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Vorrichtung zur Untersuchung und Messung magnetischer Felder Vorrichtungen
zum Messen magnetischer Felder" insbesondere des erdmagnetischen Feldes und seiner
Änderungen, bei denen der in einem rotierenden Anker bzw. einer rotierenden Spule
induzierte Strom durch Kompensation auf Null gebracht wird und der' Kompensationsstrom
ein Maß für die zu messende Intensität des Erdfeldes abgibt, sind bereits bekannt.
Ferner ist es bereits vorgeschlagen worden, in vorzugsweise senkrecht zueinander
stehenden Spulen durch Kompensationsströme die Komponenten des erdmagnetischen Feldes
zu messen oder durch geeignete Einstellung der Achse des Rotationsankers Vertikal-
und Horizontalintensität sowie Inklination zu erhalten. Nach diesem bekannten Verfahren
muß jedoch die Umdrehungsachse der rotierenden Spule nacheinander drei ver= schiedene
Richtungen im Raum erhalten, deren Lage durch Gradeinteilungen festgestellt wird,
die vorzugsweise senkrecht zueinander stehen. Aus den nach drei verschiedenen Richtungen
hin gemessenen absoluten Feldstärkenkomponenteri wird dann die Richtung und Größe
der Feldstärke selbst berechnet.
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Diese allgemein bekannten Anordnungen genügen jedoch nicht allen Anforderungen,
da die Zeitspanne zwischen den einzelnen Messungen zu groß ist. Beim Vermessen von
Gebieten magnetischer Störungen, z. B. von schnell fahrenden Schiffen oder von Luftfahrzeugen
aus, ist aber ein schnelles Vermessen erforderlich, da hier ein sehr schneller Ortswechsel
stattfindet. Derartige Messungen von schnell fahrenden Luftfahrzeugen aus konnten
bisher nicht vorgenommen werden. Hervorzuheben ist auch noch, daß die Verwendungsmöglichkeit
derartiger Apparate für wissenschaftliche Zwecke (Observatorien usw.) erheblich
erweitert ist, da nunmehr derartige Messungen auch in der Nähe des Nordpols oder
des Südpols vorgenommen werden können, wozu die bisherigen Apparate unzureichend
waren.
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Gemäß der Erfindung wird das erstrebte Ziel dadurch erreicht, daß
der Rotationsanker als Gleichstromanker mit" paarweise den feststehenden Spulen
zugeordneten Bürsten ausgebildet ist. Als feststehende Spulen sind Kompensationsspulen
vorgesehen, die elektrisch derartig miteinander verbunden sind, daß durch einfaches
Umschalten eines mehrpoligen Um-. schalters ohne Ortsänderung der Gesamtapparatur.und
ohne Verstellung einzelner Teile der Vorrichtung die einzelnen Komponenten des Erdmagnetfeldes
in schneller Aufeinanderfolge festgestellt und abgelesen werden können. Erfindungsgemäß
kann die Messung der Vertikal-und Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes auch
zeitlich gleichzeitig vorgenommen werden. In einem solchen Falle müssen zwei voneinander
getrennte Rotationsanker verwendet werden. Diese müssen auf einer gemeinsamen Rotationsachse
angeordnet und jedem Anker je ein Paar Kompensationsspulen zugeordnet sein. Der
eine Rotationsanker dient dann zum Messen der Vertikal- und der andere zur Feststellung
der Horizontalintensität. Man
kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung
auch noch weiter vereinfachen, indem man die Anker zum Messen der Vertikal- und
Horizontalkomponente zu einem Anker vereinigt. Es müssen dann auf dem Anker in an
sich bekannter Weise zwei voneinander getrennte Wicklungsgruppen mit an diese angeschlossenen
Kollektoren vorgesehen sein. Mit diesen beiden letzten Anordnungen ist es auch möglich,
durch Einschaltung eines Inklinationsinstrumentes die Inklinätion, anstatt bisher
aus den gegebenen Komponentwerten zu ermitteln, direkt abzulesen. Zur Bestimmung
der Inklination müssen die der Horizontal- und Vertikalkomponente des erdmagnetischen
Feldes entsprechenden Ströme je einem von zwei senkrecht zueinander angeordneten
Spulensystemen gleichzeitig zugeführt werden, so daß eine innerhalb der Spulensysteme
zentrisch angeordnete Magnetnadel, die in bekannter Weise mittels eines Zeigers
vor einer Skala spielt, als Resultierende der den Magnetfeldkomponenten entsprechenden
Ströme die Inklination anzeigt.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt,
und zwar zeigt Abb. i die Meßschaltung bei Verwendung eines mehrpoligen Umschalters,
Abb. 2 die Meßschaltung bei Verwendung von zwei voneinander getrennten Ankern, Abb.
