DE2434374A1

DE2434374A1 - Magnetfeldsonde

Info

Publication number: DE2434374A1
Application number: DE2434374A
Authority: DE
Inventors: Donald Jacob Kesselring
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1974-07-17
Publication date: 1975-03-27
Also published as: SE7409314L; CA1004454A; SE390452B; US3873914A; IT1016284B; GB1428627A; FR2238162A1; JPS5911873B2; FR2238162B1; DE2434374C2; JPS5050971A

Description

Magnetfeldsonde

Die Erfindung bezieht sich auf Magnedfeldsonden und insbesondere auf Magnetometer, die die Größe und Richtung des Erdmagnetfeldes messen, und die als Navigations-Bezugsquellen für manövrierbare Fahrzeuge, wie z.B. Schiffe und Luftfahrzeuge verwendbar sind.

Magnetometer oder Magnetflußrohre werden seit langer Zeit in Kompaßsystemen verwendet, um eine Navigations-Bezugsinformation zu liefern. Typische und übliche Formen von Magnetflußrohren und Magnetflußrohr-Systemen sind in vielen Patentschriften und Anmeldungen der gleichen Anmelderin beschrieben, so z.B. in. den Deutschen Patentschriften 1 233 153 und 2 005 109, und in deutschen Offenlegungsschriften 2 115 988, 2 132 280 und 2 313 652. Die US Patentschrift 2 383 460, die Deutsche Patentschrift 2 005 109 und die Deutsche Offenlegungsschrift 2 132 280 zeigen ein typisches mehrschenkeliges Magnetflußrohr zur Messung der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes, während die Deutsche Patentschrift 1 233 153 sowie die deutsche Offenlegungsschrift 2 115 988 und die US Patentschrift 2 998 727 typische Magnetflußrohr- Kompaßsysteme zeigen, in denen auch die Magnetfeldsonde gemäß dieser Patentanmeldung mit Vorteil anwendbar ist. Es ist jedoch verständlich, daß die oben erwähnten Patentschriften nur zur

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Erläuterung dienen sollen und in keiner Weise einschränkend sind, da die hier beschriebene Magnetfeldsonde bei anderen Magnetflußrohranordnungen und Systemen verwendet werden kann, die Ai Maß der Richtung und Größe der Vertikalkomponente sowie der Horizontalkomponenten des Erdmagnetfeldes benötigen.

Zn dieser Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung eine beträchtliche Verbesserung gegenüber der Magnetflußrohr-Magnetfeldsonde nach der Deutschen Offenlegungsschrift 2 313 652 dar.

In der vorliegenden Beschreibung wird das mehrschenkelige Magnetflußrohr, das im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein dreischenkeliges Magnetflußrohr zur Messung der normalen Horizontal-Komponenten des Erdmagnetfeldes ist, gelegentlich als Magnetflußrohr-Grundelement bezeichnet. Es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung auch auf Magnetflußrohre mit beispielsweise 4 oder mehr Horizontalfeld-Meßfühlerschenkeln verwendbar ist, wobei die vertikalen Feldsonden symetrisch innerhalb der Winkel Zwischenxtfcone zwischen den Horizontalfeld-Feldsondenschenkeln angeordnet sind.

Wie es in der deutschen Offenlegungsschrift 2 115 988 beschrieben ist, kann ein einzelnes Magnetometerelement in Verbindung mit einem üblichen mehrsohenkligen Magnetflußrohr-Element verwendet und so angeordnet werden, daß es Komponenten des Magnetfeldes mlflt, die senkrecht die zu den von dem mehrechenkligen Element gemessenen Komponenten sind. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese vereinfachte Anordnung zur Messung der Größe tuid Richtung der normalen vertikalen Komponente des Erdmagnetfeldes mit dem'für Präzisions-Navigationssysterne erforderlichen Grad der Empfindlichkeit und Genauigkeit ungeeignet ist und daß diese Anordnung weiterhin keine mechanische Anordnung ergibt, die an Systeme anpaßbar ist, die pendelnd aufgehängte Magnetflußrohre benötigen, beispielsweise

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kompensierte pendelnd aufgehängte Systeme wie sie beispielsweise in der Deutschen Patentschrift 1 233 153 gezeigt sind. Beispielsweise ist die vertikale Feldsonde des Systems nach der US Patentschrift 2 628 25*1 mechanisch unsymmetrisch in Bezug auf das Magnetflußrohr-arundelement und ist daher bei Steuerkur β änderungen induzierten Fehlern ausgesetzt. Weiterhin kann diese Konstruktion nicht in einfacher Weise an eine pendelnd aufgehängte Anordnung derart angepaßt werden, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift 2 132 280 gezeigt ist.

