DE2745039A1 - Vorrichtung zur massendurchsatzmessung mittels kernresonanz - Google Patents
Vorrichtung zur massendurchsatzmessung mittels kernresonanzInfo
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Description
HOFFMANN · EITLE & PARTNER
DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. β. HANSEN
ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MÖNCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29419 (PATH E)
Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM) Europazentrum, Kirchberg
(Luxemburg)
Vorrichtung zur Massendurchsatzmessung mittels Kernresonanz
Zusatz zu Patent (P 26 48 502.9).
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Massendurchsatzmessung
mittels Kernresonanz, bei welcher zur Erzeugung des Polarisationsfeldes und des Resonanz- bzw. Meßfeldes ein einziger
Polarisations- und Meßmagnet vorgesehen ist, nach Patent (P 26 48 502.9).
Der Polarisations- und Meßmagnet gemäß Hauptanmeldung ist ein Magnet mit Eisenjoch und Polschuhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Verbesserung
des Signal-Rausch-Verhältnisses bei Massendurchsatzmessungen mittels Kernresonanz (NMR), insbesondere bei nichtstationären Zweiphasenströmungen hoher Geschwindigkeit in dikken
Rohren, zu erreichen und gleichzeitig den Platzbedarf und die Gewichtsbelastung am zu messenden Objekt (Kreislauf) möglichst
klein zu halten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
zur Erzeugung des Polarisationsfeldes und des Resonanzfeldes vorgesehene einzige Magnet ein supraleitender Magnet (Kryomagnet)
ist.
Im Gegensatz zum Magneten der Hauptanmeldung, der ein Eisenmagnet mit Polschuhen ist, besitzt der vorliegende Magnet keine
Polschuhe, da es sich um einen Kryomagneten mit supraleitenden Luftspulen spezieller Konstruktion handelt.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich des Meß- bzw. Resonanzfeldes gegenüber dem des Polarisationsfeldes
erweitert.
Die Vorrichtung ist zunächst als zweischaliger vom Kreislaufrohr leicht abnehmbarer Kryostat vorgesehen. Für hohe Magnetfelder
wird aus Stabilitätsgründen ein einziger U-förmiger Kryostat vorgesehen, der ebenfalls vom Kreislaufrohr abnehmbar
ist.
Zur Erzielung eines homogeneren Meßfeldes besitzen die Wicklungen im Bereich des Resonanzfeldes und des Meßfeldes vorteilhafterweise
verschiedene Durchmesser.
Um einen größeren Meßfeldbereich zu erhalten, sind nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Wicklungen im Bereich
des Resonanzfeldes gegenüber dem Bereich des Polarisationsfeldes stufenförmig abgesetzt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile gegenüber einem Elektromagneten
mit eisernen Polschuhen bestehen insbesondere darin, daß sich eine höhere Feldstärke, insbesondere im Polarisationsfeld des Kryomagneten erzielen läßt, die bei Massendurchsatzmessungen
entweder eine weitere Verbesserung des Signal-Rausch-
-Verhältnisses oder bei gleichem Signal-Rausch-Verhältnis eine
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kürzere Baulänge des Magneten ermöglicht, was bei der Anwendung an Reaktorkreisläufen von Vorteil ist. Ferner hat
der Kryomagnet ein bedeutend geringeres Gewicht als ein entsprechender Elektromagnet, der wegen des Eisen- und Kupfergewichts
etwa 10 bis 17 mal schwerer ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden zur näheren Erläuterung der Einzelheiten und Vorteile der Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung der Wicklungen der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2,
Fig. 4 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 5 eine Stirnansicht der Ausführungsform nach Fig. 4,
Fig. 6 eine schematische perspektivische Darstellung der Wicklungen der Vorrichtung gemäß Fig. 4 und 5,
Fig. 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 8 eine Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 7, in Richtung des Pfeiles VIII in Fig. 7,
Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung der Wicklungen der Vorrichtung nach Fig. 7 und 8,
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-6- 27A5039
Fig. 10 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß Fig. 7,
Fig. 11 eine Stirnansicht der Vorrichtung nach Fig. 10 in Richtung des Pfeiles XI in Fig. 10,
Fig. 12 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 13 eine Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 12 in Richtung des Pfeiles XIII in Fig. 12,
Fig. 14 eine schematische perspektivische Darstellung der Wicklungen der Vorrichtung gemäß Fig. 12 und 13,
Fig. 15 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 12,
Fig. 16 eine Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 15 in Richtung des Pfeiles XVI in Fig. 15, und
Fig. 17 eine schematische perspektivische Darstellung der Wicklungen der Vorrichtung gemäß Fig. 15 und 16.
