DE2106051A1

DE2106051A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch Spulen erzeugten Magnetfeldes

Info

Publication number: DE2106051A1
Application number: DE19712106051
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-El.Ing. Forch Tschopp (Schweiz). P
Original assignee: Spectrospin AG
Current assignee: Spectrospin AG
Priority date: 1970-10-13
Filing date: 1971-02-09
Publication date: 1972-04-20
Also published as: FR2112288B1; FR2112288A1; GB1315777A; DE2106051C3; US3673465A; CH540528A; DE2106051B2

Description

5PECTR05PIN AG, Industriestrasse 26, CH-8117 Fällanden, Schweiz

Verfahren und Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch Spulen

erzeugten Magnetfeldes

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch Spulen erzeugten magnetischen Feldes, wobei die durch eine Feld- bzw. Flussänderung an den Spulen hervorgerufene 5törspannung dazu benützt wird, in elektronischen Mitteln, welche einen negativen Widerstand darstellen, eine entgegengesetzte, gleich grosse Spannung zu erzeugen, so dass die resultierende Spannung über der Induktivität der Spulen Null ist. Dieser Zustand wird dadurch aufrechterhalten, dass ein Korrekturstrom in den Spulen erzeugt wird, der seinerseits ein Korrekturfeld erzeugt, das so bemessen ist, dass die Feld- bzw. Flussänderung auf Null kompensiert wird. Die erfindungsgemässe Vorrichtung enthält in den Kurzschlusskreis der Erregerspulen eingeschaltete elektronische Mittel, welche einen negativen Widerstand darstellen, der gleich dem inneren Widerstand der Erregerspule ist. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung übernehmen die Erregerspulen selbst sowohl die Detektion als auch die Korrektur von Feld- bzw. Flussschwankungen, wodurch weitere Detektions- und/oder Korrekturspulen überflüssig werden. Das beschriebene autonome Korrektursystem kann mit anderen Konstanthaltungsverfahren, wie beispielsweise Konstanthaltung mittels magnetischer Kernresonanz, kombiniert werden.

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ORIGINAL INSPECTED

Bisher bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Konstanthaltung von durch Spulen erzeugten Magnetfeldern benützen durchwegs separate Mittel zur Detektion von Feld- bzw. Flussänderungen, d.h. von der Erregerspule unabhängige Mittel wie beispielsweise separate Detektionsspulen, magnetfeldabhängige Widerstände oder magnetische Kernresonanz-Messköpfe. Das durch diese Mittel erzeugte Fehlersignal erzeugt seinerseits nach zweckmässiger Verarbeitung ein Korrektursignal, Dieses Signal, welches die gemessene Feld- bzw. Flussabweichung kompensieren soll, wird üblicherweise auf separate Korrekturspulen gegeben; es ist jedoch bekannt, dass als Korrekturspule auch die Erregerspule selbst benützt werden kann.

Es ist jedoch bisher nicht bekannt geworden, dass die Erregerspule nicht nur als Korrekturspule benützt werden kann, sondern gleichzeitig als Detektorspule. Das vorliegende Verfahren zur Konstanthaltung eines durch eine oder mehrere Spulen erzeugten Magnetfeldes benützt die Erregerspulein} gleichzeitig als Detektorspule(n) und Korrekturspule{n), indem die durch ungewollte Feld- bzw. Flussänderungen über der oder den felderzeugenden Erregerspulen hervorgerufene Störspannung in elektronischen Mitteln, welche im Kurzschlusskreis der 5pule(n) vorgesehen sind, einen Korrekturstrom erzeugen, wobei die genannten elektronischen Mittel einen negativen Widerstand darstellen, welcher so dimensioniert ist, dass die resultierende Spannung über der Induktivität der Spulen auf Null kompensiert wird und damit auch die Feld- bzw. Flussänderungen kompensiert werden.

Die Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch eine oder mehrere Spulen erzeugten Magnetfeldes besitzt ausser der oder den Erzeugerspule(n) keine zusätzlichen Magnetfeld-Detektionselemente und/ oder Magnetfeld-Korrekturspulen und enthält im Kurzschlusskreis der Erregerspule(n) elektronische Mittel, welche einen negativen Widerstand darstellen, dessen absoluter Wert gleich demjenigen des inneren Widerstandes der Erregerspule(n) ist (sind).

