CN104515962A - 用于使磁场均匀化的均匀化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使磁场均匀化的均匀化装置(1)，其带有非磁性的支架(2)和由磁性材料构成的平衡元件(3)，其中，支架(2)具有支架壁部(4)且支架壁部(4)包围支架内腔(5)，其中，在布置在磁场中的均匀化装置(1)中磁场通过支架壁部(4)的第一支架区域(6)侵入支架内腔(5)中而通过支架壁部(4)的第二支架区域(7)从支架内腔(5)挤出，并且布置在支架(2)处的平衡元件(3)中的每个至少在支架内腔(5)中有助于磁场的均匀化。在根据本发明的均匀化装置(1)中，在均匀化期间操作被改善，亦即因为，在支架壁部(4)中设置有凹口(8)且在凹口(8)中的每个中可直接插入和取出平衡元件(3)中的至少一个。

Description

用于使磁场均匀化的均匀化装置
技术领域
本发明涉及一种用于使磁场均匀化的均匀化装置，其带有非磁性的支架和至少部分地由磁性材料构成的平衡元件(Abgleichelement)，其中，支架具有支架壁部(Traegerwandung)且支架壁部包围支架内腔，其中，在布置在磁场中的均匀化装置中磁场通过支架壁部的第一支架区域(Traegerbereich)侵入支架内腔中而通过支架壁部的第二支架区域从支架内腔挤出，并且其中，布置在支架处的平衡元件中的每个至少在支架内腔中有助于磁场的均匀化。
背景技术
开头确定的类型的均匀化装置可在不同的应用中被用于使磁场均匀化。均匀化装置的仅仅一个示例性的应用是核磁式流量测量仪的磁场的均匀化。核磁式流量测量仪由在介质处执行的核磁共振测量确定流过测量管的介质的流量。
核磁共振测量要求带有其原子核具有磁矩的元素的介质。这在带有核自旋(Kernspin)的原子核中存在。核自旋可被理解为可通过一向量描述的角动量(Drehimpuls)，并且磁矩相应地也可通过与角动量的向量平行的向量来描述。原子核的磁矩的向量在存在磁场的情况下平行于在原子核的部位处的磁场的向量取向。在此，原子核的磁矩的向量围绕在原子核的部位处的宏观磁场的向量进动。进动(Präzession)的频率被称为拉莫尔圆频率ωL并且与磁通密度B的值成比例。拉莫尔频率根据公式ωL=γB计算，在该公式中γ是旋磁比，其对于氢原子核最大且γ为276.5•106 rad/(sT)。
核磁共振测量方法在存在磁场的情况下激励介质的具有磁矩的原子核并且测量激励的效果。在核磁式流量测量仪中，借助于所测量的激励的效果来确定通过测量管的介质的流量。原子核的激励引起原子核以之前彼此以统计学分布的相进动的原子核的拉莫尔圆频率ωL同相进动并且该激励干扰进动的原子核的之前存在的平衡状态。只要进动是同相的，该干扰可作为宏观的交变磁场测量，其中，交变磁场的圆频率是拉莫尔圆频率。
为了执行核磁共振测量，核磁式流量测量仪具有用于在流过测量管的介质中产生磁场的磁场产生装置。在此，在流动的介质中通常的磁通密度为B≈0.3T。介质中的磁通密度以地磁场的磁通密度的数量级的波动(例如ΔB=30μT)导致在介质中流动的进动的原子核的拉莫尔圆频率波动了ΔωL=276.5•106 rad/(sT)•30μT≈8.1•103 l/s。拉莫尔圆频率本身的波动导致测量精度变差并且还引起原子核的进动的同相性(Gleichphasigkeit)的损失，由此宏观的交变磁场的幅度减小，这导致测量精度的进一步恶化。
核磁式流量测量仪的常见的磁场产生装置由永磁体来构建，其中，永磁体大多布置为Halbach阵列。然而由这样产生的磁场的均匀性大多不造成核磁式流量测量仪的所要求的测量精度，因此需要通过均匀化装置使磁场均匀化。但是利用电磁体产生的磁场常常也不满足由该应用所提出的对磁场的均匀性的要求。
