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Verfahren und Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer unveränderlichen Lage eines ferromagnetischen, in einem magnetischen Feld frei schwebenden Körpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer unveränderlichen Lage eines ferromagnetischen, in einem magnetischen Feld frei schwebenden Körpers.
Es sind schon Vorrichtungen der oben angeführten Art bekannt, in denen der Aufhängungselektroma- gnet, der ein magnetisches Feld erzeugt, in welchem der ferromagnetische Körper frei schwebend aufrecht erhalten wird, durch ein Regelsignal gesteuert wird, welches aus der relativen Lage des schwebenden ferromagnetischen Körpers in bezug auf einen Fühler abgeleitet wird, wobei der Fühler aus einem parallelen IC-Kreis besteht, dessen elektromagnetische Eigenschaften in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem ferromagnetischen Körper und dem Fühler geändert werden. Derartige Vorrichtungen werden
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Lagern noch auf Luftpolstern laufen, weil bei so grosser Geschwindigkeit bereits die Reibung des Luftkissens hindernd wirkt.
Es sind daher auch schon Ultrazentrifugen bekanntgeworden, deren Rotor in einem evakuiertenRaum untergebracht und in einem von einemAufhängungselektromagneten erzeugten magnetischen Feld freischwebt. In Drehbewegung wird der Rotor durch ein zweites, rotierendes elektromagnetisches Feld versetzt.
Mit Rücksicht darauf, dass der Rotor frei im Raume schwebt, muss zur Aufrechterhaltung seiner unver- änderlichen Lage eine sehr genau arbeitende Regelvorrichtung vorgesehen sein. Zu diesem Zwecke muss ein Fühler angeordnet werden, der ein der Entfernung zwischen dem Rotor und einem bestimmten Bezugspunkt proportionales Regelsignal erzeugt. Bei bisher bekannten Vorrichtungen ist der Fühler als ein paralleler IC-Kreis angeordnet, der in die Rückkopplungsschleife des Oszillators geschaltet und unter dem Rotor der Ultrazentrifuge derart untergebracht ist, dass zwischen dem Rotor und der Induktivität des parallelenIC-Kreises magnetischeKopplung besteht.
DerOszillator ist durch den parallelenIC-Kreis auf eine hohe Schwingungsfrequenz abgestimmt. Ändert sich die Entfernung zwischen dem Rotor der Ultrazentrifuge und der Induktivität des parallelen IC-Kreises, dann ändert sich auch der Kopplungsfaktor zwischen diesen zwei Elementen und dadurch auch die Amplitude der Schwingungen im parallelen IC-Kreis des Fühlers. Änderungen dieser Amplitude dienen zur Gewinnung eines Regelsignals für die Vergrösserung oder Verminderung der Intensität des vom Aufhängungsmagnet erzeugten elektromagnetischen Feldes.
Die angeführte bekannte Regelungsmethode hat jedoch zahlreiche Nachteile. Bei einer Änderung der Entfernung zwischen dem Rotor und dem Fühler ändert sich nicht nur die Amplitude der Schwingungen im parallelen IC-Kreis des Fühlers, sondern auch andere Parameter des Fühlers, z. B. Schwingungsfrequenz, Wert des Rückkopplungsfaktors des Oszillators od. dgl., so dass die Regelung manchmal versagt. Ausserdem ändern sich verschiedene Parameter des Fühlers sehr stark auch bei jeder Änderung der Speisespannung, beim Altern der Oszillatorröhre oder bei deren Wechsel gegen eine neue u. dgl.
Die Aufgabe derErfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer unveränderlichen Lage eines frei schwebenden ferromagnetischen Körpers derart zu schaffen, dass das Regelsignal mit höchster Genauigkeit der Entfernung zwischen dem schwebenden ferromagnetischen Körper und dem Fühler proportional wird und von Speisespannungsschwankungen,
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vom Altern der Elektronenröhren und von andern unerwünschten Änderungen der Parameter des Fühlers unabhängig bleibt.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der parallele IC-Kreis des Fühlers periodisch durch Impulse erregt wird, deren Impulsfolgefrequenz wesentlich kleiner als die Resonanzfrequenz dieses parallelen IC-Kreises ist und das Regelsignal durch Vergleich der maximalen Amplitude der Schwingungen im parallelen IC-Kreis des Fühlers und dem Spannungsmittelwert dieser gleichgerichteten Schwingungen gewonnen wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 und 3 sind Diagramme, die den Verlauf der Spannungsschwingungen im parallelen ICKreis des Fühlers darstellen, Fig. 4 ist das Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels, mit zwei Gleichrichtern, Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem der Aufhängungselektromagnet mit zwei gesondert angeordneten Wicklungen versehen ist und Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel.
