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Dreiachs-Magnetometer: Was bringen sie bei der - DFAB GmbH

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Dreiachs-Magnetometer: Was bringen sie bei der
Bohrloch-Sondierung in der Kampfmittelortung?
Prof. Dr. Dr. habil. Kord Ernstson
Ebinger Prüf- und Ortungstechnik GmbH
Grundlage aller Magnetik-Messungen in der Kampfmittelortung: das Erdmagnetfeld
Vektoren des Erdmagnetfeldes
geogr. Nord
X
magn. Nord
H
geogr. Ost
Y
F Totalintensität
Z Vertikalintensität
H Horizontalintensität
X, Y Horizontalkomponenten
F
Z
Messungen in der Magnetik
geogr. Nord
X
magn. Nord
H
geogr. Ost
Y
optisch pumpendes
(Cäsium-)
Magnetometer
Protonenpräzessionsmagnetometer
... messen die Totalintensität = Betrag (Länge) des
Vektors F.
Skalar-Magnetometer
F
Z
F=
(X2
+Y2
+Z2)
DreiachsMagnetometer
Fluxgate-Sonde ....
misst die Länge jeder
Vektorkomponente, in die
die Sondenachse genau
ausgerichtet ist, speziell
der Vertikalkomponente Z.
Vektor-Magnetometer
Problem der Fluxgate-Sonde für
die Z-Komponente: sie muss
exakt (!) vertikal ausgerichtet
werden
Lösung: FluxgateDifferenzmagnetometer
("Gradiometer")
Bisher und heute die übliche
Messung in der
Kampfmittelortung
Z2
kleinste
Kippungen =
größte Fehler
Z1
Messgröße = Z1 - Z2
Kippung unkritisch
Vorteil der Differenzmessung:
-- Die zeitlichen Schwankungen
des Erdmagnetfeldes werden
automatisch eliminiert.
-- Das Auflösungsvermögen wird
erhöht.
Nachteil der Differenzmessung:
-- Die Reichweite wird deutlich
reduziert.
Reichweite von Magnetometersonden:
Lösung skalares
TotalfeldMagnetometer
Dipol-Störkörper: 1 Sonde 1/r3
Dipol-Störkörper: Differenzsonde bis zu 1/r4
Wunsch nach größerer Reichweite
mit nur einer Sonde:
-- größere Tiefenreichweite bei Flächenmessungen
-- größere laterale Reichweite bei Bohrlochmessungen >>
Vergröberung des Bohrrasters
?
eine einzige Vektorsonde
nicht praktikabel
Lösung des Problems: Drei Fluxgate-Sensoren in einer
einzigen Sonde - beliebige Kippung
technische Lösung: TotalfeldMagnetometer auf der Basis
von 3 Fluxgate-Sonden in
einer einzigen Einheit
Gelände-Dreiachser für
Totalfeldmessungen
85 g
verschiedene Bauformen von Bohrlochmagnetometer-Dreiachsern
interessant beim Dreiachser die
Kombination aus Skalar- und
Vektor-Magnetometer:
bei der Messung der
Einzelkomponenten aber das alte
Problem der Orientierung
DifferenzfeldSonde
"Gradiometer"
Was bringt die Registrierung der Einzelkomponenten - der Horizontalkomponenten?
Von der Theorie zur Praxis: einfache Experimente mit einem
EBINGER-Dreiachsmagnetometer
Testobjekt
Steuereinheit
und
RegistrierComputer
Achse parallel zur Bohrung; rotiert um jeweils 90°
Achse senkrecht sowie Lage links und rechts zur Bohrung; jeweils um 90° rotiert
Achse senkrecht zur Bohrung, links und rechts, um 180° gekippt und jeweils
um 90° gedreht
Von der Theorie zur Praxis: Experimente
-- mit nur wenigen Aufstellungen (hier: 5)
bereits eine große Vielzahl der
verschiedensten Kombinationen bei den
Komponenten
0°
90°
-- Extrem unterschiedliche Messwerte
>>>> starke remanente Magnetisierung
-- Unsinn der Größen/Volumenermittlung aus dem
Dipolmoment; hier: 1500 nT und 80 nT
-- Beim Rotieren extrem unterschiedliche
Anomalien:
das Dipolmoment liegt nicht innerhalb
der Bombenachse sondern stark
exzentrisch
Dipolmoment
induzierte
Magnetisierung
Der X,Y, Z-Dreiachser und der Modellierungscomputer haben praktisch aus einer
unendlichen Anzahl verschiedener Dreierkombinationen auszuwählen.
weitere Probleme: magnetische Störfelder, Wahl eines Nullniveaus
Experiment
0
reale Messung in einer Bohrung
X
Y
Z
Y
1
2
Null-Linie?
3
Null-Linie?
