DE3887155T2 - Magnetometer mit einer saettigbaren kern aufweisenden spule. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Magnetometer, d. h. Instrumente zum Erfassen und Messen von Magnetfeldern. Insbesondere betrifft sie einen neuen Typ von Magnetometern, welcher eine Spule mit nur einer Wicklung pro Sensorachse besitzt und in Übereinstimmung mit den Prinzipien des Flußausgleichs arbeitet.
• Ein Magnetometer ist ein Gerät zur Messung des Magnetfeldes und zur Bereitstellung eines mit der Feldstärke in Beziehung stehenden Signals. Magnetometer sind seit langem bekannt und werden für zahlreiche Anwendungen eingesetzt. Es gibt verschiedene Typen von Magnetometern, einschließlich solcher, die mechanisch und solcher, die elektrisch oder elektronisch arbeiten. Ein weitverbreiteter Typ eines elektronischen Magnetometers ist das sog. Luftspaltmagnetometer. Die Funktionsweise von Luftspaltmagnetometern beruht auf der Sättigung und Entsättigung eine Magnetkerns, um den eine Sensorwicklung vorgesehen ist. Die Sättigungs- und Entsättigungsoperation erfolgt mittels eines Treibersignals, welches an eine Treiberwicklung auf demselben Kern gelegt wird. Die Treiberwicklung bewirkt abwechselnd die Konzentration der Flußlinien durch die Sensorwicklung und ihre anschließende Freigabe. Diese Anordnung dient somit als Drosselung oder Ventil für den magnetischen Fluß. Ein externes Magnetfeld steht auf eine Weise in Wechselwirkung mit dem durch die Sensorwicklung erzeugten Magnetfeld, die durch elektronische mit der Sensorwicklung gekoppelte Schaltungen erkannt bzw. erfaßt werden kann. Das Ausgangssignal des Luftspaltmagnetometers ist eine Spannung, die sich linear proportional zum externen Magnetfeld verhält. Für den Fachmann ist es naheliegend, daß Kompasse in einfacher Weise mit Geräten, welche über diese Eigenschaften verfügen, aufgebaut werden können. Solche Kompasse sind z. B. in der Kraftfahrzeug-, Schiffs- und Luftfahrzeugnavigation nützlich.
• Bei Kompaßanwendungen werden im allgemeinen zwei oder mehr Magnetometer, mindestens eines je Achse, verwendet. Eine elektronische Schaltung verarbeitet die Informationen über Feldänderungen entlang der beiden orthogonalen Achsen, um daraus Zielinformationen abzuleiten. Man kann hier jede Achse getrennt betrachten, da die beiden Magnetometer normalerweise in Auslegung und Konstruktion identisch sind. Manchmal bedient man sich mehrerer als zwei Achsen, um den Rauschabstand der Messung zu verbessern oder um den magnetischen Inklinationswinkel zu erkennen.
• Frühere Magnetometer umfassen zwei oder mehr Spulenwicklungen und eine Anzahl elektronischer Schaltungen. Eine der Wicklungen wird von einem elektronischen Signal angesteuert, und mindestens eine der anderen Wicklungen erzeugt dann einen Ausgang, der nicht nur von dem Steuersignal abhängt, sondern auch von Flußänderungen innerhalb der angesteuerten und der Sensorwicklungen aufgrund der Reorientierungsbewegung dieser Wicklungen.
• Das am 12. August 1969 an Anderson erteilte U.S.-Patent Nr. 3,461,392 beschreibt z. B. ein Magnetometer mit einer Treiberschaltung, welche einen ersten Induktor abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen in Sättigung treibt. Der Ausgang der Treiberschaltung wird auch über eine Aufbereitungsschaltung an einen Integrator geliefert. Das Vorhandensein eines externen Magnetfeldes bewirkt ein Abweichen der Impulsdauer der Treiberschaltung von 50%. Der Integrator mittelt die Impulsdauer und erzeugt somit einen Ausgangsstrom, welcher vom externen Magnetfeld abhängt. Der mittlere Ausgangsstrom des Integrators wird an eine zweite Wicklung auf dem Kern geliefert, welche den mittleren Strom in der ersten Wicklung ausgleicht.
• In einem weiteren Patent, U.S.-Patentschrift Nr. 4,305,035, welches am 8. Dezember 1981 Dedina O. Mach et al. erteilt wurde (im folgenden Mach), wird ein Magnetometer beschrieben, bei welchem ein Integrator über einen Widerstand mit dem Induktor verbunden ist. Das Signal am Ausgang des Integrators steht zur Stärke des Magnetfeldes in Beziehung. Bei Mach werden zwei Spulen für die Erfassung entlang jeder Achse verwendet.
• Jedes Spulenpaar verfügt über seine eigene Elektronik und ist auf eigene kleine Streifen des Kernmaterials gewickelt, die Spulen sind in einer kardanischen Vorrichtung zur Verwendung als ein elektronischer Kompaß angeordnet. Eine der Spulen jedes Paares ist eine Treiberspule, an welche ein Steuersignal gelegt wird, bei der anderen Spule handelt es sich um eine Felderfassungsspule. Bei einer Zwei-Achsen- Kompaßanwendung erfaßt jede der Erfassungsspulen nur die Komponente des Magnetfeldes in einer Ebene, wobei ein Ausgang des Feld entlang der Achse einer der Spulen und der andere das Feld entlang der Achse der anderen Spule repräsentiert. Das an jede Treiberspule gelegt Steuersignal hat eine Rechteckwellenform, um den Spulenkern abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen in Sättigung zu bringen. Ein angelegtes Feld hat während einer Hälfte des Erregungszyklus einen additiven und während der anderen Hälfte des Zyklus einen subtraktiven Einfluß, was die Tendenz erzeugt, in der erfaßten Wellenform einen Netto-Gleichspannungspegel festzulegen. Diese Gleichspannungskomponente wird entfernt, und das hierzu erforderliche Signal dient zur Darstellung der anliegenden Feldstärke. Wie aus der Fig. 1 dieses Patents ersichtlich, sind in der dort dargestellten Ausführungsform nicht nur die obengenannten Mehrfachspulen, sondern auch (für jede Achse) sechs Operationsverstärker und zahlreiche zusätzliche Komponenten erforderlich.
