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Die Erfindung betrifft ein ein Magnetfeld erzeugendes System der Art, das
einen Magnetfeldgenerator und ein Kühlsystem, das mindestens eine
thermische Abschirmung enthält, das den Magnetfeldgenerator umgibt, aufweist.
Solche Systeme werden nachfolgend als die gattungsgemäße Art beschrieben.
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Systeme der gattungsgemäßen Art, die beschrieben sind, werden allgemein
in der Form von supraleitenden Magneten vorgefunden. In solchen Magneten
ist es notwendig, die elektrischen Leiter auf die supraleitende oder
kritische Temperatur abzukühlen, und dies erfordert, den
Magnetfeldgenerator in der Form von elektrischen Spulen innerhalb eines Kryostaten zu
plazieren. Superleitende Magnete finden eine besondere Anwendung in einem
Magnetresonanzabbildungssystem (MRI), bei dem ein Hauptmagnetfeld erzeugt
wird und dann ein Satz von magnetischen Feldgradienten dem magnetischen
Feld in einem Arbeitsvolumen in einer vorgegebenen, gepulsten Abfolge
überlagert wird, um Bereiche eines Körpers, der abgebildet werden soll,
zu isolieren. Normalerweise sind die Gradientenspulen, die verwendet
werden, um diese Gradientenfelder zu erzeugen, mit einem Widerstand
behaftet und werden innerhalb der Bohrung des Hauptmagneten angeordnet.
Demzufolge werden die Gradientenspulen durch eine kalte, metallische
Masse umgeben. Ein Pulsen der Gradientenspulen verursacht Wirbelströme,
die in den Abschirmungen des Kryostaten induziert werden. Der Fluß der
Wirbelströme bewirkt Leistung in der Form von I²R oder Joule'scher
Heizverlusten, die in den Abschirmungen aufgenommen werden, wodurch
bewirkt wird, daß sie aufgeheizt werden. Wenn die Abschirmungen damit
beginnen, sich aufzuheizen, ändert sich die elektrische Leitfähigkeit der
Abschirmung, in der die Wirbelströme fließen. Dies bewirkt, daß der
Betrag eines Wirbelstroms, der fließt, geändert wird. Die Änderung ist eine
Funktion der Zeit. Die magnetische Flußdichte (B) an einem Punkt in dem
Zwischenraum infolge eines Stroms, der irgendwo fließt, ist durch die
Integralform des Biot-Savart'schen Gesetzes (in MKS-Einheiten) gegeben:
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wobei u&sub0; = 4π x 10&supmin;&sup7; die Permeabilität eines freien Zwischenraumes
ist,
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v--dv = Integral über das Volumen V, das die Ströme enthält,
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J = Stromdichte
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X = Vektorkreuzprodukt
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U = Einheitsvektor, der von dem Stromdichtepunkt zu dem Feldpunkt
führt, und
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r = Abstand von dem Stromdichtepunkte zu dem Feldpunkt.
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Deshalb wird, falls die Wirbelstromdichte, J, eine Funktion der Zeit ist,
B auch eine Funktion der Zeit sein. Dies bedeutet, daß über die Zeit
variierende Wirbelströme, die in den Abschirmungen eines Magnetsystems
fließen, eine sich über die Zeit verändernde Störung des Hauptmagnetfelds
verursachen. Die Feldgradienten werden durch einen Gradientenleistungs-
Zuführungstreiberstrom durch einen Gradientenspulensatz erzeugt. Der
eventuelle Zweck ist, eine Feldgradientenstufe mit scharfen Grenzen zu
erzeugen, bei der weder ein Überschwingen noch ein Abfallen auftritt. Die
Gradientenspulen werden durch Abschirmungen umgeben, in denen
(insbesondere) Wirbelströme erzeugt werden. Diese Wirbelströme erzeugen
Magnetfelder, die dem Aufbau der Feldgradienten entgegenwirken. Die
Gradientenleistungszuführung wird deshalb mit einer oder mehreren Zeitkonstanten
"kompensiert", so daß die treibende Stromwellenform nicht langer einfach
ist, sondern sie wird so eingestellt, um die Effekte der Wirbelströme zu
kompensieren. Diese Kompensationseinstellung kann ein zeitaufwendiges
Verfahren auf der Basis von "trail and error" sein, um so eine akzeptable
Gradientenwellenform zu erzeugen. Falls sich nun Wirbelströme in den
Abschirmungen ändern, da die Abschirmtemperatur geändert wird, wird die
Kompensationseinstellung erfordern, daß sie geändert wird, um die
Abbildungsqualität beizubehalten.
