DE2151551A1 - Mit magnetischer Kernresonanz arbeitende Vorrichtung - Google Patents

Description

Patentanwälte
Dr. Ing. H. He

Dipl. Ing. H. H-DIpS. Phys. W. Sc
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Tel. 5 3a. VA

Newport Instruments Limited

Newport Pagnell, 14. Oktober 1971

Anwaltsakte M-I776

Mit magnetischer Kernresonanz arbeitende Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit magnetischer Kernresonanz arbeitende Vorrichtung mit einer Spule, die eine Probe an einem Probenort umgibt, einer Magnetanordnung, die am Probenort ein erstes in einerRichtung verlaufendes magnetisches Feld erzeugt, einem Bezugs-Oszillator, der die Spule erregt und der Probe somit einem zweiten magnetischen Wechselfeld aussetzt, das senkrecht auf dem ersten Feld steht, einem der Hagnetanordnung zugeordneten Abtastspule, einem Abtastoszillator, dessen Ausgang mit der Abtastspule verbunden ist, und einem Detektor, der die Spule in einen Stromresonanzkreis schaltet, um Resonanzimpulse von der Probe zu erhalten.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Systeme, die eine automatische Steuerung des magnetischen Feldes in einer solchen Vorrichtung vorsehen. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine

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selbsttätige Frequenzsteuerung in derartigen Vorrichtungen.

Wie allgemein bekannt ist, wird bei einer Vorrichtung, die das Phänomen der magnetischen Kernresonanz ausnutzt, eine zu untersuchende Probe einem ersten in einer Richtung verlaufenden magnetischen Feld und einem zweiten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, das senkrecht auf dem ersten Feld steht. Bei einer be-

ist stimmten Frequenz des Wechselfeldes, die in bezug gesetzt /zur Stärke des gerichteten Feldes, wird vom Wechselfeld Energie absorbiert. Von dieser Energieabsorption kann ein elektrisches Signal abgeleitet werden, das den Resonanzzustand anzeigt.

Bei einer bekannten mit magnetischer Kernresonanz arbeitenden Vorrichtung weist diese einen Magneten auf, der das gerichtete Magnetfeld erzeugt, ferner eine Modulationsspule, die dem stetigen gerichteten Feld eine geringe Veränderung überlagert, und schließlich einen Resonanzdetektor, der mit einer Spule verbunden ist, die die Probe umgibt und durch den die Probe mit einem f mit hoher Frequenz schwingenden Magnetfeld beaufschlagt werden kann.

Bei einem typischen Meßvorgang bei dieser bekannten Vorrichtung wird ein zyklisch sich ändernder Strom auf die Modulatinsspule gegeben, um zyklisch die Stärke des gerichteten Feldes zu verändern, d.h. abzutasten. Die Frequenz des Detektoroszillators wird dann eingestellt bis eine Resonanzspitze zu jedem Zeitpunkt beobachtet wird, indem die Modulation bewirkt, daß das resul-

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tierende Magnetfeld den Weg des gerichteten Feldes durchläuft.

Unter manchen Umständen kann sich das Feld des Magneten jedoch während der Prüfung eines Materials ändern, z.B. infolge von Ter.iperaturänderungen oder durch Änderungen der lokalen magnetischen Bedingungen oder einfach mit der Zeit.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein automatisches Steuersystem für das magnetische Feld einer mit magnetischer Kernresonanz arbeitenden \'orrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe das gerichtete Feld des Magneten stabilisiert werden kann.

Wenn ferner jede mit magnetischer Kernresonanz arbeitende Vorrichtung zur Prüfung einer Folge von verschiedenen Proben verwendet wird, oder wenn man angeschlossene Meßgeräte verwendet, durch die die Zusammensetzung der Probe sich dauern ändert, dann können Frequenzänderungen in Detektoroszillator stattfinden, die auf Änderungen im Verlustfaktor und/oder der Dielektrizitätskonstante zurückzuführen sind und die zur Verstimmung des Oszillators führen.

Es ist daher wünschenswert eine automatische Frequenzsteuerung in eine Vorrichtung, wie sie oben erwähnt wurde, einzubauen, um das Erfordernis des Wiedereinstimmens des Oszillators zu vermeiden, wenn die Zusammensetzung der Probe sich ändert. Dies ist von besonderer Bedeutung bei angeschlossenen Arbeiten, bei denen die Zusammensetzung der Probe sich dauernd ändert.

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,Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gelöst durch einen Impulsdetektor, der die Resonanzimpulse vom Detektor erhält und ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Resonanzimpulse vom gleichmäßigen Zeitabstand abweichen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem Öffnungsimpuls-Generator, der mit dem Ausgang des Abtastoszillators verbunden ist und Öffnungsimpulse erzeugt, die den Zeitpunkt umfassen, in dem die Resonanzimpulse von der Probe auftreten, wobei der Impulsdetektor die öffnungsimpulse erhält und ein Fehlersignal erzeugt abhängig von der zeitlichen Verschiebung der Resonanzimpulse gegenüber den Öffnungsimpulsen.

Bei einer anderen bevorzugten Aus führungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Tastspeicherkreis auf, der das zusammengesetzte Ausgangssignal vom Impulsdetektor erhält und ein Ausgangssignal erzeugt, und den Wert des Feldes der Magentanordnung bei jeder anderen Abtastung des Abtastoszillators auf den neuen Stand \ bringt.

