Marine Zeebrugge
Magnetometer
TechTalk
Root server » TechTalk » Marinebasis Zebrugge » Magnetometer

De magnetische "handtekening" van een schip hangt van zijn permanent magnetisme (eigen aan het schip en aan de gebruikte materialen) maar hangt ook van het geïnduceerd veld ten gevolge van het aardmagnetisme (het schip verstoort het aardmagnetisme). Om het schip onzichtbaar te maken voor magnetische mijnen moet niet enkel het eigen magnetisme onderdrukt worden, maar ook het geïnduceerd magnetisme (de verstoring van het natuurlijk aards magnetisme). Het geïnduceerd magnetisme hangt echter af van het magnetisch veld van de aarde, en om die te meten heeft men een magnetometer nodig.

Zie ook deze pagina over de software magnetometer waar er extra informatie gegeven wordt over het magnetisch veld van de aarde en de verschillende manieren om die te meten en in kaart te brengen.

1

2

3

4

5

6

De “fluxgate” magnetometer bestaat uit een staaf ferromagnetisch materiaal dat gemakkelijk gesatureerd kan worden. De staaf wordt omgeven door een spoel waardoor men een sinusoïdale spanning stuurt. De magnetometer lijkt nog het meest op de AM antenne van een radio.


Figuur 1: wisselspanning (zuivere sinus) aangelegd op de eerste spoel


De wisselspanning is zodanig berekend dat de staaf juist in saturatie gaat. De nauwkeurigheid van de meting hangt gedeeltelijk af van de perfectie van de sinus-golf.

Een tweede wikkeling wordt als secundaire gebruikt. Vanwege de saturatie is de vorm van het signaal geen zuivere sinus meer, maar zijn de toppen afgeplat. De mate van afplatting is een mate voor de saturatie van de kern.


Figuur 2 (rode curve): wisselspanning gemeten op de secundaire wikkeling (met saturatie: de toppen zijn afgeplat)


Indien de staaf in een magnetisch veld geplaatst wordt, dan zal de saturatie verschillen voor het positieve en negatieve deel van de sinus. Door het verschil in amplitude voor de positieve en negatieve delen van de sinus kan men het magnetisch veld meten.


Figuur 3: wisselspanning als er een magnetisch veld aanwezig is: de saturatie treed sneller op bij positieve dan bij negatieve signaalhelften


Men kan de effektieve amplitude van de positieve en negatieve pieken meten, maar in het algemeen geeft dit geen nauwkeurige meting. Bij de vervorming van het signaal ontstaan er harmonischen. Men gebruikt in het bijzonder de tweede harmonische. Een synchrone demodulator zal de harmonische frekwentie (foutcomponent) samplen en een gelijkspanning leveren die evenredig is met de ongelijke saturatie door het extern veld.


Figuur 4: vroeger werd er vaak gewerkt met twee parallele staven. (twee voorbeelden van mogelijke configuraties).

Figuur 5: voorbeeld van een praktische configuratie (deze configuratie heeft een zeer hoge gevoeligheid)


In een praktische opstelling gebruikt men twee primaire wikkelingen naast elkaar en één lange secondaire wikkeling die over de twee primaire wikkelingen gelegd wordt. De primaire spoelen zijn tegengesteld gewikkeld, en het totaal effekt ervan is dus nul als er geen extern magnetisch veld is. Als er een extern magnetisch veld aangelegd wordt, dan wordt één polariteit bevoordeeld ten opzichte van de andere. De primaire wikkelingen zijn niet meer in evenwicht en de secundaire meet het verschil.

In deze configuratie zou de magnetometer slechts een onnauwkeurige, niet lineaire meting kunnen uitvoeren. De magnetometer zit echter in een regellus met een hoge versteking: men stuurt een gelijkspanning terug naar de primaire spoel (gesuperponeerd op de sinusspanning). Deze gelijkspanning neutraliseert het magnetisch veld en is de mate voor het lokaal magnetisch veld (de schakeling is in evenwicht als er geen asymmetrie meer is, dus als het extern magnetisch veld volkomen onderdrukt is). Door deze regellus te gebruiken worden de lineariteitsfouten weggewerkt.