Beim ersten Ausführungsbeispiel, das schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, schwebt der ferromagnetische Körper 2, beispielsweise der Rotor einer Ultrazentrifuge, im magnetischen Feld eines AufhängungseIektromagnets, dessen Wicklung 1 ein magnetisches Feld von solcher. Intensität erzeugt, dass dadurch die Wirkung des Gravitationsfeldes- auf den- ferromagnetischen Körper 2 gerade aufgehoben wird, so dass der Körper frei im Raume schwebt. Zur Aufrechterhaltung einer unveränderlichen Lage des ferromagnetischen Körpers 2 ist einFühler angeordnet, der einen parallelenIC-Kreis enthält, welcher aus einer Induktivität 3 und einer Kapazität 4 besteht.
Erfindungsgemäss werden in diesem parallelen IC-Kreis durch einen Impulsgenerator 14 periodisch Schwingungen erregt, deren Impulsfolgefrequenz fs kleiner als die Resonanzfrequenz fo ist, auf die der parallele IC-Kreis 3, 4 abgestimmt ist. Der Verlauf der exponentiell abklin-
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lich ist, gelangen in den Augenblicken to'to + At, to + 2 At bzw. ErregerimpulsevomImpulsgenerator14 in den parallelenIC-Kreis. Jeder Erregerimpuls ruft im parallelenIC-Kreis 3, 4 freie Schwingungen hervor, deren maximale Amplitude mit Um bezeichnet ist. Der Spannungsmittelwert dieser gleichgerichteten Schwingungen ist DerVerlauf der gedämpften Schwingungen, die in Fig. 2 dargestellt sind, entspricht z. B. der erwünschten Entfernung zwischen dem ferromagnetischen Körper 2 und der Induktivität 3.
Dagegen zeigt Fig. 3 den Verlauf der Schwingungen bei einer Verminderung der Entfernung zwischen dem
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gerechnet) ist im zweitenFalle (Fig. 3) kleiner, weil die Schwingungen schneller, d. h. mit einer kleineren Zeitkonstante To als in Fig. 2 abklingen. Sofern also der Wert Um derart stabilisiert ist, dass er für konstant gehalten werden kann, genügt es zum erforderlichen Vergleich der beidenWerte Um und Us'den Wert Us zu ermitteln, d. h. man kann unmittelbar den Wert Us zur Bildung des Regelsignals verwenden.
Dies erfolgt in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die im parallelen IC-Kreis 3, 4 erzeugten Schwingungen durch einen Gleichrichter 12 gleichgerichtet werden, dessen Kapazität 10 und Widerstand 11 derart gewählt sind, dass ihr Produkt, welches die Zeitkonstante Ti des Gleichrichters bestimmt, kleiner ist als der minimale praktisch im Betrieb vorkommende Wert Tm der Zeitkonstante To des parallelenIC-Kreises 3, 4 des Fühlers. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 12 wird durch ein aus einem Widerstand 25 und einer Kapazität 26 bestehendes Filter gesiebt und einem Verstärker 9 zugeführt, der im dargestelltenAusführungsbeispiel aus einerTriode besteht.
DerAusgang des Verstärkers 9 ist in den Speisestromkreis der Wicklung 1 des Aufhängungselektromagneten geschaltet. Der durch die Windung 1 fliessende Strom ändert sich daher in Abhängigkeit vom Regelsignal und dadurch ändert sich auch die Intensität des durch die Wicklung l erregten magnetischen Feldes, so dass der ferromagnetische Körper 2 durch Regelung des magnetischen Feldes ständig in der erwünschten Lage gehalten wird. Mit 13 ist ein schematisch angedeutetes Korrekturglied an sich bekannter Art bezeichnet, das zur Unterdrückung von Regelschwankungen im beschriebenen Regelkreis dient. Die Verwendung dieses Korrekturgliedes ist jedoch zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich.
Wie aus dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ersichtlich ist, wird durch die Erfindung der Vorteil erreicht, dass die Stabilität des Regelsignals im wesentlichen nur von der Stabilität der Zeitkonstante To des parallelen IC-Kreises des Fühlers, von der Stabilität der maximalen Spannungsamplitude Um der im genanntenIC-Kreis erregten Schwingungen sowie von der Stabilität der Folgefrequenz der vom Impulsenerator 14gesendetenlmpulse abhängt. Von andernParametern des Fühlers bleibt das Regelsignal praktisch unabhängig, was einen beträchtlichen Vorteil im Vergleich mit bisher bekanntenRegelmethoden bedeutet.
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Die oben angeführtenWerteTo'Um und fs können nämlich sehr genau und zuverlässig durch einfache, be- kannte Mittel stabilisiert werden, wodurch eine höchst genaue Wirkung des Fühlers gewährleistet wird.
In weiteren Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 4-6 dargestellt sind, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass es im weiteren genügt, nur die Abweichungen der in Fig. 4-6 gezeigten Vorrichtungen von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zu erläutern.
