DE2106051C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch Spulen erzeugten Magnetfeldes - Google Patents

Description

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Das hat zur Folge, daß durch ungewollte Feldkennzeichnet, daß die felderzeugenden Spuien (1) änderungen in der oder den felderzeugenden Spule die einzigen Magnetfelddetektionsmittel und/oder ao (oder Spulen) hervorgerufene Störspannungen in den Magnetfeldkorrekturspulen sind. genannten elektronischen Mitteln einen Korrektur-

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- strom in dieser Spule oder Spulen erzeugen, der kennzeichnet, daß zum Zwecke der Erzeugung des ein diese Feldänderungen kompensierendes Gegen-Magnetfeldes und/oder zur zeitlichen Feldmodu- feld ei-eugt. Die resultierende Spannung über der lation ein durch ein Stromspeisegerät (3) erzeugter as oder den zugleich felderzeugenden und feldkorrigie-Strom in den genannten Kurzschlußkreis ein- renden Spulen ist also praktisch Null, d. h. das Feld speisbar ist. bleibt konstant. Durch das Wegfallen der früher

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- vorgesehenen besonderen Meßmittel wird eine bekennzeichnet, daß die das genannte Magnetfeld deutende Platzersparnis und eine Verringerung des erzeugenden Spulen (1) mit Eisenkernen (4) ver- 30 finanziellen Aufwandes erreicht. Vorzugsweise können sehen sind. die einen negativen Widerstand darstellenden Mittel

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- einen oder mehrere Verstärker entrichten, über welche kennzeichnet, daß ein Korrekturstromsignal, wel- eine positive Rückkopplung gelegt ist. In anderem ches von einer anderen Feld-Konstanthaltevor- Zusammenhange sind derart gebildete negative Widerrichtung (8,9) herrührt, weiche am gleichen Magnet- 35 stands bekannt, so daß für dieselben an sich kein feld angreift, in den Kurzschlußkreis der genannten Schutz begehrt wird (vgl. Zeitschrift »Elektronik«. 15 Spule oder Spulen einspeisbar ist. (1966), Heft 7, Arb. Blatt Nr. 6).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- Die Erfindung geht von folgendem Gedankengang kennzeichnet, daß die genannte andere Feld- aus: Wird eine ideale Spule ohne Verluste, also beikonstanthaltevorrichtuiig (8, 9) ein Kernresonanz- 40 spielsweise eine supraleitende Spule, in einem zu kopf (8) ist. stabilisierenden Feld kurzgeschlossen, so treten folgende Erscheinungen auf: Jede Feldänderung indu-

ziert in der Spule eine Spannung, die ihrerseits einen

zusätzlichen Strom in der Spule erzeugt. Dieser Strom

♦5 ist so gerichtet, daß das durch ihn erzeugte Feld der

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ursprünglichen Feldänderung entgegenwirkt. Da in Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch eine einer verlustfreien Spule eine beliebig kleine Feldoder mehrere Spulen erzeugten magnetischen Feldes. änderung einen beliebig großen Strom erzeugen würde, Die bekannten Vorrichtungen dieser Art weisen bleibt die resultierende Feldänderung (Superposition separate Meßmittel zur Feststellung von Feldände- 5» von Feldänderung und Gegenfeld der Spule) verrungen auf, d. h. von der felderzeugenden Spule oder schwindend klein.

Spulen unabhängige Mittel, wie beispielsweise separate Bei nicht idealen, kurzgeschlossenen Spulen be-

Detektionsspulen, magnetfeldabhängige Widerstände schränkt der innere Widerstand Ri der Spule die

oder »r agnetische Kernresonanz-Meßköpfe. Das durch Größe des induzierten Stromes. Um die Verhältnisse

diese Mittel bei Änderung des Feldes, d. h. des magne- 55 bei einer solchen Spule auf einfache Weise mathema-

trchen Flusses, erzeugte Fehlersignal erzeugt seiner- tisch darstellen zu können, und um die der Erfindung

seits nach zweckmäßiger Verarbeitung ein Korrektur- zugrundeliegenden Gedankengänge besser zu er-

signal. Dieses Signal, welches die gemessene Feld- läutern, sind in F i g. 1 bis 3 drei Blockschaltbilder

abweichung kompensieren soll, wird üblicherweise wiedergegeben:

auf separate Korrekturspulen gegeben (deutsche 60 F i g. 1 stellt den Feldfluß und die induzierten