• Ein Luftspaltmagnetometer mit drei Spulen und einer Treiberwicklung für die Erfassung bzw. Messung in zwei Achsen wird von KVH Industries, Inc., Middleton, Rhode Island, im Rahmen der Produktpalette KVH PC102 Erdinduktionskompasse und zugehöriger Produkte vermarktet. Entsprechend den KVH- Veröffentlichungen handelt es sich bei diesem Instrument um ein ringförmiges Luftspaltmagnetometer mit einem frei schwebenden Ringkern in der Mitte. Der Kern besteht aus einem Spulenkörper aus nichtrostendem Stahl, welcher mit Permalloy- (eingetragenes Warenzeichen) Band umwickelt ist. Dann wird ein Treiberfeld an den Kern gelegt, und die Wechselwirkung des externen Feldes mit dem Treiberfeld erzeugt eine asymmetrische Änderung des Kernflusses. Diese Änderung des Kernflusses wird von einer sekundären Wicklung über dem Kern der Spule erkannt, und das resultierende Signal wird dann verarbeitet.
• Die EP-A-0 065 589 beschreibt ein Magnetometer, welches eine um einen sättigbaren Kern gewickelte Spule und eine Schaltung zum Ansteuern der Spule mit einem Rechteckimpuls umfaßt. Das Vorhandensein eines externen Feldes ändert die Impulsdauer der über den Induktor induzierten Spannung proportional zur Stärke des externen Feldes. Das Gerät mißt dann die Differenz zwischen der Impulsdauer und einer Standard-Impulsdauer, um die Stärke des externen Feldes zu bestimmen.
• Andere Erdinduktionskompasse bzw. Luftspaltmagnetometer mit mehrfacher Wicklung sind beispielsweise in den U.S.-Patentschriften Nr. 3,899,834 und 4,277,751 beschrieben. Das U.S.-Patent 4,227,751 bedient sich eines Integrators zur arithmetischen Mittlung des die Treiberwicklung des Magnetometers durchfließenden Stroms. Der Ausgang des Integrators wird über einen Widerstand an den darin enthaltenen Induktor gelegt. Die Integratorkopplung stellt dem Induktor ein Signal zur Verfügung, das den von einem externen Magnetfeld verursachten mittleren Strom ausgleicht.
• Es gibt jedoch auch Anmeldungen für kleinere und weniger aufwendige bzw. teure Magnetfeldsensoren. Die obengenannte U.S.-Patentschrift Nr. 4,277,751 erwähnt beispielsweise einen Bedarf an Magnetometern mit verringerter Verlustleistung.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetometer bereit zustellen, das sich unter sehr viel niedrigeren Kosten herstellen läßt und das mit einer geringeren Anzahl von Spulenwicklungen und mit weniger Schaltungskomponenten arbeiten kann, als die dem Stand der Technik entsprechenden Magnetometer.
• Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Instrument zur Messung eines Magnetfeldes gemäß Anspruch 1 bereit.
• Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt ein Instrument zur Messung eines Magnetfeldes gemäß Anspruch 2 bereit.
• Des weiteren stellt die Erfindung ein Magnetometer gemäß Anspruch 7 bereit.
• Das die Erfindung verwirklichende Magnetometer erfordert nur eine einzige Spulenwicklung zur Erfassung des Magnetfeldes entlang einer Achse. Das Magnetometer nutzt ein sättigbares Kernmaterial hoher Permeabilität und verwendet eine Kraftausgleichs-Regelkreis. Die Form des Kerns hängt von der Anwendung ab; ein ringförmiger Kern kann zum Erfassen bzw. Messen des Stroms, während ein zylindrischer Kern zur Messung des Erdmagnetfeldes verwendet werden kann.
• Hinsichtlich der Funktion umfaßt das Magnetometer einen Oszillator, einen Integrator und eine spannungsgeregelte Stromquelle. Der Oszillator besitzt einen Sättigungsinduktor, welcher auch als das Magnetfeld-Sensorelement dient. Der Induktortrieb wechselt zwischen positiv und negativ wie folgt: Kurzzeitig wird eine positive Spannung an den Induktor gelegt, bis der Strom durch den Induktor einen Wert übersteigt, welcher anzeigt, daß der Kern gesättigt ist; in diesem Punkt schaltet die Spannung auf einen negativen Wert mit gleich großem Betrag um. Die negative Treiberspannung liegt an, bis der Strom durch den Induktor einen Wert übersteigt, welcher anzeigt, daß der Kern in der entgegengesetzten Richtung gesättigt ist, wobei zu diesem Zeitpunkt die Treiberspannung zurück zu einem positiven Wert schaltet. Ohne ein extern angelegtes Feld wird ein mittlerer Induktorstrom von Null erreicht. Ein extern angelegtes Feld bewirkt jedoch, daß der Kern leichter in eine Richtung und weniger leicht in die andere in Sättigung gebracht wird; dies resultiert in einer Änderung des mittleren Induktorstroms. Eine Abweichung der Impulsdauer der Treiberspannung vom Nennwert 50% ist eine Nebenwirkung des Induktorstroms ungleich Null. Zum Ausgleich der Änderung des mittleren Stroms ist ein Integrator vorgesehen. Die vom Integrator ausgegebene Ausgleichsspannung stellt außerdem das Ausgangssignal des Instruments bereit.
• Das die Erfindung verwirklichende Magnetometer zeichnet sich dadurch aus, daß es für jede Achse nur eine einzige Spulenwicklung benötigt, daß es sich des Ausgleichs bedient sowie durch die Architektur und Einfachheit der Elektronik mit der damit verbundenen geringen Leistungsaufnahme und niedrigen Herstellungskosten.
• Nunmehr werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf -die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
