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Protonen-Präzessions-Magnetometer (PPM)

Dieses Gerät ist ein hochgenaues Protonenmagnetometer, welches zur exakten Bestimmung des Erdmagnetfeldes auf etwa ein halbes Nanotesla genau verwendet werden kann. Nach langer Entwicklungszeit und vielen Prototypen erreichen die Daten der aktuellen Version die von kommerziellen Geräten.

AM502FG PPM Steuergerät
[Protonenmagnetometer PPM AM502FG]
AM502SL PPM SensorAM502GL GPS Option
[Protonenmagnetometer Sensor AM502SL] [Protonenmagnetometer GPS Option AM502GL]

Eigenschaften


Das Magnetometer ist ohne elektromechanische Bauelemente (keine Relais) aufgebaut und eignet sich sowohl für die Überwachung des Erdmagnetfeldes im stationären Dauerbetrieb (z.B. zur Polarlichtvorhersage oder zum Nachweis von Sonnenstürmen) als auch zum mobilen Einsatz. Hier die wichtigsten Daten:

  • Messbereich 30000 bis 60000nT
  • Messfrequenz bis zu 1 Messung pro Sekunde
  • 0.1nT Auflösung, 50ppm absolute Genauigkeit
  • Vollständig transistorisiert, keine Relais, keine Verschleissteile
  • Vollautomatischer Abgleich (Autotune-Funktion)
  • Optimiert für 12V Bleiakku-Betrieb (11-15V, max. 2A, Durchschnitt ca. 0.8A)
  • Kurzschluss- und Verpolungsschutz
  • Nichtflüchtige Speicherung von 32768 Messwerten (GPS-Option: incl. Zeit/Datum und Koordinaten)
  • Datenausgabe über serielle Schnittstelle
  • Piezosummer zur Alarmierung und Tastenrückmeldung
  • Einfache Bedienung und Ablesung (Differenzanzeige als Balkengrafik)
  • Stationärer Dauerbetrieb (Observatorium) ist möglich
  • Hermetisch, dauerhaft versiegelter Sensor, kein Befüllen o.Ä. notwendig
  • Robustes Aluminium-Gehäuse (Made in Germany), Gehäuse IP65, Steckverbinder IP40 oder IP65 (optional)
  • Abmessungen des Steuergerätes: 171x54x130mm (HxBxT)
  • Abmessungen des Sensors: Länge: 315mm (ohne Anschlüsse), Durchmesser: 75mm, Gewicht: 2,2kg

Motivation


Der Anlass, dieses Gerät zu entwickeln, war der Wunsch, dem Erdmagnetfeld seine Geheimnisse zu entlocken, gerade weil es den Sinnen des Menschen so unzugänglich ist. Sonnenstürme, elektrische Ströme, magnetische Objekte - Alles beeinflusst das uns umgebende Feld ständig. Schon früher hatten die Seefahrer Sorgen wegen möglicher Magnetberge, welche die Nägel aus den Schiffen ziehen. Genug Gründe, der Sache mit einer erstaunlichen Messmethode näher zu kommen, einer Methode, die Signale aus der Welt innerhalb von Atomen empfängt und auswertet.


[Magnetometer Platine]

Die Weiterentwicklung vom ersten Prototyp (rechts oben im Bild) bis zum semiprofessionellen Gerät war dann eher der sportliche Ehrgeiz, Dinge perfektionieren zu wollen und natürlich der Ansporn durch die anderen Elektronikamateure, die bei der Entwicklung mitgewirkt haben. Daher existiert inzwischen auch eine Bedienungsanleitung und ein kurzer Youtube Film vermittelt einen Eindruck vom Gerät und dessen Einsatz! Die Anleitung bezieht sich jedoch noch auf eine der früheren Geräteversionen.




Die Webseite habe ich erstellt, um Menschen mit ähnlichen Interessen aufmerksam zu machen und kennenzulernen. Vielleicht ergeben sich so interessante Einsatzmöglichkeiten, Ideen für weitergehende Forschungen und Vorschläge für die Weiterentwicklung des Gerätes.


