DE2411281A1 - Magnetometer measurement of smallest magnetic fields or variation - uses magnetic indicator with constant magnetic moment and symmetrically arranged capacitors - Google Patents

Abstract

The magnetic indicator rotates through an axis which is vertical to the direction of the magnetic moment. Two three-plate capacitors are symmetrically arranged relative to this axis. Both centre plates are in a plane comprising the axis and with the indicator make up one unit. The plates which are positioned diagonally opposite relative to the axis, are connected for electric conduction. The unit consisting of centre plates and indicator is suspended by two torsion threads in the direction of the axis. The torsion threads feature different thermo-elastic coefficients and at least one thread is electrically conductive.

Description

Magnetometer Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetometer mit einem ein konstantes magnetisches Moment aufweisenden magnetischen Indikator, der um eine senkrecht zur Richtung dieses Moments verlaufende Achse drehbar ist.Magnetometer The invention relates to a magnetometer with a a magnetic indicator having a constant magnetic moment around a is rotatable perpendicular to the direction of this moment axis.

Ein derartiges Magnetometer ist z. B; aus der Firmenschrift 1526a "ASKUMNIA H-Magnetograph" vom 10.1.56 bekannt. Es weist einen an einem in vertikaler Richtungverlaufenden Faden aufgehängten magnetischen Indikator auf, der ein zur Fadenrichtung senkrechtes magnetisches Moment besitzt und der dem Nachweis eines in horizontaler Richtung verlaufenden Magnetfeldes dient. Der Indikator ist dabei mit einem Spiegel starr verbunden, der in den Strahlengang eines von einer Lampe ausgesandten und auf eine Differenz-Fotozellenanordnung reflektierten Lichtstrahls eingeschaltet ist0 Die an der Differenz-Fotozelle auftretende Spannung ist ein Maß für die Stärke des eine Verdrehung des magnetischen Indikators hervorrufenden, zu messenden Nagnetfeldes.Such a magnetometer is e.g. B; from company publication 1526a "ASKUMNIA H-Magnetograph" known from 10.1.56. It has one on one in vertical Directional thread suspended magnetic indicator on the one used to Thread direction has perpendicular magnetic moment and the evidence of a The magnetic field running in the horizontal direction is used. The indicator is there rigidly connected to a mirror, which is in the beam path of a lamp emitted and reflected on a differential photocell array of light beam is switched on 0 The voltage occurring at the differential photocell is a measure for the strength of the twisting of the magnetic indicator measuring magnetic field.

Bei dem bekannten Magnetometer sind besondere Maßnahmen zur Konstanthaltung des die Lampe durchsetzenden Stromes erforderlich. Darüber hinaus sind dem Nachweis kleiner Magnetfelder infolge der geringen Empfindlichkeit der Differenz-Fotozelle Grenzen gesetzte Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetometer der eingangs genannten Art zn schaffen, das keinerlei optische Einrichtungen erfordert und das sich auch zum Nachweis kleinster Magnetfelder bæwO Magnetfeldvariationen eignet Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwei Dreiplattenkondensatoren sy.nmetrisch-bezumlich der genannten Achse angeordnet sind, deren beide Mittelplatten-in einer die Achse enthaltenden Ebene liegen und mit dem magnetischen Indikator eine Einheit bilden, und deren bezüglich der Achse einander diagonal gegenüberliegende Platten jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden sind.In the case of the known magnetometer, special measures are required to keep them constant of the current passing through the lamp is required. In addition, evidence small magnetic fields due to the low sensitivity of the differential photocell The object of the invention is to provide a magnetometer of the Create zn type mentioned at the beginning, which does not require any optical devices and that can also be used to detect the smallest magnetic fields bæwO magnetic field variations suitable This object is achieved according to the invention in that two three-plate capacitors arranged symmetrically with respect to the axis mentioned are, the two middle plates of which lie in a plane containing the axis and form a unit with the magnetic indicator, and their relative to the axis diagonally opposite plates each electrically conductive to one another are connected.

