DE2219780B2 - Schaltanordnung zum Messen auch sehr schwacher magnetischer Wechselfelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zum Messen auch sehr schwacher magnetischer Wechselfelder unter Verwendung einer Aufnehmerspule mit Induktivität und ohmschem Eigenwiderstand sowie

»o einer nachgesehalteten elektronischen Vc,-,r.";-!.-_Tschaltung.

Eine Disziplin der elektrischen McHicihnik nichtelektrischer physikalischer (irölk-n ist ti ic M.it nclfcld-Meßtechnik, an die im /uja· der 1 n'wicklung hoehpräziser Anlagen, beispielsweise der physikalischen und der geophysikalischen I orsclmni! aher iiuch der Werkstoffkunde, steigende Anforderungen gestellt werden. Insbesondere sind 11 a υ f ι μ MeHschaltungen erwünscht, die auch bei niedrigen 1 cUKtiirken des /u messenden magnetischen I ekles noch snkhc elektrischen Meßsignale (Ausgangsstmme oder Ausgangsspannungen) liefern, die lineare Abhängigkeit vom zu messenden magnetischen leid aufweisen, ohne eine "mpfindlichkeiisändcrung in Abhängigkeit von der Frequenz eines zu messenden magnetischen Wechselfeldes aufzuweisen.

Insbesondere die mclitcchnisth derzeit erreichbaren Empfindlichkeiten in der Größenordnung von etwa 1 Gamma ( 10 ^s Gauß: IO ^h Gruß ~ 1,3 · 10 ^;i Ampere pro Meter: zum Vergleich: vertikales Erdsleichfeld etwa 20000 Gamma) hinsichtlich statischer magnetischer Gleichfelder genügen vielen aktuellen Anforderungen nicht mehr. Diese Empfindlichkeiten werden erreicht mit Meßsonden nach dem sogenannten Förster-Prinzip, die Für Gleichfelder, und Wechselfelder bis etwa 100 Hz. anwendbar sind. Deren Wirkung beruht auf der Überlagerung eines in einem magnetischen Kern eingeprägten magnetischen Wechselfeldes mit dem zu messenden Gleichfeld. wobei eine Sättigungsverschiebung des Kerns durch das Gleichfeld hervorgerufen wird (vgl. »Magnetfddmessung mit Eisenkern-Magnetometer nach dem Oberwellenverfahren«, Blatt V 392-1 des »Archiv für technisches Messen«). Fine Auswertung der bei der magnetischen Anregung entstehenden Oberwellen bedarf aber eines

erheblichen schaltungstechnischen Aufwandes, der den hohen Preis von Meßgeräten nach diesem Prinzip bedingt.

Für wissenschaftliche Präzisionsmessungen sind in jüngerer Zeit daneben das sogenannte Jolivet-Magnetometer und kernphysikalische Magnetometer bekannt geworden, deren Preise aber für Aufgaben der meßtechnischen Praxis in der Regel untragbar hoch sind; »Ein Joiivet· Magnetometer ist beschrieben in »Magne-

⁶S tic Testing of Space craft«, Mai 1969, von O. G. Feil und E. Wunderer, Nordwyk, Holland. Dieses Gerät ist aus mechanischen Gründen sehr störanfällig. Ein kernphysikalisches Magnetometer ist beispielsweise

|%9 jn »Magnetic Held Measurements in Interplanetary Spac.<< von S. C'antarano und I . Mariani, Institut ι Ui Hsica, University of Koine, beschrieben worden. Diese heiden Magnetometer lassen im Hinblick auf Anwendbarkeit für sehr schwache Nm/-kcmponentci'i magnetischer I ekler ebenfalls noch /u wünschen iihriy, weil ihre Empfindlichkeit kaum mehr als eine (irößenordnung hesser isi als die Uer MeIisonden nach dem Förster-Pnn/ip.

Etwa um drei Größenordnungen empfindlicher als mit diesen - eine statische Cileiclifelilmessiing durchführenden elektrischen, elektromechanischen und kernphysikalischen Magnetomeiern ist die Messung magnetischer Wechselfelder durchführbar. Deshalb behilft man sich für viele in der Praxis vorkommende meßtechnisehe Aufgaben damit, eine Relativbewegung zwischen der Meßanordnung und einem McUohjekt zu erzeugen: diese ist bei Meßaufgaben oft sogar unvermeidbar gesehen, so daß jel/l niederfrequente Wcchselfelder aus/uwerlcn sind.

Solche Gegebenheiten liegen /. H. vor bei Vermessung von, an sich stationären, magnetischen Feldern von Himmelskörpern mit einem /weeks Eig.nstahilisierung rotierenden Erdsatelliten. Vergleichbar damit sind die Verhältnisse bei einer Kontrolle \on Werkstücken auf ihre magnetischen Eigenschaften hin, insbesondere magnetische Reinheit: diese Kontrolle beruht ebenfalls auf einer Messung von Quasigleichfeldern, wenn .lämlieh tue Werkstücke als Meüibjekie an einem Meßaufnehmer, insbesondere der Aufnehmerspule der Meßschaltung, vorheigefüliri werden.

Bekannt sind auch schon andere Methoden de-, indirekten Messens schwacher magnetischer (ilcichfelder über Wechselfeldmessiing, so nach dem (ieneratorprin/ip, also mittels einer rotierenden Aufnelimerspule. Kinc solche Anordnung ist bekannt als Rotations- oder »Search-Coil«-Magneti>meier und ebenfalls in der obengenannten Litcralurstelle »Magnetic Measurements in Inti-rplanetarv Space« beschrieben. Prä/isionsanforderuiu'en für den praktischen Einsät/ bei vertretbarem Gerätepreis sind auch hiermit jedoch nicht erfüllt worden, da der Aufbau hechprä/ise clektronieehanische Lösungen verlangt und da hinsichtlich erforderlicher Konstanz der Dreh/ahl der Aufnehmerspule reuelungstechnisehe Probleme auftreten.