Auch die Gesamtmagnetfeldsonde nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 313 652 weist bestimmte Nachteile auf. Einer dieser Nachteile ist die erhebliche Größe und die mechanische Kompliziertheit der Kollektorelemente der vertikalen Magnetfeldsonde und der zugehörigen Erregungswindungen, die diese Konstruktion in der Herstellung, im Zusammenbau, in der Eichung und beim Test schwierig machen, wobei alle diese Merkmale zu hohen Herstellungskosten beitragen. Zusätzlich erfordern die elektrischen Eigenschaften dieser Konstruktion beträchtlich mehr Elektronik und Schaltungen, so daß diese- Konstruktion in stärkerem Maße Kreuzkopplungs-Störungen ausgesetzt ist. Ebenso wie bei der Konstruktion nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 IL5 ist es unmöglich oder schwierig, die Magnetfeldsonde innerhalb üblicher oder annehmbarer Gehäuseabmessungen pendelförraig auszubilden.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Magnetfeldsonde umfaßt ein erstes Magnetflußrohr-Element mit einer Anzahl von Magnetfeld-Meßelementen, die unter gleichen Winkeln in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und Ausgangssignale liefern, die proportional zu den Komponenten des in der gemeinsamen Ebene liegenden Magnetfeldes sind, und ein zweites Magnetflußrohr-Element, das eine entsprechende Anzahl von Magnetfeld-Meßelementen

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einschließt, die symmetrisch zwischen den Elementen des ersten Magnetflußrohree angeordnet sind und ein Ausgangssignal liefern, das proportional zu den.Komponenten des Magnetfeldes senkrecht zur gemeinsamen Ebene ist.

Die erfindungsgemäße Magnetfeldsonde stellt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber den vorstehend beschriebenen bekannten Magnetfeldsonden dar und beseitigt die mechanischen und elektrischen mit diesen bekannten Magnetfeldsonden verbundenen Probleme oder verringert diese wesentlich. Bei der erfindungsgemäßen Magnetfeldsonde wird die Möglichkeit der Messung der Vertikalkomponente des Erdmagnetfeldes lediglich unter Inkaufnahme einer relativ einfachen Modifikation eines üblichen mehrschenkeligen Magnetfeldsonden-Grundelementes erdeIt, wie es ζ·Β· in der Deutschen Patentschrift 2 005 109 beschrieben ist, und das die normalerweise horizontalen Komponenten des Erdmagnetfeldes mißt, wobei die Modifikation in der Befestigung einer entsprechenden Anzahl von einschenkeligen Magnetometerelementen mit vertikal ausgerichteten Achsen symmetrisch zwischen den symmetrisch in Horizontalrichtunff^geordneten Schenkeln des Grundelementes steht. Die Anordnung ist derart, daß die vollständige Magnetfeldsonde fest oder penäelförnife befestigt und in dem üblichen Gehäuse untergebracht werden kann.

Wie es in der obengenannten US-Patentschrift 2 383 460 und der Deutschen Patentschrift 2 005 109 beschrieben ist, ist das Magnetflußrohr-Grundelement normalerweise mit drei relativ zueinander unter gleichen Winkeln angeordneten Kernschenkeln ausgebildet, beispielsweise mit drei sich in jeweils in Radialrichtung erstreckenden Kernschenkeln, die unter Winkeln von 120 Grad zueinander angeordnet sind. Das empfindliche Magnetometerelement liegt in einer gemeinsamen Ebene und bei einer

