DE2408547A1 - Magnetische gradientensonde - Google Patents

Description

Anmelder: Dr. Friedrich Förster 7410 Reutlingen Mein Zeichen: A 235

Magnetische Gradientensonde

Die Erfindung betrifft eine magnetische Gradientensonde mit zv/ei Hagnetfeldsensoren, deren magnetische Achsen parallel zu einer gedachten Linie ausgerichtet sind, die in einem bestimmten Abstand voneinander entlang der gedachten Linie angebracht sind und deren elektrische Ausgänge so miteinander verbunden sind, daß ein dem Gradienten der an den Orten der beiden Magnetfeldsensoren vorliegenden Magnetfelder entsprechendes elektrisches Signal entsteht.

Derartige Sonden sind seit langem bekannt. Sie dienen neben dem Ermitteln und Messen von magnetischen Feldgradienten an sich auch dem Aufsuchen von verborgenen ferromagnetischen Körpern, wie Minen, Bombenblindgängern, Schiffen und dgl., indem man die von diesen Körpern hervorgerufenen Störungen des magnetischen Erdfeldes zu ihrer Ortung benutzt.

Häufig bedient man sich dabei wegen ihrer hohen Empfindlichkeit und ihres einfachen Aufbaus der in vielen verschiedenen Erscheinungsformen bekannten Oberwellensonden. Diese besitzen als Wandlerorgan einen magnetisierbaren Kern, der von einem magnetischen WechselfeM bestimmter

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Frequenz bis in die Sättigung erregt wird, wobei in einer den Kern umgehenden Spule, wenn das Erregermagnetfeld von einem zu messenden Magnetfeld überlagert ist, geradzahlige Harmonische der o.g. Frequenz entstehen, deren Amplitude der Feldstärke des zu messenden Hagnetfeldes proportional ist. Grundsätzlich werden jedoch für die. eingangs genannte Gradientensonde auch Magnetfeldsensoren anderer Art eingesetzt.

In vielen Anwendungsfällen, insbesondere bei den oben genannten Suchaufgaben, müssen Magnetfeldgradienten in der Größenordnung weniger?! (1 \ = 10 Oe) aufgelöst werden, während gleichzeitig die Gradientensonde dem vollen magnetischen Erdfeld von ca. 0,3 Oe ausgesetzt ist. Um bei beliebigen Lageänderungen der Gradientensonde jeden Einfluß des ungestörten magnetischen Erdfeldes unterdrücken zu können, muß die Sonde zwei wichtige Forderungen erfüllen:

1) Die beiden elektrisch gegeneinander geschalteten I^;iagnetfeldsensoren müssen innerhalb des gesamten Bereichs der in ihrer Umgebung möglichen magnetischen Feldstär-. ken eine gleichbleibende Empfindlichkeit aufweisen.

2) Die magnetisch empfindlichen Richtungen der beiden Magiietfelcäsensoren, kurz ihre magnetischen Achsen, müssen sehr genau parallel zueinander, bzw. zu der oben genannten gedachten Linie ausgerichtet sein.

V/ährend man der ersten Forderung nachkommen kann, indem nan das mittlere magnetische Erdfeld am Ort beider Magnetfeldsensoren durch geeignete Gegenkopplungsspulen auf einen Wert nahe Null herunterkompensiert, ist für die zweite Forderung noch keine voll befriedigende Lösung bekannt. Bei einem seit vielen Jahren eingesetzten Suchgerät sind die beiden Magnetfeldsensoren in das obere und untere Ende eines Trägerrohres eingebaut, wo jeweils das eine PJnde

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eines Magnetfeldsensors in einem Kugelgelenk gelagert ist und die Lage des anderen Endes über eine Stellschraube verändert werden kann. Auf diese Weise läßt sich zwar für den Augenblick eine sehr genaue Parallelisierung der beiden Sensoren erreichen, allein unter dem Einfluß des rauhen Sucheinsatzes tritt eine Dejustierung auf, die eine Wiederholung des Parallelisierungsvorganges von Zeit zu Zeit erforderlich macht. Daran sind die verschiedensten Ursachen beteiligt, wie Temperatureinflüsse, Stoß- oder Biegebeanspruchung und dgl. mehr. Eine Vorstellung von den notwendigen Anforderungen an die Parallelität der beiden Magnetfeldsensoren erhält nan, wenn man erfährt, daß z.B. ein Winkel zwischen.den magnetischen Achsen der beiden Magnetfsldsensoren von 1/100° bereits eine fühlbare Bejustierung bedeuten kann. Natürlich ist das öftere. Nachparallelisioren der Sonden sehr unerwünscht, da es den Betriebsablauf stört. Zudem muß das Parallelisieren an einem von Jürdfeldstörungen freien Ort, d.h. praktisch auf dem freien Feld, außerhalb geschlossener Ortschaften durchgeführt werden.