Das Fehlersignal wird vorzugsweise auf eine Feldkonrekturwicklung der magnetischen Anordnung als Gleichstromsignal gegeben, dessen Vorzeichen abhängig ist von der Abweichrichtung des magnetischen Feldes vom richtigen Wert. In Abänderung hierzu kann jedoch das Fehlersignal dazu verwendet werden, die Frequenz des Bezugsoaszillators zu steuern.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner einen Frequenz-Regelkreis aufweisender einen weiteren Oszillator aufweist, der die Spule in den Stromresonanzkreis schaltet und der einen kapazitiven Abstimmkreis aufweist, der parallel zur Spule geschaltet ist und dessen Kapazität sich mit der beaufschlagten Spannung ändert. Ein Phasenvergleichskreis erhält die Ausgangssignale vom Bezugsoszillator und vom weiteren Oszillator abhängig von der Phasendifferenz an seinen Eingängen, um den kapazitiven Abstimmkreis mit einem Spannungssignal zu speisen, das die Frequenz des weiteren Oszillators ändert in dem Sinne, daß er automatisch abgestimmt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Bbckschaltbild eines Steuersystems zur automatischen Steuerung eines Magnetfeldes für eine Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines Detektors für magnetische Kernresonanz mit einem zugeordneten Verstärker nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Abtastoszillators nach Fig.1;

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild des Öffnungsimpuls-Generators nach Fig. 1;

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines Pegeldetektors und eines Detektors für die Linienmitte nach Fig. 1; _^_

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Fig. 6 zeigt ein Schaltbild des Feldsuch- und Verriegelungskreises nach Fig. 1;

Fig. 7 zeigt ein Schaltbild des TastsDeicherkreises nach Fig. 1;

Fig. 8 zeigt ein Schaltbild des Spur- und Haltestromkreises nach Fig. T;

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer automatischen Frequenzsteuerung für die erfindungsgemäße Vorrichtung, die vorzugsweise in Verbindung mit der HiIfssteuerung nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 10 zeigt den Kernresonanz-Oszillator nach Fig. 9 aus dem hervorgeht, wie das Steuersignal für die Frequenz beaufschlagt wird;

Fig. 11 zeigt ein Schaltbild eines Teils der automatischen Frequenzsteuerung nach Fig. 9;

Fig. 12 zejgt ein Schaltbild eines Entriegelungsdetektors nach Fig. 9;

Fig. 13 zeigt ein Schaltbild des Generators nach Fig. 9.

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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Kontrollprobe 10 aus einem Material, das magnetische Kernresonanz zeigt, innerhalb einer

Magnetanordnung angebracht, die Pole 12 und 14 aufweist. Eine Hochfrequenzspule 16 ist um die Probe herum gewickelt und ist annähernd in der Mitte der Magnetanordnung angeordnet. Die Pole 12 und 14 erzeugen ein gerichtetes Magnetfeld für die Probe, und die in Reihe geschalteten Abtastwicklungen 18 und 20 tasten das Magnetfeld ab, wenn sie in geeigneter Weise erregt werden. Die Spule 16 erzeugt, wenn sie erregt wird, ein homogenes Hochfrequenzfeld, so daß die Probe einem Hochfrequenz-Magnetfeld ausgesetzt ist, das im rechten Winkel zum gerichteten Feld verläuft.

Die Kontrollprobe 10 wird in Verbindung mit einer zweiten Probe 22 verwendet, die in gleicher Weise mit einer Hochfrequenzspule 24 umgeben ist. Die Probe 22 ist eine veränderlich Probe und stellt ein Material dar, das durch eine Rohrleitung fließt oder ein Material, das wiederholt in einem Probensystem geändertjwurde. Die beiden Proben 10 und 22 werden so nahe wie möglich anehander zwischen den Magentpolen 12 und 14 angeordnet, es wird jedoch eine angemessene Abschirmung zwischen den beiden beibehalten. Der Zweck der in Fig.1 gezeigten Schaltung ist der, die Änderungen des magnetischen Feldes wie sie bestimmt sind durch Änderungen in dem zeitlichen Auftreten der Resonanzimpulse der Kontrollprobe 10_; zu korrigieren.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten System wird das Feld des Magneten auf einen konstanten Viert gehalten, der vom Bezugsoszillator 26 aufgezwungen wird. Es ist jedoch auch möglich, den Bezugs-

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- 8 Oszillator 26 dem magnetischen Feld aufzusehalten.

Der Bezugsoszillator 26, der ein von einem Kristall gesteuerter Oszillator sein kann, wird in seiner Frequenz so gewählt, daß sie nahe der Protonenresonanzfrequenz ist entsprechend dem Feld der Magneten 12, 14. Der Bezugsoszillator 26 treibt einen Detektorkreis 28 für die magnetische Kernresonanz, mit dem die um die Kontrollprobe 10 gexiickelte Spule 16 zu einen abgestimmten Kreis verbunden ist. Durch eine geeignete Einstellung der Detektorschaltung 28 wird ein Resonanzimpulszug erhalten, der einem Tonfrequenzverstärker 30 zugeführt wird. Der durch den Verstärker erzeugte Resonanzimpulszug wird auf eine Leitung 32 gegeben, die zu einem Pegeldetektor 34 führt.

Die Abtastspulen 18 und 20 werden von einem Abtastoszillator 36

führerregt, der über eine Leitung 38 mit einem Nach/ und einem Haltestromkreis 40 verbunden ist, der über einen Verstärker 42 mit den Abtastspulen 18 und 20 verbunden ist. Der Abtastoszillator ist außerdem über eine Leitung 44 mit einem (Iffnungsimpuls-Generator 46 verbunden. Ein Ausgang des Öffnungsimpuls-Generators 46 ist über eine Leitung 48 mit dem Pegeldetektor 34 verbunden.