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Anwendung 1st es pendelnd in dem Erdmagnetfeld aufgehängt, sodaß sich die 3 Schenkel nach außen in Horizontalriohtung erstrecken und die Horizontalkomponenten des Erdmagnetfeldes vor Bestimmung der Azimutrichtung messen. Die Kernanordnung ist aus magnetisch hochpermeablem Material hergestellt. Eine Erregungswicklung wird mit einem geeigneten Wechselstrom bei einer Grundfrequenz erregt und erzeugt einen Wechselfluß in den Kernteilen des empfindlichen Elements, der zur Impulsmodulation des die Kernschenkel durchlaufenden Erdmagnetfeldes dient, und Abnehmerwicklungen, die jβweile mit den Kernschenkeln verbunden sind erzeugen einen Signalausgang mit der doppelten Frequenz in Abhängigkeit von dem Erdmagnetfluß, wobei dieser Signalausgang ziemlich genau eine Cosinusfunktion des Winkels zwischen einem bestimmten Schenkel und der Richtung des Erdmagnetfeldes darstellt. Die Abnehmerwicklungen sind miteinander in Mehrfachkreis- oder Mehrphasen-Weise zusammengeschaltet, um einen Ausgang zu liefern, der dem ähnlich ist, der von einem Dreiphasen-Ringfeldgeber (Selsyn) abgeleitet wird. Die Schenkel des empfindlichen Elementes sind mit genauen Kollektoren versehen, die sich seitlich von den äußeren Umfangsenden der Schenkel erstrecken. Diese Kollektoren bestehen ebenfalls aus magnetisch hoohpermeablem Material und dienen zur Vergrößerung der Dichte des Erdmagnetfeldflusses in den Schenkel-Induktoren. Die magnetische Kern- und Wicklungsanordnung ist auf einer nichtmagnetischen, beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Trägerkontruktion von allgemein kreisförmiger oder flachzylindrischer Form sehaltert, die mit geeigneten radialen Kanälen oder Schultern versehen ist, um den Kern, die Korrektoren und die. Spurenelemente aufzunehmen und zu befestigen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden 3 kleine Magnetometerelemente symmetrisch zwischen den horizontalen

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Annkreuzen der Sehenkel der Magnetfeldsonde angeordnet, wobei diese 3 kleinen Magnetometerelemente mit ihren empfindlichen Achsen senkrecht sur Ebene des Grundelernentes ausgerichtet sind. Jedes ditser Magnetometerelemente umfaßt Doppelspulen, die auf einem Isolierten Aluminium-Spulenkörper gewickelt sind, der ein Kernelement aus magnetisch hochpermeablem Material umgibt. Die diese Spulen einschließende Schaltung ist so verbunden, daß «in Sättigungsstrom durch die beiden Spulen in entgegengesetzten Riehtungen fließt, vorzugsweise mit der gleichen Frequenz wie die Erregung des Grundelementes,

wodurch sich eine zweite Harmonische proportional zur Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu den Komponenten ergibt , die das Grundelement niet« Die Spulen können in Reihe oder parallel geschaltet werden, sodaß sich ihre Ausgänge verstarken.

Die 3 kleinen symmetrisch angeordneten vertikalen Magnetfeldsondenspulen ergeben nicht nur eine minimale Änderung des üblichen Magnetflußrohr-Grundelementes sondern auch eine minimale elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den horizontalen und vertikalen Feldsonden und^eg*eben eine Mittelwert sblldungswirkung, beispielsweise eine Wirkung, die durch Steuerkursänderungen nioht beeinflußt wird.

Zusätzlich ermöglicht das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung die Einfügung der vertikalen Magnetfeldsonden in einem üblichen pendelnd aufgehängten Magnetflußrohrgehäuse, wobei es lediglich erforderlich ist, entsprechende kleine Löcher in der Pendelmasse vorzusehen, um irgendwelche vorspringenden Enden der Vertikal-Sondenspulen aufzunehmen. Alternativ kann das die Vertikalfeldmeßfühler einschließende empfindliche Element starin dem Gehäuse befestigt werden, wenn eine in einer festen Achse gelegene Gesamtfeldmessung erforderen oder gewünscht ist.

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Die summierten Ausgänge der Vertikalfeld-Meßfühler können in geeigneter Weise unter Verwendung des gleichen doppelten Frequenzbezuges demoduliert werden, wie das Magnetflußrohr-Grundelementsystem, so daß sich ein phasenstarres System ergibt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Xn der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht entlang der Linie I-I nach Fig 2 durch eine Ausführungsform einer Dreiachsen-Meßfühleranordnung der Magnetfeldsonde»

Fig. 2 eine.Draufsieht auf die Dreiachsen-Meßfühleranordnung entlang der Linie II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Einzelheit, die.den Aufbau eines der Vertikalfeld-Magnetometer-Meßfühler-Anordnung zeigt,

Fig. 4+5 typische Verdrahtungsschaltbilder der Meßfühleranordnung, wobei Fig. 4 eine Parallelschaltung der Vertikalfeld-Meßfühler zeigt, während Fig. 5 eine Serienschaltung dieser Meßfühler zeigt.

