NO890631L - Fluksgate magnetometer samt fremgangsmaate for aa justere fluksgater deri for aa oppnaa temperaturkompensasjon. - Google Patents

Abstract

Et f luksgate-magnetoaetor som har stor nøyaktig-het over et vidt tempera turområda uten å tilføye temperaturkompenserende komponenter, blir oppnådd ved: (1) en fluksgate justert ved å innrette en høypermeabel kjerne av Magnetisk bånd i forhold til fluksgatens sekundervikling slik at hver av de pulser som induseres i sekundcrviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i begge retninger gjøres hovedsakelig like, og (2) fluksgate-magneto-meterets primere drivstrøm økes over hva som normalt betraktes som metningsstrøm for å redusere utgangens følsomhet for temperaturendringer og endringer i den primere drivspenning.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører magnetometere, og mer spesielt et forbedret fluksgate-magnetometer og fremgangsmåte for å justere fluksgater for å oppnå temperatur-kompensasjon.

Det finnes to grunnleggende systemer for deteksjon av retningen på jordens magnetfelt. I det første blir en nål eller lignende av magnetisk materiale magnetisert for å skape en nordsøkende pol ved en ende og en sydsøkende pol ved den annen. Hvis nålen tillates å flyte i en eske, vil den rette seg inn med jordens magnetfelt. Slike detektorer er imidlertid ikke prak-tiske for transportmidler som opererer i forskjellige høyder eller i et miljø med forholdsvis store vibrasjoner.

I den annen type system benyttes det en enhet som vanligvis kalles en fluksgate. Fluksgaten består av en høypermeabel magnetkjerne, vanligvis med form av en toroid, som har to sett med elektriske viklinger. Ett slikt sett, kjent som primær-eller driv-viklingen, er viklet omkring toroiden. Et elektrisk vekselsignal blir tilført denne viklingen. Når det elektriske signalet veksler, driver det magnetkjernen inn og ut av magnetisk metning.

Jordens magnetfelt strømmer inn i kjernen når den er umettet, og en hoveddel blir tvunget ut når kjernen er mettet. Ved å anbringe en annen vikling, vanligvis kalt sekundærviklingen eller avfølingsspolen, over toroiden, kan innstrømningen og utstrømningen av jordens magnetfelt detekteres fordi det genereres en spenningspuls i denne viklingen hver gang jordens felt endres i toroiden. Sekundærviklingen er viklet slik at virkningen av det primære, vekslende drivsignal blir kansellert.

Størrelsene til sekundærspolens utgangspulser avhenger av styrken på jordens magnetfelt og innrettingen av toroiden og sekundærspolen i jordens magnetfelt. Ved å holde sekundærspolen plant i forhold til jordoverflaten, kan pulsenes størrelse kalibreres for å indikere sekundærspole-aksens avvik fra magnetisk nord. Dette frembringer kurs eller retnings-informasjon.

Ett problem ved denne konstruksjonen er at utgangspulsene også påvirkes av toroidens temperatur som påvirker nøyaktigheten av enhver avlesning. Det er to faktorer som er ansvarlige for dette problemet: (1) en diskontinuitet i toroidens magnetiske bane som påvirkes av temperaturen, og (2) endringer i de magnetiske egenskapene til toroidens magnetiske materiale med endringer i temperatur.

Diskontinuiteten i den magnetiske banen er et resultat av toroidens fysiske konstruksjon. For høyfrekvens eller puls-anvendelser, er toroidene vanligvis sammensatt ved hjelp av viklingsbånd eller tape av det høypermeable my-materialet, slik som permalloy på en spole. Hvis båndets ender ikke er innrettet på samme radielle linje, skapes det diskontinuiteter i toroiden fordi tverrsnittet til den magnetiske banen ikke er konstant.

Toroiden kan konstrueres slik at båndets start- og stopp-posisjoner er på tilnærmet samme radielle linje. Dette reduserer diskontinuiteten, men eliminerer den ikke fullstendig ettersom magnetfluksen må strømme over de bitte små luftgapene mellom båndlagene. Båndet er vanligvis viklet stramt for å minske denne effekten; imidlertid finnes det fremdeles diskontinuiteter fordi permeabiliteten til båndet er flere tusen ganger permeabiliteten til luft.

Disse diskontinuitetene genererer en puls i sekundær-vikl ingen hver gang kjernen går inn i eller ut av metning fordi de bringer ubalanse i den fluks som genereres i toroiden (kjernen vil først nå metning ved båndendene). Virkningen av disse pulsene er enten å øke eller minske de pulser som genereres i sekundærviklingen av jordens magnetfelt, avhengig av polariteten til primær- eller eksiterings-signalet. Virkningen av disse pulsene kan utbalanseres eller kalibreres bort for en gitt temperatur, men ettersom de endres i størrelse med temperaturen, kan de forårsake feil som overstiger fem grader i retning når de drives over et stort temperatur-område. Båndet vil også utvide seg og trekke seg sammen med temperaturendringer, noe som får diskontinuitetenes virkning til å endre seg med temperaturen.

Dessuten varierer endringen i pulsamplitude over et gitt temperaturområde for hver spesiell magnetkjerne. Disse endringene kan forårsake feil opptil pluss eller minus to grader i kursnøyaktighet over et temperaturområde fra -55°C til +70°C. Størrelsen på endringen er avhengig av den type magnetisk materiale som brukes og tykkelsen på det båndet som brukes til å vikle kjernen, men den verdi som er gitt ovenfor, ansees som typisk for de beste materialer som for tiden er tilgjengelige. Resultatet er at hver kjerne må testes individuelt ved en høy og en lav temperatur og kalibreres tilsvarende. Dette er tid-krevende og øker nødvendigvis omkostningene ved fremstillings-prosessen.

