DE2119838A1 - Schwebende Aufhängung eines magnetischen Gegenstandes, insbesondere eines ferromagnetischen Rotors für Gasreibungsmikromanometer - Google Patents

Description

• Schwebende Aufhängung eines magnetischen Gegenstandes, insbesondere eines ferrogmagnetischen Rotors für Gasre ibungsmikromanometer.
• Die Erfindung betrifft eine schwebende Aufhängung eines ferromagnetischen Gegenstandes, insbesondere eines ferromagnetischen Rotors für Gasreibungsmikromanometer unter -halb eines Magneten mit Vertikalabtastung mittels Hoch -frequenzspule.
• Die bekannte schwebende Aufhängung unterhalb eines Elektromagneten wird angewendet zur Lagerung von ferromagnetischen Rotoren mit vertikaler Drehachse ( z.B. in Ultrazentrifugen) sowie von anderen Gegenständenç die ganz oder teilweise magnetisch sind ( z.3. Wägeteller mit Halteanker in Mikrowaagen).
• Zunehmende Bedeutung gewinnt diese Methode bei der Messung von Gasdrucken im Bereich des Hoch- und Ultrahochvakuums. Für Messungen in diesem Druckbereioh werden heute noch fast ausschließlich ionisierende Geräte benützt, die bekanntlich den Nachteil haben, daß sie die Zusammensetzung und den Druck des zu messenden Gases verändern ( Pumpwirkung von lonisations -Manometern), Unter der Bezeichnung " Spinning Rotor Pressure Gauge" ist das von J,WeBeams und Mitarbeitern entwickelte Gasreibungsmanometer mit elektro-magnetisch aufgehängtem Stahlrotor bekannt geworden. Die relative Drehzahlabnahme des antriebslos laufenden Rotors ist bei konstanter Temperatur und Gas zu -sammensetzung dem Druck proportional. Nach Angaben der Autoren erreichte das Gerät eine GrenzempSindlichkeit von 5xio Torr. Einer der Autoren ( D.M.Spitzer) hat später gezeigt, daß die Unsicherheit wegen mangelnder Ilagestabili tät des Rotors in Wirklichkeit bei etwa 2xlO Torr lag.
• Wegen der komplizierten und zeitraubenden Methode zur Ermittlung der Drehzahlabnahme kam dieses Gerät für den praktischen Gebrauch zunächst nicht in Betrachte Mit Hilfe einer neuartigen, automatisch arbeitenden und digital speichernden DrehzahlM9iezhode konnten später das Auflösungsvermögen ge -steigert und die Meßzeiten erheblich verkürzt werden( siehe OS 1 573 603 )O In jüngster Zeit wurde ein Gasreibungsmano -meter mit neuartiger Aufhängung einer diamagnetischen Graphitscheibe bekannt ( Evrard und Boutry), das ebenfalls eine Un -sicherheit von der Größenordnung lO -7 Torr aufweist.
• Die schwebende Graphitscheibe wurde auch in einem "2urbo -molekular- Manometer" eingesetzt, mit dessen Hilfe gasartunabhängige Druckmessungen bis herab zu 10-10 Torr gelangen, doch ist auch diese Methode mit dem Fehler der Veränderung der Gaszusammensetzung behaftet.
• Die bei den bekannten Geräten verwendeten Elektromagneten verbrauchen elektrische Verlustleistungen zwischen 50 und 300Watt, die in Wärme umgesetzt werden. Ein guter Teil dieser Wärme entsteht in der Nähe des Rotors und beeinträchtigt die erforderliche Temperaturstabilität.
• Die Grenze der Meßempfindlichkeit der Geräte mit schwebendem Rotor wird im Wesentlichen bestimmt durch die Qualität der Lage stabilisierung sowie durch die erzielbare Temperaturstabilität des Rotors während der Messung. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Werte entscheidend zu verbessern und dadurch die Meßempfindlichkeit beträchtlich zu steigern.
• Bei dem erfindungsgemäßen Gerät wird erstmalig der bei den bekannten Geräten übliche Elektromagnet durch einen Permanentmagneten ersetzt, der mittels einer elektromotorischen, von der Lage des Rotors abhängigen Ablenkvorrichtung seitlich bewegbar ist. Mit Hilfe einer elektronisch geregelten kleinen Feldkorrekturspule, die gleichzeitig als Hochfrequenzßpule hoher Güte zur Abtastung der Vertikalposition des schwebenden Körpers dient, wird dieser in einem solchen Abstand vg Magneten gehalten, daß sich die auf ihn wirkenden Kräfte ( nach oben gerichtete magnetische Anziehungskraft und nach unten wirkende Schwerkraft ) aufheben. Eine zusätzliche automatische Regelung bringt den Schwerpunkt des Schwebekörpers beliebig genau in die rotations-symmetrisch zur Wirkungslinie der Schwerkraft gelegene Pläche unterhalb des Magneten, in der auch ohne Feldkorrektur das bekanntermaßen labile Gleichgewicht der genannten Kräfte herrscht.