开头所说明的类型的均匀化装置为了使由核磁式流量测量仪的磁场产生装置所产生的磁场均匀化尤其可在磁场中布置在流过测量管的介质中，亦即这样使得测量管处于根据本发明的均匀化装置的支架的支架内腔中并且支架壁部包围测量管。磁场产生装置的磁场在此通过支架壁部的第一支架区域侵入支架内腔中而通过支架壁部的第二支架区域从支架内腔挤出。布置在支架处的平衡元件在此至少在支架内腔中且因此还在介质中使磁场均匀化。
均匀化装置的支架由非磁性材料构成。非磁性材料特征在于，其(如果有的话)仅以对于相应的应用可忽略地小的程度影响磁场。抗磁性的和顺磁性的材料也被视为非磁性材料。与此相对，平衡元件至少部分地由磁性材料构成。磁性材料是铁磁的、亚铁磁的和反铁磁的材料。对于它们共同的是，它们影响磁场。
在现有技术中已知一种开头所说明的类型的均匀化装置，在其中平衡元件中的每个在支架上的布置通过粘接实现。在观察包括多个步骤的磁场均匀化过程中该均匀化装置的缺点变得明显。
在第一步骤中测量磁场并且相应于测量结果通常将平衡元件中的多个在支架处布置在确定的位置处。在第二步骤中在支架内腔中利用布置在磁场中的均匀化装置来测量磁场。在该第二步骤中，在支架内腔中的磁场通常比不带均匀化装置更均匀，然而磁场的均匀性常常还不满足该应用的要求。因此需要第三步骤，在其中平衡元件相应于来自前面的步骤的测量结果来布置、取出或移动。在第四步骤中，在支架内腔中利用布置在磁场中的均匀化装置重新来测量磁场。在该第四步骤中，在支架内腔中的磁场通常比在第一步骤之后更均匀。如果磁场的均匀性满足要求，均匀化的过程结束，否则重复第三和第四步骤，直到均匀性满足该应用的要求。因此，磁场的均匀化是反复的过程。
在现有技术中已知的均匀化装置中，为了将平衡元件中的每个单个取出和移动要松开粘接且要取出粘胶的残余物。如果使用为了简单取下平衡元件而其粘合能力较小的粘胶，粘接的工作可靠性受影响并且要采取附加的措施用于固定所粘住的平衡元件。如果使用为了确保粘接的工作可靠性而其粘合能力较高的粘胶，面临在取下平衡元件时在支架处的损坏。此外，在预定的位置处布置平衡元件的可重复性负有干扰较大的不精确性。
发明内容
本发明的目的因此是说明一种用于使磁场均匀化的均匀化装置，在其中改善在均匀化期间均匀化装置的操作。
根据本发明的均匀化装置(在其中实现之前所导出的和列举的目的)首先且主要特征在于，在支架壁部中设置有凹口并且在凹口中的每个中可直接插入和取下平衡元件中的至少一个。
相对由现有技术已知的均匀化装置，根据本发明的均匀化装置首先具有该优点，即平衡元件可无粘接地被布置在支架处。由此改善了平衡元件的布置、取下还有移动。此外，通过将平衡元件插入凹口中还提供了平衡元件在预定位置处的布置的改善的可重复性。
通常，在支架内腔中的磁场的均匀性对于应用足够的情况下仅在一部分凹口中插入平衡元件。大多分别将平衡元件中的仅仅一个插入凹口中。然而为了实现磁场的足够的均匀性在凹口中也可一起插入平衡元件中的至少两个。优选地，可一起插入其中一个凹口中的平衡元件具有与可插入该凹口中的平衡元件中的单个相同的几何结构。(通常，物体的几何结构通过其形状和其尺寸来确定)。此外还设置成通过在平衡元件与凹口之间的充填元件在凹口中关于理想的磁场向量调节被插入其中一个凹口中的其中一个平衡元件的位置和方向。理想的磁场向量是在支架内腔中的均匀的磁场的向量。
插入凹口中的平衡元件通过在凹口与被插入的平衡元件之间的静摩擦(Haftreibung)至少被固定成使得由静摩擦引起的附着力至少与相应的被插入的平衡元件的重力等大并且附着力至少与由平衡元件彼此所施加的力等大。附着力通过凹口的几何结构的协调可调节到被插入凹口中的平衡元件的几何结构上。
