REVONTULTEN MAGNETOMETRIHAVAINNOT

Magneettisen vuontiheyden mittayksikkö on nanotesla (nT), mutta muitakin vanhempia yksiköitä yhä näkee käytettävän. Suomessa geomagneettisen kentän vuontiheys on 50000 nT luokkaa, jaettuna kolmeen komponenttiin: X: 13000 nT, Y: 1800 nT ja Z: 50000 nT.

Hälyttävän magnetometrin rakenne on yksinkertainen. Riittää, kun indikoidaan halutunsuuruinen ja/tai nopeuksinen muutos magneettikentässä. Välttämättä tähän ei vaadita edes A/D-muunninta, tai tietokonetta. 

Tässä artikkelissa esitellään erilaisia magneettikenttää mittaavia antureita.

Keräämällä magnetometristä mittausarvoja jatkuvasti, saadaan aikaan tilastollisia indeksitaulukoita, kuten Q-, K- ja Ak-indeksejä, jotka kuvaavat maan magneettikentän häiriöisyyttä eripituisissa aikajaksoissa. Vertailukelpoisia indeksejä saadaan tuotettua, jos mitataan sekä X- (pohjois), että Y- (itä) komponentteja. Absoluuttisilla magneettikentän arvoilla ei ole merkitystä tässä asiassa ja se helpottaa tilannetta. 
 

Protoniprekessiomagnetometri mittaa vain kokonaismagneettikentän voimakkuutta. Vaikka sitä usein käytetäänkin vedenalaisten esineiden ja muiden magneettisten poikkeamien etsintään, sillä ei voi mitata geomagneettisen kentän kulmaa (eikä sen komponentteja). Protoniprekessiomagnetometri perustuu protonien prekessiotaajuuden (n. 2 kHz 50 uT kentässä) mittaamiseen kelalla, joka on käämitty alkoholia, tai tislattua vettä sisältävän astian ympärille. Ensin neste magnetoidaan kelan avulla ja sen jälkeen magnetoinnin katkaisua seuraava prekessiovärähtely indusoituu kelaan, se vahvistetaan ja sen taajuus mitataan taajuuslaskimella. Tällä taajuudella on yksinkertainen laskettavissa oleva suhde ympäröivän magneettikentän vuontiheyteen ja näin sen arvo saadaan mitattua absoluuttisesti nanoteslan tarkkuudella. Mitään muuta kalibroitavaa ei ole taajuuslaskinta lukuun ottamatta.

Kaupalliset asemamagnetometrit ovat melkoisen arvokkaita, hintaluokkaa kymmeniä tuhansia markkoja (yli 5000 e) ja näin harrastekäytössä lienee ainoa mahdollisuus käyttää n. 1000 mk rahaa komponentteihin ja rakentaa magnetometri itse.

Yksinkertaisin ns. "hillopurkki-magnetometri", joka on toteutettu vaimennusnesteen päällä kelluvalla magneettisauvalla (kompassi) ja Hall-antureilla, sekä integroivalla vahvistimella, ei pysty mittaamaan kuin Y-komponenttia ja siksi on järkevää käyttää Fluxgate-tyyppistä magnetometriä. 
 

Jotta selviäisi miten toisen yliaallon Fluxgate-magnetometri toimii ja mitä ongelmia sen käyttöön, kalibrointiin ja tietojenprosessoinnin menettelytapoihin sisältyy, käymme joitakin niistä läpi tässä lyhyesti. 

Haasteet Fluxgate-magnetometrin valmistuksessa ovat pääasiassa:

• tarvittavan herkkyyden saavuttaminen
• siitä johtuvat lämpötilastabiilisuusongelmat
• kohinaongelmat
• kalibrointi

Fluxgate-magnetometrin anturissa on ferriittirengassydän, jota ajetaan magneettiseen kyllästyspisteeseen, tai sen yli n. 10 kHz sinimuotoisella vaihtovirralla. Anturin lähtökäämi on resonanssikondensaattorin avulla viritetty resonoimaan toiselle yliaallolle (20 kHz). Vallitseva (geo)magneettinen kenttä aiheuttaa anturin kyllästymisen hiukan toispuoleisesti, jolloin lähtösignaalikin muuttuu epäsymmetriseksi, eli reagoi ulkoiseen magneettikenttään anturiin merkityn herkkyysakselin mukaisesti. Saatu 20 kHz taajuinen lähtösignaali vahvistetaan, ilmaistaan, suodatetaan, integroidaan, sekä vahvistetaan tasasähkökytketyllä vahvistimella. Magnetometristä saatu mittaustieto voidaan esim. syöttää piirturille ja A/D-muuntimen kautta tietokoneelle talletettavaksi. 