Besondere Empfindlichkeit hinsichtlich meß'.echnischer Erfassung schwacher magnetischer Wcchselfelder verspricht man sich von einer jüngst in Angriff genommenen Entwicklung für die Raumfahrtforschung (HELIOS-Proiekt). bei der eine Aufnehmerspule
möglichst unbelastet, d. h. im Leerlaufbetrieb an ] eine elektronische Verstärkerschaltung angeschlosen ist. Eine solche Anordnung ist in »Untersuchungen zur magnetischen Reinheit der Sonnensotule« von Di. I!. Wunderer, Junkers Flugzeug- und Motorenwerke, München, Mai 1969, beschrieben. Die l.cerlaufspannung einer solchen Aufnelimerspule ist der Krequenz der /u messenden Feldstärke direkt proportional. Die an sieh frcqucn/abhängige I.ccrlaufspannung der Aufnelimerspule wird dann frequenzunabhängig, wenn der Aufnelimerspule eine integrierende Verstärkerschaltung nachgcschaltet wird.

Theoretisch ist dies zwar uneingeschränkt richtig, praktisch jedoch nur beschränkt ausnutzbar, da bei niedrigen Frequenzen die Lccrlaufspannung so klein ist, daß im Meßsignal der Störabsland außerordentlich schlecht wird.

Auch dieses Prin/ip die Messung sehwacher magnetischer Wechselfelder mittels einer leerlaufenden Aufnehmerspule und mit Intregralanswerlung hat also (wit alle anderen geläufigen Verfahren, die auf

S Weehselfeldmessung beruhen) den entscheidenden Nachteil, daß die Empfindlichkeit der Schaltanordnung von der Frequenz des /u messenden Wechselfeldes abhängt und bei sehr niederfrequenten Wechselfeldcrn, also insbesondere auch bei Quasigleichfeldern,

ίο sehr schlecht wird.

Zur Messung von sehwachen, interplanetaren magnetischen (ileichfeldern war es daher bislang notwendig, rotierende Aufnehnierspulen zu verwenden. Die Meßempfindlichkeit solcher Rotatioiismagnetomeier ist von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Aufnehmerspule abhängig. Schwankungen in der Umdrehungsgeschwindigkeit verfälschen also das Meßergebnis. Fun weiterer Nachteil des Roiationsmagnetometers für solche Anwendunusfälle liegt insbesondere darin, daß mechanische, h. U. Lagerungs-Prohleme in der Welirauintechiiik schwierig /u ' eherrschen sind.

/ur Lösung der erfinduiigsgemaMci Aufgabe, eine Schaltanordnung zu schaffen, die den Anforderungen nach frequen/unahhängiger hoher Empfindlichkeit auch noch bei sehr niederfrequenten und sehr schwachen magnetischen Wechseifeldern genügt, ist bei dieser Erfindung von der Überlegung ausgegangen, daß bei einer im (iegeiisal/ zu vergleichbaren Schaltanordnungen kur/uesclilossenen Aufnelimerspule

der Kurzschlußsirom proportional zur Feldstärke des zu messenden magnetischen Wechselfeides und theoretisch unabhängig von dessen Frequenz ist. weil sowohl die Lcerlaufspannung als auch der induktive Widerstand der Aufne'inierspule proportional der Frequenz des magnetischen Feldes sind. Der Spulenkurzschlußstrum, d. h. der Quotient aus diesen beiden (irößcn, müßte dann frequenzunabhängig sein. Die Erfindung beruht dann auf der Erkenntnis, daß diese theoretisch /u erwartende Frequcn/unahhängigkeil bei der praktischen Realisierung solcher Schaltanordnung doch noch nicht auftritt, und zwar auf (irund des bei niedrigen Frequenzen mehl mehr vernachlässigbaren olimscheii Eigenwiderstandes gegenüber dem induktiven Widerstand der Aufnehmerspule.

Nach dem Grundgedanken dieser Erfindung liegt di: Lösung dann darin, eine kurzgeschlossene Aufiiehmerspulc mit vernachlässigter geringem ohmschen Eigenwiderstand n\ verwenden. In der Tieltempcratuiphysik sind sogenannte supraleitende Spulenanordnungcn auch schu/i experimentell betrieben worden; M)Idie Anordnungen eignen sich des großen Aufv-ani!^r;s vcgen bisher aber lediglich zu Dcnionstrationsunil Studien/wecken über die physikalischen Effekte der Supraleitung, an eine Anwendung in Meßgeräten für die technische Praxis ist auf absehbare /eit nie'¹! zu denken.

Die vorstehen·! umrisscnc erfindungsgemäßc Aufgabe und der prinzipielle l.ösnugsgcdanke sind deshalb bei der vorliegenden Erfindung durch eine Schaltanordnung der eingangs genannten Art gelöst bzw. verwirklicht, bei der die elektronische Verstärkerschaltung in guter Näherung einen resultierenden Eingangswidcrsland von gleichem Betrage aber umgekehrtem Vor/eichen des ohmschen Eigenwiderstandes der Aufnelimerspule aufweist.

Die erfindungsgemäßc Lösung macht also von der Anwendung als solcher aus der elektronischen Schaltungslcchnik bekannter Realisierbarkeit von aktiven

Zwcipolcn (ichrauch, die unter vorgegchcncn Bedingungen ein negatives Spannungs-Strom-Verhältnis aufweisen. Eine entsprechend dimensionierte elektronische Verstärkerschaltung im Anschluß an die Aufnchmcrspule bewirkt eine Kompensation ihres, bei der niclilidcalen Aufnehmcrspiile unvermeidlichen, ohmschen Eigenwiderstandes, s:> daß nun in guter Näherung diesbezüglich das Verhalten einer supraleitenden Spule erzwungen ist.

Nach dieser Erfindung ist also die Anwcndbarkcitsgrcnzc konventioneller Wcchsclfeld-Magnctomcler überwunden, deren der I rcqucnz des /u messenden Wechsclfcldcs proportionale Empfindlichkeit bei schwachen I cldcrn von sehr niedrigen I requen/cn nicht mehr zu einem auswertbarem Meßsignal führten. Mittels dieser Erfindung ist es dagegen möglich, auch extrem schwache, und dabei sehr niederfrequente, magnetische I elder (also auch Quasiglcichfclder) mit gleichbleibend hoher Empfindlichkeit unabhängig von der Erequcnz über einen breiten Ercqucnzhcrcich /u messen.

