-
Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein System zur Kompensation von elektromagnetischen
Störfeldern,
insbesondere auf ein System zur Magnetfeldkompensation mit zwei
Sensoren.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Zur
Kompensation elektromagnetischer Störfelder, insbesondere magnetischer
Störfelder werden
in den allermeisten Fällen
Feedbackcontrol Regelungssysteme eingesetzt. Hierbei messen ein oder
mehrere Sensoren für
alle drei kartesischen Raumachsen die Amplitude des Störfeldes.
Die Messsignale der Sensoren werden einem Regelungskreis zugeführt, der
aus den Messsignalen der Sensoren Steuer- oder Aktuatorsignale für Magnetfelder
erzeugende Vorrichtungen berechnet.
-
Das
zu kompensierende Magnetfeld kann das Erdmagnetfeld sein oder von
anderen in der Umgebung befindlichen Strom führenden Einrichtungen erzeugt
werden.
-
Magnetfeldkompensationsysteme
werden beispielsweise im Zusammenhang mit bildgebenden Systemen
angewendet, die elektromagnetische Felder verwenden, beispielsweise
bei Rasterelektronenmikroskopen (REM).
-
Bei
den genannten Vorrichtungen zur Erzeugung von Magnetfeldern kann
es sich im einfachsten Fall um einen stromdurchflossenen Leiter
handeln. Im Allgemeinen wird aber von Störfeldern ausgegangen, die Fernfeldcharakter
haben, d. h. solchen Feldern, deren Feldamplitude sich im Bereich
von 5 m nicht wesentlich ändert.
Diese Annahme triff beispielsweise bei Störungen von Schienenfahrzeugen zu.
Sofern die Störfelder
im interessierenden Bereich homogen sind, sollten die Kompensationsfelder ebenfalls
homogen sein.
-
Für die Erzeugung
homogener Kompensationsfelder werden bevorzugt sog. Helmholtzspulenpaare
eingesetzt. Hierbei handelt es sich um jeweils zwei Spulen, die
gleichsinnig geschaltet sind und deren Abstand gleich der halben
Kantenlänge
(= Spulendurchmesser) einer Spule ist (sog. Helmholtzbedingung).
-
Ferner
werden Paare von Helmholtzspulen eingesetzt, deren Abstand gleich
einer Kantenlänge ist.
Wird für
jede der drei Raumachsen jeweils ein Paar von Helmholtzspulen verwendet,
so bilden die Spulenpaare einen würfelförmigen Käfig um den Ort herum, an dem
ein oder mehrere Störfelder
kompensiert werden sollen. Bei einer derartigen Spulenanordnung
treten aufgrund der Verletzung der Helmholtzbedingung zwar Feldinhomogenitäten im Inneren
des Käfigs
auf, diese sind aber für
die meisten Anwendungsfälle
akzeptabel.
-
Es
sind auch Systeme erhältlich,
bei denen pro Raumachse lediglich eine Spule zur Erzeugung des Kompensationsfeldes
verwendet wird, wodurch der Kompensationsbereich, d. h. der Bereich,
in dem eine gute Kompensation erreicht wird, aber deutlich verkleinert
wird.
-
Zur
Messung des Magnetfeldes am interessierenden Ort wird im Allgemeinen
ein einziger Magnetfeldsensor eingesetzt.
-
Ausnahmsweise
gibt es einen zweiten Sensor, der jedoch zu Diagnosezwecken eingesetzt
wird. Mit einem einzelnen Magnetfeldsensor lässt sich jedoch nicht feststellen,
ob das zu kompensierende Magnetfeld homogen oder inhomogen am Ort
des zu schützenden
Objekts ist.
-
Ein
weiteres Problem bei der Kompensation elektromagnetischer Störfelder
besteht darin, dass nicht unmittelbar an dem Ort gemessen werden kann,
an dem das Störfeld
zu kompensieren ist, da sich an diesem Ort im Allgemeinen das vor
Störfeldern
zu schützende
Objekt befindet.
-
Ein
weiteres Problem tritt auf, wenn zwei Magnetfeldkompensationssysteme
unmittelbar benachbart sind. Dann kann es zu unerwünschten
Rückkopplungseffekten
zwischen den beiden Systemen kommen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Kompensation
elektromagnetischer Störfelder
bereit zustellen, bei dem homogene wie inhomogene Magnetfelder kompensiert werden
können.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Simulation der Messung
von elektromagnetischen Störfeldern
am Ort des zu schützenden
Objekts vorzunehmen.