Bei dem erfindungsgemäßen Magnetometer wird die der Größe des zu messenden Magnetfeldes proportionale Drehung des magnetischen Indikators mittels eines kapazitiven Fühlers, der aus den beiden Dreiplattenkondensatoren besteht, in eine elektrische Größe umgewandit. Gegenüber dem bekannten Magnetometer-besitzt das erfindungsgemäße den Vorteil, Alterungserscheinungen, wie sie bei-ativen optischen Elementen auftreten, nicht unterworfen zu sein.In the magnetometer according to the invention, the size of the to be measured Magnetic field proportional rotation of the magnetic indicator by means of a capacitive Sensor, which consists of the two three-plate capacitors, into an electrical one Size converted. Compared to the known magnetometer, the inventive the advantage of aging phenomena, as they occur with ative optical elements, not to be subject.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Mittelplatteneinheit ähnlich dem Indikator des bekannten Magnetometers an einem in vertikaler Richtung verlaufenden Faden aufgehängt.In one embodiment of the invention, the center plate unit is similar to the indicator of the known magnetometer on one in the vertical direction hanging thread.

Dieses Magnetometer ist damit lediglich zum Nachweis eines horizontalen Magnetfeldes geeignet. Man kann aber auch Magnetfelder beliebiger Richtung nachweisen, indem die Mittelplatteneinheit in einer senkrecht zur Richtung des zu messenden Nagnetfeldes verlaufenden Achse gelagert wird.This magnetometer is only used to detect a horizontal Suitable for a magnetic field. But you can also detect magnetic fields in any direction, by placing the center plate unit in a perpendicular to the direction of the to be measured Magnetic field extending axis is stored.

Bei einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist die Mittelplatteneinheit an zwei in der Richtung der Achse, um die diese Einheit drehbar ist, verlaufenden, tordierbaren Spannfäden aufgehängt, die unterschiedliche thermoelastische Koeffizienten besitzen und von denen mindestens einer elektrisch leitend ist. Die Fäden dienen dabei gleichzeitig zur Kompensation des Temperatureffektes des Magnetsystems, des Drehmoments sowie zur Abnahme des Ausgangssignals des kapazitiven Fühlers, Das von dem erfindungsgemäßen Magnetometer gelieferte Meßsignal kann unmittelbar in dem Wert der Kapazität zwischen der.Mittelplatteneinheit und einem Paar einander diagonal gegenüberliegender Platten der beiden Dreiplattenkondensatoren bestehen. Das Signal kann ferner die Differenz der Kapazitätswerte zwischen der Mittelpltteneinheit und jeweils einem Paar einander diagonal gegenüberliegender Platten sein. Besonders vorteilhaft aber ist es, die beiden Dreiplattenkondensa toren in einer Hälfte einer Brückenschaltung anzuordnen.In a preferred embodiment of the invention, the center plate unit is on two running in the direction of the axis about which this unit is rotatable, twistable tension threads hung with different thermoelastic coefficients and at least one of which is electrically conductive. The threads serve at the same time to compensate for the temperature effect of the magnet system, des Torque as well as for the decrease of the output signal of the capacitive sensor, That The measurement signal supplied by the magnetometer according to the invention can be directly input into the value of the capacitance between the center plate unit and a pair of each other consist of diagonally opposite plates of the two three-plate capacitors. The signal can also be the difference in capacitance values between the center plate unit and each be a pair of diagonally opposed plates. Particularly but it is advantageous to have the two Dreiplattenkondensa gates in one half To arrange bridge circuit.

Sieht man nämlich in der zweiten Hälfte der Brückenschaltung zwei gleiche elektrische Bauteile, z. B. Wechselstromwiderstände gleicher Größe, vor, so führt jede Verdrehung der Mittelplatteneinheit zu einer Verstimmung der Brücke, die in deren Diagonale, d. h. zwischen der Mittelplatteneinheitund.If you see two in the second half of the bridge circuit same electrical components, e.g. B. AC resistors of the same size, before, every rotation of the middle plate unit leads to a detuning of the bridge, those in their diagonal, d. H. between the center plate unit and.

dem Mittelpunkt der zweiten Brückenhälfte, abgegriffen werden kann. In diesem Fall ist somit eine Kapazitätsmessung nicht erforderlich.the midpoint of the second half of the bridge, can be tapped. In this case, a capacitance measurement is therefore not necessary.