En fremgangsmåte for regulering av en kjerne i et fluksgate-magnetometer ved en gitt temperatur, er beskrevet i Garner, "A Magnetic Heading Reference for the Electro-fluidic Autopilot", Sport Aviation, 22. november 1981 (part 1). Denne fremgangsmåten medfører innretting av toroidkjernen i forhold til sekundær-viklingen for å oppnå en rimelig symmetrisk sinusbølge-utgang. Ved denne fremgangsmåten blir primærviklingen til et fluksgate-magnetometer eksitert av en firkantbølge med passende frekvens og amplitude (figur la) slik at kjernen er mettet halvveis gjennom hver periode (figur lb). Ettersom kjernen bringes til metning og ut av metning vil pulsene som induseres i sekundær-viklingen, være ved to ganger frekvensen til drivspenningen (figur lc). Sekundærviklingen blir så avstemt til en frekvens på to ganger drivfrekvensen for å omforme rekken med pulser til en sinusbølge hvis amplitude er proporsjonal med amplituden til pulsene og hvis fase vil reverseres når fasen til pulsene reverseres (figur ld).

Sekundærviklingen blir avstemt til den annen harmoniske av drivfrekvensen med en passende avstemningskondensator. Med fluksgaten anbrakt slik at sekundærviklingens senterlinje peker i nord/syd-retningen, blir oscillatorens frekvens regulert inntil en bølgeform med maksimum amplitude blir oppnådd. Kjernen blir så dreiet inne i spolen inntil man observerer den beste til-nærmelse til en sinuskurve.

Garner-metoden krever nødvendigvis ytterligere kretser for

å sentrere metningspunktene halvveis gjennom hver halvperiode og avstemme sekundærviklingen til drivfrekvensens annen harmoniske. Om resonansfrekvensen til sekundærviklingen og avstemnings-kondensatoren er innenfor det frekvensområdet som dekkes av oscillatoren eller ikke, vil videre avhenge av antall vindinger i sekundærviklingen, noe som krever forskjellige kretser for forskjellige fluksgate-konstruksjoner. Selv om denne fremgangsmåten håndterer virkningene av båndende-diskontinuitet på en

adekvat måte ved en gitt temperatur, kompenserer den ikke på tilfredsstillende måte for virkningene av diskontinuitetspulsene over et bredt temperaturområde eller eliminerer virkningene av endringen i magnetkjerne-egenskapene som varierer utgangs-amplituden fra sekundærviklingen som reaksjon på temperaturendringer.

Foreliggende oppfinnelse kan tilveiebringe et fluksgate-magnetometer som er i stand til nøyaktig å detektere intensiteten og retningen av jordens magnetfelt over et bredt temperatur-område uten temperaturkompenserende komponenter.

Oppfinnelsen kan hovedsakelig eliminere virkningene av endringer i magnetkjerne-egenskapene som varierer med temperaturendringer.

Ifølge formålet med oppfinnelsen blir det tilveiebrakt et fluksgate-magnetometer som omfatter: en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt av magnetbanen, en primærvikling anbrakt på kjernen for tilførsel av en vekselspenning for vekslende å bringe magnetkjernen inn i og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter, en sekundær-vikl ing anbrakt på kjernen og primærviklingen for å danne en fluksgate og som reagerer på denne vekslingen mellom metning og ikke-metning av kjernen ved å indusere en spenningspuls i sekundærviklingen ved hver overgang fra kjernemetning til ikke-metning, idet sekundærviklingen blir innrettet i forhold med kjernen slik at når kjernens akse og aksen til sekundær-viklingen orienteres i et ytre magnetfelt, slik som for eksempel jordens magnetfelt, slik at en del av det ytre magnetfeltet passerer gjennom sekundær-viklingen, blir spenningspulsene som induseres i sekundærviklingen ved overgangen fra kjernemetning til ikke-metning i en retning, hovedsaklig lik de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i den motsatte retning, inngangsanordninger for å levere en vekselspenning til primærviklingen, en utgangskrets for å måle og summere spenningspulser som induseres i sekundær-viklingen, samt en anordning for å bestemme størrelsen eller retningen på det ytre magnetfelt fra de målte og summerte spenningspulser for gitte orienteringer av fluksgaten.

Foreliggende oppfinnelse omfatter fortrinnsvis også en anordning for å skape en metningsfeltstyrke som er mer enn tyve ganger den som kreves for å drive kjernen til hva som vanligvis defineres som maksimal flukstetthet eller fluksmetning.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer videre en fremgangsmåte for regulering av en fluksgate for å oppnå temperatur-kompensasjon, idet fluksgaten omfatter en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt for magnetbanen, en primærvikling anbrakt på kjernen, og en sekundærvikling som omslutter kjernen og primærviklingen, idet fremgangsmåten omfatter følgende trinn: forbinde primærviklingen med en vekselspenningskilde for alternerende å bringe kjernen til metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; holde kjernens akse i et ytre magnetfelt, som for eksempel jordens magnetfelt, slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen; detektere ved den sekundære vikling den spenningspuls som induseres i sekundærviklingen ved hver overgang fra kjernemetning til ikke-metning; og innrette kjernen i forhold til sekundærviklingen for hovedsakelig å utligne hver av de detekterte pulser som induseres i sekundær-viklingen ved overgangen fra kjernemetning til ikke-metning i en retning med hver av de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i den motsatte retning.

De spenningspulser som induseres ved kjernens overgang fra ikke-metning til metning, kan utbalanseres og brukes istedenfor de spenningspulsene som induseres ved kjernens overgang fra metning til ikke-metning, eller begge pulsene kan brukes med kjernen dreiet for å oppnå hovedsakelig lik ubalanse mellom de fire pulsene.