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Die Erfindung geht von folgendem Gedankengang aus: Wird eine ideale Spule ohne Verluste, also beispielsweise eine supraleitende 5pule, in einem zu stabilisierenden Feld kurzgeschlossen, so treten folgende Erscheinungen auf: Jede Feldänderung induziert in der Spule eine Spannung, die ihrerseits einen zusätzlichen Strom in der 5pule erzeugt. Dieser 5trom ist so gerichtet, dass das durch ihn erzeugte Feld der ursprünglichen Feldänderung entgegenwirkt. Da in einer verlustfreien 5pule eine beliebig kleine Feldänderung einen beliebig grossen Strom erzeugen würde, bleibt die resultierende Feldänderung (Superposition von Feldänderung und Gegenfeld der Spule) verschwindend klein.

Bei nicht idealen, kurzgeschlossenen Spulen beschränkt der innere Widerstand Ri der Spule die Grosse des induzierten Stromes. Um die Verhältnisse bei einer solchen Spule auf einfache Weise mathematisch darstellen zu können, und um die der Erfindung zugrundeliegenden Gedankengänge besser zu erläutern, sind in Fig. 1-3 drei Graphicons wiedergegeben:

Fig. 1 stellt den Feldfluss und die induzierten Ströme und Spannungen in einer kurzgeschlossenen 5pule mit innerem Widerstand Ri 4- 0 dar.

Fig. 2 stellt die Erzeugung eines negativen Widerstandes (- R2) in Serie mit dem Spulenverlustwiderstand (Rl) durch Verwendung einer positiven Rückkopplung dar.

Fig. 3 stellt den Feldfluss und die induzierten Ströme und Spannungen in einer Spule mit der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Kompensation der Spulenverluste dar.

Bei einer bestimmten Störung 0st des Gesamtflusses 0 in der kurzgeschlossenen Spule entsteht eine Aenderung Δ0, , des Gesamtflusses 0, welche nach Fig. 1 durch die Superposition von Gegenfluss 0, und Störfluss 0 _t gegeben ist. Aus dem Graphicon von Fig. 1 folgt die Gleichung:

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tot

R₁ +

Dabei bedeutet R. den inneren Widerstand, N. die Windungszahl und L₁ die Induktivität der Spule, i, den Strom im Kurzschlusskreis der Spule und U. die induzierte Spannung über der Feldspule. Diese Gleichung sagt aus, dass die durch eine Flussstörung 0 . induzierte totale Flussänderung Δ 0. .umso kleiner wird, je kleiner der Faktor R₁Z(R₁ + j*? L.) ist. Könnte R₁ durch irgendein Verfahren auf Null gebracht werden, so wurden auch die resultierenden Feldschwankungen auf Null kompensiert und das Feld wäre stabilisiert.

Das erfindungsgemässe Verfahren benützt einen negativen Widerstand zur Realisierung solcher Verhältnisse. Dieser negative Widerstand -R2 soll im Kurzschlusskreis der 5pule eingebaut sein. Der totale Verlustwiderstand der Spule wird damit R₁ - R_ betragen und Gleichung (l) erhält folgende Form:

R₁ - R₂

-— · ⁰Bt <²>

(R₁ - R,) + jWL

Man sieht sofort, dass die totale Flussänderung Δ 0, , dann gleich Null wird, wenn der negative Widerstand R_ gleich dem inneren Widerstand R₁ wird. Die Gleichung /R₃/ * /R,/ ist also kennzeichnend für eine erfindungsgemässe Vorrichtung.

Die Erzeugung eines negativen Widerstandes im Kurzschlusskreis der Spule lässt sich beispielsweise mit Hilfe einer positiven Rückkopplung (Mitkopplung) realisieren. Das Graphicon von Fig. 2 enthält ausser den bisher beschriebenen Grossen R₁, R~, X₁ und U. die Spannung U₂ = R₂ . i^, welche die auf die Feldspule rückgekoppelte

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5pannung darstellt. R-, ist ein normaler Widerstand, der durch seine Stellung im Schaltkreis wie ein negativer Widerstand -R2 wirkt:

Um den negativen Widerstand in den Kurzschlusskreis einbauen zu können, sind nun elektronische Mittel nötig, welche ihrerseits sich in diesem Kurzschlusskreis befinden und unvermeidlicherweise einen zusätzlichen Musseren Widerstand R₃ in den Kurzschlusskreis hineinbringen. Allermindestens ist ein Rückkopplungsverstärker notwendig, wobei mit R₃ sowohl der Ein- und Ausgangswiderstand dieses elektronischen Mittels wie auch sonstige parasitäre Uebergangswiderstände erfasst werden. Das Graphicon von Fig. 3 stellt die Kombination der kurzgeschlossenen Spule von Fig. 1 mit dem Rückkopplungsverstärker von Fig. 2 dar: Es wird nun, wenn man vorläufig die neue Grosse i unberücksichtigt lässt:

(R₁ + R_ - R_)

'tot - T 2 ⁰St - «>

(R₁ +R₃- R₂) + j

Man sieht daraus sofort, dass jetzt R_? = R + R gewählt werden muss, um die Kompensationsbedingung zu erfüllen. Es ist nun R, wie bisher der innere Widerstand der Spule, der zugesetzte negative Widerstand ist dagegen jetzt nicht mehr -R„ sondern R₃ - R_. Damit ist wieder der negative Widerstand gleich dem inneren Widerstand der Spule.

Da die betrachtete Spule nun auch die Erregerspule sein soll, ist eine Möglichkeit vorzusehen, welche die Felderzeugung oder gewollte Feldänderung trotz der Kompensationswirkung des negativen Widerstandes erlauben. Dies ist realisierbar durch Einspeisung eines

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Stromes i in den Kurzschlusskreis, wie in Fig. 3 dargestellt. Der total resultierende Feldfluss $+_a + wird dann zu

'tot i-i-i— · K._t -1» -i <=>

Bei voller Kompensation der Feldschwankungen, d.h. fur R. + reduziert sich Gleichung (5) zu

(6)

tot m

oder, in Zeitform dargestellt
Ct) = _ _Ü2_

d.h. dass sich der Gesamtfluss 0. , auch im stabilisierten Zustand

tot

eindeutig steuern oder beispielsweise modulieren lässt, wobei der Fluss gemäss dem Integral des Steuerstromes i verläuft.

Zur besseren Erläuterung der Vorrichtung und der verschiedenen Ausführungsformen sind in den Figuren 4 bis 8 verschiedene Block- und Detailschaltbilder angegeben.

Fig. 4 stellt beispielsweise eine Spule (l) dar, bei welcher das Feld in ihrem Inneren stabilisiert werden soll, was durch die erfindungsgemässen elektronischen Mittel (2) geschieht, welche im Kurzschlusskreis der Spule angebracht sind und einen negativen Widerstand darstellen.

Fig. 5 stellt ein Helmholzspulenpaar (1, 1) dar, dessen Feld stabilisiert werden soll.

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Fig. 6 zeigt ein Spulenpaar (1, 1) eines Elektromagneten mit ferromagnetische™ Kern (4, 4), wobei das Feld zwischen den Polschuhen des Kerns stabilisiert werden soll.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform mit geerdeter Feldspule (l) und Verstärker mit symmetrischem Eingang.

Fig. B zeigt eine Ausführungsform mit ungeerdeter Feldspule (1) und Verstärkern mit asymmetrischen Eingängen.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher eine zweite Konstanthaltevorrichtung mit der erfindungsgemässen kombiniert ist.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt Fig. 4. Spule (1) erzeugt beispielsweise ein magnetisches Feld in ihrem Innern, welches stabilisiert werden soll. In den Kurzschlusskreis der Spule sind elektronische Mittel (2) eingeschaltet, welche einen negativen Widerstand darstellen, dessen absoluter Wert gleich demjenigen des inneren Widerstandes der felderzeugenden Spule (1) ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass ausser der Erzeugerspule keine zusätzlichen Magnetfeld-Detektionsmittel und/oder Magnetfeldkorrekturspulen vorgesehen sind.

