Sensoren

Zur Vermessung jeder der Raumachsen X, Y und Z kommt ein eigener FluxgateSensor zum Einsatz. Die im Fluxmagnet-Projekt verwendeten Sensoren der Firma Speake & Co. sind einerseits relativ preisgünstig und zeichnen sich andererseits durch ihre hohe Empfindlichkeit aus. Leider stellte die Firma 2016 den Vertrieb dieser Sensoren ein.

Das Prinzip dieser Fluxgate-Sensoren besteht darin, dass zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen weichmagnetischen Kern aufgebracht sind und eine dieser Spulen als Sendespule und die andere als Empfangsspule arbeitet. Bei Abwesenheit eines externen Magnetfeldes sind die Spannung an der Sendespule und die induzierte Spannung an der Empfangsspule gleich und das Differenzsignal somit gleich Null. Die Speake-Sensoren verfügen bereits über eine integrierte Elektronik und liefern am Ausgang ein 5-Volt-Rechtecksignal, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeldes ändert.

Die Sensoren überstreichen einen Messbereich von etwa –50 µT bis +50 µT und sind hierbei in beiden Richtungen einsetzbar. Daraus ergeben sich Ausgangsfrequenzen im Bereich von 40– 120 kHz. Die zu messenden Größen bewegen sich auf unserem Breitengrad bei der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes bei 20 µT und bei der Vertikalkomponente bei rund 40 µT.

Da über den inneren Aufbau der Sensoren im Datenblatt keinerlei Informationen geliefert werden, wurde versucht, aus anderen Quellen zusätzliche Informationen zu gewinnen, die zum Verständnis der Funktionsweise beitragen. Hierbei war es äußerst hilfreich, dass die AG Magnetometer Zugriff auf ein Röntgengerät bekam, mit dem Aufnahmen der Sensoren gewonnen werden konnten. Aus den Aufnahmen lässt sich erkennen, dass die mechanische Ausrichtung der Spulen im Sensor nicht optimal in Richtung der Sensorachse liegt und damit im Gesamtaufbau evtl. weitere Maßnahmen notwendig sind, um diese Fehlausrichtungen zu kompensieren.
In früheren Versionen des Magnetometers wurden ausschließlich Relativmessungen vorgenommen. Hierbei wurde von einem linearen Zusammenhang zwischen dem anliegenden Magnetfeld und der Ausgangsfrequenz des Sensors ausgegangen. Das Projekt hatte sich allerdings zum Ziel gesetzt, möglichst auch Absolutmessungen durchführen zu können. Zu Beginn der Messung von Absolutwerten stellte sich schnell heraus, dass der im Datenblatt des Sensors angedeutete lineare Zusammenhang bei Weitem nicht gegeben war, sondern starke Nichtlinearitäten vorkommen, die zudem auch noch von der Einbaurichtung des Sensors abhängen. Diese Nichtlinearitäten führten dazu, dass die gemessenen Werte teilweise um den Faktor 2 von den erwarteten Werten abwichen. Diese Sachverhalte machten es notwendig, einen Messaufbau zu entwerfen, mit dem die tatsächlichen Zusammenhänge zwischen Magnetfeld und Ausgangsfrequenz des Sensors erfasst werden konnten.

Es handelt sich im Wesentlichen um eine selbstgewickelte Spule, in der mit Hilfe eines Netzgerätes und eines einstellbaren Vorwiderstandes Magnetfelder im oben beschriebenen Bereich erzeugt werden können. Der Sensor erhält eine eigene 5-Volt-Versorgungsspannung und das Ausgangssignal des Sensors wird durch einen Frequenzzähler und ein Oszilloskop erfasst. Hiermit ist es möglich, über den geforderten Arbeitsbereich des Sensors den Zusammenhang zwischen der Flussdichte des Magnetfeldes und der Ausgangsfrequenz des Sensors in kleinen Intervallen zu ermitteln. Da der Messplatzaufbau selbst wiederum Einfluss auf die Messergebnisse nimmt – z.B. Störungen aus den Versorgungsspannungen, Magnetfelder der Trafos – war es in einer verbesserten Version notwendig, den Sensor während der Messungen möglichst weit vom Messaufbau entfernt und mechanisch so definiert aufzustellen, dass die Einflüsse des Erdmagnetfeldes auf die Ergebnisse sauber abgegrenzt werden konnten.
Nach diesem Verfahren wurden mehrere Sensoren vermessen und für die jeweiligen Feldstärken die Minimal- und Maximalwerte bestimmt.

Hieraus ergaben sich folgende Erkenntnisse:

• Die Messergebnisse weichen gravierend von der angenäherten Datenblattkurve (gelb) ab.
• Die Kurven sind im Bereich positiver Flussdichten noch halbwegs linear, während sie im negativen Bereich deutlich nichtlinear verlaufen.
• Bei gleicher Ausgangsfrequenz/Periodendauer weichen die Werte der Flussdichten der verschiedenen Sensoren um bis zu 20 µT voneinander ab.

Hieraus ergab sich unter anderem, dass für das weitere Vorgehen nur noch der positive Kennlinienbereich genutzt wurde.
Um in den nachgelagerten Verarbeitungsstufen der Software die jeweiligen Frequenzwerte in Tesla-Werte umrechnen zu können, war es notwendig, pro Sensor einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Ausgangsfrequenz des Sensors und der Flussdichte herzustellen. Das Projekt hatte sich zum Ziel gesetzt, Abweichungen beim Absolutwert von max. 1 µT zuzulassen. Das bedeutete natürlich auch, dass der Fehler, der alleine aus den Sensorkennlinien kommen durfte, noch einmal deutlich darunter liegen musste. Deshalb wurden mit der frei verfügbaren Software Gnuplot umfangreiche Simulationen durchführt, um zu ermitteln, mit welchen Gleichungen dieser Zusammenhang möglichst exakt abgebildet werden konnte.
Hieraus ergab sich relativ schnell, dass lineare Gleichungen nicht geeignet sind und auch eine Gleichung 3. Ordnung über den gesamten geforderten Bereich immer noch Residuen liefert, die über 1 µT lagen. Letztendlich wurde ein Verfahren gewählt, bei dem um die relevanten „Arbeitspunkte“ (X-Achse = 20 µT, Y-Achse = 0 µT, Z-Achse = 45 µT, siehe Abb. 4) in einem Bereich von jeweils ±5 µT eine Gleichung dritten Grades mit den zugehörigen Koeffizientensätzen die mathematische Abbildung liefert. Mit diesem Verfahren konnten Kennliniensätze erzeugt werden, die einen Absolutfehler von weniger als 0,1 µT ergeben. Im Gesamtsystem führt dies nach ersten Messungen zu Abweichungen gegenüber Profistationen von unter drei Prozent.

Ein weiterer Aspekt, der bei der Verwendung dieser Sensoren unbedingt berücksichtigt werden muss, ist die starke Temperaturabhängigkeit. Dem wird momentan durch eine im Erdreich vergrabene Tonne Rechnung getragen, die zumindest während eines Tagesverlaufes weitgehend konstante Temperaturen gewährleistet. Im Jahresverlauf ergeben sich jedoch trotz Isoliermaßnahmen deutliche Schwankungen. Deshalb sind im Gesamtkonzept bis zu drei Temperatursensoren vorgesehen, von denen im aktuellen Aufbau einer verwendet wird. Zum Temperaturgang der Fluxgate-Sensoren wurden bereits erste Messungen durchgeführt, allerdings sind bis zu einer sauberen mathematischen Abbildung im Gesamtsystem noch weitere Messreihen notwendig.