De vedføyde tegninger som utgjør en del av beskrivelsen, illustrerer en utførelsesform av oppfinnelsen og forklarer sammen med beskrivelsen oppfinnelsens prinsipper.

Ytterligere fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil delvis fremgå av den følgende beskrivelse og vil delvis kunne utledes av beskrivelsen eller læres ved praktisering av oppfinnelsen. Oppfinnelsens fordeler kan realiseres og oppnås ved den opp- bygning og den fremgangsmåte som er spesielt angitt i de vedføyde krav.

Det vises nå til de vedføyde tegninger, hvor:

Fig. IA - ID viser idealiserte bølgeformer som tilføres og genereres av et fluksgate-magnetometer av tidligere kjent type. Fig. 2 er et blokk-skjema over en utførelsesform av et

fluksgate-magnetometer ifølge foreliggende oppfinnelse,

Fig. 3 er et skjema over en demoduleringskrets ifølge ett

aspekt ved foreliggende oppfinnelse.

Fig. 4 er et skjema over en utførelsesform av en fluksgate

ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 5 er et tverrsnitt gjennom det indre av en typisk

magnetbånd-kjerne tatt normalt til kjernens akse.

Fig. 6 er en illustrasjon av en typisk primærvikling viklet

på en konvensjonell magnetbånd-kjerne.

Fig. 7 illustrerer en typisk sekundærvikling viklet på en

konvensjonell magnetbånd-kjerne.

Fig. 8A - 8E viser de bølgeformer som tilføres til og utgangs-pulssignalene som genereres av en typisk toroid-fluksgate. Fig. 9 er en tegning som viser utgangene fra det fluksgate-magnetometeret som er vist på figur 2, for forskjellige orienteringer av fluksgate-magnetometeret. Fig. 10 er et diagram som viser en DC-hysteresekurve for en magnetbåndkjerne som inneholder bånd av typen "Square Permalloy 80". Fig. 11 er et diagram som viser typiske variasjoner i H med temperaturendringer for "Square Permalloy 80"-bånd.

Det skal nå vises detaljert til foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen som eksempelvis er illustrert på de vedføyde tegninger.

Det vises til figur 2 hvor en utførelsesform av en fluksgate-magnetometer ifølge oppfinnelsen er betegnet med tallet 20. Fluksgate-magnetometeret 20 omfatter fortrinnsvis en primær drivtransformator 22 som leverer en vekselspenning til en primærvikling 44 på en kalibrert fluksgate 40. En motstand 24 er i serie med primærviklingen 44. Den primære drivtransformator 22 driver også en demodulasjonskrets 26 som mottar utgangssignalene fra sekundærviklingen 48 til den kalibrerte fluksgate 40.

Funksjonen til demodulasjonskretsen 2 6 er å lede de balan-serte pulsene fra sekundærviklingen 48 hver gang den primære drivspenning fra den primære drivtransformator 2 2 endrer polaritet. De demodulerte pulsene blir så forsterket og ført gjennom et lavpassfilter for å frembringe et glatt DC-signal. Ett eksempel på en egnet demodulasjonskrets er vist på figur 3, som omfatter en portgenerator 27 som drives av den primære driv-transf ormator 22. Utgangssignalene kan også være avstemt for å tilveiebringe en tilnærmet sinusbølge, og brukes til å drive en synkron eller enhver annet egnet utgangs-deteksjonsanordning. Vanligvis blir dette DC-signalet så ført gjennom en analog/- digital-omformer 28, og de resulterende digitale signaler blir matet inn i en datamaskin 3 0 hvor den informasjon som repre-senteres av de digitale signaler, kan behandles og analyseres.

Den foretrukne utførelsesform av fluksgaten 40, som er vist på figur 4, består av en magnetkjerne 42, en primærvikling 44 og en sekundærvikling 48.

Magnetkjernen 42 til fluksgaten 40 er sammensatt av et høypermeabelt my-materiale. For oppfinnelsens formål har magnetkjernen fortrinnsvis en my-verdi over 5000. Det vises til figur 5 hvor en kommersielt tilgjengelig magnetkjerne egnet for bruk i denne oppfinnelse, består av ultratynt magnetbånd 50, slik som firkantet permalloy 89 fremstilt av Magnetics, Inc, viklet inne i en spole 52 av rustfritt stål. Tykkelsen på båndet 50 kan variere fra mindre enn 0,001 til flere tusendels tomme. Spolekjernen er fortrinnsvis innesluttet i et keramisk hus for

å danne en toroid, slik som toroid-kjernen 42 på figur 4.

Det magnetiske båndet 50 har en båndstart-posisjon 54 og en båndstopp-posisjon 56. Tverrsnittet til kjernens magnetbane er variabelt på grunn av nærværet av luftgap mellom hvert lag av viklet bånd. I virkeligheten vil magnetbåndet 50 være tettere viklet enn vist på figur 5, som er vist løst viklet for klar-hetens skyld, men bitte små luftgap vil fremdeles være til stede. I noen kjerner vil båndstart- og båndstopp-posisjonene 54 og 56 ikke være på samme radielle linje, noe som øker variasjonen i magnetbanens tverrsnitt.

Fluksgaten 40 har en første primærvikling 44 viklet på kjernen 42, for eksempel som vist på figur 6. Virkningen av primærviklingen 44 er å tilføre en vekselstrøm til kjernen 42 for å drive kjernen inn i og ut av magnetisk metning med magnetfelter av motsatte polariteter.

Fluksgaten 4 0 har også en sekundærvikling på magnetkjernen. Funksjonen til sekundærviklingen er å avføle de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen av den alternerende metning og ikke-metning av magnetkjernen. Som vist på figur 7 kan sekundær-viklingen være en trådspole 46 som er spiralviklet omkring en toroidkjerne 42 med viklingsretning i urviserretningen over en halvdel av kjernen, og i retning mot urviseren over den andre halvdelen av kjernen. Primærviklingen 44 er utelatt på figur 7 for bedre å illustrere viklingsretningen til spolen 46. I den foretrukne utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er den sekundære vikling en forhåndsviklet burspole 48 som kan smettes over kjernen 42 og primærviklingen 44, som vist på figur 4.