Das Ausgangssignal des Pegeldetektors 34, das aus einem Zug scharfer negativer Impulse besteht, von denen jeder einem Resonanzimpuls entspricht, wird über eine Leitung 50 einem Detektor 52 (line centre detector) zugeführt. Der Detektor 52 erhält das Ausgangssignal des Abtastoszillators'übcr die Leitung 54 und den

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Wellenzug des Öffnungsimpuls-Generators 46 über die Leitung 56. Der Detektor 52 erzeugt abwechselnd invertierte Impulse, von denen jeder einem Resonanzimpuls entspricht, wobei der Bereich jedes Impulses auf den Zeitpunkt bezogen ist, in dem der zugeordnete Resonanzimpuls auftritt. Hierauf wird später noch näher eingegangen. Das Ausgangssignal vom Detektor 52 wird über eine Leitung 58 einem Integrator 60 zugeführt. Das integrierte Signal gelangt über eine Leitung 62 zu einem Tastspeicherkreis kreis 64. Der Ausgang der Schaltung 64, die über eine Leitung mit dem Ausgangssignal des Abtastoszillators und über eine Leitung 68 mit dem Ausgangssignal des Öffnungsimpuls-Generators versorgt wird, ist mit dem Ausgang des Verstärkers 42 verbunden, der den Abtastwicklungen 18 und 20 zugeordnet ist.

Um sicherzustellen, daß das System schnell betriebsbereit ist, wenn die Vorrichtung zunächst angeschaltet wird, ist ein Feldsuch- und Sperrkreis 70 vorgesehen. Die Schaltung 70 erhält ein Eingangssignal von dem Detektor 52 über eine Leitung 72. Der Ausgang der Schaltung 70 ist mit dem Integrator 60 verbunden. Wenn das System normal läuft, ist die Feldsuch- und Sperrschaltung nicht in Betrieb.

Bei bestimmten mit mangetischer Kernresonanz arbeitenden Systemen kann es wünschenswert sein, eine zusätzliche Modulation vorzusehen, um gewisse nachteilige Erscheinungen bei besonderen Proben zu vermeiden. Ein zusätzlicher ."'odulat ionsoszillator 78 ist in Ii-. I ^eiceigt und über einen Schalter 60 mit dei.i Abta.-itoszillator 7)6 verbunden.

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Die verschiedenen Teile, die in Fig. 1 in Blockbildern dargestellt sind, werden anhand der Fign. 2-8 nachfolgend näher be-'schrieben.

In Fig. 2 wird ein Antriebsspannungssignal vom Bezugsoszillator 26 auf den Mittelpunkt eines Abstimmkreises C1, C2, C™ und der Spule 16 über einen veränderlichen Kondensator C3 gegeben. Der Antriebsstrom wird durch die Impedanz des Kondensators C3 begrenzt. Die Schaltung wird mit dem Antriebssignal auf Resonanz abgestimmt, indem der veränderliche Kondensator Cy. eingestellt wird. Die Probe kann ein Glasrohr sein, das eine entspannte Wasserprobe enthält.

Jedesmal, wenn das Magnetfeld durch die Feldabtastung durch Resonanz hindurchgeht, wird ein kleiner Energiebetrag von dem Abstimmkreis absorbiert. Da der Antriebsstrom begrenzt ist, führt diese Energieabsorption zu einem Abfall der Hochfrequenzspannung am Abstimmungskreis. Damit ist das Kernresonanz-Signal erzeugt.

Die Höhe der Spannung am Mittelpunkt des Abstimmkreises wird in einem Hochfrequenzverstärker Tl vergrößert, und das Ausgangssignal des Verstärkers wird einer Detektorschaltung zugeführt, die Dioden 1)1, D2, einen Kondensator C4 und einen Widerstand R1 aufweist. Das resultierende Tonfrequenzsignal wird über einen Kondensator C5 mit dem Tonfrequenzverstärker 30 gekoppelt. Ein Tiefpaßfilter R2, C6 entfernt das verbleibende HochFrequenzsignal am Ausgang des Verstärkers 3Π, den Ie-Jt lieh das verstärke Kernft'-.onan:.-Sii'iial atf der \isiv-in sleitunr. ">.! verläßt.

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BAD ORIGINAL

Ein Abtastoszillator 36¹ISt¹In Fig. 3 in Einzelheiten gezeigt und dient dazu, eine Wellenform mit fester Amplitude, vorzugsweise eine Dreieckswelle zu erzeugen. Der Abtastoszillator weist einen NPN-Transistor T2 und einen PNP-Transistor T3 auf, wobei Zenerdioden ZD1 und ZD2 von 6 Y zwischen den entsprechenden Kollektoren und Masse geschaltet sind. Die positive und negative Amplitude der Ausgangs-Dreieckswelle wird bestimmt durch die Durchbruchsspannungen der Dioden ZD1 und ZD2. Mit den Basen der Transistoren T2 und T3 ist der Ausgang eines Verstärkers AMP1 verbunden. Ein Eingang des \^rerstärkers ist mit einem Schalter 80 verbunden, mit dessen Hilfe eine zusätzliche Modulation von dem zusätzlichen Oszillator 78 vorgesehen werden kann. Die Emitter der Transistoren T2 und T3 sind über ein Potentiometer R3 mit einem Eingang eines Integrationsverstärkers AMP2 verbunden, der eine Rückkopplung zum Verstärker AMP1 besitzt. Das Potentiometer R3 steuert die Abtastfrequenz des Abtastoszillators. Das Ausgangssignal des Abtastoszillators am Ausgang des Verstärkers AMP2 wird über die Leitungen 38 und 44 der Spur- und Haltestromschaltung 40 (Fig. 8) und dem Öffnungsimpulsgenerator 46 (Fig. 4) zugeführt. Das Ausgangssignal vom Verstärker AMP1 wird außerdem über die Leitungen 54 und 56 dem Detektor 52 (Fig. 5) bzw. dem TastsneicherkTeis ⁶⁴ (Fig. ⁷) zugeführt.

