DE60202153T2 - Magnetometer mit strukturasymmetriekorrektur - Google Patents

Description

• Der Gegenstand dieser Erfindung ist ein Magnetometer, dessen Struktur-Asymmetrien korrigiert werden.
• Die Magnetometer des Typs Magnetfeldsonde bzw. "Fluxgate" mit Differentialstruktur (zum Beispiel beschrieben in US 3 731 752 A ) umfassen einen Magnetkern, wenigstens eine aktive Spule und eine Empfangsspule, die zwei Wicklungen umfasst, die in Serie so um den Kern herum angeordnet sind, dass das durch einen Erregungsstrom in der aktiven Spule erzeugte Magnetfeld in den Wicklungen der Empfangsspule entgegengesetzte Induktionen erzeugt und induzierte Ströme, die sich aufheben, da auch sie entgegengesetzt sind. Sie reagieren dann auf Umgebungsmagnetfelder durch einen Induktionsstrom mit einer Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die Erregungsfrequenz, sofern der Erregungsstrom der aktiven Spulen ausreichend groß ist. Die so an den Anschlüssen der Empfangsspule induzierte Spannung wird durch Messeinrichtungen erfasst und gemessen.
• Diese Magnetometer weisen einen systematischen Fehler auf (Messfehler, nachweisbar im Nullfeld), der von einem Gerät zum andern variiert, was ihre Genauigkeit beeinträchtigt und ihre Einsatzmöglichkeiten bei den Anwendungen zur Messung kontinuierlicher Felder begrenzt. Zudem entwickelt sich dieser systematische Fehler bei einem bestimmten Magnetometer zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur.
• Einer der Beiträge zu diesem systematischen Fehler ist im Falle der Differentialstruktur der an den Anschlüssen der Empfangsspulen aufgrund der Asymmetrie zwischen den beiden Mess- oder Erregungszweigen vorhandene Erregungsfrequenz-Rest. Wenn das Magnetometer dann im Feldkompensationsmodus arbeitet (klassische geschlossene Schleifenkonfiguration, die insbesondere eine Ausdehnung der Linearität ermöglicht), hat dies die Wirkung, in den beiden Zweigen des Magnetkreises eine synchrone Komponente der Erregungsfrequenz einzuführen, aber phasenverschoben in Bezug auf diese Letztere.
• Asymmetrien des Magnetometers resultieren aus Ungleichmäßigkeiten des Durchmessers des Drahts oder der Windungen – ja sogar der Anzahl der Windungen – zwischen den Wicklungen der Empfangsspule, oder auch ihren relativen Positionen gegenüber der Erregungsspulen, was die gegenseitige Induktion zwischen der Erregungs- und der induktionsspule beeinflusst.
• Man hat folglich versucht, das Gleichgewicht des Magnetometers durch eine in eine perfektionierte Detektionsschaltung integrierte Vorrichtung wiederherzustellen, welche die Nichtnull-Induktion bei der Erregungsfrequenz und die dann produzierten bzw. gemachten Messungen korrigiert. Die Erfindung betrifft also ein Magnetometer mit einem Magnetkern, wenigstens einer aktiven Wicklung und einer Empfangsspule – wobei die aktive Wicklung so konzipiert bzw. angeordnet ist, dass sie in dem Kern ein Erregungsmagnetfeld erzeugt und die Empfangsspule zwei Wicklungen hat – sowie Einrichtungen zum Einspeisen eines Wechselstroms mit einer Erregungsfrequenz in die aktive Spule und Messeinrichtungen einer in die Empfangsspule induzierten Spannung, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen einen Detektor einer zu der Erregungsfrequenz der induzierten Spannung synchronen Komponente, eine Schaltung mit zwei Schleifen, von denen jede eine Wicklung der Empfangsspule enthält, einen Summierer von Partialspannungen an den Anschlüssen der beiden Schleifen und eine von dem genannten Detektor abhängige Korrektureinrichtung von einer der genannten Partialspannungen umfassen.
• Außer der Reduzierung des systematischen Fehlers, was eine stabile Messung im Nullfeld sogar bei variabler Temperatur ermöglicht, erhält man größere Bandbreiten bzw. Durchlassbereiche.
• Die Korrekturvorrichtung kann ein variabler Widerstand sein.
• Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den folgenden Figuren vollständig beschrieben:
• die 1 ist eine Darstellung eines Differentialmagnetometers,
• und die 2 zeigt die komplette erfindungsgemäße Messschaltung.
• Das Differentialmagnetometer der 1 ist das am häufigsten benutzte und umfasst einen Magnetkern 1 mit wenigstens zwei Hauptzweigen 2 und 3. Drei Spulen sind um den Kern 1 herumgewickelt, nämlich zwei aktive Spulen 4 und 5 mit jeweils zwei Wicklungen 6, 7 beziehungsweise 8, 9 um die Zweige 2 beziehungsweise 3 herum, und eine Empfangsspule 10, gebildet durch zwei Wicklungen 11 und 12, auch um die Zweige 2 beziehungsweise 3 herum. Die aktiven Spulen 4 und 5 sind so verbunden bzw. geschaltet, dass das Erregungsmagnetfeld in Umkehrrichtung in den beiden Hauptzweigen 2 und 3 umläuft, in einem in einer Erregungsvorrichtung 13 endenden Kreis, und die Empfangsspule ist mit den Anschlüssen einer Messvorrichtung 14 verbunden.