• Der durch die Spule fliossende Gleichstrom ist bei dieser Lage gleich Null. Nur bei Abweichungen des Schwebekörpers von der Gleichgewichtsfläohe fließt Strom durch die Spule, der so gerichtet ist, daß das von ihm erzeugte Korrekturfeld die Gleichgewichtslage wieder herstellt.
• Innerhalb der Gleichgewichtsfläche kann der schwebende Körper pendeln wie eine an einem Faden aufgehängte Nasse.
• Durch eine neuartige elektromechanische Ablenkvorrichtung am beweglich gelagerten Magneten werden alle durch Er -schütterungen ausgelösten seitlichen Schwingungen des Gesamtsystems stark gedämpft.
• Die neue Aufhängung arbeitet im Gleichgewicht stromlos, d.h. leistungslos ohne Wärmeentwicklung.
• Das Gasreibungsmanometer mit ferromagnetischem Rotor erreicht bei Anwendung der beschriebenen "permanentmagnetischen Aufhängung" nach der Erfindung eine Stabilität der Drehzahlabnahme, die einem Gasdruck von Torr orr entspricht.
• Dies bedeutet eine Steigerung der Meßempfindlichkeit gegenüber den bekannten Geräten um das Hundertfache.
• Die permanentmagnetische Aufhängung bietet weitere praktische Vorteile gegenüber den bekannten Aufhängungen z.B.: Raum-, Gewichts- und Kosteneinsparung wegen des Fortfalls der Kupferwicklung am Magneten, sowie entsprechende Ein -sparungen in der Auslegung des Steuergeräts und der Stromversorgung wegen des geringen Leistungsbedarfs. Letzterer liegt im Gleichgewichtsfall bei etwa o.l Watt ( Verlust -leistung im Steuergerät). Die Aufhängung eignet sich dementsprechend auch für Batteriebetrieb.
• Die Abbildung zeigt eine schematische Skizze der "Permanentmagnetischen Aufhängung" einschließlich der wesentlichen Teile des Steuergeräts. Der schwebende Körper 1 (hier dargestellt als Kugelrotor) wird mit Hilfe der elektronisch geregelten Korrekturspule 2 an die Stelle unterhalb des Stabmagneten 3 gebracht; an der magnetischen Anziehungskraft und Schwerkraft einander aufheben. Die Spule 2 dient gleichzeitig in bekannter Weise als Abtastspule für die Rotorlage auf der vertikalen Achse. Der Ausgangsstrom des Servoverstärkers 4 wird über eine Hochfrequenz-Drossel -spule 5 in die Korrekturspule 2 geleitet. Die Stromrichtung und mit ihrSdie Richtung des Korrekturfeldes hängen davon ab, ob der Rotor sich unter- bzw. oberhalb der idealen Ruhelage befindet, bei welcher kein Strom fliesstO Mit Hilfe einer automatischen Regelung 6 wird diese Lage beliebig angenähert.
• Zwischen Rotor und Magnet befinden sich Abtastspulen 7 für die induktive Abtastung von horizontalen Rotorbewegungen.
• Die Abbildung zeigt den Teil des Spulensatzes, der auf seitliche Bewegungen des Rotors in der Zeichenebene anspricht Der andere Teil, eine entsprechende Spulenkombinatioü zur Abtastung von Bewegungen senk -recht zur Papierebenes wurde zugunsten der Uebersicht lichkeit nicht eingezeichnet. Die der seitlichen Be -wegungsgeschwindigkeit proportionale Induktionsspannung gelangt über einen Servoverstärker 8 an die Ablenkspule 9. Entsprechendes gilt für die zweite Abtast-- Richtung.
• Die zu den gezeichneten Abtastspulen 7 gehörende Ablenkspule 9 wurde zur Vereinfachung der Zeichnung um 90° in die Papierebene gedreht, während die andere Spule fortgelassen wurde0 Die an drei Fäden 10 beweglich aufge -hängte ferromagnetische Kreisscheibe 11 ist durch eine unmagnetische Kupplung 12 mit dem Stabmagneten 3 fest verbunden. Die Kupplung 12 nimmt nur einen kleinen Teil des Raumes zwischen Magnet und Scheibe ein. Im starken axialen Magnetfeld des entstehenden Zwischenraums befinden sich eine raumfest montierte Wirbel3trom-Bremsplatte 13, mit deren Hilfe die Pendelschwingungen deu Magnetsystems gedämpft werden, sowie Teile der Ablenkspulen 9, welche die Scheibe 11 kreuzweise umschließen.
• Der bei seitlichen Bewegungen des Rotors entstehende Streu in diesen Spulen vrsacht eine elektromotorische Seiten-Ablenkung des Magneten, die so gerichtet ist, daß die Bewegungen abklingen. Der Strom der Abtast -spulen 7 ist durch je eine näher am Magneten angebrachte Zusatzspule 7a mit entgege * tstem Wicklungssinn kompensiert, damit zum überwiegenden Teil die Rotorbewegungen und weniger die Bewegungen des Magneten zum Aufbau der horizontalen Abtastspannung beitragen.

