DEVICE FOR RECORDING A MAGNETIC FIELD

Abstract: 1. An instrument for detecting a magnetic field, containing a thin, substantially annular core (24) of magnetic material which is surrounded by an exciter coil (30) and by - preferably four - pick-up coils (31 to 34) which are disposed axially symmetrically, an evaluation circuit for the signal voltages of the pick-up coils (31 to 34) and an annular coil former (20) which comprises an annular groove (23) in one face to receive the core (24), characterised in that slots (27, 28), which extend at least partially round the coil former (20) and the planes of symmetry of which lie in planes which are turned through specific divisions and which also contain the longitudinal axis of the coil former, which slots are penetrated perpendicularly by the annular groove (23) receiving the core (24), are provided to receive the exciter coil (30) and the pick-up coils (31 to 34), and that connected to the coil former (20) is a cover (21), the annular extension (25) of which projects into the annular groove (23) to locate the core (24), the core (24) being constructed in the form of a single annular disc.

Description: Die Erfindung bezieht sich gemäss Oberbegriff des ersten Patentanspruches auf eine aus der DE-AS 17 73 303 bekannten Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfeldes bzv. zum essen des magnetischen Flusses eines externen Magnetfeldes, insbesondere des Erdmagnetfeldes. Grundsätzlich kann mittels einer derartigen Vorrichtung ein Magnetfeld, welches in der durch den Kern und die gen2nn- ten Spulen voraeZesenen Messebene ein"'in'#t, erfasst werden. Wird cie Messebene durch pendelnde Anordaung vom Kern und gegebenenfalls von den Spulen in einer horizontalen Ebene gehalten, so kann insbesondere die Richtung der Horiiöntalkomponente des Erdmagnetfeldes bestimmt bzw. ein Signal entsprechend der Nordrichtung erzeugt werden. In der bekannten Vorrichtung ist der Kern von einer gleichmässig um diesen gewickelten Erregerspule umgeben, welche mittels einer periodischen Spannung bzw. Strom derart angesteuert wird, dass der Kern weit genug in den Sättigungsbereich ausgesteuert wird. Die vier Abgriffspulen sind über den Umfang um jeweils 900 gegeneinander versetzt angeordnet, wobei die einander diametral gegen über liegenden Abgriffspulen gegeneinander geschaltet sind. Durch Differenzbildung. in diesen Abgriffspulenpaaren hebt sich in diesen grundsätzlich die transformierte Spannung auf. Ein externes Magnetfeld, insbesondere die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes, bewirkt jedoch eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Magnetisierungskennlinie. Damit verbunden ist eine Phasenverschiebung, die einen sich nicht aufhebenden Spannungsanteil zur Folge hat. Dieser besteht im wesentlichen aus Harmonischen gerader Ordnung der Erregerfrequenz, wobei deren Amplituden dem externen Magnetfeld proportional sind. In der mit den Abgriffspulen verbundenen Auswerteschaltung wird zwechnässigersseise die zweite Harmonische ausgewertet, um ein der Richtung des externen Magnetfeldes entsprechen des Signal zu erzeugen. Die Herstellung einer derartigen Vorrichtlmg wirft aber eine Reihe von Problemen auf, da infolge von Inhomogenitäten