3 die Vereinigung der beiden Anker zu einem Anker sowie die Anordnung des Inklin
ationsinstruments, Abb. 4. das Inklinationsinstrument selbst und Abb. 5 die Anordnung
der Drahtschleife zum magnetischen Feld.
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In Abb. i ist mit a ein Rotationsanker bezeichnet, auf dessen Kollektor
b vier zueinander senkrecht stehende Bürsten c, d, e, f schleifen, von denen
je zwei gegenüberliegende Bürsten zu einer Meßstromabnahme gehören. Der Rotationsanker
a wird umfaßt von zwei Paar Spulen g, h und i., k. Weiter gehören zu der
Anordnung ein mehrpoliger Umschalter 1, ein Meßinstrument m (Nullinstrument) für
den Ankerstrom, ein Amperemeter -n zum Messen des Stromes in den Spulen g, h, i,
k, ein veränderlicher Widerstand o und eine Batterie P.
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Die Wirkungsweise des Apparates in Abb. i ist folgende: Beim Messen
der Horizontalkomponente des Erdfeldes steht der Schalter 1, wie in Abb. i dargestellt,
auf rechts. Ein von der Batterie gelieferter und durch den Widerstand o veränderlicher
Strom fließt im Stromkreise p, o, ?z, Schalter 1 rechts, g; k, nach
P zurück. Das Magnetfeld der beiden Kompensationsspulen g und h muß hierbei gleichgerichtet
und der Horizontalkomponente des Erdfeldes entgegengesetzt gerichtet sein. Das Nullinstrument
in wird im allgemeinen einen Ankerstrom in der einen oder anderen Richtung anzeigen,
je nachdem ob das Horizontalfeld des Erdmagnetismus oder das durch die Spulen g
und k erzeugte Kompensationsfeld an Stärke überwiegt. Zeigt das Nullinstrument in
den Wert Null an, so ist das Horizontalfeld durch die Felder der Spulen g und lt
kompensiert, und das Amperemeter n zeigt einen Stromwert an, der ein Maß für die
Größe des Kompensationsfeldes und somit der Horizontalkomponente des Erdfeldes darstellt.
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Beim Messen der Vertikalkomponente des Erdfeldes muß der in Abb. i
dargestellte Schalter l nach links gelegt sein. Der jetzt durch die Spulen
i und k fließende Strom wird so einreguliert, daß die Felder dieser
Spulen die Vertikalkomponente des Erdfeldes kompensieren. Im übrigen ist die Ablesung
und Auswertung der Messung so, wie im vorstehenden Abschnitt geschildert.
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Mit dieser Ausführungsform sind noch nicht alle Ausführungsformen
des Erfindungsgegenstandes erschöpft. Wenn auch die Zeitspanne zwischen den beiden
Messungen schon sehr gering ist, so ist es zwecks Vermeidung von Meßfehlern doch
erforderlich, daß beide Messungen zeitlich gleichzeitig vorgenommen werden. Das
kann einmal geschehen durch Anwendung von zwei Meßankern, von denen der eine nur
für Horizontal- und der andere nur für Vertikalmessungen bestimmt ist, wie Abb.
2 zeigt (in der die Bezugszeichen denen der Abb. i entsprechen), und das andere
Mal durch eine Anordnung, die in Abb. 3 .dargestellt und im nachstehenden näher
beschrieben ist.
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Ein Anker i trägt zwei voneinander getrennte Wicklungsgruppen, von
denen die eine mit dem Kollektor 2, die andere mit dem Kollektor 3 verbunden ist.
Die Bürsten q. und 5 sind mit dem Nullinstrument 6, die Bürsten 7 und 8 mit dem
Nullinstrument 9 verbunden. Der Anker i ist von zwei senkrecht zueinander stehenden
Spulenpaaren io, ii und r2, i3: umgeben. Außerdem sind noch vorhanden zwei Amperemeter
14 und 15, ein Instrument 16 zum Messen des Inklinationswinkels, eine Batterie 17
und zwei regulierbare Widerstände 18 und icl: Die Wirkungsweise dieses Apparates
ist folgende i. Vertikalmessung. Der von der Batterie 17 gelieferte und durch den
Widerstand i9 regulierbare Strom fließt durch die beiden Spulen io und ii und wird
am Amperemeter =4. angezeigt und gemessen. Die durch die Spulen io und ii erzeugten
magnetischen Felder sind einander gleichgerichtet und der Vertikalkomponente des
Erdfeldes entgegengerichtet, Ist dieses Kompensationsfeld gleich dem Vertikalfeld,
so ist der im Instrument 6 angezeigte Ankerstrom gleich Null. Aus der Angabe des
Amperemeters 1q. ist die Größe des Kompensationsfeldes und damit des Vertikalfeldes
zu bestimmen.
2. Horizontalmessung. Diese geschieht in derselben
Weise wie die Vertikalmessung, und zwar mit dieser gleichzeitig. Die Größe des Horizontalfeldes
wird bestimmt durch den Ausschlag des Amperemeters 15, wenn das Nullinstrument 9
Null-anzeigt.