In den schematischen Darstellungen der Wicklungen ist die Richtung
des Stromes jeweils durch Pfeile angegeben.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 besitzt der Magnet zwei getrennte
supraleitende Spulen bzw. Wicklungen 12 und 13, die sich jeweils in einem eigenen Kryostaten 9 bzw. 10 befinden, welche
symmetrisch um ein Kreislaufrohr 1 angeordnet sind. Der Pfeil 7 stellt die Flußrichtung einer Fluidmenge 8 im Kreislaufrohr 1
dar. Der Kryomagnet erzeugt ein Polarisationsfeld 4 mit einer in angegebener Pfeilrichtung senkrecht zur Flußrichtung 7 verlaufenden
magnetischen Feldstärke H und ein Resonanzfeld bzw.
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Meßfeld 5 mit einer ebenfalls in angegebener Pfeilrichtung senkrecht
zur Flußrichtung 7 verlaufenden magnetischen Feldstärke H . Die Wicklungen 12 und 13 besitzen jeweils einen vorgezogenen
Wickelkopf 14, einen zurückgesetzten Wickelkopf 15 und einen gemeinsamen Wickelkopf 16. Die Fig. 2 zeigt eine Stirnansicht
der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.
Das in Fig. 3 perspektivisch dargestellte Wicklungsschema der Wicklungen 12 und 13 im supraleitenden Zustand, zeigt den vorgezogenen
Wickelkopf 14, den zurückgesetzten Wickelkopf 15 und den gemeinsamen Wickelkopf 16, die jeweils in der von Lyddane
und Ruark in Rev.Sei. Instr. JK), 253 (1939) angegebenen Form
ausgebildet sind. Der vorgezogene Wickelkopf 14 besitzt in der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 N Windungen, während
der zurückgesetzte Wickelkopf 15 (9-19)·Ν Windungen und der gemeinsame Wickelkopf 16 (10-20)*N Windungen besitzt. Der Strom I
ist in beiden Wicklungen 12 und 13 gleich und beide Wicklungen werden gleichsinnig durchflossen.Die Stromrichtung ist durch
Pfeile angedeutet.
In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung
nach Fig. 1 dargestellt, in der nur ein Kryostat 11 verwendet wird, der U-förmig ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform
sind beide Wicklungen 12 und 13 elektrisch hintereinander geschaltet bzw. durch eine Brücke 17 verbunden, so daß nur ein
Strom durch beide Wicklungen 12 und 13 fließt. Fig. 5 zeigt eine Stirnansicht dieser Ausführungsform gemäß Fig. 4 mit einem gemeinsamen
Kryostaten 11. Fig. 6 zeigt die Wicklungen mit der Brücke 17 schematisch perspektivisch.
Bei dicken Rohren liegt die höchstmögliche Meßfrequenz bei etwa 20 MHz, so daß das Meßfeld H , für Protonen in Wasser ungefähr
0,5 T betragen muß. Da das Polarisationsfeld H jedoch möglichst hoch sein soll, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als supraleitender
Magnet ausgebildet, dessen Wicklungen in der oben beschriebenen Form ausgeführt sind.
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Die Wicklungen 12 und 13 gemäß Fig. 3 und 6 besitzen auf der gesamten Länge N Windungen und auf beispielsweise 80 % der Länge
des Magneten (10-20)·Ν Windungen (gemeinsamer Wickelkopf 16) derart, daß die N Windungen lediglich an dem einen Ende auf den
restlichen 20 % der Länge des Magneten herausgezogen sind. Der Strom fließt durch sämtliche Windungen. Im Bereich der vorgenannten
20 % der Länge des Magneten wird ein Meßfeld von ungefähr 0,5 T erzeugt, während im Bereich der Restlänge, wo die
Windungszahl größer ist, ein Polarisationsfeld 4 von ungefähr 5 bis 10 T entsteht. Sämtliche Windungen haben die von Lyddane
und Ruark angegebenen "Abknickungen", so daß die Felder jeweils am Anfang und am Ende einen starken Gradienten besitzen. Dies
gilt auch für den Übergang vom Polarisations- auf das Meßfeld bei ca. 80 % der Magnetlänge.