-
Es
ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, im Falle des Einsatzes
von zwei Magnetfeldkompensationssystemen in unmittelbarer Nachbarschaft
eventuell auftretende Rückkopplungseffekte auszugleichen.
-
Die
wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen aufgeführt.
-
Im
einzelnen ist ein System zur Kompensation elektromagnetischer Störfelder
vorgesehen, welches zwei reale dreiachsige Magnetfeldsensoren, drei
Paare von Kompensationsspulen und eine Reglereinheit aufweist, um
ein Objekt vor den Einflüssen eines
Störfeldes
zu schützen.
-
Mittels
einer frei definierbaren Art von Mittelung können die insgesamt sechs Ausgangssignale der
beiden realen Sensoren zu drei Ausgangssignalen eines virtuellen
Sensors zusammengefasst werden. Durch eine geeignete Wahl des Mittelungsverfahren
kann erreicht werden, dass die Ausgangssignale des virtuellen Sensors
die Amplitude des Störfeldes
am Ort des zu schützenden
Objekts repräsentieren.
-
Die
Mittelung erfolgt durch das Regelungssystem, welches die sechs Ausgangssignale
der zwei realen Magnetfeldsensoren über sechs Eingänge erhält.
-
Die
Ausgangssignale der beiden Magnetfeldsensoren können für jeden Sensor durch einen dreidimensionalen
Vektor dargestellt werden. Diese beiden Vektoren können zu
einem sechsdimensionalen Vektor, d. h. einer 6×1 Matrix, zusammengefasst werden.
Die Mittelung über
die Ausgangssignale der beiden realen Sensoren, d. h. die Berechnung
der Ausgangssignale des virtuellen Sensors, können durch eine Matrixmultiplikation
beschrieben werden: V = M·S
- V:
- 6×1 Matrix der Ausgangssignale
des virtuellen Sensors
- M:
- 6×6 Matrix, die die Mittelung über die
Ausgangssignale der realen Sensoren beschreibt
- S:
- 6×1 Matrix der Ausgangssignale
des virtuellen Sensors
-
Die
nunmehr vorliegenden Ausgangssignale (= virtuelle Eingangssignale
des Regelsystems) des virtuellen Sensors werden als Input für unabhängige, parallel
arbeitende Regelschleifen verwendet. Diese Regelschleifen können breitbandig,
frequenzbereichsselektiv oder auch frequenzselektiv sein. Die Regelschleifen
weisen Regelalgorithmen auf, die aus den virtuellen Eingangssignalen
V veränderte
Signale V ^
machen. Hierbei ist V ^
eine 6×1 Matrix, die die insgesamt
sechs veränderten
Eingangssignale des Regelsystems darstellen. Der Regelalgorithmus
wird durch einen Operator Ω beschrieben.
Hinsichtlich des verwendeten Regelalgorithmus bestehen keinerlei
Einschränkungen.
Demgemäß muss der
Operator Ω keine
Matrix sein, so dass auch nichtlineare Algorithmen Verwendung finden
können.
Der Übergang zu
den modifizierten
-
Signalen V ^
wird
also beschrieben durch V ^
= Ω(V)
-
Um
für die
sechs Spulen Steuersignale zu gewinnen, wird die Matrix V ^
mit einer
6×6 Matrix
L multipliziert, d. h. O = L·V ^
-
Hierbei
bedeutet:
- L:
- 6×6 Matrix für die Berechnung der Steuersignale
O aus den modifizierten Signalen V ^
.
-
Der
vom Reglersystem angewandte Algorithmus lässt sich also insgesamt wie
folgt beschreiben: O = L·Ω(M·S)
-
Je
inhomogener das Kompensationsfeld bei homogener Störung und
je homogener das Kompensationsfeld bei inhomogener Störung ist,
desto kleiner ist der Bereich um den Feedbacksensor, der einen guten
Kompensationseffekt aufweist.
-
Wenn
das Störfeld
inhomogen ist, ist es nicht zweckmäßig ein homogenes Kompensationsfeld
zu erzeugen. In diesem Fall ist es also zweckmäßig, statt eines Paares von
Helmholtzspulen eine einzelne Aktuatorspule zu verwenden.
-
In
diesem Fall wird nur ein einzelnes Kompensationsystem verwendet,
d. h. für
die Bearbeitung virtueller Sensorpositionen und für die Erzeugung von
Gradientenfeldern werden lediglich drei virtuelle Signale verwendet,
so dass M eine 3×6
Matrix und L eine 6×3
Matrix sein kann. Alternativ können
die „nicht
benötigten” Elemente
der 6×6
Matrizen auch gleich Null sein.