Das erfindungsgemäße Magnetometer eignet sich in vorteilhafter Weise zur Messung der Variation eines sich bezüglich eines Adfangswertes ändernden Magnetfeldes. In diesem Fall kann die Wirkung des Anfangswertes des zu messenden Magnetfeldes durch eine ein Gegendrehmoment erzeugende Vorrichtung, z. B.The magnetometer according to the invention is suitable in an advantageous manner for measuring the variation of a magnetic field that changes with respect to an initial value. In this case, the effect of the initial value of the magnetic field to be measured by a counter-torque generating device, e.g. B.

durch zwei in der Achse der Mittelplatteneinheit verlaufende, in geeigneter Weise tordierte Fäden, kompensiert werden. Besonders vorteilhaft aber ist es, das Magnetometer im Feld einer Spule anzuordnen, die mit einem konstanten Strom erregt ist und die ein Magnetfeld erzeugt, das den Festwert des zu messenden Magnetfeldes kompensiert. Die auf das Magnetometer einwirkende mechanische Kraft ist in diesem Fall lediglich der Differenz des tatsächlichen Wertes des Feldes vom Anfangswert proportional. Materialermüdungserscheinungen, wie sie bei mechanischen Drehmomentkompensatoren auftreten können, sind auf diese Weise weitgehend vermieden.by two in the axis of the central plate unit, in a suitable manner Wise twisted threads are compensated. But it is particularly advantageous that To arrange magnetometer in the field of a coil, which is excited with a constant current and which generates a magnetic field that is the fixed value of the magnetic field to be measured compensated. The mechanical force acting on the magnetometer is in it Case only the difference between the actual value of the field and the initial value proportional. Material fatigue, as seen with mechanical torque compensators can occur are largely avoided in this way.

Um darüber hinaus die mechanische Beanspruchung des Magnetometers noch weiter zu verringern, kann es von Vorteil seiny daß die von der Verdrehung der Nittelplatteneinheitabhängige Ausgangsgröße über einen Regelkreis einer weiteren Spule zugeführt ist, die ein die Verdrehung der Mittelplatte kompensierendes Magnetfeld erzeugt. Das Magnetometer arbeitet in diesem Fall als Nullinstrument. Das bedeutet, daß jede Verdrehung der Mittelplatteneinheit infolge eines äußeren Magnetfeldes bzw.In addition, the mechanical stress on the magnetometer To reduce it still further, it can be beneficial to reduce the amount of twisting the output variable dependent on the central plate unit via a control loop of another Coil is fed, which a the rotation of the center plate compensating magnetic field generated. In this case, the magnetometer works as a zero instrument. That means, that any rotation of the center plate unit due to an external magnetic field respectively.

einer Variation dieses Feldes durch ein Gegenmagnetfeld kompensiert ist. Der Erregerstrom der dieses Gegenfeld erzeugenden Spule dient in diesem Fall als Meßgröße.a variation of this field is compensated by an opposing magnetic field is. The excitation current of the coil generating this opposing field is used in this case as a measured variable.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.In Figures 1 and 2, an embodiment of the invention is shown.

Es zeigen Fig. 1 den konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen Magnetometers, Fig. 2 die Schaltung des in Fig. 1 dargestellten Magnetometers, mit deren Hilfe das Magnetometer als Nullinstrument auszubilden ist.1 shows the structural design of an inventive Magnetometer, Fig. 2 shows the circuit of the magnetometer shown in Fig. 1, with the help of which is to train the magnetometer as a zero instrument.

Das in Fig. 1 dargestellte Magnetometer dient zur Messung der Variation eines in Richtung des eingezeichneten Pfeiles verlaufenden Magnetfeldes. Es besteht aus einem ein konstantes magnetisches Moment aufweisenden magnetischen Indikator 1 und zwei Dreiplattenkondensatoren 2, 3. Die beiden Mittelplatten 4, 5 dieser Kondensatoren 2, 3 sind mit dem Indikator 1 zu einer Einheit verbunden, die an zwei gespannten metallischen Torsionsfäden 6, 7 aufgehängt ist. Die Richtungen des magnetischen Moments des Indikators 1, der Torsionsfäden 6, 7 sowie des zu messenden Feldes stehen jeweils senkrecht aufeinander.The magnetometer shown in Fig. 1 is used to measure the variation a magnetic field running in the direction of the arrow. It exists from a magnetic indicator having a constant magnetic moment 1 and two three-plate capacitors 2, 3. The two middle plates 4, 5 of these capacitors 2, 3 are connected to the indicator 1 to form a unit that is tensioned on two metallic torsion threads 6, 7 is suspended. The directions of the magnetic Moments of the indicator 1, the torsion threads 6, 7 and the field to be measured are each perpendicular to each other.