Aus dem Gesagten ergibt sich ein dringendes Bedürfnis nach einer Gradientensonde, die sich auf einfache Weise sehr genau und stabil parallelisieren läßt. Die Erfindung macht sich zfur Aufgabe, dieses Bedürfnis zu befriedigen. Die Aufgabe 'wird gelöst durch eine Gradientensonde gemäß Patentanspruch 1". Dabei ergeben sich zwei sehr wichtige Vorteile. Durch die Aufhängung der Magnetfeldsensoren an "Spanndrähten ergibt sich zum einen eine gute Konstanz der Parallelisierung, da auch bei einer Verbiegung der tragenden Konstruktionselemente die Parallelität der Spanndrähte erhalten bleibt, zum anderen bietet sich eine sehr einfache Möglichkeit zum genauen Einstellen der Parallelität. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspriichen beschrieben.

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Iin folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden. Es zeigen im einzelnen

Figur 1 eine Gradientensonde im Schnitt

Figur 2 ein Prinzipschaltbild der dargestellten Sonde

Figur 3 ein Detail einer abgewandelten Gradientensonde

In Figur 1 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gradientensonde im Schnitt dargestellt. Im gewählten Beispiel werden Kagnetfeldsensoren, die nach dem Oberwelienprinzip arbeiten, benutzt, es können jedoch auch durchaus andere geeignete Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. Auch soll die Erfindung nicht auf den im vorliegenden Beispiel angeführten besonders vorteilhaften Fall eingeschränkt sein, bei dem die Spanndrähte gleichzeitig zur Herstellung des Erregermagnetfeldes die- ' nen.

Die wesentlichen Bestandteile der Gradientensonde nach Figur 1 sind die beiden Magnetfeldsensoren 1 und 2, zv/ei Spanndrahtstücke 3 und 4, die im vorliegenden Beispiel zu einem Draht 5 gehören, zwei Parallelisierungseinrichtungen 6 und 7, eine Spanneinrichtung 8, ein Schutzrohr 9 und eine Grundplatte 10. Die beiden Sensoren 1 und 2 sind genau gleich aufgebaut. Ihr wichtigstes Teil ist das den Kern der Oberwellensonden bildende Röhrchen 11, bzw. 12, das aus hochwertigem ferromagnetischera Material besteht und vor dem Einbau einer speziellen Ausglühbehandlung unterzogen werden muß, um frei von inneren Spannungen zu sein. Die Achse dieses R.öhrchens bildet gleichzeitig im wesentlichen die magnetische Achse des Sensors, d.h. nur eine in diese Achse fallende Komponente eines magnetischen Feldvektors wird vom Sensor wahrgenommen. Durch eine ringförmige Klebestelle 13 ist das Röhrchen 11 mit einem Ende

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am Drahtstück 3 befestigt. Dadurch wird ein Verspannen des Röhrchens bei Ausdehnung unter Temperatureinfluß vermieden. Seitliche Bewegungen des freien Endes von Röhrchen 11 können vermieden werden, indem man etwas Fett oder Öl in den Raum zwischen Röhrchen 11 und Drahtstück 3 bringt. Auf ein Spulenröhrchen 14 ist eine zylindrische Wicklung 15 aufgebracht. Beide miteinander sind in ein Tragröhrchen 17 eingeschoben, das mittels eines Bügels 18 am Stab 19 montiert ist. Obwohl die erfindungsgemäße Gradientensonde auch mit am Röhrchen 11 befestigter Wicklung ausgeführt v/erden kann, wird hier als besonders vorteilhaft die Aufhängung der Wicklung unabhängig vom durch den Spanndraht getragenen Sondenkern angegeben. Damit soll die mit dem Spanndraht verbundene Kasse klein gehalten werden, um auch Auslegungen dos Spanndrahtes möglichst in engen Grenzen zu halten. Die freien Enden 20, 21 und 22, 23 der Wicklungen 15 und 16 sind nach draußen geführt.

Der Spanndraht 5 ist, wie schon weiter oben gesagt, gleichzeitig für die magnetische Erregung der Röhrchen 11 und 12 vorgesehen. Zu diesem Zweck wird in die Drahtenden 25 bzw. 26 ein Wechselstrom i der Frequenz f eingeleitet, der die beiden Röhrchen 11 und 12 bis in die Sättigung zirkulär magnetisiert. Der Strom i nimmt dabei seinen Weg von Drahtende 25 über das Drahtstück 3, die U-förmige Schleife 27 und das Drahtstück 4 zum Drahtende 26.