• Fig. 1 teils in Form eines Blockdiagramms und teils in Form eines Schaltschemas ein Flußausgleichs- Magnetometer;
• Fig. 2 eine idealisierte Darstellung einer typischen einfachen B-H-Kurve für ein sättigbares magnetisches Material;
• Fig. 3 beobachtete B-H-Kurven von drei magnetischen Materialien, die als Kernmaterial für den Induktor der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
• Fig. 4 ein Diagramm einer schrittweisen linearen Näherung einer repräsentativen B-H-Kurve, welches die Einflüsse eines extern angelegten Magnetfeldes darstellt;
• Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung des Einflusses eines angelegten Magnetfeldes auf die in der Berechnung des Nettoinduktorstroms verwendeten Flächen;
• Fig. 6 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetometers;
• Fig. 7 ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetometers; und
• Fig. 8 teils in Form eines Schaltschemas und teils in Form eines Blockdiagramms ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetometers, wobei eine Ausgleichstreiberspannung über eine Hilfswicklung an die Sensorwicklung gelegt wird.
• Nunmehr wird die Grundform des die vorliegende Erfindung verwirklichenden Flußausgleichs-Magnetometers unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und die im folgenden genannten Figuren hinsichtlich ihrer Funktionsweise detaillierter beschrieben.
• Die Fig. 1 zeigt nicht nur ein Blockschaltbild der Erfindung, sondern auch eine stark vereinfachte Verwirklichung bestimmter Blöcke. Kurz gesagt umfaßt ein Magnetometer 10 einen Oszillator 12, einen Integrator 14 und eine spannungsgeregelte Stromquelle 16. Ein Sättigungsinduktor 20 des Oszillators 12 bildet das auf ein Magnetfeld ansprechende Sensorelement.
• Die spannungsgeregelte Stromquelle 16 wird durch einen einzigen Widerstand 22 gebildet, welcher zwischen der Ausgangsleitung des Integrators 14 und einem Ende des Induktors 20 (wobei das andere Ende des Induktors 20 an Masse gelegt ist) eingeschaltet ist. Die variablen Spannung der Ausgangsleitung des Integrators wird also an die Stromquelle gelegt; diese Spannung entspricht dem integrierten Wert der Spannung in einem Knoten 21. Ein Komparator 24 steuert die Polarität der Treiberspannung zum Induktor (und somit zum Integrator). Der Komparator 24 empfängt an seiner nichtinvertierenden Eingangsleitung die Spannung über den Induktor 20; eine Referenzspannung wird an die invertierende Eingangsleitung des Komparators gelegt. Die Referenzspannung erhält man, indem man eine bipolare Spannungsquelle 26 (d. h. ein Paar gegensinnig geschaltete Zenerdioden) und einen Widerstand 28 in Reihe zwischen die Ausgangsleitung des Komparators und Masse schaltet, wobei der zuletzt genannte zwischen Masse und der bipolaren Spannungsquelle eingeschaltet ist. Die Referenzspannung ist die an einem Knoten 34 (dem Knotenpunkt zwischen dem Widerstand 28 und der Spannungsquelle 26) vorliegende Spannung. Die Ausgangsleitung des Komparators 24 ist außerdem mit dem Knotenpunkt der Stromquelle 16 (d. h. dem Widerstand 22) und dem Induktor 20 über einen Reihenwiderstand 32 verbunden.
• Im Betrieb wird an den Induktor 20 eine positive Treiberspannung gelegt, bis der Strom zum Induktor den Wert übersteigt, welcher anzeigt, daß der Induktorkern gesättigt ist (wobei dieser Wert durch die Referenzspannung im Knoten 34 festgelegt wird). Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Spannung in einem Knoten 33 nach Null, und ein Komparator 30 schaltet den Status um; damit ändert sich die Polarität der Treiberspannung an der Ausgangsleitung des Komparators. Der Komparator schaltet um, wenn die Spannung über den Widerstand 32 die Spannung über der Spannungsquelle 26 übersteigt. Bei Sättigung des Kerns in der Gegenrichtung findet eine ähnliche Umschaltaktion statt. Der die Kernsättigung anzeigende Wert des Stroms wird durch die bipolare Spannungsquelle 26 und den Widerstand 28 eingestellt. (Die bipolare Spannungsquelle kann durch einen Widerstand ersetzt werden, die Fehler würden jedoch zunehmen, da der Strom, bei dem der Komparator umschaltet, durch die Asymmetrie der Ausgangsspannung vom Komparator 24 und aufgrund der Tatsache, daß die Permeabilität des Induktors 20 bei Sättigung nicht Null ist, beeinflußt würde). Der Sättigungsschwellstrom wird also durch die Beziehung
• Ilim = Vz/R&sub3;&sub2;
• ausgedrückt, wobei Ilim den Sättigungsstrom, Vz den Betrag (ohne Vorzeichen) des Ausgangssignals der bipolaren Spannungsquelle (d. h. den begrenzten Hub des Ausgangs des Komparators 24) und R&sub3;&sub2; den Widerstand des Widerstands 32 bedeuten. Der Hubwert an der Ausgangsleitung des Komparators 24 wird durch den Komparator selbst eingestellt und kann eine Funktion der verwendeten Spannungsquellen sein. Jede Asymmetrie im Betrag des positiven und negativen Komparatorausgangssignalhubs verursacht einen Fehler zweiter Ordnung. Im Falle einer idealen Spannungsquelle 26 verschwindet dieser Fehler.
• Somit wird die Schwingungsfrequenz durch die Treiberspannung, den Stromgrenzwert und die Eigenschaften des Induktorkerns bestimmt. Die langfristige über die Zeit gemittelte Spannung muß, wie allgemein bekannt ist, Null sein. Dies bedeutet, daß der Strom durch den Induktor 20 bei unterbrochenem Regelkreis (d. h., es fließt kein Strom durch den Widerstand 22) gegeben ist als
