DE8403691U1 - Magnetisches Sondentripel - Google Patents

Description

Institut Dr. Friedrich Förster Prtifgerätebau GmbH & Co. KG Unser Zeichen: A 303

Magnetisches Sondentripel

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Sondentripei mit drei aufein« ander senkrecht stehenden Hauptachsen zum Messen eines magnetischen Totalfeldes oder der Projektionen eines Magnetfeldes bzw. einer Magnetfei dd1 ff erenz In die Richtung der drei Hauptachsen, bestehend aus jeweils zwei zu den Richtungen der Hauptachsen parallellaufenden, gleich aufgebauten Teiisonden, wobei die Achsen zweier zusamsiengehur1ger Tausenden Rechtecke aufspannen, deren Mittelpunkte 1n einem Punkt zusammenfallen und die aufeinander senkrecht stehen.

PUr die Messung von Magnetfelddifferenzen 1st 1n jedem Fall die Benutzung von Teilsonden unerläßlich. Die gesuchte Magnetfelddifferenz erhalt man als Differenz der von den beiden Teilsonden an deren Ort ermittelten Magnetfelder. Aber auch bei der Messung von Magnetfeldern 1st der Einsatz von zwei Teilsenden gebräuchlich, Insbesondere wenn Kemsaturationssonden verwendet werden. Dabei wird jeweils die Summe der Meßergebnisse der beiden Teilsonden gebildet. Unter einem magnetischen Total feld Hj. versteht man die Wurzel aus der Summe der Qua- - drate der Komponenten eines Magnetfeldes. Bei kartesisehen Koordinaten x, y, ζ 1st demnach

j + Hy² + Hz²

Mit Hx, Hy, Hz als den Komponenten des Magnetfeldes 1n den Richtungen der drei Koordinaten. Um zum magnetischen Totalfeld Ηγ zu gelangen müssen also noch zusätzliche Rechenoperationen ausgeführt werden, wenn die Komponenten des Magnetfeldes vorliegen.

Ein Sondentripel erlaubt die Ermittlung der genannten Größen zumindest näherungsweise für einen bestimmten Raumpunkt. Der Meßwert eines magnetischen Totalfeldes konstanten Betrages ändert sich nicht, wenn das Sondentripel im den Raumpunkt beliebig gedreht wird. Dagegen ergeben

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sich, wenn nur die Komponenten eines Magnetfeldes bzw. einer Magnetfeiddifferenz für einen Raumpunkt gesucht sind, 1m allgemeinen unterschiedHche Meßwerte für jeden Raumwinkel des SondentMpeis gegenüber dem Vektor des Magnetfeldes bzw. der Magnetfelddifferenz. Bei einem SondentHpel der oben beschriebenen Art fallen die Raumpunkte, an denen gemessen wird* nicht nur näherungsweise sondern exakt zusammen. Dies 1st aus geometrischen Gründen nur möglich bei aus zwei TeHsonden zusammengesetzten Sondensystemen.

Aus US-PS 4 194 ISO 1st ein Totalfeidmagnetometer bekannt, das 1n der eingangs definierten Welse aus drei Systemen mit jeweils zwei Teiisonden aufgebaut 1st. Jede der Teiisonden besteht aus einer Induktionsspule sowie einem länglichen Kern hoher magnetischer Permeabilität und geringer Remanenz, der von der Induktionsspule umfaßt wird. Die Induktivität dieser Induktionsspulen bei einem bestimmten Wechselstrom wird als Meßgröße für ein auf den Kern einwirkendes Magnetfeld ausgewertet. Dabei 1st die Minderung der Induktivität gegenüber der Induktivität 1m magnetischen Nullfeld proportional zum Quadrat des entlang der Achse des Kernes wirkenden Magnetfeldes. Wenn, wie vorgesehen 1st, alle Induktionsspulen 1η Serie geschaltet sind, 1st die zu ermittelnde Minderung der 6esamt1ndukt1v1tät proportional der Summe der Quadrate der Feldstärkekomponenten. Damit ergibt sich ein Meßwert, der unmittelbar dem Quadrat des magnetischen Totalfeldes entspricht.