und Unsymmetrien im Kern und in den Spulen auch Störspannungen auftreten. Die bekannte Vorrichtung enthält ausserdem eine Vielzahl von Bauelementen, welche mit nicht unerheblichem Aufwand gefertigt und justiert werden müssen. Aus der DE-OS 25 39 455 ist ferner eine Vorrichtung bekannt, in welcher drei Abgriffspulen auf radialen Armen des Kernes aus hochpermeablem material sternförmig angeordnet sind, wobei ebenfalls eine pendelnde Aufhängung zur Erfassung des Erdmagnetfeldes vorgenommen ist. Die Aus-werteschaltung enthält ein aufwendiges Signal-essfuhler- selsyn mit einem dreiphasigen Stator sowie Verstärkereinrichtungen zur Auswertung der zweiten Harmonischen. Zur Kompensation der Grundfrequenz und der dritten Harmonischen, insbesondere aufgrund einer magnetischen Unsymmetrie des Kernes, müssen zusätzliche Massnahmen getroffen werden, welche einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand erfordern. Darüber hinaus sind infolge der radialen Anordnung der Abgriffspulsn einer ;ainiaturisierung der Voriichtung Grc zen gesetzt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine or- richtung der genannten Art auszubilden derart, dass sie mit einem geringen Fertigungsaufwand herstellbar ist und dass eine gute Reproduzierbarkeit der Signale auch ohne aufwendige Justier- und Abgleicharbeiten gewährleistet wird, wobei auch für die Ansteuerung und Auswerteschaltung ein kostengünstiger Aufbau erreicht werden soll. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Merlamale gelöst. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich vor allem durch einen einfachen und kostengünstigran Aufbau aus und gewährleistet auch bei sehr kleinen Abmessungen eine sehr genaue Erfasslmg des externen Magnetfeldes. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist hierbei, dass durch das Einlesen des Ringkernes in den Spulenkörper und Anordnung der Spulen auf den Spulenkörper ein sehr exakter, symmetrischer Aufbau erreicht wird. Der Spulenkörper ist bevorzugt an seinen Aussenflächen mit Nuten versehen und in die derart gebildeten Kainniern sind die Spulen gewickelt so dass die Hauptachsen der Abgriffspulen um jeweils 900 versetzt liegt. Der Spulenkörper ist weiterhin mit zwei nach oben gerichteten #ügen versehen, in deren Buchsen zwei Wellen eines Kardanringes eingreifen, wobei letzterer mittels zwei um 900 versetzten Wellen in entsprechenden Buchsen eines das Gehäuse abschliessenden Deckels eingreifen. Hierdurch ist mit wenigen Bauelementen eine Kardan- lagerung für die pendelnd aufgehängten Spulen und Qen Kern geschaffen, welche eine einfache Herstellung und Montage gewährleistet. Als Kern wird bevorzugt eine einzige Ringscheibe aus hochpermeablem Slaterial eingesetzt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Ringscheibe mit einem Innendurchmesser in der Grössenordnung von 20 mm und einem Querschnitt in der Grössenordnung von 0,1 mm2 verwendet. Es wurde nämlich erkannt, dass das Feld im Innern eines in einem homogenen Magnetfeld befindlichen Ringkernes nicht - wie zu erwarten wäre - mit dem Quadrat des Kern- durchmessers anwächst. Ursache hierfür ist der durch Grenzflächenentladungen bedingte Entmagnetisierungsfaktor, welcher bei einem Ringkern sehr ungünstig ist. Bei