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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem ersten System und
einem gegenüber
dem ersten System zur Bewegung vorgesehenen zweiten System, einem
ersten, dem ersten System zugeordneten elektrischen Referenzpotentialgeber,
der Erdpotential aufweist, und einem zweiten, dem zweiten System
zugeordneten elektrischen Referenzpotentialgeber, der einer Erdung
entsprechendes Potential aufweist, und einem Koppelmittel zur Potentialkopplung
der beiden Referenzpotentialgeber derart, dass einer Potentialverschiebung
zwischen den beiden elektrischen Referenzpotentialgebern entgegengewirkt
wird.
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Bei
größeren Geräten mit
einem ruhenden und einem bewegten System, wie beispielsweise einem
medizinischen Großgerät, wie einem
Computertomograph, oder bei einem Großgenerator, kann eine Energieübertragung
und eine Datenübertragung
vom ruhenden in das bewegte System und zurück notwendig sein. Solche Geräte sind
beispielsweise aus der
US
2005/0226380 A1 oder der
DE 197 52 114 A1 bekannt. Um eine solche
Datenübertragung,
beispielsweise über
eine galvanische oder kapazitive Kopplung, zu ermöglichen,
ist es notwendig, dass beide Systeme jeweils eine Bezugsmasse mit
möglichst
gleichem Potential aufweisen. Auch bei einer differentiellen Datenübertragung
ist eine solche Potentialgleichheit vorteilhaft, da auf Grund des
maximal zulässigen
Gleichtaktpegels und einer von der Frequenz abhängigen Gleichtaktunterdrückung Potentialdifferenzen,
die eine Datenübertragung
noch erlauben, Grenzen gesetzt sind. Potentialdifferenzen in den
Systemen können
durch einen Stromfluss in der Impedanz der Verbindung der beiden
Bezugssysteme hervorgerufen werden. Dieser Stromfluss kann z. B.
durch eine Leistungsversorgung, die das bewegliche System mit Energie
versorgt, über
parasitäre
Kapazitäten
hervorgerufen werden.
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Zur
Kopplung der beiden Bezugsmassen ist es beispielsweise aus der
EP 1 086 653 A1 bekannt, Schleifringe
einzusetzen, oder elektrisch leitende Lager oder Pfetten zu verwenden.
Bei nur begrenzten Bewegungswegen des bewegten Systems werden z. B.
bewegliche Leiter eingesetzt. Schleifringverbindungen sind jedoch
einem Verschleiß an
den kohlen und der Laufbahn unterworfen und führen zu Verschmut zungen der
Umgebung. Kugellager können zu
eine ungenügenden
Kopplung führen.
Bewegliche Leiter sind bei Dauerbelastung anfällig gegen Brechen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit
einem stationären
System und einem diesem gegenüber
beweglichen System anzugeben, das eine dauerhafte und zuverlässige Potentialkopplung
von Referenzpotentialgebern ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei
der erfindungsgemäß der Potentialverschiebung
mittels einer Regeleinrichtung entgegengewirkt wird und das Koppelmittel
ein Feldkoppelglied zur mechanisch kontaktfreien Potentialkopplung
aufweist. Es ist eine verschleißfreie
und wartungsfreie Kopplung der Referenzpotentiale realisierbar,
die insbesondere in Verbindung mit einer berührungslosen Energieversorgung
des bewegten Systems und einer Datenübertragung vorteilhaft ist.
Der Referenzpotentialgeber des ruhenden Systems bzw. des Ständers ist
zweckmäßigerweise
geerdet oder ist selbst eine elektrische Erdung. Der Referenzpotentialgeber
des beweglichen Systems bzw. des Läufers weist einer Erdung entsprechendes
Potential auf, jedoch ohne direkten Kontakt zur elektrischen Erde,
wobei dessen Potential nicht gleich dem Erdpotential sein muss.
Das Koppelmittel ist vorteilhafterweise mit dem Referenzpotentialgeber
des Läufers
elektrisch leitend verbunden.
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Unter
einem Feldkoppelglied kann ein Mittel verstanden werden, das eine
Kopplung einer elektrischen oder magnetischen Größe, insbesondere eines Potentials, über ein
Feld ermöglicht,
beispielsweise über
ein elektrisches oder magnetisches Feld. Durch die Potentialkopplung
werden die beiden Referenzpotentiale in einer beliebigen Weise miteinander
gekoppelt, beispielsweise kann ein Potential Einfluss auf das andere
Potential haben, insbesondere werden die Potentiale in eine Abhängigkeit
voneinander gebracht. Die Erfindung eignet sich besonders zur Verwendung
mit einem Computertomographen, bei dem üblicherweise hohe Datenmengen
vom Läufer
zum Ständer
und umgekehrt übertragen
werden. Die Erfindung ist jedoch auch gut geeignet für alle Rotationsmaschinen
und für
Geräte,
bei denen der Läufer
rotierend oder translatorisch relativ zum Ständer bewegt wird.
