DE4120868C2 - Measuring coil for measuring magnetic moments - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Meßspule zum Messen magnetischer Momente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a measuring coil for measuring magnetic Moments according to the preamble of claim 1.
Zur Charakterisierung eines magnetischen Werkstückes wird häufig der durch das Werkstück erzeugte magnetische Fluß bestimmt, indem die Probe in eine Meßspule gebracht und die in der Meßspule dadurch induzierte Spannung in einem mechanischen oder elektronischen Integrator (Fluxmeter) zeitlich aufintegriert wird. Eine solche Messung kann jedoch nur einen Vergleichswert zu weiteren geometrisch gleich geformten Proben liefern, da der magnetische Fluß durch die Geometrie der Meßspule und der Probe stark beeinflußt wird.To characterize a magnetic workpiece often the magnetic flux generated by the workpiece determined by placing the sample in a measuring coil and the induced voltage in the measuring coil in a mechanical or electronic integrator (flux meter) in time is integrated. However, such a measurement can only take one Comparison value with other geometrically identical samples deliver because the magnetic flux through the geometry of the Measuring coil and the sample is strongly influenced.
Zur genaueren Beurteilung des Magnetwerkstoffes der Probe kann das magnetische Moment, d. h. das Produkt aus Magnetisierung und Probenvolumen, herangezogen werden. Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden für Messungen des magnetischen Moments sogenannte Helmholtz-Spulen (DE 27 49 681 A1 sowie Thieming-Taschenbücher, Band 49, "Magnete" von Dr. Gerhard Schnell, Verlag Karl Thieming, München 1973, Seiten 7 und 8) verwendet. Dies ist bekanntlich eine Spulenanordnung aus zwei gleichartigen, koaxial angeordneten, elektrisch in Reihe geschalteten, vom gleichen Strom durchflossenen Spulen, die im Abstand ihrer Radien parallel zueinander aufgestellt sind und ein sehr homogenes, allseitig zugängliches und variables Feld erzeugen.For a more precise assessment of the magnetic material of the sample can the magnetic moment, d. H. the product of magnetization and sample volume can be used. After this Current state of the art are used for measurements of magnetic Moments so-called Helmholtz coils (DE 27 49 681 A1 as well as Thieming paperbacks, volume 49, "Magnets" by Dr. Gerhard Schnell, Verlag Karl Thieming, Munich 1973, pages 7 and 8) are used. As is known, this is a coil arrangement from two similar, coaxially arranged, electrically in Series-connected coils through which the same current flows, which are set up parallel to each other at the distance of their radii are and a very homogeneous, accessible and variable from all sides Create field.
Wird eine magnetische Probe in dem homogenen Bereich einer Helmholtz-Spule geführt, so trägt zu dem Ausgangssignal eines an die Spule angeschlossenen Fluxmeters jedes Volumenelement der Probe unabhängig von seiner Lage in der Probe mit einem nur zu seinem Moment proportionalen Anteil bei. Das Signal zeigt somit bis auf einen Proportionalitätsfaktor das magnetische Moment der Probe unabhängig von der Probengeometrie an.If a magnetic sample is in the homogeneous area of a Helmholtz coil guided, so contributes to the output signal Fluxmeters of each volume element connected to the coil the sample regardless of its location in the sample with a only proportional to its moment. The signal shows the magnetic except for a proportionality factor Moment of the sample regardless of the sample geometry at.
Ein Nachteil der Messungen magnetischer Momente mit derartigen Helmholtz-Spulen ist, daß der empfindliche Bereich zum Nachweis magnetischer Momente nicht auf den Innenraum der Spule beschränkt ist. In großer Distanz zur Spule fällt die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern vielmehr nur mit der dritten Potenz des Abstandes. Wenn der homogene Bereich der Spule eine Mindestgröße haben muß, so wird die Messung in der Praxis oft verfälscht durch Quellen magnetischer Felder, die sich in großem Abstand zur Meßspule befinden. Weiterhin muß zur Messung die Probe aus großem Abstand in die Spule hinein und wieder heraus geführt werden.A disadvantage of the measurement of magnetic moments with such Helmholtz coils is that the sensitive area to the Detection of magnetic moments does not affect the interior of the Coil is limited. It falls at a great distance from the coil Rather, sensitivity to external magnetic fields only with the third power of the distance. If the homogeneous area the coil must have a minimum size, so the Measurement in practice often falsified by magnetic sources Fields that are far away from the measuring coil. Furthermore, the sample must be measured from a large distance for measurement into and out of the coil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßspule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß sie einen zur Helmholtz-Spule vergleichbaren homogenen Bereich zum Nachweis des magnetischen Moments besitzt, wobei ihre Empfindlichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern aber schneller als mit der dritten Potenz des Abstandes solcher Felder von der Meßspule abfällt. The invention has for its object a measuring coil train the preamble of claim 1 so that it a homogeneous area comparable to the Helmholtz coil to detect the magnetic moment, where their Sensitivity to external magnetic fields but faster than with the third power of the distance of such fields falls off the measuring coil.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in claim 1 solved.