Auslegeschrift 1 186 538); es ist jedoch auch bekannt, Ströme und Spannungen in einer kurzgeschlossenen

daß als Korrekturspule auch die Erregerspule selbst Spule mit innerem Widerstand Ri = 0 dar;

benutzt werden kann (schweizerische Patentschrift F i g. 2 stellt die Erzeugung eines negativen Wider-

291). Standes — R2 in Serie mit dem Spulenverlustwider-

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtungen ist der, 65 stand (R 1) durch Verwendung einer positiven Rück-

daß die genannten Meßmittel einen relativ großen kopplung dar;

Raumbedarf haben, so daß es schwierig ist, sie im F i g. 3 stellt den Feldfluß und die induzierten

Magnetfeld an geeigneter Stelle unterzubringen. Es Ströme und Spannungen in einer Spule mit der er-

findungsgemäßen Vorrichtung zur Kompensation der Spulenverluste dar.

Bei einer bestimmten Stoning Φ_4ί des Gesamtflussesjp in der kurzgeschlossenen Spule entsteht eine Änderung ΔΦ_1οι des Gesamtflusses Φ, welche nach F i g. 1 durch die Superposition von Gegennuß Φ₁ und Störfluß Φ_Λ gegeben ist. Aus dem Blockschaltbild von Fig. 1 folgt die Gleichung:

R₂ ist ein normaler Widerstand, der,durch seine Stellung im Schaltkreis wie ein negativer Widerstand —R. wirkt:

J₁ = (U₁ +

— = (Ui +

Z₁) · —
R₁

Ry-R₁

Φιοί =

fit

(D

Dabei bedeutet A₁ den inneren Widerstand, N₁ die Windungszahl und L₁ die Induktivität der Spule, Z₁ den Strom im Kurzschlußkreis der Spule und Ut die induzierte Spannung über der Feldspule. Diese Gleichung sagt aus, daß die durch eine Flußstörung Φ,/ induzierte totale Flußänderung ΔΦ_Μ um so kleiner wird, je kleiner der Faktor R₁I(R₁ + JwL₁) ist. Könnte A₁ auf Null gebracht werden, so wurden auch die resultierenden Feldschwankungen auf Null kompensiert und das Feld wäre stabilisiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt einen negativen Widerstand zur Realisierung solcher Verhältnisse. Dieser negative Widerstand — R₂ soll im Kurzschlußkreis der Spule eingebaut sein. Der totale Verlustwiderstand der Spule' wird damit R₁-R₂ betragen und Gleichung (1) erhält folgende Form:

Um den negativen Widerstand in den Kurzschlußkreis einbauen zu können, sind nun elektronische Mittel nötig, welche ihrerseits sich in diesem Kurzschlußkreis befinden und unvermeidlicherweise einen zusätzlichen äußeren Widerstand A₃ in den Kurzschlußkreis hineinbringen. Allermindestens ist ein Rückkopplungsverstärker notwendig, wobei mit A₃ sowohl der Ein- und Ausgangswiderstand dieses elektronischen Mittels wie auch sonstige parasitäre

ao Übergangswiderstände erfaßt werden. Das Blockschaltbild von F i g. 3 stellt die Kombination der kurzgeschlossenen Spule von F i g. 1 mit dem Rückkopplungsverstärker von F i g. 2 dar: Es wird nun, wenn man vorläufig die neue Größe i_m unberücksichtigt läßt:

Φίοί =

(R₁ + R₃ - R₂) + JwL₁

Φιοί =

R₁-R₂

(R₁-R₂) +JwL₁

■Φ.,

(2)

