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Vorrichtung zum Bestimmen der Gradienten des Erdmagnefismus
Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Gradienten des Erdmagnetismus mit einem
aus mindestens einer Windung bestehenden Leitersystem, das um eine außerhalb des
geometrischen Schwerpunktes der Windungsebene liegende, zur Normalen der Windungsebene
parallele Achse drehbar gelagert ist, wobei Mittel vorgesehen sind, welche die im
Leitersystem induzierte Spannung in mindestens einer Winkellage der Umdrehung anzeigen.
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Die bekannten Vorrichtungen dieser Art arbeiten mit Gleitkontakten,
was jedoch mit der Schwierigkeit verbunden ist, daß die im drehbaren Leitersystem
erzeugten Spannungen, deren Größe unterhalb der Gröenordnung von IC4V liegt, nicht
zuverlässig abgenommen werden könnten. Die dadurch bedingten Fehlerquellen können
zu Verzerrungen der Meßergebnisse und folglich zu unrichtiger Restimmung der Gradientkomponenten
führen, was die Anwendung der bekannten Vorrichtungen für praktische Zwecke vereitelt.
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Durch die Erfindung sind diese Nachteile behoben. Die Erfindung beruht
auf der Erkenntnis, daß bei induktiver Abnahme der im drehbaren Leitersysteim induzierten
Spannungen große Genauigkeit der Messungen erreicht werden kann. Die Erfindung besteht
nun darin, daß die Mittel zum Anzeigen der im drehbaren Leitersystem induzierten
Spannungen in den Stromkreis eines mit dem drehbaren Leitersystesn induktiv gekoppelten
feststehenden Leitersystems eingeschaltet sind. Durch die induktive Kopplung der
beiden Leitersysteme sind die bei der periodischen gegenseitigen Berührung der Kontaktstellen
der bekannten galvanischen Kopplung entstehenden zusätzlichen und unerwünschten
Spannungen restlos beseitigt, so daß
lediglich Spannungen angezeigt
werden, welche durch die inhomogenität der magnetischen Feldstärke hervorgerufen
werden.
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Da der resultierende Gradient in einem rechtwinkligen Koordinatensystem
neun Komponenten aufweist und bei einer Orientierung der Umdrehungsachse des drehbaren
Leitersystems höchstens zwei Komponenten bestimmt werden können, muß das Koordinatensystem
transformiert werden.
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Es ist deshalb zweckmäßig, die Anordnung so zu treffen, daß das drehbare
Leitersystem mit seiner Umdrehungsachse in eine beliebige Richtung eingestellt werden
kann. In diesem Fall kann nämlich das Koordinatensystem durch Änderung der Orientierung
der Vmdrehungsachse einfach transformiert xverden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
erläutert. Es ist dabei Fig. 1 der senkrechte Schnitt einer beispielsweisen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 ein Schnitt gemäß der Linie II-II der
Fig.l, Fig. 3 die Anordnung eines anderen Ausführu;ngsbeispiels.
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Gleiche Bezugszeichen weisen auf gleiche Einzelheiten hin.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist das drehbare Leitersystem
durch eine Scheibe 34 aus elektrisch leitendem Material gebildet. Die Achse 10 der
Scheibe 34 ist zur Ebene derselben; quer angeordnet und bildet die Umdrehungsachse
des beweglichen Leitersystems. Die Scheibe 34 weist in einer zur Umdrehungsachse
10 des drehbaren Leitersystems parallelen Richtung Durchbrechungen auf. Bein gezeichneten
Ausführungsbeispiel sind in symmetrischer Anordnung zwei Durchbrechungen 35 und
36 vorgesehen. Die Mittel zum Anzeigen der induzierten Spannung sind erfindungsgemäß
in den Stromkreis eines mit dem drehbaren Leitersystem, d. h. mit der Scheibe 34,
induktiv gekioppelten feststehenden Leitersystems eingeschaltet. Das letztere besteht
im vorliegenden Fall aus halbkreisförmigen Wicklungen 37 und 38, welche im Sinne
der Addierung der induzierten Spannungen in Reihe geschaltet sind und deren Gesamtform
der Form der Scheibe 34 entspricht. Außerdem ist das feststehende Leitersystem um
die Umdrehungsachse 10 in eine beliebige Winkellage verschwenkbar angeordnet. Die
Mittel zum Anzeigen der induzierten Spannungen bestehen aus einem Anzeigegerät 30,
das über einen Wechselspannungsverstärker 29 in den Stromkreis der Wicklungen 37
und 38 eingeschaltet ist. Die Vorrichtung ist in nicht dargestellter Weise so aufgehängt,
daß das drehbare Leitersystem mit seiner Umdrehungsachse in eine beliebige Richtung
eingestellt und in seiner eingestellten Lage lösbar befestigt werden kann. Mit der
Bezugsnummer 3I ist der Antrieb der Umdrehungsachse 10 bezeichnet. Als Antrieb kann
z. B. eine Luftturbine verwendet werden. Zwecks erschütterungsfreien Laufs ist es
zweckmäßig, die Umdrehungsachse 10 mit einer überkritischen Umdrehungszahl umlaufen
zu lassen.