Als Meßrichtung wird im Anspruch 1 die Richtung bezeichnet, in die das magnetische Moment der Meßprobe weisen muß, um von der Spule erfaßt zu werden.The direction of measurement is defined in claim 1, into which the magnetic moment of the sample must point in order to the coil to be detected.
Der Beitrag einer Wicklung zum durch die Meßspule erfaßten Fluß bei Bewegung der Probe um die Spulenmitte ist direkt proportional zum in der Spulenmitte erzeugten Magnetfeld, wenn die Wicklung mit einem konstanten Strom beaufschlagt wird. Das Feld bestimmt sich nach dem Gesetz von Biot-Savart.The contribution of a winding to that detected by the measuring coil Flow when moving the sample around the center of the coil is direct proportional to the magnetic field generated in the middle of the coil, when the winding is supplied with a constant current becomes. The field is determined by the law of Biot-Savart.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 gekennzeichnet. Particularly advantageous developments of the invention are in characterized claims 2 to 8.
Die beschriebenen Meßspulen weisen keine magnetischen Multi polmomente niedriger Ordnung auf, wenn sie von einem elektri schen Strom durchflossen werden. Dies bewirkt den raschen Abfall in der Empfindlichkeit für magnetische Momente außer halb der Spulenanordnung. Beispielsweise fällt die Empfind lichkeit einer Meßspule schon mit der vierten Potenz des Abstandes, wenn die Meßspule so ausgelegt ist, daß sie bei Strombeschickung kein Dipolmoment erzeugt. Bei darüber hinaus verschwindendem Quadropolmoment ist der Abfall gemäß der fünften Potenz. Liegt die niedrigste Multipolordnung noch höher, so beschleunigt sich der Abfall entsprechend.The measuring coils described do not have a magnetic multi low order polomoments if they are from an electri flow of electricity. This causes the rapid Decrease in sensitivity to magnetic moments except half of the coil arrangement. For example, the sensation drops a measuring coil with the fourth power of the Distance if the measuring coil is designed so that it at Electricity feed does not generate a dipole moment. With beyond vanishing quadropole moment is the drop according to fifth power. The lowest multipole order is still higher, the waste accelerates accordingly.
Eine Meßspule nach diesem Prinzip kann aus mindestens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Einzelspulen mit gegenläufi ger Wicklung und gleichem Produkt aus Windungszahl und Fläche bestehen. Bei zwei koaxialen Meßspulen unterschiedlicher Radien mit gleichem Mittelpunkt kann hierbei der homogene Bereich optimiert werden, indem die Längen der Einzelspulen so gewählt werden, daß ähnlich der Helmholtz-Bedingung in der Mitte der Spulenanordnung die Ableitungen in axialer Richtung der Empfindlichkeit bis zur vierten Ordnung verschwinden.A measuring coil based on this principle can consist of at least two single coils electrically connected in series with counter-rotating the winding and the same product of number of turns and area consist. With two coaxial measuring coils different Radii with the same center can be the homogeneous one Range can be optimized by the lengths of the individual coils be chosen so that similar to the Helmholtz condition in the The leads in the middle of the coil arrangement in the axial direction the sensitivity to the fourth order disappear.
Komplexere Meßspulen können aus Einzelspulen mit zwei oder mehr koaxial gewickelten Teilspulen aufgebaut sein. Ein Aufbau aus zwei Einzelspulen mit insgesamt vier jeweils paarweise auf einem Durchmesser mit gleicher Windungszahl gewickelten Teilspulen auf zwei verschiedenen Durchmessern hat gegenüber der einfacheren Doppelspule den Vorteil, daß der Meßraum im Spuleninneren sowohl über die Achse als auch über die Ebene der Spulenanordnung senkrecht hierzu offen zugänglich ist.More complex measuring coils can consist of single coils with two or more coaxially wound sub-coils. A Construction from two individual coils with a total of four each in pairs on a diameter with the same number of turns coiled coils on two different diameters has the advantage over the simpler double coil that the measuring space inside the coil both over the axis and across the plane of the coil arrangement perpendicular to this is openly accessible.
Es lassen sich weiterhin durch entsprechend ausgelegte Spulenkombinationen Multipolmomente höherer Ordnung unter drücken, wodurch die Störanfälligkeit gegenüber Quellen magnetischer Felder in größerer Entfernung von der Spulenan ordnung reduziert wird.It can continue to be designed accordingly Coil combinations of higher order multipole moments press, causing susceptibility to sources magnetic fields farther away from the coil order is reduced.