Esimerkiksi FM-400 tyyppisen anturin herkkyys on 1 mikrovoltti / nanotesla (1 uV/nT). Koska mitataan muutoksia muutamasta nanoteslasta n. tuhanteen nanoteslaan, vahvistimen jännitevahvistuksen täytyy olla luokkaa 74 dB, eli n. 5000-kertainen ja samalla kuitenkin vähäkohinainen. Koska vahvistin on tasasähkökytketty, kokonaisuudesta tulee erittäin herkkä lämpötilanvaihteluille, joten on syytä käyttää korkealaatuisia instrumentointikäyttöön tarkoitettuja tarkkuus-operaatiovahvistimia. Lämpötilaryöminnälle herkät komponentit etsitään kylmäsprayn avulla ja niiden tilalla kokeillaan toisten valmistajien vastaavia tyyppejä ja käytetään niistä vakaimpia yksilöitä.

Resonanssikondensaattoriehdokkaat testataan kapasitanssimittarin avulla jäähdyttäen niitä kylmäsprayllä ja testatuista valitaan vähiten lämpötilaherkät. Silti joudutaan NTC-vastuksilla tekemään vahvistimiin työläitä lisälämpötilakompensointeja, eikä sekään riitä.

Magnetometri on käyttökelvoton, jos anturitilan lämpötila vaihtelee paljon, tai vahvistinyksikkö ei ole lämpöeristetyssä ja lämpötilasäädetyssä kotelossa. Koska vahvistinosan vaatima lämpötilavakaus voi olla +-0.1 asteen luokkaa, on käytettävä PID-lämpötilansäätöä, ei termostaattia. 

Laitteen piirikaaviota en aio julkaista sen toimintaan saamisessa olleiden suurten vaikeuksien vuoksi, mutta vihjeenä voin kertoa, että peruskytkentä on kasattu Magnetic Research Handbookin esimerkkikytkennöistä ja lisäksi sen herkkyyttä, eli vahvistusta on lisätty reilusti, mikä lienee ongelmien suurin aiheuttaja. Anturikäämin vastuksen lämpötilamuutokset saa liki eliminoitua käyttämällä anturin sisäisen magneettikentän kentän vakioivaa tasavirtatakaisinkytkentäsilmukkaa, jossa pieni osa invertoidusta kanavan lähtösignaalista syötetään vastuksen kautta toroidin toisiokäämin läpi, jolloin kenttä anturin sisällä pysyy lähes vakiona ja sen toisiokäämin antojännitekään ei muutu niin paljon.

Kalibrointi ja säätö voidaan tehdä 50 cm x 50 cm suorakulmaisen yksikierroksisen silmukan, tasavirtalähteen, sekä digitaalisen virtamittarin avulla. Käyttöönottokalibroinnissa anturit asetetaan oikeisiin käyttöasentoihinsa ilmansuuntien ja antureiden merkintöjen mukaisesti. X- ja Y-anturit asetetaan vaakasuoraan pohjoinen/etelä- ja itä/länsi-suuntaisesti ja mahdollinen Z-anturi pystyasentoon. Vahvistimien nollaussäädöistä asetellaan kaikkien kanavien lähdöt 50% arvoon. Kalibrointisilmukka asetetaan kalibroitavan anturin herkkyysakselin suuntaisesti anturin sivulle pystyyn siten, että silmukan lähin reuna on 50 cm etäisyydellä anturista ja 25 cm korkeudelle silmukan alareunasta. Lasketaan mittauspaikkakunnan K-indeksin arvo 9:n vuontiheyden muutokseen tarvittava kalibrointisilmukan tasavirta , joka on luokkaa n. 3 A ja sillä virralla säädetään vahvistimen vahvistuskerroin sopivaksi, eli vahvistimen lähtö 10%, ja 90% arvoon, vaihtaen silmukassa kulkevan virran suuntaa. Kalibrointitaulukkoon lasketuilla K-indeksejä 1...9:ää vastaavilla silmukan eri tasavirta-arvoilla merkitään vahvistimen lähtöviestin poikkeama-arvot 50%:sta jokaiselle indeksin arvolle ja kullekin anturille. Kalibroitaessa ei pitäisi tapahtua paljoakaan muutoksia muiden anturikanavien ulostuloissa. Jos muutoksia näkyy, on kanavien välinen erottelu huono, eli kanavat mittaavat muutakin, kuin haluttua magneettista komponenttia. Yleensä syy on huonossa anturikaapeloinnissa (johtimien oltava erillissuojattuja), vahvistinosan komponenttisijoittelussa, tai vahvistinosan suunnittelussa. 