-
Im
Falle einer Helmholtzspulenanordnung wird nur eine Spule des Paares
aktiv angesteuert, und zwar in Abhängigkeit vom Gradienten des
Störfeldes
unterhalb des Kompensationsbereiches, oder oberhalb des Kompensationsbereiches.
Somit ist im Falle einer Änderung
der Struktur des Störfeldes
neben einer neuen Parametrisierung der Regelkreise eine Umbaumaßnahme zur
Positionsänderung
der einzelnen Spule nicht notwendig.
-
Werden
zwei Kompensationssysteme direkt nebeneinander betrieben, so führt dies
zu gegenseitigen Störungen.
Die Rückkopplung
zwischen den beiden Systemen kann durch eine 6×6 Rückkopplungs- oder Crosscoupling-Matrix
C beschrieben werden. C repräsentiert
die Rückkopplung
eines Steuersignals Oi mit einem virtuellen
Signal Vi.
-
Zur
Vermeidung von Störungen
wird das Feedbacksystem keine optimalen Ergebnisse liefern können. In
der Regel ist eine über-
oder Unterkompensation nur für
digitale Regelungssysteme möglich und
auch dort nur für
nichtbreitbandig arbeitende Systeme. Für alle anderen Systeme müsste die
Position des Sensors angepasst werden. Eine solche Positionsänderung
kann es erforderlich machen, dass die Sensoren für die drei Raumachsen an unterschiedlichen
Positionen im Raum positioniert werden müssen. Da aber ein einziges
Kompensationssystem für
alle Arten von Anwendungen angestrebt wird, stellt Über- bzw.
Unterkompensation kein geeignetes Verfahren dar.
-
Hierbei
wird die Matrix S der Ausgangssignale der realen Sensoren um einen
Rückkopplungsanteil
zu einer 6×1
Matrix Ŝ erweitert.
Insgesamt gilt also: O = L·Q(M·(S – C·O))
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es
zeigen:
-
1:
Eine schematische Darstellung des Systems zur Kompensation eines
inhomogenen Störfeldes,
-
2:
eine schematische Darstellung des Systems zur Kompensation elektromagnetischer Störfelder
mit seinem Regelungssystem,
-
3:
ein Blockdiagramm der Berechnung der Steuersignale des Systems zur
Kompensation elektromagnetischer Störfelder.
-
4:
eine schematische Darstellung des Einsatzes eines Magnetfeldkompensationssystems und
-
5:
eine schematische Darstellung des Einsatzes zweier Magnetfeldkompensationssysteme unmittelbar
nebeneinander.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
anhand beispielhafter Ausführungsformen
näher beschrieben, wobei
gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Bauteile beziehen.
-
1 zeigt
schematisch das System zur Kompensation elektromagnetischer Störfelder.
Ein vor den Auswirkungen eines Störfeldes 1 zu schützendes
Objekt 2 wird vom Störfeld 1 durchdrungen. Das
Störfeld 1 ist
hier als Gradientenfeld angenommen.
-
Die
Amplitude des Störfeldes 1 wird
von zwei realen Magnetfeldsensoren 3 und 4 gemessen.
Der erste reale Sensor 3 liefert ein Ausgangssignal S →
1 = [x1(t), y1(t), z1(t)] und
der zweite reale Sensor 4 liefert ein Ausgangssignal S →
2 = [x2(t), y2(t), z2(t)]. Diese
beiden Ausgangssignale werden der in 2 gezeigten Reglereinheit 7 in
digitalisierter Form zugeführt.
-
Für die insgesamt
6 Signale, entsprechend 2×3
Raumachsen, weist die Reglereinheit 7 sechs Eingänge auf.
Ferner hat die Reglereinheit 7 sechs Ausgänge zur
Abgabe von Steuersignalen für
sechs Spulen 6.
-
Die
beiden Vektoren S →
1 und S →
2 werden
zu einem Sechser-Vektor
bzw. einer 6×1
Matrix S = (S1, S2,
S3, S4, S5, S6) zusammengefasst.
S wird von der Reglereinheit 7 gemäß dem in 3 schematisch gezeigten
Algorithmus bearbeitet. In einem ersten Schritt werden die insgesamt
sechs der Reglereinheit 7 zugeführten Signale in Signale V
= (V1, V2, V3, V4, V5,
V6) eines virtuellen Sensors 5 (1)
umgerechnet. Dies geschieht, indem S mit einer 6×6 Matrix M multipliziert wird.
