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Vorrichtung zur Messung der Magnetfeld stärke von Magnetfeldern,
insbesondere in Massenspektrometern Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Messung der Magnetfeldstärke H von Magnetfeldern mittels einer Hallsonde, die
von einem Steuerstrom (Hallstrom iH) durchflossen wird und deren Ausgangsspannung
(Hallspannung UH) als Maß für die Magnetfeldstärke dient insbesondere zur Messung
der Magnetfeldstärke in Sektorfeld-Massenspektrometern.
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Die Hallsonde ist eines der bequemsten und empfindlichsten Me#mittel
für die Magnetfeldstärke, sie hat aber den Nachteil, daß der Meßwert temperaturabhängig
ist. Der Wert der Feldstärke H wird bestimmt durch die Gleichung H = uH/k # iH Darin
ist uH die als Maß für die Feldstärke zu messende Hallspannung, k die sogenannte
Hallkonstante und iH der Hallstrom.
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Die Hallkonstante k ist temperaturabhängig. Außerdem ist auch der
den Hall strom iH bestimmende inaere Widerstand der Hallsonde von der Temperatur
abhängig Es ergibt sich dadurch
eine Temperaturabhängigkeit des
Meßwertes uH für die Feldstärke in Form einer komplizierten, nicht linearen Form.
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Um die Meßfehler durch Temperaturschwankungen auszuschliessen, ist
es bekannt, die Meßschaltung mit einer Eonstantstromregelung für den Hallstrom iH
zu versehen und außerdem eine Thermostatierung anzuwenden. Dadurch läßt sich eine
weitgehende Ausschaltung der Meßungenauigkeiten durch Temperaturschwankungen erzielen,
jedoch ist die hiermit erreichbare Ausschaltung von Meßfehlern bei sehr hohen Anforderungen
an die Me#genauigkeit unbefriedigend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Me#genauigkeit der Feldstärke
mittels Hallsonde über das bisher erreichte Ma# zu steigern.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Ueberlegung
aus, daß eine Thermostatierung im allgemeinen nur bis zu gewissen Restschwankungen
der Temperatur durchführbar ist und verhältnismäßig träge verläuft, daß aber andererseits
die bei Thermostatierung verbleibenden Schwankungen des Meßwertes in Abhängigkeit
von der Temperatur in einem kleinen Bereich der komplizierten Temperaturfunktion
verlaufen, der sich durch eine lineare Funktion annähern läßt und daher grundsätzlich
einer Kompensation durch einen elektrischen Regelvorgang zugänglich wäre.
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Nun ist von den beiden Faktoren des Meßwertes, nämlich der Hallkonstante
k und dem Hallstrom iH, die Hallkonstante k einem Regelvorgang nicht zugänglich
; Es verbleibt daher nur noch die Möglichkeit, bei Benutzung der Hall spannung u11
als Ma# für die Feldstärke- den Hallstrom iH in Abhängigkeit von Restschwankungen
der Temperatur so ZU regeln, daß das Produkt k@ iH aus der Hallkonstante und dem
Hallstrom bei Temperaturschwankungen unverändert bleibt.
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Ausgehend ton diesen Vberlegungen ist erfindungsgeaäß zur Lösung der
vorliegenden Aufgabe, nämlich zur Unterdrückung von Änderungen der Hallepannung
uH durch Temperaturschwankungen a) in an sich bekannter Weise eine Einrichtung zur
Thermostatierung der Hallsonde und b) eine Einrichtung zur Steuerung des Hallstromes
iH vorgesehen, deren Steuerleitung mit einem Meßfühler für die Hallsonden-Temperatur
gekuppelt und deren Steuercharakteristik so einstellbar ist, daß die Hallspannung
uH bei Änderung der Hallsonden-Temperåtur und konstantem Magnetfeld konstant bleibt.
