Fluxgate-Magnetometer bei
archaologischen Prospektions
maßnahmen am
Erdwerk von Wellie
Ein
Fluxgate-Magnetometer
, auch
Saturationskern-Magnetometer
oder
Forster-Sonde
, im Englischen
Fluxgate
, ist ein
Magnetometer
zur
vektoriellen
Bestimmung des
Magnetfeldes
. Mit Fluxgate-Sonden lassen sich Magnetfelder von 0,1
nT
bis 1 mT messen. Die Sonde wurde 1937 von
Friedrich Forster
(1908?1999) erfunden.
[1]
Zur Funktion eines Fluxgate-Magnetometers: Die Quelle P magnetisiert mittels Wechselstrom die Kerne 1 und 2 bis zur Sattigung. Die bei S induzierte Spannung hebt sich nur dann auf, wenn keine externe waagerechte Magnetfeldkomponente die Symmetrie stort.
Geoffneter Magnetkompass mit Fluxgate-Magnetometer, bestehend aus einem Ringkern, vier Spulen zur Erregung darum und zwei außenliegenden Spulen als Sensoren
Zwei
weichmagnetische
Spulen
kerne
werden
periodisch
in die
Sattigung
getrieben. Die Kerne sind von zwei gegensinnigen Empfangerspulen umwickelt, sodass sich in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes die
induzierten
Spannungen
aufheben.
Eine Komponente eines außeren Magnetfeldes wirkt parallel bzw. antiparallel auf die Felder der beiden Spulen. Dadurch wird in der einen Halb
periode
- in derjenigen Spule, zu deren Feld das außere Feld parallel ist, die Sattigung des Kerns fruher erreicht
- in der anderen Spule (zu deren Feld das außere Feld gleichzeitig antiparallel ist) die Sattigung des Kerns spater erreicht.
Diese Asymmetrie verursacht ein resultierendes Signal in den Empfangerspulen, das
proportional
zum angelegten Feld ist. Die induzierte Spannung besitzt die doppelte
Frequenz
der Erreger-
Wechselspannung
[2]
[3]
.
Der Aufbau kann mannigfaltig modifiziert werden, z. B. arbeitet das nebenstehend abgebildete Magnetometer mit einem
Ringkern
(
Toroid
), der mittels der vier kleinen Spulen erregt wird. Die beiden Empfangerspulen umgeben den gesamten Kern, daher wird sich auch hier beim Fehlen eines externen Feldes die induzierte Spannung aufheben. Indem
Phase
und
Betrag
der in den Spulen induzierten Spannung bestimmt werden, kann Betrag, Richtung und Richtungssinn derjenigen Komponente des externen Magnetfeldes bestimmt werden, die in der Ebene des Kernes liegt.
Um den Feldvektor im
dreidimensionalen
Raum zu bestimmen, konnen auch
orthogonal
angeordnete Kerne und Messspulen verwendet werden.
Um die
Linearitat
zu verbessern und den
Messbereich
zu vergroßern, kann man
Kompensations
spulen, die sich um dem gesamten Aufbau befinden, mit einem
geregelten
Gleichstrom
beaufschlagen, sodass die in der Sensorspule induzierte Spannung Null wird.
[2]
Der Strom ist dann
proportional
zum externen Feld und hebt dieses auf. Der Gleichstrom wird mit einer
Gegenkopplung
erzeugt und ist somit zugleich das Ausgangssignal des Sensors. Auf diese Weise werden auch
Stromsensoren
gebaut (siehe unten).
Fluxgate-Magnetometer werden zur Messung von
Betrag
und Richtung schwacher Magnetfelder verwendet.
Mit einer Fluxgate-Sonde kann ein elektronischer
Magnetkompass
gebaut werden.
Es wird neben der genauen Messung schwacher Magnetfelder (
Erdmagnetfeld
,
interplanetarer Raum
) auch zum Auffinden und Messen lokaler
Anomalien
verwendet (z. B. Lokalisieren
geologischer Verwerfungen
).
Fluxgate-Sonden dienen z. B. zu Richtungsmessungen des Erdmagnetfelds mit
Raumsonden
, z. B. bei der Mission
CHAMP
.
[4]
Eine weitere Anwendung finden Fluxgate-Sonden in der
zerstorungsfreien Werkstoffprufung
.
Bei der
Wirbelstromprufung
auf
Risse
und
Inhomogenitaten
nicht-
ferromagnetischer
Werkstoffe wird eine lediglich ahnliche Anordnung verwendet, die jedoch mit dem Prinzip des Fluxgate-Magnetometers nichts gemein hat:
Ein
E-Kern
wird aufgesetzt, und zwei
symmetrische
Teil
wickel
beaufschlagen das darunter liegende Material mit einem gegen
phasigen
magnetischen
Wechselfeld
.
- Ist das Material homogen, so loscht sich das Feld im Mittelschenkel aus (d. h. Differenzsignal Null);
- weist das Material jedoch z. B. einen Riss auf, so ergibt sich ein Differenzsignal.
Bei einem weiteren Verfahren, der Streufeldanalyse, erzeugen Risse an der Oberflache ferromagnetischer Werkstoffe ein nach außen dringendes Streufeld. Das Feld kann mit dem
Magnetpulververfahren
, dem Auflegen eines
Magnetbandes
oder durch Abtastung mit einer Magnetsonde detektiert werden.
[5]
Die
Strommessung
anhand des vom Strom erzeugten Magnetfeldes kann erfolgen mithilfe einer Fluxgate-Sonde, die sich in einem Schlitz des Kernes befindet, welcher den
Stromleiter
umgibt, und Null
kompensation
mittels einer Kompensations
spule
auf diesem Kern.
Solche
Stromsensoren
nach dem Fluxgate-Prinzip (z. B.
Kompensationsstromwandler
der Fa.
Vacuumschmelze
) sind anderen Prinzipien (z. B. dem Messen mit
Hallsonde
) hinsichtlich des
Offset
fehlers uberlegen.
[6]
- ↑
M. Linnert, A. Sutor, S. J. Rupitsch, R. Lerch:
C8.4 - Characterization and Simulation of a Magnetized Sample
. 2017,
S.
424?428
,
doi
:
10.5162/sensor2017/C8.4
(
ama-science.org
[abgerufen am 10. Juni 2023]).
- ↑
a
b
What is a Fluxgate ? (Erklarung des Messprinzips beim Fluxgate-Magnetometer).
Abgerufen am 4. September 2018
(englisch).
- ↑
http://www.geophysik.uni-jena.de/igwphymedia/Versuchsanleitungen/Geomagnetik_neu_pdf.pdf
Geophysikalisches Laborpraktikum (Friedrich-Schiller-Universitat Jena, Institut fur Geowissenschaften) Seite 8f., abgerufen am 29. Okt. 2018
- ↑
CHAMP, Satellite & Systems, Geoforschungszentrum in Potsdam
(aufgerufen am 4. Januar 2014)
- ↑
https://www.ndt.net/article/ndtnet/2009/foerster.pdf
Winfried Morgner: Nachruf fur Friedrich Forster, Seite 45, abgerufen am 25. Aug. 2018
- ↑
https://www.elektronikpraxis.de/praezises-und-quasi-verlustfreies-messen-aller-stromformen-a-424898/
Klaus Reichert:
Prazises und quasi verlustfreies Messen aller Stromformen
in Elektronikpraxis Nr. 22, 21. November 2013, Seite 88f, abgerufen am 21. Feb. 2024