Fluxgate-Magnetometer

Ein Fluxgate-Magnetometer, auch Saturationskern-Magnetometer oder Förster-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 Förster (1908–1999) erfunden.[1]

Fluxgate-Magnetometer bei archäologischen Prospektionsmaßnahmen am Erdwerk von Wellie

Aufbau und Funktion
Zur Funktion eines Fluxgate-Magnetometers: Die Quelle P magnetisiert mittels Wechselstrom die Kerne 1 und 2 bis zur Sättigung. Die bei S induzierte Spannung hebt sich nur dann auf, wenn keine externe waagerechte Magnetfeldkomponente die Symmetrie stört.
Geöffneter Magnetkompass mit Fluxgate-Magnetometer, bestehend aus einem Ringkern, vier Spulen zur Erregung darum und zwei außenliegende Spulen als Sensoren.

Zwei weichmagnetische Spulenkerne werden periodisch in die Sättigung getrieben. Die Kerne sind von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, sodass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Eine äußere Magnetfeldkomponente wirkt parallel bzw. antiparallel auf die Felder der beiden Spulen. Dadurch wird, wenn das äußere Feld parallel zum Feld einer Spule ist, in der einen Halbperiode in dieser Spule die Sättigung des Kerns eher erreicht. In der anderen Spule ist während dieser Halbperiode das äußere Feld antiparallel, somit setzt dort die Sättigung des Kerns später ein. Diese Asymmetrie verursacht ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist. Die induzierte Spannung besitzt die doppelte Frequenz der Erreger-Wechselspannung[2][3].

Der Aufbau kann mannigfaltig modifiziert werden, zum Beispiel arbeitet das nebenstehend abgebildete Magnetometer mit einem Ringkern (Toroid), der mittels der vier kleinen Spulen erregt wird. Die beiden Empfängerspulen umgeben den gesamten Kern und 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 wird, kann Betrag, Richtung und Richtungssinn derjenigen Komponente des externen Magnetfeldes bestimmt werden, die in der Ebene des Kernes liegt.

Es können auch orthogonal angeordnete Kerne und Messspulen verwendet werden, um den Feldvektor im dreidimensionalen Raum zu bestimmen.

Um die Linearität zu verbessern und den Messbereich zu vergrößern, kann man um dem gesamten Aufbau befindliche Kompensationsspulen 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).

Anwendung

Messung schwacher Magnetfelder im Raum

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 von geologischen Verwerfungen). Fluxgate-Sonden dienen z. B. zu Richtungsmessungen des Erdmagnetfelds mit Raumsonden, beispielsweise bei der Mission CHAMP[4].

Werkstoffprüfung

Eine weitere Anwendung finden Fluxgate-Sonden in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Bei der Wirbelstromprüfung auf Risse und Inhomogenitäten nicht ferromagnetischer Werkstoffe findet eine lediglich ähnliche Anordnung Verwendung, die jedoch mit dem Prinzip des Fluxgate-Magnetometers nichts gemein hat:
Es wird ein E-Kern aufgesetzt und zwei symmetrische Teilwickel beaufschlagen das darunter liegende Material mit einem gegenphasigen magnetischen Wechselfeld. Ist das Material homogen, löscht sich das Feld im Mittelschenkel aus. Weist das Material jedoch z. B. einen Riss auf, ergibt sich ein Differenzsignal.

Bei einem weiteren Verfahren, der Streufeldanalyse, erzeugen Risse an der Oberfläche ferromagnetischer Werkstoffe ein nach außen dringendes Streufeld. Das Feld kann mit dem Magnetpulververfahren, dem Auflegen eines Magnetbandes oder auch durch Abtastung mit einer Magnetsonde detektiert werden.[5]

Stromsensoren

Die Strommessung anhand des vom Strom erzeugten Magnetfeldes kann mithilfe einer Fluxgate-Sonde in einem Schlitz des den Stromleiter umgebenden Kernes und Nullkompensation mittels einer Kompensationsspule auf diesem Kern erfolgen. Solche Stromsensoren sind anderen Prinzipien (z. B. Messen mit Hallsonde) hinsichtlich Offsetfehler überlegen (z. B. Kompensationsstromwandler der Fa. Vacuumschmelze[6]).

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Einzelnachweise
  1. 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]).
  2. What is a Fluxgate ? (Erklärung des Messprinzips beim Fluxgate-Magnetometer). Abgerufen am 4. September 2018 (englisch).
  3. http://www.geophysik.uni-jena.de/igwphymedia/Versuchsanleitungen/Geomagnetik_neu_pdf.pdf Geophysikalisches Laborpraktikum (Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Geowissenschaften) Seite 8f., abgerufen am 29. Okt. 2018
  4. CHAMP, Satellite & Systems, Geoforschungszentrum in Potsdam (aufgerufen am 4. Januar 2014)
  5. https://www.ndt.net/article/ndtnet/2009/foerster.pdf Winfried Morgner: Nachruf für Friedrich Förster, Seite 45, abgerufen am 25. Aug. 2018
  6. https://www.elektronikpraxis.de/praezises-und-quasi-verlustfreies-messen-aller-stromformen-a-424898/ Klaus Reichert: Präzises und quasi verlustfreies Messen aller Stromformen in Elektronikpraxis Nr. 22, 21. November 2013, Seite 88f, abgerufen am 21. Feb. 2024
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