DE3129733A1

DE3129733A1 - Einrichtung fuer magnetometer zum kompensieren des magnetischen erdfeldes

Info

Publication number: DE3129733A1
Application number: DE19813129733
Authority: DE
Inventors: James H. Severna Park Wilson, Md.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-07-28
Filing date: 1981-07-28
Publication date: 1982-09-09
Also published as: GB2080955A; GB2080955B; JPS5757268A; US4463314A

Description

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Einrichtung für Magnetometer zum Kompensieren des magnetischen Erdfeldes

Die Erfindung betrifft eine Kompensationseinrichtung für magnetische Detektoren bzw. Magnetometer im stationären Einsatz, wobei in der benachbarten Umgebung des Magnetometers ein magnetisches Material zur Kompensation des magnetischen Erdfeldes angebracht ist.

Magnetische Detektoren bzw. Magnetometer werden zum Messen von magnetischen Feldern oder von magnetischen Feldänderungen benutzt. Bei der Erfassung magnetischer Objekte kann das interessierende magnetische Signal verhältnismäßig klein verglichen mit dem umgebenden Erdfeld sein, sodaß viele Magnetometer zur Erhöhung der Empfindlichkeit ein Ausgangssignal liefern, welches nur die Änderung des Magnetfeldes am Meßort wiedergibt und nicht den absoluten Wert. Um dies zu ermöglichen, muß das verhältnismäßig stationäre magnetische Erdfeld von dem Signal subtrahiert werden, welches die interessierende magnetische Feldänderung umfaßt.

FS/hh Ein Kompensationssystem,

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Ein Kompensationssystem, bei welchem das erdmagnetische Feld von dem Meßwert subtrahiert wird, zieht von dem Ausgangs signal des Magnetometers eine das Erdmagnetfeld repräsentierende Festspannung ab, sodaß nur die Änderungen des Feldes erfaßt werden. Dieses Kompensationssystem erfordert jedoch eine sehr stabile Spannungsquelle und außerdem. Verstärker mit einer sehr geringen Drift.

• Bei einem anderen Kompensationssystem werden mit einem Datensystem hoher Auflösung die ausgangsseitigen Daten des Magnetometers aufgezeichnet und anschließend von diesen Daten eine Festgröße subtrahiert, welche dem Erdmagnetfeld entspricht. Dadurch erhält man ebenfalls die interessierende Meßgröße. Dieses Verfahren erfordert eine extrem hohe Auflösung bei der Messung des Magnetometerausgangssignals, um das resultierende Signal mit einer angemessenen Genauigkeit zu erhalten.

Ein weiteres sehr häufig benutztes Kompensationsverfahren sieht vor, daß das Magnetometer innerhalb einer Spule angeordnet wird, die an eine Stromquelle angeschlossen ist. Der Strom durch die Ringspule wird derart eingestellt, daß das induzierte Feld gleich und entgegengesetzt dem erdmagnetischen Feld ist, sodaß sich das Magnetometer praktisch in einer erdfeldfreien Zone befindet. Das Feld der Spule wird dann konstant gehalten, sodaß das Ausgangssignal des Magnetometers nur die Änderungen des Magnetfeldes aufgrund magnetischer Beeinflussungen wiedergibt. Obwohl dieses System effizient arbeitet, erfordert es eine kontinuierliche Leistung, hohe mechanische Stabilität der Spule und eine extrem stabile Stromversorgung, welche die Spule ansteuert.

Der Erfindung

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kompensationseinrichtung für das Erdmagnetfeld zur Verwendung bei magnetischen. Detektoren bzw. Magnetometern zu schaffen, welche die Schwierigkeiten bekannter Kompensationseinrichtungen überwindet und eine verhältnismäßig einfache sowie möglichst genaue Kompensation zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Vorrichtungen vorhanden sind, mit welchen das magnetische Material mit einer permanenten Magnetisierung derart zu vorsehen ist., daß der Einfluß des Erdmagnetfeldes im wesentlichen unterdrückt wird.

Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das magnetische Material den Detektor umgibt, wobei das magnetisierende Material aus einer Wicklung eines Magnetbandes bestehen kann.

Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Vorrichtungen eine Magnetisierungswicklung umfassen, welche am magnetischen Material positioniert sind, und mit einem Magnetisierungsstrom derart beaufschlagbar sind, daß dadurch eine permanente Magnetisierung des magnetischen Material« entsteht, und daß die Vorrichtungen mit einer Gleichstromversorgung sowie einer Steuerschaltung versehen sind, um den Wert des Magnetisierungsstromes einzustellen und diesen intermittierend der Magnetisierungswicklung zuzuführen. Diese Kompensationseinrichtung umfaßt ferner eine Steuerschaltung, mit der die Polarität des an die Magnetisierungswicklung angelegten Stromes umschaltbar ist.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispieles näher erläutert.