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Es ist daher wichtig, daß die elektrische Leitfähigkeit der Abschirmung
konstant bleibt. In Systemen, die nur ein Kühlgerät zum Kühlen der
Abschirmungen besitzen, besteht ein besonderes Problem, da die Temperatur
der Kühlung unverändert von der Leistung abhängig ist, die die Kühlung
erfordert, zu absorbieren bzw. aufzunehmen. Falls sich die Leistung als
Folge von Wirbelströmen ändert, wird sich die abgekühlte Temperatur
ändern, wobei dieser Effekt zusätzlich zu den gesonderten
Temperaturdifferenzen durch das Metall der Abschirmung vorhanden ist, die notwendig
sind, um die Wärme zu dem Kühlgerät zu leiten. Eine Möglichkeit würde
diejenige sein, eine Abschirmung zu bilden, die auf einer ausreichend
niedrigen Temperatur zu jedem Zeitpunkt betrieben wird, wobei dann der
Widerstand der Abschirmung in dem "verbleibenden Widerstandsbereich" im
wesentlichen konstant unabhängig der Temperatur ist. Allerdings würde
dies ein Kühlgerät einer übermäßigen Leistung und mit hohem Kostenaufwand
erfordern und der erforderliche Temperaturbereich würde sich mit der
Reinheit und der Art des Materials ändern.
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Die IEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-23, No. 2, März 1987,
beschreibt einen supraleitenden Magneten und Kryostaten für
MRI-Anwendungen, der Strahlungsabschirmungen mit der Aufgabe zur Schaffung eines
konstanten Temperaturbetriebs besitzt.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung weist ein ein Magnetfeld
erzeugendes System einen Magnetfeldgenerator; ein Kühlsystem, das mindestens
eine thermische Abschirmung besitzt, das den Magnetfeldgenerator umgibt,
um einen konstanten Temperaturbetrieb zu schaffen; und
Gradientenmagnetfeld-Erzeugungseinrichtungen, auf; dadurch gekennzeichnet, daß das System
weiterhin Heizeinrichtungen zur selektiven Aufheizung der thermischen
Abschirmung, Steuereinrichtungen zur Energieversorgung der
Heizeinrichtungen, wenn die Gradientenmagnetfeld-Erzeugungseinrichtungen nicht aktiv
sind, und zur Abschaltung der Heizeinrichtungen, wenn die
Gradientenmagnetfeld-Erzeugungseinrichtungen aktiv sind, um so im wesentlichen die
thermische Abschirmtemperatur auf einer Referenztemperatur zu halten und
dadurch die elektrische Leitfähigkeit der thermischen Abschirmung im
wesentlichen konstant zu halten, aufweist.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum
Betreiben eines ein Magnetfeld erzeugenden Systems angegeben, das einen
Magnetfeldgenerator; ein Kühlsystem, das mindestens eine thermische
Abschirmung besitzt, die den Magnetfeldgenerator umgibt, um einen
konstanten Temperaturbetrieb zu schaffen; und
Gradientenmagnetfeld-Erzeugungseinrichtungen aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die
Energieversorgung der Heizeinrichtungen, wenn die Gradientenmagnetfeld-
Erzeugungseinrichtungen nicht aktiv sind, und eine Abschaltung der
Heizeinrichtungen, wenn die Gradientenmagnetfeld-Erzeugungseinrichtungen
aktiv sind, um so im wesentlichen die thermische Abschirmtemperatur auf
einer Referenztemperatur zu halten und um dadurch die elektrische
Leitfähigkeit der thermischen Abschirmung im wesentlichen konstant zu halten,
aufweist.
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Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß Heizeinrichtungen, zum Beispiel in
Form von einem oder mehreren kleinen Heizern, verwendet werden können, um
dem Wirbelstromproblem entgegenzuwirken, das durch die Verwendung nur
eines Kühlgeräts auftreten würde.
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Typischerweise werden dort, wo die
Gradientenmagnetfeld-Erzeugungseinrichtungen mindestens eine Gradientenspule umfassen, die
Heizeinrichtungen stärker mit Energie versorgt (Zuführung von höherer Heizleistung),
wenn die Gradientenspule nicht mit Energie versorgt wird, und werden
geringer mit Energie versorgt werden (Zuführung geringerer Heizleistung),
wenn die Gradientenspule mit Energie versorgt wird.
