DE19907096C2 - Elektrische Spule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule. In vielen An­ wendungsfällen werden die Spulen vergossen. Hohe mechanische Stabilität und/oder hohe Isolationsfestigkeit sind Gründe für den Verguß. Je nach qualitativer Ausführung des Vergusses und verwendetem Vergußmaterial entstehen im Vergußmaterial mehr oder weniger Fehlstellen. Die Fehlstellen begünstigten das Auftreten von Störungen innerhalb der Spule, beispielsweise Nebenentladungen zwischen benachbarten Windungen oder Kurz­ schlüsse zwischen Leiterabschnitten. Das Auftreten vorgenann­ ter Störungen wird durch stoßartige und hohe elektrische Be­ lastungen der Spule begünstigt. Bei Spulen, deren Leiter bei­ spielsweise aus mehreren Leiterabschnitten besteht, ist bei schlechter Qualität der Verbindungsstellen die Gefahr gege­ ben, daß Leiterabschnitte mit erhöhtem ohmschen Widerstand entstehen. Dies wirkt sich bei belasteter Spule durch einen erhöhten Spannungsabfall über dem betroffenen Leiterab­ schnitt, verbunden mit der Gefahr einer Überlastzerstörung, aus.

Hoch belastbare Spulen sind beispielsweise im Gradientensys­ tem von Magnetresonanztomographiegeräten erforderlich. In der DE 40 17 260 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines kunstharzvergossenen, selbstabschirmenden Gradientenspulen­ systems beschrieben. Dabei werden zum Zwecke einer hohen Po­ sitioniergenauigkeit von Leitern der Spule, insbesondere für sattelförmige Spulen, Leiter in Nuten einer Form eingelegt, darauf wird ein klebstoffgetränktes Tuch gelegt und eine wei­ tere Form darübergelegt, so daß man nach einem Aushärten des Klebstoffes und einem Entfernen der Formen das Tuch mit dar­ auf haftender Leiteranordnung erhält. Zusammen mit weiteren Leiteranordnungen erfolgt für Hauptgradientenspulen in einer Hohlform mit Formkern, beispielsweise unter Vakuum, ein Kunstharzverguß, so daß ein hohlzylinderförmiges Hauptgra­ dientenspulensystem entsteht. Zugehörige Abschirmspulenanord­ nungen werden auf einem Tragrohr angebracht. In das Tragrohr wird das Hauptgradientenspulensystem eingebracht und ab­ schließend wird das Tragrohr mit darauf aufgebrachten Ab­ schirmspulenanordnungen samt dem Hauptgradientenspulensystem zu einem hohlzylinderförmigen Gradientenspulensystem vergos­ sen.

In der DE 197 22 211 A1 wird ein ähnliches Verfahren wie in vorgenannter Offenlegungsschrift beschrieben. Dabei wird al­ lerdings auf jegliche Tragrohre verzichtet, so daß beispiels­ weise ein vergossenes Gradientenspulensystem mit verkleiner­ ter Wanddicke herstellbar ist und infolge eines einmaligen Vergußes eine einheitliche Vergußmatrix für das gesamte Gra­ dientenspulensystem entsteht.

Gradientenspulen werden mit zeitlich variablen Strömen be­ trieben. Dabei treten Amplituden von bis zu mehreren 100 A, häufige und rasche Wechsel der Stromrichtung mit Anstiegs- und Abfallraten von mehreren 100 kA/s auf. Die treibende Spannung für die Spulenströme beträgt bis zu mehreren Kilo­ volts. Die weitere Entwicklung auf dem Gebiet der Magnetreso­ nanztomographie zur Verkürzung von Meßzeiten und Verbesserung von Bildgebungseigenschaften ist mit einer Vergrößerung der elektrischen Leistung in den Gradientenspulen und immer schnelleren Pulssequenzen, die immer häufigere und raschere Wechsel der Stromrichtung in den Gradientenspulen verursa­ chen, verbunden. Bei einem Magnetresonanztomographiegerät be­ finden sich die Gradientenspulen in unmittelbarer Nähe des lebenden Patienten. Aus diesem Grund hat die elektrische Be­ triebssicherheit der Gradientenspulen einen sehr hohen Stel­ lenwert. Eine lokale Überlastung der Gradientenspulen und da­ mit verbundene Überhitzung und Brandgefahr ist sicher zu ver­ hindern. Damit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer mög­ lichst hohen Spulenleistung und einer hohen elektrischen Be­ triebssicherheit. Bisher ist keine befriedigende Lösung be­ kannt, die Betriebssicherheit einer Spule kontinuierlich zu überwachen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur kontinuierlichen Zustandsüberwachung einer elektri­ schen Spule zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Leiter der Spule in Abschnitte aufgeteilt sind und daß zwischen den Abschnitten mindestens ein Spannungssensor mit optischem Aus­ gang die Spannung überwacht.