In den Fig. 1 und 2 ist ein bevorzugtes Ausführungebeispiel einer Magnetfeldsonde oder eines Magnetflußrohres zur Verwendung in Kompaßsystemen gezeigt, wobei die drei zueinander unter Winkeln von 120 Grad angeordneten Schenkel der Kernanordnung allgemein mit 1,2 und 3 bezeichnet sind. Eine in der Mitte angeordnete

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1 .11

Erregungsepule 4 und ein zugehöriger Kern dienen zur Erzeugung der magnetomotoriechen Erregungekraft und wenn diese Spule mit Wechseletrom erregt wird, fließt oder zirkuliert ein Erregungsfluß erst in der einen und dann in der entgegengesetzten Richtung durch alle Kernschenkel 1,2 und 3. Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, weist jeder Kernschenkel 1, 2 oder 3 obere und untere dünne flache Induktoren 5 bzw. 6 aus magnetisch hochpermeablen Material auf, die mit geringem Abstand und parallel in der Zone liegen, die von einer entsprechenden Abnehmerspule 7 umgeben ist. über den gesamten Bereich dieser Zone ist ein entsprechender von drei dünnen Isolierstreifen 8 zwischen jedem Paar von Induktoren 6 bzw. 5 eingefügt. In Richtung auf den Mittelpunkt des - ! Magnetflufirohres sind die Induktoren jedes Paares in gru&erem AusmaA gabelfOridC£QPo*n Erregungekern und die Spule H aufzunehmen. Bogenförmige Kollektoren 9 und 10 sind jeweils in j Kontakt »it den oberen und unteren Induktoren 5 und 6 jedes \ Schenkels 1, 2, oder 3 befestigt, um die Dichte de· die Sohenkel- : Induktoren durchlaufenden Brdnagnetfeldes zu vergrößern.

Wie es in Pig. 1 gezeigt ist* ist das den Kern und die Spulenanordnung umfassende empfindliche Element des Magnetfluftrohres in einem Trägerteil 11 alt geeigneten Ausnehmungen befestigt., das in dem dargestellten Ausfahrungsbeispiel mit pendelförmiger Aufhingung mit Hilfe eines allgemein mit 12 bezeichneten Universalgelenkes an einer oberen Wand 60 eines Gehäuses 13 aufgehängt ist, da· meinerseits genau in einem Fahrseug «it Hilfe eines geeigneten Befeetigungeflaneches befestigt ist. Das Genau·· 13 ist genau beiepielewei·· in einer Tragfläche oder der vertikalen Stabilisierung·flo··· eines Luftfahrzeug·· angeordnet und befestigt und dipeepfindliche Element 4·· MagnetfluArohres in d·« Trlgerteil 11 Ut »o aufgehängt, daft te pendelfömig derart herunterhängt, dal di· 9«h»nk«linduktor*n in allgeeein horizontalen Ebenen liegen» tine ••tow·!»· Ma··· 14 au· nicht «agnetieohe«

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BAD ORiOfNAL

Material, wie' z.B. Messing ist vorgesehen, um dem MagnetfIuA-rohr Pendelmomente zu erteilen und diese Masse 14 ist an der unteren Seite des Trägerteils 11 mit Hilfe von Schrauben und Muttern 14a befestigt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Eine kuppeiförmige Verkleidung 61 Jet an der oberen Wand 60 des Gehäuses 13 befestigt, um das empfindliche Element zu umgeben und diese Verkleidung 61 enthält üblicherweise eine Dämpfungsflüssigkeit, wie dies in der Technik gut bekannt ist.

Es sei bemerkt, daß das den Kern und die Spulenanordnung umfassende empfindliche Element so aufgebaut ist, daß es im wesentlichen symmetrisch um die Mittelebene 22 liegt, wie.dies in Fig. 1 gezeigt ist und diese Ebene kann als eine normalerweise horizontale Ebene in der beschriebenen pehdelförmig aufgehängten Ausführung betrachtet werden. Das Trägerteil 11, das pendelnd aufgehängt ist, ist so aufgebaut, daß es das empfindliche Element in dieser Weise haltert und um eine richtige Ausrichtung der. Kernachenkel 1, 2 und 3 und der Kollektoren 9 und 10 sicherzustellen, ist das Basisteil 11 mit Ausnehmungen versehen oder sp geformt, wie dies bei 23 zu erkennen ist, um drei Schlitze zu bilden, in die die drei Schenkel 1, 2 und 3 jeweils eingepaßt sind. Das empfindliche Element wird in diesen Sehlitzen und gegen die Oberflächen des Trägerteils 11 fest und sicher gehalten. Befestigungeeinrichtungen, wie z.B. die Mutter-15 an den zentralen Befestigungsbolzen 16 und Muttern 17 auf den in dem Trägerteil 11 eingebetteten Bolzen 18 sowie Klemmplatten 19 und Muttern 20 auf in dem Trägerteil 11 eingebetteten. Bolzen 21 werden mit Sorgfalt soweit angezogen, daß der richtige Einspannwert erreicht wird. Dadurch, daß sie an dem Mittelpunkt und an den dazwischenliegenden Punkten und an den Umfangezonen des.empfindlichen Elementes fest gegen die Oberfläche des Trägerteils angeordnet sind, werden die Kernteile, die Kollektoren und ähnliches in allgemein horizontaler Position symmetrisch um die Mittelebene ·

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gehalten, so da* sie so vollständig wi· möglich lediglich auf di· Horisontalkoeponente des Erdmagnetfeldes ansprechen.

