Fluxgate Magnetometer

Grundlagen:
Ein hochempfindliches Magnetometer ist das Fluxgate oder, auf gut deutsch, die Förstersonde. Die Funktionsweise ist recht einfach.Durch das Feld einer Erregerspule wird ein ferromagnetisches Kernmaterial periodisch in die magnetische Sättigung getrieben. Auf diese Weise wird auch die effektive Permeabilität des Kernmaterials periodisch geändert. In einer zweiten, der Pickup-Spule wird so durch ein externes Magnetfeld eine Spannung mit der doppelten Frequenz des Erregerfeldes induziert. Durch die Verwendung eines Ringkerns wird erreicht dass die Ausgangsspannung im wesentlichen nur dieses 2f Signal und nicht die ursprüngliche Erregerfrequenz enthält.

Aufbau:
Der Taktgenerator mit einem Schmidttrigger erzeugt die 4-fache Taktfrequenz von ungefähr 10 kHz. Ein D-Flipflop teilt die Frequenz durch zwei und erzeugt so die doppelte Taktfrequenz zur Ansteuerung des Synchrongleichrichters. Ein weiteres Flipflog generiert die Taktfrequenz selbst, die durch die Teilung ein Tastverhältniss von genau 50% aufweist. Ein symmetrisches Tastverhältniss ist wichtig damit durch den folgenden Gegentakttreiber nur die dritte und höhere Harmonische generiert werden. Zur Erinnerung, gemessen wird die doppelte Frequenz, die natürlich im Treibersignal nicht enthalten sein darf sondern erst durch das Fluxgate erzeugt wird.

Das wichtigste Bauteil ist natürlich der Fluxgatetransformator. Er besteht aus einem Ringkern von Epos mit 25 mm Durchmesser (Material N30, µ = 2200 )mit einer bifilaren Erregerwicklung von 2 x 120 Wdg 0,25 mm CuL-Draht und einer Sensorwicklung mit 250 Wdg 0,1 CuL-Draht.

Das 2f Signal wird mit einem AD524 Instrumentenverstärker 100x verstärkt und mit einem Synchrondetektor AD630 gleichgerichtet. Auf den Gleichrichter folgt ein Tiefpass und ein DC-Verstärker. Das so gewonnene Signal wird auf Spannungswerte von 0 bis 5.6 V begrenzt, da der folgende AD-Wandler (Arduino) nur diesen Bereich verarbeiten kann.

Die Schaltung wurde auf kreisförmige Platinen aufgebaut da sie in ein rohrförmiges Gehäuse (Towfish) eingebaut werden soll.
Der Ringkern befindet sich im Plexiglaseing zwischen den beiden Platinen.

Test und Betrieb:
zum Test wurde das Magnetometer in ein großes Helmholtzspule gesteckt. Eine Helmholtzspule besteht aus zwei getrennten Wicklungen die einen Abstand gleich dem Radius der Spulen haben. Durch diese Anordnung ist das Feld im Inneren sehr homogen und unabhängig vom Ort der Messung. Die Helmholtzspule wurde erst mit einer geeichten Hallsonde kalibriert und hat eine Feldkonstante von 2,5 mT/A. Erregt wurde die Spule mit einem Frequenzgenerator über verschiedene Vorwiderstände, bei einer Frequenz von etwa einem Hertz.

Obwohl der verwendete Ringkern nicht optimal ist zeigen die Messungen dass, das Gerät trotz des einfachen Aufbaus eine hohe Empfindlichkeit von 53 mV/µT aufweist, die Grenzempfindlichkeit liegt bei 100 bis 200 Nanotesla. Zum Vergleich, das Erdmagnetfeld beträgt in Deutschland etwa 50µT.