senkrecht zueinander
stehen, läßt sich je eine Komponenten des horizontal einwirkenden Erdfeldes messen.
Aus dem Vergleich der beiden Feldstärkekomponenten läßt sich mit trigonometrischen
Methoden die Magnetfeldrichtung errechnen.
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Zur Auswertung der Sondensignale wird vorgeschlagen, die Impulsdauer
der einzelnen in den Meßwicklungen induzierten Spannungsimpulsen zu messen und mit
einem Bezugswert zu vergleichen, wobei dieser Bezugswert der Impulsdauer der induzierten
Spannungsimpulse ohne Einwirken eines äußeren Magnetfeldes entspricht. Der Differenzbetrag
aus der gemessenen durch ein äußeres Magnetfeld veränderten Impulsdauer und dem
Bezugswert wird gebildet und aus dem Differenzbetrag wird die Feldstärke ermittelt
und angezeigt.
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Dieses Auswerteverfahren ist jedoch sehr aufwendig und erfordert genau
aufeinander abgestimmte elektronische Bauteile der beiden Meßkanäle.
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Es wird weiterhin aus der DE-OS 32 24 633 ein Verfahren vorgeschlagen
bei dem ebenfalls eine Magnetsonde mit rechteckförmigen Gleichungsimpulsen angesteuert
wird und eine Auswertung der Sondensignale durch Ausfilterung der zweiten Oberwelle
und Messung deren Amplitude erfolgt.
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Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß durch die Ansteuersignalform
eine Aufmagnetisierung des Spulenkerns der Sonde erfolgt und damit ein Offset-Fehler
entsteht, der das Meßergebnis verfälscht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Bestimmung eines
Magnetfeldes zu schaffen, welches mit hoher Genauigkeit und geringem Schaltungsaufwand
arbeitet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die rechteckförmige Wechselspannung
zwischen jedem positiven und negativen und zwischen jedem negativen und positiven
Impuls ein Nullpegel-Signal aufweist, dessen Impulsdauer näherungsweise der Impulsdauer
eines positiven Impulses entspricht und wobei die Impulsdauer der negativen Impulse
gleich der Impulsdauer der positiven Impulse ist.
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Durch die Aquidistanz der positiven un negativen Ausgangsimpulse ist
die 2. Harmonische Oberwelle der Ansteuerfrequenz im Signal-Spektrum stark vertreten
und läßt sich leicht ausfiltern.
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Der Spannungsverlauf der Primär-Spannung kann weiterbildungsgemäß
mit einer H-Schaltung erzeugt werden. Als Ansteuerung für die Schalttransistoren
der H-Schaltung genügen bestimmte Rechtecksignale, die z.B. aus einem Zähler gewonnen
werden können.
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Eine solche Schaltung läßt sich leicht integrieren. Die RC-Beschaltung
und Ampl i tudenregel ung die bei einer Dreieck-Ansteuerung nötig ist, entfällt.
Außerdem ist die Verlustleistung kleiner als bei der Dreieck-Ansteuerung, da Ansteuerspannung
und -Strom während der halben Zeit 0 sind, und auch die Scheitelwerte niedriger
liegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert.
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Es zeigt Fig. la-e den idealisierten Verlauf der Induktion und der
Spannung bei überlagertem Gleichfeld bei Ansteuerung mit Dreiecksignalform Fig.
2 den Verlauf der Signalspannung bei Ansteuerung mit Rechtecksignalform Fig. 3 eine
prinzipielle Darstellung einer Ringkernsonde.
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Eine Magnetsonde wie sie insbesondere zur Messung des Erdmagnetfeldes
beispielsweise zu Navigationszwecken und hier zur Bestimmung der Kursrichtung verwendet
wird ähnelt in ihrem äußeren Aufbau einem Transformator. In Fig. 3 ist eine Magnetsonde
als Ringkernsonde dargestellt.
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Auf einem äußeren hochpermeablen Eisenkern 1 ist eine Primärwicklung
3 der eine Spannung Up zugeführt wird und zwei Sekundärwicklungen 2a,b, 4a,b angeordnet,
wobei die Sekundärwicklungen zwei gegenüberliegende in Reihe geschaltete Wicklungsstränge
a, b aufweisen. An diesen Wicklungen werden die Signalspannungen UA, UB abgegriffen.
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Während man beim Transformator versucht, im linearen Teil der Hysteresekurve
des Eisenkerns zu arbeiten, damit die Verzerrungen der Sekundärseite klein bleiben,
steuert man die Sonde bis weit ins Sättigungsgebiet des Kernmaterials aus. Dadurch
wird der Erregerstrom stark verzerrt. Entsprechend wird die an der Sonde auftretende
Sekundärspannung infolge der Eigenschaften der Hysteresekurve durch die höheren
Harmonischen der Erregerfrequenz verzerrt. Dabei entstehen bei symmetrischer Aussteuerung
des Kerns mit einem Wechselfeld lediglich die ungeradzahligen Harmonischen. Wenn
diesem Wechsel feld ein Gleichfeld überlagert wird, ergibt sich eine unsymmetrische
Aussteuerung. Es treten zusätzlich geradzahlige Harmonische auf. Die Abhängigkeit
der geradzahligen Harmonischen vom Gleichfeld wird zur Messung dieses Gleichfeldes
ausgenutzt.