Die notwendige hohe mechanische Spannung des Drahtes 5 wird von der Spanneinrichtung 8 hergestellt. Diese ist durch den Stab 19 mit der Grundplatte 10 starr verbunden. Im angedrehten unteren Ende 28 des Stabes 19 gleitet eine genau eingepaßte Buchse 29, die selbst in einen Spannbügel 30 aus elektrisch nicht leitendem Material eingesetzt ist. Sine kräftige Spiralfeder 31 drückt die Buchse 29 mit dem .Spannbügel 30 nach unten und spannt dabei den in einer Profilrinne 32 am Umfang des Spannbügels geführten Draht

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Um ein Verdrehen von Buchse 29 und Spannbügel 30 gegenüber dem Stab 19 zu verhindern, ist in das Stabende 28 ein Keil 33 eingesetzt, der in der Nut 34 gleiten kann. Die Spanneinrichtung 8 sorgt dafür, daß die beiden Drahtstücke 3 und 4 stets weitgehend parallel zur Mittellinie 35, d.h. zur gedachten Achse der Gradientensonde bleiben.

Die beiden für die exakte Parallelisierung der beiden Sensoren 1 und 2 vorgesehenen Parallelisierungseinrichtungen 6 und 7 sind im Aufbau genau gleich, jedoch um 90 gegeneinander versetzt angeordnet. Ilit der erster en wird eine Verschiebung des Endes von Drahtstück 3 in Richtung von Pfeil 33, mit der letzteren eine Verschiebung des Endes von Drahtstück 4 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene ermöglicht. Als Bedienungsorgane sind in beiden Fällen Stellschrauben vorgesehen, von denen im vorliegenden Schnitt nur Schraube 39 sichtbar ist. Diese besitzt zur Betätigung einen Vierkantkopf 40 und ist durch ein Feingewinde in Richtung von Pfeil 3ö gegenüber der Grundplatte 10 bewegbar. Die Spitze der Schraube 39 greift an die Vorderseite eines Schlittens 41 an, der aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff besteht. Die Rückseite des Schlittens 41 stützt sich mit einer Reihe von Blattfedern 42 gegen die Grundplatte 10 ab, so daß der Schlitten durch Betätigung der Schraube 39 in Richtung von Pfeil 38 hin und her bewegt werden kann. Eine Flanke des Schlittens 41 gleitet dabei auf einer ihr gegenüber liegenden Fläche der Grundplatte Ί0 und wird von einem Satz Blattfedern auf diese Fläche angedrückt. Die Blattfedern sind im vorliegenden Schnitt bei der Parallelisierungseinrichtung 6 nicht sichtbar, entsprechen jedoch den Blattfedern 43 der identischen Parallelisierungseinrichtung 7. Der durch eine Bohrung des Schlittens 41 geführte Spanndraht 5 wird von einem Klemmkonus 44, der in eine konische öffnung des Schlittens gepreßt ist, festgehalten und gegen die Spannkraft der Spanneinrichtung 8 abgesichert.

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Aus dem. Dargestellten läßt sich leicht die Verbesserung der Konstanz der Parallelisierung erkennen. Ein Verbiegen des Stabes 19 in beliebigen Richtungen bewirkt lediglich eine entsprechende gemeinsame Richtungsänderung beider Spanndrahtstücke 3 und 4, nicht jedoch eine Ände~ rung ihrer Parallelität. Dagegen wirkte sich bei den bisherigen Gradientensonden jede Durchbiegung des die Feldsensoren tragenden Rohres unmittelbar parallelitätsschädigend aus.

Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild für die im vorliegenden Beispiel dargestellte Oberwellensonden. Darin ist 45 ein Stromgenerator, der den zum Betrieb der Sonde nötigen Erregerstrom i für die Sondenkerne 11 und 12 mit der Frequenz f erzeugt und durch den Draht 5 schickt. Die Wicklungen 15 und 16 sind mit den Differenzeingängen 46 und 47 eines Differenzmagnetometers 48 verbunden und speisen dieses mit einer Spannung der Frequenz 2 f entsprechend dem Magnetfeldgradienten der Orte der Magnetfeldsensoren 1 und 2, der am Meßinstrument 49 zur Anzeige kommt. Die Basis dos angezeigten Magnetfeldgradienten wird dabei gebildet durch den Abstand s der beiden Magnetfeldsensoren 1 und 2.