Figuur 6: meting van de zelf-induktie


Tegenwoordig bestaan er ook fluxgate magnetometers waarbij er geen secundair is. Als de kern in saturatie gaat, dan daalt de zelfinductie van de spoel (vermindering van de impedantie en dus verhoging van de stroom). De meting gebeurt door de stroomverschillen in beide richtingen te meten. In plaats van de inductie in een secundaire spoel te meten, kan men ook de zelf-inductie van de primaire spoel gebruiken.

  • Men kan de primaire spoel hoogohmig aansturen zodat de geïnduceerde spanning gedetecteerd kan worden. Als de spoel gesatureerd wordt verminderd zijn impedantie (de spanning stijgt niet meer: we hebben dezelfde curve als figuur 3).
  • Men kan ook de spoel laagohmig aansturen en de stroom door de spoel meten (figuur 6: stroom in de spoel, de figuur houdt geen rekening met de faseverschuiving tussen spanning en stroom). De stroom stijgt plots bij het bereiken van de saturatie omdat de zelfinductie bijna nul wordt: de spoel gedraagt zich als een ohmse weerstand.

De naam Förster zal je soms aantreffen: het is een bekende onderneming die magnetometers maakt, gebaseerd op de naam van de uitvinder van de specifieke opstelling.

De magnetometer die we hier besproken hebben is een scalaire magnetometer: het meet het magnetisch veld in één richting. Vectoriële magnetometers meten het magnetisch veld in de drie richtingen. Dergelijke magnetometers zien er tegenwoordig uit als een kubus met insnijdingen waarin de wikkelingen lopen (doorgaans twee insnijdingen voor ieder vlak).

Voor diegenen die hun cursus magnetisme een beetje moeten opfrissen:

H is het magnetisch veld dat aangelegd wordt. Het magnetisch veld hangt af van de aangelegde wisselspanning (om precies te zijn van de stroom en het aantal windingen van de spoel).

B is de veldsterkte. De veldsterkte hangt natuurlijk af van het magnetisch veld, maar ook van de eigenschappen van het materiaal van de staaf (permeabiliteit). Vanaf een bepaald magnetisch veld stijgt de veldsterkte bijna niet meer: de staaf is gesatureerd.

De secundaire wikkeling meet natuurlijk de veldsterkte. Door de niet-lineaire curve bij saturatie is de uiteindelijke sinus vervormd (afgeplatte toppen).

De fluxgate magnetometer is gevoeliger dan de hall sondes en kan magnetische velden meten kleiner dan 1µT (het magnetisch veld van de aarde is ongeveer 40µT).

De hall sonde is een complete geïntegreerde schakeling en wordt bijvoorbeeld gebruikt in smartphones om de positie (inclinatie) van het toestel te bepalen samen met (of in de plaats van) een zwaartekrachtmeter. Op zich is een hall sensor minder gevoelig dan een fluxgate magnetometer, maar voor een dergelijke toepassing speelt de nauwkeurigheid van de meting geen rol, wel de compactheid.

Indien men een hall sensor gebruikt en men een grotere nauwkeurigheid en lineariteit wenst (bijvoorbeeld in stroomtransfo's) dan gebruikt men een tegenkoppelingsspoel die het magnetisme tegenwerkt (zoals bij de fluxgate magnetometer). Dergelijke stroomtransfo's worden gebruikt bij het meten van complexe stromen met een gelijkspanningscomponent, want bij klassieke stroomtransfos (met spoelen) gaat het gelijksstroomcomponent verloren. Over de meetweerstand komt een spanning te staan die perfect evenredig is met de stroom die nodig om het magnetisch veld te compenseren: de spanning is dus evenredig met het magnetisch veld door de stroomtransfo.

Onderaan een praktisch voorbeeld van een fluxgate magnetometer met enkel een primaire spoel. De wikkeling die zichtbaar is, is een ijkspoel die over de volledige lengte van de magnetometer loopt. Door in deze spoel een gecalibreerde stroom van een paar milliampères te laten lopen kan men een extra magnetisch veld veroorzaken.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's