凹口的形状可设计多样。为了通过钻孔简单地制造，提出尤其圆柱形的凹口。但是多边地成形的凹口、例如方形的凹口也是有利的，其中，制造优选地通过铣削实现。平衡元件的形状也可设计多样。在此提出圆柱形的和多边地成形的平衡元件并且多边地成形的平衡元件中尤其提出方形的平衡元件。不仅圆柱形的平衡元件而且多边地成形的平衡元件可插入圆柱形的凹口中并且反过来圆柱形的平衡元件也可插入多边地成形的凹口中。然而多边地成形的平衡元件插入相应地多边地成形的凹口中是特别有利的，因为被插入的平衡元件不能旋转。
在根据本发明的均匀化装置的一优选的设计方案中，在第一支架区域中设置有凹口中的至少一个并且/或者在第二支架区域中设置有凹口中的至少一个。在第一备选设计方案中设置成，仅在第一支架区域中设置有凹口中的至少一个，而在第二备选设计方案中设置成，仅在第二支架区域中设置有凹口中的至少一个。不仅在第一支架区域中而且在第二支架区域中的凹口在布置平衡元件时提供最大可能的自由，而在这两个备选设计方案中制造耗费通过较少数目的凹口被减小，但是尽管如此可实现对于许多应用足够的磁场均匀性。
在根据本发明的均匀化装置的另一优选的设计方案中设置成，凹口中的至少一部分在支架壁部中形成有规律的图案。有规律的图案使能够均匀地影响在支架内腔中的磁场。作为有规律的图案提出一种棋盘图案(Schachbrettmuster)。棋盘图案特征在于，凹口通过相交成直角的直线相连接，并且相邻的凹口的间距相同。该图案因此是矩阵并且还允许各个凹口的简单寻址(Adressierung)，例如以如其在棋盘中常见的方式。
在根据本发明的均匀化装置的一特别优选的设计方案中设置成，凹口中的至少一个实施为带有盲孔底部和盲孔壁部的盲孔。实施为盲孔的凹口是有利的，因为制造可高效地、尤其在环形的横截面轮廓中通过钻孔实现并且被插入实施为盲孔的凹口中的一个中的平衡元件由于形状配合仅还在一方向上可运动。优选地，实施为盲孔的凹口中的至少一部分具有相同的几何结构，由此进一步提高凹口和平衡元件的制造的效率。
有利地，实施为盲孔的凹口中的至少一个处在支架壁的外侧中。外侧作为支架壁部的背对支架内腔的侧面比面向支架内腔的内侧更容易接近，因此处在外侧中的凹口也更容易接近。
此外，如果在支架壁部的内侧处实施为盲孔的凹口中的至少一个关联有通到凹口的盲孔底部中的用于抛出被插入凹口中的平衡元件的抛出凹口(Auswurfausnehmung)，是有利的。抛出被插入其中一个凹口中的其中一个平衡元件通过施加力通过抛出凹口到平衡元件上而实现，其中，该力大于在抛出凹口中的平衡元件的附着力。
在根据本发明的均匀化装置的一优选的设计方案中设置成，凹口中的至少一个具有凹口轴线，平衡元件中的至少一个仅通过沿着凹口轴线的运动可插入凹口中并且被插入凹口中的平衡元件的唯一的留下的平移自由度是沿着凹口轴线的。平衡元件的插入因此是平移地推入或压入凹口中。优选地，附加地设置有至少一个盖(Abdeckung)并且该盖阻止被插入其中一个凹口中的平衡元件中的至少一个的唯一的留下的平移自由度。
在根据本发明的均匀化装置的一优选的设计方案中设置成，在凹口中的至少一个中构造有内螺纹而在平衡元件中的至少一个中构造有外螺纹并且平衡元件可拧入凹口中。平衡元件拧入凹口中允许在平衡元件与凹口之间的明显更小的静摩擦用于将平衡元件固定在凹口中。
平衡元件至少部分地由磁性材料构成。平衡元件中的至少一个的磁性材料可不仅包含软磁材料而且包含硬磁材料。因此，均匀化装置的平衡元件的整体可包含其磁性材料是完全软磁材料或完全硬磁材料的平衡元件。平衡元件中的每个的磁性材料也可包含任意混合比例的软磁材料和硬磁材料。硬磁材料与软磁材料的不同之处在于更高的剩磁(Remanenz)和更高的矫顽磁性(Koerzitivfeldstärke)。因此，在硬磁材料的情况中在磁通密度与磁场强度之间存在的磁滞回线(Hystereseschleife)的面积比在软磁材料的情况中更大。硬磁材料比软磁材料更好地适合于永磁体。软磁材料由于较小的磁阻尤其适合于磁场的引导。