derartigen Ringkernen konnte vielmehr eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen Kerndurchmesser und innerer Induktion bzw. Empfindlichkeit festgestellt werden, wobei für die oben genannten Abmessungen noch eine gute Empfindlich breit erreicht würde. Hierdurch wird eine wesentliche Voraussetzung für die Miniaturisierung der Vorrichtung geschaffen, welche in einer Ausführungsform einen Aussendurchmesser um etwa 40 mm aufweist. Um einen derartigen Ringkern voll in die Sättigung auszusteuern genügt ein Erregerstrom mit einer Amplitude von etwas mehr als 100 mA, was im Hinblick auf den Schaltungsaufwand von Vorteil ist. Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, enthält die Auswerteschaltung bevorzugt ein hocliselektives Filter, durch welches die zweite Harmonische als Nutzsignal aus den Signalspannungen der Abgrilfspulen gefiltert wird. Z::eckmässiger- weise werden die Signalspannungen mittels geeigneten Schaltern abwechselnd auf ein und dasselbe Filter gegeben. Die Auswerteschaltung enthält ferner einen phasenempfindlichen Gleichrichter, zur Erzeugung von Signalen, welche nach 3etrag und Vorzeichen der das jeweilige Abgriffspulenpaar durchsetzenden Magnetfeldkomponente entsprechen. Es ist weiterhin ein Oszillator mit nachgeschalteten Teilern vorgesehen, um einerseits eine frequenzstabile Erregerspannung und andererseits die notwendigen Steuersignale für die Schalter vor dem ¯Filter sowie den Phasenempfindlichen Gleichrichter zu erhalten. Da die Spulenpaare zueinander einen Winkel von 900 aufweisen, sind die genannten Signale über Sinus bzw. Cosinus vom Einfallswinkel des Magnetfel- des abhängig, so dass schliesslich durch eine arctan-Rechnung der Einfallswinkel erhalten wird. Durch die phasenempfindliche Gleichrichtung wird die Restspannung der Sig nalspannungen wirksam unterdrückt. Sofern das genannte Filter aus mehreren Einzelfiltern aufgebaut ist, können diese gleichspannungsma#ssig gekoppelt sein, da Nullpunktsfehler von in diesen enthaltenen Operationsverstärkern durch die phasenempfindliche- Gleichrichtung herausfallen. Der wesentliche Vorteil einer derartigen Auswerteschaltung sird darin gesehen, dass keinerlei Abgleich erforderlich izt und auch eine Temperatur- oder Langzeitdrift keine Verfälschung des ;;leBercebnisses zur Folge haben. Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfahrung#beispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 - einen Längsschnitt durch die Vorrichtung, wobei Pendelkörper und Kardanring teil eise in Ansicht dargestellt sind, Fig. 2 - eine Aufsicht auf den Spulenkörper, Fig. 3 - einen Wirkschaltplan der Auswerteschaltung, Fig. 4 - den zeitlichen Verlauf verschiedener Sig nale in der Auswerteschaltung. Gemäss Figur 1 enthält die Vorrichtung ein topfförmiges Gehäuse 1, welches oben mittels eines Deckels 2 abgeschlossen ist, wobei zur Abdichtung in eine Ringnut 3 ein O-Ring 4 eingelegt ist. Der Deckel 2 weist zwei diametral gegen über liegende und nach unten gerichtete Ansätze 5, 6, auf, in deren Buchsen 7, 3 zwei mit einem Kardanring 10 erun- dene Wellen 11, 12 aus nichtmanetischem Stahl eingreifen. Der Kardanring 10 enthält zwei weitere senkrecht zur Zeichenebene angeordnete Wellen 13, 14, welche in Buchsen 15, 16 von