Vorteilhaft wird eine elektronische Verstärkerschaltung angewendet, die aus einem mit Rückführungen beschsiltctcn Operationsverstärker mit zwei zueinander gegenpoligen Eingängen besteht. Aus der elektronischen Analoglechnik ist bekannt, daß solche Operationsverstärker eine gegen den Wert »Unendlich« tendierende Eccrlaufvcrstärkung aufweisen, die durch Rückl'ührungsbcschaltungen auf einen endlichen, stabilen Wert fcstleghar ist.

Wird dieser Operationsverstärker, der bezüglich seines Ausganges einen Negativ- und einen Positiveingang aufweist, so beschältet, daß vom Ausgang ein Gcgcnkopplungswiderstand an den Negativeingang und an diesen zugleich die Aufnehmcrspulc geschaltet ist und zusätzlich \om Ausgang des Operationsverstärkers ein MitkopplungswiJerstand an den Positiveingang geschaltet ist. ;<n den gleichzeitig ein Erdwiderstand zum, für den I ingang und den Ausgang der Vcrsärkcrschaltung gemeinsamen, Nullpolential angeschlossen ist, so ist der wirksame Eingangswiderstand der elektronischen Verstärkerschaltung genau dann bctragsmäßig ebenso groß wie der ohmsehe Eigenwiderstand der Aufnchmcrspulc aber mit umgekehrtem Vor/eichen versehen , wenn das Verhältnis des Produktes aus ί rdwidcrstand und (icgcnkopplungswidcrsAand bc/ >i".cn auf den Mitkopplungswidei-stand genau so groß ist, wie der ohmschc Eigenwiderstand der Aufnchmcrspulc.

Eine, weiter unten noch durchzuführende. Analyse dieser so ausgebildeten und dimensionierten Schaltanordnung wird beweisen, daß das Mcßsignal nun nur noch von der Ecldslärke des zu messenden magnetischen Wcchseifcldes, nicht mehr von seiner auch beliebig niedrigen Erequcnz abhängt.

Diarch eine Erweiterung auf eine zweistufige elektronische Verstärkerschaltung, innerhalb derer die erste Stufe gemäß obigen Bedingungen dimensioniert ist, ist es möglich, nicht nur extrem schwache magnetische Ecldstärkcn praktisch frequenzunabhängig zu messen, sondern diese Schaltanordnung auch für einen sehr weiten Dynamikbcrcich der zu messenden magnetischen Wechsclfcldcr auszulegen: Mit einem denkbar billigen (icräl, da ohne besondere schaltungstcchnischc Schwierigkeiten, wird bei einer vorgebbaren unteren Circnzfrcqucnz von / U. IU ³ Hz (vgl. unten) ein I ci-Ktärkc-Mcßbcrcicri von 10 ^H bis 10' (iauß crine Nortcilhiiftc Weiterentwicklung stellt es ilariibcrhinaus dar, eine frcquen/abhäiimgc Kopplung /wischen den Stufen einer z. H. zweistufigen Verstärkerschaltung vorzusehen: mit nur der einzigen Atifnchmcrspule ist es dann /. H. möglich, hinter der ersten Stufe ein alle Ercquen/anteilc des Wechsclfcldcs. hinter der zweiten Stufe (vorzugsweise mit tier Verstärkung »Eins«) ein höhcrfrcquentc Wechsclfcldcr und /wischen den Ausgängen beider Stufen ein die ίο Stärke \on niederfrequenten VVcchsclfcldcrn (Quasiglcichfcldem) angebendes Mcßsignal abzugreifen: im (icgcnsat/ dazu war es fur solche Aufgabe, niedcr- und hochfrequente magnetische I elder getrennt zu erfassen, bisher erforderlich, je eine gesonderte, dem interessierenden I rcquen/bereich zugeordnete, vollständige Meßapparatur zu betreiben.

ine weitere positive 1 igenschaft der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die Tatsache, daß die Empfindlichkeit der Schaltanordnung im wesentlichen von der Verstärkerschaltung abhängt und nicht wie bei der leerlaufenden Spule maßgeblich von der Windungszahl der Aufnchmcrspulc bestimmt wird. So kann eine optimale Windungszahl allein auf (irund der Erfordernisse einer stabil arbeitenden Verstärkcrschaltung gcwäli.t werden, was die flexible Einsatzmöglichkeil dieser Erfindung noch unterstreicht.

Man kann zeigen, daß eine exakte Einhaltung der genannten Abgleichbedingunu ein instabiles Verhalten der Verstärkerschaltung hcraufhcschwörl. Um Sichcrlicit gegen diese Instabilitäten zu schaffen, ist es vorteilhaft, eine gewisse Restabweichung von der idealen Dinicnsionicrung einzuhalten. Diese Restabweichung bedingt dann eine schallungstcchnisch hcdingte untere (irenzfrequcn/ der Meßanordnung.

Ein daraus resultierender besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Schaltanordnung liegt für die mcßtcchnischc Praxis darin, daß mit ihr, ohne die sonst erforderlichen Maßnahmen zur Herstellung eines magnetisch freien Raumes, magnetische Wechsclfcldcr erfaßt werden können, deren 1 cldstärke auch einen Bruchteil der wirksamen Eeldstärkcschwankung des den Meßort umgebenden magnetischen Erdfeldes betragen darf. Indem nämlich ein einstellbarer ohmschcr /usat/widerstand. vorzugsweise parallel zum Erdwiderstand, in die an sich abgeglichene — elektronische Verstärkerschaltung eingefügt wird, ist di^ wirksame untere (ircnzfrcqucnz der gesamten Schaltanordnung, je nach gerade auszuschließenden Umgcbungsbedingungcn, einstellbar.

Fs ergibt sich so mit einer Schaltanordnung nach dieser Erfindung die vorteilhafte Möglichkeit. Präzisionsmessungen ohne besondere Aufwendungen zum Ausschluß der Erdfcldstärke mit ihren langsamen Änderungen wie bei den bekannten (ilcichfcldmagnetomclern erforderlich durchführen /u können, und das in einem Erequcnzbcreich. der sonst nur von Glcichfcklmagnetometcrn und dann normalerweise einschließlich aller überlagerter Störeinflüsse erfaßt werden konnte.