Aufbau und Übersicht


Das Magnetometer nutzt das Prinzip der Protonen-Kernspinresonanz, ähnlich wie in einem Kernspinresonanz-Tomographen, nur mit wesentlich geringeren Feldstärken. Durch ein Magnetfeld werden möglichst viele Kernspins in die gleiche Richtung gebracht. Nach dem Abschalten dieser "Polarisierung" präzessieren die Kernspins wie kleine Kreisel im Erdmagnetfeld. Die Präzessionsfrequenz hängt dabei direkt vom Erdmagnetfeld ab und kann durch eine Induktionsspule nachgewiesen werden. Die folgende Grafik zeigt den prinzipiellen Aufbau des Systems.

[Protonenmagnetometer Aufbau und Funktionsweise]

Der Sensor (1) besteht aus zwei gegensinnig gewickelten Spulen. Diese Anordnung verhindert Störungen wegen externer Magnetfelder durch gegenseitige Auslöschung. Im Zentrum der Spulen befindet sich ein Behälter mit einer Flüssigkeit wie z.B. Isopropanol oder Paraffin. Wasser wäre zwar prinzipiell geeignet, scheidet aber wegen der Gefahr des Gefrierens aus. Die erste Aufgabe der Spulen ist die Ausrichtung der Kernspins. Dazu wird mit den Schaltern (3) das Spulensystem über einen Strombegrenzer (4) und einen nahezu verlustlosen Verpolungsschutz (5) an die Versorgung (Ubatt) geschaltet. Diese Polarisierungsphase dauert ca. 0,5 bis 5 Sekunden, danach werden bei Raumtemperatur kaum noch mehr Spins ausgerichtet. Hier ein Blick auf die Sensorspulen vor dem Zusammenbau des Sensors:


[Magnetometer Spulen]

Nach der Polarisierungsphase wird der Stromfluss mit der Schalteranordnung (3) unterbrochen. Wie bei jeder Spule wird nun eine hohe Spannung induziert, welche über die Spannungsbegrenzung (2) limitiert wird, bis die Spule "entladen" ist. Bis zur vollständigen Entladung wird der Verlauf von Strom und Spannung durch einen, ebenfalls in (2) enthaltenen, Widerstand gedämpft.

Nach der Polarisierung und Entladung der Spule sind die Spins ausgerichtet und päzessieren im Erdmagnetfeld. Die Frequenz liegt bei typischen Feldstärken des Erdmagnetfeldes im Bereich von ca. 1,5 bis 2,5kHz. Obwohl im Medium keine metallischen Objekte vorhanden sind und auch keine relevanten Ströme fliessen, wird im Spulensystem (1) eine Spannung induziert. Diese wird über den Analogschalter (7) weiter zu einem variabel schaltbaren Kondensatorbank (8) und dem Vorverstärker (9) geleitet. Mit Hilfe der Kondensatoren bilden die Spulen einen Resonator, ähnlich einem einfachen Radioempfänger, welcher das Signal etwa um Faktor 10 in den Bereich einiger Mikrovolt anhebt.

Nach Anhebung des Signals um Faktor 1000 bis 2000 durch (9) dominiert trotz des abgestimmten Resonators das Rauschen. Um dies weiter zu senken, dient der programmierbare Bandpass (10), welcher das Signal mit einer Bandbreite von weniger als 100Hz nochmals um den Faktor 20 bis 50 verstärkt. Das so aufbereitete Signal wird dann mit Hilfe eines Komparators (11) an den Prozessor des Systems (12) weitergeleitet. Dort werden die Zeiten aller Nulldurchgänge in einem Messintervall von ca. 500ms ermittelt und zur mathematischen Bestimmung der Frequenz verwendet. Beträgt das Erdmagnetfeld beispielsweise in Süddeutschland 47500nT, dann resultiert daraus eine Frequenz von rund 2022.35Hz.

Weitere Details zur prinzipiellen Funktionsweise eines Protonenmagnetometers finden sich beispielsweise im entsprechenden Artikel auf Wikipedia.

