Dreiachs-Magnetometer: Was bringen sie bei der Bohrloch-Sondierung in der Kampfmittelortung?

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1 Dreiachs-Magnetometer: Was bringen sie bei der Bohrloch-Sondierung in der Kampfmittelortung? Prof. Dr. Dr. habil. Kord Ernstson Ebinger Prüf- und Ortungstechnik GmbH

2 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 Z F

3 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 Z F = (X 2 +Y 2 +Z 2 ) F Dreiachs- Magnetometer Fluxgate-Sonde... misst die Länge jeder Vektorkomponente, in die die Sondenachse genau ausgerichtet ist, speziell der Vertikalkomponente Z. Vektor-Magnetometer

4 Problem der Fluxgate-Sonde für die Z-Komponente: sie muss exakt (!) vertikal ausgerichtet werden Lösung: Fluxgate- Differenzmagnetometer ("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.

5 Reichweite von Magnetometersonden: Dipol-Störkörper: 1 Sonde 1/r 3 Dipol-Störkörper: Differenzsonde bis zu 1/r 4 Wunsch nach größerer Reichweite mit nur einer Sonde: Lösung skalares Totalfeld- Magnetometer -- größere Tiefenreichweite bei Flächenmessungen -- größere laterale Reichweite bei Bohrlochmessungen >> Vergröberung des Bohrrasters? eine einzige Vektorsonde nicht praktikabel

6 Lösung des Problems: Drei Fluxgate-Sensoren in einer einzigen Sonde - beliebige Kippung

7 technische Lösung: Totalfeld- Magnetometer auf der Basis von 3 Fluxgate-Sonden in einer einzigen Einheit Gelände-Dreiachser für Totalfeldmessungen 85 g

8 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 Differenzfeld- Sonde "Gradiometer"

9 Was bringt die Registrierung der Einzelkomponenten - der Horizontalkomponenten?

10 Von der Theorie zur Praxis: einfache Experimente mit einem EBINGER-Dreiachsmagnetometer Testobjekt Steuereinheit und Registrier- Computer

11 Achse parallel zur Bohrung; rotiert um jeweils 90

12 Achse senkrecht sowie Lage links und rechts zur Bohrung; jeweils um 90 rotiert

13 Achse senkrecht zur Bohrung, links und rechts, um 180 gekippt und jeweils um 90 gedreht

14 Von der Theorie zur Praxis: Experimente -- mit nur wenigen Aufstellungen (hier: 5) bereits eine große Vielzahl der verschiedensten Kombinationen bei den Komponenten 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

15 induzierte Magnetisierung Der X,Y, Z-Dreiachser und der Modellierungscomputer haben praktisch aus einer unendlichen Anzahl verschiedener Dreierkombinationen auszuwählen.

16 weitere Probleme: magnetische Störfelder, Wahl eines Nullniveaus Experiment Y 0 reale Messung in einer Bohrung X Y Z 1 2 Null-Linie? 3 Null-Linie? 4 5 m

17 Zusammenstellung und Konsequenzen geringeres Auflösungsvermögen einfachere Anomalien größere Reichweite größerer Einfluss störender Eisenmassen oder magnetischer Gesteine zeitliche Feldänderungen müssen mit zweiter fester Station erfasst werden beliebig geneigte Bohrung höheres Auflösungsvermögen komplexere Anomalien geringere Reichweite geringerer Einfluss störender Eisenmassen oder magnetischer Gesteine kein Einfluss zeitlicher Feldänderungen beliebig geneigte Bohrung; aber: kein definierter Gradient herkömmlich: Differenzfeld- Magnetometer ("Gradiometer") für die Vertikalkomponente einzelner Dreiachser registriert drei Komponenten und berechnet die Totalintensität Differenzfeld- Magnetometer für die Totalintensität und die Einzelkomponenten

18 Konsequenzen höheres Auflösungsvermögen komplexere Anomalien geringere Reichweite geringerer Einfluss störender Eisenmassen kein Einfluss zeitlicher Feldänderungen wenig geneigte Bohrungen erforderlich geringeres Auflösungsvermögen einfachere Anomalien größere Reichweite größerer Einfluss störender Eisenmassen zeitliche Feldänderungen müssen mit zweiter fester Station erfasst werden 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.

19 höheres Auflösungsvermögen komplexere Anomalien geringere Reichweite geringerer Einfluss störender Eisenmassen höheres Auflösungsvermögen komplexere Anomalien geringere Reichweite geringerer Einfluss störender Eisenmassen Konsequenzen kein Einfluss zeitlicher Feldänderungen wenig geneigte Bohrungen erforderlich kein Einfluss zeitlicher Feldänderungen 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? Antwort: 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 Dreiachs- Differenzfeldmagnetometer ("Gradiometer") bedeutet keinen Fortschritt. Allenfalls: Horizontalbohrungen

20 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. Das modelliert der Computer. So liegt die Bombe. -- Sinnvoller: aktiven Verfahren der Frequenz- und Impuls-Elektromagnetik mehr Gewicht geben.