Den fluks som genereres av primærviklingen 44 går rundt toroiden 42 slik at dens vikling blir kansellert i sekundær-viklingen, fordi spolen 48 omslutter hele toroiden 42 (figur 4), eller fordi de to halvdelene av sekundærviklingen 14 er viklet i motsatte retninger (figur 7). Alt dette er velkjent ved konstruksjon av fluksgater.

Foreliggende oppfinnelse overvinner problemene med de tidligere kjente fluksgate-magnetometere med hensyn til varierende kjerne-diskontinuitetseffekter ved forskjellige temperaturer ved å eliminere kravene om at magnetkjernemetning skal inntreffe halvveis gjennon hver halvperiode av driv-spenningens bølgeform og at sekundærviklingene skal være avstemt til drivfrekvensens annen harmoniske. Magnetkjernene innrettet i forhold til sekundærviklingen, ikke på grunnlag av det optimale sinusbølge-signal som detekteres, men på grunnlag av den beste symmetri som oppnås mellom hver av primær- eller sekundær-utgangspulsene som observeres ved sekundærviklingen innenfor en periode av drivspenningen. Dette er ikke bare en mer nøyaktig reguleringsteknikk, men den er også en som anvender enklere magnetometerkretser, noe som resulterer i en mindre og mindre kostbar anordning. Reguleringen av fluksgaten 40 for temperatur- kompensasjon er diskutert mer detaljert under henvisning til figur 8. Figur 8a viser en typisk spenningsbølgeform over primærviklingen 44 til fluksgaten 40 når den for eksempel blir eksitert med en firkantbølge. Den primære drivspenning kan være en firkantbølge, en sinusbølge eller enhver variasjon av disse. Ved punktet 60 begynner magnetkjernen 42 å gå i metning, og kjernen 42 blir fullstendig mettet ved punktet 62. Figur 8b viser den tilsvarende strømbølgeform i primærviklingen 4 4 med metnings-strømmen begrenset av motstanden 24 i serie med primærviklingen 44. Figur 8c viser typiske diskontinuitetspulser 64 som genereres i for eksempel sekundærviklingen 48, under antagelse av at der ikke er noe ytre magnetfelt (d.v.s. jordens magnetfelt) tilført fluksgaten. Disse diskontinuitetspulsene blir generert av den ubalanserte fluks som er et resultat av kjernens konstruksjon og som avføles ved hjelp av sekundærviklingen. Pulsenes 64 amplituder kan varieres, for eksempel ved å dreie magnetkjernen 42 inne i burspolen 48, eller ved den fysiske orientering av sekundærviklings-spolen 4 6 i forhold til magnetbåndets start- og stopp-posisjoner 54 og 56. Figur 8d viser typiske pulser som for eksempel genereres i sekundærviklingen 48 ved innstrømningen og utstrømningen av et ytre magnetfelt (d.v.s. jordens magnetfelt), under den antagelse at der ikke er noen diskontinuiteter i magnetkjernen. Pulsene 66 blir generert når drivspenningen over primærviklingen 44 blir reversert i retning og magnetkjernen 4 2 går ut av metning og tillater jordens magnetfelt å strømme inn. Pulser 68 blir generert når magnetkjernen 42 blir mettet ved den motsatte polaritet og tvinger mesteparten av jordens magnetfelt ut av kjernen.

Diskontinuitets-pulsene 64 og jordens magnetfelt-pulser 66 og 68 inntreffer ikke separat, men er vist separat på figur 8c og 8d for bedre å illustrere hvordan de kombineres for å tilveiebringe den virkelige utgangsbølgeform som er vist på figur 8e. Pulsenes polaritet er avhengig bare av spolenes viklings-retninger.

For å generere pulsene på figur 8e, må primærviklingen 44

i fluksgaten 40 være forbundet med en passende vekselspennings-

kilde. Ved balansering av utgangspulsene fra fluksgaten 40, foretrekkes det at kjernens 42 akse blir holdt i et horisontalt plan. Dette kan for eksempel gjøres ved å plassere aksen til kjernen 42 på en plan overflate, slik som et treakse-bord. Aksen til sekundærviklingen (for eksempel vist ved pilen på figur 4) er posisjonert parallelt med retningen av den horisontale kom-ponenten til jordens magnetfelt som bestemmes ved hjelp av en ytre referanse. Imidlertid kan innrettingen av sekundærviklingen foretas ved enhver fast orientering av fluksgaten i det ytre magnetfelt, d.v.s. fra en orientering som genererer hovedsakelig sekundære utgangspulser ved null spenning til en orientering som maksimaliserer spenningen til de sekundære utgangspulsene. Utgangspulsene i sekundærviklingen blir så observert, for eksempel ved hjelp av en spiss-detektor.

I den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen blir magnetkjernen 42 dreiet inne i sekundærviklingen 48 inntil det kombinerte utgangspuls-par 70 og 72 fra diskontinuiteten og jordens magnetfelt som opptrer når magnetkjernen blir drevet ut av metning i begge retninger, er hovedsakelig lik i amplitude. Denne justeringen kan for eksempel bestemmes ved å måle arealene under pulsene 70 og 72, eller ved å legge den ene pulsen over den andre med spiss-detektoren. Fluksgaten blir så dreiet 90° omkring vertikalaksen inntil utgangspulsene er hovedsakelig null. Kjernen blir så ytterligere dreiet i sekundær-spolen om nødvendig, inntil de to utgangspulsene er ved den minste verdi som kan oppnås. Etter at pulsene fra fluksgaten 40 er balansert, blir sekundærviklingen 48 vanligvis festet i forhold til magnetkjernen 42 ved hjelp av et klebemiddel.