Auch der Einfluß von magnetischen Erdfeldschwankungcn oberhalb der unteren (ircnzfrcquenz. die (auf Cirund der Umgcbungsbcdingungen bei nicht magnetisch abgeschirmten Räumen) einem zu messenden inhomogenen magnetischen Wcchselfcld homogen als Störfcld überlagert sind, läßt sich, mittel seiner Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung, einfach eliminieren, indem die Aufnchmcrspulc in zwei Halbspulcn aufgespalten wird, die mit zueinander

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gegenläufigem Wicklungssinn koaxial mit bestimmtem Abstand angeordnet sind. Damit isl unmittelbar, also ohne den sonst üblichen Hinsalz von Diffcrcnz.vcrstärkcrn, das als solches in der Meßtechnik bekannte Verfahren zur Feldstürkc-Gradicntcnmcssung realisiert.

Fü die Messung interplanetarer magnetischer Gleich- und Wcchsclfclder ist die eiTiiidungsgcmäße Schaltanordnung ebenfalls besonders vorteilhaft einzusetzen, da sie sowohl die Funktion des Rotationsmagnetometers für empfindliche Glciehfcldmcssung als auch die I unklion einer ruhenden leerlaufenden Aufnehmerspule für Wcchsclfcldmcssung ersetzen kann und beiden Verfahren sowohl hinsichtlich McIlgenauigkeit als auch hinsichtlich schaltungslechnischem Aufwand überlegen ist.

Der FrfiiKlungsgedanke und die besonderen Vorteile dieser neuen Lösung sind nachstehend an Hand der Zeichnung an Anwcndungs- und Ausführtingsbcispiclen samt zugehörigen schaltungstechnischen Dimensioiiicrungsbc/ichungcn näher veranschaulicht. Fs zeigt

Fig. I eine Prin/ipdarstcllung der Anwendung dieser Erfindung für die magnetische Materialprüfung,

I- ig. 2 eine (irundschaltung der crfindungsgcmäUcn Sehaltanordnung aus Aufnehmerspule und nachgcschaltctcr einstufiger elektronischer Vcrstärkcrschal-

F'ig. 3 eine tabellarische Zusammenstellung der wichtigsten Beziehungen in der (irundschallung nach I'ig. 2 zum Nachweis der mit dieser Erfindung erreichbaren Vorteile,

I- ig. 4 als eine Weiterbildung nach lig. 2 eine zweistufige, frequenzabhängig gekoppelte, elektronische Verstärkerschaltung.

I ig. 5 die Anwendung einer Aufnehmerspulc aus zwei Halbspulen als Gradientenmeßsondc und mit einem einstellbaren ohmschen /usatzwidcrstand zur Beeinflussung der unteren Grcn/frcqucn/. der Schaltanordnung nach I ig. 2.

Fig. I zeigt als Prinzips!.izzc eine Anwendung einer Schallanordnung 1 nach dieser Erfindung zum Messen auch extrem niederfrequenter und schwacher magnetischer Wcchsclfclder (Quasiglcichfclder: (ekler 21, 22). hier als Hilfsmittel für die Werkstoffprüfung. Im dargestellten Beispiel werden als Meßobjekte magnetisch zu untersuchende Werkstücke 31, 32, 33 mittels einer Transporteinrichtung 4 in Richtung des Pfeiles 5 an der Schaltanordnung 1 vorbcigefiihrt. Letztere besteht aus einer Aufnehmerspule 6 mit nachgeschalteter elektronischer Verstärkerschaltung 7 und einem ein Meßsignal 8 gemäß gemessener Stärke der Felder 21. 22 angebenden Anzeige- oder Warngerät 9. Jedes gegebenenfalls von einem der Prüflinge (Werkslücke 31, 32. 33) ausgehende magnetische Feld 21, 22 durchsetzt die Aufnehmerspule 6. Auch wenn es sich bei solchen Feldern 21, 22 um Glcichfelder bandelt wird mittels der Schaltanordnung 1, auf Grund der Relativbewegung zwischen der Aufnchmerspule 6 und den Werkstücken 31, 32, 33. nur ein Quasigleichfeld. also ein sehr niederfrequentes magnetisches Wechsclfeld gemessen, dessen Frequenz über die Vorschubgeschwindigkeit der Transporteinrichtung 4 beeinflußbar isl.

Wie aus der Werkstoffkunde bekannt, beruht etwa ein Feld 21. das (Fig. I) vom mittleren Werkstück 31 aus fcrromagnctischcm Werkstoff ausgeht, auf einem Riß 10 in seiner Oberfläche.

Fine besondere Bedeutung wird der erfindungsgemäßen Schaltanordnung 1 bei der Prüfung von Werkstücken auf magnetische Reinheit zukommen, da auch sehr unhandliche, große Prüflinge sehr langsam an der Aufnchmcrspule 6 vorbeibewegt werden können, wobei nun obendrein etwaige Schwankungen dieser Bewegungsgeschwindigkeit ohne Einfluß auf die Genauigkeit des Mcßcrgcbnisscs sind. Bei einem magnetisch reinen Werkstück (z. B. Werkstück 33) dürfte, im

in Gegensatz zur links in Fig. 1 skizzierten Gegebenheit beim Werkstück 32. kein eigenes magnetisches Feld 22 auftreten.

Die Schaltanordnung 1 gemäß der vorliegenden Frfindung ermöglicht es nun, auch schwächste die

«5 Aufnehmerspule 6 durchsetzende magnetische Felder 21, 22 extrem niedriger Frequenz mcßlechnisch zu erfassen, ohne daß die Fmpfindlichkeit von der Frequenz und damit von der Translations- oder Rotationsgcsehwindigkeit des zu messenden Feldes 21. 22 beeinflußt wird.

Die erfindungsgemäßc Schaltanordnung 1 ist in einer Grundausführung in Fig. 2 detailliert dargestellt. Darin ist die Aufnehmerspule 6 gemäß den üblichen Frsatzschaltbildcrn der Flcktrotcchnik aufgcgliedert in ihre Induktivität /. und ihren ohmschen Eigenwiderstand Rl, wobei der (in Fig. 2 eingetragene) induktive Widerstand /">/. bekanntlich auch von der Kreisfrequenz <■> des zu messenden Wcchselfcldcs (Feld 21) abhängt. Die in die Aufnchmcrspule 6 induzierte Spannung auf Grund des zu messenden, die Aufnehmerspule 6 durchsetzenden, Feldes 21 ist als eingeprägte Spannung ll/f berücksichtigt.