在根据本发明的均匀化装置的一相当特别优选的设计方案中设置成，平衡元件中的至少一个的几何结构具有平衡元件轴线，平衡元件优选地具有纵轴线并且纵轴线与平衡元件轴线重合。物体的该轴线被称为纵轴线，沿着该轴线物体具有其最大的空间延展。因此，具有纵轴线的平衡元件对磁场的作用取决于纵轴线相对于该磁场的定向。
其几何结构具有平衡元件轴线的平衡元件也可设计成使得沿着平衡元件轴线存在由磁性材料构成的至少一个层和由非磁性材料构成的至少一个层。通过非磁性的层，磁性材料与支架内腔的间距和因此还有磁性材料对在支架内腔中的磁场的作用可调节。
在根据本发明的均匀化装置的另一优选的设计方案中设置成，具有平衡元件轴线的且被插入其中一个凹口中的平衡元件中的至少一个的平衡元件轴线通过凹口相对于理想的磁场向量以预设的角度取向。优选地，平衡元件轴线的取向平行于理想的磁场向量。平衡元件的平衡元件轴线相对于磁场以预设的角度取向使不仅能够影响在支架内腔中的磁场的强度而且能够在支架内腔中形成磁场。然而，平衡元件的平衡元件轴线平行于理想的磁场向量的取向大多足以用于使磁场均匀化。
在根据本发明的均匀化装置的又一优选的设计方案中，在其中平衡元件中的至少一个具有平衡元件轴线，磁性材料具有磁性的从优轴线(Vorzugsachse)并且从优轴线与平衡元件轴线重合。磁性的从优轴线特征在于，平衡元件的磁性材料沿着该轴线的特性不同于沿着垂直于从优轴线的另一轴线的特性。由此例如可设计成，平行于磁性的从优轴线的剩磁和/或矫顽磁力比平行于垂直于从优轴线的轴线更大。
根据本发明的均匀化装置(在其中平衡元件中的至少一个的磁性材料包含硬磁材料并且几何结构具有平衡元件轴线)，两个备选的有利的设计方案是可能的。在第一备选设计方案中硬磁材料是永磁体并且磁轴线(Magnetachse)与平衡元件轴线重合。在第二备选设计方案中被插入其中一个凹口中的平衡元件首先不在宏观上被磁化，而是磁化在将永磁体插入其中一个凹口中之后通过当地的磁化磁场来设置。
附图说明
现在尤其存在设计和改进根据本发明的均匀化装置的不同可能性。对此不仅参照从属于权利要求1的权利要求而且结合附图参照优选的实施例的说明。其中：
图1显示了根据本发明的均匀化装置的实施例，
图2显示了在图1中示出的均匀化装置的放大的截段以及
图3显示了根据本发明的均匀化装置的平衡元件。
附图标记清单
1 均匀化装置
2 支架
3 平衡元件
4 支架壁部
5 支架内腔
6 第一支架区域
7 第二支架区域
8 凹口
9 盲孔底部
10 盲孔壁部
11 外侧
12 内侧
13 抛出凹口
14 凹口轴线
15 盖
16 平衡元件轴线。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的用于使磁场均匀化的均匀化装置1的实施例的主要元件，均匀化装置1具有非磁性的支架2和由磁性材料构成的多个平衡元件3。支架2的非磁性材料是铝而磁性材料(平衡元件3完全由其构成)是钕-铁-硼。支架2具有支架壁部4，并且支架壁部4围绕支架内腔5。支架2是管形的且构造成一件式，并且支架壁部4的不仅内部的而且外部的横截面轮廓是带有共同的中心的圆。管形支架2的其它的横截面轮廓也是可能的，由此例如带有阶梯状的外部的横截面轮廓的管形支架2或者带有矩形的内部的和外部的横截面轮廓的管形支架。
当均匀化装置1布置在磁场中时，磁场通过支架壁部4的第一支架区域6侵入支架内腔5中、通过支架壁部4的第二支架区域7从支架内腔5挤出。根据本发明的均匀化装置1的该实施例由于支架2的形状尤其适合于布置在之前所提及的核磁式流量测量仪中的一个的磁场产生装置的磁场中，因为介质(其流量待确定)流过的测量管可被引导通过支架内腔5并且支架2可以以简单的方式被固定在核磁式流量测量仪处。