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läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verwendung eines Magnetometers, welches unter dem Einfluß des Erdmagnetfeldes steht;

Fig. 2 eine spezielle Ausgestaltung eines zur Ausmessung magnetischer Felder benutzbaren Magnetometers;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine Prinzipschaltung zur Kompensation des Erdfeldes gemäß der Erfindung; ■ 15

Fig. 5 das Blockschaltbild einer Kompensationsschaltung zur Unterdrückung des Einflusses des Erdfeldes;

Fig. 6 eine detaillierte Schaltung der Stromversorgung gemäß Fig. 5.

Magnetische Detektoren bzw. Magnetometer werden in einer großen unterschiedlichen Vielzahl von Systemen benutzt, von welchen eine Anwendung in Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Dabei ist die Verschiebung des magnetischen Erdfeldes durch ein Schiff 12 dargestellt, wobei die fest ausgezogenen Magnetfeldlinien 10 durch das Schiff 12 eine Verformung gemäß dem Verlauf der gestrichelt dargestellten Feldlinien 10³ erfahren. Der Magnetfelddetektor 14 ist innerhalb dieses Feldes angeordnet, um die Änderung des durch das Schiff bedingten Magnetfeldverlaufes zu erfassen. Üblicherweise

wird ein

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wird ein Magnetometer verwendet, das stationär in dem Meßort festgehalten wird, um - nachdem der Einfluß des Erdmagnetfeldes kompensiert ist - dazu zu dienen, die Anwesenheit z. B. eines Schiffes festzustellen, um geeignete Aktionen einleiten zu können. 5

In Fig. 2 ist ein typischer Magnetfelddetektor in Form eines Magnetometers 20 dargestellt. Das Magnetometer umfaßt eine Ringspule 22 mit einer Ringwicklung 24, welche über Anschlußleitungen 26 und 27 mit einem Wechselstromsignal von einer nicht dargestellten Quelle aus versorgt wird. Die Sensorwicklung 30 umgibt die Ringspule 22 und deren Windung 24 und wird in Verbindung mit herkömmlichen Magnetometereinrichtungen dazu benutzt, um ein Ausgangs signal an den Anschlußleitungen 32 und 33 zur Verfügung zu stellen, welche eine magnetische Veränderung erkennen läßt. Sowohl die Ringspule als auch die Sensorwicklung werden üblicherweise in einem Gehäuse 34 untergebracht. Für die Null-Abstimmung, um den Einfluß des erdmagnetischen Feldes am Ort des Magnetometers zu eliminieren, können die bereits erwähnten Einrichtungen in herkömmlicher Weise Verwendung finden, indem entweder eine hochkonstante aktive Stromversorgungsquelle oder eine extrem stabile und genaue Hüfsspannungsquelle vorgesehen wird, um durch Subtraktion die Amplitude des Erdmagnetfeldes zu eliminieren.

Für ein solches Magnetometer sieht die Erfindung vor, daß in unmittelbarer Nachbarschaft des Magnetometers ein magnetisches Material angeordnet und dieses einer permanenten Magnetisierung unterworfen wird. Die Einrichtungen, welche zu diesem Zweck Verwendung finden, können nach der Kompensation entweder abgeschaltet oder entfernt werden. Die sich ergebende Magnetisierung des magnetischen Materials wird auf einen Wert gebracht, der im wesentlichen ausreicht, um

am Ort

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am Ort des Magnetometers den Einfluß des Erdmagnetfeldes auszu-' schalten.

In Fig« 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Magnetometer 20 vollständig vom magnetischen Material 40 umgeben ist. Bei einem "Versuchsaufbau bestand das magnetische Material aus einer Vielzahl von Windungen eines etwa 2,5 cm breiten Video-Magnetbandes, wie es für die Aufzeichnung von Video-Signalen üblich ist. Dieses Magnetband wurde in direktem Kontakt mit der Außenseite des Magnetometers in einer Vielzahl von Windungen um dieses herum gelegt. Es sind viele andere Variationen und Formen für die Anbringung des magnetischen Materials möglich, solang dieses Material in der Lage ist, eine permanente Magnetisierung zu halten und am Ort des Magnetometers angebracht werden kann, um auf das vom Magnetometer abgegebene Ausgangs signal einzuwirken.

Um eine bestimmte permanente Magnetisierung für das magnetische Material 40 vorzusehen, wird um dieses eine Magnetisierungswicklung 22 gelegt, welche mit einem bestimmten Strom über die An-. Schlußleitungen 44 und 45 beaufschlagbar ist. Bei der Ausführungsform unter Verwendung des Vide ο-Magnetbandes kann die Magnetisierung swicklung aus mehreren hundert Wicklungen eines Drahtes bestehen (z.B. wire gauge Nr. 32). Eine Schaltung, mit der die gesteuerte permanente Magnetisierung des magnetischen Materials 40 erzielt werden kann, ist in Fig. 4 dargestellt.