Der Tastimpulsgenerator 46 wird im einzelnen in Fig. 4 gezeigt und erhält ein Eingangssignal über die Leitung 44 von Abtastoszillator 36. Die Abtastwellenform wird über einen veränderlichen Widerstand R4 der Verbindung zwischen den in Reihe geschalteten

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Dioden D3 und D4 zugeführt. Die Leitungen, die die Dioden D3 und

mit
D4/einer positiven bzw. negativen Vorspannung verbinden, sind mit Eingängen eines Operationsverstärkers AMP3 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 48 mit dem Pegeldetektor 44 (Fig. 5), über eine Leitung 56 mit dem Detektor 52 (Fig. 5) und über eine Leitung 68 mit dem Proben- und Haltestromkreis 64 (Fig. T) verbunden ist. Die Aufgabe des Öffnungsimpulsgenerators 46 besteht darin, das Ausgangssignal des Abtastoszillators auf jeder Seite jedes Resonanzsignals zu tasten. Die Breite des Tastimpulses ist konstant und wird mit Hilfe des veränderlichen Widerstands R4 eingestellt. Die Breite der Tastimpulse muß jedoch ausreichend sein, daß jeder Resonanzimpuls bei Betriebsbedingungen, bei denen die Veränderlichen, die die Resonanzimpulse beeinträchtigen und eine zeitliche Verschiebung der Lage der Impulse verursachen, innerhalb der Torimpulse fällt.

Im folgenden wird auf Fig. 5 bezug genommen,, die Einzelheiten des Pegeldetektors 34 und des Detektors 52 zeigt. Der Pegeldetektor 34 erhält Resonanzimplse auf der Eingangsleitung 32 und Torimpulse auf der Eingangsleitung 48. Die Torimpulse auf der Leitung 48 werden über eine Diode D5 und einem Feldeffekttransistor T4 zugeführt. Die Resonanzimpulse auf der Leitung 32 werden wechselspannungsmäßig mit dem Detektor gekoppelt und werden gefiltert, bevor sie auf den Verstärker AMP4 gegeben werden. Ein Netzwerk aus Vorspannungswiderständen ist mit einem der Eingänge des Operationsverstärkers AMP4 verbunden. Die Funktion des Pegeldetektors besteht darin, daß der Ausgang des Verstärkers AMP4 jedesmal dann in die positive oder negative Sättigung getrieben wird,

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wenn das Vorspannungsniveau überschritten wird. Das bedeutet, daß das Ausgan^ssignal vom Verstärker aus einer Reihe von scharfen negativen Impulsen besteht, wobei jeder Impuls das Ergebnis eines entsprechenden Resonanzimpulses auf der Leitung 32 ist und zeitlich exakt mit dem zugeordneten Resonanzimpuls übereinstimmt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers AMP4 wird über die Leitung dem Detektor 52 zugeführt, der einen logikblock 82 enthält. Der Logikblock 82 weist vier NAND-Gatter LG1 bis LG4 auf. Die Eingänge der Gatter und deren Ausgänge sind wie in Fig. 5 dargestellt angeschlossen. Das eine Eingangssignal für den Logikblock 82 besteht aus den scharfen negativen Impulsen vom Pegeldetektor 34, die auf einen Eingang des Gatters LG3 gegeben werden. Ein anderes Eingangssignal des Logikblocks siid die Torimpulse auf der Leitung 56, die auf einen Eingang des Gatters LG4 gegeben werden. Das Ausgangssignal des Tastoszillators auf der Leitung 54 gelangt auf einen Eingang des GattersLGI. Ein Ausgangssignal des Logikblocks 82, d.h. das Ausgangssignal des Gatters LG1 wird dem invertierenden Eingang eines Verstärkers AMP5 zugeführt. Ein anderes Ausgangssignal des Logikblocks 82, das heißt das Ausgangssignal des Gatters LG2, wird über ein Potentiometer R5 dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers AMPS zugeführt. Die Ausgangsleitung 58 ist sowohl mit dem Ausgang des Verstärkers ΑΓ1Ρ5 als auch mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers mit dem Ergebnis verbunden, daß jeder andere Impuls auf der Leitung 58 invertiert wird.

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Die wesentliche Eigenschaft dieser Ausgangsimpulse besteht darin, daß die Vorderflanke jedes impulses durch das Auftreten eines entsprechenden Resonanz impulses bestimmt ist, während die hintere Flanke jedes Impulses durch die hintere Flanke des zugeordneten Torimpulses vom Generator 46 bestimmt ist» Wenn im Betrieb das magnetische Feld konstant ist, mißt die Lage der Resonanzimpulse in bezug auf das Abschließen der Torimpulse konstant, und die Impulse auf der Leitung 58 haben daher die gleiche Fläche. Wenn " das magnetische Feld sich jedoch aus irgendeinem Grunde ändert, ändert sich auch die Lage der Resonanzimpulse gegenüber dem Abschluß der Torimpulse entsprechend, und die Fläche der Impulse auf der Leitung 58 ändert sich ebenfalls.