不仅在支架2的支架壁部4的第一支架区域6中而且在其第二支架区域7中分别设置有多个凹口，并且凹口8不仅在第一支架区域6处而且在第二支架区域7处分别布置在支架壁部4中的棋盘图案中。
图2以剖视图显示了带有多个凹口8的支架壁部4的放大的截段。如在图2中所示的凹口8那样，根据本发明的均匀化装置1的实施例的凹口8实施为盲孔，其中，凹口8中的每个具有盲孔底部9和盲孔壁部10。支架壁部4具有外侧11和与外侧11相对而置的且面向支架内腔5的内侧12，其中，凹口8处于外侧11中。在支架壁部4中还设置有抛出凹口13，其中，抛出凹口13中的每个处于支架壁部4的内侧12中且通到其中一个凹口8的盲孔底部9中。
凹口8的几何结构相同，该形状具有纵轴线，并且该横截面轮廓是圆。凹口8中的每个还具有凹口轴线14，其平行于理想的磁场向量取向且与纵轴线重合。抛出凹口13的几何结构也相同、具有纵轴线并且横截面轮廓是圆。然而，抛出凹口13的横截面面积小于凹口8的横截面面积，由此，盲孔底部具有圆环的形状并且圆环是用于被插入其中一个凹口8中的平衡元件3的支座。不仅凹口8而且抛出凹口13通过钻孔来制造。
图1显示出，属于根据本发明的均匀化装置1的实施例也还有盖15。盖15是管，其内径匹配于支架2的外径并且在支架2上可推动。在支架2上被推动的盖15遮盖处于外侧11中的凹口8。
图3显示了平衡元件3中的一个。平衡元件3是带有相同的几何结构的由磁性材料构成的具有纵轴线的实心柱体(Vollzylinder)并且横截面轮廓是圆。平衡元件3中的每个还具有平衡元件轴线16，其与纵轴线重合。
平衡元件3中的每个在凹口轴线14与平衡元件轴线15重合的情况下通过相应的平衡元件3沿着相应的凹口8的凹口轴线14的运动可直接插入凹口8中的每个中。被插入凹口8中的平衡元件3的唯一的留下的平移自由度是沿着凹口轴线14的。凹口8的内径和平衡元件3的外径彼此相匹配成使得在盲孔壁部10与平衡元件3之间存在静摩擦并且由静摩擦引起的附着力大于由其余平衡元件3施加到该平衡元件3上的力。被插入凹口8中的平衡元件3因此在均匀化的过程期间被固定。被插入其中一个凹口8中的平衡元件3中的每个通过将大于附着力的力通过抛出凹口13施加到平衡元件3上可取下。平衡元件3的长度和凹口8的深度彼此相协调成使得被插入其中一个凹口8中的平衡元件3中的每个一方面与凹口8的盲孔底部9相接触而另一方面至少部分地与支架壁部4的外侧11齐平地结束。当盖15在支架2上被推动时，盖15阻止平衡元件3沿着相应唯一的留下的平移自由度的运动(即使作用到平衡元件3上的力超过附着力)。

Claims (16)

1. 一种用于使磁场均匀化的均匀化装置(1)，其带有非磁性的支架(2)和至少部分地由磁性材料构成的平衡元件(3)，
其中，所述支架(2)具有支架壁部(4)且所述支架壁部(4)包围支架内腔(5)，
其中，在布置在所述磁场中的所述均匀化装置(1)中所述磁场通过所述支架壁部(4)的第一支架区域(6)侵入所述支架内腔(5)中而通过所述支架壁部(4)的第二支架区域(7)从所述支架内腔(5)挤出并且
其中，布置在所述支架(2)处的所述平衡元件(3)中的每个至少在所述支架内腔(5)中有助于所述磁场的均匀化，
其特征在于，
在所述支架壁部(4)中设置有凹口(8)且在所述凹口(8)中的每个中直接能够插入和能够取出所述平衡元件(3)中的至少一个。
2. 根据权利要求1所述的均匀化装置，其特征在于，在所述第一支架区域(6)中设置有所述凹口(8)中的至少一个并且/或者在所述第二支架区域(7)中设置有所述凹口(8)中的至少一个。
3. 根据权利要求1或2所述的均匀化装置，其特征在于，所述凹口(8)中的至少一部分在所述支架壁部(4)中形成有规律的图案。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，所述凹口(8)中的至少一个实施为带有盲孔底部(9)和盲孔壁部(10)的盲孔，并且实施为盲孔的所述凹口(8)中的至少一部分优选地具有相同的几何结构。