Daraus resultiert der besondere Vorteil, daß die Spule ohne Einschränkung ihrer elektrischen Betriebssicherheit mit ihren maximalen elektrischen Leistungsdaten betrieben werden kann, solange die Spannungsüberwachung keinen fehlerhaften Zustand ergibt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spannungssensor in die Spule integriert, indem bei einer vergossenen Spule der Spannungssensor mit eingegossen ist. Dadurch sind die Sensoren platzsparend untergebracht. Durch den Verguß sind die Sensoren und Anschlußstellen vor vielen Umwelteinflüssen, z. B. gegen unbeabsichtigtes Lösen und vor mechanischen Be­ schädigungen geschützt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden Signale des opti­ schen Ausgangs des integrierten Spannungssensors aufgrund der Lichtdurchlässigkeit von Verguß- und Oberflächenmaterial der Spule und/oder der oberflächennahen Anordnung des optischen Ausgangs ohne zusätzliche Vorrichtungen unmittelbar an der Spulenoberfläche abgegriffen. Der besondere Vorteil liegt darin, daß außer den Spannungssensoren keine zusätzlichen Vorrichtungen, insbesondere keine Vorrichtungen, welche die Vergußoberfläche durchstoßen, mit einzugießen sind. Der Ver­ gußprozeß gestaltet sich dementsprechend einfach.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Lichtwellenlei­ ter, der die Signale am optischen Ausgang des integrierten Spannungssensors aufnimmt, mit in die Spule eingegossen und überträgt die Signale mindestens bis zur Spulenoberfläche. Dadurch wird beispielsweise bei undurchsichtigem Verguß- und/oder Oberflächenmaterial der Spule eine Signalübertragung zur Spulenoberfläche und darüber hinaus, beispielsweise bis zu einer Auswertevorrichtung bewerkstelligt. Dabei genügt ei­ ne optische Signalübertragung den höchsten Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Spannungssensor mit optischem Ausgang eine Glimmlampe oder Gasentladungslampe mit definierter Ansprechspannung. Eine Glimmlampe oder Gas­ entladungslampe stellen die einfachste Form eines Spannungs­ sensors mit optischem Ausgang dar. Dabei erlauben die Lampen eine einfache Aussage, ob die überwachte Spannung unter- oder oberhalb der definierten Ansprechspannung liegt.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Span­ nungssensor mit optischem Ausgang eine Reihenschaltung eines Varistors mit definierter Schwellenspannung und eines Wider­ stands, dem zwei antiparallel angeordnete Leucht- oder Laser­ dioden inklusive ihrer Vorwiderstände parallel geschaltet sind. Der besondere Vorteil liegt in der hohen elektromagne­ tischen Verträglichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich um eine Gradientenspule eines Magnetresonanztomographiege­ räts. Der besondere Vorteil des Einsatzes von erfindungsgemä­ ßen Spulen bei Magnetresonanztomographiegeräten liegt darin, daß der Zielkonflikt zwischen einer hohen elektrischen Be­ triebssicherheit und einer hohen elektrischen Belastung der Spulen bei Magnetresonanztomographiegeräten besonders stark ausgeprägt ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Signale aller Spannungssensoren einer Gradientenspule einer Auswertevor­ richtung zugeführt, die unter Einbeziehung der Information des Stromverlaufs in der Gradientenspule einen fehlerhaften Zustand oder eine Überlastung der Spule erkennt und an einer Anzeigevorrichtung anzeigt. Dadurch hat der Bediener eines Magnetresonanztomographiegeräts die Möglichkeit, gestützt auf die kontinuierliche Überwachung der Gradientenspulen, die Spulen zur Erzielung hoher Bildqualitäten und eines hohen Pa­ tientendurchsatzes mit ihren maximal zulässigen elektrischen Leistungsdaten bei gleichzeitiger hoher Sicherheit für den Patienten zu betreiben, solange die Anzeigevorrichtung keinen Fehler anzeigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt nach einer Fehlererkennung der auf die Fehlererkennung folgende Betrieb des Geräts bis zu einer Fehlerbeseitigung mit Gra­ dientenspulenströmen, die je nach Fehler gegenüber den maxi­ mal zulässigen Werten einer fehlerfreien Spule reduziert sind, und die Anzeigevorrichtung zeigt vorgenanntes entspre­ chend an. Dadurch wird der auf eine Fehlererkennung folgende Betrieb mit hoher elektrischer Betriebssicherheit fortge­ setzt. Es kommt zu keinen Stillstandszeiten des Gerätes. Wei­ terhin werden schwerere Beschädigungen des Geräts verhindert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden nach ei­ ner Fehlererkennung fehlerhafte Bauteile an der Anzeigevor­ richtung angezeigt und ein erforderlicher Austausch der feh­ lerhaften Bauteile wird an eine Service-Leitstelle gemeldet. Dies führt zu einer minimalen Stillstandszeit des Magnetreso­ nanztomographiegeräts. Dem benachrichtigten Service werden auszutauschende Bauteile angezeigt. Eine Fehlersuche wird er­ leichtert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Spule,