Im Ausgangskreis des logischen Gatters LG2 ist ein Potentiometer R5 vorgesehen, so daß die Resonanzimpulse von der Kontrollprobe absichtlich versetzt werden können. Dies kann für den Fall notwendig sein, wenn das magnetische Feld zwischen den Polen 12 und ^ 14 derart ist, daß das magnetische Feld an dem Ort, an dem sich die Kontrollprobe 10 befindet, sich vom Feld an dem Ort, an dem die Arbeitsprobe 22 angeordnet ist, unterscheidet.

Fig. 6 zeigt den Integrator 60 am Ausgang des Detektors 52 und ferner den Feldsuch- und Sperrkreis 70. Der Integrator 60 enthält einen Integratxonsverstärker AMP6. Die Ausgangsklemme 84 des Verstärkers ist über die Leitung 62 mit dem Proben- und Haltestromkreis nach Fig. 7 verbunden. Der Feldsuch- und Sperrkreis

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ist so ausgebildet, daß er arbeitet, wenn die mit Kernresonanz arbeitende Vorrichtung zuerst eingeschaltet wird und kein Resonanzimpuls vorhanden ist. Die Schaltung 70 enthält im wesentlichen einen Verstärker AMP7, dessen Ausgang über eine Rückkopplungsschleife auf den Eingang des Integrationsverstärkers AMP6 geschaltet ist. Ein Schmitt-Trigger ist über eine Leitung 72 mit dem Ausgang des logischen Gatters LG4 und dem einen Eingang des logischen Gatters LG3 verbunden. Die Such- und Sperrschaltung ist nur in Betrieb,bis ein Resonanzimpuls in den Torimpulsen,die durch den Torimpulsgenerator gebildet werden, erscheint, worauf sie abgeschaltet wird und der Verstärker A!IP6 dazu übergeht, das Ausgangssignal auf der Leitung 62 in üblicher Weise zu erzeugen.

Fig. 7 zeigt den Tastspeicherkreis 64, der ein Ausgangssignal vom Integrator 60 über die Leitung 62 erhält. Das Ausgangssignal des Integrators ist eine Welle in Trapezform mit verhältnismäßig langen Perioden, wenn die Wellenform in ihrer Amplitude ansteigt oder abfällt. Wenn diese Wellenform direkt dazu verwendet werden soll, ein Korrektur- oder ein Ausgleichssignal für die Magnetspulen zu erzeugen, besteht Gefahr, daß Resonanzen in solchen Perioden entstehen, wenn die Wellenform des Ausgangssignals des Integrators sich ändert. Entsprechend tastet die Tastspeicherschaltung 64 periodisch die Wellenform des Integrators und erzeugt ein Ausgangssignal, das bsi dieser Amplitude bis zur nächsten Tastperiode konstant ist. Die Tastperioden sind so, daß sie vom Torimpulsgenerator getriggert werden, so daß das magnetische Feld bei jeder weiteren Abtastung

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auf den neuesten Stand gebracht wird, um die Stärke des Feldes konstant zu halten.

Die Tastspeicherschaltung 64 enthält einen Logikblock 86 mit vier NAND-Gattern, die Eingangssignale vom Abtastoszillator 36 über die Leitung 66 und vom Torimpulsgenerator 46 über die Leitung 68 erhalten. Bin Feldeffekttransistor T5 ist sowohl mit dem Ausgang des Logikblocks 86 als auch mit einer Leitung 62 für ein Fühlersignal verbunden und dient als Halteschalter. Ein Integrationsverstärker AMP8 ist mit dessen Ausgang verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers auf der Leitung 88 wird als Gleichspannungs-Fehlersignal, dessen Vorzeichen von der Richtung der Abweichung des Magnetfelds vom korrekten Wert abhängt, dem Ausgangsverstärker 42 zugeführt.

Das andere Eingangssignal des Ausgangsverstärkers 42 auf der Leitung 90 kommt vom Abtastoszillator 56 über die Spur- und Halteschaltung 40, die in Fig. 8 dargestellt ist. Die Funktion dieser Schaltung besteht darin, die dreieckige Abtastwellenform abzuschneiden, so daß ein Ausgangsverstärker geringerer Leistung verwendet werden kann. Die Schaltung weist einen Verstärker ΑΓΙΡ9 und einen Integrationsverstärker AMP10 mit totaler Rückkopplung auf, um zusammen einen Verstärker mit fester Verstärkung zu bilden. Ein Transistorschalter T6 ist zwischen die beiden Verstärker geschaltet. Seine Basis ist über eine Leitung 92 mit dem Torinpulsgenerator 46 verbunden, so daß der Transistor durch die Torimpulse des Torimpulsgenerators gesteuert wird.

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Durch die Wirkung der Schaltung hat die Dreieckwelle von dem Ab- ' tastoszillator zwei feste Amplituden, wobei die oberen und unteren Abschnitte abgeschnitten sind. Die Schaltung stellt die Dreieckswelle zwischen diesen Amplituden ein und hält ihre Ausgangssignale auf diesen festen Niveaus, wenn das Ausgangssignal des Tastimpulsgenerators über-oder unterhalb dieser Grenzen ansteigt bzw. abfällt.

i'as Ausgangssignal des Verstärkers 42, mit dem die Abtastspulen 18, 20 gespeist werden, ist eine Zusammensetzung aus Wechsel- und Gleichspannung. Die Wechselspannung erzeugt die normale Abtastung des Magnetfeldes, um den Resonanzzug zu erzeugen. Die Gleichspannung wird dazu verwendet, jede Kraft des Gleichfeldes zu korrigieren.