zwei diametral gegenüberliegenden Bügeln 17, 18 eingreifen, wobei in Figur 1 nur die Welle 14, die Buchse 16 sowie der Bügel 18 dargestellt sind. Die genannten Bügel 17, 18 sind Bestandteile eines schematisch dargestellten Spulen körpers 20, welchem an der Unterseite ein Deckel 21 zugeordnet ist. Es ist somit mit wenigen Bauteilen eine Xardanlagerung für die nachfolgend zu beschreibenden Teile geschaffen, so dass die Messebene sich immer in der horizontalen Ebene befindet. Hierbei ist von besonderer Bedeutung, dass die Durchmesser der gen#nnten'Buch- sen 7, 8, 15 und 16 einen um etwa 20 ,4 grösseren Durchmesser als die jeweiligen Wellen aufweisen, so dass die derart ausgebildeten Lager nur eine geringe Restreibung aufweisen. Das erhebliche Lagerspiel wird durch das unten am Spulenkörper 20 angeordnete, etwa halbkugelförmige Pendelgewicht 22 eliminiert. Zur Schwingungsdämpfung des derart kardanisch aufgehängten Pendels ist das Gehäuse 1 teilweise mit Dämpfungsöl 19 gefüllt. Der Deckel 2 und der Spulenkörper 20 bestehen aus einem hochfesten, nicht magnetischen Kunststoff, insbesondere Ultramid. In den genannten Lagern bzw. in den aus dem genannten Kunststoff bestehenden Lagerbuchsen 7, 8, 15 und 16 konnten auch nach eingehenden Belastungsprüfungen keine die Rückstellgenauigkeit nachteilig beeinflussenden Vera#nderungen festgestellt werden. Der im wesentlichen ringförmige Spulenkör#er 20 weist innen eine Ringnut 23 zur Aufnahme eines Kernes 24 aus magnetischem, hochpermeablem Material auf. Der Kern 24 ist als eine einzige dünne Ringscheibe mit einem Querschnitt von etwa 0,1 mm2 und einem Innendurchmesser von etwa 20 ma ausgebildet. In die Ringnut 23 ragt ausserdem ein ringförmiger Ansatz 25 des Deckels 21 zur Fixierung des Kernes 24. Um den Spulenkörper 20 und den mit diesem beispielsweise durch Kleben verbundenen Deckel 21 sind Windungen 26 der im einzelnen noch zu beschreibenden Spulen gewickelt. Auf der Aussenseite des Gehäuses 1 sind zwei 'iicklungen einer Helmholtzspule 29 angeordnet, welche von einem Gleichstrom durchflossen wird.' Die Helmholtzspule 29 dient zur Kompensation der Verti}r#lkomponente eines Dau- ermagnetfeldes, welches insbesondere durch ein die Vorrichtung aufnehmendes Fahrzeug verursacht wird. Ein derartiges Dauermagnetfeld kann in der Vorrichtung Fehler für die zu erfassende Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes führen und mittels der Helmholtzspure 29 lassen sich derartige Fehler weitgehend vermeiden. Über das Gehäuse 1 ist von oben eine hier nicht dargestellte Schutzkappe geschoben. Ferner sind mit dem Gehäuse geeignete Halterungen zur Befestigung beispielsweise auf dem Dach eines Fahrzeuges verbunden. Aus der Aufsicht auf den Spulenkörper 20 gemäss Figur 2 (900 gegen Figur 1 gedreht) ist ersichtlich, dass der Spu- lenkörper 20 an seinen Aussenflächen eine Anzahl von rzdial bzw. axial verlaufenden Nuten 27 bzw. 28 aufweist. In entsprechender Weise sind auch im Deckel 21 Nuten vorgesehen. In jedem der vier Quadranten sind die gleiche Anzahl (hier fünf) von Nuten 27, 28 eingearbeitet, wobei die genannten Nuten in jedem Quadranten in gleicher Weise angeordnet sind. In die durch die genannten Nuten 27, 23 gebildeten Kammern sind die Erregerspule 30 