Es gilt also V = M·S
-
Die
virtuellen Signale V entsprechen der Amplitude des Störfeldes
am Ort des zu schützenden Objekts 2.
M beschreibt also die Geometrie der gesamten Anordnung und wie die
Signale der beiden realen Sensoren 3 und 4 zum
virtuellen Signal V zusammengesetzt werden.
-
Die
derart erzeugten virtuellen Signale V werden unabhängigen,
parallel arbeitenden Regelschleifen zugeführt und weiter bearbeitet.
Diese Regelschleifen als Teil der Reglereinheit 7 können breitbandig,
frequenzbereichsselektiv oder frequenzselektiv sein. Die Regelschleifen
verändern
die virtuellen Signale V zu modifizierten Signalen V ^
. Der Übergang
von V zu V ^
wird durch einen Operator Ω beschrieben. Somit gilt: V ^
= Ω(V)
-
Da
hinsichtlich der verwendeten Regelalgorithmen keinerlei Einschränkungen
bestehen, wird die Modifikation der Signale V allgemein durch den Operator Ω dargestellt,
der nicht notwendigerweise eine Matrix ist, so dass auch nichtlineare
Algorithmen Anwendung finden können.
-
Zwecks
Gewinnung von Steuersignalen für die
Spulen 6 werden die modifizierten Signale V ^
in reale Steuersignale
O umgerechnet. O ist wieder eine 6×1 Matrix, enthält also
6 einzelne Signale, die zur Steuerung der sechs Spulen 6 verwendet
werden. Der Übergang
von den modifizierten Signalen V ^
zu den Steuersignalen O wird demnach
beschrieben durch O = L·V ^
bzw. insgesamt: O = L·Ω(M·S)
-
Hierbei
ist L eine 6×6
Matrix. Die konkreten Elemente ihrer Werte hängen ab von der Art des zu kompensierenden
Störfelds
und der Geometrie der das Kompensationsfeld erzeugenden Spulen 6.
Soll beispielsweise ein in x-Richtung wirkendes Gradientenfeld kompensiert
werden, erhalten die beiden in x-Richtung wirkenden Spulen unterschiedlich
starke Steuersignale, so dass die beiden Spulen unterschiedlich
starke Magnetfelder erzeugen, so dass das Kompensationsfeld ebenfalls
ein Gradientenfeld ist, dessen Richtung der Feldstärkeänderung
umgekehrt zu der des Störfeldes
ist.
-
Der
bislang beschriebene Algorithmus wird verwendet, so lange nur ein
einziges Kompensationssystem verwendet wird. Für diesen Fall werden nur drei
virtuelle Signale benötigt.
Hierbei werden virtuelle Sensorpositionen berechnet und Gradientenfelder
erzeugt. Für
diese Zwecke ist es ausreichend, wenn M eine 3×6 Matrix und L eine 6×3 Matrix
ist. Alternativ können
die „nicht
benötigten” Elemente
der 6×6
Matrizen auch gleich Null sein.
-
Mit
der Regeleinheit 7 können
auch zwei direkt nebeneinander positionierte Kompensationsysteme
betrieben werden. Dies kann sinnvoll sein, wenn zwei zu schützende Objekte
direkt nebeneinander stehen und nicht mit einem großen Kompensationssystem
geschützt
werden sollen oder können. Dies
hat zur Folge, dass die zu schützenden
Bereiche aufgrund der zwei eingesetzten Kompensationssysteme ein
deutlich kleineres Volumen haben. Daher werden auch keine Gradientenfelder
zur Kompensation benötigt.
Bei einer solchen Installation ist die Erzeugung von Gradientenfelder
zur Kompensation allerdings auch nicht möglich, da die sechs Ausgangssignale
der Reglereinheit 7 auf sechs Spulenpaare gegeben werden,
die in der jeweiligen Raumrichtung dann jeweils nur ein homogenes
Magnetfeld erzeugen können.
Die Spulenpaare können
in Reihe, parallel oder je nach Impedanz angeschlossen werden. Diese
Spulenpaare werden dann jeweils um das zu schützende Objekt 2 plaziert
und die jeweils dazugehörigen
Systeme werden jeweils innerhalb des von den je drei Spulenpaaren
gebildeten Käfigs
angeordnet. Diese Konfiguration wird in 4 gezeigt.
Drei Paare von Helmholtzspulen H1, H2, H3 sind um an das zu schützende Objekt 2 angeordnet.