Durch den erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten entstehen
zwei Felder, deren Verhältnis durch die Windungszahl in den entsprechenden Wicklungsabschnitten gegeben ist. Dabei läßt sich
ein Verhältnis von H /H ^10, oder gegebenenfalls von ungefähr
20 erreichen, wobei der zweite Wert von den Gesamtabmessungen und von der Art des supraleitenden Materials abhängt. Dadurch
verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis um mindestens einen Faktor 10 gegenüber einem Magneten mit gleichförmigem Feld, und
um mindestens einen Faktor 5 gegenüber einem Elektromagneten mit zwei Feldern, wie er in der Hauptanmeldung P 26 48 502.9 beschrieben
ist.
Wie bereits oben ausgeführt, entsteht durch die "Abknickungen" am Ende jeder Windung und jedes Windungspaktes, d.h. in jedem
Wickelkopf ein starker Feldgradient in Längsrichtung, so daß die strömenden Spins im langen Polarisationsfeld H eine viel
größere Verweilzeit als im kleineren und viel kürzeren Streufeld vor dem Magneten haben. Dies gilt auch für den tibergang vom
Polarisations- zum Meßfeld, so daß letzteres auch in Längs-(Strömungs-) Richtung relativ homogen wird, da es ein Charakteristikum
der Lyddane-Ruark-Spule ist, eine große Ausdehnung des homo-
909815/0361 " 9 "
genen Feldes in der Spule zu besitzen. All dies trägt zur Erhöhung
der Meßgenauigkeit in der Strömung bei.
Die zu den Fig. 1 bis 6 gemachten Ausführungen treffen auch zu für die Fig. 7 bis 17, die sich jedoch in einigen Punkten von
den Fig. 1 bis 6 unterscheiden, wie weiter unten ausgeführt werden wird.
In Fig. 7 ist die eine Wicklung mit 22 bezeichnet, während die andere Wicklung das Bezugszeichen 23 besitzt, welche in den zwei
getrennten Kryostaten 19 und 20 untergebracht sind. In Fig. 7 ist ebenfalls mit dem Pfeil 7 die Flußrichtung der im Kreislaufrohr
1 strömenden Fluidmenge 8 angegeben.
Fig. 8 zeigt eine Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 7.
Das Wicklungsschema gemäß Fig. 9 zeigt einen vorgezogenen Wickelkopf
24, einen zurückgesetzten Wickelkopf 25 und einen gemeinsamen Wickelkopf 26. Die Windungszahlen des gemeinsamen Wickelkopfes
26, des zurückgesetzten Wickelkopfes 25 (Polarisationsfeld) und des vorgezogenen Wickelkopfes 24 (Meßfeld) werden so
bestimmt, daß zusammen mit dem Strom I, der in beiden Wicklungen gleich ist und diese gleichsinnig durchströmt, und der Geometrie
der Windungen bzw. Wicklungen die richtigen Feldstärken erreicht werden (H : 5 bis 10 T, HQ : 0,5 bis 1 T).
In der Fig. 10 ist im Gegensatz zu den zwei Kryostaten 19 und 20 des Magneten gemäß Fig. 7 nur ein gemeinsamer Kryostat 21 dargestellt,
dessen Stirnansicht Fig. 11 zeigt. Mit 27 ist die Brücke bezeichnet, die die beiden Wicklungen verbindet.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 12 bis 14 unterscheidet sich gegenüber
der gemäß Fig. 10 und 11 dadurch, daß der Polarisationsfeldteil des zurückgesetzten Wickelkopfes senkrecht zum Kreislaufrohr
herausgezogen ist und daß keine schrägfließenden Ströme vorkommen wie in Flg. 8 bzw. 11. Dies hat zur Folge, daß die
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Vorrichtung gemäß Fig. 12 bis 14 ein homogeneres Meßfeld besitzt als diejenigen gemäß Fig. 7 bis 9 bzw. 10 bis 11.
Allerdings benötigt sie einen größeren Kryostaten.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 15 bis 17 ist der herausgezogene
Polarisationsfeldteil des zurückgesetzten Wickelkopfes umgeknickt. Dadurch kommt diese Vorrichtung mit einem kleineren
Kryostaten aus, als diejenige gemäß Fig. 12 bis 14. Sie hat eine ebensogute Homogenität des Meßfeldes, jedoch ist die Homogenität
des Polarisationsfeldes schlechter.