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Das
zur Kopplung verwendete Feld kann ein Magnetfeld sein unter Verwendung
eines induktiven Kopplungsglieds. Der Aufbau eines insbesondere hochfrequenten
Magnetfelds als Kopplungsfeld erfordert jedoch eine gewisse Energie
und ist daher mit einer relativ hohen Impedanz verbunden. Eine mit
einer niedrigen Impedanz verbundene Kopplung kann durch die Verwendung
eines elektrischen Felds erreicht werden. Hierfür ist das Feldkoppelglied vorteilhafterweise
ein kapazitives Element, insbesondere ein Kondensator. Durch eine
niedrige Impedanz kann die Potentialkopplung besonders schnell gesteuert werden
und eignet sich somit besonders für hohe Frequenzen, insbesondere
von Frequenzen im Bereich der Datenübertragungsfrequenzen. Durch
das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Kondensator und den
Aufbau eines elektrischen Koppelfelds im Kondensator wird das Referenzpotential
des bewegten Systems beeinflusst.
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In
einer besonders einfachen und effektiven Anordnung ist das Koppelmittel
zumindest teilweise an einer Außenwandung
des Läufers
angeordnet, insbesondere außen
an der Außenwandung.
Es kann besonders einfach ein großflächiges kapazitives Element
erreicht werden, insbesondere, wenn das Element zwei am Läufer und
am Stator gegenüberliegende
Metallflächen
aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
die Vorrichtung ein Messmittel zur Messung einer einen Potentialunterschied
zwischen den Referenzpotentialgebern kennzeichnenden Messgröße. Ein
unerwünschter
Potentialunterschied zwischen den Referenzpotentialgebern kann erkannt
und es kann diesem entgegengewirkt werden. Die Messgröße kann
den Potentialunterschied zwischen den Referenzpotentialgebern direkt,
beispielsweise direkt proportional, oder indirekt kennzeichnen,
beispielsweise mittels weiterer Größen.
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Eine
zuverlässige
und störunanfällige Erfassung
der Potentialdifferenz kann erreicht werden, wenn das Messmittel
zur Erfassung einer Potentialdifferenz zum ersten Referenzpotentialgeber
als Messgröße vorgesehen
ist. Der erste Referenzpotentialgeber ist hierbei zweckmäßigerweise
direkt geerdet bzw. an eine feste Masse angeschlossen. Die Potentialdifferenz
kann direkt durch Messung einer Spannung zum Referenzpotentialgeber
gemessen werden. Wird die Potentialdifferenz durch Messung eines
von bzw. zum Messglied, beispielsweise einem kapazitiven Element,
fließenden
Stroms gemessen, so können
besonders schnelle Änderungen
der Potentialdifferenz zwischen den Referenzpotentialgebern gut
erfasst werden.
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Besonders
einfach und zuverlässig
kann die Potentialkopplung erreicht werden, wenn das Messmittel
ein mit dem Feldkoppelglied prinzipgleich ausgeführtes Messglied aufweist, wenn
also beispielsweise das Feldkoppelglied und das Messglied als Kondensatoren
bzw. Kapazitäten
ausgebildet sind.
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In
einer besonders einfachen Ausführungsform
ist das Koppelmittel direkt mit dem Referenzpotentialgeber des ruhenden
Systems elektrisch leitend verbunden. Demgegenüber kann die Messung vereinfacht
werden, wenn das Messmittel einen Teilungskondensator zur Entkopplung
zum ersten Referenzpotentialgeber aufweist. Der Teilungskondensator
kann als Fußpunktkondensator
ausgeführt
sein und als kapazitiver Messteiler dienen. Alternativ kann das
Messmittel durch einen hochohmigen Messverstärker vom Referenzpotentialgeber
entkoppelt sein.