Die der Aufnehmerspule 6 nachgeschaltctc elektronische Verstärkerschaltung 7 besteht im wesentlichen aus einem aus der elektronischen Schaltungstechnik geläufigen Operationsverstärker II, also aus einem verstärkenden aktiven Flemcnt. das durch the .retisch unendliche Verstärkung I^- charakterisiert ist. Die in üblichen Betricbsbcreichcn für die rechnerische Behandlung solcher elektronischer Operationsverstärker 11 gestattete Idealisierung einer unendlich großen Verstärkung I' bedeutet, daß die F.ingangsströme /1:1. 11.2 am Negativeingang 12 und am Positiveingang 13 vernachlässigbar klein und die Fingangsspannung Hl am Negativeingang 12 ebenso groß wie die Fingangsspannung 112 am Positiveingang 13 sind. Diese Voraussetzungen sind als Gleichung I in der Tabelle Fig. 3 zusammengefaßt.

Ein solcher Operationsverstärker II ist bekanntlich nur mittels geeigneter Beschattung durch Mitkopplungswiderstand RM, Gegcnkopplungswiderstand RG und Frdwiderstand RE stabil betreibbar. Dabei ist e< aus der elektronischen Schaltungstechnik geläufig, dal: insbesondere durch das Verhältnis zwischen Gegenkopplungswiderstand RG und Vorwiderstand, der irr dargestellten Schaltungsfalle in Fig. 2 identisch mil dem ohmschen Eigenwiderstand Rl der Aufnehmerspulc 6 ist, bzw. durch das Verhältnis von Mitkopp· lungswidcrstand RM zu Frdwiderstand RIi die wirk same Spannungsverstärkung der gesamten cleklroni sehen Verstärkerschaltung 7 vorgebbar ist.

Die besonders vorteilhafte Eigenart dieser Verstär leerschaltung 7, zusammen mit einer vorgegebener Aufnehmerspule 6 schwächste magnetische Wechsel feldcr (in Fig. 2 Feld 21) theorclisch auch noch bc beliebig tiefen Frequenzen frequenzunabhängig um mit hoher Empfindlichkeit zu messen, ist gerade dam erreicht, wenn der resultierende EingangswiderMam

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(in Fig. I symbolisch angedeutet als Rl) der gesamten Verstärkerschaltung 7 von gleichem betrage aber umgekehrtem Vorzeichen ist, wie der olimsche Eigenwiderstand R\ der Aufnehmerspule 6; dieses bedeutet einen idealen Kurzschlußbelrieb der Induktivität L der Aufnehmerspule 6 und ist gerade dann gewährleistet, wenn die Beschallung ties Operationsverstärkers 11 so gewählt ist, daß das Produkt aus Gegenkopplungswidersland RG und Erdwiderstund RE gerade so groß ist wie das Produkt aus Mitkopplungswiderstand RM und ohmschcm Eigenwiderstand R 1 der vorhandenen Aufnehmerspulc 6.

Daß gerade diese erfindungsgemäße Konstellation den optimalen Effekt ergibt, läßt sich aus den Beziehungen Gleichungen I bis 8 ve-ifi/iercn, die in Fig. 3 tabellarisch zusammengestellt sind, um die Übersichtlichkeit des laufenden Textes nicht zu beeinträchtigen.

Aus den sogenannten »Kirchhoffschen Regeln« sind die Beziehungen zwischen der Eingangsspannung U2 und der Ausgangsspannung Wa des Operationsverstärkers 11 herleitbar. Danach gelten, für die zulassige Fiktion eines idealen Operationsverstärkers 11 (in Fig. 3 als Gleichung I zusammengefaßt) und für den von der Aufnehmerspulc 6 gelieferten Spulenstrom ,""si, die Abhängigkeiten gemäß Gleichung 2 bis 4.

Durch Einsetzen dieser Abhängigkeiten ineinander und mit der bekannten Induklionsglcichung für die in einer Spule induzierte Spannung (Gleichung 5 mit der SpulengeomctrickonstantJ A', die Permeabilität μ,,. Windungszahl /; und Durchmesser el einer kreisförmigen Aufnehmcrspule 6 zusammenfaßt) ergibt sich die in Gleichung 6 niedergeschriebene Abhängigkeit zwischen der Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers 11, (d. h., für Fig. 2, des Meßsignalcs 8) und der zu messenden magnetischen Feldstärke .ö des zu messenden Feldes 21. Hierin ist zunächst noch wegen der Kreisfrequenz ei des zu messenden leides 21 eine FrcquenzabhängigLoit enthalten, die aber nun gerade dann entfällt, wenn gemäß dieser Erfindung die Beschallung des Operationsverstärkers 11 bei gegebener Aufnehmerspule 6 gemäß der Bedingung Gleichung 7 vorgenommen wird! Dann nämlich ist die Ausgangsspannung Wa unabhängig von der Frequenz der zu messenden Feldstärke .v> (siehe Gleichung 8): es ist also eine Schaltanordnung gefunden, die wegen ihrer frequenzunabhängigen Empfindlichkeit auch noch zum Messen bisher nichterfaßbar niederfrequenter schwacher magnetischer Wechselfclder ohne Empfindlichkeitseinbuße geeignet ist!