• [IL] = [Vschalt.]/R&sub3;&sub2;
• wobei Vschalt. die Ausgangsspannung des Komparators und IL den Strom durch den Induktor 20 bezeichnen. Die eckigen Klammern [und] kennzeichnen den Mittelwert über eine relativ lange Zeit der bzw. des in eckigen Klammern enthaltenen Variablen bzw. Ausdrucks.
• Wie oben erwähnt, trägt ein extern angelegtes Magnetfeld zur Sättigung des Kerns in einer Richtung bei, während es die Sättigung in der anderen Richtung "behindert". Dies bewirkt, daß sich der mittlere Induktorstrom ändert und von Null abweicht. Wird der Regelkreis bei dem Widerstand 32 unterbrochen und ist der mittlere Induktorstrom ungleich Null, dann muß die mittlere Spannung über den Widerstand 32 anliegen. Bei Vorhandensein eines externen Feldes ist deshalb die an den Induktor 20 angelegte Treiberspannung als eine unmittelbare Folge der Tatsache, daß der Widerstand 32 einen Wert ungleich Null aufweist, in einer Zyklushälfte niedriger als in der anderen. Dies führt wiederum dazu, daß die Impulsdauer der Treiberspannung von den 50% abweicht.
• Da der über die Zeit gemittelte Spannungswert über den Induktor (i.e. [VL]) Null ist, kann der Knoten 33 am "oberen" (d. h. nicht geerdeten) Ende des Induktors 20 als Stromsummierknoten herangezogen werden; dies gestattet eine ähnliche Analyse wie diejenige für die Annahme einer "virtuellen Erde" am invertierenden Eingang der Operationsverstärkerschaltungen. Die Ausgangsleitung des Integrators 14 ist also mit einem ersten Ende des Widerstands 22 verbunden, während dessen anderes Ende mit dem Summierknoten 33 gekoppelt ist. Die anderen Anschlüsse am Knoten 33 sind die nicht invertierende Eingangsleitung des Komparators 24 (welche praktisch keinen Strom zieht) und ein Ende des Widerstands 32. Der Widerstand 22 arbeitet folglich wie eine spannungsgeregelte Stromquelle, und bei geschlossenem Regelkreis ersetzt der Integrator 14 den durch den Widerstand 32 fließenden mittleren Strom durch einen über den Widerstand 22 fließenden Gleichstrom.
• Unter der Annahme eines idealen Integrators wird der mittlere Strom durch den Widerstand 32 Null und der Oszillator kehrt zu einer Impulsdauer von 50% zurück. Der Strom durch den Widerstand 32 ist derjenige Strom, der durch die Induktorwindungen fließen muß, um das externe Feld aufzuheben. Das Ausmaß, in dem diese Operation von Idealzustand abweicht (d. h. der Umfang der Aufhebung), ist durch den endlichen Verstärkungsfaktor des verwirklichbaren Integrators begrenzt. Temperaturbedingte Änderungen der Kernpermeabilität z. B. beeinflussen den Strom durch den Widerstand 22 (in meßbarem Umfang) nicht. Ebensowenig ändern sie die Ausgangsspannung des Integrators.
• Die Ausgangsspannung des Integrators stellt das Ausgangssignal des Instruments am Knoten 36 dar. Die Welligkeit der Ausgangsspannung hängt von der Zeitkonstanten des Integrators und der Oszillatorfrequenz ab.
• Der in der Fig. 1 dargestellte Regelkreis ist vom Kraftausgleichstyp. Abgesehen davon, daß er die Einzelwicklungstopologie ermöglicht, linearisiert er auch das Ansprechverhalten auf Magnetfeldänderungen und erweitert den Eingangsbereich des Instruments.
• Hinsichtlich einer detaillierteren Erläuterung, wie das Anlegen eines externen Feldes die Funktionsweise des Oszillators beeinflußt, sei nunmehr auf eine in der Fig. 2 dargestellte einfache B-H-Kurve 50 verwiesen. Die y-Achse stellt hier die magnetische Flußdichte B dar, die in Voltsekunden pro Quadratmeter (Vs/m²) gemessen werden kann. Bei Betrachtung nur der Zone innerhalb der Windungen eines zylindrischen Induktors, nimmt die Flußdichte proportional zum Integral der angelegten Spannung zu:
• B = Vdt/A
• wobei A die Querschnittsfläche des Zylinders in Quadratmetern angibt. Die x-Achse stellt die Stärke H des Magentfeldes dar, die in A/m gemessen werden kann. In diesem Fall steht "Meter" für das Maß der "effektiven magnetischen Pfadlänge". Diese läßt sich am besten als Umfang eines ringförmigen Kerns mit kleinem Querschnitt verdeutlichen. Bei einem zylindrischen Kern verläuft ein Teil des Pfades im Kern und ein Teil in der umgebenden Luft. Die Feldstärke ist proportional zur Anzahl der Windungen im Induktor bei einem gegebenen Strom, da der Stromwert für alle Windungen identisch ist. Das bedeutet:
• H = ILNt/m
• wobei IL den Induktorstrom, Nt die Anzahl der Windungen und m die effektive Länge des Magnetpfades darstellen.
• Das Magnetometer reagiert empfindlich auf Hystereseeffekte im Induktorkern, so daß ein Kernmaterial mit geeigneten Hystereeigenschaften gewählt werden muß. Im allgemeinen gilt, daß je kleiner eine remanente Magnetisierung 52 des Kernmaterials ist, umso kleiner kann der hysteresebedingte Offset- bzw. Versatzstrom sein.
• Die Fig. 3 zeigt typische B-H-Kurven für verschiedene Kernmaterialien: Supermalloy - Kurve 54; Orthonol (eingetragenes Warenzeichen von Spang & Company, Butler, PA) - Kurve 56; und Silectron (eingetragenes Warenzeichen der Allegheny Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh, PA) - Kurve 58. Jedes Material ist gekennzeichnet durch seine Sättigungsflußdichte (Bsätt.), die Permeabilität (u) und die Form der B-H- Kurve (insbesondere die Form der "Ecken"). Das Supermalloy kann als "Material mit rechteckiger Hystereseschleife" und das Silectron als "Material mit runder Hystereseschleife" bezeichnet werden.