24 tunnin X ja Y komponenttien mittauskäyrät melko hiljaiselta päivältä.

Eräs metodi on lineaarinen eliminointi, eli nk. FMI-metodi. Siinä Sr muodostetaan laskemalla keskiarvoja vähintään tunnin levyisestä aikaikkunasta. Tämän aikaikkunan leveys muuttuu dynaamisesti häiriöisyyden ja vuorokauden ajan mukaan.

Ikkunan perusleveys on 06...18 LT välillä 1 tunti ja 18...21 LT, sekä 03...06 LT välillä 3 tuntia ja yöllä 21...03 LT 5 tuntia (LT=paikallista aikaa). Lisäksi kullekin tunnille lasketaan pelkästään maksimipoikkeamaa käyttäen alustava K-arvo, jota käytetään ikkunan leveyden lisäämiseen häiriöisinä aikoina. Aikaikkunaa levennetään arvolla K^3.3 joka tarkoittaa, että alustavan K:n ollessa 9 ikkuna levenee +- 24 tuntia lisää, eli kyseisen tunnin Sr-käyrää muodostetaan jopa noin kahden vuorokauden mittausten keskiarvosta. Kutakin mittausarvoa verrataan sille hetkelle laskettuun Sr-käyrän pisteen arvoon ja suurimmasta kyseisen kolmen tunnin aikaisesta poikkeamasta: ABS(Sr(X)-X), tai ABS(Sr(Y)-Y) saadaan lopullinen K-indeksi asemakohtaisesta taulukosta. Tämä aiheuttaa sen, että lopullisen K-indeksin laskennassa on jopa vuorokauden viive, koska mittausdatan pitää kattaa aikaväli alkaen vuorokausi ennen kolmetuntisen laskentajakson alkua ja vuorokauden laskentajakson päättymisen jälkeen. 

Geomagneettinen myrsky. 36 tunnin mittauskäyrä.

FMI-metodi on lyhyesti kuvattu artikkelissa 'Computer Production of K-indices Based on Linear Elimination', Sucksdorff, Pirjola, Häkkinen, Geophysical Transactions 1991, Vol. 36. No. 3-4. pp. 333-345.  C-kielisen lähdekoodin saa FMI/GEO:lta pyydettäessä, joskin metodin koodaaminen onnistuu kuvauksen perusteella itsetehtynäkin. 

FMI-metodista on lyhyt kuvaus Internetissä olevassa transaktiossa: ' Quasi Real Time Determination of K-derived Planetary Indices - 1. The K Index Derivation',  Berthelier & al., jossa on esitetty modifioitu versio FMI-menetelmästä, jolla saadaan lähes reaaliaikaisesti tuotettuja K-indeksejä.

Mikäli magnetometrin lähtöviesti yli koko mittausalueen ei ole lineaarinen, sen voi linearisoida ohjelmallisesti sopivia algoritmejä käyttäen ja saada näin mittayksiköksi nanotesloja, mutta jos käyttää kalibrointitaulukon arvoja sijoittamalla ne K-indeksiksi muuntotaulukkoon nanoteslojen sijaan, saadaan aivan samoa lopputulos, eli samoja K-indeksejä. K:sta Ak:hon muuntotaulukkoon ei pidä tietenkään kajota!

Olen aiemmin käyttänyt mediaanisuodatettua kuukausikohtaista hiljaisista päivistä laskettua keskiarvokäyrää, johon mittausarvoja on verrattu, mutta tulokset eivät olleet kovin hyviä metodin työläyteen verrattuna. Algoritmit poikkeamien vertailuun ovat melko yksinkertaiset. Saadut poikkeamat muunnetaan Bartelsin luomilla puolilogaritmisilla taulukoilla 15 minuutin Q-, 3 tunnin K- ja yhden päivän Ak-indekseiksi. Q-indeksejä ei ole välttämätöntä laskea, mutta Ak-indeksiä varten K-indeksit on laskettava. Indeksi lasketaan eniten poikenneesta komponentista (X:stä ja Y:stä, ei kuitenkaan Z:sta). Kannattaa huomioida, että ko. K-taulukko täytyy sovittaa mittauspaikan magneettista leveyspiiriä vastaavaksi, eli kun perustaulukossa K 9:n arvo on 500 nT, on se Nurmijärvellä 750 nT ja Kiirunassa 1500 nT. 
 
 

ak, eli  kolmen tunnin aikainen maksimipoikkeama (nT)	K-indeksi
<5	0
5-10	1
10-20	2
20-40	3
40-70	4
70-120	5
120-200	6
200-330	7
330-500	8
>500	9

Asemakohtaiset taulukon arvot saadaan kertomalla ak-luvut asemakohtaisella vakiolla.