Generell muss beachtet werden, dass sich Protonen-Magnetometer nur zur Anwendung auf freiem Feld, abseits von Bauwerken und Stromleitungen eignen, da diese im Allgemeinen zu grossen Feldfluktuationen und Gradienten führen. Der Betrieb innerhalb von Gebäuden ist daher generell nicht möglich, ausserhalb sollten für einen störungsfreien Betrieb mindestens 5m Abstand zu Bauwerken mit Metalleinschlüssen (Beton) und Stromleitungen (auch im Untergrund) eingehalten werden. Ebenfalls sollte der Sensor mindestens in 1m Höhe betrieben werden, da die immer vorhandenen, elektrischen Ströme und magnetische Mineralien im Erdreich sonst ebenfalls für inkorrekte Messwerte durch starke Feldgradienten führen.


Messergebnisse


Das folgende Grafik (bitte zum Vergrössern anklicken) zeigt den Verlauf des Erdmagnetfeldes am 15. und 16.7.2012 bei Ludwigsburg (rot) und in Braunschweig (blau). Die Technische Universität Braunschweig betreibt ein Magnetlabor mit Observatorium und stellt auf ihren Internetseiten auch die aktuellen Messdaten zur Verfügung, welche diesen Vergleich ermöglicht haben.

[Magnetsrode Protonenmagnetometer]

Die Verbreiterung (Rauschen) der roten Messkurve ist auf magnetische Störfelder wie Stromleitungen und Züge durch die nahegelegene Bahnlinie zurückzuführen. Die Aussreisser sind Fahrzeuge, die in kurzem Abstand (ca. 10m) am Sensor vorbeigefahren sind. Hier ist der Fall zu sehen, dass ein Fahrzeug ankommt und in etwa 15m Entfernung parkt:

[Protonenmagnetometer - Parkendes Fahrzeug]

Das Grundrauschen in bebauter Umgebung mit Wohnhäusern beträgt selbst in der Nacht noch +-2 bis 3nT:

[Protonenmagnetometer - Umweltrauschen]

Erst in Gegenden abseits bewohnter Gebiete lässt sich nochmals eine Reduktion der Fluktuationen beobachten. Die Entfernung zu Gebäuden beträgt hier ca. 3km, die zur nächsten Strasse ca. 1.5km. Zum Vergleich sind rot die Messdaten des hier vorgestellten Magnetometers gezeichnet, während es sich bei den blauen Daten um die Messungen des professionellen Overhauser-Magnetometers in Braunschweig handelt:

[Protonenmagnetometer - Rauschen auf dem Land]

Hier die Fluktuationen des Gerätes in einem abgelegenen Waldgebiet, bei maximaler Messfrequenz (1Hz). Es kann davon ausgegangen werden, dass es sich hierbei zum überwiegenden Teil um das Grundrauschen des Messgerätes handelt. Der Effektivwert des Rauschens beträgt bei diesem Beispiel ca. 0.25nT. Eine Mittellung von jeweils 4 Werten führt zu einem Grundrauschen um 0.1nT (effektiv) im Bereich professioneller Overhauser-Magnetometer:

[Grundrauschen]

Zum Abschluss der Messergebnisse nun noch die "Stimme" der angeregten Protonen. Es ist immer wieder faszinierend, wie aus einer Flüssigkeit wie Wasser, ein magnetisches Signal entstehen kann. Hier nun das Signal im WAV-Format (165kB) welches ebenfalls in bebauter Umgebung mit vielen Stromleitungen aufgezeichnet wurde. Die spektrale Analyse zeigt Harmonische von 50 und 100Hz bis weit in den kHz-Bereich. Diese sind so stark, dass trotz präziser Wickeltechnik der gegensinnig geschalteten Sensorspulen, keine vollständige Unterdrückung möglich ist. Somit bleiben Versorgungsleitungen immer ein Problem besonders beim mobilen Einsatz von Protonenmagnetometern.

Mit dem Magnetometer-Softwaretool (PPMTOOL) lassen sich sogenannte Contour-Maps erzeugen, die mit Hilfe der aufgezeichneten GPS-Koordinaten die Magnetfeldstärke farbig in einer Karte darstellen. Das folgende Beispiel zeigt eine, mit dem hier vorgestellten Magnetometer entdeckte, unterirdische Wasser-Pipeline, die offensichtlich von einem Wasserbehälter (Nord-Ost-Ecke, links oben) zu einem Wasserturm (rechts unten) verlegt ist. Mit KML lassen sich solche Magnetfeldkarten auch als Ground-Overlay in Google-Maps einbinden, die sich dann interaktiv bedienen lassen.