• Zur weiteren Vereinfachung der Erläuterung wird nunmehr eine Näherung für die B-H-Kurve betrachtet, wobei die Hysterese außer acht gelassen und ein schrittweises lineares Modell der Kurvenform herangezogen wird. Diese Näherung ist in der Fig. 4 dargestellt. Dort nimmt für Werte von H größer als HSätt. B mit einer Geschwindigkeit uSätt. Zu, welche ungleich Null und wesentlich kleiner als u ist. Die Permeabilität u kann definiert werden als BSätt./HSätt. Bei Vorhandensein eines externen Feldes Hext, wird sich der Oszillator so verhalten, als wäre eine B-H-Kurve 60 entlang der H-Achse aus dem Ursprung verschoben worden (z. B. in die Position einer Kurve 62). Diese Verschiebung ist gleich derjenigen, die durch eine zweite Wicklung mit einem konstanten Strom oder durch eine zur Einzelwicklung parallel geschalteten Stromquelle entstünde. Dies resultiert in einer asymmetrischen Stromwellenform IL(t).
• Anhand der Fig. 5 kann auch eine graphische Erläuterung dargestellt und diskutiert werden. Unter der Annahme, daß R&sub3;&sub2; klein und die Permeabilität bei Sättigung Null ist, wandert der "Betriebspunkt" mit konstanter Geschwindigkeit zwischen -Blim und +Blim entlang der B-Achse, wobei er in den Stromgrenzwerten oder "Ecken" die Richtung sowie das Vorzeichen der Spannung V wechselt, da die Permeabilität Null ist. Bei Vorhandensein eines externen Magnetfeldes verbleibt der Betriebspunkt länger auf einer Seite der B-Achse als auf der anderen; die zur Berechnung des Netto-Induktorstroms herangezogenen resultierenden Flächen (d. h. q und r in der Fig. 5) sind deshalb ungleich. Dies bedeutet, daß der Mittelwert des Induktorstroms dem durch das angelegte Feld induzierten Strom exakt gleich und entgegengerichtet ist.
• Ein anderes Denkmodell hinsichtlich der Funktionsweise geht davon aus, daß der Betriebspunkt des Oszillators "gemittelt" und als einzelner Punkt auf der B-H-Kurve dargestellt werden kann. Da die scheinbare B-H-Kurve des Kerns für alle Werte von Hext symmetrisch zur H-Achse verläuft, wird der mittlere B-Wert stets Null sein. Dies besagt dasselbe wie die frühere Aussage, daß die über die Zeit gemittelte Spannung über den Induktor Null ist. Das "mittlere" H wird gleich Hext mit umgekehrten Vorzeichen sein. Die Sättigungs-"Knicke" oder -"Ecken" können als Möglichkeit gesehen werden, die Konstante C des Integrals rückzusetzen
• indem man B zwangsweise auf einen bekannten Wert BSätt. setzt. Es ist zu beachten, daß sich die Empfindlichkeit von Bsätt. auf Änderungen der Stromgrenzwerte umgekehrt proportional zu uSätt. verhält.
• Der mittlere Induktorstrom über einen halben Zyklus beträgt
• Dauer
• was der Summe der beiden Flächen q und r in der Fig. 5 entspricht.
• dt = Fläche r - Fläche q
• Die Fig. 6 zeigt ein vollständiges Schaltschema einer einfachen Ausführungsform der Erfindung, in der die Werte aller Komponenten eingetragen sind. Verstärker 24 und 72 können beliebig viele handelsübliche Operationsverstärker auf demselben Substrat und im selben Gehäuse darstellen, wodurch Kosten und Größe auf einem Minimum gehalten werden. Der Integrator wird durch einen üblichen den Schaltungsdesignern hinreichend bekannten Typ einer nicht invertierenden Integratorschaltung bereitgestellt. Zenerdioden 26A und 26B der Spannungsquelle 26 sind für eine Zener-Nennspannung von 6,2 V ausgelegt. Ein Kondensator 82 dient dazu, die Schwingung zu gewährleisten, indem er verhindert, daß der Komparator in einem stabilen Zustand blockiert, in welchem sowohl seine Eingangssignale als auch sein Ausgangssignal auf Null liegen; mit dem zusätzlichen Kondensator 84 werden nicht beide Eingänge gleichzeitig nach Null gehen, wenn der Komparatorausgang durch Null schaltet. Mit einem solchen Instrument ist eine Ansprechempfindlichkeit von etwa 1000 Vs/m² beobachtet worden.
• Eine geringfügig komplexere Ausführung ist in der Fig. 7 dargestellt. Dort ist das Element 24 tatsächlich ein echter Spannungskomparator anstelle eine üblichen Operationsverstärkers. Die zuvor in der bipolaren Spannungsquelle 26 dargestellten Zenerdioden sind durch einen Widerstand 92 ersetzt worden. Es ist zu beachten, daß die erste Stufe des Integrators (d. h. ein Element 94 und seine zugehörigen Komponenten) den Ausgang relativ zu seinem Eingang invertiert und daß die zweite Stufe des Integrators (d. h. ein Element 106 und seine zugehörigen Komponenten) reinvertiert, um eine korrekte Phasenlage des Integratorausgangs zu erhalten. Der Induktor umfaßt ca. 50 Drahtwindungen auf einem Ringkern, Modell 50086-2F von Magnetics, Inc., Butler, PA. Es ist zu beachten, daß durch die inhärente Hysterese des Komparators die Notwendigkeit für den Kondensator 84 entfällt.
• Zum Abschluß der Beschreibung der Erfindung und zahlreicher ihrer Ausführungsbeispiele, sei noch erwähnt, daß verschiedene Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen, die hierin nicht ausdrücklich angegeben sind, möglich sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert, zu verlassen. Wie z. B. die Fig. 8 zeigt, könnte ein Ausgleichsstrom durch eine Schaltung 110 geliefert werden, welche (direkt oder indirekt) die Abweichung des Induktorstroms von Null erfaßt und eine Ausgleichstreiberspannung über eine andere (Hilfs)- Wicklung 112 anstatt über den Widerstand 22 bereitstellt.
• Die obige Erläuterung verfolgt also nur eine erklärende und nicht eine einschränkende Absicht.