Die Erfindung beschreibt weiterhin Meßspulen, die aus nicht koaxial gewickelten Einzelspulen mit gegebenenfalls mehreren Teilspulen aufgebaut sind. Die Mittelpunkte der Einzelspulen und deren Teilspulen befinden sich bei diesen Konfigurationen auf dem Umfang eines Kreises oder der Oberfläche einer Kugel. Bei solchen Anordnungen wird erfindungsgemäß eine Lehre für die Ausbildung von Meßspulen gegeben, die ein kleinstes Multipolmoment beliebig vorgegebener Ordnung besitzen. Derartige Spulenanordnungen können sowohl als Meßspulen als auch als streufeldarme Spulen zur Erzeugung homogener Felder verwendet werden.The invention further describes measuring coils that do not consist of coaxially wound individual coils with possibly several Partial coils are built. The centers of the individual coils and their sub-coils are in these configurations on the circumference of a circle or the surface of a sphere. In such arrangements, a teaching for given the formation of measuring coils, the smallest Have multipole moment of any given order. Such coil arrangements can be used both as measuring coils also as low stray field coils for generating homogeneous fields be used.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigenPreferred embodiments of the invention are in the Drawing shown schematically. Show it
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausfüh rungsform einer Meßspule, die aus zwei gegeneinan der gewickelten Spulen besteht, Fig. 1 is a perspective view of a first exporting approximately the form of a measuring coil which consists of two gegeneinan of the wound coil,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Meßspule von Fig. 1, Fig. 2 is a longitudinal section through the sensing coil of Fig. 1,
Fig. 3 im Vergleich ein Meßdiagramm zu einer solchen Meßspule (Kurve B) und zu einer Helmholtz-Spule (Kurve A), Fig. 3 compared to a measurement diagram of such a measuring coil (curve B) and a Helmholtz coil (curve A),
Fig. 4 eine aus vier Einzelspulen mit gleichem Radius be stehende Meßspulenanordnung, Fig. 4 is a four individual coils be of the same radius stationary measurement coil,
Fig. 5 eine aus vier, jeweils paarweise angeordneten Ein zelspulen mit einem kleineren und einem größeren Durchmesser und dazu reziproker Windungszahl bestehende Meßspulenanordnung, Fig. 5 is a four, are each arranged in pairs A zelspulen with a smaller and a larger diameter and to a reciprocal number of turns existing measurement coil arrangement,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer segmentierten Meßspule mit vier Teilsegmenten, Fig. 6 is a perspective view of a segmented measuring coil with four sub-segments,
Fig. 7 einen senkrechten Längsschnitt durch eine solche Meßspule gemäß Schnittlinie VII-VII von Fig. 6, Fig. 7 shows a vertical longitudinal section through such a measuring coil according to section line VII-VII of Fig. 6,
Fig. 8 Einzelheiten einer solchen Meßspule gemäß Aus schnitt VIII von Fig. 7 in vergrößerter Teildar stellung, Fig. 8 Details of such a measurement coil in accordance of cut VIII of FIG. 7 in an enlarged Teildar position,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Teilsegmentes der Meßspule von Fig. 6 bis 8 in einer ersten Aus führungsform, 9 is a perspective view of a partial segment of the measuring coil of Fig. 6 guiding shape. To 8 in a first stop,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer demgegenüber ab gewandelten Ausführungsform eines Teilsegmentes einer solchen Meßspule, Fig. 10 is a perspective view of a contrast from converted embodiment of a part segment of such a measuring coil,
Fig. 11 eine schematische Darstellung der Wicklungen mit Ein- und Ausgängen an den vier Teilsegmenten einer solchen Meßspule und Fig. 11 is a schematic representation of the windings with inputs and outputs on the four sub-segments of such a measuring coil and
Fig. 12 eine schematische Darstellung der Spulenwicklungen bei einer segmentierten Spule mit acht Teilsegmen ten, wobei ebenfalls die Ein- und Ausgänge der Spu lenwicklungen an den Teilsegmenten und die Richtun gen der elektrischen Felder in Abhängigkeit von den Wicklungen an den Teilsegmenten gezeigt sind. Fig. 12 is a schematic representation of the coil windings in a segmented coil with eight sub-segments, wherein the inputs and outputs of the coil windings on the sub-segments and the directions of the electrical fields as a function of the windings on the sub-segments are also shown.
