PROBE FOR MEASURING THE INTENSITY AND DIRECTION OF WEAK MAGNETIC FIELDS

Abstract: 1. A probe for determining the intensity and direction of a weak magnetic field, in particular of the earth's field, comprising a core lamination which has a plurality of narrow cross-pieces which form a specific angle with one another and have respective coil windings arranged thereon, and large-area pole tips fixed to the cross-pieces and serving for the entry and exit of the magnetic flux, characterised in that the pole tips (P1 to P4) and the cross-pieces (S1 to S4) are arranged in one plane and are formed by a single flat core lamination ; that the pole tips are designed as spade-shaped pole surfaces, the width of which is in each case substantially greater than the width of the cross-pieces ; that the core lamination has four pole surfaces and four cross-pieces with, in each case, a coil winding (W1 to W4), the four cross-pieces with the respective pole surfaces being either arranged in the form of a cross in such a way that each arm of the cross consists of one cross-piece and the pole surface which is arranged at the free end thereof, or forming the sides of a parallelogram with a pole surface at each corner.

Description: Sonde zur Messung von Magnetfeldern Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Messung von Mag netfeldern mit einem Kernblech und mindestens einer über dem Kernblech angebrachten Wicklung. Es soll die Grosse bzw. die Richtung eines Magnetfeldes, vorzugsweise des Erdfeldes, bestimmt werden. Zur Richtungsbestimmung wird meist ein Kompass verwendet1 bei dem sich eine Magnetnadel parallel zum Erdfeld einstellt. Zur Feldstärkenmessung werden Hallsonde und Magnetsonden verwendet. Aus dem Vergleich der mit zwei rechtwinkelig zueinander in einer horizontalen Ebene angeordneten Sonden gemessenen Feldstärke lässt sich mit trigonometrischen Methoden die Magnetfeldrichtung errechnen. Auf diese Weise ist es möglich, einen Kompass ohne bewegte Teile zu schaffen, der ein codiertes elektrisches Ausgangssignal liefert, das eine Funktion der Magnetleldrichtung ist. Solche Sonden sind relativ gross und benötigen kom- pliziert herstellbare Wicklungen. Dadurch entstehen hohe Kosten, sowohl für die Herstellung der Sonde als auch für deren Montage. Aufgabe der Erfindung ist es ,dlese Nachteile zu vermeiden und eine Sonde zu schaffen, die verhältnismässig klein ist und sich wesentlich kostengünstiger herstellen lässt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelost, dass das Kernblech jeweils über die Wicklungsenden hinausreicht, wobei die innerhalb der Wicklung bzw. den Wicklungen befindlichen Teile des Kernblechs als schmale Stege und die ausserhalb der Wicklungen befindlichen spatenformig verbreiterten Polenden Jeweils in einer Ebene liegende Polflächen bilden, deren Breite jeweils ein Mehrfaches der Stege beträgt. Der Vorteil einer Sonde mit solch einer geometrischen Form liegt in der scheinbaren Verstärkung des äusseren Magnetfeldes, etwa im Verhältnis der Breite der Polflächen zur Breite der Stege. Die vergrösseften Polflächen dienen zur Vergrösserung der Dichte des Erdmagnetflusses in den Stegen der Magnetsonde. Dadurch wird eine grössere Empfindlichkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Messgenauigkeit erreicht. In vorteilhafter Weise sind Ausfübrungs formen der Magnetsonden so ausgebildet, dass sie aufgrund der geometrischen Form und mittels mehrerer Wicklungen erlauben, beide Komponenten des Magnetfeldes zu bestimmen und die Magnetfeldrichtung zu berechnen. Mit anderen Worten: Die Magnetsonde ist aus zwei bezüglich des Erdfeldes senkrecht zueinander stehenden Sonden der obengenannten Grundform zu einem einzigen Bauelement kombiniert. In einer zweckmässlgen Ausgestaltung besteht die Sonde aus einem dünnen Kernblech, das zwei zueinander einen Winkel bildende Stege aufweist, an deren