Die Vorrichtungen gemäß Fig. 12 bis 14 und Fig. 15 bis 17 sind jeweils mit einem U-förmigen Kryostaten dargestellt. Selbstverständlich
könnten die gleichen Vorrichtungen auch mit jeweils zwei Halbschalenkryostaten ähnlich Fig. 1 und 2 bzw.
Fig. 7 und 8 dargestellt werden.
Die Brücken 17 bzw. 27 werden zweckmäßigerweise in allen Fällen bifilar ausgeführt, damit sie möglichst keine störenden Magnetfelder
erzeugen.
Zum Laden werden bei allen diesen Ausführungsformen der Vorrichtung
supraleitende Schalter benötigt, die heizbar sind, sogenannte Kryoschalter.
Der Unterschied der Ausführungsform gemäß den Fig. 7 bis 17 zu der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 6 besteht zum einen
darin, daß die Magnetspule als eine "Stufenspule" ausgebildet ist, d.h. die Wicklungen 22 und 23 sind im Bereich des Resonanzfeldes
5 gegenüber dem Bereich des Polarisationsfeldes 4 stufenförmig abgesetzt. Die jeweiligen Wickelköpfe sind, insbesondere
gemäß Fig. 12 bis 17, ebenfalls nach Lyddane und Ruark konstruiert.
Eine derartige "Stufenspule" stellt somit eine Weiterentwicklung der Lyddane-Ruark-Spule dar und hat einen engeren Teil im Bereich
des Polarisationsfeldes und einen weiteren Teil im Bereich
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des Meßfeldes, so daß dadurch der Magnet einen größeren Meßfeldraura
erhält, der wiederum eine bessere Unterbringung der für die Messung benötigten Hochfrequenzspulen erlaubt. Zum anderen
wird das Meßfeld im Bereich des strömenden Mediums im Kreislaufrohr wesentlich homogener, da das Meßfeld H einen
größeren Druchmesser hat als das Polarisationsfeld H , wobei das Kreislaufrohr 1 immer den gleichen Durchmesser besitzt;
es wird demnach nur ein kleiner Teil in der Mitte des Meßfeldes benutzt. Durch diese höhere Homogenität werden die Meßmöglichkeiten
des Massendurchsatzes und die Meßgenauigkeit verbessert. Die Verbesserung der Meßmöglichkeit äußert sich beispielsweise
darin, daß ein anderes Hochfrequenzimpulsprogramm
gewählt werden kann, während die Verbesserung der Meßgenauigkeit eine allgemeine Eigenschaft der Kernresonanz bei höherer Homogenität
darstellt.
Wie aus den Fig. 9, 14 und 17 ersichtlich, bestehen die Wicklungen
aus einem engeren Teil im Bereich des Polarisationsfeldes mit dem Wickelkopf 26 und aus einem weiteren Teil im Bereich des
Meßfeldes mit dem Wickelkopf 24. Die Felder H und H sind durch
ρ ο
den Strom I, die Geometrie und die Windungszahlen gegeben. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist entweder eine Konstruktion in
zwei "Halbschalen" mit getrennten Kryostaten 19, 20 oder ein U- -förmiger Kryostat 21 möglich, der über das Kreislaufrohr geschoben
wird. Eine Ausführungsform mit zwei Kryostaten ist bei einem Reaktorkreislauf vorteilhafter, da somit eine einfache Montage
und ein leichtes Verschieben ermöglicht wird, während ein einziger U-förmiger Kryostat in bezug auf die Kernresonanzmessung
vorteilhafter ist, da die Geometrie definiert vorliegt und eine Justierung der beiden Kryostaten zueinander entfällt, da anfänglich
justierte Kryostaten sich im Betrieb gegebenenfalls wieder dejustieren können.Der U-förmige Kryostat ist ebenfalls
vorteilhafter in bezug auf die Stabilität, da die beiden Spulen in ihm mechanisch gegeneinander gut befestigt und so die Kräfte
zwischen ihnen aufgefangen werden können.
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Generell läßt sich bei Kryomagneten die Länge des Polarisationsfeldes bis auf 20 cm verkürzen, so daß man bei einem Polarisationsfeld H mit 5 T magnetischer Induktion noch die gleiche Polarisationswirkung
erhält wie bei einem Eisenmagneten von etwa 1 m Länge und einem Polarisationsfeld von 1 T magnetischer Induktion.