Jede der in der Zeichnung gezeigten Meßspulen 1 besteht aus mindestens zwei elektrisch in Reihe geschalteten Einzelspulen 2, 3 (Fig. 1 und 2) mit zwei oder mehr Teilspulen 2a, 2b; 3a, 3b (Fig. 4 und 5) oder Teilsegmenten 11 bis 18 (Fig. 6 bis 12), die so beschaffen sind, daß zu jeder Einzelspule 2, 3 eine oder mehrere Teilspulen 2a, 2b, 3a, 3b bzw. Teilsegmente 11 bis 18 mit in der Summe gleicher Windungsfläche und entgegengesetzter Polarität existieren, so daß sich die unter Berücksichtigung der Polarität gebildete Summe der Windungs flächen der gesamten Meßspule 1 gegeneinander aufhebt.Each of the measuring coils 1 shown in the drawing consists of at least two electrically connected individual coils 2 , 3 ( FIGS. 1 and 2) with two or more partial coils 2 a, 2 b; 3 a, 3 b ( FIGS. 4 and 5) or sub-segments 11 to 18 ( FIGS. 6 to 12), which are such that for each individual coil 2 , 3 one or more sub-coils 2 a, 2 b, 3 a, 3 b or sub-segments 11 to 18 exist in the sum of the same winding area and opposite polarity, so that the sum of the winding areas of the entire measuring coil 1 , taking into account the polarity, is canceled out.
Jede der gezeigten Meßspulen 1 besitzt drei entlang der Spulenachse 6 und quer dazu senkrecht aufeinanderstehende Ebenen 4a, 4b, 4c, deren gemeinsamer Schnittpunkt 5 in der Spulenmitte den Mittelpunkt des Meßvolumens definiert, wobei genau eine (4c) der drei Ebenen die Wickel richtung 30 bei der Spiegelung nicht umkehrt und die Normale zu dieser Spiegelebene 4c die Meßrichtung 8 definiert.Each of the measuring coils 1 shown has three planes 4 a, 4 b, 4 c which are perpendicular to one another along the coil axis 6 and perpendicular to it, the common intersection 5 of which defines the center of the measuring volume in the center of the coil, with exactly one ( 4 c) of the three planes Winding direction 30 is not reversed in the mirroring and the normal to this mirror plane 4 c defines the measuring direction 8 .
Form und Lage der Spulenwicklungen sind dabei derart, daß bei einer Potenzreihenentwicklung des durch die Meßspule 1 er faßten Flusses als Funktion der Probenlage um die Spulenmitte als niedrigstes Glied mathematische Terme proportional der vierten oder höheren Potenz auftreten.The shape and position of the coil windings are such that mathematical terms proportional to the fourth or higher power occur as a function of the sample position around the center of the coil as the lowest link in a power series development of the flux captured by the measuring coil 1 .
In Fig. 1 und 2 ist ein erstes einfaches Ausführungsbeispiel einer Meßspule 1 gezeigt, die aus zwei gegeneinander gewick elten Einzelspulen 2, 3 unterschiedlichen Durchmessers und unterschiedlicher Länge besteht. Die Meßrichtung 8 liegt hier senkrecht zur Ebene 4c entlang der Spulenachse 6. Bei gleicher Wickeldichte kann der homogene Bereich in der Spulenmitte sowie die Unempfindlichkeit für Störungen außer halb der Meßspule durch die folgenden beiden Bedingungen optimiert werden:In Figs. 1 and 2, a first simple embodiment of a measuring coil 1 is shown, which flashed from two mutually gewick individual coils 2, 3 of different diameter and different length is. The measuring direction 8 is perpendicular to the plane 4 c along the coil axis 6 . With the same winding density, the homogeneous area in the middle of the coil and the insensitivity to interference outside the measuring coil can be optimized by the following two conditions:
Diese Bedingungen werden beispielsweise erfüllt durch eine innere Spule 2 mit einer Länge von 2L1 = 144 mm bei einem Radius R1 = 48 mm und einer äußeren Spule 3 mit einer Länge von 2L2 = 48 mm mit einem ungefähren Radius R2 = 83,14 mm.These conditions are met, for example, by an inner coil 2 with a length of 2L 1 = 144 mm with a radius R 1 = 48 mm and an outer coil 3 with a length of 2L 2 = 48 mm with an approximate radius R 2 = 83, 14 mm.
Der Bereich homogener Empfindlichkeit innerhalb von 1% ist radial durch die innere Spule 2 begrenzt und erstreckt sich auf der Achse beidseitig von der Spulenmitte über eine Länge von etwa 26 mm. Eine Helmholtz-Spule hat einen vergleichbar großen homogenen Bereich bei einem Radius von 84 mm. Bei gleicher Empfindlichkeit reagiert eine solche Helmholtz-Spule auf Störungen in einer Entfernung von 1 m auf der Achse um den Faktor 170 empfindlicher.The range of homogeneous sensitivity within 1% is radially limited by the inner coil 2 and extends on the axis on both sides of the coil center over a length of approximately 26 mm. A Helmholtz coil has a comparably large, homogeneous area with a radius of 84 mm. With the same sensitivity, such a Helmholtz coil is more sensitive to disturbances at a distance of 1 m on the axis by a factor of 170.
