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Magnetometer mit einem ersten Stromkreis, in dem sich ein magnetfeldempfindliches
Organ befindet, und mit einem zweiten Stromkreis, der ein gleichstromdurchflossenes
Kompensationssolenoid enthält Die Erfindung bezieht sich auf Magnetometer, wie sie
für die Bestimmung irgendeiner Komponente eines Magnetfeldes durch eine einzige
Messung verwendet werden.
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Es sind Magnetometer bekannt, die ein auf das Magnetfeld ansprechendes
Organ enthalten und in welchen ein entgegengesetztes Magnetfeld durch einen Strom
erzeugt wird, der ein Solenoid durchfließt, das dieses ansprechende Organ umgibt,
wobei die Feldstärke durch die Größe des Stromes bestimmt wird, der notwendig ist,
um den Ausschlag des in den Stromkreis des für das Magnetfeld empfindlichen Organs
eingeschalteten Galvanometers wieder auf Null zu bringen.
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Ein derartiges Magnetometer ist in Fig. l schematisch dargestellt.
In dieser Figur speist ein Wechselstromgenerator 1 die Primärwicklung eines Transformators
2. 3 a und 3b stellen zwei identische Solenoide dar, in deren Innerm sich die Kerne
9 a bzw. 9b aus einer ferromagnetischen Legierung mit großer Anfangspermeabilität
befinden. Ein Wicklungsende jedes dieser Solenoide ist mit einer äußeren I(lemme
der Sekundärwicklung des Transformators 2 verbunden, während die beiden anderen
Enden im Punkt 10 vereinigt sind. Zwischen der Mittelanzapfung 11 der Sekundärwicklung
des Transformators 2 und dem gemeinsamen Punkt 10 der beiden Enden der Solenoide
3 a und 3b ist ein Gleichstromgalvanometer 4 geschaltet, mit dessen Klemmen ein
Kondensator 5 verbunden ist. Über die beiden Solenoide 3 und 3b ist ein drittes
Solenoid 6 gewickelt, das im folgenden als Kompensationssolenoid bezeichnet wird
und das in einen Stromkreis geschaltet ist, der eine Gleichstromquelle7, einen Regelwiderstand
8, einen Umschalter 12 und ein Milliamperemeter 13 enthält.
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Wenn auf die Kerne 9 a und 9b kein Magnetfeld wirkt, sättigen sich
diese zeitlich symmetrisch, wobei die Magnetisierungskurven dieser Kerne um 1SOC
phasenverschoben sind. so daß der Zweig 10-11 stromlos ist. Wenn ein äußeres Magnetfeld
auf die Kerne 9a und 9 b wirkt, erzeugt die der magnetischen Achse dieser Kerne
folgende Feldkomponente eine Unsymmetrie in der Magnetisierung der Kerne 9 e und
9 b. Diese Unsymmetrie bewirkt eine Verzerrung der Stromkurven, welche dem Auftreten
von Oberwellen gerader Ordnung im Magnetisierungsstrom entspricht; z. B. mit Hilfe
zweier nicht linearer Widerstände 24a, 24 b, die man in Reihe mit den Wicklungen
3 a und 3b schalten kann, erhält man im Zweig des Galvanometers 4 einen gleichgerichteten
Strom. dessen Wechselkomponente vom Kondensator 5 kurzgeschlossen wird. Dieser Strom
ruft einen Ausschlag des Galvanometers 4 hervor. Man schickt nun durch das Solenoid
6 einen Strom, dessen Richtung und Größe so gewählt sind, daß der Zeiger des Galvanometers
4 wieder auf den Nullpunkt seiner Skala zurüchkehrt. Der Strom, der in dem Solenoid
6 notwendig ist, um den Strom im Zweig 10-11 auf Null zu bringen, wird mit dem Milliamperemeter
13 gemessen. Dieser Strom ist der Feldkomponente proportional, die in Richtung der
magnetischen Achse der Kerne 9 a und 9 b verläuft. Das Milliamperemeter 13 kann
eine Einteilung in Gauß (oder in Bruchteilen von Gauß) besitzen, so daß sein Zeigerausschlag
direkt die Feldkomponente anzeigt, die in der magnetischen Achse der Kerne 9 a und
9 b verläuft.
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Dieses Magnetometer hat den Nachteil, daß ein Bedienungsmann erforderlich
ist, um den Strom im Stromkreis des Solenoids 6 nachzuregeln, wenn sich das angezeigte
Magnetfeld ändert.