Die vorstehende Besehreibung ist eine kurse Beschreibung eines typisohen mehreohenkellgen Magnetflu&rohres but Messung der QrUAe und Riohtung der Anteile, des Erdmagnetfeldes in der Ebene 22 der Schenkel I₉ 2 und 3. Wenn eine ausführlichere Beschreibung der Anordnung und der Betriebsweise des Magnetflußrohr-Grundelementes gewünscht ist, so kann auf die oben genannten Patentschriften und insbesondere die US Patentschrift 2 383 160, die Deutsche Patentschrift 2 005 109 und die Deutsche Offenlegungssehrift 2 132 280 verwiesen werden.

Erfindungsgemäß kann dieser grundlegende, gerade beschriebene Aufbau in einfacher und wirtschaftlicher Weise modifieiert werden, in dieses Grundelement von einer Zweiachsen-Magnetfeldsonde in eine Dreiachsen-Magnetfeldsonde umzuwandeln. Wie dies aus den Fig. 1 und 2 su erkennen ist, umfaßt diese Modifikation die Hintufügung von drei Vertikalfeld-Meßfühlern oder Magnetometerelementen 25« 26 und 27 susätzlich zu dem Magnetflußrohr-Qrundelement. Es 1st aus Fig. 2 su erkennen, daß diese zusätzlichen MeAfühlerelenente 25, 26 und 27 absolut symmetrisch entlang der Winkelhalbiesnden des. Winkels angeordnet bind, der durch die beiden benachbarten Schenkel definiert ist.

Wie es.in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, weist jedes der Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25, 26 oder 27 zwei Spulen 30, 31 auf, die auf einem isolierten Spulenkörper 32 wie s.B. aus isoliertem Aluminium gewickelt sind, der Endflansche 33, 34 und einen daswisohenliegenden Unterteilungsflansch 35 aufweist, wobei der obere Flansch.33 in der dargestellten Weise bei 62 in das Trägerteil 11 eingeschraubt ist. In einem zentralen oder achsialen Kanal des Spulenkörpers 32 erstreckt sich über die gesamte Länge

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dieses SpulenkOrpers ein magnetisch hochpermeabler Kern 36, der aus einer Anzahl von geschichteten Blechen besteht. In einem Aueführungsbeispiel umfaßt das Kernmaterial zwei dünne Bänder aus ή-79-Permalloy, die in dem Spulenkörper angeordnet sind und beiden Spulen gemeinsam sind.

Die Lage und GrOße der Vertikalfeld-Meftfühlerelemente 25, 26 und 27 ist sorgfältig gewählt. Wie dies insbesondere in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, sind die Spulen der Meßfuhlerelenente 25, 26 und 27 symmetrisch bezüglich der Erregungespule 4 des Grundelementes und der Abnehmerspule 7 jedes Schenkels des Grundelementes und außerdem vorzugsweise scjwelt wie möglich von diesen angeordnet. Die Meßfühlerelemente 25, 26 und 27 sind jedoch nicht soweit nach außen sum Umfang Os Trägerteils 11 hin angeordnet, daß ihre für einen ausreichenden Signalausgang erforderliche Länge sioh wesentlich über die äußere Oberfläche der Pendelmasse 14 hinaus erstreckt. Das Trägerteil ist daher genau parallel sur Vertikalaohse A des Magnetflußrohr-Qrundelementes an den dargestellten Stellen ausgebohrt» um drei vertikale Kanäle in dem Trägerteil 11 zu schaffen. Die obere innere Kante jedes Kanals ist bis eu einer Tiefe ungefähr der Dicke des Gewindeflansches 33 entsprechend, mit Gewinde versehen, so daß die obere Oberfläche jedes Meßftthlerelementes 25, 26 oder 27 nach dem Einbau in die Kanäle im wesentlichen mit der Oberfläche des Trägerteils 11 absehließt. Die Zuleitungen der Meßftthlerwlcklung können durch die Enden der Spulenkörper 32 herausgeführt werden, wie dies schematisoh angedeutet ist, um sie mit elektrischen Schaltungen eu verbinden, wie dies weiter unten beschrieben wird. Nachdem die Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25, 26 und 27 zu Anfang eingebaut sind, werden die Permalloy-Streifen des Kerns 36 sorgfältig periodisch so angeordnet, daß Harmonische weitgehend verringert werden, wobei gleichzeitig ein ausreichender

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Signalausgang aufrechterhalten bleiben muß. Wenn die Streifen schließlich vollständig eingestellt und geeicht sind, werden die Streifen des Kerns 36 an ihrem Platz unter Verwendung eines geeigneten Materials vergossen, wie z.B. Silikongummi oder Silastik.