Im zugehörigen Diagramm in Fig. 3 ist der von der Meßspule 1 erfaßte Fluß "Phi" eines Magneten gezeigt, der sich auf der Spulenachse der Meßspule im Abstand "x" von der Spulenmitte befindet, in relativen Einheiten bezogen auf den Fluß bei x=0 mm. Die Magnetisierung des Magneten weist dabei paral lel zur Spulenachse 6.The associated diagram in FIG. 3 shows the flux "Phi" of a magnet which is detected by the measuring coil 1 and which is located on the coil axis of the measuring coil at a distance "x" from the center of the coil, in relative units relative to the flux at x = 0 mm. The magnetization of the magnet points parallel to the coil axis 6 .
Die Abhängigkeit wurde berechnet einmal für eine Helmholtz- Spule (Kurve A) mit einem Radius R=84 mm und einmal für die in Fig. 1 und 2 gezeigte Spulengeometrie (Kurve B).The dependency was calculated once for a Helmholtz coil (curve A) with a radius R = 84 mm and once for the coil geometry shown in FIGS . 1 and 2 (curve B).
Wie der Verlauf der Kurven A und B zeigt, ist der homogene Bereich in der Spulenmitte bei beiden Spulen ungefähr gleich groß. Die Empfindlichkeit der Meßspule 1 gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel von Fig. 1 und 2 für Quellen magnetischer Felder im Außenraum (Kurve B) fällt aber deutlich schneller ab mit dem Abstand "x" von der Spulenmitte 4 als die Empfind lichkeit der Helmholtz-Spule (Kurve A).As the course of curves A and B shows, the homogeneous area in the middle of the coil is approximately the same size for both coils. The sensitivity of the measuring coil 1 according to the example of FIGS . 1 and 2 for sources of magnetic fields in the outside (curve B) drops off much faster with the distance "x" from the coil center 4 than the sensitivity of the Helmholtz coil (curve A).
Statt der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform kann eine solche Meßspule 1 auch aus zwei Einzelspulen 2, 3 bestehen, die auf der Oberfläche von zwei konzentrischen Kugeln derart gewickelt sind, daß alle Spulenwicklungen auf parallelen Ebe nen senkrecht zur Meßrichtung liegen, wobei für jede Einzel spule 2, 3 in jeweils äquidistanten Ebenen eine gleiche An zahl von Spulenwicklungen aufgebracht ist.Instead of the embodiment shown in FIGS . 1 and 2, such a measuring coil 1 can also consist of two individual coils 2 , 3 , which are wound on the surface of two concentric balls in such a way that all coil windings lie on parallel planes perpendicular to the measuring direction, whereby for each individual coil 2 , 3 in equidistant planes an equal number of coil windings is applied.
Durch einen Aufbau, bei dem anstatt der in Fig. 1 und 2 gezeigten zwei Einzelspulen 2, 3 mehr als zwei koaxial gewickelte Spulen teilweise antiparallel in Reihe geschaltet werden, bietet sich eine Vielzahl von Auslegungsmöglichkeiten für das Meßsystem.A structure in which, instead of the two individual coils 2 , 3 shown in FIGS. 1 and 2, more than two coaxially wound coils are partially connected antiparallel in series, offers a multitude of design options for the measuring system.
Bei einer Meßspule 1 kann einmal der in Fig. 4 gezeigte Aufbau gewählt werden, bei dem zwei innere parallel gewickel te Teilspulen 2a, 2b ähnlich der bekannten Helmholtz-Anord nung, jedoch in einem geringfügig größeren Abstand D als ihr Radius R, sowie zwei hierzu gegenläufig gewickelte äußere Teilspulen 3a, 3b mit identischer Windungszahl und mit gleichem Radius R zu beiden Seiten der beiden inneren Teil spulen 2a, 2b angebracht sind. Eine solche Anordnung kann statt auf vier getrennten koaxialen Spulenkörpern auch auf einem einzigen zylindrischen Spulenkörper mit einer seitli chen Öffnung in der Spulenmitte gewickelt werden. Durch den größeren Abstand der beiden inneren Teilspulen 2a, 2b im Vergleich zu einer Helmholtzspule ist der Meßraum gegenüber der letzteren besser zugänglich in der Ebene 4c senkrecht zur Spulenachse 6 auf Höhe der Spulenmitte, da sich in diesem Bereich keine Wicklungen befinden.In a measuring coil 1 once the structure shown in Fig. 4 can be selected, in which two inner parallel coiled te coils 2 a, 2 b similar to the known Helmholtz arrangement, but at a slightly larger distance D than its radius R, and two oppositely wound outer part coils 3 a, 3 b with identical number of turns and with the same radius R coils 2 a, 2 b are attached to both sides of the two inner part. Such an arrangement can be wound on a single cylindrical bobbin with a lateral opening in the middle of the coil instead of on four separate coaxial bobbins. Due to the greater distance between the two inner coil sections 2 a, 2 b compared to a Helmholtz coil, the measuring space is more accessible compared to the latter in plane 4 c perpendicular to the coil axis 6 at the level of the coil center, since there are no windings in this area.