Claims (10)

1. Instrument zum Messen eines Magnetfeldes, mit einem Induktor, der eine um einen Kern aus einem in Sättigung bringbaren Werkstoff gewickelte Spule (29) umfaßt, wobei der Induktor erste und zweite Leitungen aufweist, dabei die genannte erste Leitung an Masse angeschlossen ist; einer Spannungsquelle (24) mit einem Ausgangssignal, das zwischen einer ersten, positiven Spannung und einer zweiten, negativen Spannung umschaltbar ist, wobei die erste und die zweite Spannung von im wesentlichen gleicher Größe sind; einem ersten Widerstand (32), wobei dieser erste Widerstand mit einer ersten Leitung an die Ausgangsleitung der Spannungsquelle angeschlossen ist;

einem Integrator (14) mit einer Eingangsleitung und einer Ausgangsleitung; einem zweiten Widerstand (22), wobei dieser zweite Widerstand mit einer ersten Leitung an die Ausgangsleitung des Integrators angeschlossen ist; einer Einrichtung (26) zur Bereitstellung einer auf das Ausgangssignal der Spannungsquelle ansprechenden Referenzspannung; wobei das Instrument das Ausgangssignal am Induktor als ein für die vom Induktor festgestellte Stärke des Magnetfeldes repräsentatives Signal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor eine einzige Spule (20) aufweist und das Ausgangssignal der Spannungsquelle in Abhängigkeit von einer Steuerbedingung umgeschaltet wird, wobei die genannte Steuerbedingung eine Differenz zwischen der Amplitude der Referenzspannung und der Amplitude der Spannung am Induktor ist, dabei die genannte Differenz Kernsättigung angibt,