Dieses bedeutende Ergebnis, bei dem eine Frequenzabhängigkeit vollständig eliminierbar ist, besagt schaltungstechnisch zugleich, daß im Falle dieser speziellen Dimensionierung (Gleichung 7) die gesamte elektronische Verstärkerschaltung 7 im Anschluß an die Aufnehmerspule 6 ersetzt werden kann durch einen fiktiven ohmschen Eingangswiderstand Rl (siehe Fig. 1) von gleicher Größe aber umgekehrtem Vorzeichen wie dem ohmschen Eigenwiderstand Rl der Aufnehmerspule 6, deren vom zu messenden Feld (21) eingeprägte Spannung U E über die Induktivität L somit nun unmittelbar auf einen echten Kurzschluß Arbeitet. Das läßt sich für jene Dimensionicrung an Hand der Beziehungen in Fig. 3 verifizieren, wenn man davon ausgeht, dal! der Quotient aus Eingangsspannung IU des Operationsverstärkers U und Spulenstrom ^I von der Aufnehmerspule 6 gleich dem wirksamen Eingangswiderstand Rl der Verstärkcrschaliunc 7 ist ((ilcichung ¹J). Werden hier die Gegebenheiten gemäß Gleichung 2 und 3 eingesetzt und darin dann Gleichung 6 berücksichtigt, so ergibt sich (ilcichung 10, und aus einem Vergleich mit der Dimensionicrungsbedingung Gleichung 7 ist ersichtlich,daßder wirksame Eingangswiderstand Rl der Verstärkerschaltung 7 tatsächlich ebenso groß ist wie der ohmschc Eigenwiderstand Rl der Aufnehmerspule 6. allerdings mit negativem Vorzeichen, so daß letzterer vollständig kompensiert wird.

ίο Das die Aufnehmerspulc durchsetzende magnetische leid (Feld 21 in Fig. 2) liefert bei Einhalten dieser Bedingung (Gleichung 7) einen Kurzschlußstrom ,^N\ I (Gleichung II), dessen Größe ohne irgendeine I rcqucnzuhhängigkcil, also streng proportional der /u messenden Feldstärke >> ist, was durch Gleichung 12 erwiesen ir.t (aus Gleichung Il mit Gleichung 10, Gleichung 7 und 5).

Betrachtungen zur Stabilität einer solchen Verstärkerschaltung 7 werden weiter unten aufgeführt.

»o Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Grundschaltung gemäß Fig. 2, die es in Folge mehrstufigen Aufbaues der elektronischen Verstärkerschaltung 7 (hier: zweistufig) ermöglicht, Meßsignale 81 höherfrcqucnler Wechselfelder von im unte-

»5 ren Frequenzbereich gemessenen zu trennen und, da crsterc in vielen praktischen Anwendungsfällen eine verhältnismäßig kleine Amplitude aufweisen, zugleich zusätzlich zu verstärken. Fs galten für den Operationsverstärker 11 der ersten Stufe die gleichen Ansätze und Überlegungen, die für das Schaltheispiel gemäß Fig. 2 angestellt wurden.

Von besonderem Vorteil ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 die rrcqucniahhängig. Kopplung 16 /wischen beiden Stufen der Verstärkerschaltung 7, hier dargestellt als einfache kapazitive Kopplung 16. Während am Ausgang 15 des Operationsverstärkers H der ersten Stufe - gemessen gegen Masse das gleiche Mcßsignal 8 erscheint, wie in I"ig. 2, also eine Angabe über die resultierende Feldstärke .0 des !"ekles 21 unter Berücksichtigung aller darin vorkommender Frequenzkomponenten, bewirkt die Hochpaßkopplung (Kopplung 16), daß das Mcßsignal 81 am Ausgang 151 hinter der zweiten Stufe der Verstärkerschaltung 7 -■ gemessen gegen Masse nur solche Feldstärken .v> repräsentiert, die von hochfrequenten Komponenten des zu messenden Feldes 21 herrühren. Da im dargestellten Beispiel nach Fig. 4 die zweite Stufe der Verstärkerschaltung 7 keine Vorzeichenumkehr bewirkt (weil ihre Ansteuerung über einen Posiliveingang eines Operationsverstärkers 111 erfolgt), liefert diese erweiterte Schaltanordnung 1 zusätzlich noch — bei Messung zwischen den Ausgängen 15 und 151 — ein Meßsignal 82, das ausschließlich niederfrequente Feldanteile ■-- insbesondere ein im Feldgemisch enthaltene Quasigleichfeld _ repräsentiert.

So sind also mit dieser einzigen und wenig aufwen digen Schaltanordnung 1 simultane Magnetfeldnies sungcn in extrem unterschiedlichen Frequenzhereichci ermöglicht.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Schaltanord nung 1 sind Grenzfrequenzbetrachtungen von Inter esse, mit denen im vorliegenden Falle sogar noch ei weiterer vorteilhafter Anwendungsfall dieser Erfindun nachweisbar ist. Diese Betrachtungen werden wiedc auf Fig. 2 (bzw. die erste Verstärkerstufe in Fig. * bezogen.

Eine :»Here Grenzfrequenz, <J h. die höchste Fr( quenz mittels dieser Schaltanordnung 1 noch zu mc;

sender magnetischer Wechsclfeider, ist nicht durch die erfinduni.-sj-.cmäße Schaltanordnung I an sich, sondern allein d;-rch die obere Grenzfrequenz des in der elektronischen Verstärkerschaltung 7 benutzten Operationsverstärkers (11), gegeben.

Überlegungen hinsichtlich einer hei der praktischen Realisierung zu beachtenden unteren Grenzfrcqucn/ '■ή werden mit einer Stubililätshelrachlung des hesehaltelen Operationsverstärkers 11 verbunden, für die von der Übertragungsfunktion (ilcichung 13 (I ig. 3) auszugehen ist, die sich aus (ilcichung 6 mit 7 ergibt.

Ein aus iler l-'unktioncnthcoric bekanntes Stabilitätskriterium fordert, daß Realteil und Imaginärteil des komplexen Ausdrucks im Nenner der Übertragungsfunktion (ilcichung 13 gleiches Vor/eichen aufweisen müssen und der Realteil somit größer oder gleich Null sein muli Damit in der Praxis Sicherheit für die Stabilität der Verstärkerschaltung 7 (Hg. 2) gewährleiste· ist, muß das Produkt aus Eigenwiderstand R\ und Mitkopplungswiderstand RM um einen geringen Detrag größer sein als das Produkt aus Gegenkopplungswiderstand RG und Hrdwiderstand RE, d. h., eine bestimmte Abweichung von der idealen Abglcichbedingung (ilcichung 7 ist aus Gründen stabilen Iktriebcs der Verstärkerschaltung 7 zuzulassen. Damit ist nach Gleichung 14 die untere Grenzfrequenz. •■in der Schaltung definiert.