Der Sinn der drei eine Doppelspule aufweisenden Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25, 26 und 27 anstelle nur eines Meßfühlerelementes besteht darin, eine räumlich kleine Anordnung und eine minimale Wechselwirkung zwischen den Horizontal- und Vertikalfeldmeßfühlern sowie eine Fehlermittelwert-Bildungswirkung zu erzielen, beispielsweise eine scheinbare Einspulenwirkung, die nicht durch den Steuerkurs beeinflußt wird. Dieser Mittelwertbildungseffekt beseitigt oder -verringert irgendeine "Abschattung" der Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25, 26 und 27 durch das Permalloy-Material der horizontalen Schenkel 1, 2, 3 wesentlich, wobei diese "Abschattung" anderenfalls, eine Abhängigkeit der Vertikalfeld-Meßfühlerausgänge von der Azimut-Ausrichtung der Horizontalfeld-Meßfühler ergeben würde. Der Meßfühler ist nicht magnetisierbar wie das Magnetflußrohr nach der Deutschen Patentschrift 2 005 109, weil sich das gesamte Permalloy-Material in den horizontalen und vertikalen Meßfühlerabschnitten in Sättigungskeisen befindet. Diese Sättigung beider Kreise beseitigt irgendeinen Restmagnetismus, der gegebenenfalls in den Permalloy-Material verbleiben könnte.

Wenn die Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25, 26 und 27 in einem pendelnd ' aufgehängten Magnetflußrohr zur Berechnung beispielsweise von KompensationeÄgtialen für die Coriolis- und die Zentripedalbeschleunigung verwendet werden, wie dies in der deutschen Patentschrift 1 233 153 beschrieben ist, wobei jedoch ein tatsächliches MaB der aagnetischen Vertialfeldko&ponente verwendet wird, anstelle diese Werte als eine Funktion des Breitengrades usw. abzuleiten, ist es lediglich erforderlich, Löcher

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am Umfang der Messing-Pendelmasse 11 auszubohren, um die unteren Enden der MeßfUhlerelemente 25» 26 und 27 unterzubringen, wie dies typisch bei 40 in Fig. 1 gezeigt ist.

Die elektrischen Verbindungen der Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25» 26, 27 sowie ihre elektrische Beziehung mit der Erregungsspule 4 und den Aufnehmerspulen 7 des Magnetflußrohr-Grundelementes sind schematisch in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigt, In den Figuren 4 und 5 sind die Verbindungen der Erregungs- und Abnehmerspulen des Magnetflußrohr-Grund-. elementes identisch und die Qesamtbetrlebsweise dieses Grundelementes entspricht im wesentlichen der. Betriebsweise, die in der US-Patentschrift 2 383 460 und den deutschen Patentschriften 1 233 153 und 2 005 109 beschrieben ist. Die Erregungsspule 4 wird mit einer einphasigen 400 Hz-Betriebsspannung gespeist, die den Leitungen 5· und 51 zugeführt wird und die zyklisch die Reluktanz der Kerne der Schenkel . 1,2 und 3 ändert, d.h. die das Kernmaterial periodisch sättigt und darauf diese Sättigung beseitigt, um auf diese Weise das Magnetflußrohr wirksam gegenüber irgendeiner Magnetfeldkomponente parallel zu den Kernschenkeln zu "..öffnen" und zu "schließen". Die Abnehmerspulen 7* 7* und 7" messen die in diesen eingekoppelte Magnetfeldkomponente und erzeugen eine Verdoppelte oder 800 He-Wechselspannung, deren Amplitude proportional zur Größe dieser Magnetfeldkomponente ist. Die Abnehmer- (d.h. Ausgangs-) spulen 7, 7* und 7" sind mit entsprechenden Wicklungen des Stators 52 eines Empfänger-Sjfichroe 53 verbunden, in dessen Rotor an der einzigen Wicklung eine Spannung erzeugt wird, die der resultierenden der von den Spulen 7» 7* und 7" gemessenen Magnetfeldkomponenten entspricht, wobei diese Resultierende in dem pendelnd aufgehängten Ausführungsbeispiel als der horizontale Ausgang des Magnetflußrohres bezeichnet wird. Dieses Signal kann durch

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irgendeine Anzahl von Arten von Nutzsystemen verwendet werden, von denen einige in den weiter oben genannten früheren Patentschriften beschrieben sind. Es ist verständlich, daß das Nutzsystera eine (nicht gezeigte) 800 Hz-Bezugsspannung zur Bearbeitung des Horizontalausganges von dem Synchro -Empfänger 53 einschließt.