Die beiden realen Sensoren 3, 4 befinden sich
innerhalb des einen Käfigs
H.
-
Es
können
auch zwei Kompensationssysteme direkt nebeneinander angeordnet werden.
Dieser Fall ist in 5 gezeigt. Hierbei bilden jeweils
drei Paare von Helmholtzspulen H1a, H2a, H3a bzw. H1b, H2b, Hab
je einen Käfig
Ha bzw. Hb. In jedem der beiden Käfige Ha, Hb befindet sich einer
der beiden realen Sensoren 3, 4.
-
Sofern
zwei Kompensationssysteme in unmittelbarer Nachbarschaft eingesetzt
werden, können
zwischen den beiden Systemen Rückkopplungseffekte
auftreten. Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, dass eine
6×6 Rückkopplungsmatrix
C vorgesehen ist, welche die Anteile derjenigen Signale herausrechnet,
die aus einem Ausgangssignal Oi auf ein
virtuelles Signal Vi übersprechen. C beschreibt die
also die Art der Rückkopplung zwischen
den beiden direkt nebeneinander installierten Kompensationssystemen.
-
Erfindungsgemäß wird die
6×1 Matrix
der realen Sensorsignale S um den Rückkopplungsanteil erweitert.
Wird die 6×1
Matrix dieser erweiterten Signale mit Ŝ bezeichnet, so gilt Ŝ =
S – C·O
-
Aus
den so gewonnen, um den Rückkopplungsanteil
erweiterten Signalen Ŝ wird
in der bereits beschriebenen Weise die 6×1 Matrix mit den virtuellen
Sensorsignalen berechnet. Es gilt also: V = M·Ŝ was
schließlich
zu Steuersignalen O gemäß folgender
Beziehung führt: O = L·Ω(M·(S – C·O))
-
Im
Folgenden sei als eine Standardinstallation des Systems angenommen,
d. h. es ist nur ein System installiert. Somit treten keine Rückkopplungseffekte
auf, was bedeutet, dass die Matrix C gleich der Nullmatrix ist.
Ferner sei angenommen, dass sich das virtuelle Sensorsignal in x-Richtung zusammensetzen
soll aus dem arithmetischen Mittel der beiden realen Sensorsignale
in x-Richtung, da der Gradient des Störfeldes in x-Richtung verläuft. Das
virtuelle Sensorsignal in y-Richtung soll gleich dem Signal y-Richtung
des zweiten realen Sensors sein, da z. B. das Signal in y-Richtung
des ersten realen Sensors von einem lokalen Störer verursachte unerwünschte Komponenten
enthält.
Das virtuelle Sensorsignal in z-Richtung soll aus Mittelungs-/Rauschunterdrückungsgründen gleich
dem arithmetischen Mittel der beiden realen Sensorsignale in z-Richtung sein. Unter
diesen Annahmen hat die Matrix M die folgende Gestalt:
-
Sind
die Kompensationsspulen als Paare ausgeführt und soll in y- und in z-Richtung
ein homogenes Kompensationsfeld abgestrahlt werden, das in x-Richtung
einen Gradienten hat, so hat die Matrix L die folgende Gestalt:
-
Im
folgenden Beispiel wird eine Doppelinstallation betrachtet. D. h.
zwei Systeme zur Kompensation elektromagnetischer Störfelder
werden direkt nebeneinander betrieben.
-
Da
in diesem Fall die Ausgangssignale für beide Kompensationskäfige innerhalb
der Reglereinheit 7 bekannt sind, können nunmehr auch Rückkopplungsanteile
berücksichtigt
und in der Reglerstruktur berücksichtigt
werden. Dies geschieht, wie bereits beschrieben, durch Verwendung
einer Rückkopplungs-
oder Crosscoupling-Matrix C. Diese Matrix C bzw. deren Elemente
lassen experimentell recht einfach bestimmen, indem ein Signal auf
einen Ausgang des ersten Kompensationssystems gegeben und beim zweiten
System gemessen wird, welche Komponenten von den Sensoren des zweiten Systems
aufgenommen werden und in welchem Bruchteil der Amplitude verglichen
mit dem Sensor des ersten Systems. Diese Signalanteile bilden dann die
Elemente der Rückkopplungsmatrix
C. Hierbei muss dieses Messverfahren für alle Spulen durchgeführt werden.
-
Strahlt
beispielsweise der Ausgang O5 noch mit 40%
auf den Sensoreingang S2, so muss das Matrixelement
O25 = 0,4 sein.