Eine zweite Ausführungsform zeigt Fig. 5. Hier ist es beispielsweise das Feld eines Helmholzspulenpaares (1, 1), welches konstant gehalten werden soll. Die Spulen sind in diesem Beispiel parallel geschaltet. Im Kurzschlusskreis der parallelgeschalteten Spulen (1, 1) liegen die erfindungsgemässen elektronischen Mittel (2). Zur Speisung der Spulen wird in einem Stromspesegerät (3) ein Strom erzeugt, welcher in den Kurzschlusskreis der 5pulen eingespeist wird. Dieser Strom kann ebenfalls zur Modulation der Stärke des Magnetfeldes, in beispielsweise Sinus- oder Sägezahnform, benutzt werden, sofern das Speisegerat mit solchen Strommodulatoren ausgerüstet wird.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hier sind zwei oder mehr beispielsweise in Serie geschaltete Spulen (l/l) die Erreger-

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-B-

spulen eines Elektromagneten mit dem Magnetkern (4), wobei das Feld zwischen den Polschuhen des Magnetkerns konstantgehalten werden soll. Dies geschieht wie in den vorangehenden Beispielen mittels elektronischer Mittel (2) im Kurzschlusskreis. Die Speisung des Magneten wird hier vom Stromspeisegerät (3) durchgeführt,, indem der Strom über die elektronischen Mittel auf den Kurzschlusskreis geführt wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Magnetfeld durch Spulen mit Eisenkernen erzeugt wird.

^ Fig. 7 zeigt ein mehr detailliertes Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels. Die Spule (l) steht hier stellvertretend für alle früher genannten Felderzeugungsspulen. Die Spule (1) kann durch das in Fig. 7a gezeichnete Ersatzschaltbild mit Induktion L. und innerem Widerstand R, gekennzeichnet werden. In dem in Fig. 7 dick ausgezogenen Kurzschlusskreis sind als elektronische Mittel ein Operationsverstärker (5) und ein Widerstand R,- eingeschaltet. Im Kreis des Operationsverstärkers (5) befindet sich eine positive Rückkopplung mit dem Widerstand R₅ und ein variabler Widerstand Rg, die zusammen einen Spannungsteiler bilden. Die gesamte elektronische Schaltung stellt einen negativen Widerstand dar. Zwischen den Punkten P und E liegt eine Spannung -R₄ . i.. , wo i. der 5trom im Kurzschlusskreis der Spule (1) ist. Der Spannungsabfall an R₅ ist also

ψ -x . (R^ . ij)» wo χ einen Teil von Eins bedeutet, der durch den variablen Spannungsteiler Rj.» R/ς eingestellt werden kann. Da die Eingangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen + und - des Operationsverstärkers verschwindend klein ist (eine Eigenschaft des Operationsverstärkers), setzt sich die Spannung zwischen Punkt E und Erde nur aus dem Anteil über dem Widerstand R₁- zusammen, also aus -X(R* . ii)· Die Impedanz zwischen Punkt E und Erde gegen den Operationsverstärker gesehen ist definitionsgemäss gleich dem Quotienten von Eingangsspannung (-xR.i.. ) und Eingangsstrom (i,)» und damit gegeben durch -XR₄. Damit ist gezeigt, dass die elektronischen Mittel einen negativen Widerstand darstellen, der im Kurzschlusskreis der Spule liegt, und der mittels positiver Rückkopplung eines Verstärkers erzeugt wird. Die Kompensationsbedingung ist erfüllt, wenn R, - xR« = 0, d.h. wenn der absolute Wert des negativen Widerstan-

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des /-KR// gleich demjenigen des inneren Widerstandes /R,/ ist. Die Einspeisung des Erzeuger- oder Modulationsstromes i in den Kurzschlusskreis ist in Fig. 7 ebenfalls dargestellt.

Falls nur Operationsverstärker mit einseitig geerdeten Eingängen zur Verfugung stehen, sind mindestens deren zwei notwendig, um einen negativen Widerstand zu realisieren. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 dargestellt. Nun liegen die Operationsverstärker (6) und. (7) im wieder ausgezogenen Kurzschlusskreis der Spule (1). Zwischen den Punkten E und A gegen die Operationsverstärker gesehen erscheint ein negativer Widerstand, der durch den Quotienten der Spannung über diesen beiden Punkten (-xR^i,) und des Eingangsstromes (i-i) gegeben ist und somit -xR* beträgt. Widerstand Rq stellt den Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers (7) dar, und dieser verkleinert den effektiven negativen Widerstand auf -xR* + Rq. Die Kompensationsbedingung lautet nun: R, - xR. + R_R = O, Das Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verstärker mit einseitig geerdeten Eingängen in den elektronischen Mitteln enthalten sind.