4
5
m
Zusammenstellung und Konsequenzen
geringeres
Auflösungsvermögen
höheres
Auflösungsvermögen
einfachere Anomalien
komplexere Anomalien
größere Reichweite
geringere Reichweite
größerer Einfluss störender
Eisenmassen oder
magnetischer Gesteine
geringerer Einfluss störender
Eisenmassen oder
magnetischer Gesteine
zeitliche Feldänderungen
müssen mit zweiter fester
Station erfasst werden
kein Einfluss zeitlicher
Feldänderungen
beliebig geneigte Bohrung
herkömmlich:
DifferenzfeldMagnetometer
("Gradiometer") für die
Vertikalkomponente
einzelner Dreiachser
registriert drei
Komponenten und
berechnet die
Totalintensität
beliebig geneigte Bohrung;
aber: kein definierter
Gradient
DifferenzfeldMagnetometer für die
Totalintensität und die
Einzelkomponenten
Konsequenzen
höheres
Auflösungsvermögen
geringeres
Auflösungsvermögen
komplexere Anomalien
einfachere Anomalien
geringere Reichweite
größere Reichweite
geringerer Einfluss
störender Eisenmassen
größerer Einfluss störender
Eisenmassen
kein Einfluss zeitlicher
Feldänderungen
zeitliche Feldänderungen
müssen mit zweiter fester
Station erfasst werden
wenig geneigte
Bohrungen erforderlich
beliebig geneigte Bohrung
Das Dreiachsmagnetometer ist nicht das bessere, tollere, modernere, leistungsfähigere Instrument.
Es ist ein anderes Instrument.
Wegen der großen Orientierungsfehler der einzelnen Fluxgate-Sonden und insbesondere der
remanenten Magnetisierung bringen die Einzelregistrierungen von X, Y und Z keinen
Informationsgewinn.
Der Dreiachser hat Vorteile und Nachteile im Vergleich mit dem herkömmlichen Gradiometer. Es
verlangt nach einem besonders geschulten Anwender, der den sinnvollen Einsatz beurteilen kann.
höheres
Auflösungsvermögen
höheres
Auflösungsvermögen
komplexere Anomalien
komplexere Anomalien
geringere Reichweite
geringere Reichweite
geringerer Einfluss
störender Eisenmassen
geringerer Einfluss
störender Eisenmassen
kein Einfluss zeitlicher
Feldänderungen
kein Einfluss zeitlicher
Feldänderungen
wenig geneigte
Bohrungen erforderlich
Konsequenzen
Antwort:
beliebig geneigte
Bohrung;
aber: kein definierter
Gradient
-- Die Eigenschaften sind vergleichbar ..... bis auf die Registrierung der drei
Einzelkomponenten und der jeweiligen Gradienten, insbesondere der
Horizontalkomponenten. (Der Gradient der Vertikalkomponente unterscheidet
sich nicht wesentlich vom Gradienten der Totalintensität.)
Frage: Was bringen die Gradienten der drei Einzelkomponenten an
Mehrinformation bezüglich Lage und Orientierung der Bombe?
Mit Blick auf die Experimente
und stärkere remanente
Magnetsierungen: gar nichts!,
da von einer Bombe nie
bekannt ist, ob sie diese
remanente Eigenschaft hat oder
nicht.
Der sich aufdrängende Schluss:
Ein DreiachsDifferenzfeldmagnetometer
("Gradiometer") bedeutet
keinen Fortschritt.
Allenfalls: Horizontalbohrungen
Was bleibt vom Dreiachser bei Bohrlochmessungen?
einzelner Dreiachser für die Totalintensität
Reichweite + kontraproduktiv: Störfelder
Kosten ++ Instrument plus Basisstation, qualifiziertes Personal
Bohrraster weiterhin erforderlich, Horizontalkomponenten nicht sinnvoll
nutzbar
Im Prinzip nicht allzu viel.
Versuchsfeld (USA)
Dreiachser-Gradiometer:
Totalfeld-Gradient liefert praktisch dieselbe Information wie Z-Gradient.
Gradienten der Horizontalkomponenten bleiben ohne Aussage bei
stärkerer remanenter Magnetisierung.
Berechnung des Dipolmoment-Vektors: Er kann völlig anders als die
Achse der Bombe liegen.
Das bleibende Dilemma in der Kampfmittelortung mit passiven
Magnetfeldmessungen: die remanente Magnetisierung als die "große
Unbekannte"
-- Bomben können magnetisch "unsichtbar" werden.
-- Der Dreiachser büßt den Nimbus einer tollen Neuentwicklung ein.
-- Es gibt keinen Grund, diese Magnetometer in der Kampfmittelortung
zwingend vorzuschreiben.
-- In seltenen Fällen mögen sie etwas mehr Information liefern; Bedingung:
ein sehr erfahrener Anwender, der sich mit Vektoren und der Physik
der Magnetfeldmessungen gut auskennt.
-- Sinnvoller: aktiven Verfahren der Frequenz- und Impuls-Elektromagnetik
mehr Gewicht geben.
Das modelliert der
Computer.
So liegt die Bombe.
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