Man sieht sofort, daß die totale Flußänderung ΔΦιοί dann gleich Null wird, wenn der negative Widerstand R₂ gleich dem inneren Widerstand R₁ wird. Die Gleichung IR₂I^IR₁I ist also kennzeichnend für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Die Erzeugung eines negativen Widerstandes im Kurzschlußkreis der Spule läßt sich beispielsweise mit Hilfe einer positiven Rückkopplung (Mitkopplung) realisieren. Das Blockschaltbild von F i g. 2 enthält außer den bisher beschriebenen Größen A₁, R₂, I₁ und Ut die Spannung U₂ = R₂-1₁, welche die auf die Feldspule rückgekoppelte Spannung darstellt.

Man sieht daraus sofort, daß jetzt R₂ = R₁ + R₃ gewählt werden muß, um die Kompensationsbedingung zu erfüllen. Es ist nun R₁ wie bisher der innere Widerstand der Spule, der zugesetzte negative Widerstand ist dagegen jetzt nicht mehr -A₂ sondem R₃ — R₂. Damit ist wieder der negative Widerstand gleich dem inneren Widerstand der Spule.

Da die betrachtete Spule nun auch die Erregerspule sein soll, ist eine Möglichkeit vorzusehen, welche die Felderzeugung oder gewollte Feldänderung trotz der Kompensationswirkung des negativen Widerstandes erlauben. Dies ist realisierbar durch Einspeisung eines Stromes i_m in den Kurzschlußkreis, wie in F i g. 3 dargestellt. Der total resultierende Feldfluß Φ_(β» wird dann zu

Φιοί =

(R₁ + R₃- Λ,)

R₃- R₂ ,f. .

N₁

Bei voller Kompensation der Feldschwankungen, d. h. für R₁ + R₃ = R₂ reduziert sich Gleichung (5) zu

Φ tot = —im

JwN₁

(6)

oder, in Zeitform dargestellt

R Γ

Φίοί(') = ^L limdt

Ni J

d. h. daß sich der Gesamtnuß Φμ auch im stabilisierten Zustand eindeutig steuern oder beispielsweise modulieren läßt, wobei der Fluß gemäß dem Integral des Steuerstromes i_m verläuft.

Zur besseren Erläuterung der Vorrichtung und der verschiedenen Ausführungsformen sind in den F i g. 4 bis 8 verschiedene Block- und Detailschaltbilder angegeben.

F i g. 4 stellt beispielsweise eine Spule 1 dar, bei welcher das Feld in ihrem Inneren stabilisiert werden soll, was durch die elektronischen Mittel 2 geschieht, welche im Kurzschlußkreis der Spule angebracht sind und einen negativen Widerstand darstellen;

F i g. 5 stellt ein Helmholtzspulenpaar 1,1 dar, dessen Feld stabilisiert werden soll;

F i g. 6 zeigt ein Spulenpaar 1,1 eines Elektromagneten mit ferromagnetischem Kern 4,4, wobei das Feld zwischen den Polschuhen des Kerns stabilisiert werden soll;

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform mit geerdeter Feldspule 1 und Verstärker mit symmetrischem Eingang;

F i g. 8 zeigt eine Ausführungsform mit unge-

erdeter Feldspule 1 und Verstärkern mit asymmetrischen Eingängen;

F i g. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher eine zweite Konstanthaltevorrichtung mit der erfindungsgemäßen kombiniert ist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt F i g. 4. Spule 1 erzeugt beispielsweise ein magnetisches Feld in ihrem Innern, welches stabilisiert werden soll. In den Kurzschlußkreis der Spule sind elektronische Mittel 2 eingeschaltet, welche einen negativen Widerstand darstellen, dessen absoluter Wert gleich demjenigen des inneren Widerstandes der felderzeugenden Spule 1 ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind außer der Erzeugerspule keine zusätzlichen Magnetfeld-Detektionsmittel und/oder Magnetfeldkorrekturspulen vorgesehen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5. Hier ist es das Feld eines Helmholtzspulenpaares 1,1, welches konstantgehalten werden soll. Die Spulen sind in diesem Beispiel parallel geschaltet. Im Kurzschlußkreis der parallelgeschalteten Spulen 1,1 liegen die erfindungsgemäßen elektronischen Mittel 2. Zur Speisung der Spulen wird in einem Stromspeisegerät 3 ein Strom erzeugt, welcher in den Kurzschlußkreis der Spulen eingespeist wird. Dieser Strom kann ebenfalls zur Modulation der Stärke des Magnetfeldes, in beispielsweise Sinus- oder Sägezahnform, benutzt werden, sofern das Speisegerät mit solchen Strommodulatoren ausgerüstet wird.