Die einander diagonal gegenüberliegenden Platten 8, 11 bzw.The diagonally opposite plates 8, 11 or

9, 10 der beiden Dreiplattenkondensatoren 2, 3 sind jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Wirkungsweise des Magnetometers entspricht damit einem Differential-Winkelgeber. Jede Verdrehung,der Nittelplatteneinheit 1, 4, 5 führt dabei zu einer dem Drehwinkel proportionalen Änderung der Kapazität zwischen der Mittelpla-tteneinheit 1, 4, 5 und dem Diagonal-Plattenpaar 8, 11 sowie einer entsprechenden, dieser Veränderung entgegengesetzt gleichen Veränderung der Kapazität zwischen der Mittelplatteneinheit 1, 4, 5 und dem'Diagonal-Plattenpaar 9, 10.9, 10 of the two three-plate capacitors 2, 3 are each electrical conductively connected to each other. The mode of operation of the magnetometer thus corresponds a differential angle encoder. Any twist of the center plate unit 1, 4, 5 leads to a change in the capacitance proportional to the angle of rotation the middle plate unit 1, 4, 5 and the diagonal plate pair 8, 11 and one corresponding change in capacity, which is opposite to this change between the middle plate unit 1, 4, 5 and the pair of diagonal plates 9, 10.

In der Figur sind ferner zwei Helmholtz-Spulenpaare 12, 12' bzw. 13, 13' dargestellt, deren einander entsprechende Spulen 1-2, 13 bzw. 12', 13' auf jeweils einen Spulenträger aufgewickelt sind. Eines der beiden Spulenpaare 12, 12' ist mit einem konstanten Strom erregt, der ein den Anfangswert des zu messenden Magnetfeldes kompensierendes Gegenfeld erzeugt.The figure also shows two pairs of Helmholtz coils 12, 12 'and 13, 13 'shown, the corresponding coils 1-2, 13 and 12', 13 'on each a bobbin are wound. One of the two coil pairs 12, 12 'is with excited a constant current, which is the initial value of the magnetic field to be measured compensating opposing field generated.

Das zweite Spulenpaar 13, 13' dient zur Kompensation der Variation des Magnetfeldes, d. h. der Abweichung des zu des senden Magnetfeldes von seinem Anfangswert. Die Erregung dieses Spulenpaares 13, 13' erfolgt mittels des in Fig. 2 in Form eines Blockschaltbildes dargestellten Regelkreises.The second pair of coils 13, 13 'serves to compensate for the variation the magnetic field, d. H. the deviation of the magnetic field to be sent from his Initial value. This pair of coils 13, 13 'is excited by means of the circuit shown in FIG. 2 control loop shown in the form of a block diagram.

Der Regelkreis weist eine von einem Wechselspannungs-Oszillator 14 gespeiste Brückenschaltung 15 auf. In einer Brückenhälfte befinden sich dabei zwei konstante Wechselstromwiderstände 16, 17 gleicher Größe, während in der anderen Brückenhälfte das Magnetometer angeordnet ist. Dieses weist zwei in entgegengesetztem Sinne veränderliche Kapazitäten C1 und C2 auf. Dabei ist C1 die Kapazität zwischen der drehbaren Mittelplatteneinheit 1, 4, 5 und den beiden Diagonalplatten 8, 11, währendC2 die Kapazität zwischen dieser Mittelplatteneinheit 1, 4, 5 und den beiden Diagonalplatten 9, 10 ist.The control loop has one of an AC voltage oscillator 14 powered bridge circuit 15. There are two in one half of the bridge constant alternating current resistances 16, 17 of the same size, while in the other Bridge half the magnetometer is arranged. This has two in opposite Sensing variable capacities C1 and C2. Where C1 is the capacity between the rotatable middle plate unit 1, 4, 5 and the two diagonal plates 8, 11, while C2 is the capacity between this center plate unit 1, 4, 5 and the two Diagonal plates 9, 10 is.

Die in der Diagonale 18 der Brückenschaltung zu messende Verstimmung der Brücke ist über einen Verstärker 19 auf einen phasenempfindlichen Gleichrichter 20 geleitet, der mit einem an den Wechselspannungsgenerator 14 angeschlossenen Impulsformer 21 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 20 ist über einen Impedanzwandler 22 und einen Proportionairegler 23 sowie einen MeBwiderstand 24 auf das HelmhoXz-Spulenpaar 13, 13' geführt, das die Variation des Magnetfeldes kompensiert.The detuning to be measured in the diagonal 18 of the bridge circuit the Bridge is through an amplifier 19 to a phase sensitive rectifier 20, with a pulse shaper connected to the alternating voltage generator 14 21 is connected. The output signal of the rectifier 20 is via an impedance converter 22 and a proportional regulator 23 as well as a measuring resistor 24 on the HelmhoXz coil pair 13, 13 'out, which compensates for the variation in the magnetic field.