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An Hand der in Fig. la-e gezeichneten Modelldarstellung soll der oben
geschilderte Sachverhalt etwas verdeutlicht werden. Die in Fig. la dargestellte
linearisierte Hysteresekurve ist insofern eine recht brauchbare Annäherung an die
wahren Gegebenheiten, weil infolge der Erregung des Kerns bis weit in die Sättigung
der detaillierte Verlauf der Hystereseschleife zurücktritt.
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Die Erregung ist in Fig. lb als Dreieckkurve gezeichnet.
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Durch Spiegelung der Erregung an der Magnetisierungskurve erhält man
in Fig. 1c den zeitlichen Verlauf der Induktion als Trapezkurve. Die Induktionsänderung,
d.h.
die Flankensteilheit der Trapeze ist der Spannung proportional,
die in Form rechteckiger Impulse in Fig. 1d zu sehen ist.
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Wenn dem Wechselfeld der Erregung ein Gleichfeld mit der Feldstärke
AH überlagert ist, verschiebt sich die Mittellinie des Erregerfeldes um AH. Die
Magnetisierungskurve wird unsymmetrisch ausgesteuert und der zeitliche Abstand der
Spannungsimpulse verschiebt sich ebenfalls unsymmetrisch (gestrichelte Linien).
Man sieht deutlich die Änderung, wenn man von der Spannung bei AH die Spannung bei
AH = 0 subtrahiert. Der Verlauf der Spannung AU = UAH - Uo, wobei UO die Bezugsspannung
darstellt, ist in Fig. le gezeichnet. Während in der symmetrischen Rechteckspannung
(durchgezogene Linie) nach Fig. 1d nur ungerade Harmonische enthalten sind, wird
aus Fig. le deutlich, daß bei unsymmetrischer Aussteuerung noch geradzahlige Hamonische
auftreten. Eine Vergrößerung von AH bringt eine Verbreitung der bU-Impulse und damit
eine Vergrößerung des Ausgangssignals. Eine Vorzeichenumkehr von aH bedingt einen
Phasensprung der Ausgangsspannung um 1800.
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Eine Ausfilterung der zweiten harmonischen Oberwelle und Messung deren
Amplitude ergibt ein direktes Maß für die Größe des Gleichfeldes. Durch die Anordnung
zweier Sonden in einer 90°-Stellung zueinander ist damit die Messung der Richtung
und Größe des Erdmagnetfeldes mög-1 ich.
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Es ist jedoch auch aus Fig. 1 ersichtlich, daß sich bei Änderung des
Gleichfeldes eine Verschiebung der in Fig. le dargestellten Impulse, d.h. eine Unsymmetrie
in der Impo'folge auftritt. Dadurch wird der Energieinhalt der zweiten Oberwelle
bei gleichzeitigem stärkeren Auftreten höherfrequenter Oberwellen geringer.
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Weiterhin ist durch die Dreieckform des Ansteuerimpulses eine relativ
große Ansteuerleistung und Ansteuerspitzenspannung erforderlich.
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Es ist daher in Fig. 2a eine Ansteuerspannung gezeigt,.
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die gegenüber der o.g. Dreieckansteuerspannung wesentliche Vorteile
bietet. Während eine normale Rechteckwechselspannung unbrauchbar ist, ist die in
Fig. 2a gezeigte Rechteckwechselspannung p bei der die Zeiten t1-t2, t3-t4 und t4-t5
annähernd gleich groß sind geeignet, ein einfach auswertbares Meßsignal zu erzeugen.
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Dieses Signal das wie in Fig. 3 dargestellt, das Ansteuersignal für
die Primärspule der Magnetsonde darstellt, erzeugt einen Strom der entgegengerichtet
und wie in Fig. 2b, 2c auf die Spulenstränge 2a, 2b wirkt.
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Als Ausgangssignale in den Spulensträngen erhält man den in Fig. 2d
dargestellten Verlauf der ohne das Einwirken eines äußeren Magnetfeldes nach Differenzbildung
kein Ausgangssignal erzeugt.
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Die positiven und negativen Sättigungsgrenzen sind zur Vereinfachung
durch die Linien Gs+, Gs- dargestellt.
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In Fig. 2e-h ist der gleiche Signalverlauf zugrundegelegt, jedoch
wirkt ein äußeres Magnetfeld (Erdmagnetfeld) auf die Sonde ein. Dadurch werden die
Sättigungsgrenzen Gs+, Gs- verschoben. Die in den Spulensträngen 2a,b induzierten
Spannungen (Fig. 2g) zeigen unterschiedliche Impulsbreiten die nach Differenzbildung
zu einem Ausgangssignal Fig. 2h führt. Die gezeigten Beispiele beschränkten sich
auf die Darstellung des Signal verlaufs in einer der Sekundärspulen. Selbstverständlich
zeigt die weitere Sekundärspul e das gleiche Verhalten bei entsprechender Einwirkungsrichtung
des äußeren Magnetfeldes. Die Amplitude des Ansteuerstroms kann dabei so eingestellt
werden, daß gerade noch bei dem größtmöglichen Gleichfeld der Sättigungsbereich
überfahren wird. Dadurch kann die Eingangsspannung und Eingangsleistung sehr gering
gehalten werden.