Muunnostaulukko K:sta Ak:hon:
 

K-indeksi	Ak-indeksi
0	0
1	3
2	7
3	15
4	27
5	48
6	80
7	140
8	240
9	400

Päivän K-indeksit (8 kpl) muunnetaan yllä olevalla muunnostaulukolla takaisin lineaarisiksi Ak-indekseiksi, summataan ja jaetaan 8:lla, että saadaan kyseiselle päivälle Ak-indeksi. 
 

Tässä esimerkki tuloksista: (HUOM: Ei sis. Q-indeksejä) 

     pvm       K-indeksit          Ak-indeksi
   1-12-99  1 1 0 1  1 1 3 1    4
   2-12-99  1 1 0 1  0 1 3 3    5
   3-12-99  2 2 2 3  3 4 5 4   19
   4-12-99  3 2 2 4  5 6 5 3   31
   5-12-99  3 2 3 3  2 3 3 2   12

   6-12-99  2 4 2 2  4 3 3 2   14
   7-12-99  3 2 2 3  2 3 3 3   12
   8-12-99  2 2 2 2  1 3 3 3   10
   9-12-99  3 3 1 2  2 2 3 3   11
   10-12-99 1 1 0 1  2 3 3 2    7

   11-12-99 1 1 2 1  3 2 1 0    5
   12-12-99 1 2 1 1  1 3 4 3   10
   13-12-99 3 4 3 3  3 3 1 0   13
   14-12-99 0 1 1 0  0 1 1 1    2
   15-12-99 0 1 0 0  1 0 1 3    3

   16-12-99 2 1 1 0  1 1 1 2    4
   17-12-99 1 1 1 1  0 3 2 0    4
   18-12-99 0 0 0 3  0 2 2 2    5
   19-12-99 0 0 0 2  2 2 1 2    4
   20-12-99 0 0 0 0  1 1 1 1    2

   21-12-99 0 0 1 0  0 1 0 0    1
   22-12-99 0 1 0 0  0 1 0 0    1
   23-12-99 0 1 0 0  1 1 1 2    2
   24-12-99 1 1 2 1  1 1 1 2    4
   25-12-99 1 1 2 1  3 2 1 1    6

   26-12-99 0 0 0 1  0 0 0 2    1
   27-12-99 3 2 1 1  2 1 2 1    6
   28-12-99 1 1 1 2  2 1 3 3    7
   29-12-99 3 2 1 0  0 2 1 3    6
   30-12-99 1 1 0 1  1 1 6 5   18

   31-12-99 5 3 2 3  4 3 4 5   25

   Ak-indeksin keskiarvo        8.1
 

Kuten tuloksista näkyy, alhaiset K-indeksin arvot (0...2) ovat epämääräisiä, koska käytetyn magnetometrin antamassa mittaustiedossa on hieman kohinaa, sekä ihmisen aiheuttamia poikkeamia ja A/D-muuntimen bittien määrä on marginaalinen. Näiden eri lähteiden antamat virheet ovat arviolta samaa suuruusluokkaa ja koska yhtä niistä ei voida juurikaan eliminoida, ei muihinkaan syihin kannata panostaa sen enempää. Nämä indeksithän ovat vain yksi keino ilmaista ionosfäärissä ja maan sisässä kulkevien sähkövirtojen muutosten suuruusluokkia mittaamalla virtojen vaikutusta paikalliseen maan magneettikenttään ja sen vuoksi ei harrastajan kannata tuijottaa liian tarkasti numeroarvoja. 

Revontulia voi näkyä Etelä-Suomessa yleensä K-indeksin arvolla 4 tai yli. Lapissa voi olla revontuliglowta, tai kaaria näkyvissä matalillakin K-indeksin arvoilla. 
 
 

Kiitokset Heikki Nevanlinnalle (FMI/GEO) mm. FMI-metodia koskevasta materiaalista.

Lähteet:

Computer Production of K-indices Based on Linear Elimination, Sucksdorff, Pirjola, Häkkinen, Geophysical Transactions 1991, Vol. 36. No. 3-4. pp. 333-345.

The Magnetic Measurements Handbook, J. M. Janicke, Magnetic Research Press, 1994.

Application Note AN-103, J. M. Janicke, Magnetic Research, Inc.

Application Note AN-104, J. M. Janicke, Magnetic Research, Inc.

Application Note AN-108, J. M. Janicke, Magnetic Research, Inc.

1996 Designers Reference Manual, Analog Devices, Inc., 1996,