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Die Erfindung hat den Zweck, diesen Nachteil zu vermeiden, indem
eine Vorrichtung zur automatischen Regelung des Stromes in dem Kompensationssolenoid
vorgesehen wird. Diese Regelvorrichtung steht unter
dem Einfluß
des Ausgleichsstromes, der infolge der magnetischen Unsymmetrie in mindestens einem
der Kerne aus einer Legierung mit hoher Anfangspermeabilität auftritt.
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Es sind bereits Anordnungen bekannt, bei denen eine auf Änderungen
des Magnetfeldes ansprechende Vorrichtung in einem Brückenzweig liegt, wobei der
in der Brückendiagonale auftretende Ausgleichsstrom nach Verstärkung zur Kompensation
des zu messenden Magnetfeldes dient. Bei diesen Anordnungen ist aber der Arbeitspunkt
sowie die Anzeige abhängig vom Verstärkungsgrad und wird stark von Nichtlinearitäten
in der Kennlinie der feldempfindlichen Vorrichtung beeinflußt.
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Erfindungsgemäß besteht die in der Brückendiagonale angeordnete,
auf den Ausgleichsstrom ansprechende Vorrichtung aus einem Galvanometer mit richtkraftloser
Drehspule, die mit dem veränderlichen Teil einer Vorrichtung verbunden ist, welche
selbsttätig den Gleichstrom im Kompensationskreis derart regelt, daß der Ausgleichsstrom
im Meßkreis verschwindet. Richtkraftlose Galvanometer sind an sich seit längerem
bekannt, sind aber bisher nicht zur Messung von Magnetfeldern herangezogen worden.
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In den dargestellten Beispielen ist die selbsttätige Kompensationseinrichtung
ein Meßumformer, bei dem die ohne Rückstellmoment arbeitende Drehspule des in den
Stromkreis des für das Magnetfeld empfindlichen Organs eingeschalteten Galvanometers
mit dem veränderlichen Element einer Einrichtung verbunden ist, die es ermöglicht,
einen Gleichstrom durch das Solenoid 6 zu schicken, wobei sich Richtung und Größe
dieses Stromes automatisch so regeln, daß eine Kompensation der Veränderungen des
Magnetfeldes in dem empfindlichen Organ des Magnetometers erreicht wird.
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Das Solenoid 6 kann mehrere Abschnitte besitzen, wodurch ermöglicht
wird, den Meßbereich des Magnetometers zu verändern.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das für Magnetfelder
empfindliche Organ außer vom Solenoid 6 von einem zweiten Solenoid umgeben, das
an die Klemmen einer Gleichstromquelle angeschlossen ist, deren Stromstärke durch
den Bedienungsmann oder durch eine selbsttätige Einrichtung regelbar ist, wodurch
ermöglicht wird, zunächst das Erdfeld oder das Magnetfeld, dessen Veränderungen
man später feststellen will, zu kompensieren.
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Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
der die Gleichstromquelle enthaltende Stromkreis parallel zu den Klemmen des Solenoids
6 geschaltet, so daß der dieses Solenoid durchfließende Gesamtstrom gleichzeitig
das Erdfeld (oder das Magnetfeld. dessen Änderungen man fest stellen will) und die
Veränderungen dieser magnetischen Felder kompensiert.
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Das obenerwähnte Ausführungsbeispiel kann folgende Änderungen aufweisen:
Ein zu den Klemmen des Solenoids 6 parallel geschalteter Stromkreis mit einem Universalwiderstand
wird in die automatische Kompensationseinrichtung so eingeschaltet, daß sich der
Ausgangsstrom dieser Einrichtung auf den Nebenwiderstand und das Solenoid verteilt.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umgibt das Kompensationssolenoid
nur einen der beiden Kerne aus ferromagnetischer Legierung mit großer Anfangspermeabilität.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf gewisse Anwendungen der genannten
Anordnungen, insbesondere auf die Anwendung für die Messung von Gleichstrom
hoher
Stromstärke, die auf der Messung der Wirkung des Magnetfeldes beruht, das durch
die von einem solchen Strom durchflossene Stromschiene erzeugt wird.
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Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 stellen verschiedene Ausführungsbeispiele der
Erfindung dar; in Fig. 7 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt,
wie es für die Messung von Gleichstrom hoher Stromstärke angewendet wird; Fig. 8
zeigt eine Abwandlung der Fig. 7, bei welcher das für das Magnetfeld empfindliche
Organ durch zwei magnetische Kreise gebildet wird, welche den Leiter, der von einem
starken Gleichstrom durchflossen wird, umgeben.