Das inFig. 4 gezeigteAusfUhrungsbeispiel unterscheidet sich von dem inFig. l dargestelltendurch die
Anordnung einesSpannungsstabilisators zur Konstanthaltung des Wertes Um. Der Spannungsstabilisator be- steht im wesentlichen aus einerDiode 15 und einer Entladungsröhre 16. Die stabilisierte Spannung Uz der Entladungsröhre 16 ist derart gewählt, dass sie kleiner als die maximale Amplitude Um der Schwingungen im parallelenIC-Kreis 3, 4 desFühlers ist und dieDiode 15 gesperrt hält, bis auf die Zeitspanne, während welcher die Spannung der ersten freien Schwingung den Wert Uz überschreitet.
Ferner ist in der Ausfüh- rungsform nach Fig. 4 ein weiterer Gleichrichter 22 angeordnet, dessen Kapazität 20 und Widerstand 21 derart gewählt sind, dass dieZeitkonstante T des Gleichrichters 22 grösser ist als die Zeitkonstante To des parallelen IC-Kreises 3. 4, so dass der Gleichrichter 22 eine Spannung erzeugt, die der maximalen Span- nungsamplitude Um der Schwingungen im parallelenIC-Kreis 3, 4 entspricht. Beide an den Ausgängen der Gleichrichter 12 und 22 gewonnenen Spannungen werden einem Differentialverstärker 17 zugeführt, der in bekannter Weise ihre Differenz Us - Um bildet und verstärkt.
Der Ausgang des Differentialverstärkers 17 ist in denSpeisestromkreis der Wicklung l des Aufhängungselektromagneten geschaltet, wodurch dieinten- sität des magnetischenFeldes diesesElektromagnets in ähnlicher Weise wie bei der Ausführung nach Fig. 1 geregelt wird.
Falls der Widerstand 21 veränderbar ist, wie in Fig. 4 dargestellt, kann am verstellbaren Schleifer dieses Widerstands statt der Spannung Um eine Spannung a. Um abgenommen werden, worin a einen Koeffizienten bedeutet, der kleiner als Eins ist. In diesem Falle wird im Differentialverstärker 17 die Differenz Us - a. Um gebildet. Durch geeignete Wahl des Koeffizienten a kann man erreichen, dass die Differenz Us-a. Um ständig um den Wert Null schwankt, wodurch die Empfindlichkeit der Regelvorrichtung gesteigert wird, weil dadurch die Abhängigkeit des Regelsignals von der maximalen Amplitude Um wesentlich verringert wird.
Statt die Grössen Us und Um oder a. Um im Differentialverstärker 17 zu vergleichen, können Ausgangsspannungen der Gleichrichter 12 und 22 nachSiebung durch den Widerstand und die Kapazität 25, 26 bzw. 35, 36 einem Verstärker 9 zugeführt werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Beide Ausgänge des Verstärkers 9 sind in zwei getrennt gespeiste Wicklungen 23,24 des Aufhängungselektromagneten geschaltet, wodurch die Intensität des resultierenden magnetischen Feldes in Abhängigkeit von den Änderungen der Entfernung zwischen dem ferromagnetischen Körper 2 und der Induktivität 3 geregelt wird.
Beim letzten, in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Wert des Koeffizienten a im Ausdruck Us-a. Um dadurch eingestellt, dass die Eingangsspannung für den Gleichrichter 22 an einem Spannungsteiler abgegriffen wird, der aus zwei abstimmbaren, gegebenenfalls miteinander mechanisch gekoppelten Kondensatoren 18, 19 besteht und parallel zur Kapazität des IC-Kreises 3, 4 des Fühlers geschaltet ist bzw. diese Kapazität 4 unmittelbar ersetzt.
Mit dieser Schaltungsanordnung kann der Wert des Koeffizienten a bei Aufrechterhaltung einer ausserordentlich hohen Stabilität der ganzen Schaltung beliebig eingestellt werden, u. zw. auch in dem Falle, dass als Gleichrichter 12 und 22 geheizte Vakuumdioden verwendet werden, in denen eine nach Fig. 4 oder 5 durchgeführte Einstellung des Koeffizienten a zu einer unerwünschten Änderung der Gleichstromkomponente, proportional der Anlaufspannung der Diode 22, führen würde.
Das oben angeführte Verfahren und die Vorrichtung kann nicht nur zur Aufrechterhaltung einer unveränderlichen Lage von Rotoren der Ultrazentrifugen, sondern auch überall dort verwendet werden, wo es darauf ankommt, die Lage bestimmter Gegenstände in evakuierten oder von aussen unzugänglichen Räumen zu regeln, beispielsweise bei der Arbeit mit radioaktiven Stoffen.
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