sowie die Abgriffspulen 31 bis 34 gewickelt (siehe Fig. 3). Hierbei sind die Windungen der Erregerspule 30 gleichmässig über den Umfang verteilt angeordnet, so dass in jeder der Nuten 27, 28 gleich viele Windungen vorhanden sind. Die Windungen der Abgriffspulen 31 bis 34 sind jeweils nur in den Nuten 27, 28 eines Quadranten angeordnet. Aufgrund der svmmetrischen Anordnung der Nuten 27 28 sowie der sbmmetrlschen Ausbildung der Abgrifdspulen wird gewähr- leistet, dass die Hauptachsen der Abgriffspulen in der TXeB- ebene auch exakt um jeweils 900 gegeneinander versetzt liegen. In den irschaltplan gemäss Figur 3 ist auch die prinzipielle Anordnung der Erregerspule 30 sowie der Abgriffspulen 31 bis 34 dargestellt. Die Erregerspule 30 ist weitgehend gleichmässig über den Umfang des Kernes 24 angeordnet, während die Abgriffspulen 31 bis 34 jeweils um 900 versetzt angeordnet sind. Aus Gründen der Über sichtlichkeit sind die Spulen 31 bis 34 neben dem Kern 24 gezeichnet, doch sie sind tatsächlich ebenfalls um den Kern 24 gewickelt. Die diametral einander gegenüber liegenden Abgriffspulen 31, 32 bzw. 33, 34 sind unter Berücksichtigung des Wickelsinns jeweils gegeneinader geschaltet, so dass, falls kein externes Magnetfeld einwirkt, durch Differenzbild#g in den Spulenpaaren 31, 32 bzw. 33, 34 keine Signalspannung auftritt. Die Erregerwicklung 30 wird von einer Ansteuerschaltung 36 mit einer periodischen, dreieckförmigen Steuerspannung mit einer km.nlitude von etwa 2,5 V55 gespeist, wobei ein Strom von etwa 250 mAss ausreicht, um den Kern 24 mit einem äusserst kleinen Querschnitt voll in die Sättigung auszusteuern. Die Ansteuerschaltung 36 enthält zweckmässigerweise einen Regler mit integralem Verhalten zur Stromamplitudenregelung. Der Ansteuerschaltung 36 wird ein frequenz stabiles Signal SF von 3,2 KHz zugeführt, welches über einen Teiler 38 (Dual- zähler) aus der Impulsfolge eines Oszillators 37 gebildet wird. Der Oszillator 37 enthält einen Schwingquarz mit einer Frequenz von 3,2768 W2z. Die genannte Impulsfolge wird auf den Zähleingang CP des nachgeschalteten Teilers 38 geführt und das am Ausgang Q 10 abgegriffene Signal SF weist eine um den Faktor 210 geteilte Frequenz von 3,2 KHz auf, welche somit die Grundfrequenz des Erregerstromes ist. Es sei besonders darauf hingewiesen, dass nicht nur die Frequenz des Erregerstromes, sondern auch die der im einzelnen noch zu erläuternden Steuersignale direkt aus der Frequenz des Oszillators 37 abgeleitet werden. Ist in der M'essebene ein externes Magnetfeld wirksam, so treten in den Abgriffsnulenpaaren 31, 32 bzw. 33, 34 Signalspannungen 51 und S2 auf, wobei die Amplituden der zweiten Harmonischen den in Richtung der Spulenhauptachsen liegenden Feldvektorkomponenten proportional sind und die Phasenlagen dieser Signalspannungen die Richtung der Feldvektorkomponenten beinhalten. Den Spulenpaaren ist über Analogschalter 40, 41 ein Filter 42 nachgeschaltet, welches nur für die zweite Harmonische, d.h. für Frequenzen von 6,4 KHz durchlässig ist. Die Steuersignale UM und mu für die Schalter 40, 41 werden aus der Impulsfolge des Oszillators 37 abgeleitet. Hierzu ist der Ausgang Q 14 (Faktor 214, 200 Hz) mit dem Zähleingang CP eines weiteren Teilers 39 