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Die Erfindung ist auf eine weite Vielfalt von ein Magnetfeld erzeugenden
Systemen der beschriebenen Art (insbesondere supraleitende Systeme)
anwendbar, allerdings ist sie insbesondere in gekühlten Systemen nützlich,
und sie ist noch wichtiger in Systemen mit nur einer thermischen
Abschirmung. Dies folgt daher, da ein typisches Abschirmmaterial, wie
beispielsweise
Aluminium oder Kupfer, einen geringen Emissionsgrad und eine hohe
thermische Leitfähigkeit besitzt, um das Eindringen von Wärme zu den
Teilen niedrigerer Temperatur des Systems zu verringern. Aufgrund dieses
Erfordernisses wird es auch eine große Variation der elektrischen
Widerstandsfähigkeit mit der Temperatur haben. Demzufolge wird, je reiner das
Material ist, desto besser die thermische Eigenschaft sein, allerdings
wird umso größer die Variation in der Widerstandsfähigkeit sein. Obwohl
das Gewicht der Abschirmung vergrößert werden könnte, um die täglichen
Änderungen zu verrringern, bedeutet dies, daß dicke Abschirmungen die
Beanspruchung von Raum zur Folge haben und zu Nachteilen hinsichtlich des
Systemgewichts führen.
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Die Erfindung kann auch ihre Anwendung in einem Magnetsystem besitzen, wo
die äußere Abschirmung nur durch einen Flüssigstickstoffbehälter gekühlt
wird, da sich die Abschirmbohrungstemperatur wesentlich ändern kann, wenn
der Pegel des flüssigen Stickstoffs in dem Behälter absinkt, und auch,
wenn das Gradientenpulsen ein- und ausgeschaltet wird.
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Die Erfindung ermöglicht, daß gute Abbildungen in einem MRI-System durch
Anpassung des Temperaturanstiegs aufgrund von Wirbel strömen und
Joule'scher Aufheizung, die durch Gradientspulen verursacht wird, im
Gegensatz zu einem Versuch, eine solche Aufheizung zu unterdrücken,
erzeugt werden. Demzufolge beträgt in einem Beispiel die gekühlte, äußere
Abschirmbohrungstemperatur etwa 60K, während die Temperatur auf etwa 70K
ansteigt, wenn gepulste Gradienten mit Energie beaufschlagt werden. Die
Aufheizeinrichtungen werden deshalb so gesteuert, um die 70K Temperatur
so aufrechtzuerhalten, daß diese im wesentlichen konstant verbleibt.
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Falls die mittlere Leistung, die den Gradientenwirbelströmen zugeführt
wird, ausreichend über die Zeitdauer der Abbildung konstant ist, könnte
eine Kompensation durch einfaches Ausschalten einer geeigneten, mit
Energie versorgten Heizvorrichtung während der Abbildungsperioden und durch
Wiedereinschalten von dieser zwischen den Abbildungsperioden erreicht
werden. Auf diese Weise ist die mittlere Leistung zu der Abschirmung
konstant, so daß sich deren Temperatur nicht ändern wird. Die Umschaltung
könnte manuell erfolgen, wobei in diesem Fall der Benutzer sich daran
erinnern muß, dies zu tun, oder sie könnte mit dem Abbildungsverfahren
durch einige einfache elektronische Einrichtungen gekoppelt werden, d.h.
die Steuerung, die die Abbildungsabfolge einleitet und anhält, könnte
dazu benutzt werden, die Heizvorrichtung aus- oder einzuschalten.
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Ein Beispiel eines supraleitenden Magnets gemäß der Erfindung wird nun
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, bei der es
sich um einen Längsschnitt durch die Magnetanordnung handelt.
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Die Magnetanordnung, die in der Zeichnung dargestellt ist, weist einen
supraleitenden Magneten auf, der aus einer Reihe von Sätzen aus
elektrischen Wicklungen gebildet ist, die an einer Wickelform 2 befestigt sind,
die eine Wand eines flüssiges Helium enthaltenden Behälters 3 festlegt.
Der Behälter 3 bildet einen Teil eines Kryostaten 4, der eine innere,
thermische Abschirmung 5 aufweist, die den Heliumbehälter umgibt, und
eine äußere, thermische Abschirmung 6, die die innere Abschirmung 5
umgibt. Die äußere Abschirmung 6 trägt einen Flüssigstickstoffbehälter 7.
Um den thermischen Abschirmeffekt des Kryostaten zu erhöhen, ist ein
Kühlgerät 8 vorgesehen, das mit dem Flüssigstickstoffbehälter 7 und der
inneren Abschirmung 5 verbunden ist.
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Ein evakuierter Bereich 9 ist in den verbundenen Zwischenräumen zwischen
dem Heliumbehälter 3 und der inneren Abschirmung 5, der inneren
Abschirmung 5 und der äußeren Abschirmung 6 und der äußeren Abschirmung 6 und
einer Außenwand 10 festgelegt.