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In Fig. 2, in der 1, 2, 3a, 3b, 5, 6, 10, 11 und 13 dieselbe Bedeutung
haben wie in Fig. 1, stellt 14 die Drehspule (ohne Rückstellmoment) eines Galvanometers
dar, dessen Achse 15 mit dem veränderlichen Element 16 verbunden ist, das in diesem
Ausführungsbeispiel ein Kondensator ist. Die Drehspule 14 ist in den Stromkreis
10-11 in derselben Art eingeschaltet wie das Galvanometer 4 der Fig. 1. Eine der
Belegungen 17 des Kondensators 16 ist auf der Welle 15 befestigt. Dieser Kondensator
besitzt zwei feste Belegungen, von denen die eine, 18, mit einem Oszillator 20 verbunden
ist, der zwischen dieser Belegung und der Masse 22 eine Hochfrequenzspannung erzeugt
und dessen andere Belegung 19 mit dem Ende einer Impedanz 21 verbunden ist, deren
anderes Ende an der Masse 22 liegt. Man erhält so an den Enden der Impedanz 21 eine
Potentialdifferenz, die eine Funktion der Stellung der beweglichen Belegung 17 und
somit eine Funktion der Stellung der Drehspule 14 ist.
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Die Klemmenspannung der Impedanz 21 wird den Eingangsklemmen eines
Anzeigeverstärkers 23 irgendeiner bekannten Type zugeführt.
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Die an den Ausgangsklemmen dieses Anzeigeverstärkers entnommene Gleichspannung
wird einem Stromkreis zugeführt, der aus dem Solenoid 6 und dem Milliamperemeter
13 (mit Gauß-Einteilung) besteht.
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Wenn das angezeigte Magnetfeld schwankt, schlägt die Drehspule 14
in dem einen oder anderen Sinne aus, wodurch sich die Kapazität des Kondensators
16 als Folge des Ausschlages der Belegung 17, die mit der Drehspule 14 verbunden
ist, ändert. Daraus ergibt sich eine Stromänderung in der Impedanz 21 und dadurch
eine Spannungsänderung an den Ausgangsklemmen des Anzeigeverstärkers 23. Diese Spannungsänderung
zieht eine Stromänderung in dem Solenoid 6 nach sich, die in ihrer Richtung und
Größe so bemessen ist, daß der durch dieses Solenoid erzeugte magnetische Fluß die
Änderung der angezeigten Magnetfeldkomponente vollkommen kompensiert. Man erhält
also so eine selbsttätige Regelung des zur Messung dieses Magnetfeldes dienenden
Stromes.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die dargestellte Einrichtung
dieselbe wie in Fig. 2, jedoch sind die Solenoide3a und 3b außerdem von einem zweiten
Solenoid 6' umgeben, das in einen Stromkreis, der eine Gleichstromquelle 31, einen
veränderbaren Widerstand 32, einen Umschalter 33 und ein Milliamperemeter 34 enthält,
geschaltet ist.
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Der Vorteil dieser Anordnung ist der, daß man zuerst die Komponente
des Erdfeldes, die in der magnetischen Achse der Kerne 9 a und 9 b verläuft, kompensieren
kann oder die des Magnetfeldes, dessen Änderungen man später feststellen will. In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Strom im Stromkreis des Solenoids
6' durch den Bedienungsmann geregelt,
indem er den Regelwiderstand
32 so einstellt, daß der Zeiger des Milliamperemeters 13 wieder auf den Nullpunkt
seiner Skala zurückkehrt. Unter diesen Bedingungen schlägt der Zeiger des Milliamperemeters
13 nur aus, wenn das angezeigte Magnetfeld sich verändert. Diese Anordnung gestattet
es, die Empfindlichkeit des Magnetometers in hohem Maße zu steigern.
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Die Größe des Gesamtfeldes wird in jedem Augenblick durch Summierung
der Ausschläge der beiden Milliamperemeter 34 und 13 erhalten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 beruht die dargestellte
Einrichtung auf demselben Prinzip wie die der Fig. 3, jedoch wird der für die Kompensation
der Komponente des Erdfeldes oder des Magnetfeldes, dessen Änderungen man feststellen
will, dienende Stromkreis (der aus der Gleichstromquelle 31, dem Regelwiderstand
32, dem Umschalter 33 und dem Milliamperemeter 34 besteht) parallel zu den Klemmen
des Solenoids 6 geschaltet. Diese Anordnung ermöglicht es, das zweite Solenoid wegzulassen,
das in Fig. 3 bei 6' angegeben ist.