F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hier sind zwei oder mehr in Serie geschaltete Spulen 1/1 die Erregerspulen eines Elektromagneten mit dem Magnetkern 4, wobei das Feld zwischen den Polschuhen des Magnetkerns konstantgehalten werden soll. Dies geschieht wie in den vorangehenden Beispielen mittels elektronischer Mittel 2 im Kurzschlußkreis. Die Speisung des Magneten wird hier vom Stromspeisegerät 3 durchgeführt, indem der Strom über die elektronischen Mittel auf den Kurzschlußkreis geführt wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Magnetfeld durch Spulen mit Eisenkernen erzeugt wird.

F i g. 7 zeigt ein mehr detailliertes Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels. Die Spule 1 steht hier stellvertretend für alle früher genannten Felderzeugungsspulen. Die Spule 1 kann durch das in F i g. 7 a gezeichnete Ersatzschaltbild mit Induktion L₁ und innerem Widerstand R₁ gekennzeichnet werden. In dem in F i g. 7 dick ausgezogenen Kurzschlußkreis sind als elektronische Mittel ein Operationsverstärkers und ein Widerstand ÄS eingeschaltet. Im Kreis des OperationsverstärkersS befindet sich eine positive Rückkopp-Jung mit dem Widerstand R₆ und ein variabler Widerstand R₉, die zusammen einen Spannungsteiler bilden. Die gesamte elektronische Schaltung steift einen negativen Widerstand dar. Zwischen den Punkten P und E Hegt eine Spannung -A₄ · I₁, wo i, der Strom im Kurzschlußkreis der Spule 1 ist. Der Spannungsabfall an R₆ ist also — χ · (Zf₄ · ι,), wo χ einen Teil von Eins bedeutet, der durch den variablen Spannungsteiler R₆, R₉ eingestellt werden kann. Da die Eingangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen -i- und — des Operationsverstärkers verschwindend klein ist (eine Eigenschaft des Operationsverstärkers), setzt sich die Spannung zwischen Punkt E und Erde nur aus dein Anteil fiber dem Widerstand /?_s zusammen.

also aus —x (A₄ · /,). Die Impedanz zwischen Punkt E und Erde gegen den Operationsverstärker gesehen ist definitionsgemäß gleich dem Quotienten von Eingangsspannung (-.YA₄Z₁) und Eingangsstrom (I₁), und damit gegeben durch — xR_t. Damit ist gezeigt, daß die elektronischen Mittel einen negativen Widerstand darstellen, der im Kurzschlußkreis der Spule liegt, und der mittels positiver Rückkopplung eines Verstärkers erzeugt wird. Die Kompensationsbedingung ist erfüllt, wenn R₁ — x/?₄ = 0, d. h. wenn der absolute Wert des negativen Widerstandes 1—xRJ gleich demjenigen des inneren Widerstandes /Zf₁/ ist. Die Einspeisung des Erzeuger- oder Modulationsstromes i_m in den Kurzschlußkreis ist in F i g. 7 ebenfalls dargestellt.