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Die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels ist die folgende: Bei
Umdrehung der Scheibe 34 wird in den Wicklungen 37 und 38 eine sinusförmige Spannung
induziert, deren Maxima und Minima jeweils dann auftreten, wenn die die geometrischen
Schwerpunkte 21 und 22 der halbkreisförmigen Teile der Scheibe 34 verbindende geometrische
Schwerlinie 23 mit der eingestellten Y-Achse des Koordinatensystems einen Winkel
von der Größe # einschließt. Die Wicklungen 37 und 38 werden demnach so eingestellt,
daß ihre geometrische Schwerlinie mit der Y-Achse des Koordinatensystems einen Winkel
von der Größe # einschließt, d. h. eine durch die maximale Stromstärke gekennzeichnete
Stelle einnimmt. Nachher wird die induzierte Spannung vom Anzeigegerät abgelesen
und die eine Gradientkomponente bestimmt. Um die andere Gradientkomponente zu bestimmen,
werden die Wicklungen 37 und 38 als eine Einheit um 90° um die Umdrehungsachse 10
verschwenkt und eine neue Messung durchgeführt. Die weiteren Gradientkomponenten
werden bei wiederholter Transformierung des Koordinatensystems und durch weitere
Messungen auf die bereits beschriebene Weise lermittelt.
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Die Scheibe 34 bildet im Wesen eine einzige Windung. Um die induzierte
Spannung zu vergrößen, ist es vorteilhaft, anstatt einer einzigen Windung mehrere
Windungen zu verwenden, d. h. die Scheibe 34 ebenfalls durch Wicklungen zu ersetzen.
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Eine derartige beispielsweise Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt.
Dlas drehbare Leitersystem besteht aus den Wicklungen 7 und 8. Außerdem sind auch
Mittel zum Erzeugen einer die im drehbaren Leitersystem induzierte Spannung ausgleichenden
Gegenspaunung vorgesehen. Diese Mittel enthalten einen Potentiometerkreis 43 mit
einem Potentiometer 32, einer Gleichstromquelle 33 und einem Anzeiger 42, welche
in Reihe geschaltet sind.
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Dler Stromkreis des drehbaren Leitersystems enthält dabei eine mit
diesem gleichlaufende bewegliche Induktanz, die mit einer feststehenden, im Potentiometerkreis
43 liegenden Induktanz gekoppelt ist, wobei die Orientierung der feststehenden Induktanz
verstellt werden kann. Die bewegliche Induktanz besteht aus einer an der Umdrehungsachse
10 des drehbaren Leitersystems sitzenden Wicklung, deren Windungsebenen zur Umdrehungsachse
10 parallel liegen und die innerhalb einer die feststehende Induktanz bildenden
Wicklung umläuft, wobei die letztere eine zur Umdrehungsachse 10 des drehbaren Leitersystems
quer gerichtete Orientierung aufweist und um die Umdrehungsachse 10 verschwenkbar
angeordnet ist. Die die bewegliche Induktanz bil dende Wicklung ist beim gezeichneten
Ausführungsbeispiel in zwei Teilwicklungen 39 und 40 unterteilt, welche gegeneinandergeschaltet
sind und innerhalb je eines von zwei in Reihe geschalteten, jedoch einander entgegengesetzt
orientierten Teilen der die feststehende Induktanz bildenden Wicklung 4I umlaufen.
Die Wicklung 41 ist in der Zeichnung zwecks besserer Fühlbarinachung der Orientierung
der
Kraftfelder als ein Toroid dargestellt worden.
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Es ist jedoch offensichtlich, daß es auch genügt zwei einander gegenüberliegende
Teile des Toroids herzustellen, da die Verbindungsteile des Toroids für die Wirkungsweise
der Vorrichtung unerheblich sind.
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Die Wirkungsweise des dargestellten Ausführungs -beispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist die folgende: Nachdem der Antrieb 31 angelassen worden ist, werden
die beiden Wicklungen 37 und 38 um die Umdrehungsachse 10 in eine Winkellage verschwenkt,
bei welcher der Anzeiger 30 den größten Ausschlag ergibt. Nachher wird die Wicklung
41 durch das Potentiometer 32 derart erregt, daß in den Teilwicklungen 39 und 40
auf Einwirkung des durch die Wicklung 41 erzeugten elektromagnetischen Kraftfeldes
eine Gegenspannung entsteht, welche die in den Wicklungen 7 und 8 erzeugte Spannung
ausgleicht. Wenn durch Regelung des Plotentioineters 32 die Nullage am Anzeiger
30 nicht erreicht werden kann, so bedeutet dies, daß zwischen den beiden Spannungen
in den Wicklungen 7 und 8 bzw. in den Teilwicklungen 39 und 40 eine Phasendifferenz
besteht. Um diese Phasendifferenz zu beseitigen, wird nun die Wicklung 41 um die
Umdrehungsachse 10 so lange verstellt, bis der Ausschlag am Anzeiger 30 aufgehoben,
d. h. die Nullage erreicht wird. Die am Anzeiger 42 ablesbare Spannung ermöglicht
nun die bereits beschriebene Ermittlung der Gradientkomponente.
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E!s soll noch darauf hingewiesen werden, daß die Gegenschaltung der
Teilwicklungen 39 und 40 einen Ausgleich der durch den h'omogenen magnetischen Raum
erzeugten Spannung bezweckt. Es ist nämlich offensichtlich, daß bei der dargestellten
Anordnung in den Teilwicklungen 39 und 40 lediglich bei Inhomogenität des magnetischen
Raumes eine zusätzliche Spannung induziert wird.