Anstelle von zwei Abtastspulen 18 und 20 können zwei getrennte Abtastspulenpaare verwendet werden, wobei ein Paar für die normale Abtastung mit Wechselspannung und das andere Paar für die Feldkorrektur herangezogen wird. Die zusätzliche Modulation kann außerdem über ein weiteres getrenntes Spulenpaar auf den Magnetpolen eingeführt werden.

Anstelle einer Korrekturschleife, wie sie oben beschrieben wurde, um das Magnetfeld zu steuern, kann das Fehlersignal dazu verwendet werden, die Frequenz des Bezugsoszillators 26 zu steuern, beispielsweise durch Verwendung von Dioden mit veränderlicher Kapazität, die in dem Abstimmkreis des Bezugsoszillators angeordnet sind.

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Man sollte sich fernerNgegenwärtigen, daß die Kontrollprobe 10 nicht nötig wird, wenn die veränderliche Probe 22 dauernd ein ausreichend starkes Signal für den Resonanzimpulszug liefert, um die Korrekturschleife für das Feld zu betreiben.

Im folgenden wird auf die Fign« 9-13 bezug genommen, die eine automatische Frequenzsteuerung für eine mit Kernresonanz arbeitende Vorrichtung zeigen.Diese automatische Frequenzsteuerung ist insbesondere dazu geeignet, in Verbindung mit einer selbsttätigen Feldsteuerung, wie sie oben bescMeben wurde, verwendet zu werden.

Wie in Fig. 9 gezeigt, ist die zn prüfende Probe 22 innerhalb einer Magnetanordnung angeordnet, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Hochfrequenzspule 24 bildet einen Teil eines Stromresonanzkreises eines Hochfrequenzoszillators 114. Durch genaue Einstellung der Frequenz des Hochfrequenzoszillators können in jedem Abtastzyklus zwei Resonanzspitzen erzeugt werden. Die durch die Hochfre-quenzspule 24 aufgenommene Energie bei der Resonanz erzeugt eine charakteristische Modulation der einhüllenden der Hochfrequenz, die erfaßt, verstärkt, getastet und angezeigt wird.

In Fig. 10 ist zu erkennen, daß der Oszillator 114 einen Hochfrequenzverstärker 116 aufweist, der ein erstes Ausgangssignal auf eine Rückkopplung 118 gibt und der ein zweites Ausgangssignal auf eine Leitung 120 gibt, das, wie nachfolgend noch beschrieben werden soll, zur automatischen Frequenzsteuerung verwendet wird. Die Ausgangsseite der Rückkopplung 118 ist mit dem Verbindungs-

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punkt von zwei Kondensatoren 122, 124 verbunden, die mit der Spule 24 den Oszillator-Stromresonanzkreis bilden.

Wie Pig. 9 gezeigt, werden die Ausgangssignale vom Oszillator einer Trennstufe 126 zugeführt und danach einer symmetrischen Mischstufe 128, die nachfolgend im einzelnen beschrieben iverden soll. Das zweite Eingangssignal für die Mischstufe 128 kommt vom Bezugsoszillator 26 über eine Trennstufe 132. Das Ausgangssignal von der .Mischstufe 128 wird einem Gleichspannungsverstärker 134 ä zugeführt. Die verstärkten Signale werden über eine Leitung 136 zurück zu Abstinmkomponenten der automatischen Frequenzsteuerung im Oszillator 114 geleitet, wie in Fig. 10 dargestellt. IVie ferner weiter unten noch beschrieben werden soll, ist auf der Ausgangsseite der Mischstufe 128 ein weiterer-Detektor 138 angeordnet, Jer betätigt wird, wenn die Vorrichtung zunächst eingeschaltet wird und der dazu dient, eine Phasensperre für den Oszillator 114 vorzusehen. Der Detektor 138 triggert einen langsamen Kipprencrator 40, dessen Ausranp nit den Gleichspannungsverstärker verbunden ist. ^

Im folgenden wird bezug genommen auf Fig. 11, in der der Bezugsoszillator 2ö eine niederpegelige Schwingung erzeugt. Die Transistor-Trennstufe 132 und ein Anpassungstransformator 133 erzeugen ein 50 Ohm-Eingangssignal für die ^Mischstufe 128. Der Bezugsoszillator 26 läuft mit der gleichen Frequenz wie der Oszillator 114, und zwar bei einer voreingestellten optimalen Amplitude. Die Signale des Oszillators 114 auf der Leitung 120 werden in der Mischstufe 126 verstärkt, die eine Begrenzerschaltung in Form

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von zwei Dioden D6 und D7 aufweist, die parallel zum Anpassungstransformator 127 geschaltet sind. Dadurch wird eine Überlastung der Mischstufe bei hohen Signalwerten vom Oszillator 114 verhindert und der Mischstufe 128 eine beschnittene Wellenform zugeführt.

Die symmetrische Mischstufe 128 ist ein Phasenvergleicher und enthält vier Dioden, die zu einer Brückenschaltung angeordnet sind, so daß das Gleichspannungs-Ausgangssignal von der Diodenbrücke ein Maß für die Phasendifferenz zwischen den zwei Eingangssignalen ist. Das eine Eingangssignal der Trennstufe 126 wird der Primärwicklung eines ersten Transformators zugeführt, dessen Sekundärwicklung mit ihren Enden mit zwei gegenüberliegenden Klemmen der Diodenbrücke verbunden ist. Das andere Eingangssignal von der Trennstufe 132 wird der Primärwicklung eines zweiten Transformators zugeführt, dessen Sekundärwicklung mit ihren Enden mit den beiden anderen Brückenklemmen verbunden, ist. Das Gleichspannungs-Ausgangssignal der Brücke wird von Mitte!anzapfungen der beiden Sekundärwicklungen abgenommen.