Det er to resultater fra innrettingen av sekundærspolen 48 som gjør at pulsene 70 og 72 er hovedsakelig like (innenfor 5 % maksimumsamplitude er tilfredsstillende). Først blir båndende-diskontinuiteten dreiet slik at diskontinuitets-pulsene 64 blir redusert til en minimumsverdi. For det andre kan man av figur 8 se at diskontinuitets-pulsene 64 er av motsatt polaritet for pluss og minus magnetisk metning, mens begge pulsene fra jordens magnetfelt 66 på figur 8d er av samme polaritet. Ved å gjøre utgangspulsene 70 og 72 like, blir virkningen av små endringer av diskontinuitets-pulsene 64 hovedsakelig eliminert fordi, hvis diskontinuitets-pulsen 64 blir større, adderes den til den positive pulsen 66, men subtraheres likt fra den neste positive pulsen 66 fra jordens magnetfelt. Ettersom begge pulsene blir summert i utgangen, er nettoresultatet ingen endring i den kombinerte verdi av de to pulsene. Selv om amplitudene til diskontinuitetspulsene fremdeles vil endre seg ved temperaturendringer, sikrer denne innrettingen av magnetkjernen med den sekundære vikling at virkningene av temperaturendringer effektivt blir minimalisert.

I den foretrukne utførelsesform blir bare det positive utgangspuls-paret 70 og 72 detektert og målt. Dette er fordi det positive utgangspuls-paret 70 og 72 og det negative utgangspuls-paret 74 og 76 for noen magnetkjerner ikke begge kan utbalanseres (for pluss og minus kjernemetning) med den samme posisjon av kjernen inne i sekundærviklingen. Dette kan forårsake en svak minskning av nøyaktigheten over et bredt temperaturområde. Uttrykkene positive og negative pulser blir her brukt bare som en hensiktsmessig beskrivelse av oppfinnelsen. Pulspolariteten kan reverseres ved å reversere ledningene til sekundærviklingen.

I tillegg kan opptredenen av pulsene 74 og 76 variere med hensyn til innkoblingen av primærviklingens drivspenning, ettersom temperaturen varieres på grunn av endringen i kjernens magnetiske egenskaper med temperaturen. Dette gjør det vanske-ligere å tilveiebringe en fluksgate ved det riktige tidspunkt hvis en gate brukes i signal-deteksjonskretsen til magnetometeret.

Det negative utgangspuls-paret 74 og 76 kan likevel anvendes i fluksgaten 40. Ofte blir sekundærviklingen brukt til å drive en krets som er resonant ved primærviklingens drivfrekvens. Dette vil frembringe en sinusbølge-utgang som kan demoduleres direkte eller brukes som en retningsmessig gyrostabilisering eller en synkroniseringsutgang. For disse typene anvendelser er det ønskelig å bruke både positive og negative utgangspuls-par.

I en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse blir derfor magnetkjernen 42 innrettet med sekundærviklingen for å oppnå hovedsakelig symmetri mellom det positive utgangspuls-paret 70 og 72 og mellom det negative utgangspuls-paret 74 og 76. I denne utførelsesformen blir kjernens diskontinuitets-posisjon bestemt, for eksempel ved å gjøre alle pulsene så små og like som mulig.

Straks sekundærviklingen 4 8 er festet i innretting i forhold til magnetkjernen 42, blir så fluksgaten 40 kalibrert i samsvar med konvensjonelle metoder. Som en del av fluksgate-magnetometeret 2 0 på figur 2 blir den kalibrerte fluksgaten 4 0 fortrinnsvis plassert på et ikke-magnetisk dreiebord 32 for å holde aksen til kjernen 42 i et horisontalt plan. Fluksgaten kan understøttes av en pendel, kardangopphenging eller enhver annen innretning for å tilveiebringe en horisontal flate under ønskede forhold.

En DC-signalutgang slik som den vist på figur 9, vil frembringes av fluksgate-magnetometeret 20 når den kalibrerte fluksgaten 40 blir dreiet 3 60° omkring den vertikale aksen til magnetkjernen 42. Som man ser, har det demodulerte DC-spennings-signalet den høyeste positive verdi når aksen til sekundær-viklingen i et horisontalplan er parallell med magnetisk nord. Helningen på kurven blir negativ når fluksgaten dreies i østlig retning og positiv når den dreies i vestlig retning. Denne polariteten vil reverseres hvis ledningene til sekundærspolen blir reversert. Amplituden til dette signalet er proporsjonal med styrken av jordens magnetfelt. Den magnetiske feltstyrken kan så kalibreres under referanse til kjente feltstyrke-amplitudeverdier.

Figur 10 viser en DC-hysteresekurve for en magnetisk båndkjerne av et båndmateriale med høy permeabilitet (0,002 tommer tykt "Square Permalloy 80" fremstilt av Magnetics, Inc.). Den magnetiseringskraft i ørsted som er nødvendig for å oppnå Bjj, (vanligvis definert som maksimal flukstetthet eller fluksmetning) er 0,16 ørsted. Ved dette punkt blir magnetkjernen vanligvis betraktet som mettet. Imidlertid kan man av figur 10 se at en ytterligere økning på 0,08 ørsted forårsaker en økning i flukslinjene (b) på omkring 82 gauss (AB). Dette viser at permeabiliteten til kjernen (82/0,08) fremdeles er meget større enn luft, som har en permeabilitet på omkring 1. Fordi kjernen har en større permeabilitet enn luft, trekker den fremdeles til seg noe av jordens magnetfelt, noe som kalles remanensfluks. Ettersom permeabiliteten til det magnetiske materialet varierer svakt med temperaturendringer, vil mengden med remanensfluks også forandre seg med temperaturen.