der erste und der zweite Widerstand (32, 22) je eine zweite Leitung aufweisen, die an die genannte zweite Leitung des genannten Induktors angeschlossen ist, und

die Eingangsleitung des Integrators (14) mit der Ausgangsleitung der Spannungsquelle (24) verbunden ist.

2. Instrument zum Messen eines Magnetfeldes, mit einem Oszillator (10), der als sein Hauptbauteil einen Induktor (20) mit in Sättigung bringbarem Kern verwendet, welcher potentielle Energie zu speichern vermag und eine an Masse angeschlossene erste Leitung und eine zweite Leitung aufweist; einem Integrator (14) mit einer Eingangsleitung und einer Ausgangsleitung und der an dieser Ausgangsleitung ein Signal bereitstellt, das im wesentlichen das Integral der an die Eingangsleitung angelegten Spannung darstellt; einer Einrichtung (22 oder 110) zum Anlegen eines sich mit dem Signal an der Ausgangsleitung des Integrators (14) verändernden Stroms an die zweite Leitung des Induktors, wodurch das Signal an der Ausgangsleitung des Integrators in direkter Beziehung mit der Stärke des am Induktor bestehenden Magnetfeldes steht, wobei der Oszillator eine Spannungsquelle (24) aufweist, gekennzeichnet durch:

eine Einrichtung (26), die das Umschalten des Ausgangssignals der Spannungsquelle

- von einer ersten, positiven Spannung auf eine zweite, negative Spannung in Abhängigkeit von der Sättigung des Induktorkerns in einer Richtung und

- von der zweiten, negativen Spannung auf die erste, positive Spannung in Abhängigkeit von der Sättigung des Induktorkerns in der entgegengesetzten Richtung bewirkt, und

bei dem die Eingangsleitung des Integrators mit der Ausgangsleitung der Spannungsquelle (24) verbunden ist.

3. Instrument nach Anspruch 2, bei dem die Einrichtung zum Anlegen eines sich mit dem Signal an der Ausgangsleitung des Integrators (14) verändernden Stroms an den Induktor eine spannungsgesteuerte Stromquelle (22) umfaßt.