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Die verschiedenen Abschirmungen und Wände verlaufen konzentrisch zu der
Achse 11 der Magnetbohrung.
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Innerhalb der Bohrung ist eine zylindrische Gradientenwickelspulenform 12
befestigt. Hinsichtlich einer besseren Deutlichkeit sind die
Gradientenspulen in den Zeichnungen weggelassen worden.
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In einem MRI-Experiment wird der Körper, der untersucht werden soll, in
der Bohrung des Magneten, mit der Hauptspule mit Energie versorgt,
positioniert, und danach werden die Gradientenspulen aufeinanderfolgend
gepulst und es wird ein rf-Signal ermittelt.
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Wie bereits zuvor erläutert worden ist, führt das Pulsen der
Gradientenspulen zu der Erzeugung von Wirbelströmen innerhalb der Wände des
Kryostaten, zum Beispiel der inneren und äußeren Abschirmung 5,6 mit einem
daraus resultierenden Ansteigen der Temperatur in den Abschirmungen.
Demzufolge wird das Pulsen einer Gradientenspule innerhalb des Magneten
bewirken, daß die Temperatur der Abschirmungen von einer anfänglichen
minimalen Temperatur ansteigt und um einen Langzeitmittelwert schwanken
wird. Die Temperatur wird nur dann auf das Minimum zurückfallen, wenn die
Gradienten für eine Zeitdauer von einigen Tagen ruhen.
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Um das Problem einer Änderung von Wirbel strömen zu verringern, wird, in
einem Beispiel, ein Satz von Heizvorrichtungen 13 an der äußeren
Abschirmung 6, an der Seite der Abschirmung 6, die zu der inneren Abschirmung 5
hin gerichtet ist, befestigt. Zusätzlich wird ein Thermometer 14 an der
äußeren Abschirmung 6 so angebracht, um deren Temperatur zu überwachen.
Die Heizvorrichtungen 13 und das Thermometer 14 sind über eine
Temperatursteuereinheit 15 verbunden, die einen Mikroprozessor enthält. Ein
geeignetes Thermometer ist der Temperatursensor vom Typ CLTS (DCZOO42),
der von der Micro-Measurement Division, Measurements Group Inc., Raleigh,
North Carolina, U.S.A., hergestellt ist. Andere Sensoren können basierend
auf einer Basis-Emitter-Strecke eines kleinen Transistors aufgebaut
werden. Die nach vorne gerichtete Spannungs/Strom-Charakteristik der Strecke
(bei der es sich tatsächlich um eine Halbleiterdiode handelt) ist von
ihrer Temperatur abhängig, so daß die Spannung, die erforderlich ist, um
einen festgelegten Strom durch die Diode zu führen, ansteigt, wenn die
Temperatur der Diode abfällt. Es sind viele andere Formen von
Tiefsttemperatur-Sensoren bekannt, die kommerziell erhältlich sind, die zur
Messung der Abschirmtemperatur geeignet sein würden. Idealerweise wären sie
unempfindlich gegen starke, statische Magnetfelder (obwohl dies nicht
absolut notwendig ist, da das Magnetfeld im wesentlichen konstant ist,
wenn das System arbeitet), sie sollten aber nicht für Änderungen der
Magnetfelder (nicht-induktiv) empfindlich sein, sie sollten aber auf
Änderungen der Temperatur reagieren, die verhältnismäßig schnell mit der
Änderungsrate der Abschirmtemperatur verglichen wird, und sie sollten
nicht sehr groß in ihren Abmessungen sein. Viele kommerzielle Sensoren
werden diese Anforderungen erfüllen.
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Das Thermometer muß so an der Abschirmung befestigt werden, daß eine
kleine Differenz in der Temperatur zwischen dem Sensor und der
Abschirmung vorhanden ist. Dies erfordert, daß der Sensor und seine Verdrahtung
sorgfältig befestigt werden sollten und daß die Leistung, die in der
Vorrichtung durch die Meßeinrichtung verbraucht wird, klein sein sollte.
Geeignete Heizvorrichtungen sind Drahtwicklungen mit 47 Ohm und 25 Watt
(Typ 157-572), die von RS Components Ltd, Duddeston Mill Industrial
Estate, Saltley, Birmingham, B81BQ zu beziehen sind. Solche Widerstände
besitzen drahtgewickelte Elemente, die durch einen Silizum-Verbund
umgeben und in einem anodisch behandelten Aluminiumgehäuse untergebracht
sind, das zwei Ösen zum Verschrauben an einer Oberfläche besitzt.