Bei einem anderen in Fig. 5 gezeigten Aufbau mit insgesamt vier koaxial gewickelten Teilspulen haben jeweils zwei parallel gewickelte innere Teilspulen 2a, 2b und zwei dazu gegenläufig gewickelte, äußere Teilspulen 3a, 3b den gleichen Radius R1 bzw. R2. Ein Spulenpaar liegt koaxial in dem zweiten Spulenpaar und ist gegenüber diesem gegenläufig gewickelt. Die Windungszahlen der Spulenpaare verhalten sich reziprok zum Quadrat der Radien derart, daß die beiden inneren Teilspulen 2a, 2b mit dem kleineren Radius R1 eine größere Windungszahl als die äußeren Teilspulen 3a, 3b mit dem größeren Radius R2 haben. Obwohl jedes Spulenpaar als Helmholtz-Anordnung ausgebildet sein kann, ist es auch möglich, bei jedem Spulenpaar den gegenseitigen Abstand zu vergrößern, da sich die Inhomogenität im Inneren jedes einzelnen Spulenpaares durch geeignete Abstände kompensieren läßt.In another construction shown in FIG. 5 with a total of four coaxially wound partial coils, two inner partial coils 2 a, 2 b wound in parallel and two outer partial coils 3 a, 3 b wound in opposite directions have the same radius R 1 and R 2 . One pair of coils lies coaxially in the second pair of coils and is wound in opposite directions to it. The number of turns of the coil pairs are reciprocal to the square of the radii such that the two inner partial coils 2 a, 2 b with the smaller radius R 1 have a larger number of turns than the outer partial coils 3 a, 3 b with the larger radius R 2 . Although each pair of coils can be designed as a Helmholtz arrangement, it is also possible to increase the mutual distance for each pair of coils, since the inhomogeneity inside each individual pair of coils can be compensated for by suitable spacings.
Durch andere Anordnungen von mehr als zwei koaxialen Einzel spulen mit jeweils ein oder mehr Teilspulen sind auch höhere Multipolmomente der Gesamtkonfiguration zu unterdrücken, wodurch die Empfindlichkeit im Außenraum weiter herabgesetzt wird. Dabei können die Einzelspulen oder die Teilspulen der Meßspule auch auf dem Umfang eines Zylinders oder dessen Annäherung durch ein Vieleck oder auf der Oberfläche einer Kugel angeordnet sein, wobei die Wickelebenen aller Einzel spulen und deren Teilspulen so liegen, daß der Winkel zwi schen der Meßrichtung 8 und der Normalen zur Wickelebene halbiert wird durch die Verbindungslinie von der Meßspulen mitte zum Mittelpunkt jeder Einzelspule oder Teilspule. Die Meßrichtung 8 in diesen Anordnungen liegt parallel zur Spulenachse 6.With other arrangements of more than two coaxial individual coils, each with one or more partial coils, higher multipole moments of the overall configuration can also be suppressed, as a result of which the sensitivity in the outside space is further reduced. The individual coils or the partial coils of the measuring coil can also be arranged on the circumference of a cylinder or its approximation by a polygon or on the surface of a sphere, the winding planes of all individual coils and their partial coils lying such that the angle between the measuring direction 8 and the normal to the winding plane is halved by the connecting line from the measuring coil center to the center of each individual coil or partial coil. The measuring direction 8 in these arrangements is parallel to the coil axis 6 .
Die Vielzahl der Möglichkeiten zur Auslegung solcher Spulen kombinationen erlaubt ein Optimieren zwischen der Unempfind lichkeit gegenüber magnetischen Störungen außerhalb der Spule, der Homogenität im Meßvolumen und der geometrischen Einfachheit. Der Nachteil der Anordnungen aus mehr als vier koaxial gewickelten Einzelspulen besteht darin, daß der mathematische Aufwand zu deren Optimierung mit größerer Zahl von Einzelspulen stark anwächst und die Anforderungen an die mechanische Maßhaltigkeit der Meßspulenanordnung sehr groß werden. The multitude of possibilities for the design of such coils combinations allows optimization between the insensitivity sensitivity to magnetic interference outside the Coil, the homogeneity in the measuring volume and the geometric Simplicity. The disadvantage of the arrangements of more than four coaxially wound individual coils is that the mathematical effort to optimize them with a larger number of single coils is growing rapidly and the demands on the mechanical dimensional accuracy of the measuring coil arrangement very large become.