verbunden, an dessen Ausgang DO ein Signal mit 20 Hz ansteht. Der Ausgang DO ist auf eine bistabile Kippstufe 43 geführt, welche nach jeweils 50 Millisekunden die Steuersignale UM bzw. U abgibt. Die Spulenpaare 31, 32 bzw. 33, 34 sind somit abwechselnd für jeweils 50 Millisekunden mit dem Filter 42 und dem nachgeschalteten phasenempfindlichen Gleichrichter 44 verbunden. Der besondere Vorteil dieser Umschaltung der Spulenpaare liegt vor allem darin, dass die nachgeschalteten Bauelemente wie Filter 42, Gleichrichter 44 usw. nur einmal vorhan- den sein müssen und ddass Parameteränderungen, wie zum Bei- spiel Temperatur- und Langzeitdrift, auf beide Signalspannungen den gleichen Einfluss haben und somit das Messergeb- nns praktisch nicht verfälschen. Der phasenempfindliche Gleichrichter 44 enthält vier Analogschalter 45 bis 48, welche durch die Steuersignale DBlO bzw. DtiLL#O angesteuert werden, einen Verstärker 49, sowie zwei weitere Analogschalter 50, 51, welche durch die Steuersignale AZ bzw. AZ angesteuert werden. Die Analogschalter 45 bis werden derart an#csteuert, dass der Verstärker 49 einmal die Verstärkung +1 und zum anderen die Verstärkung -1 aufweist, wobei die Schaltfrequenz auf die Frequenz der zugeführten zweiten Harmonischen bzw. U2 abgestimmt ist, d.h., 6,4 KHz beträgt. Hierzu werden die Steuersignale DEDIO bzw. 3ED10 von den Signalen an den Ausgängen Q 7 bis Q 9 des Teilers 38 über NOR-Gatter 52, 53, Inverter 54, 55 sowie eine Kippstufe 57 abgeleitet. Es ist ersichtlich, dass der Kippstufe 57 am Eingang CP Signale mit einer Frequenz, von 12,8 KHz zugeführt werden und somit die genannten Steuersignale die erforderliche Frenuenz von 6,4 PE.z aufweisen. Sind beispielsweise während der ersten Periodenhälfte der zweiten Harmonischen durch das Signal DErdO die Schal- ter 45 und 46 geschlossen, so beträgt die Verstärkung +1. Während der zweiten Periodenhälfte beträgt die Verstärkung hingegen -1 infolge der nunmehr durch das Signal DEMO geschlossenen Schalter 47 und 48. Da die zweite Harronische U1 bzw. U2 einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist, erscheint somit am Ausgang des Verstärkers 49 ein xrollweggleichgerichtetes Signal entsprechend der Amplitude der zweiten Harmonischen mit - je nach Phasenlage - positiven oder negativem Vorzeichen. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass durch das Steuersignal AZ der Analogschalter 50 am Eingang des phasenempfindlichen Gleichrichters 44 geschlossen ist. Mittels des anderen Analo#schalters 51 kann durch das Steuersignal AZ der Eingang auf Tasse gelegt werden (Auto-Zero Phase). Die genannten Steuersignale werden von Signalen an den Ausgängen DO und D3 des Teilers 39 über eine Kipp- stufe 58, 59 abgeleitet, wie es weiter unten erläutert wird. Dem phasenempfindlichen Gleichrichter 44 bzw. dessen Verstärker 49 ist ein Analog-Digital-Wandler 60 nachge schaltet. Es ist bevorzugt ein 10-Bit-l'landler vom Typ 8701 der Firma Teledyne vorgesehen, welcher nach dom Charge-3alancing-Verfahren arbeitet. Da das Eingangssignal bzw. die Eingangsspannung sowohl ein negatives als auch positives Vorzeichen aufweisen kann, der A/D Wandler jedoch nur positive Signale verarbeiten kann, wird über einen Vorstrom 1Bias der Wandlerbereich