Das In US-PS 4 194 150 beschriebene Totalfeidmagnetometer weist einen wesentlichen Nachteil auf. Es bedarf eines großen Aufwandes an Material und Abgleicharbeit, seine drei Magnetometersysteme wirksam gegeneinander zu entkoppeln. Stehen die Achsen der Systeme nicht exakt senkrecht aufeinander, so ergeben sich gegenseitige Einstreuungen unter den Systemen, die deren quadratische Kennlinie verfälschen« Hierzu heißt es in der Patentschrift, daß trotz engster Toteranzen (einige um für lineare Abmessungen und Bruchteile einer Minute für Winkel) die Fehler durch mangelnde Ausrichtung der Systeme das Magnetometer für den vorgesehenen Zweck unbrauchbar machen könnten. Der Inhalt der US-Patentschrift und der Gegenstand ihres Schutzrechtes erschöpfen sich darin, umfangreiche Maßnahsien fur eine Entkoppelung der Systeme durch

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sorgfältige Ausrichtung Ihrer Achsen zu beschreiben. Zu diesem Zweck muß jede Teil sonde eine aufwendige mechanische Ausrichtvorrichtung auflösen, die dazu dient, dem Kern jeder einzelnen Teil sende die gewünschte Ausrichtung gegenüber den anderen flinf Kernen zu geben.

Demgegenüber stellt 6Ich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Sondentripei der eingangs definierten Art zu schaffen, bei dem eine wirksame Entkoppelung der drei Sondensysteme auf einfache Art und ohne besonderen Aufwand erreicht wird. Diese Aufgabe wird gelbst durch ein Sondentripei, das gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet 1st.

Durch die Erfindung wird es möglich, auch wenn relativ hohe Anforde-

rungen gestellt werden, bei entsprechend sorgfältiger Ausführung ganz auf mechanische Ausrichtvorrichtungen zu verzichten. DaB dies eine wesentliche Vereinfachung und Kostenredu2ierung für das Sondentrtpe! bedeutet, Hegt auf der Hand. Die Möglichkeit hierfür ergibt sich daraus, daß von einem Prinzip abgegangen wird, das beim Sondentrlpe!

nach US-PS 4 194 ISO Anwendung fand. Das letztere 1st so aufgebaut, daß, würde man einen Würfel mit einer Kantenlänge entsprechend dem Abstand zusammengehöriger Teil sondeη definieren, die Teilsonden ganz in diesem Würfel verschwinden würden, da die Länge der Teilsonden geringer als die Kantenlänge des Würfels 1st. Es kann angenommen werden, daß man die relativ großen Abstände zwischen den TeilSonden bewußt ge-• wählt hat, well man eine gegenseitige Beeinflussung der Teilsonden befürchtet hat. Im Gegensatz dazu ragen die Teilsonden des erfindungsgemäßen Sondentripeis über den oben definierten Würfel weit hinaus. Man kann die Spulen dieser Teilsonden als Im mathematischen Sinne näherungsweise unendlich lang gegenüber den Querabmessungen der Teilsonden ansehen, da die Querabmessungen der Teilsonden zwangsläufig höchstens gleich groß sein können nie die Abstände ihrer Achsen. Bei in diesem Sinne unendlich längen Spulen kann man davon ausgehen, daß praktisch alle Feldlinien innerhalb der Spule verlaufen, also seitlich der Spule keine Wirkungen hervorrufen können.