Zn den Schaltbildern naoh den Fig. 3 und 4 sind die Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25» 26, 27 parallel geschaltet, wobei die entgegengesetzten Enden der Doppelspulen 30, 31, 30', 31', 30", 31" miteinander und an ihren inneren Enden jeweils miteinander verbunden sind. Der Spannungs-führende Anschluß der Einphasen-400 Hz-Betriebsspannung für die Erregungsspule 4 des Magnetflußrohr-Grundelementes ist mit der Mittelanzapfung 55 der Primärwicklung 57 eines Transformators 56 verbunden, dessen äußere Anschlüsse mit den gemeinsamen äußeren Enden

sind

der Spulen, 31, 31* 30¹, 31'i 30", 31" verbunderjrme gemeinsamen inneren Enden dieser Spulen sind mit der anderen oder Niederspannungsseite der Erregungsbetriebsspannung verbunden.

Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, fließen daher Sättigungsströme in entgegengesetzten Richtungen durch die oberen und unteren Spulen 30, 31i 30·, 31', 30", 31", sodaß der Meßfühler abwechselnd gesättigt oder entsättigt wird, so daß der Meßfühler für die Komponente des örtlichen Magnetfeldes "geschlossen" und "geöffnet" wird, die senkrecht zu der von dem Grundelement gemessenen Komponente steht. Weil die Erregungsströme in entgegengesetzten Richtungen durch die Transformator-Primärwicklung 57 fließen, erscheint kein Ausgang aufgrund dieser Erregung an der Sekundärwicklung 58 des Transformators 56. Wenn der Meßfühler jedoch "geöffnet" und "geschlossen" wird, erzeugt die einseitig gerichtete Magnetfeldkomponente, die durch die Permalloy-Kerne 36, 36·, 36" hindurchgekoppelt wird, einen Strom durch beide Spulen 3O,31i 3Ο*,31'; 30", 31" und erzeugt «ine resultierende Spannung längs der Primärwicklung

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57» die direkt an die Sekundärwicklung 58 angekoppelt ist, um eine Auegangsspannung zu liefern, die proportional zur Größe dieser Magnetfeldkomponente ist. Dieser Ausgang kann als der VertSeiausgang des 3-Achsen-Meßfühlers bezeichnet werden.

Das elektrische Schältbild nach Fig. 5 zeigt eine Reihenschaltung der Vertikalfeld-Meßfühlerelemente 25, 26 und 27. In diesem Fall sind die oberen Spulen 30, 30', 3o" in Reihe mit einer Seite der Transformator-Primärwicklung 57 verbunden, während die unteren Spulen 31» 31', 31" in Reihe mit der anderen Seite der Primärwicklung 57 verbunden sind. Die Betriebsweise der Vertikalfeld-Meßfühlerelemente bei dieser Reihenschaltung entspricht der Betriebsweise des anhand der Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiels, so daß eine weitere Erläuterung nicht erforderlich ist.

Patentansprüche

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Claims

** I^ 663

Patent ansprüc he

fl«/Magnetfeldsonde mit einem ersten Magnetflußrohr mit einer Anzahl von Magnetfeld-Meßfühlerelementen, die unter gleichen Winkelabständen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und Ausgangssignale liefern, die proportional zu den Komponenten des Magnetfeldes sind, die in dieser gemeinsamen Ebene liegen, gekennzeichnet durch ein zweites Magnetflußrohr mit einer entsprechenden Anzahl von Magnetfeld-Meßfühlerelementen (25» 26, 27), die symmetrisch zwischen den Elementen (1,2,3) des ersten Magnetflußrohres angeordnet sind und ein Ausgangssignal liefern, das proportional zu den Komponenten des Magnetfeldes senkrecht zu der gemeinsamen Ebene (22) ist.
2. Magnetfeldsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß di« Meßfühlerelemente (1,2,3) des ersten Magnetflußrohres in Radialrichtung unter gleichen Winkelabständen angeordnet sind und eine gemeinsame Erregungsspule (4) einsehließen, di· zentral bezüglich dieser Meßfühlerelemente angeordnet ist und daß die Meßfühlerelemente (25,26,27) des zweiten Magnetflußrohres symmetrisch zwischen den Meßfühlerelementen (1,2,3) des ersten Magnetflußrohreβ derart angeordnet sind, daß Kreuzkopplungseffekte zwischen der gemeinsamen Erregungsspule (U) und den Meßfühlerelementen (25,26,27) des zweiten Magnetflußrohres auf ein Minimum verringert sind.
3· Magnetfeldsonde nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zweite