um ungefähr den halben Wertebereich verschoben, wodurch sich die Auflösung auf 9 Bit erniedrigt. Die A/D-Wand- lung wird zu vorgegebenen Zeiten durch ein weiteres Steuersignal INCON ausgelöst und das derart gemessene Signal entsprechend der Amplitude und Vorzeichen der zweiten Harmonischen wird über die Digital-Ausgänge des A/D-Wand- lers in einen nachgeschalteten Rechner 66 eingegeben. Das Steuersignal INCON wird aus Signalen an den Ausgängen Q 13, Q 14 des Teilers 38 sowie an den Ausgängen D1, DE, D3 des Teilers 39 über NOR-Gatter 62 bis 65 abgeleitet, wobei der zeitliche Verlauf aus Fig. 4 entnehmbar ist. Dem Rechner 66 wird ein Steuer- bzw. Taktsignal von 200 Hz zugeführt, welches am Ausgang Q ,4 des Teilfrs an-steht. In Figur 4 sind der zeitliche Verlauf der zweiten Harmonischen U1, U2 am Ausgang des Filters 42 sowie der Steuersignale WI, AZ und INCON dargestellt. Die negierten Steuersignale GI und AZ ergeben sich als Negation der Steuersignale UM und AZ. Durch das Steuersignal UM wird der Schalter 40 für 50 ms geschlossen und die Signalspannung S 1 wird auf das Filter 42 gegeben, so dass an dessen Ausgang die zweite Harmonische U1 ansteht. Während das Filter 42 auf U1 einschwingt wird durch AZ mittels des Schalters 51 für etwa 15 ms der Eingang des chasenempfindlichen Gleichrichters auf Masse gelegt. In dieser Auto-Zero Phase erscheint hier etwa 5 ms das Steuersignal ICO, durch welches mittels des A/D-Wandlers 60 eine Bezugsgrösse für die zweite Harmonische in den Rechner 62 eingegeben und gespeichert wird. Mit Verschwinden ies Signals AZ wird durch das Signal AZ der Schalter 50 geschlossen und die zweite Harmonische U1 gelangt auf den phasenempfindlichen Gleichrichter 44. Nach insgesamt 30 ms, das Filter ist bereits auf seinen Endwert eingeschwungen, wird durch das Signal INCON eine erste Wandlung und nach insgesamt 40 ms eine zweite Wandlung durchgeführt und die derart erhaltenen digitalen Signale werden in den Rechner 62 eingegeben. Diese digitalen Signale werden addiert und durch den Faktor zwei dividiert, wodurch in bevorzugter Weise Netzmodulationen von beispielsweise 50 Hz unterdrückt werden. Mittels des Rechners 62 wird nunmehr aus der halben Summe der genannten digitalen Signale und der gespeicherten Bezugsgrösse ein erstes Differenzsignal gebildet, welches nach Vorzeichen der Phasenlage und nach Betrag der Amplitude der zweiten Harmonischen U1 und somit der Felakomponente in Richtung der Hauptachsen des Abgriffspulenpaares 31, 32 entspricht. Nach insgesamt 50 ms verschwindet das Steuersignal Wl und durch das nunmehr 2m Schalter 41 anstehende Steuersignal lZiI wird für die nächsten 50 ms die Signalspannung S2 auf das Filter 42 gegeben. Es wird entsprechend den obigen Ausführungen für die zweite Harmonische U2 ein zweites Differenzsignal gebildet, welches der Feldkomponente in Richtung der Hauptachsen des Abgriffspulenpaares 33, 34 entspflcht. Da die Hauptachsen der beiden Spulenpaare um 900 gegeneinander versetzt sind, wird mittels des Rechners 62 über eine arctan-Rechnung aus den beiden Differenzsignalen der Winkelwert des in der Messebene einwirkenden externen Magnetfeldes und somit die Richtung der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes bestimmt.