Fig. 2 eine Skizze der prinzipiellen Anordnung eines Span­ nungssensors in einer erfindungsgemäßen Spule mit ei­ ner Vorrichtung zur Signalübertragung und einer Aus­ wertevorrichtung,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer Glimm- bzw. Gasentladungs­ lampe,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild eines elektrischen Netzwerks, beinhaltend einen Varistor, Widerstände und Leucht- oder Laserdioden,

Fig. 5 eine Skizze der prinzipiellen Anordnung einer Auswer­ tevorrichtung mit Komponenten eines Magnetresonanzto­ mographiegeräts und einer Service-Leitstelle.

Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Spule. Es ist eine zylinderför­ mige Spule mit äquidistanter Leiterverteilung dargestellt. Prinzipiell ist die Erfindung auf Spulen mit beliebiger geo­ metrischer Ausführung und beliebiger Leiterverteilung anwend­ bar. Der Leiter 1 der gezeichneten Spule ist exemplarisch in vier Abschnitte aufgeteilt und mit fünf Spannungsabgriffs­ punkten 2 ausgestattet. An den Abgriffspunkten jedes Ab­ schnittes ist je ein Spannungssensor 3 mit optischem Ausgang 4 angeschlossen. Die Spannungssensoren sind in die Spule in­ tegriert. Sie befinden sich innerhalb der Spule und unterhalb der Spulenoberfläche 5. Die Spannungssensoren sind beispiel­ haft mit oberflächennahen optischen Ausgängen gezeichnet. Ein lichtdurchlässiges Verguß- und Oberflächenmaterial gestattet einen Abgriff der Sensorsignale direkt an der Spulenoberflä­ che. Zur Übertragung der Sensorsignale über einen Lichtwel­ lenleiter 6 sind auf der Spulenoberfläche entsprechende An­ schlußvorrichtungen 7 vorhanden.

In anderen Ausführungen bilden die optischen Ausgänge der Sensoren mit der Spulenoberfläche eine Fläche oder ragen über dis Spulenoberfläche hinaus, so daß beispielsweise bei licht- undurchlässigem Verguß- und/oder Oberflächenmaterial ohne zu­ sätzliche Vorrichtungen die Signale an der Spulenoberfläche zur Verfügung stehen. In anderen Ausführungen wird ein Licht­ wellenleiter mit eingegossen, der an den optischen Ausgang des Spannungssensors angeschlossen ist und dessen Signale zu­ mindest bis an die Spulenoberfläche überträgt. Bei entspre­ chender Länge des Lichtwellenleiters wird eine Signalübertra­ gung bis zu einer Auswertevorrichtung hergestellt.

Fig. 2 zeigt in Form einer Skizze ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung eines Spannungssensors 3 in einer erfindungsge­ mäßen Spule mit einem Lichtwellenleiter 6 und einer Auswerte­ vorrichtung 8. Der Spannungssensor ist unterhalb der Spulen­ oberfläche 5 angeordnet. Die beiden elektrischen Primäran­ schlüsse 9 des Sensors sind mit den Spannungsabgriffspunkten des zu überwachenden Leiterabschnitts verbunden. An den opti­ schen Ausgang 4 des Spannungssensors schließt sich zur Si­ gnalübertragung ein Lichtwellenleiter an. Der Lichtwellenlei­ ter ist spulenseitig mit eingegossen, durchstößt die Spulen­ oberfläche und führt die Sensorsignale einer Auswertevorrich­ tung zu. Bei Ausführung der gesamten Übertragungsstrecke mit einem Lichtwellenleiter erzielt man die größtmögliche elek­ tromagnetische Verträglichkeit. Eine optisch-elektrische Um­ setzung zur weiteren Verarbeitung der Signale findet in der Auswertevorrichtung statt. Die Signale aller Spannungssenso­ ren einer Spule werden einer Auswertevorrichtung zugeführt.