Die bei der Realisierung dieser Erfindung zuzulassende Abweichung von der idealen Abglcichbedingung Gleichung 7 ist im Interesse einer stabil arbeitenden Schaltanordnung 1 erforderlich in Folge der Unzulänglichkeiten realer Operationsverstärker 11 und langzeitlicher Veränderung von Bauelementen für seine Beschallung.

Schon mit einem denkbar einfachen Laboraufbau gemäß I-ig. 2 zur bloßen Demonstration der Funktionstüchtigkcit der erfindungsgcmäßen Schaltanordnung I, also ohne Verwendung von besonders ausgesuchten Bauelementen zum Aufbau der elektronischen Verstärkerschaltung 7, und mil einer einfach zusammcngewickcltcn Aufnehmerspule 6, ohne auf besonders hohe Spulengüte Wert zu legen (Induktivität /. 20 Henry bei einem ohmsehen Eigenwiderstand Rl von 1,5 k'ü) wurde mit RCi 100 k< > und RM 1.5 kii eine untere Grenzfreqiicnz <··ιι von 10 mil/ erreicht. also ein Wert, der keinen anderen, bekannten Meßanordnungen trotz ganz erheblichen Mehraufwandes jemals annähernd erreicht wurde.

Opiimicrungsüberlegungen zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung haben gezeigt, daß durch Verwendung von Aufnehmcrspulen 6 mit höherer Spulengüte und von guten Operationsverstärkern 7 untere Grenzfrequenz.cn «m erreichbar sind, die noch um mindestens eine Größenordnung tiefer liegen, als obiges Ergebnis. Eine rechnerische Abschätzung der Empfindlichkeit einer Schaltanordnung gemäß f- ig. 2 ergibt hinsichtlich der zu messenden Feldstärke .v? eine Empfindlichkeits-Dynamik zwischen 10 ^B und IO"^e Ampere pro Meter (1,25 · 10 ³ Ampere pro Meter entspricht etwa I /. zum Vergleich: die Frdfeldsiärke beträgt in Westeuropa etwa 70 Ampere pro Meter!) als mit Hilfe dieser Erfindung erfaßbaren Dynamikbereich auch niederfrequentester magnetischer Wechsclfel.ler.

line weitere Optimierungsüberlegung führt auf die Erkenntnis daß es im Interesse einer großen Empfindlichkeit der Schaltanordnung 1 vorteilhart ist. die Aufnehmerspule 6 von möglichst großem Durchmesser </ bei möglichst geringer Windungszahl η zu gestalten. Dieses Ergebnis kommt dem Bestreben der Praxis entgegen, mit möglichst wenig Aufwand eine möglichst vielseitig verwendbare Meßschaltung zu realisieren. Allerdings sind dieser letztgenannten Optimierungsübcrlegung gerade auch aus der Praxis Grenzen gesetzt. So wird die Abglcichbedingung um so kritischer exakt einzuhalten sein, je kleiner der vor der elcklroni.chcn Verstärkerschaltung 7 liegende ohmsehe Eigenwiderstand R\ der Aufnehmerspule 6 ist. Außerdem verbietet die Bclastbarkeitsgrcnze handelsüblicher Operationsverstärker 11 einen extrem geringen ohmschcn Eigenwiderstand R I. da dann bei vorgegebener wirksamer Verstärkung des Operationsverstärkers 11 — der Gcgcnkopplungswiderstand RCi entsprechend verkleinert werden müßte.

Mit Hilfe dieser Meßschaltung gelingt es also hei gegenüber den bisherigen Meßgeräten für Präzisionsmessung erstaunlich geringem Geräteaufwand, in bisher kaum erreichbare neue Bereiche der magnetischen Meßtechnik vorzustoßen. Da auch bei sehr niedriger Frequenz des zu messenden magnetischen Wcchselfcldes noch kleinste Feldstärken .ö frequenzunabhängig erfaßt werden können, ist nun der Aufbau extrem langsam sich drehender Scarch-Coil Magnetometer für indirekte Glcichfeldmcssung möglich, so daß die eingangs zitierten Schwierigkeiten hinsichtlich der Konstanz einer hohen Drehzahl und der damit zusammenhängenden mechanischen Probleme überwunden sind. Eingesetzt in Raumsonden, die für die Spinslabilisicrung etwa eine Umdrehung pro Sekunde ausführen, ist es mit der relativ einfachen Schaltanordnung gemäß dieser Erfindung möglich, interplanetare Magnetfelder von der Raumsonde aus zu erfassen, wobei nunmehr die Aufnchmcrspule 6 fest mit der Raumsonde verbunden ist. Die Bedeutung der Magnetfeldmessung auch schwacher Felder für die Werkstoffkunde ist bekannt, wobei jetzt bei Problemen wie der Überprüfung auf magnetische Reinheit an die präzi«.e Einhaltung einet bestimmten Geschwindigkeit beim Vorbeiführen der Werkstücke an der Meßanordnung keinerlei besondere Ansprüche mehr gestellt /u werden brauchen. Schließlich ist bei Anwendung dic-er Erfindung den in der Straßemerkehrsteehnik aufgetretenen Problemen abgeholfen, die darin bestanden, daß in den Straßenbelag eingelassene Magnetfeld-Meßsonden mr Fahrzeugzählung dann keinen /ählimpuls liefe.n. wenn ein Fahrzeug nicht mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit darüber hinwegfuhr und oder kein ausgeprägtes magnetisches Streufeld aufwies.

Es war schon festgestellt worden, daß bei nicht eingehaltener Abgleichbedingung (Gleichung 7 in Fig. 3) emc untere Grenzfrequenz <■>// auftritt, unterhalb derer die angestrebte Frequenzunabhängigkeit des Meßsignales 8 (siehe Fig. 2 oder 5) nicht mehr gegeben i.ii. Damit ergibt sich aber die in Fig. 5 berücksichtigte einfache Möglichkeil, mittels eines einstellbaren ohmschcn 7usatzwidcrstandes 17. der parallel zum Erdwiderstand /?/: zuschaltbar ist. die untere Grenzfrequenz "Ίΐ so einzustellen, daß extrem niederfrequente (auch inhomogene) Störfelder, die deutlich unterhalb der Frequenz von zu messenden Feldern 22 liegen, schon auf Grund geeignet eingestellter unterer Grenzfrequenz i-'ii sich nicht auf das Meßsignal 8 auswirken können. Solche extrem niederfrequenten Störfelder sind beispielsweise durch die täglichen Schwankungen des I rdmagnetfcldes (vgl. »Einführung in die Geophysik« von Walter Kertz, Hoehschultaschenbueh.