Figur 3 zeigt eine Abwandlung der Spanneinrichtung. Der Spanhdraht 5. wird wieder über einen Spannbügel 51 geführt, der dem in Figur 1 gezeigten Spannbuge1 30 entsprechen kann, aber in einem anderen Schnitt dargestellt ist. Spannbugel 51 ist starr verbunden mit einem Winkel 52, dessen Rückseite auf der Gleitfläche 53 eines Klotzes 54 aufliegt und der dadurch am Verdrehen gehindert wird. An der Unterseite des Winkels 52 greift über eine Schraube 55 eine Feder 56 an, die über eine zweite Schraube 57 am Boden 58 des Schutzrohres 59 angebracht ist. Grundsätzlich sind noch andere Arten der Aufhängung des Spanndrahtes 5 möglich. So kann statt des starren Spannbügels 30 oder 51 auch eine Umlenkrolle vorgesehen werden, an deren

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üundheit und Lagerimg jedoch hohe Anforderungen zu stellen wären. Selbstverständlich ist im Rahmen der Erfindung auch eine von einander unabhängige Aufhängung der unteren Enden der Drahtstücke 3 und 4 möglich, wobei gleich zeitig eine oder auch beide Parallelisierungseinrichtungen am unteren Ende der Drahtstücke vorgesehen sein können.

Obwohl die möglicherweise am Draht auftretenden Schwingungen wegen der Spannung des Drahtes eine Frequenz aufweisen, die in den meisten Fällen wegen ihrer Höhe nicht mehr störend ist, soll hier noch ein Mittel genannt -werden, mit dem auf einfache Weise solchen Schwingungen entgegengewirkt werden kann. In der Gegend des mutmaßlichen Schwingungsbauches, der infolge der geringen Hasse der Röhrchen 11 oder 12 nur unwesentlich von der Mitte der Drahtstücke 3 oder 5 abliegt, durchläuft das Drahtstück ein Röhrchen, das ebenfalls am Stab 19 befestigt sein kann und das eine durch Kapillarwirkung im Röhrchen haftende schwingungsdämpfende Flüssigkeit enthält.

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Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE

1) Magnetische Gradientensonde mit zwei Magnetfeldsensoren, deren magnetische Achsen parallel zu einer gedachten Linie ausgerichtet sind, die in einem "bestimmten Abstand voneinander entlang der gedachten Linie angebracht sind und deren elektrische Ausgänge so miteinander verbunden sind, daß eine dem Gradienten der an den Orten der beiden Magnetfeldsensoren vorliegenden Magnetfelder entsprechendes elektrisches Signal entsteht, dadurch gekennzeichnet,

daß"die beiden Magnetfeldsensoren (1, 2), zumindest aber die deren magnetische Achse bestimmenden Elemente (11, 12) an je einem von zwei parallel zueinander und zur genannten gedachten Linie (35) verlaufenden gespannten Drahtstücken (3, 4) befestigt sind, von deren Einspannstellen zumindest an einem Ende der beiden Drahtstücke eine in einer ersten Richtung senkrecht zur Richtung des Drahtstuckes, die zweite-in einer zv/eiten Richtung senkrecht zur Richtung aes Drahtstückes ver- I schoben werden kann.

2) Magnetische Gradientensonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Drahtstücke (3, 4) durch eine oder mehrere Federn (31) gespannt sind.

3) Magnetische Gradientensonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Drahtstücke (3, 4) zu einem Draht (5) gehören, der durch eine Umlenkeinrichtung (30) umgelenkt wird.

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4) Magnetische Gradientensonde nach einem der vorhergehenden Anspruchs, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden Magnetfeldsensoren (1, 2) Oberv/ellensonden mit rohrförmigen Sondenkernen (11, 12) sind, die koaxiel auf die Drahtstücke (3_} 4) aufgezogen sind.

5) Magnetische Gradientensonde nach Anspruch 4, dadurch ge-. kennzeichnet,

daß die beiden rohrförmigen Sondenkerne (11, 12) jeweils mit einem Ende an den Drahtstücken (3> 4) befestigt sind.

6) Magnetische Gradientensonde nach einem der Ansprüche 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet,

daß die Empfäncerwicklungen (15, 16) der beiden- · Magnetfeldsonsoren (1, 2) unabhängig von den Sondenkernen (11, 12) und von den Drahtstücken (3, 4) aufgehängt sind.

7) Magnetische Gradientensonde nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß Aie Sondenkerns (11, 12) von einem Strom durch die beiden Drahtstücke (3, 4) magnetisch erregt werden.

8) Magnetische Gradientensonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Drahtstücke (3, 4) zur Bedämpfung mechanischer Schwingungen im Bereich eines Schwingungsbauches ein eine Flüssigkeit enthaltendes Röhrchen durchlaufen.

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