In der Praxis haben sich diese Überlegungen als richtig erwiesen. Es hat sich gezeigt, daß auf diese Weise Sondentripel mit geringer gegen-

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seitiger Beeinflussung Möglich sind, ohne dad zusätzlich besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen SondentHpels 1st seine Kompaktheit. Wenn, was sich als gUmtig erwiesen hat, die Teilsonden gegenseitig aneinander anliegen, kann besonders raumsparend und leicht gebaut werden. Vorteilhaft 1st darüber hinaus, daß bei solch geringen Abständen der Teilsonden vom geometrischen Mittelpunkt des SondentH-pels auch bei sehr Inhomogenen Magnetfeldern ein Meßwert ermittelt wird, der dem wirklichen Wert der Feldstärke an diesem Mittelpunkt äußerst nahe kommt. Besonders vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn man die TeiUonden mit einem hohen Schtankheitsgrad, etwa größer als &, ausstattet. Die gegenseitige Beeinflussung wird umso geringer, je hö-

: her man den Schlankheitsgrad macht. Weitere vorteilhafte Ausgestal-[ tungen sind Jn den UnteransprUchen aufgeführt.

; Obgleich die Erfindung sich Insbesondere ftlr magnetische Kernsatura- t 20 tionssonden eignet, 1st sie grundsätzlich fUr jede Art von Magnetsonden anwendbar, bei denen die notwendige Mindestschlankheit realisierbar 1st.

\ Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe einiger Figuren und an einem

Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen im einzelnen

Figur 1 eine bekannte Anordnung der Teilsonden eines Sondentripels [ 30 Figur 2 das erfindungsgemäße Sondentripei

Figur 3 ein Gehäuse für das Sondentripel

Figur 1 stellt schematisch dar, wie die Teilsonden des Total feidmagnetometers nach der oben mehrfach erwähnten US-PS 4 194-150 angeordnet sind. Darin deuten kräftig ausgezogene Stricke die Lage der durchweg gleich aufgebauten Teilsonden 11, 11', 12, 12', 13 und 13' an. Die

Tellsondenpaare 11, II¹; 12, 12'; 13, 13* spannen jeweils Ebenen 14, 15, 16 auf, die auf einander senkrecht stehen und deren Mittelpunkte In Punkt 17 zusammenfallen. Auffallend groß 1st der Astand a zwischen den beiden Teilsonden eines Teilsondenpaares. Offenbar wollte Man auf diese Weise große Abstände zwischen den Teilsonden verschiedener Teilsondenpaare erzielen, um einer gegenseitigen Beeinflussung entgegen zu wirken. Ein Würfel 18 mit der Kantenlänge a, in dessen Seitenflächen die einzelnen Teilsonden fallen, überdeckt alle Teilsonden, da die Sondenlänge L kleiner ist als der Sondenabstand a.

Figur 2 zeigt ein Sondentripel, bei dem der Erfindungsgedanke realisiert ist. Bei den Teilsondrn 21 kann es sich um Kernsaturationssonden bekannter Bauart handeln. Sie sind alle gleich aufgebaut und bestehen aus einem Keramikröhrchen 22 mit einem Schütz 23, in den (nicht sichtbar) ein streifenförmiger Sondenkem eingebettet 1st, einem mit Isoliermitteln abgedeckten Wickel 24, der ein oder mehrere Wicklungen zum magnetischen Sättigen des Sondenkemes und zum Empfang einer Meßspannung enthält und je zwei Endscheiben 25 zum Abgrenzen des Wickelraumes und zum Begründen einer definierten Lage der Teil senden 1n Bohrungen eines Sondengehäuses. Die Anschlußleitungen 26 der Teilsonden 21 sind in bekannter Weise mit einer Erreger- und Aiiswerteeiektronik verbunden. Der Abstand a 1st so gewählt, daß aufeinander senkrecht stehende Teilsonden 21 sich jeweils berühren, d.h. es gilt . a « 2 d mit d als Durchmesser der Teilsonden. Die Länge L der Teilsonden 21 beträgt 1m vorliegenden Beispiel etwa das Vierfache des Abstandes a. Ein WUrfei mit der Kantenlänge a würde Infolgedessen 1m Gegensatz zur Anordnung nach Figur 1 von den Teil senden 21 weit Uberragt werden.