Durch die Verkürzung des Polarisationsfeldes wird zwar das Signal- -Rausch-Verhältnis nicht größer als bei einem Eisenmagneten, jedoch
läßt sich die Baulänge verkürzen, was sich bei den engen Raumverhältnissen in einem Reaktorkreislauf vorteilhaft auswirkt.
Der Magnet gemäß den Fig. 7 bis 17 ermöglicht ein Polarisationsfeld H von etwa 5 bis 10 T und ein Resonanzfeld H von etwa 0,5
bis 4 T. Eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses läßt sich durch Konstruktionen erzielen, die die Verwendung eines
höheren Meßfeldes ermöglichen. Dies ist jedoch mehr ein Hochfrequenz- als ein Magnetfeldproblem.
Die Wicklungsteile des Kryomagneten gemäß den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 17 sind zwar in der von Lyddane und Ruark
angegebenen Form ausgeführt, um eine möglichst hohe Querhomogenität der Magnetfelder zu erreichen, stellen jedoch keine reinen
Lyddane- und Ruark-Spulen dar, weil sie so ausgeführt sind, daß sie zwei Magnetfelder H und H gleichzeitig erzeugen. Dies wird
gemäß Fig. 1 bis 6, insbesondere Fig. 3 dadurch erreicht, daß die beiden Wicklungsteile verschiedene Wickelköpfe und Windungszahlen
besitzen. In der Ausführungsform gemäß den Fig. 7 bis 17, insbesondere Fig. 9 besitzen die Wicklungsteile außerdem verschiedene
Durchmesser, wodurch das Meßfeld H im Bereich des Kreislaufrohres homogener wird, und wodurch im Meßfeld H mehr Raum für die
eigentliche Meßvorrichtung vorhanden ist, die beispielsweise in Form einer oder mehrerer Hochfrequenzspulen ausgebildet ist, und
die drucksicher im Kreislaufrohr eingebaut werden muß.
Die Lyddane-Ruark-Spule ist für den Polarisationsteil aller vorgeschlagenen
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
homogen genug. In Fällen,wo ihre Homogenität für den Meß-(Resonanz)-
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-feldteil nicht ausreicht, läßt sich dieser letztere in einer anderen Form gestalten.
909815/0361
Claims (8)
- HOFFMANN · EITLE & PARTNER 2 7 A b 0 3 9PAT E N TAN wlLTEDR. ING. E. HOFFMANN (1930-1974) . Dl PL-I N G. W. E ITLE · D R. RER. NAT. K. HO FFMAN N · D I PL.-I NG. W. IEH NDIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE A (STERNHAUS) · D-8000 MO N CH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TE LEX 05-29619 (PATH E)Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM) Europazentrum, Kirchberg(Luxemburg)Vorrichtung zur Massendurchsatzmessung mittels KernresonanzPatentansprücheι 1J Vorrichtung zur Massendurchsatzmessung mittels Kernresonanz, bei welcher zur Erzeugung des Polarisationsfeldes und des Resonanz- bzw. Meßfeldes ein einziger Polarisations- und Meßmagnet vorgesehen ist, nach Patent (P 26 48 502.9),dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung des Polarisationsfeldes (4) und des Resonanzfeldes (5) vorgesehene einzige Magnet ein supraleitender Magnet (Kryomagnet) ist,
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Meßfeldes (5) gegenüber dem des Polarisationsfeldes (4) erweitert ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den supraleitenden Magneten909815/0361zwei getrennte Kryostaten (9, 10; 19, 20) vorgesehen sind.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den supraleitenden Magneten ein einziger Kryostat (11; 21) vorgesehen ist.
- 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (12, 13; 22, 23) des supraleitenden Magneten einen vorgezogenen Wickelkopf (14; 24), einen zurückgesetzten Wickelkopf (15; 25) und einen gemeinsamen Wickelkopf (16; 26) besitzen.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (22, 23) im Bereich des Polarisationsfeldes (4) und des Meßfeldes (5) verschiedene Durchmesser besitzen.
- 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (12, 13; 22, 23) die Magnetfelder H und H gleichzeitig erzeugen.
- 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (22, 23) im Bereich des Resonanzfeldes (5) gegenüber dem Bereich des Polarisationsfeldes (4) stufenförmig abgesetzt sind.909815/0361
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