Allgemein können die Heizvorrichtungen in irgendeiner Form eines
Niedrigtemperatur-Heizelements vorliegen, das dicht thermisch an dem Metall der
Abschirmung(en) verbunden werden kann, wobei eine elektrische Isolation
beibehalten wird, das kein merkliches Magnetfeld (nicht-induktiv)
erzeugt. Ein wärmeleitender Verbund (Vakuum-Fett, das ausreichend in der
kryostatischen Industrie bekannt ist) kann zwischen der Basis der
Heizvorrichtung und der aufgeheizten Oberfläche verwendet werden, um den
thermischen Kontakt zu verbessern, allerdings können andere Massen als
Vakuum-Fett geeignet sein, ebenso wie andere Formen von Heizvorrichtungen.
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Die Temperatursteuereinheit 15 überwacht die Temperatur der äußeren
Abschirmung 6, wie sie durch das Thermometer 14 ermittelt wird, vergleicht
die überwachte Temperatur mit einer internen Referenztemperatur,
verstärkt die Differenz (die Fehlerabweichung) und benutzt das
Fehlersignale,
um die Leistung, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, derart zu
ändern, um das Fehlersignal zu verringern, und steuert demzufolge
selektiv die Energieversorgung der Heizvorrichtungen 13, um so die äußere
Abschirmung 6 auf der Referenztemperatur zu halten, z.B. 70K. Es sollte
angemerkt werden, daß die Heizvorrichtungen 13 nicht-induktiv sein
müssen, um so nicht die Abbildung zu beeinflussen. Demzufolge wird die
Heizvorrichtungsleistung zu dem Zeitpunkt erhöht, zu dem die Gradientenspule
abgeschaltet wird, so daß die Temperatur der Referenz-Temperatur
beibehalten werden kann. Dann werden die Gradientenspulen wieder
eingeschaltet, die Heizleistung wird verringert und die Abschirmung wird wieder auf
der Referenz-Temperatur gehalten.
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Ein besonderes Beispiel einer Temperatursteuereinheit ist der ITC4, der
für die Verwendung in Verbindung mit einer Anzahl von unterschiedlichen
Arten von kommerziell erhältlichen Temperatursensoren geeignet ist und
Daten enthält, die in einem Speicherchip zur automatischen Linearisierung
(Umwandlung einer unverarbeiteten Messung in eine Temperatur) dieser
Sensoren gespeichert sind. Sein Mikroprozessor kann auch extern mit
Linearisierungsdaten für den bestimmten Temperatursensor des Benutzers
programmiert werden. Der ITC4 wird von der Oxford Instruments Limited
verkauft.
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Der ITC4 ist eine "3 -fach Anschluß-Steuereinheit", indem sie die
folgenden Signale zu dem (nicht dargestellten)
Ausgangsheizungs-Steuerschaltkreis zuführt, der die Heizvorrichtungen steuert:
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1. Proportional, d.h. das Fehlersignal multipliziert mit dem
Verstärkungsfaktor oder der Verstärkung, die durch den Benutzer
eingestellt wird.
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2. Integral, d.h. das Zeitintegral des Fehlersignals mit einer
Zeitkonstanten, die durch den Benutzer eingestellt wird.
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3. Differenziell, d.h. das Zeitdifferential oder die Änderungsrate
des Fehlersignals über der Zeit mit einer Zeitkonstanten, die
durch den Benutzer eingestellt wird.
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Um das beste Ansprechverhalten zu bekommen, d.h. die schnellste Rückkehr
zu der eingestellten Temperatur nach einer Störung, werden die Größe
eines Verstärkungsfaktors und die Integral- und
Differential-Zeitkonstanten durch den Benutzer eingestellt, um das individuelle System, das
gesteuert werden soll, anzupassen.
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Die Anordnung der Heizvorrichtungen 13 ist für eine gute
Temperatursteuerung bevorzugt, allerdings besitzt sie das Problem, daß nur ein
begrenzter Zwischenraum für die Heizvorrichtungen zur Verfügung steht.
Eine praktischere Anordnung ist auch in der Zeichnung dargestellt. In
dieser Anordnung sind Heizvorrichtungen 13' an den axialen Endwänden der
äußeren Abschirmung 6 befestigt, während ein Thermometer 14' an dem einen
Ende der radialen Innenwand der äußeren Abschirmung 6 befestigt ist.
Diese ist wesentlich einfacher zusammenzubauen, während die Position des
Thermometers 14' einen Kompromiß zwischen einem Ansprechen auf die
Bohrungsbeheizung und einem Ansprechen auf die Heizleistungsänderung
darstellt.
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Typische Heizvorrichtungen werden elektrische Spulen aufweisen, die
jeweils zur Lieferung von 40 Watt geeignet sind.