Das Gleichspannungs-Ausgangssignal des Phasenvergleichers 128 wird dem Gleichspannungsverstärker 134 zugeführt, der in geeigneter Weise vorgespannt ist und zwei Zenerdioden ZD3 und ZD4 aufweist, deren Sperrichtungen gegeneinander geschaltet sind. Das verstärkte Gleichspannungs-Ausgangssignal auf der Leitung 136 wird dem Oszillator 114 zurückgeführt, wie in Fig. 10 gezeigt. Das Gleichspannungssignal auf der Leitung 136 wird über einen Schalter 142 einem Verbindungspunkt 143 eines Abstimmkreises zu-

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geführt. Der Abstimmkreisweist zwei in ihrer Kapazität veränderliche Dioden 144, 145 auf und zwei feste Kondensatoren 146, 147, die sämtlich in Reihe geschaltet und parallel zur Spule 24 geschaltet sind. Die in ihrer Kapazität veränderlichen Dioden 144, 145 haben die Eigenschaft, daß ihre Kapazität von der sie beaufschlagenden Spannung abhängt. Somit verursacht eine Phasenänderung am Eingang des Vergleichers 128 eine Änderung des Gleichspaniiungssignals auf der Leitung 136, das die Dioden 144, 145 beaufschlagt, die ihre Kapazität ändern. Dies wird auf den Oszillator 114 rückgekoppelt, der seine Frequenz in der Richtung ändert, daß die Phasendifferenz in bezug auf den Bezugsoszillator 26 verringert wird, womit automatisch der freilaufende Oszillator 114 zurückgedreht wird. ·

Mit einem Abstimmkreis, wie er gezeigt ist, kann eine Kapazitätsänderung in der Größe von 3:1 erhalten werden. Man kann zwei veränderliche kapazitive Dioden 144, 145 allein verwenden, ohne die festen Kondensatoren 146, 147. Die Anordnung, wie sie gezeigt wird, wird jedoch bevorzugt. Dies liegt daran, daß die Gleichspannungspotentiale beide Seiten der Dioden beaufschlagen können, wobei die festen Kondensatoren als Gleichspannungs-Sperrkondensatoren wirken und den erforderlichen Abstimmbereich der Spule liefern.

Wenn die mit Kernresonanz arbeitende Vorrichtung eingeschaltet wird und der Bezugsoszillator 26 und der Oszillator 114 zu schwingen beginnen, dann kann ssirij aeL· :Vl3 'z-biasu Osillii'"" *3^ iii :ht phasenstarr sind. Aus dieser, Grands vtisr. dia uu'ioins'-is-'h-? Frequenzsteuerung außerdem ^.-λ,- ?„■■;>£■-.-ζ&:-Λ:-^Λ.:^ξ '.-ί3_: 1'JO ·λι·;;, die

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das Einfangen des Oszillators 114 gewährleisten, wenn die Vorrichtung zuerst eingeschaltet wird. Die Zusatzschaltung ist in den Fign. 12 und 13 gezeigt, zuerst, wenn die Oszillatoren eingeschaltet werden, kann eine große Frequenzdifferenz zwischen ihnen bestehen, beispielsweise in der Größenordnung von mehreren KHz. Unter diesen Umständen befindet sich am Ausgang die Grundwelle ' der Beziigsoszillator frequenz und ein Über! agerungs ton, der ein Wechselstromsignal ist. Die Gleichspannunskompcnente ist nicht fc groß genug, um die Oszillatoren phasenstarr zu machen. Der Detektor 138, der in Einzelheiten in Fig. 12 dargestellt ist, weist eine Filteistufe ISö auf, die die Grundwelle dämpft. Er weist ferner einen Verstärker 152 auf, der mit dem überlagerungston beaufschlagt ist und der dadurch in die Sättigung getrieben wird. Er weist ferner einen Diodensaiigkreis 154, der das Ausgangssignal des Verstärkers gleichrichtet, einen Transistor 156 und einen Reedkontakt "!58 auf, der mit dem Kollektor des Transistors 156 verbunden ist und der eine Anzeigelampe 160 aufweist, die parallel dazu liegt. Der langsame Kippgenerator 140, der in Einzelheiten in Fig. 13 wiedergegeben ist, ist ein getrennter, langsam laufender Oscillator, der mit dem Detektor 138 gekoppelt und durch diesen getriggert ist. Der Generator 140 weist einen Verstärker 162 auf mit einer Rückkopplung, die durch das Reed-Relais 158 des Detektors 138 gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Verstärkrers 162 wird, wie incfen Fi^r , λγΛ 11 gezeigt, den Gleichspannungsverstärker 134 züge^U;/-;,