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3. Messung der Inklination. Das Inklinationsgerät 16 (Abb. 3) besteht
aus zwei elektrisch und magnetisch gleichen Spulenpaaren 2o,° 2,1 und 22, 23 (Abb.
4). In der Mitte dieses Spulensystems ist eine kleine Magnetnadel 24 leicht beweglich
angeordnet, die mit einem Zeiger 25 verbünden ist, der durch die verstellbaren Gegengewichte
26,26 im Gleichgewicht gehalten wird und über. einer in Grad geteilten Skala
27 spielt. Der in dem Instrument 14 angezeigte Strom erzeugt in den Spulen 2o, 21
ein Vertikalfeld, dessen Richtung entgegengesetzt der Richtung des Kompensationsfeldes
ist. Der in dem Instrument 15 angezeigte Strom erzeugt dagegen in den Spulen 22,
23 ein Horizontalfeld, dessen Richtung ebenfalls entgegengesetzt der Richtung des
Kompensationsfeldes ist. Da die Spulenpaare elektrisch und magnetisch gleich sind,
ist das Verhältnis der Teilfelder zueinander dasselbe wie das der Kompensationsfelder
zueinander. Die Richtung des resultierenden Feldes hat demnach gegen die Horizontale
dieselbe Neigung wie die der Totalintensität gegen die Horizontale (Inklination).
Die Magnetnadel stellt sich in Richtung des Gesamtfeldes ein und zeigt so den Inklinationswinkel
an. Da die Spulenfelder im Gegensatz zum Erdfeld sehr stark sind, hat das Erdfeld
keinen praktischen Einfluß auf die Lage des Zeigers, so daß man das- Inklinationsinstrument
in jeder Lage verwenden kann. Zur weiteren Klärung der Wirkungsweise dient die Abb.5.
In ihr ist mit 28, 29, 30, 31 die in einfacher Ausführung aus einer Drahtschleife
bestehende Ankerwicklung bezeichnet, die mit den Kollektorhälften 32,33 verbunden
ist. Die vier senkrecht zueinander angeordneten Bürsten sind mit 34, 35. 36, 37
bezeichnet. Die zugehörigen Bürsten sind mit je einem Gleichstrominstrument 38,
39 verbunden, und zwar die Bürsten 34, 35 mit dem Instrument 38 und die Bürsten
36, 37 mit dem Instrument 39.
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Die Wirkungsweise ist folgende Rotiert die Stromschleife 28, 29, 30;
31 in einem Magnetfeld, beispielsweise in dem Vertikalfeld Z, so entsteht in der
genannten Schleife eine Wechselspannung. In der gezeichneten Lage - der Spule ist
die Wechselspannung gleich Null. Bei einer Drehung der Spule um 9o ° würde die Spule
ihren Maximalwert erreicht haben. Um einen Gleichstrom zu bekommen, wird der Wechselstrom
durch den Kollektor 32, 33 gleichgerichtet. Die Gleichrichtung muß jedesmal dann
erfolgen, wenn die Wechselspannung durch Null geht. Dieser Voraussetzung entspricht
das Bürstenpaar 34, 35. Das Instrument 38 mißt also die Gleichstromspannung, die
in der Schleife 28, 29, 30, 3= durch das Feld Z erzeugt wird. Das Bürstenpaar 36,
37 gestattet keine Stromabnahme, da es gegenüber dem Bürstenpaar 34, 35 um 9o °
versetzt ist. Die Stromwendung geschieht also im Maximalwert der Wechselspannung
und ergibt im Meßinstrument 39 den Wert Null.
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Tritt nun an Stelle des Vertikalfeldes Z das Horizontalfeld H, so
zeigt das Instrument 39 einen Strom an, der proportional der Feldstärke des H-Feldes
ist. Dann zeigt das Meßinstrument 38 den Wert Null an.
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Wirken beide Felder gleichzeitig, so gibt jedes Instrument, 38 sowie
39, die Stärke des zugehörigen Feldes an.
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An Stelle der obenerwähnten Stromschleife 28, 29, 30, 3 1 kann
zur Verstärkung der Wirkung selbstverständlich auch jeder andere Gleichstromanker
verwendet werden.
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Ferner kann sinngemäß bei einer,-Kompensation, -beispielsweise bei
der Kompensation des Feldes Z nur das Gleichstrominstrument 38 beeinflußt werden,
während bei der Kompensation des Feldes H nur das Gleichstrominstrument 39 beeinflußt
werden kann.
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Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, kann man also bei Ostwestrichtung
der Ankerachse gleichzeitig das Z- und das H-Feld messen, und zwar in schneller
Aufeinanderfolge und ohne Verdrehung oder Verlagerung der Vorrichtung bzw. einzelner
Teile derselben.