Es läßt sich zeigen, daß bei dem erfindungsgemäßen Magnetometer die Anordnung der Dreiplattenkondensatoren bei beliebig gerichtetem Magnetfeld stets so gewählt werden kann, daß die beiden Nittelplatten 4, 5 in einer senkrechten Ebene liegen.It can be shown that the magnetometer according to the invention Always arrange the three-plate capacitors with any directional magnetic field can be chosen so that the two center plates 4, 5 in a vertical plane lie.

In diesem Fall kann ein Durchhang der Fäden 6, 7 infolge thermischer Einwirkungen bzw. infolge des Gewichtes der Mittelplatten 4, 5 keinen Einfluß auf die Genauigkeit des Magnetometers ausüben.In this case, a sagging of the threads 6, 7 due to thermal Effects or as a result of the weight of the middle plates 4, 5 no influence exercise the accuracy of the magnetometer.

2 Figuren 5 Ansprüche2 figures 5 claims

Claims (5)

Patentansprüche 1JMagnetometer mit einem ein konstantes magnetisches Moment aufweisenden magnetischen Indikator, der um eine senkrecht zur Richtung dieses Moments verlaufende Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dr.eiplattenkondensatoren (2,'3) symmetrisch bezüglich dieser Achse angeordnet sind, deren beide Mittelplatten (4, 5) in einer die Achse enthaltenden Ebene liegen und mit dem magnetischen Indikator (1) eine Einheit bilden, und deren bezüglich der Achse einander diagonal gegenüberliegende Platten (8,11; 9,10) jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Claims 1JMagnetometer with a constant magnetic Moment having a magnetic indicator that is perpendicular to the direction of this Moment extending axis is rotatable, characterized in that two Dr.eiplatte capacitors (2, '3) are arranged symmetrically with respect to this axis, the two middle plates (4, 5) lie in a plane containing the axis and with the magnetic indicator (1) form a unit, and their diagonally opposite one another with respect to the axis Plates (8,11; 9,10) are each connected to one another in an electrically conductive manner. 2.Magnet6meter nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelplatteneinheit (1, 4, 5) an zwei in der Richtung der Achse -verlaufenden, tordierbaren Spannfäden (6, 7) aufgehängt ist, die unterschiedliche thermoelastische Koeffizienten besitzen und von denen mindestens einer elektrisch leitend ist.2.Magnet6meter according to claim 1, characterized in that the middle plate unit (1, 4, 5) on two twistable tension threads running in the direction of the axis (6, 7), which have different thermoelastic coefficients and at least one of which is electrically conductive. 3. Magnetometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dreiplattenkondensatoren (2, 3) in einer Hälfte einer Brückenschaltung (15) angeordnet sind. 3. Magnetometer according to claim 1 or 2, characterized in that the two three-plate capacitors (2, 3) in one half of a bridge circuit (15) are arranged. 4. Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung im Feld einer Spule (12, 12'), die mit einem konstanten Strom erregt ist und die ein Magnetfeld erzeugt, das den Anfangswert eines zu messenden, variierenden Magnetfeldes kompensiert.4. Magnetometer according to one of claims 1 to 3, characterized by the arrangement in the field of a coil (12, 12 ') which is excited with a constant current and which generates a magnetic field which is the initial value of a variable to be measured Compensated for the magnetic field. 5. Magnetometer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der-Verdrehung der Mittelplatteneinheit (1, 4, 5) abhängige Ausgangsgröße über einen Regelkreis einer weiteren Spule (13, 13') zugeführt ist, die ein die Verdrehung der Mittelplatteneinheit (1, 4, 5) kompensierendes Magnetfeld erzeugt. 5. magnetometer according to claim i, characterized in that a output variable depending on the rotation of the central plate unit (1, 4, 5) a control loop of a further coil (13, 13 ') is fed, which a rotation the center plate unit (1, 4, 5) generates a compensating magnetic field. LeerseiteBlank page