Figur 11 viser typiske variasjoner i AH med temperaturendringer for magnetisk bånd av "Permalloy 80". AH er et mål på firkantformen til hysterese-sløyfen og er lik Hs- Hn(se figur 10). Bsog He er kjente punkter som brukes ved konstruksjon av transformatorer med magnetmaterialer med høy my, og er betegnet som B mettet og H mettet. De er av interesse i denne diskusjonen bare fordi Hser ett av de punkter som bestemmer AH. Bi er halvparten av Bs, og dette punktet bestemmer H-^.

AH øker ved lave temperaturer, og dermed avtar firkantformen

til hysteresesløyfen og AB som diskutert ovenfor, øker. Dette tillater mer remanensfluks å forbli i kjernen når den er i det som vanligvis betraktes som mettet tilstand. Amplituden til pulsen som genereres av jordens felt når det strømmer tilbake i magnetkjernen, er proporsjonal med den maksimale fluksen til jordfeltet i kjernen når kjernen ikke er mettet minus remanensfluksen. Fordi remanensfluksen varierer med temperaturendringer, endres også pulsamplituden fra sekundærviklingen med temperaturendringer.

I den foretrukne utførelsesform omfatter fluksgate-magnetometeret 20 som er beskrevet ovenfor, en drivtransformator 22 som er i stand til å skape en metnings-feltstyrke (H) i magnetkjernen 42 i fluksgaten 40 som er større enn 20 ganger den feltstyrke som er nødvendig for å mette magnetkjernen 42 (Hs). Det er blitt bestemt eksperimentelt at det å skape en metningsfeltstyrke større enn 10HS, vil minske virkningene av temperaturendringene på utgangspuls-amplituden betydelig. Denne høye metningsfeltstyrken reduserer også variasjoner i utgangsnivåer mellom forskjellige kjernesammenstillinger, noe som forenkler kalibreringen. Det foretrekkes imidlertid at metningsfeltstyrken er minst 20HSfor hovedsakelig å eliminere kjernens virkninger på grunn av temperaturvariasjon.

Det ble også bestemt at ved å øke H til 4 0 ganger Hs, kan drivspenningen varieres over et område på pluss eller minus 15

% med neglisjerbar virkning på amplituden til utgangsspenningen i sekundærviklingen. Dette eliminerer behovene for nøyaktig å regulere drivtransformatoren. Feltstyrker med disse størrelser

blir hovedsakelig oppnådd når det brukes et magnetisk materiale med meget høy my, slik som "Permalloy 80", ettersom bare 0,16 ørsted er nødvendig for Hs.

Det ble også funnet ønskelig å skape høye metningsfeltstyrker ikke bare når fluksgaten eller fluksgate-magnetometeret ifølge oppfinnelsen var i virkelig bruk, men også når fluksgate-kjernen først ble innrettet i forhold til sekundærviklingen i et forsøk på å balansere utgangspulsene i samsvar med de fremgangs-måter som er beskrevet ovenfor. Det har også vist seg ønskelig å skape høye metningsfeltstyrker når fluksgate-kjernen først innrettes i forhold til sekundærviklingen i et forsøk på å balansere utgangspulsene i samsvar med de ovenfor beskrevne metoder. Slike metningsfeltstyrker behøver ikke å være så høye som de som skapes når fluksgaten eller fluksgate-magnetometeret er i virkelig bruk. Det foretrekkes imidlertid at den samme høye metningsfeltstyrken brukes under innretting som ved virkelig bruk for å oppnå optimale resultater.

Den endelige fluksgate-sammenstilling som ble testet ved å bruke oppfinnelsen, hadde en primærviklings-spole bestående av 240 vindinger og en midlere magnetkjerne-lengde på 69 mm (2,7 tommer). Den nødvendige metningsstrøm (Is) som må tilføres primærviklingen for å skape en metningsfeltstyrke på 40 x 0.16H eller 6,4H (ørsted) kan beregnes i henhold til følgende ligning:

Ved således å bruke 2,02 A vindinger/tomme som et mål på en ørsted, ville metningsstrømmen Is være 0,145 amper for denne fluksgaten.

Magnetometeret ifølge foreliggende oppfinnelse kan bestå av mer enn en fluksgate-sammenstilling. Magnetometeret eller fluksgate-detektorer består ofte av to sammenstillinger innrettet 90° i forhold til hverandre eller tre sammenstillinger innrettet 120° i forhold til hverandre. Foreliggende oppfinnelse gjelder uansett antall spoler eller deres innretting.

To treakse-fluksgater ble justert i samsvar med fremgangsmåten ved å gjøre utgangspulsene 70 og 72 hovedsakelig like. Hver akse ble brukt til å representere langsgående, laterale og vertikale akser, respektive. Magnetometeret ble så testet over et temperaturområde fra -55°C til 7 0°C. Den primære drivspenning ble tillatt å variere med pluss eller minus 10 %. Variasjon i de magnetiske retninger beregnet fra sekundærviklingens utgangs-spenning, var nøyaktige innenfor 0,5° for alle de testede forhold. Kurs eller retning ble testet for hver 15o omkring kompasset (3 60°). Ingen temperaturkompenserende komponenter av noe slag var nødvendig for å oppnå disse resultatene.