Bibliographisches Institut 1971) gegeben; deren störende Einflüsse auf Präzisionsmessungen können also, mittels dieser Weiterbildung der Erfindung, ohne besonderen Aufwand gezielt und wirksam unterdrückt werden. Den gleichen Effekt hat ein zusätzlicher, variabler Längswiderstand in Serie zur Aufnehmerspuleö; dann wäre es aber, zur Vermeidung einer Änderung der wirksamen Verstärkungdes beschalteten Operationsverstärkers 11,zweckmäßig,auch den Gegcnkopplungswiderstand RG gleichmäßig veränderbar zu machen.

Diese Erdfeldkompensation versagt aber, wenn die Netzsignale so niederfrequent sind, daß sie in den Frequenzbereich höherfrequenter Erdfeldschwankungen fallen.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung löst auch dieses Problem in einer Weise, die für die meisten praktischen Meiiprobleme wiederum trotz hochpräziser Feldmessung aufwendige Abschirmmaßnahmen erübrigt. Dazu wird von der Erkenntnis ausgegangen, daü die störenden Komponenten des Erdfeldes als homogene leider 19 (siehe F ig. 5) vorliegen, während im Verhältnis dazu die zu messenden I elder 22. beispielsweise eines auf magnetische Reinheit hin untersuchten Werkstückes 32, in vergleichbaren geometrischen Zuordnungen als inhomogen /u bezeichnen sind. Um diese Gegebenheiten auszunutzen, ist in I ig. 5 die Aufnehmerspule 6 in zwei Halbspulen 61 und 62 geleilt, die im definierten Abstand ti voneinander auf einer Längsachse 20 koaxial angeordnet und gegenpolig in Serie geschaltet sind.

Mit dieser Modifikation der Aufnehmerspule 6 ist es möglich, unmittelbar den Gradienten von Magnetfeldern zu messen, also ohne die bei üblichen Meßverfahren erforderlichen Zusatzschaltungen zur Differenzbildung zwischen je zwei Meßwerten an verschiedenen Punkten eines magnetischen Feldes zu benötigen. In beiden Halbspulen 61 und 62 erfolgt betragsmäßig die gleiche Induktion, aber zueinander in umgekehrtem Vorzeichen, so daß aus diesem homogenen Feld 19 kein Signal an die Verstärkerschaltung 7 gelangt. Gemessen werden folglich nun nur noch solche magnetischen Wechselfelder (in Fig. 5 feld 22). «iie zwischen den Orten der beiden Halbspulen 61 und 62 einen Gradienten aufweisen, die also über den Abstand α /wischen den beiden Halbspulen 61 und 62 nicht konstant sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuimui

Claims (10)

Patentansprüche

1. Schaltanordnung zum Messen auch sehr ■et»wacher magnetischer Wechselfelder unter Verwendung einer Aufnehmerspule mit induktivität und ohmschem Eigenwiderstand sowie einer nachgeschalteten elektronischen Verstärkerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verstärkerschaltung (7) in guter Näherung einen resultierenden Eingangswiderstand (Rl) von gleichem Betrage aber umgekehrtem Vorzeichen des ohtnschen Eigenwiderstandes (Rl) der Aufnehmerspule (6) aufweist.

2. Schaltanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (7) wenigstens aus einem mit Rückführungen beschalteten Operationsverstärker (II) besteht.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, d;iß der Operationsverstärker (11) einen Negativ-Eingang (12) und einen Positiv-Eingang (13) aufweist und von seinem Ausgang (15) mit einem Gegenkopplungswiderstand [R(J) an den Negativ-Eingang (12), an den zugleich die Aufnehmerspule (6) angeschaltet ist, und zusätzlich durch einen Mitkopplungswiderstand (R\f) vom Ausgang (15) an den Positiv-Eingang (13) beschaltet ist, an weichen letzteren gleichzeitig ein Erdwiderstand {RE) zum, für den Eingang (14) der Verstärkerschaltung (7) und den Ausgang (15) gemeinsamen, Nullpotential angeschlossen ist mit einer solchen Dimensionierungsbedingung. daß das Verhältnis des Produktes aus Erdwiderstand ( RE) und Gegenkopplungsvviderstand [Ro) ' :zogen auf den Mitkopplungswiderstand lR.\f) genau so groß ist wie der ohmsche Eigenwiderstand ί/?1ι der Aufnehmerspule (6).

4 Schaltanordnung nach einem oder mehreren der Anspruchs; 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (7) mehrstufig aufgebaut ist.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die mehrstufige Verstärkerschaltung (7) wenigstens eine frequenzabhängige Kopplung (16) aufweist

6. Schaltanordnung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Kopplung (16) Hochpaßcharakter aufweist.

7. Schaltanordnung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (7) zweistufig mit Hochpaßkopplung und ohne Vorzeichenumkehr in der zweiten Stufe, mit Dimensionierung der ersten Stufe gemäß Anspruch 3, ausgeführt ist und daß die Verstärkerschaltung (7) einen Ausgang (15) hinter der ersten Stufe und einen weiteren Ausgang (151) hinter der zweiten Stufe aufweist.

8. Schaltanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe der Verstärkerschaltung (7) die Verstärkung Eins aufweist.

9. Schaltanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8 für Vorgabe einer wählbaren unteren Grenzfrequenz der Schaltanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine definierte Abweichung >on der exakten Dimensionierungsbedingung vorgenommen wird.

10. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch Bekennzeichne», daß parallel zum Erdwiderstand [RE) ein einstellbarer ZusaUwiderstund (17) /uschaltbar ist.

II. Schaltanordnung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmerspule (6) in zwei Halbspulen i61, 62) mit zueinander gegenläufigem Wicklungssinn aufgeteilt ist, tue längs einer gemeinsamen Längsachse (20) in definiertem Abstand Ui) zueinander angeordnet sind.