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Erregungaepulenelemente (30, 3D* die auf den Meßfühlerelementen (25*26,27) des zweiten Magnetflußrohres angeordnet sind und auf die gemessenen Komponenten ansprechen, um das Ausgangssignal proportional zur Größe der Komponenten des Magnetfeldes senkrecht zu der genannten Ebene (22) abzuleiten.
4. Magnetfeldsonde nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Erregungsspulenelemente (30,31) zwei Spulen (30,31) und Einrichtungen (50,51) zur abwechselnden Erregung jeder der Spulen in dem Spu^enpaar (30,31) in entgegengesetzten Richtungen zur abwechselnden Sättigung und EntSättigung des Kernelementes und Einrichtungen (56,57, 58) zur Messung von Strömen längs beider dieser Spulen des Spulenpaars in Abhängigkeit von den senkrecht verlaufenden Magnetfeldkomponenten einschließen.
5. Magnetfeldsonde nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der zweiten Erregungsspulenelemente (30,31) parallel an die gemeinsame Erregungsspule (4) angeschaltet ist.
6. Magnetfeldsonde nach Anspruch 3 oder'4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite Erregungsspulenelement (30,31) in Reihe mit der gemeinsamen Erregungsspule (4) geschaltet ist.
7. Magnetfeldsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Magnetflußrohr ein allgemein ebenes, zylindrisches, nichtmagnetisches Trägerteil (11) zur Halterung der ersten Magnetflußrohr-Meß-. fühlerelernente (1,2,3) in der gemeinsamen Ebene einschließt, und daß jedes der Meßfühlerelemente (25,26,27) des zweiten Magnetflußrohres ein langgestrecktes Magnetkern- und

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Wicklungselement (32) und Einrichtungen (33) längs der Kern- und Wicklungsteile (32) in dem Trägerteil (11) derart einschließt, daß die Längsabmessung dieser Kern- und Wicklungsteile (32) senkrecht zur gemeinsamen Ebene (22) verläuft.
8. Magnetfeldsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke des Trägerteils (11) über und unter die gemeinsame Ebene (22) erstreckt und daß die Kern- und Wicklungsteile (32) des zweiten Magnetflußrohres sich durch die Dicke des Trägerteils (11) hindurcherstrecken, um die Dicke der Gesamtanordnung auf ein Minimum zu bringen.
9· Magnetfeldsonde nach Anspruch 7» oder 8, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer oberen Tragwand (60) und einer allgemein halbkugelförmigen Bodenwand (61), Einrichtungen (12) auf der oberen Seite des Trägerteils (11) sur schwenkbaren Halterung des Trägerteils (11) an der oberen Gehäusewand (60) für eine freie Winkelbewegung ua «wei sueinander senkrecht stehenden Achse, die parallel su der gemeinsamen Ebene (22) verlaufen, und eine teilkugelförmige Masse (14), die an der unteren Seite des Trägerteile (11) befestigt ist, um dem Trägerteil (11) Pendelmonente derart su erteilen, daß das Trägerteil (11) in einer im wesentlichen horizontalen Ebene gehalten wird.
10. Magnetfeldsonde nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen (33) für die Kern- und Wicklungsteile (32) Löcher (40) ein-' schließen, die in den Trägerteil (11) senkrecht zu der gemeinsamen Ebene (22) ausgebildet sind und daß die Einrichtungen sur Befestigung der Kern- und Wicklungsteile

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(32) in den Löchern (ΊΟ) GewindeVerbindungseinrichtungen (62) umfassen.
11. Magnetfeldsonde nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Kern- und Wicklungsteile (32) einen langgestreckten hohlen Spulenkörper (32) mit einem hindurchgehenden Axialloch und eine darauf aufgebrachte Wicklung (30,31) sowie eine Anzahl von Streifen (36) aus magnetisch hochpermeablen Material einschließt, das in dem hohlen Spulenkörper (32) angeordnet ist.

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