Magnetometeret på figur 2 ble kalibrert på en kompassrose ved å bruke et ikke-magnetisk treakse-bord. Kalibreringen ble utført ved å ta magnetometer-utgangsavlesninger samtidig med standardmagnetometer-utgangsavlesninger fra Develco lab. Kalibreringskonstanter for magnetometer ble så beregnet ved å bruke standard-avlesningene som en standard og løse simultan-ligninger. Disse kalibreringskonstantene ble lagret i et datamaskin-minne. En sammenligning av magnetometerutgangene for flere kurser i forhold til ovennevnte standardutgang for de samme kurser, ble utført etter kalibrering. Den midlere variasjon mellom de to magnetometrene var 0,084° med et maksimum på 0,18° ved en retning. Det antas at enda bedre kalibrering kan oppnås ved å bruke et treakse-magnetometerbord med et nøyaktig inklino-meter og beregning av jordens magnetiske feltkomponenter istedenfor å bruke ovennevnte standard-magnetometer.

Et enkelt treakse-fluksgatemagnetometer fremstilt i samsvar med oppfinnelsen ble testet ved 23°C og minus 35°C med metnings-strømmer på 12,5HSog 27,5HS. Resultatene av disse testene er oppsummert i følgende tabell:

Ved således å øke metningsstrømmen fra 12,5HStil 37,5HS, ble det oppnådd en forbedring av nøyaktigheten på 2,73%. Den gjenværende feil på 2,27% skyldes hovedsakelig at utgangspulsene ikke var balansert på denne enheten.

Selv om oppfinnelsen ble konstruert for å måle størrelsen og retningen av jordens magnetfelt, kan foreliggende oppfinnelse også benyttes til å måle andre magnetfelter ved å eliminere den kjente intensiteten til jordens magnetfelt.

Oppfinnelsen er derfor ikke begrenset til de spesielle detaljer og illustrerte eksempler som er vist og beskrevet. Det er følgelig meningen at foreliggende oppfinnelse dekker slike modifikasjoner og variasjoner, forutsatt at de faller innenfor rammen for de etterfølgende krav og deres ekvivalenter.

Claims (18)

1. Fluksgate-magnetometer karakterisert ved en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt for den magnetiske bane; en primærvikling anbrakt på kjernen for å tilføre en vekselspenning for alternerende å bringe kjernen i metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; en sekundærvikling anbrakt på kjernen og primærviklingen for å danne en fluksgate, og som reagerer på den alternerende føring av kjernen til metning og ut av metning ved å indusere en spenningspuls i sekundærviklingen ved hver overgang fra metning av kjernen til ikke-metning, idet sekundærviklingen er slik innrettet i forhold til kjernen at når kjernens akse og aksen til sekundærviklingen er orientert i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen, er de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgangen fra kjernemetning til ikke-metning i en retning, hovedsakelig lik de spenningspulsene som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i motsatt retning; en innmatningsanordning for å levere en vekselspenning til primærviklingen; en utgangskrets for måling og summering av spenningspulsene som induseres i sekundærviklingen; og en anordning for å bestemme størrelsen eller retningen av det ytre magnetfelt ut fra de målte og summerte spenningspulser for gitte orienteringer av fluksgaten.

2. Fluksgate-magnetometer, karakterisert ved en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt for magnetbanen; en primærvikling anbrakt på kjernen for tilførsel av en vekselspenning for vekslende å bringe kjernen inn i og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; en sekundærvikling anbrakt på kjernen og primærviklingen for å danne en fluksgate og som reagerer på den vekslende metning og ikke-metning av kjernen ved å indusere en spenningspuls i sekundærviklingen ved hver overgang fra kjernemetning til ikke-metning og en spenningspuls av motsatt polaritet ved hver overgang fra kjerne-ikke-metning til metning, idet sekundær-viklingen er slik innrettet i forhold til kjernen at når kjernens akse og aksen til sekundærviklingen er orientert i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen, er der i det vesentlige symmetri mellom de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i begge retninger, og mellom de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i begge retninger; en innmatningsanordning for levering av en vekselspenning til primærviklingen; en utgangskrets for å omforme de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen til et utgangssignal; og en anordning for å bestemme størrelsen eller retningen av magnetfeltet ut fra utgangssignalet for gitte orienteringer av fluksgaten.

3. Fluksgate-magnetometer karakterisert ved en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt av magnetbanen; en primærvikling anbrakt på kjernen for tilførsel av en vekselspenning for vekslende å bringe kjernen til metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; en sekundærvikling anbrakt på kjernen og primærviklingen for å danne en fluksgate, og som reagerer på den alternerende føring av kjernen til metning og ut av metning ved i sekundærviklingen å indusere en spenningspuls ved hver overgang fra kjerne-ikke-metning til metning, idet sekundærviklingen er slik innrettet i forhold til kjernen at når kjernens akse og aksen til sekundær-viklingen er orientert i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen, er spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i en retning, hovedsakelig lik spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i motsatt retning; en innmatningsanordning for levering av en vekselspenning til primærviklingen; en utgangskrets for måling og summering av spenningspulsene som induseres i sekundærviklingen; og en anordning for å bestemme størrelsen eller retningen til magnetfeltet fra de målte og summerte spenningspulser for gitte orienteringer av fluksgaten.

4. Fluksgate-magnetometer ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved en anordning for å skape en metningsfeltstyrke som er mer enn 20 ganger den som er nødvendig for å drive kjernen til fluksmetning.

5. Fluksgate-magnetometer ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved en anordning for å skape en metningsfeltstyrke som minst er førti ganger den som er nødvendig for å drive kjernen til fluksmetning.

6. Fremgangsmåte for justering av en fluksgate for temperatur-kompensasjon, hvor fluksgaten omfatter en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt av den magnetiske bane, en primærvikling anbrakt på kjernen og en sekundærvikling som omslutter kjernen og primærviklingen, karakterisert ved at primærviklingen forbindes med en vekselspenningskilde for alternerende å bringe kjernen til metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; at kjernens akse holdes i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen; at sekundærviklingen detekterer den spenningspuls som induseres i sekundærviklingen ved hver overgang fra kjernemetning til ikke-metning; og at kjernen innrettes i forhold til sekundærviklingen slik at hver av de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i en retning gjøres hovedsakelig lik hver av de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i motsatt retning.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at kjernen blir innrettet i forhold til sekundærviklingen slik at amplitudene til de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgangen fra kjernemetning til ikke-metning i en retning, avviker med mindre enn fem prosent fra amplitudene til de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i motsatt retning.