Falls nur Operationsverstärker mit einseitig geerdeten Eingängen zur Verfügung stehen, sind mindestens deren zwei notwendig, um einen negativen Widerstand zu realisieren. Ein solches Ausführungs-

*o beispiel ist in Fig. 8 dargestellt. Nun liegen die Operationsverstärker 6 und 7 im wieder ausgezogenen Kurzschlußkreis der Spule 1. Zwischen den Punkten E und A gegen die Operationsverstärker gesehen erscheint ein negativer Widerstand, der durch den Quotienten der Spannung über diesen beiden Punkten -XR₄I₁ und des Eingangsstromes /, gegeben ist und somit —xR_t beträgt. Widerstand R_n stellt den Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers 7 dar, und dieser verkleinert dien effektiven negativen Widerstand auf — xR₄ + R_s. Die Kompensationsbedingung lautet nun: R₁ - xR_t f A₈ = 0. Bei diesem Beispiel sind also mehrere Verstärker mit einseitig geerdeten Eingängen in den elektronischen Mitteln enthalten.

Wie bei jeder Konstanthaltungsvorrichtung tritt auch bei der vorliegenden Vorrichtung eine Zeitkonstante auf, welche die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auf einen gewissen Frequenzbereich von Störsignalen beschränkt. Es ist deshalb auch hier wie bei anderen Konstanthaltungsvorrichtu.ngen wünschenswert, verschiedene Vorrichtungen zu kombinieren. Dies ist ohne weiteres möglich, wenn das Störsignal einer anderen Vorrichtung in der Form eines differenzierten Stromsignales am selben Ort eingespeist wird, wo auch der Erregerstrom i_m eingespeist wird. Natürlich sind dabei die bekannten Gesetze der Überlagerung verschiedener Regelkreise zu beachten, insbesondere was den Frequenzgang anbetrifft.

Ein Ausführungsbeispiel für eine solche kombinierte Konstanthaltung ist in F i g. 9 dargestellt. Die Spulen 1 speisen einen Elektromagneten mit Kern und Polschuhen 4. Stromspeisegerät 3 und elektronische Mittel 2 sind die gleichen wie bisher beschrieben. Im Feld zwischen den Polschuhen befindet sich ein magnetischer Kernresonanzkopf 8, dessen Ausgang auf eine Meßeinrichtung mit Sender S· führt. In dieser Meßeinrichtung wird ein Störsignal hergestellt, welches aus einer Abweichung der Sendefrequenz des Kernresonanzkopfes 8 von der Resonanzfrequenz des verwendeten

Stoffes im gegebenen Magnetfeld herrührt. Dieses Störsignal wird nun in Form eines Störstromes in den Kurzschlußkreis der Spulen 1 eingespeist und bewirkt damit eine Korrektur des Feldes. Bei diesem Beispiel wird somit ein Störstromsignal, das von einer

⁶S anderen Konstanthaltevorrichtang, vornehmlich von einer Kern resonanz-Feldstabflisiereinrichtung, herrührt, in den Kurzschlußkreis der Spule eingeführt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

_ _ . & muß daher in der Regel ein ausgedehnteres Magnet- Patentansprüche: {eld erzeugt werdeDj ^ msich jewdls notwendif

1. Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch ware, so daß zu dem für die Meßmittel erforderlicher eine oder mehrere Spulen erzeugten Magnetfeldes, Aufwand noch ein zusätzlicher Aufwand für emc d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß im Kurz- 5 größere felderzeugende Spule oder Spulen mit einei schlußkreis der genannten Spule oder Spulen (1) größeren Speisevorrichtung hinzukommt
elektronische Mittel (2) eingeschaltet sind, die einen Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Aufnegativen Widerstand darstellen und daß der wand zu vermeiden.

absolute Wert des genannten negativen Wider- Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der

Standes gleich oder angenähert gleich demjenigen io eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch

des inneren Widerstandes der felderzeugenden gelöst, daß im Kurzschlußkreis der felderzeugenden

Spule oder Spulen (1) ist. Spule oder Spulen elektronische Mittel eingeschaltet

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- sind, die einen negativen Widerstand darstellen, kennzeichnet, daß die einen negativen Wider- und daß der absolute Wert des genannten negativen stand darstellenden elektronischen Mittel (2) einen 15 Widerstandes gleich oder angenähert gleich dem- oder mehrere Verstärker (5, 6, 7) mit positiver jenigen des inneren Widerstandes der felderzeugenden Rückkopplung enthalten. Spule oder Spulen ist.