Claims (8)

1. Patentansprüche

   1 Schwebende Aufhängung eines magnetischen Gegenstandes, insbesondereeines ferromagnetischen Rotors für Gas -reibungsmikromanometer, unterhalb eines Magneten mit Vertikalabtastung mittels Hochfrequensspuler gekennzeichnet durch die Anordnung eines Permanentmagneten (3), der mittels einer elektromotorischen, von der Lage des Rotors abhängigen AblenivorrichRung seitlich bewegbar ist.
2. 2. Aufhängung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n u z e i c h n e tw daß in der Korrekturspule (2) für die Position des Rotors (l) auf der vertikalen Achse ein lagestabilisierendes9 axiales, magnetisches Korrekturfeld erzeugt wird.
3. 3. Aufhängung nach den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet durch die Anordnung einer automatischen Regelung (6), mit deren Hilfe der Rotor (1) beliebig genau in die Entreizung zum Permanent-Magneten (3) gebracht wird, bei welcher der Gleichstrom durch die Korrekturspule (2) den Wert Null erreicht.
4. 4.) ) Aufhängung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zylindrische Permanentmagnet ( 3) an seiner oberen Stirnfläche durch eine unmagnetische Kupplung (12) mit einer koaxial angeordneten ferromagnetischen Kreisscheibe ( 11) starr verbunden ist.
5. 5.) Aufhängung nach den Ansprüchen 1 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Magnetsystem, bestehend aus Permanentmagnet (3) ferromagnetischer greisscheibe (all) und Kupplung (12), an drei Fäden (10) beweglich aufgehängt ist.
6. 6.) Aufhängung nach den Ansprüchen 1,4 und 5 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem Permanentmagneten (3) und der ferro -magnetischen Kreisscheibe (11) eine Wirbelstrombrems -platte (13) raumfest montiert ist, die das Magnetsystem nicht berührt.
7. 7.) Aufhängung nach den Ansprüchen 1 und 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei Ablenkspulen ( 9) die Kreisscheibe (11) des Magnetsystems über je einem Durchmesser der Scheibe umschließens ohne daß sie das Magnetsystem berühren..
8. 8.) Aufhängung gach den Ansprüchen 1 und 4 bis 7 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e daß mehrere Abtastspulen (7),(7a) in der Nähe des Rotors (1) so angeordnet sind, daß aus ihnen nach Zusammenschaltung zwei Induktionsspannungen entnommen werden können, die den horizontalen Rotorgeschwindigkeiten in zwei voneinander verschiedenen Richtungen proportional sind, und die nach linearer Verstärkung (8) in Verbindung mit den Ablenkspulen (9) des Magnetsystems die Dämpfung von Horizontalbe wegungen des Gesamtsystems bewirken.