In anderen Ausführungen ist die Übertragungsstrecke nur in Teilstrecken als Lichtwellenleiter ausgeführt. Eine optisch­ elektrische Umsetzung findet beispielsweise aus Kostengründen sensornah, unmittelbar an der Spulenoberfläche oder am opti­ schen Ausgang des Sensors statt. Die Auswertevorrichtung er­ hält dann als Eingangsgrößen elektrische Signale.

Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild einer Glimm- oder Gasentla­ dungslampe 10. Die Glimm- oder Gasentladungslampe mit defi­ nierter Ansprechspannung ist eine einfache Ausführung eines Spannungssensors mit optischem Ausgang. Gasentladungslampen sind beispielsweise für 100 V kommerziell verfügbar. Sie sind z. B. aus der Technik für Blitzgeräte zur Anzeige, daß die Sollspannung für das Auslösen eines Blitzes erreicht ist, be­ kannt.

Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild eines Spannungssensors mit optischem Ausgang, der durch die Reihenschaltung eines Vari­ stors 11 mit charakteristischer Schwellenspannung sowie eines Widerstandes 12, dem zwei antiparallel gerichtete Leucht- oder Laserdioden 13 inklusive ihrer Vorwiderstände 14 paral­ lel geschaltet sind, entsteht. Bei Spannungen an den Primär­ anschlüssen 9 des Sensors unterhalb der charakteristischen Schwellenspannung des Varistors leuchtet keine Leucht- oder Laserdiode, da der größte Teil der Spannung am Varistor ab­ fällt. Bei Überschreiten der Schwellenspannung wird der Vari­ stor niederohmig und eine erheblich höhere Spannung fällt am Widerstand 12 ab. Dies führt je nach Polarität der Spannung zu einem Aufleuchten einer der beiden Leucht- oder Laser­ dioden. In Abhängigkeit von der Verwendung der erfindungsge­ mäßen Spule und der eingesetzten Leucht- oder Laserdioden ist eine Vereinfachung des beschriebenen Netzwerks möglich, indem beispielsweise die beiden Vorwiderstände entfallen oder die beiden Vorwiderstände zu einem Vorwiderstand zusammengefaßt werden oder beide Vorwiderstände und der Widerstand 11 zu ei­ nem Widerstand zusammengefaßt werden.

Fig. 5 zeigt in Form einer Skizze für ein Ausführungsbeispiel die prinzipielle Anordnung einer Auswertevorrichtung 8 mit einer Anzeigevorrichtung 15 und einem Steuersystem 16 eines Magnetresonanztomographiegeräts sowie einer Service-Leit­ stelle 17. Die Auswertevorrichtung ist mit ihren Eingangs- und Ausgangsgrößen dargestellt. Eingangsgrößen sind die Si­ gnale 18 aller Spannungssensoren einer Gradientenspule sowie als Vergleichsgröße der zugehörige Gradientenspulenstrom 19. Die Ausgangsgröße 20 wird als Ergebnis einer Auswertung der Anzeigevorrichtung und/oder dem Steuersystem und/oder der Service-Leitstelle und/oder ähnlichen Vorrichtungen zuge­ führt. Dabei muß die Auswertevorrichtung nicht zwingend eine separate Vorrichtung sein, sondern kann in eine andere Vor­ richtung, beispielsweise in das Steuersystem integriert sein. In der Auswertevorrichtung wird ein kontinuierlicher Ver­ gleich von Gradientenspulenstrom und Sensorsignalen durchge­ führt, die Gleichmäßigkeit überwacht und auf Unregelmäßigkei­ ten untersucht. Dazu erfolgt eine Auswertung nach einem hin­ terlegten Schema. Grundzüge dieses Schemas sind: Unterhalb einer bestimmten Gesamtspannung an den Anschlüssen einer Gra­ dientenspule darf kein Spannungssensor ein Signal liefern, anderenfalls liegt eine Überspannung in einem Leiterabschnitt vor, was auf einen zu hohen Widerstandswert in diesem Ab­ schnitt hinweist. Oberhalb der bestimmten Gradientenspulenge­ samtspannung müssen alle Spannungssensoren ein Signal lie­ fern, anderenfalls liegt ein Kurzschluß oder zumindest ein zu geringer Widerstand in einem Leiterabschnitt vor.