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Bei
einer Ausbildung des Koppelmittels, beispielsweise des Koppelkondensators,
zwischen dem Läufer
und dem Ständer
ist – bedingt
durch dessen begrenzte Elektrodenflächen und dem wegen mechanischer
Toleranzen großen
Abstand der Elektroden zueinander – dessen Kapazität relativ
gering. Dies führt
zu einer großen
Impedanz, die sich wegen des damit verbundenen großen Stroms
störend
auf die Potentialkopplung auswirken würde. Die Impedanz kann gering
gehalten werden, wenn die Vorrichtung ein Verstärkermittel zur Verstärkung einer
dem Feldkoppelglied zugeführten
Koppelgröße – eine Spannung
oder ein Strom, mit der bzw. dem das Feldkoppelglied beaufschlagt
wird – aufweist.
Hierdurch kann beispielsweise eine effektive Kapazität des Feldkoppelglieds
vergrößert werden.
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Mit
Hilfe der Regeleinrichtung zur Stellung einer Koppelgröße des Koppelmittels
kann der Potentialabgleich zwischen den Referenzpotentialgebern besonders
einfach und selbstführend
erfolgen. Die Koppelgröße kann
die Stellgröße der Regelung
sein. Es ist auch möglich,
dass die Koppelgröße indirekt von
der Regeleinrichtung über
eine weitere Stellgröße gestellt
wird, beispielsweise wenn der Regeleinrichtung ein Verstärkermittel
nachgeschaltet ist. Die Regelgröße kann
die Potentialdifferenz zwischen den Referenzpotentialgebern sein,
bzw. die Messgröße, die
direkt oder indirekt mit der Potentialdifferenz in Verbindung steht.
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Vorteilhafterweise
ist die Regeleinrichtung ausgelegt, Änderungen der Kapazitäten des
Koppelmittels und/oder des Messmittels auszuregeln. Hierdurch haben Änderungen
der Kapazitäten
keinen Einfluss auf das Ziel, die Potentialdifferenz zwischen dem
stationären
und dem bewegten System möglichst
klein zu halten.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, das
in einer Zeichnung dargestellt ist. Deren einzige Figur zeigt einen Computertomographen 2 in
einer stark vereinfachten, schaltplanähnlichen Darstellung.
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Der
Computertomograph 2 umfasst ein stationäres System 4 und ein
bewegtes System 6, das sich im Betrieb beispielsweise mit
drei Umdrehungen pro Sekunde relativ zum ruhenden System 4 bewegt. Das
stationäre
System 4 eist ein nicht dargestelltes Lager auf zur drehbaren
Lagerung des beweglichen Systems 6 relativ zum stationären System 4.
Weiterhin ist an dem stationären
System 4 wenigstens ein Wechselrichter 8 (Inverter) zur
Erzeugung eines Wechselstroms vorhanden. Mittels einer Leiteranordnung 10 wird
der Wechselstrom zu einer berührungslosen
Leistungsübertragung 12 geleitet,
die eine Primärseite 14 mit
zumindest einer Spule 16 im stationären System 4 und eine
Sekundärseite 18 mit
zumindest einer Spule 20 im beweglichen System 6 umfasst.
Durch eine induktive Kopplung wird elektrische Energie mittels eines
Wechselmagnetfelds von der Primärseite 14 zur
Sekundärseite 18 übertragen und
kann zur Speisung von Verbrauchern 22, wie einer Röntgenröhre oder
einer Detektoranordnung, verwendet werden. Zur Übertragung von Information zwischen
dem stationären
System 4 und dem beweglichen System 6 ist eine
Datenübertragung 24 mit
einer ersten Einheit 26 im stationären System 4 und einer
zweiten Einheit 28 im beweglichen System vorgesehen, die
mit einem berührungslos
arbeitenden Übertragungsmittel 30 verbunden
sind.
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Zur
Wahrung eines einheitlichen Arbeitspotentials der Geräte des stationären Systems 4 sind diese
mit einem ersten Referenzpotentialgeber 32 verbunden, der
mittels einer geeigneten Einheit 34 auf Masse gelegt ist.
Auf diese Weise sind diese Geräte
mit der Masse als Referenzpotential verbunden. Das bewegliche System 6 umfasst
ebenfalls einen Referenzpotentialgeber 36, der jedoch wegen
der Bewegungsfreiheit des beweglichen Systems 6 nicht direkt
elektrisch mit dem Referenzpotentialgeber 32 des stationären Systems 4 verbunden
ist, sondern ein eigenes Referenzpotential definiert, das von der Masse
abweichen kann.