Figur 3 stellt eine Ansicht eines Gehäuses 31 zum Einbau der Teilsonden 21 dar. Das Gehäuse 31 besitzt drei Arme 32, 33, 34, von denen die Arme 32 und 33 senkrecht aufeinander stehend sich in der Zeichenebene erstrecken, Arm 34 dagegen sich senkrecht zur letzteren erstreckt. Da alle drei Arme 32, 33, 34 gleich aufgebaut sind, genügt die dargestellte Ansicht» um eine Vorstellung von dem Gehäuse 31 zu verschaffen. Je zwei durchgehende Bohrungen 35, 36, 37, die zur Aufnahme der Teil-

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sonde 21 vorgesehen sind, verlaufen jeweils in der Richtung der Arme 32, 33, 34 und sind so angeordnet, daß jeweils zwei Bohrungen eines Armes sich zwischen zwei Bohrungen eines anderen Armes befinden. Die axialen Abstände zweier Bohrungen 35, 36, 37 eines Armes 32, 33, 34 sind etwa doppelt so groß wie die Durchmesser der Bohrungen, so daß die Bohrungen Wand an Wand liegen. An Ober- und Unterseite jeden Armes 32, 33, 34 sind beiderseits der gemeinsamen Mitte Einfräsungen 38 angebracht worden, die einerseits dazu dienen einen freien Zugriff zu jeder Teilsonde 24 zu ermöglichen. Die Einfräsungen 38 bieten andererseits die Möglichkeit, auf jeden der Arme 32, 33, 34 zwei jeweils dessen beide Teilsonden 21 umfassende Wicklungen in der Art von HeImhoTtz-Spulen aufzubringen. Nach außen kann der Wickel raum für diese Wicklungen durch einen stehenbleibenden Ansatz 39 begrenzt werden. Derartige Wicklungen können u.a. dazu dienen, in bekannter Weise ein RUckkopplungs- oder Kompensationsfeld für jeweils zwei Teilsonden aufzubauen. Ebenso ist es auch möglich die Erreger- bzw. Meßwicklungen der Teilsonden zum Aufbau zusätzlicher Felder zu benützen.

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Claims (5)

Institut Dr. Friedrich Förster VrUfgerätebau*'GmbH & Co. K6 Unser Zeichen: A 303 Magnetisches Sondentripel ——————————————————————————————————— Schutzansprüche:

1) Magnetisches Sondentripel mit drei aufeinander senkrecht stehenden Hauptachsen zum Messen eines magnetischen Totalfeides oder der Projektionen eines Magnetfeldes bzw. einer Magnetfei ddifferenz in die Richtungen der drei Hauptachsen, bestehend aus jeweils zwei zu den Richtungen der Hauptachsen parallellaufenden, gleich aufgebauten Teilsonden, wobei die Achsen zweier zusammengehöriger Teilsonden Rechtecke aufspannen, deren Mittelpunkte in einem Punkt zusammenfallen und die aufeinander senkrecht stehen, dadurch gekennzeichnet,

daß die Länge L der Teilsonden (21) mindestens das 2,5- -feche chs Abstandes a der Achsen zweier zusammengehöriger

Teilsondei (21) ist.

2) Sondentripel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand a der Achsen zweier zusammengehöriger Teilsonden (21) nur geringfügig größer als der zweifache Durchmesser d der Tei'uonden (21) ist.

3) Sondentripel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Teilsonden (21) einen hohen Schlankheitsgrad aufweisen, wobei als solcher das Verhältnis der Länge L der Teilsonden (21) zu deren Durchmesser d gelten soll.

4) Sondentripel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schlankheitsgrad größer als 5 ist.

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5) Sondentripel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß zusätzliche Wicklungen über jeweils zwei zusammengehörige Teilsonden (21) in zwei Halbwicklungen nach Art von Helmholtz-Spulen ausgeführt werden, wobei eine Halbwicklung vor und eine Halbwicklung hinter dem Knotenpunkt der Teilsonden (21) angeordnet ist.