Mit der Ermittlung eines fehlerhaften Zustandes oder einer Überlastung bewirkt die Ausgangsgröße der Auswertevorrichtung folgendes: Die Anzeigevorrichtung zeigt das Vorhandensein ei­ nes Fehlers, fehlerhafte Leiterabschnitte, fehlerhafte Bau­ teile und eine Aufforderung zum Austausch fehlerhafter Bau­ teile an. Je nach ermitteltem Fehler steuert das Steuersystem die Gradientenspulenströme derart, daß der auf eine Fehlerer­ kennung folgende Betrieb mit verringerten elektrischen Bean­ spruchungen durchgeführt wird oder der Betrieb wird bis zum Austausch fehlerhafter Bauteile gänzlich unterbunden. Vorge­ nanntes wird auch an der Anzeigevorrichtung angezeigt. Die Ausgangsgröße 20 steht an einer Service-Leitstelle zur Verfü­ gung, so daß der Service-Leitstelle ein fehlerhafter Zustand oder eine Überlastung einer Gradientenspule angezeigt wird und ein notwendiger Austausch von Bauteilen veranlaßt wird.

Weiterhin besteht in der Entwicklungsphase von Gradientenspu­ len die Möglichkeit, problematische Leiterabschnitte zu er­ kennen und extreme Leistungen zu testen, ohne die Gradienten­ spulen dabei zu zerstören. Die Qualität des Gradientenspulen­ systems wird vor dem Einbau in das Magnetresonanztomographie­ gerät und/oder vor der Auslieferung des Geräts geprüft und gegebenenfalls werden Ausbesserungen durchgeführt.

Claims (10)

1. Elektrische Spule, beinhaltend folgende Merkmale:

• - In Abschnitte aufgeteilte Leiter der Spule und
• - mindestens einen Spannungssensor mit optischem Ausgang zwischen den Abschnitten zur Spannungsüberwachung.

2. Elektrische Spule nach Anspruch 1, wobei der Spannungs­ sensor in die Spule integriert ist, indem bei einer vergos­ senen Spule der Spannungssensor mit eingegossen ist.

3. Elektrische Spule nach Anspruch 2, wobei Signale des optischen Ausgangs des integrierten Spannungssensors aufgrund der Lichtdurchlässigkeit von Verguß- und Oberflächenmaterial der Spule und/oder der oberflächennahen Anordnung des opti­ schen Ausgangs ohne zusätzliche Vorrichtungen unmittelbar an der Spulenoberfläche abgegriffen werden.

4. Elektrische Spule nach Anspruch 2, wobei ein Lichtwel­ lenleiter, der die Signale am optischen Ausgang des inte­ grierten Spannungssensors aufnimmt, mit in die Spule einge­ gossen ist und die Signale mindestens bis zur Spulenoberflä­ che überträgt.

5. Elektrische Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo­ bei der Spannungssensor mit optischem Ausgang eine Glimm­ lampe oder Gasentladungslampe mit definierter Ansprechspan­ nung ist.

6. Elektrische Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wo­ bei der Spannungssensor mit optischem Ausgang eine Reihen­ schaltung eines Varistors mit definierter Schwellenspannung und eines Widerstands, dem zwei antiparallel angeordnete Leucht- oder Laserdioden inklusive ihrer Vorwiderstände par­ allel geschaltet sind, ist.

7. Elektrische Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wo­ bei es sich um eine Gradientenspule eines Magnetresonanzto­ mographiegeräts handelt.

8. Elektrische Spule nach Anspruch 7, wobei die Signale aller Spannungssensoren einer Gradientenspule einer Auswerte­ vorrichtung zugeführt werden, welche unter Einbeziehung der Information des Stromverlaufs in der Gradientenspule einen fehlerhaften Zustand oder eine Überlastung der Spule erkennt und an einer Anzeigevorrichtung anzeigt.

9. Elektrische Spule nach Anspruch 8, wobei nach einer Fehlererkennung der auf die Fehlererkennung folgende Betrieb des Geräts bis zu einer Fehlerbeseitigung mit Gradientenspu­ lenströmen erfolgt, die je nach Fehler gegenüber den maximal zulässigen Werten einer fehlerfreien Spule reduziert sind, und die Anzeigevorrichtung vorgenanntes entsprechend anzeigt.

10. Elektrische Spule nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wo­ bei nach einer Fehlererkennung fehlerhafte Bauteile an der Anzeigevorrichtung angezeigt werden und ein erforderlicher Austausch der fehlerhaften Bauteile an eine Service-Leit­ stelle gemeldet wird.