Es wurden daher die in Fig. 6 bis 12 beispielshalber gezeig ten Anordnungen entwickelt, für die ein direktes Verfahren zur Erhöhung der Homogenität im Meßvolumen und einer Reduk tion der Empfindlichkeit für äußere Felder angegeben werden kann. Meßspulen dieser Art bestehen aus mehreren Einzelseg menten, die zusammengesetzt einen Hohlzylinder oder dessen Annäherung durch ein Vieleck bilden, so daß die Gesamtkonfi guration in einem Schnitt senkrecht zur Zylinderachse 6a (Fig. 7) die Seiten eines regelmäßigen N-Ecks bildet. Die Wickelebenen der einzelnen Segmentspulen liegen derart, daß der Winkel zwischen der Meßrichtung 8 und der Normalen zur Wickelebene halbiert wird durch die Verbindungslinie von der Meßspulenmitte und dem Mittelpunkt der Segmentspule. Die Meßrichtung in derartigen Spulenanordnungen liegt senkrecht zur Zylinderachse 6a.The arrangements shown in FIGS . 6 to 12 were therefore developed for the sake of example, for which a direct method for increasing the homogeneity in the measurement volume and a reduction in the sensitivity to external fields can be specified. Measuring coils of this type consist of several individual segments, which together form a hollow cylinder or its approximation by a polygon, so that the overall confi guration in a section perpendicular to the cylinder axis 6 a ( Fig. 7) forms the sides of a regular N-corner. The winding planes of the individual segment coils are such that the angle between the measuring direction 8 and the normal to the winding plane is halved by the connecting line from the center of the measuring coil and the center of the segment coil. The measuring direction in such coil arrangements is perpendicular to the cylinder axis 6 a.
In Fig. 6 bis 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer segmentier ten Meßspule 1 mit vier Teilsegmenten 11, 12, 13, 14 gezeigt, die als Prototyp mit einer Länge von 200 mm aufgebaut wurde. Als unmagnetischer Träger 21, 22, 23, 24 für die durch parallele Linien angedeuteten Spulenwicklungen wurden im Querschnitt trapezförmig ausgebildete Aluminiumkörper verwen det, von denen die Träger 21, 23 mit den horizontalen Spulen wicklungen jeweils die in Fig. 9 gezeigte Form haben mit jeweils einer kreisrunden mittigen Öffnung 25 zum Einführen einer Meßprobe in den von den Teilsegmenten 11, 12, 13, 14 umschlossenen Meßraum.In Figs. 6 to 8 12 13 is an embodiment of a segmentation th measuring coil 1 with four sub-segments 11, 14, which was constructed as a prototype mm with a length of 200. As a non-magnetic carrier 21 , 22 , 23 , 24 for the coil windings indicated by parallel lines, trapezoidal aluminum bodies were used in cross section, of which the carriers 21 , 23 with the horizontal coil windings each have the shape shown in FIG. 9, each with one circular central opening 25 for introducing a measurement sample into the measurement space enclosed by the sub-segments 11 , 12 , 13 , 14 .
Die Wickelebenen der vier Teilsegmente 11, 12, 13, 14 liegen alle parallel. Die Wickelrichtung der beiden seitlichen Teilsegmente 12, 14 weist dabei entgegen der Wickelrichtung des oberen und unteren Teilsegmentes 11, 13.The winding planes of the four sub-segments 11 , 12 , 13 , 14 are all parallel. The winding direction of the two lateral sub-segments 12 , 14 is opposite to the winding direction of the upper and lower sub-segments 11 , 13 .
In Fig. 10 ist das Teilsegment aus Fig. 9 mit einer alterna tiven Ausführungsform des Spulenkörpers gezeigt. Der Wickel draht 7 wird hierbei nur durch zwei Bleche 26, 27 an zwei gegenüberliegenden Seiten geführt. Die Bleche 26, 27 können statt mit Rillen für den Wickeldraht 7 auch als Schablonen mit Löchern für die Drahtführung ausgeführt sein. Die Scha blonen werden ebenso wie die Bleche 26, 27 durch Stäbe 28, 29 auf Abstand gehalten und können auch hierdurch gespannt werden.In Fig. 10, the sub-segment of Fig. 9 is shown with an alternative embodiment of the bobbin. The winding wire 7 is only guided through two sheets 26 , 27 on two opposite sides. Instead of having grooves for the winding wire 7 , the sheets 26 , 27 can also be designed as templates with holes for the wire guide. The stencils, like the sheets 26 , 27 , are kept at a distance by rods 28 , 29 and can also be tensioned thereby.
In Fig. 11 ist die gesamte Spulenanordnung von Fig. 6 bis 10 im Querschnitt schematisch dargestellt, wobei die Wickelrich tung 30 jeweils durch Pfeile gezeigt ist.In Fig. 11, the entire coil arrangement of Fig. 6 to 10 is shown schematically in cross section, the winding direction 30 is shown by arrows.