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Der
Computertomograph 2 weist während des Betriebs neben realen
auch parasitäre
Kapazitäten 38–54 auf,
an denen sich durch die fließenden Ströme Potentiale
aufbauen. Diese Kapazitäten 38–54 beeinflussen
das Referenzpotential des Systems 4, 6, dem sie
angehören,
und können
eine Potentialwanderung des Referenzpotentials des beweglichen Systems 6 verursachen,
derart, dass eine Übertragung
von Information durch die Datenübertragung 24 gestört oder
unmöglich
gemacht wird. Um dieses Problem gering zu halten, weist das stationäre System 4 an
einer Außenfläche eine
große,
etwa 20 cm × 50
cm Me tallfläche 56 auf,
die einer mindestens ebenso großen
Metallfläche 58 auf
der Außenfläche des
stationären
Systems 6 gegenüber
liegt. Beide Metallflächen 56, 58 sind
etwa 0,1 mm voneinander beabstandet und bilden ein als Feldkoppelglied
in Form einer Kapazität
ausgebildetes Koppelmittel 60, das zur Kopplung des Referenzpotentials
des beweglichen Systems 6 an das Referenzpotential des stationären Systems 4 über ein
elektrisches Feld vorgesehen ist. Ebenfalls auf den Außenflächen ist
ein weiteres kapazitives Element gebildet, das zwei Metallflächen 64, 66 umfasst
und ein Messglied 62 eines Messmittels 68 bildet.
Das Messmittel 68 umfasst außerdem eine Messwerterfassung 70 und
einen Teilungskondensator 72 als Entkoppelmittel. Mit dem Messmittel 68 verbunden
ist eine Regeleinrichtung 74, an die ein Verstärkermittel 76 in
Form eines Leistungsverstärkers
anschließt,
der wiederum mit der Metallfläche 58 des
Koppelmittels 60 elektrisch verbunden ist.
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Während des
Betriebs des Computertomographen 2 kann das Referenzpotential
des Referenzpotentialgebers 36 vom geerdeten Referenzpotential des
stationären
Systems 4 abweichen, also eine Spannung relativ zu diesem
aufweisen. Hierdurch verschieben sich Ladungen im Messglied 62,
wodurch ein Messpunkt 78 – bedingt durch das Entkoppelmittel – eine Spannung
zum geerdeten Referenzpotential aufweist. Diese Spannung kann vom
Messmittel 68 als ein Messwert 80 erfasst werden,
der in einem bekannten Verhältnis
zur Potentialdifferenz zwischen den Referenzpotentialen steht. Der
Messwert wird von der Regeleinrichtung 74 als Regelgröße verwendet,
die eine entsprechende Stellgröße 82 ausgibt,
diese im Verstärkermittel 76 verstärkt und
als Koppelgröße 84 auf
das Koppelmittel 60 gegeben wird. In Folge dessen wird
ein elektrisches Feld zwischen den Metallflächen 56, 58 erzeugt,
das wiederum eine Ladungsverschiebung im Feldkoppelglied bewirkt,
die einen bekannten Einfluss auf das Referenzpotential des beweglichen
Systems 6 hat. Auf diese Weise wird – mit Hilfe einer geeigneten
Regelung und Verstärkung – so auf
das Referenzpotential des Referenzpotentialgebers 36 eingewirkt,
dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Referenzpotentialen
der bei den Systeme 4, 6 möglichst gering ist. Durch die
geringe Potentialdifferenz kann eine gute Übertragung von Information
durch die Datenübertragung 24 gewährleistet
werden.
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Der
Messwert 80 kann als Potentialdifferenz, also als Spannung
zum geerdeten Referenzpotential des stationären Systems 4 gemessen
werden, wodurch auch zumindest im Wesentlichen statische Potentialdifferenzen
zwischen den Referenzpotentialgebern 32, 36 erfasst
werden können.
Für die
Informationsübertragung
besonders störend
sind jedoch dynamische Potentialdifferenzen, deren Schwankungsfrequenzen
im Frequenzbereich der Informationsübertragung liegen. Hochfrequente
Potentialdifferenzen führen
jedoch unter Umständen
zu nur geringen Ladungsverschiebungen, so dass nur geringe Spannungen
im Messpunkt 78 gemessen werden können. In diesem Fall kann eine
Erfassung des den Messpunkt 78 durchfließenden Stroms
als weiterer Messwert günstig
sein, der in einem bekannten Verhältnis zu einer Potentialverschiebung
des Referenzpotentialgebers 36 stehen kann. Dieser Messwert kann
zur weiteren Stellung der Stellgröße 82 verwendet werden,
so dass das Referenzpotential bereits bei einer Potentialverschiebung – ohne dass
bereits eine signifikante Potentialdifferenz zwischen den Systemen 4, 6 nötig wäre – korrigiert
und so der Potentialverschiebung entgegengewirkt werden kann.