[Proton Magnetometer Survey 1]  [Proton Magnetometer Survey 2]

Mit diesem Test lässt sich zeigen, dass auch mit Amateurgeräten die Auflösung und Qualität der enorm teuren "Profigeräte" von Geometrics, Gemsys und Scintrex erreicht werden kann.


Magnetometer-Softwaretool


Insbesondere beim mobilen Einsatz können die gespeicherten Messwerte auf einen Windows-PC übertragen werden. Daten mit GPS-Koordinaten können hiermit schnell und einfach als interpolierter Farbteppich angezeigt werden.

[Protonemagnetometer Software Tool]

Das Tool ist einfach gehalten und dient im Wesentlichen nur zum Datendownload. Für weitere Anlaysen und Auswertungen können die Daten im CSV-Format exportiert werden und stehen somit auch für andere Programme (z.B. Surfer) zur Verfügung.

Für die reine Übertragung des aktuellen Messwertes ist keine spezielle Software notwendig. Die Werte werden nach einer Messung im ASCII-Format übetragen. Nur für das Auslesen von aufgezeichneten Daten ist das Softwaretool notwendig.


Frühere Versionen


Während der Entwicklungsphasen ist unter anderem eine Version (AM502C) in einem extrem kleinen Gehäuse entstanden. Die auf der Rückseite liegenden Steckverbinder und der nicht geschützte Kippschalter eignen sich jedoch weniger für den mobilen Einsatz:

[Protonenmagnetometer alte Version AM502C]

Die Version auf der folgenden Abbildung (AM502FL) bietet solidere Industrie-Steckverbinder auf der Frontplatte, allerdings verfügt das Gehäuse über keine besondere Schutzart und ist wegen des Kunststoffrahmens nicht ganz so robust wie die neueste Variante, der Kippschalter wurde allerdings schon durch einen Folientaster ersetzt:

[Protonenmagnetometer PPM AM502FL]

Weiterführende Informationen


Hier noch einige Links zu lesenswerten Informationen zum Thema Protonemagnetometer.

Für eine generelle Einführung empfehlen sich selbstverständlich auch die entsprechenden Artikel auf Wikipedia zum Thema Nuclear Magnetic Resonance (NMR, Kernspinresonanz) und Protonenmagnetometer.


Wer baut sonst noch Protonenmagnetometer?


Hier noch eine Übersicht (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) einiger Hersteller und Entwickler von Protonenmagnetometern.

Professionelle High-End Hersteller

Geometrics Einer der drei Grossen
Gemsys Einer der drei Grossen
Scintrex Einer der drei Grossen
WTS Chinesischer Hersteller
Enoutech Chinesischer Hersteller
Magson Nur wenige Daten/Informationen vorhanden
PMP Magnetometr Protonowy PMP-5a (GEOPAN Warszawa, entwickelt von W.Turewicz, Ph.D, Warsaw. Leider ist Hr. Turewicz 2016 verstorben und das Gerät wird nicht weiterentwickelt. Danke an Hr. Sobolewski für die Information!)

Semi-Professionelle Amateur-Instrumente

Quantro Auch für den Einsatz unter Wasser. Abstimmung nicht zeitgemäss mit Schaltern.
Aquascan Alte Technik, Analoginstrumente auf Frontplatte
Deepgeotech   Sinnlose Darstellung von 5 Nachkommastellen, Nanotesla abgekürzt mit nTl, Abstimmung nicht zeitgemäss mit Schaltern...
PPM Mark IV Proton Magnetometer Bausatz. Vielen Dank an Jim und Willy für ihre freundliche Unterstützung!
Alex Mumm Das hier auf dieser Seite beschriebene Gerät

Lernprojekte

Teachspin Sehr schöne Geräte für Studium und Unterricht
Gellerlabs Entwicklungsprojekt, Baugruppen und Platinen
PyPPM (home) Von Bradley Worley, Open Source, interessantes Design. PC/Notebook via USB notwendig.
Stefan Hollos Buch mit Bauanleitung
ilotresor Bauanleitung, Schaltpläne
Colombo Projekt an der University of Colombo.


© 2017 Alexander Mumm