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Fig. 5 stellt eine Änderung des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels
dar. Ein Universalwiderstand 101 mit vielfachen Abgriffe und ein Festwiderstand
102 werden parallel zu den Klemmen des Solenoids 6 geschaltet. Der Universalwiderstand
101 ist außerdem in den Ausgangsstromkreis des Anzeigeverstärkers 23 in Serie mit
dem Milliamperemeter 13 geschaltet.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 umgibt das Solenoid 6, das
der selbsttätigen Kompensation dient, nur den Magnetkern 9 a. Das bisherige Solenoid
6' besteht nun aus zwei Wicklungen 6'a und 6'b. Auf diese Art kann man die beiden
empfindlichen Organe voneinander trennen und sie eventuell in großer Entfernung
voneinander anbringen.
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Die beiden empfindlichen Organe werden zuerst in das gleiche Feld
gebracht, wobei der Strom in den Wicklungen 6'a und 6'b so geregelt wird, daß das
Nililliamperemeter 13 auf Null geht.
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Nachdem das Magnetometer so geeicht wurde, versetzt man das empfindliche
Organ, welches den Kern 9 a enthält, in eine gewisse Entfernung. Wenn das Feld dasselbe
ist wie vorher, bleibt der Ausschlag des Milliamperemeters auf Null, im umgekehrten
Fall schlägt es aus und zeigt die Abweichung zwischen den beiden Feldern direkt
an.
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Die angeführten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nicht erschöpfend.
Die Erfindung umfaßt vielmehr alle möglichen Ausführungsarten, die dasselbe Prinzip
und denselben Gegenstand betreffen wie die vorher erwähnten Anordnungen.
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Insbesondere kann das veränderliche Element, das mit der Drehspule
(ohne Rückstellmoment) des Galvanometers verbunden ist (welches in den dargestellten
Ausführungsbeispielen die bewegliche Belegung eines Kondensators ist), die bewegliche
Wicklung einer Gegeninduktionsspule sein, die in dem Feld angebracht ist, welches
von der festen, mit Wechselstrom gespeisten Wicklung erzeugt wird. Dieses veränderliche
Element kann auch ein Spiegel sein, der ein Lichtstrahlenbündel auf eine photoelektrische
Zelle reflektiert, oder auch eine Bolometereinrichtung.
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Fig. 7 stellt schematisch die Einrichtung der Fig. 2 dar, die für
die Messung eines Gleichstroms hoher Stromstärke angewendet wird, der in einer Stromschiene
fließt.
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In dieser Figur, in der die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2
verwendet werden, stellt B eine Schiene
dar, die von einem Gleichstrom hoher Stromstärke
durchflossen wird. Dieser Gleichstrom erzeugt, wie bekannt, ein Magnetfeld H, dessen
Kraftlinien kreisförmig um die Schiene B als Achse verlaufen. Die Größe dieses Feldes
ist proportional dem die Schiene B durchfließenden Gleichstrom J und umgekehrt proportional
dem Abstand des Mittelpunktes der Schiene von dem für das Magnetfeld empfindlichen
Organ. Die Bestimmung des von dem die Schiene B durchfließenden Strom J erzeugten
Magnetfeldes läßt also leicht dessen Stromstärke bestimmen, wenn man den Abstand
des Mittelpunkts der Schiene von dem für das Magnetfeld empfindlichen Organ kennt.
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In Fig. 8 sind die Kerne 9 a und 9 b aus ferromagnetischer Legierung
mit großer Anfangspermeabilität ringförmig und umgeben die Schiene B.
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PATENTANSPROCHE: 1. Magnetometer mit einem ersten Stromkreis, in
dem sich wenigstens ein für das Magnetfeld empfindliches Organ befindet, einer auf
den Ausgleichsstrom in diesem Stromkreis ansprechenden Vorrichtung und einem zweiten
Stromkreis, der ein wenigstens eines der für das Magnetfeld empfindlichen Organe
umgebendes EZompensationssolenoid enthält und von einem Gleichstrom durchflossen
wird, der in dem Solenoid ein dem auf das empfindliche Organ einwirkenden Magnetfeld
entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Ausgleichsstrom
ansprechende Vorrichtung aus einem Galvanometer besteht, dessen Drehspule kein Rückstellmoment
aufweist und mit dem veränderlichen Teil einer Vorrichtung verbunden ist, welche
selbsttätig den Gleichstrom im Kompensationskreis derart regelt, daß der Ausgleichsstrom
im Meßkreis verschwindet.