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Während des normalen Betriebs, wenn die Oszillatoren phasenstarr sind, ist kein Oberlagerungston vorhanden. Der Transistor 156 (Fig. 12) ist abgeschaltet und das Relais 158 nicht erregt. In diesem Zustand ist der Verstärker 162 des Kippgenerators untätig. Wenn die Vorrichtung jedoch zuerst eingeschaltet wird, schaltet das Vorhandensein eines Oberlagerungstons den Transistor 156 ein und erregt das Relais 158, wodurch die Lampe 160 zu brennen beginnt. Die Erregung des Relais 158 verursacht eine Rückkopplung für den Verstärker 162 (Fig. 13) und erzeugt eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 2 Hz. Diese wird gedämpft und dem Verstärker 134 zugeführt, der als Integrationsverstärker eine Dreieckswelle erzeugt. Diese wird den variablen kapazitiven Dioden 144, 145 zugeführt und tastet den Oszillator 114. Bei der gewünschten Frequenz, wie sie durch den Bezugsoszillator 26 gesetzt ist, wird der Oszillator 114 festgehalten, wobei die Gleichspannungskomponente von der Mischstufe 128 den Oberlagerungston überspielt, wobei der Detektor 138 abgeschaltet wird und der Gleichspannungsverstärker 134 dazu übergeht, das Gleichspannungs-Aus gangs signal für die Leitung 136 in normaler Weise zu erzeugen.

Bei de» in Fig. 1 gezeigten System wird das Feld des Magneten auf einen konstanten Wert gehalten, der durch den Bezugsoszillator 26 festgehalten wird. Es ist jedoch auch möglich, den Bezugs-Oszillator 26 am Feld festzuhalten. Der Oszillator 114 nach Fig.9 ist phasenstarr mit dem Bezugsoszillator 26 und hat dann immer die richtige Beziehung zum Feld. Das vorhergehende System, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wird jedoch bevorzugt, da die Stärke des Kernresonanzsignals feldabhängig ist.

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Claims (10)

Patentansprüche

1.)Mit magnetischer Kernresonanz arbeitende Vorrichtung mit einer Spule, die eine Probe an einem Probenort umgibt, einer Magnetanordnung, die am Probenort ein erstes in einer Richtung verlaufendes magnetisches Feld erzeugt, einem Bezugsoszillator, der die Spule erregt und die Probe somit einem zweiten magnetischen Wechselfeld aussetzt, das senkrecht auf dem ersten Feld steht, einer der Magnetanordnung zugeordneten Abtastspule, einem Abtastoszillator, dessen Ausgang mit der Abtastspule verbunden ist, und einem Detektor, der die Spule in einen Stromresonanzkreis schaltet, um Resonanzimpulse von der Probe zu erhalten, gekennzeichnet durch einen Impulsdetektor (52), der die Resonanzimpulse vom Detektor (28) erhält und ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Resonanzimpulse vom gleichmäßigen Zeitabstand abweichen.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Öffnungsimpuls-Generator (46), der mit dem Ausgang des Abtastoszillators (36) verbunden ist und öffnungsimpulse erzeugt, die den Zeitpunkt umfassen, in dem die Resonanzimpulse von der Probe (10) auftreten, wobei der Impulsdetektor (52) die öffnungsimpulse erhält und ein Fehlersignal erzeugt abhängig von der zeitlichen Verschiebung der Resonanzimpulse gegenüber Öffnungsimpulsen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Impulsdetektors (52) ein Impulszug ist, dessen Vorderflanken durch die Resonanzimpulse bestimmt sind und dessen hinteren Flanken durch die Hinterflanken der Öffnungsimpulse bestimmt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Tastspeicherschaltung (64), die das integrierte Ausgangssignal vom Impulsdetektor (52,60) erhält und ein Ausgangssignal erzeugt, das den Wert des magnetischen Feldes der Hagnetanordnung (12,14) bei jeder weiteren Abtastung des Abtastoszillators (36) ausreeelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine Spur- und Halteschaltung (40), die mit dem Ausgang des Abtastoszillators (36) verbunden ist und die eine Abtastwelle erzeugt, die bei festen Amplituden oberhalb oder unterhalb vorgegebenen Amplitudenwerten abgeschnitten wird.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal auf Feldkorrekturwicklungen (18, 20) der Magnetanordnung (12,14) als Gleichspannungssignal gegeben wird, dessen Vorzeichen abhängig ist von der Richtung in der das magnetische Feld von dem richtigen Wert abweicht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch einen Feldsuch- und Sperrkreis (70) am Ausgang des Im-

^ pulsdetektors (52), der in Betrieb gesetzt wird, wenn keine

Resonanzimpulse vom Impulsdetektor (52) erhalten werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch einen Frequenzsteuerkreis, der einen weiteren Oszillator (114) enthält, der mit der Spule (24) einen Stromresonanzkreis bildet und der einen kapazitiven Abstimmkreis (144-147) aufweist, der parallel zur Spule geschaltet ist und dessen Kapazität sich mit der beaufschlagten Spannung ändert, und eine Phasenvergleichsschaltung (128), die Ausgangssignale

vom Bezugsoszillator (26) und dem weiteren Oszillator (114) erhält und in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz seiner Eingangssignale ein Spannungssignal auf die kapazitivie Abstimmschaltung gibt, wobei das Spannungssignal die Frequenz des weiteren Oszillators (114) ändert, und zwar in der Richtung, daß automatisch eine Wiederabstimmung erfolgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Detektor (138,140), der mit dem Ausgang der Phasenvergleichsschaltung (128) verbunden ist und der gewährleistet, daß der

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Bezugsoszillator (26) und der weitere Oszillator (114) pahsenstarr sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Abstimmschaltung zwei veränderliche kapazitive Dioden (144,145) und zwei feste Kondensatoren (146, 147) aufweist, die in Reihe und parallel zur Spule (24) geschaltet sind, wobei das Korrektursignal, das den Abstimmkreis zugeführt wird, auf die Verbindung (143) zwischen den Dioden gegeben wird.

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