Die Einrichtung gemäß Fig. 4 umfaßt eine Gleichstromquelle 50, die den Magnetisierungsstrom, für die das magnetische Material 40 umgebende Magnetisierungswicklung 42 liefert. Die Amplitude, die Dauer und die Polarität des angelegten Stromes wird über ein Abstimmpotentiometer 52,

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tentiometer 52, einen Druckknopfschalter 54 und einen Umschalter 56 eingestellt.

Wenn der Druckknopfschalter 54 geschlossen ist und der Umschal ter die in der Darstellung gezeigte Position einnimmt, fließt ein

Strom über die Magnetisierungswicklung in einer ersten Richtung. Beim Umlegen des Umschalters 56 wird der Stromfluß durch die Magnetisierungsrichtung umgepolt, sodaß er in entgegengesetzter Richtung fließt.
10

Um das magnetische Material 40 zu entmagnetisieren, wird zunächst das Abstimmpotentiometer 52 derart eingestellt, daß ein verhältnismäßig großer Strom durch die Magnetisierungs wicklung über den Druckknopfschalter und den Umschalter fließt. Durch Umlegen des Umschalters 56 und durch ein Verringern der Amplitude des angelegten Stromes ergibt sich eine abnehmende Amplitude der alternierenden Wechselstromimpulse, wobei dieses Verfahren so lange ausgeführt wird, bis der zugeführte Strom praktisch Null ist. Zu diesem Zeitpunkt ist das magnetische Material entmagnetisiert, sodaß jedes vom Magnetometer abgegebene Signal dem magnetischen Erdfeld am Ort der Messung entspricht. Danach wird das Abstimmpotentiometer derart eingestellt, daß bei der Betätigung des Druckknopfschalters 54 ein kleiner Stromimpuls zur Magnetisierungswicklung 42 abgegeben wird. Je nach der Charakteristik des verwendeten magnetischen Materials und je nach dem Wert des angelegten Stromes behält das magnetische Material 40 nach dem Öffnen des Druckknopfschalters 54 eine bestimmte magnetische Flußdichte bzw. einen bestimmten permanenten Magnetismus. Der charakteristische Wert des permanenten Magnetfeldes bzw. die Remanenz ist für die geeigneten Materialien allgemein bekannt.

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Nach dieser anfänglichen Maßnahme kann eine neue Magnetometer ablesung vorgenommen werden, um diese mit einer Anfang sm es sung zu vergleichen und festzustellen, ob das neue, vom Magnetometer ausgemessene Feld größer oder kleiner ist. Wenn das neue Feld kleiner zu sein scheint, werden die der Magnetisierungswicklung

zugeführten Impulse graduell in der Amplitude vergrößert und die Ausgangswerte solange erfaßt, bis das Ausgangssignal des Magnetometers im wesentlichen durch das Vorhandensein des erdmagnetischen Feldes auf Null kompensiert wird. 10

Wenn nach dem ersten Impuls an die Magnetisierungswicklung 42 das Feld größer und nicht kleiner wird, wird nach einem Umlegen des Umschalters 56 der erwähnte Vorgang wiederholt. Wenn sich während dem Nullabgleich das magnetische Material 40 stärker magnetisiert als für die Unterdrückung des Erdfeldes notwendig ist, kann die Magnetisierung durch eine Verringerung der Amplituce des angelegten Impulses in entgegengesetzter'Richtung verringert werden, um danach einen weiteren Impuls mit verringerter Amplitude in derselben- Richtung durch Umlegen des Umschalters 56 anzulegen. Dadurch kann der permanente Magnetismus des magnetischen Materials vergrößert und verkleinert werden entsprechend dem erforderlichen Wert, um das Magnetfeld zu kompensieren. Sobald dieser Wert des permanenten Magnetfeldes erreicht ist, wird eine weitere Abstimmung nicht mehr erforderlich, sodaß die Leistung von der Magnetisierungswicklung abgeschaltet werden kann. Das magnetische Material verbleibt anschließend in einem Magnetisierungszustand, der ausreicht, um das Erdfeld zu kompensieren, ohne daß weiter Energie benötigt wird. Damit entfällt auch die Notwendigkeit einer hochkonstanten und sehr genauen stabilisierten Stromversorgung.