• Die Wicklungen 6 und 8 sind in einer selben Richtung um den Zweig 2 herum ausgebildet und die Wicklungen 7 und 9 in Gegenrichtung um den anderen Zweig 3 herum, so dass ein Magnetfeld B erzeugt wird, das in dem Magnetkern umläuft, wenn dieser geschlossen ist, wie dies hier der Fall ist, wo zwei kurze Zweige des Magnetkerns 1 die Hauptzweige 2 und 3 verbinden. Der Magnetkern 1 könnte jedoch offen sein.
• Die Erregungseinrichtungen sind fähig, einen Erregungsstrom mit einer bestimmten Frequenz zu liefern, und können einen Oszillator, eine Frequenzhalbiereinrichtung, einen Rechteckwellen-Sägezahlwellen-Umformer und einen Spannungs-Strom-Wandler umfassen. Die Messeinrichtungen 14 umfassen einen Vorverstärker, der die Spannung an den Anschlüssen der Empfangsspule 10 erhält, einen Synchrondetektor, versorgt durch das nicht halbierte Signal, ein Tiefpassfilter, eine PID-Korrektureinrichtung, einen Verstärker, ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von ungefähr 1 Hz und Anzeigeeinrichtungen. In die Anschlüsse der Messspule 10 kann ein Rückkopplungsstrom eingespeist werden, indem die Spannung am Ausgang des Korrekturmoduls abgegriffen und in Strom umgewandelt wird. Es wird hier nicht mehr weiter auf diese Elemente eingegangen, die schon offenbart und außerdem ziemlich einfach sind, und die ermöglichen, das induzierte Signal mit einer Frequenz abzugreifen, die doppelt so hoch ist wie die Erregungsfrequenz, und es in ein kontinuierliches Signal umzuwandeln, ehe es zu den Anzeigeeinrichtungen übertragen wird, die es messen.
• Der durch das Umlaufmagnetfeld ϕ(F₀) erzeugte Magnetfluss erzeugt in jeder der Wicklungen 11 und 12 induzierte Spannungen u1 bzw. u2 und das zu messende Magnetfeld ϕ(2F₀) der induzierten Spannungen e1 und e2. Die Spannung u2 ist den anderen entgegengesetzt, so dass die an den Anschlüssen der Empfangsspule 10 induzierte Gesamtspannung gleich u1 – u2 + e1 + e2 ist. Wie man gesehen hat, bewirkt die Asymmetrie der Wicklungen 11 und 12, dass u1 und u2 generell unterschiedlich sind, ebenso wie e1 und e2. Daher wird die Messvorrichtung 14 vervollständigt, wie dargestellt in der 2. Zwei Schaltungsschleifen 21 und 22 verbinden die positiven Anschlüsse der Subtrahierglieder 23 und 24 jeweils über die Wicklungen 11 und 12 mit der Masse. Die Ausgangsanschlüsse der Subtrahierglieder 23 und 24 enden jeweils an den Eingängen eines Summierglieds 25, dessen Ausgang sich gabelt in Richtung eines Verarbeitungssystems 26 und eines Eingangs eines Synchrondetektors 27. Der negative Anschluss des Subtrahierglieds 24 ist über einen festen Widerstand 29 mit der Masse verbunden und derjenige des Subtrahierglieds 23 über einen variablen Widerstand 28, der von dem Synchrondetektor 27 abhängig ist. Schließlich liefert die Erregungsvorrichtung 13 ein Bezugssignal mit der Erregungsfrequenz an einen anderen Eingang des Synchrondetektors 27, durch einen Phasenschieber 30, wenn notwendig.
• Angenommen die Widerstände 28 und 29 sind gleich. Dann sind die an den Ausgangsanschlüssen der Subtrahierglieder 23 und 24 gelieferten Spannungen bis auf einen Proportionalitätskoeffizienten G gleich e1 + u1 beziehungsweise e2 – u2, und die Spannung am Ausgang des Summierglieds 25 ist gleich G (e1 + u1 + e2 – u2). Jedoch unterscheidet der Synchrondetektor 27 die Komponente mit der Erregungsfrequenz und passt den variablen Widerstand an, um den Proportionalitätskoeffizienten am Ausgang des Subtrahierglieds 23 auf einen Wert G' zu modifizieren, so dass G'u1 = Gu2. Die dem Verarbeitungssystem 26 gelieferte Spannung wird also gleich G'e1 + Ge2 und kann nützlich verwertet werden. Keine weitere Verarbeitung ist notwendig. Diese Korrektor läuft tatsächlich darauf hinaus, die Symmetrie der Wicklungen 11 und 12 wiederherzustellen.

Claims (2)

1. Magnetometer, einen Magnetkern (1), wenigstens eine aktive Spule (4, 5) und eine Empfangsspule (10) umfassend, wobei die aktive Spule so angeordnet ist, dass sie in dem Kern ein Erregungsmagnetfeld erzeugt, und die Empfangsspule zwei Wicklungen (11, 12) hat, sowie Einrichtungen (13) zum Einspeisen eines Wechselstroms mit einer Erregungsfrequenz in die aktive Spule und Messeinrichtungen (14) einer in der Empfangsspule (10) induzierten Spannung umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen (14) einen Detektor (27) einer zu der Erregungsfrequenz der induzierten Spannung synchronen Komponente, eine Schaltung mit zwei Schleifen (21, 22), von denen jede eine Wicklung der Empfangsspule enthält, einen Summierer (25) von Partialspannungen an den Anschlüssen der beiden Schleifen und eine von dem genannten Detektor abhängige Korrektureinrichtung (28) von einer der genannten Partialspannungen umfassen.
2. Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinrichtung (28) ein variabler Widerstand ist.