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Durch die Kombination dieser beiden Maßnahmen läßt sich eine wesentliche
Verbesserung der Me#genauigkeit erzielen
In der Zeichnung ist die
Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 das
Prinzipschaltbild einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung und Fig.2 eine
Ausführungsform der Schaltung.
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Inder Zeichnung ist 1 die zur Magnetfeldmessung dienende Hallsonde.
Die Hallsonde liegt im Stromkreis 2 einer Gleichstromquelle, in welchem als Steuerstrom
der sogenannte Hallstrom iH fließt. An der Hallsonde wird über anschlüsse 3 die
vom Steuerstrom ig und der Feldstärke H des Magnetfeldes, in dem sich die Hallsonde
befindet, abhängige Spannung, die sogenannte Hallspannung UH gemessen, die als Maß
für die Feldstärke H dient.
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Die Hallsonde ist in üblicher Weise mit einer- Thermostatierung versehen,
bestehend aus einer Kühlschlange 4, die an einen, Kühlmittelkreislauf 5 mit einem
Regelgerät 6 angeschlossen ist. Diesem Regelgerät wird über eine Steuerleitung 7
die Soll-Temperatur in Form eines geeigneten Steuersignals eingegeben. Die Ist-Temperatur
tH der Hallsonde wird durch einen Fühler 8 gemessen und der Meßwert über eine Leitung
9 dem Regelgerät 6 zugeführt.
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Derselbe Temperaturfühler 8 oder ein besonderer Temperaturfühler 10
an der Hallsonde gibt den Temperaturmeßwert tu
zur Kompensation
der temperaturabhängigen Schwankungen der Hallspannung uH auf einen Meßverstärker
11 und Regelkreis 12 zur temperaturabhängigen Regelung des Hallstromes iH. Auf denselben
Regelkreis 12 gelangt zur Regelung außerdem ein vom Istwert des Hall stromes iH
über einen Widerstand 13 und einen Regelverstärker 14 abgeleitetes Steuersignal.
Eine konstante Spannungsquelle 15 ist vorgesehen, die den Sollwert der Konstantgrö#e
a,uf den Regelkreis 12 gibt. Dadurch wird vom Regelkreis ein Regelsignal über eine
Leitung 16 auf ein Stellglied 17 für den Hallstrom iH geführt. Die von dem Temperaturfühler
10 und dem Hallstrom-Istwert abgeleiteten Regelsig nale sind durch Eichung so bemessen,
daß bei Änderungen der Temperatur tH der Hallsonde der Hallstrom iH derart veränderliche
Werte annimmt, da# das Produkt aus dem Hallstrom iH und der Hallkonstante k unverändert
bleibt.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform für die Schaltung nach Fig. 1 dargestellt.
Dabei ist dem Widerstand 13. für den Istwert des Hallstromes ein Spannwigsteiler
18,19 parallel geschaltet. Die Spannung am Widerstand 18 dient als Steuerwert für
den Regelkreis 12, während der Widerstand 19 des Spannungsteillers im Stromkreis
des Temperaturfühlers 10 der Hallsonde liegt. In diesem Stromkreis ist ferner ein
Potentiometer 20 vorgesehen, durch welches der Proportio nalitätsfaktor einjustiert
werden kann, mit welchem der Istwert des Hall stromes bei Temperaturschwankungen
beeinflußt wird.
lis Stellglied 17 ist ein Transistor vorgesehen.
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Im Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei Abänderungen und andere
Ausführungen möglich. Der Aufwand für die Thermostatierung kann wegen der elektrischen
Kompensation von Restschwankungen durch Regelung des Hallstromes geringer sein.
Gleichwohl wird durch die kombinierte Anwendung der Thermostatierung und der temperaturabhängigen
Hallstromregelung eine erheblich größere Meßgenauigkeit erzielt als mit den bekannten
Einrichtungen. Mit der neuen Schaltung ist eine Genauigkeit der Magnetfeldmessung
von 10-6 erreitchbar.