Über eine Länge von etwa 40 mm Durchmesser im Inneren der in Fig. 6 bis 11 gezeigten Meßspule 1 ist die Meßempfindlichkeit innerhalb von einem Prozent konstant. Das Meßvolumen ist damit vergleichbar groß dem Volumen in einer Helmholtzspule mit einem Spulendurchmesser von 80 mm. Die Störanfälligkeit gegenüber Magnetfeldern im Außenraum liegt aber auch in dieser Ausführung um mehrere Größenordnungen unter der Anfälligkeit einer Helmholtzspule und ist damit vergleichbar der Spule von Fig. 1 bis 3.The measuring sensitivity is constant within one percent over a length of approximately 40 mm in diameter inside the measuring coil 1 shown in FIGS . 6 to 11. The measurement volume is thus comparable to the volume in a Helmholtz coil with a coil diameter of 80 mm. However, the susceptibility to magnetic fields in the exterior is also several orders of magnitude lower than that of a Helmholtz coil in this embodiment and is therefore comparable to the coil of FIGS. 1 to 3.
Fig. 12 zeigt schließlich, wie eine Meßspule 1 mit acht Teilsegmenten 11 bis 18 in der gleichen schematischen Dar stellung der Wickellagen und Wickelrichtungen 30 wie in Abb. 11 aussieht. Eine solche Meßspule 1 wird sich aufgrund ihrer Spulengeometrie durch einen größeren homogenen Meßbereich und eine geringere Empfindlichkeit für Störungen im Außenraum auszeichnen. Der prinzipielle Aufbau kann entsprechend auf eine beliebige Zahl von Teilsegmenten übertragen werden, wobei immer die Teilsegmente auf dem Umfang eines Zylinders oder dessen Annäherung durch ein Vieleck oder auf der Ober fläche einer Kugel angeordnet sind. Fig. 12 finally shows how a measuring coil 1 with eight sub-segments 11 to 18 in the same schematic Dar position of the winding layers and winding directions 30 as in Fig. 11 looks. Such a measuring coil 1 will be distinguished by a larger homogeneous measuring range and a lower sensitivity to disturbances in the outside due to its coil geometry. The basic structure can be transferred to any number of sub-segments, the sub-segments are always arranged on the circumference of a cylinder or its approximation by a polygon or on the upper surface of a ball.
BezugszeichenlisteReference list
1 Meßspule
2 Einzelspule (innere Spule)
2a Teilspule, innere
2b Teilspule, innere
3 Einzelspule (äußere Spule)
3a Teilspule, äußere
3b Teilspule, äußere
4a Ebene
4b Ebene
4c Ebene (ohne Umkehr der Wickelrichtung)
5 Schnittpunkt
6 Spulenachse
6a Zylinderachse
7 Wickeldraht
8 Meßrichtung
11 Teilsegment
12 Teilsegment
13 Teilsegment
14 Teilsegment
15 Teilsegment
16 Teilsegment
17 Teilsegment
18 Teilsegment
21 Träger
22 Träger
23 Träger
24 Träger
25 Öffnung
26 Blech
27 Blech
28 Stab
29 Stab
30 Wickelrichtung 1 measuring coil
2 single coils (inner coil)
2 a partial coil, inner
2 b partial coil, inner
3 single coil (outer coil)
3 a partial coil, outer
3 b partial coil, outer
4 a level
4 b level
4 c level (without reversing the winding direction)
5 intersection
6 coil axis
6 a cylinder axis
7 winding wire
8 direction of measurement
11 subsegments
12 subsegments
13 subsegments
14 subsegment
15 subsegments
16 subsegments
17 subsegments
18 subsegments
21 carriers
22 carriers
23 carriers
24 carriers
25 opening
26 sheet
27 sheet
28 staff
29 staff
30 winding direction
Claims (8)
- a) jede Einzelspule (2, 3) eine in der Summe gleiche Windungsfläche und eine zu einer anderen Einzelspule (3, 2) entgegengesetzte Polarität aufweist, so daß sich die unter Berücksichtigung der Polarität gebildeten Summen der Windungsflächen der die gesamte Meßspule (1) bildenden Einzelspulen (2, 3) gegeneinander aufheben und daß
- b) die Meßspule (1) drei entlang einer Spulenachse (6) senkrecht aufeinanderstehende Ebenen (4a, 4b, 4c) besitzt, deren gemeinsamer Schnittpunkt (5) in der Spulenmitte den Mittelpunkt des Meßvolumens definiert, wobei eine mit der Spulenachse (6) zusammenfallende Normale zu der Ebene (4c) eine Meßrichtung (8) definiert, nach der die Meßprobe in die Meßspule (1) hineingebracht wird.
- a) each individual coil ( 2, 3 ) has the same total winding area and a polarity opposite to another individual coil ( 3, 2 ), so that the sum of the winding areas formed taking into account the polarity of the entire measuring coil ( 1 ) Pick up individual coils ( 2, 3 ) against each other and that
- b) the measuring coil ( 1 ) has three planes ( 4 a, 4 b, 4 c) perpendicular to each other along a coil axis ( 6 ), whose common intersection ( 5 ) in the middle of the coil defines the center of the measuring volume, one with the coil axis ( 6 ) coincident normal to the plane ( 4 c) defines a measuring direction ( 8 ), according to which the test sample is brought into the measuring coil ( 1 ).
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-
1991
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