Claims: Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfeldes Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfeldes, ent haltend einen im wesentlichen ringförmigen Kern aus magnetischem Material, welcher von einer Er regerspule und vorz'#--sweise von vier symmetrisch angeordneten Abgriffspulen umgeben ist, sowie eine Ausserteschaltung für die Signalsparnungen der Ab griffspulen, dadurch zekennzeichnet, dass ein Spulen körper (20) mit einer Ringnut (23) zur Aufnahme des Kernes (24) vorgesehen ist und dass der Spulenkörper (20) an seinen Aussenflächen Nuten (27, 23) zur Auf nahme der Erregerspule (30) und der Abgriffspulen (31 bis 34) aufweist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (27, 28) über den Umfang des Spulen körpers (20) in den vier Quadraten je:veils symme trisch angeordnet sind und dass in jedem Quadranten eine der Abgriffspulen (31 bis 34) in gleicher Weise angeordnet ist, so dass deren Hauptachsen um jeweils 900 gegeneinander versetzt liegen. Batentansprüche 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass mit dem Spulenkörper (20) ein Deckel (21) verbunden ist, dessen ringförmiger Ansatz (25) in die Ringnut (23) zur Fixierung des Kernes (24) hineinragt. 4. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (24) als eine einzige dünne Ringscheibe ausgebildet ist. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur kardanischen Auf-- hängung der Spulenkörper (20) zwei diametral gegen über liegende und nach oben gerichtete Bügel (17, 18) aufweist und dass ein Kardanring (10) vorgesehen ist, dessen Wellen (13, 14) in Buchsen (15, 16) der genannten Bügel und dessen Wellen (11, 12) in einer um 900 versetzten Ebene in Buchsen (7, 8) eines im Gehäuse (1) oben abschliessenden Deckels (2) eingrei fen. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn#eichnet, dass die Durchmesser der genannten Buchsen (7, 8, 15, 16) jeweils um etwa 20 ' grösser sind als die Durch messer der Wellen (11, 12, 13, 14).. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite des Spulenkörpers (20) ein im wesentlichen halbkugel- förmiges Pendelgewicht (22) angeordnet ist. Pat entansprüche 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Aussenseite eines den Spulenkörper (20) aufnehmenden Gehäuses (1) zwei Wicklungen einer Helmholtzspule (29) vorgesehen sind, welche zur Kompensation der Vertikalkomponente eines Dauermagnetfeldes von einem Gleichstrom durchflossen ist. 9. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Auswerteschaltung zur Auswer- tung der in den jeweils diametral gegenüber liegen den Abgriffspulen (31, 32 bzw. 33, 34) auftretenden Signalspannungen (S1, S2 > einen phasenempfindlichen Gleichrichter (44) enthält, welchem die Signalspan- nungen (S1,S2) abwechselnd über Schalter (41, 42) zugeführt werden und da ss dem phasenempfindlichen Gleichrichter (44) ein Filter (42) vorgeschaltet ist, welches nur für die zweite Harmonische (U1, U2) durch lässig ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Oszillator (37) vorgesehen ist, aus dessen frequenzstabiler Impulsfolge vorzugsweise über Teiler (38, 39) sowohl ein Frequenzsignal (SF) für eine Ansteuerschaltung (36), mit welcher die Erregungsspule (30) angesteuert wird, als auch Steuersignale (UM, DEMO, AZ) für die Schalter (40, 41) und den phasenempfindlichen Gleichrichter (44) abgeleitet werden. Patentansprüche 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem phasenempfindli chen Gleichrichter (44) über einen Analog-Digital- Wandler (60) ein Rechner (62) nachgeschaltet ist, mit welchem aus den zugeführten Signalen entspre chend der Amplitude und Phasenlage der beiden zwei ten Harmonischen (U1, U2) die Richtung des auf die Abgriffspulen (31 bis 34) einwirkenden Magnetfel des bestimmbar ist. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, dass jeweils nach Umschalten der Schalter (40 bzw. 41) zunächst durch das Steuersig nal (AZ) der eine Schalter (51) betätigt wird und die Bezugsgrösse in den Rechner'(62) eingegeben wird und dass anschliessend unter Berücksichtigung der Einschwingzeit des Filters (42) durch das Steuer signal (AZ) der andere Schalter (50) betätigt wird, wobei aus dem nunmehr zum Rechner gelangenden Si=r- nal und der gespeicherten Bezugsgrösse ein-Differenz signal gebildet wird, welches nach Vorzeichen der Phasenlage und nach Betrag der Amplitude der zweiten Harmonischen (U1 bzw. U2) entspricht.

Inventors: KIESEWETTER, HERMANN, KLOTZ, HERMANN, DIPL.-ING., ROGGE, JOACHIM, DR. ING., WEHDE, HEINZ, DR. RER. NAT.
Applicants: TELDIX GMBH
Application year: 1981
Main classification: G01R33
IPC codes: G01R33