freien Enden sich jeweils eine Polfläche befindet. Die Verbindung der Stege bildet eine gemeinsame weitere Polfläche, die gegenüber den Stegen ebenfalls verbreitert ist. Über jedem Steg sitzt eine Wicklung. In einer vorteilhaften Ausführungsform stehen die beiden Stege im rechten Winkel zueinander. Bei dieser Sonde lässt sich sowohl das Kernblech präzise und leicht fertigen als auch die Wicklungen leicht herstellen. Sie stellen aber etwas höhere Anforderungen an die Auswertung, da die gemessenen Komponenten des äusseren Magnetfeldes nicht senkrecht aufeinander stehen, d.h., aufgrund des asymmetrischen Aufbaus der Sonde entspricht der rechte Winkel der geometrischen Form der beiden Sondenteile; nicht dem zu messenden Winkel zwischen beiden Feldstärkerichtungen. Damit die zu messenden Komponenten des äusseren Magnetfeldes bei einer asymmetrischen Sondenform senkrecht aufeinander stehen, was - wie eingangs erwähnt - erforderlich ist, um die Magnetfeldrichtung auf einfache Weise errechnen zu können, ist vorteilhafterweise eine weitere Ausführungsform einer Sonde geschaffen worden. Bei dieser Anordnung stehen die zwei Stege im schiefen, iir & esondere spitzen Winkel zueinander. Der Winkel ist so gewählt, dass die zu messenden Komponenten des äusseren Magnetfeldes senkrecht zueinander stehen. Diese Sonde bedingt eine geometrisch kompliziertere dritte Polfläche. Eine Weiterbildung der Erfindung stellt eine T-förmige Sonde dar, bei der die beiden Stege miteinander fluchten, wobei an beiden Enden je eine verbreiterte Polfläche sowie zwischen den Wicklungen eine asymmetrisch verbreiterte Polfläche liegt. Diese Sondenform zeigt eine geometrisch einfachere dritte##'Polfläche gegenüber der vorgenannten Ausfürrungsform4 Sie lässt sich auch wesentlich einfacher wickeln. Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeigt eine Sonde mit vier kreuzförmig verbundenen Stegen mit äe einer Wicklung. An den freien Enden der Stege befinden sich die verbreiterten Polflächen. Diese symmetrische Anordnung erlaubt eine einfache Fertigung und Auswertung. Die Wicklungen sind leicht und billig aufzubringen, weil eine offene Wickelfläche gegeben ist. Die jeweils koaxial liegenden Spulenwicklungen sind elektrisch verbunden. Die Sonde weist aber grössere Dimensionen auf. Eine weitere Ausführungsform ist in einer Sonde gegeben, bei der die vier Stege mit Je einer Wicklung die Seiten und die Polflächen die Ecken eines Parallelogramms bilden. In einer zweckmässigen Ausgestaltung hat die Sonde die Form eines Quadrates. Diese in sich vollkommen symmetrische Sonde ist sehr klein und ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit. Die geschlossene Wickelfläche bedingt allerdings eine etwas teuerere Herstellung der Spulenwicklungen. Jeweils achsenparallele Spulenwicklungen sind elektrisch verbunden. Anhand der Zeichnungen werden mehrere Ausführungs beispiele kurz beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine einfache Magnetsonde, Fig. 2 bis 6 kombinierte Magnetsonden. In Fig. 1 besteht eine einfache Sonde aus einem dünnen Kernblech, das in der Mitte einen schmalen Steg S mit einer darüber angebrachten Wicklung W aufweist. Die Enden des Kernblechs sind ausserhalb der Wicklung W um ein Mehrfaches der Stegbreite zu quadratischen Polflächen P1 und P2 verbreitert. Auf eine dermassen vergrössefte Polfläche wirkt eine grössere Anzahl von Feldlinien ein. Der damit erreichte verstärkte Magnetfluss im schmalen StegS Pr- möglicht ein empfindliches und präzisere Messen der Feldstärke. Fig. 2 zeigt eine L-förmige Sonde. Hier stehen die zwei Stege Sl und S2 mit je einer Wicklung Wi und W2 im rechten Winkel zueinander. Die freien Stegenden ausserhalb der Wicklungen weisen die quadratischen grossen Polflächen Pl und P2 auf. P3 ist eine gemeinsame Polfläche, die so gross wie Pl bzw. P2 ist. Fig. 3 zeigt eine Sonde, bei der die zwei Stege S1 und