8. Fremgangsmåte for justering av en fluksgate for temperatur-kompensasjon, der fluksgaten omfatter en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt av den magnetiske bane, en primærvikling anbrakt på kjernen og en sekundærvikling som omslutter kjernen og primærviklingen, karakterisert ved at primærviklingen forbindes med en vekselspenningskilde for vekslende å bringe kjernen til metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; at kjernens akse holdes i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen; at sekundærviklingen detekterer den spenningspuls som induseres i sekundærviklingen ved hver overgang fra kjerne-ikke-metning til metning; og at kjernen innrettes i forhold til sekundærviklingen for hovedsakelig å gjøre hver av de detekterte andre pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i en retning, lik hver av de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i motsatt retning.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at kjernen innrettes i forhold til sekundærviklingen slik at amplitudene til de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i en retning, avviker med mindre enn fem prosent fra amplitudene til de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i motsatt retning.

10. Fremgangsmåte for justering av en fluksgate for temperatur-kompensasjon, der fluksgaten omfatter en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt på den magnetiske bane, en primærvikling anbrakt på kjernen og en sekundærvikling som omslutter kjernen og primærviklingen, karakterisert ved at primærviklingen forbindes med en vekselspenningskilde hvor vekslende å bringe kjernen til metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; at kjernens akse holdes i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen; at det ved sekundærviklingen detekteres den spenningspuls som induseres i sekundærviklingen ved hver overgang fra kjernemetning til ikke-metning; at det ved sekundærviklingen detekteres den spenningspulsen av motsatt polaritet som induseres i sekundærviklingen ved hver overgang fra kjerne-ikke-metning til metning; og ved at kjernen innrettes i forhold til sekundærviklingen for å oppnå hovedsakelig symmetri mellom hver av de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i begge retninger og mellom hver av de detekterte pulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i begge retninger.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at kjernen blir innrettet i forhold til sekundærviklingen slik at den positive utgang som detekteres ved sekundærviklingen, er hovedsaklig den samme som den negative utgang.

12. Fluksgate, karakterisert ved en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt av den magnetiske bane; en primærvikling anbrakt på kjernen for tilførsel av en vekselspenning for vekslende å bringe kjernen til metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; og en sekundærvikling anbrakt på kjernen og primærviklingen, og som reagerer på den vekslende føring av kjernen til metning og ut av metning ved i sekundærviklingen å indusere en spenningspuls ved hver overgang fra kjernemetning til ikke-metning, idet sekundærviklingen er innrettet i forhold til kjernen slik at når kjernens akse og aksen til sekundærviklingen er orientert i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen, er de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i en retning, hovedsakelig lik de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i motsatt retning.

13. Fluksgate, karakterisert ved en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt på den magnetiske bane; en primærvikling anbrakt på kjernen for tilførsel av en vekselspenning for alternerende å bringe kjernen til metning og ut av metning med magnetfelter av motsatte polariteter; og en sekundærvikling anbrakt på kjernen og primærviklingen og som reagerer på den alternerende føring av kjernen til metning og ut av metning ved i sekundærviklingen å indusere en spenningspuls ved hver overgang fra kjernemetning til ikke-metning, og en spenningspuls av motsatt polaritet ved hver overgang fra kjerne-ikke-metning til metning, idet sekundærmetningen er innrettet slik i forhold til kjernen at når kjerneaksen og aksen til sekundærviklingen er orientert i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfeltet passerer gjennom sekundærviklingen, er der hovedsakelig symmetri mellom de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjernemetning til ikke-metning i begge retninger, og mellom de spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i begge retninger. 23

14. Fluksgate, karakterisert ved en høypermeabel magnetkjerne med hovedsakelig konstant tverrsnitt for den magnetiske bane; en primærvikling anbrakt på kjernen for tilførsel av en vekselspenning for alternerende å drive kjernen til metning og ut av metning med magnetfeltet av motsatte polariteter; og en sekundærvikling anbrakt på kjernen av primærviklingen og som reagerer på den vekslende føring av magnetkjernen til metning og ut av metning ved i sekundærviklingen å indusere en spenningspuls ved hver overgang fra kjerne-ikke-metning til metning, idet sekundærviklingen er innrettet i forhold til kjernen slik at når aksen til kjernen og aksen til sekundærviklingen er orientert i et ytre magnetfelt slik at en del av det ytre magnetfelt passerer gjennom sekundærviklingen, er spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i en retning, hovedsakelig lik spenningspulser som induseres i sekundærviklingen ved overgang fra kjerne-ikke-metning til metning i motsatt retning.

15. Fluksgate ifølge krav 12, 13 eller 14, karakterisert ved en anordning for å skape en metningsfeltstyrke som er mer enn tyve ganger hva som er nødven-dig for å drive kjernen til fluksmetning.

16. Fluksgate ifølge krav 12, 13 eller 14, karakterisert ved en anordning for å skape en metningsfeltstyrke som er minst førti ganger den som er nødvendig for å drive kjernen til fluksmetning.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 6, 8 eller 10, karakterisert ved at det skapes en metnings-feltstyrke som er mer enn tyve ganger den som er nødvendig for å drive kjernen til fluksmetning, mens kjernen innrettes i forhold til sekundærviklingen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 6, 8 eller 10, karakterisert ved at det skapes en metnings-feltstyrke som er minst førti ganger den som er nødvendig for å drive kjernen til fluksmetning, mens kjernen innrettes i forhold til sekundærviklingen.