5. 根据权利要求4所述的均匀化装置，其中，所述支架壁部(4)具有外侧(11)，其特征在于，实施为盲孔的所述凹口(8)中的至少一个处于所述外侧(11)中。
6. 根据权利要求4或5所述的均匀化装置，其中，所述支架壁部(4)具有内侧(12)，其特征在于，在所述支架壁部(4)的内侧(12)处在实施为盲孔的所述凹口(8)中的至少一个处设置有通到所述凹口(8)的盲孔底部(10)中的抛出凹口(13)用于抛出被插入所述凹口(8)中的所述平衡元件(3)。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，所述凹口(8)中的至少一个具有凹口轴线(14)，所述平衡元件(3)中的至少一个仅通过沿着所述凹口轴线(14)运动能够插入所述凹口(8)中并且被插入所述凹口(8)中的所述平衡元件(3)的唯一的留下的平移自由度是沿着所述凹口轴线(14)的。
8. 根据权利要求7所述的均匀化装置，其特征在于，设置有至少一个盖(15)并且所述盖(15)阻止被插入所述凹口(8)中的一个中的所述平衡元件(3)中的至少一个的唯一的留下的平移自由度。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，在所述凹口(8)中的至少一个中构造有内螺纹而在所述平衡元件(3)中的至少一个中构造有外螺纹，并且所述平衡元件(3)能够拧入所述凹口(8)中。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，所述平衡元件(3)中的至少一个的磁性材料包含软磁材料并且/或者所述平衡元件(3)中的至少一个的磁性材料包含硬磁材料。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，所述平衡元件(3)中的至少一个的形状具有平衡元件轴线(16)，所述平衡元件(3)优选地具有纵轴线并且所述纵轴线与所述平衡元件轴线(16)重合。
12. 根据权利要求11所述的均匀化装置，其特征在于，具有平衡元件轴线(16)的所述平衡元件(3)中的至少一个沿着所述平衡元件轴线(16)具有由磁性材料构成的至少一个层和由非磁性材料构成的至少一个层。
13. 根据权利要求11或12所述的均匀化装置，其特征在于，具有平衡元件轴线(16)的且被插入所述凹口(8)中的一个中的所述平衡元件中的至少一个的平衡元件轴线(16)通过所述凹口(8)相对于理想的磁场向量以预设的角度取向，优选地所述平衡元件轴线(16)平行于理想的磁场向量取向。
14. 根据权利要求11至13中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，具有平衡元件轴线(16)的所述平衡元件(3)中的至少一个的磁性材料具有磁性的从优轴线并且所述从优轴线与所述平衡元件轴线(16)重合。
15. 根据权利要求10和权利要求11至14中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，包含硬磁材料的所述平衡元件(3)中的至少一个的硬磁材料是永磁体并且磁轴线与所述平衡元件轴线(16)重合。
16. 根据权利要求10和权利要求11至14中任一项所述的均匀化装置，其特征在于，包含硬磁材料的所述平衡元件(3)中的至少一个的硬磁材料的磁化在所述平衡元件(3)插入所述凹口(8)中的一个中之后通过当地的磁化磁场来设置。
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