S2 mit je einer Wicklung W1 und W2 im spitzen Winkel zueinander stehen. Die freien Polflächen Pl und P2 sind quadratisch. Die gemeinsame Polfläche P3 ist ein symmetrisches Vieleck. Fig. 4 zeigt eine T-förmige Sonde. Hier sind die beiden Stege S1 und S2 mit je einer Wicklung W1 und W2 in einer fluchtenden Linie angeordnet. Die freien Stegenden weisen die verbreiterten quadratischen Polflächen Pl, P2 auf. Zwischen den Wicklungen Wl und W2 ist asymmetrisch nach einer Seite eine dritte verbreiterte Polfläche P3 angeordnet, die die Form eines Rechtecks hat. Fig. 5 zeigt eine kreuzförmige Sonde. Hier besteht das Kernblech aus vier kreuzförmig im rechten Winkel zueinander verbundenen Stegen S1 bis S4 mit je einer Wicklung W1 bis W4. Die vier Enden des Kernblechs weisen ausserhalb der Wicklungen vier grosse quadratische Polflächen P1.P4 auf. Diese Sonde kann man als Kombination zweier Sonden der Grundform betrachten, die rechtwinkelig über Kreuz angeordnet sind. Weil zur Erfassung einer Nagnetfeldkomponente nur eine Wicklung einer Sonde der Grundform notwendig ist, sind jeweils zwei koaxial angeordnete Wicklungen W7 und W3 bzw. W2 und W4 zu je einer Wicklungseinheit elektrisch verbunden. Fig. 6 zeigt eine quadratische Sonde. Die vier Stege S1 bis S4 mit je einer Wicklung W1 bis W4 bilden mit den vier quadratischen Polflächen P1 bis P4 als Ecken ein Quadrat. Wicklung Wl ist mit Wicklung W3 und Wicklung W2 mit Wicklung W4 zu jeweils einer Wicklungseinheit zur Erfassung je einer Magnetfeldkomponente elektrisch verbunden. 6 Figuren 9 Patentansprüche

Claims: Patentans#rüche: 1. Sonde zur Messung von Magnetfeldern mit einem Kernblech und mindestens einer über dem Kernblech angebrachten Wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernblech jeweils ueber die Wicklungsenden hinausreicht, wobei die innerhalb der Wicklung (W) bzw. den Wicklungen befindlichen Teile des Kernblechs als schmale Stege (S) und die ausserhalb der Wicklung (W) befindlichen spatenförmig verbreiterten Polenden Jeweils in einer Ebene liegende Polflächen (Pi, P2) bilden, deren Breite Jeweils ein Mehrfaches der Stege (S) beträgt (Fig.1). 2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polblech mindestens zwei zueinander einen Winkel (µ) bildende Stege (S1, S2 ) mit jeweils einer Wicklung (N1, W2) besitzt, wobei die beiden Stege (S1, S2) über eine gemeinsame verbreiterte Polfläche (P3) verbunden sind und die freien Enden des Polblechs spatenförmig verbreiterte Polflächen (Pi, P2) aufweisen (Fig.2 und 3). 3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stege (S1, S2) zueinander im rechten Winkel stehen (Fig.2), 4. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stege (S1, S23 zueinander im schiefen Winkel (# ) stehen (Fig.3). 5. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stege (S1, S2) miteinander fluchten, wobei an beiden Enden je eine verbreiterte Polfläche (P1, P2) sowie zwischen den Wicklungen (Wi, W2) eine asymmetrisch verbreiterte Polfläche (P3) liegt (Fig.4). 6. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernblech vier kreuzförmig verbundene Stege (S1, S3 und S2, S4) mit je einer Wicklung (W-l ...W4) bildet, wobei an jedem freien Ende eine Polfläche (PN ... P4) gebildet ist (Fig.5). 7. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier Stege (S1 ... S4) mit je einer Wicklung (W1 W4) die Seiten eines Parallelogramms mit jeweils einer Polfläche (P1 ... P4) an jeder Ecke bilden (Fig.6). 8. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils koaxial liegende Spulenwicklungen (W1 und W3, W2 und W4) elektrisch verbunden sind (Fig.5). 9. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils achsenparallel liegende Spulenwicklungen (Wl und W3, W2 und W4) elektrisch verbunden sind (Fig.6).

Inventors: METZNER, UWE, THILO, PEER, DR.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: G01R33
IPC codes: G01R33