Obwohl die

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Obwohl die in Fig. 4 angedeutete Version der Handbetätigung der Schaltung für die Einstellung der permanenten Magnetisierung zur Kompensation des Erdfeldes grundsätzlich verwendbar ist, wird für den allgemeinen Einsatz in der Regel eine automatisierte Ab-Stimmung wünschenswert sein. In Fig. 5 ist eine derartige automatisch arbeitende Kompensationseinrichtung dargestellt, welche eine Stromquelle 60 umfaßt, die den Magnetisierungsstrom für die Magnetisierungsspule 62 über einen Schalter 64 und einen Umschalter 66 liefert. Diese erwähnten Schalter können elektromechanisch oder auch elektronisch aufgebaut sein. Ferner ist eine Steuerschaltung 68 vorgesehen, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal· des Magnetometers 70 die Betätigung des Schalters 64, 66 steuert und gleichzeitig über die Steuerleitungen 72, 73 und 74 die Stromquelle 60 derart beeinflußt, daß der gewünschte Strom ausgangsseitig zur Verfügung steht. So kann z.B. das über die Steuerleitung 72 der Stromquelle 60 zugeführte Auslöse signal dafür sorgen, daß ein Strom eingeschaltet wird, wogegen die Signale über die Steuerleitungen 73 und 74 ein Ansteigen oder Abfallen des Stromes verursachen können. Die Steuerung kann mit Hilfe eines Mikroprozessors und damit vollautomatisch durchgeführt werden.

Eine spezielle Ausführungsform der Stromversorgung 60 ist in Fig. 6 dargestellt und besteht aus einem Integrator 80, welcher einen Operationsverstärker 84 umfaßt, der über einen Kondensator 86' rückgekoppelt ist. Eingangs se itig wird der Operationsverstärker über einen Serien wider stand 82 beaufschlagt und gibt ausgangsseitig das gewünschte Stromsignal über einen Widerstand 88 ab, der die Ausgangsspannung des Integrators in einen Strom umwandelt. Ein positiver oder negativer Strom kann an den Integra tor über Stromzuführstufen 90 und 91 angelegt werden, indem ent

weder die

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weder die eine öder die andere Stufe durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Auslösesignals über die Steuerleitung 72 angesteuert werden. Die Auswahl des positiven oder negativen Stromes erfolgt mit Hilfe eines Gatters 92 bzw. 93, welehe über die Steuerleitungen 73 bzw. 74 betätigbar sind.

Als Beispiel soll angenommen werden, daß die Steuerschaltung ein Auslösesignal in Form einer Rechteckschwingung 95 an das Gatter 92 anlegt. In diesem Fall wird das Gatter abwechselnd geöffnet und geschlossen, und läßt in geöffnetem Zustand einen Stromfluß zum Integrator 80 zu, dessen Ausgangs signal entsprechend der Schwingungsform 96 ansteigt. Wenn ein geringerer Ausgangswert am Integrator wünschenswert ist, wird das Gatter 93 betätigt, um einen negativen Strom zuzuführen und die Amplitude des integrierten Ausgangssignals zu verringern. Wenn während des Abgleiches das Ausgangssignal des Magnetometers einen Wert annimmt, der die Unterdrückung des Erdmagnetfeldes anzeigt, wird über die Steuerschaltung die Stromquelle inaktiviert, sodaß das Magnetometer nunmehr die vorgesehene Messung mit einem hohen Grad an Genauigkeit und Zuverlässigkeit ausführen kann.

Claims

Patentansprüche

/ Kompensationseinrichtung für magnetische Detektoren im stationären Einsatz, wobei in der benachbarten Umgebung des Detektors ein magnetisches Material angebracht ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß "Vorrichtungen (60, 62, 64, 66, 67) vorhanden sind., mit welchen das magnetische Material mit einer permanenten Magnetisierung derart zu versehen ist, daß der Einfluß des Erdmagnetfeldes im wesentlichen unterdrückt wird.
2. Kompensationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das magnetische Material den Detektor umgibt.

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3. Kompensationseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß das magnetische Material aus Windungen eines magnetischen Tonbandes (42) besteht.
4. Kompensationseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Vorrichtungen eine Magnetisierungswicklung umfassen, welche am magnetischen Material positioniert und mit einem Magnetisierungsstrom derart beaufschlagbar ist, daß dadurch eine permanente Magnetisierung des magnetischen Materials entsteht, und

- daß die Vorrichtungen mit einer Gleichstromversorgung (60) sowie einer Steuerschaltung (68) versehen sind, um den Wert des Magnetisierungsstromes einzustellen und diesen intermittierend der Magnetisierungswicklung zuzuführen.
5. Kompensationseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Steuerschaltung Einrichtungen zum Umpolen des an die Magnetisierungswicklung angelegten Magnetisierungsstromes umfaßt.
6. Kompensationseinrichtung nach Anspruch 4 oder. 5, dadurch gekennzeichnet, . - daß ein Umschalter vorhanden ist, welcher zwischen die Gleichstromversorgung und die Magnetisierungs wicklung geschaltet ist.