Wie bei jeder Konstanthaltungsmethode tritt auch beim vorliegenden Verfahren eine Zeitkonstante auf, welche die Wirkung des Verfahrens auf einen gewissen Frequenzbereich von Störsignalen beschränkt. Es ist deshalb auch hier wie bei anderen Konstanthaltungsverfahren wünschenswert, verschiedene Verfahren zu kombinieren. Dies ist ohne weiteres möglich, wenn das Störsignal eines anderen Verfahrens in der Form eines differenzierten 5tromsignales am selben Ort eingespeist wird, wo auch der Erregerstrom i eingespeist wird. Natürlich sind dabei die bekannten Gesetze der Ueberlagerung verschiedener Regelkreise zu beachten, insbesondere was den Frequenzgang anbetrifft.

Eine Ausführungsform für eine solche kombinierte Konstanthaltung ist in Fig. 9 dargestellt. Die Spulen (1) speisen einen Elektromagneten mit Kern und Palschuhen (4). Speisung (3) und Konstanthaltung (2) erfolgen wie bisher beschrieben. Im Feld zwischen den Polschuhen befindet sich ein magnetischer Kernresonanzmesskapf (B),

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dessen Ausgang auf eine Messeinrichtung mit Sender (9) führt. In dieser Messeinrichtung 'wird ein Störsignal hergestellt, welches aus einer Abweichung der Sendefrequenz des Kernresonanzkopfes (8) von der Resonanzfrequenz des"verwendeten Stoffes im gegebenen Magnetfeld herrührt. Dieses Störsignal wird nun in Form eines Störstromes in den Kurzschlusskreis der Spulen (l) eingespeist und bewirkt damit eine Korrektur des Feldes. Das Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass ein Störstromsignal» das von einer anderen Konstanthaltevorrichtung, vornehmlich von einer Kernresonanz-Feldstabilisiereinrichtung, herrührt, in den Kurzschlusskreis der Spule eingeführt wird.

Der grosse technische Vorteil des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Vorrichtung liegt in der Tatsache, dass das Wegfallen von anderen Detektionselementen und/oder Korrekturspulen eine bedeutende Platzersparnis sowie finanzielle Einsparungen ermöglicht.

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Claims

Patentansprüche

( 1.)Verfahren zur Konstanthaltung eines durch eine oder mehrere

Spulen erzeugten Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die durch ungewollte Feld- bzw. Flussänderungen über der oder den
felderzeugenden Spulen hervorgerufene Störspannung in elektronischen Mitteln, welche sich im Kurzschlusskreis der genannten felderzeugenden Spule(n) befinden, einen Korrekturstrom erzeugen, dass die genannten elektronischen Mittel einen negativen
Widerstand darstellen und dass dieser negative Widerstand so
dimensioniert ist, dass die resultierende Spannung über der oder den felderzeugenden Spule(n) auf angenähert Null kompensiert
wird, bzw. dass die genannten Feld- bzw. Flussänderungen angenähert oder genau durch das vom genannten Korrekturstrom erzeugte Gegenfeld kompensiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte negative Widerstand mittels positiver Rückkopplung über einen oder mehrere Verstärker erzeugt wird.
3. Vorrichtung zur Konstanthaltung eines durch eine oder mehrere
Spulen erzeugten Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass im Kurzschlusskreis der genannten Spule oder Spulen einen negativen Widerstand darstellende elektronische Mittel eingeschaltet sind, und dass der absolute Wert des genannten negativen Widerstandes gleich oder angenähert gleich demjenigen des inneren Widerstandes der felderzeugenden Spule oder Spulen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
einen negativen Widerstand darstellenden elektronischen Mittel einen oder mehrere Verstärker enthalten, über welche eine positive Rückkopplung gelegt ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausser der Erregerspule keine Magnetfelddetektionsmittel und/oder Magnetfeldkorrekturspulen vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Erzeugung des Magnetfeldes und/oder zur zeitlichen Feldmodulation ein durch ein Stromspeisegerät erzeugter Strom in den genannten Kurzschlusskreis eingespeist wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Magnetfeld durch Spulen mit Eisenkernen erzeugt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturstromsignal, welches von einer anderen Feld-Konstanthaltevorrichtung herrührt, welche am gleichen Magnetfeld angreift, in den Kurzschlusskreis der genannten Spule oder Spulen eingespeist wird.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und Θ, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte andere Feldkonstanthaltevorrichtung nach dem Prinzip der magnetischen Kernresonanz arbeitet.

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