4. Instrument nach Anspruch 3, bei dem die spannungsgesteuerte Stromquelle ein Widerstand (22) ist, der zwischen die Ausgangsleitung des Integrators (14) und den Induktor (20) geschaltet ist.

5. Instrument nach Anspruch 2, ferner mit einer zweiten Wicklung (112) am Kern, und bei dem die Einrichtung zum Anlegen eines sich mit dem Signal an der Ausgangsleitung des Integrators ändernden Stroms an den Induktor eine Einrichtung (110) umfaßt, die zum Ansteuern der zweiten Wicklung auf den Ausgang des Integrators (14) anspricht.

6. Instrument nach Anspruch 2, bei dem die Einrichtung, welche das Umschalten des Signals an der Ausgangsleitung der Spannungsquelle (24) bewirkt,

- einen Widerstand (32), der zwischen den Ausgang der Spannungsquelle und die genannte zweite Leitung des Induktors geschaltet ist, und

- eine Einrichtung zur Erfassung einer auf eine Sättigung des Induktorkerns hinweisenden Spannungsänderung auf der genannten zweiten Leitung des Induktors umfaßt.

7. Magnetometer mit, als seinem Hauptbauteil, einem Induktor zum Speichern von potentieller Energie, der eine um ein in Sättigung bringbaren Kernwerkstoff gewickelte Wicklung (20) umfaßt; einer ersten Leitung der Induktorwicklung, die an Masse angeschlossen ist; einem ersten Widerstand (32), der durch eine zweite Leitung mit einer zweiten Leitung der Induktorwicklung verbunden ist; einem Integrator (14) mit einer Eingangsleitung und einer Ausgangsleitung; und einer betriebsmäßig zwischen die Ausgangsleitung des Integrators und die zweite Leitung des Induktors geschalteten Einrichtung (22 oder 110) zum Zuführen an den Induktor eines Signals zum Ausgleichen von durch ein äußeres Magnetfeld verursachten Änderungen des durchschnittlichen Induktorstroms, wobei das Ausgangssignal des Magnetometers auf der Ausgangsleitung des Integrators (14) erscheint, gekennzeichnet durch

- den Umstand, daß der Induktor eine einzelne Wicklung (20) aufweist,

- einen Vergleicher (24) mit einer invertierenden Eingangsleitung, einer nicht invertierenden Eingangsleitung und einer Ausgangsleitung, wobei die Ausgangsleitung des Vergleichers (24) mit der ersten Leitung des ersten Widerstands (32) verbunden ist,

- den Umstand, daß die nicht invertierende Eingangsleitung des Vergleichers mit der zweiten Leitung der Induktorwicklung (20) verbunden ist,

- eine mit der Ausgangsleitung des Vergleichers (24) verbundene Einrichtung (26) zum Herstellen einer vom Signal an der Ausgangsleitung des Vergleichers abgeleiteten Referenzspannung,

- den Umstand, daß die invertierende Eingangsleitung des Vergleichers in der Weise angeschlossen ist, daß sie die genannte Referenzspannung empfängt,

- den Umstand, daß die Eingangsleitung des Integrators mit der Ausgangsleitung des Vergleichers verbunden ist, und

- den Umstand, daß die Ausgangsleitung des Vergleichers (24) ein Ausgangssignal bereitstellt, das von einer ersten, positiven Spannung in eine zweite, negative Spannung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Amplitude der Referenzspannung und der Amplitude der Spannung am Induktor umschaltet.

8. Magnetometer nach Anspruch 7, bei dem die Einrichtung zum Zuführen eines Signals zum Ausgleichen von Änderungen des durchschnittlichen Induktorstroms an den Induktor einen zweiten Widerstand (22) umfaßt, der betriebsmäßig zwischen die Ausgangsleitung des Integrators und die zweite Leitung der Induktorwicklung geschaltet ist.

9. Magnetometer nach Anspruch 7, bei dem die Einrichtung zum Zuführen eines Signals zum Ausgleichen von Änderungen des durchschnittlichen Induktorstroms an den Induktor eine Ausgleichswicklung (112) am Kern und eine auf das Ausgangssignal des Integrators ansprechende Einrichtung (110) zum Ansteuern der Ausgleichswicklung umfaßt.

10. Magnetometer nach Anspruch 7, bei dem die Einrichtung zum Herstellen einer Referenzspannung umfaßt:

- ein Paar in Serie gegeneinander geschaltete Zener-Dioden (26), wobei eine Leitung des Paares mit der Ausgangsleitung des Vergleichers verbunden ist, und

- einen zwischen die andere Leitung des Zener-Dioden-Paares und Masse geschalteten dritten Widerstand (28) wobei die invertierende Eingangsleitung des Vergleichers mit der Verbindungsstelle (34) des dritten Widerstandes mit dem Zener-Dioden-Paar verbunden ist.