RU152855U1

RU152855U1 - MAGNETIC FIELD STABILIZATION DEVICE

Info

Publication number: RU152855U1
Application number: RU2014149975/28U
Authority: RU
Inventors: Юрий Викторович Богачев; Михаил Николаевич Князев
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2015-06-20

Abstract

Устройство стабилизации магнитного поля, содержащее стабилизатор напряжения питания электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока электромагнита, в зазоре которого установлен датчик Холла, соединенный с источником питания датчика, а также с усилителем ЭДС Холла, обмотку электромагнита, соединенную с эталонным сопротивлением, отличающееся тем, что введен микроконтроллер, один из входов которого соединен с выходом усилителя Холла, другой вход соединен с эталонным резистором, на третий вход подается управляющий цифровой код, а выход микроконтроллера соединен с входом регулирующего элемента.A magnetic field stabilization device comprising an electromagnet supply voltage stabilizer connected to a regulating element of an electromagnet current stabilization system, in the gap of which a Hall sensor is installed, connected to a sensor power supply, and also with a Hall EMF amplifier, an electromagnet winding connected to a reference resistance, characterized in that a microcontroller is introduced, one of the inputs of which is connected to the output of the Hall amplifier, the other input is connected to a reference resistor, This is a digital code, and the output of the microcontroller is connected to the input of the regulatory element.

Description

Полезная модель предназначена для использования в радиоспектрометрах магнитного резонанса, в частности в радиоспектрометрах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), ядерного магнитного резонанса (ЯМР), магнито-резонансных томографах (МРТ).The utility model is intended for use in radio-frequency spectrometers of magnetic resonance, in particular in radio-spectrometers of electron paramagnetic resonance (EPR), nuclear magnetic resonance (NMR), magnetic resonance imaging (MRI).

Известно устройство стабилизации магнитного поля (А.С N327461), в котором для повышения стабильности тока и стабильности магнитного поля, последовательно с основным электромагнитом включен вспомогательный электромагнит, в зазоре которого помещен датчик ЯМР, соединенный со схемой управления. Такое решение позволяет обеспечить долговременную стабильность магнитного поля в заданной точке. Однако данное устройство не позволяет обеспечить развертку магнитного поля в широком диапазоне, а также для стабилизации тока в широких пределах требуется набор сменных датчиков ЯМР. Для упрощения устройства в зазор вспомогательного электромагнита вместо датчика ЯМР вводят датчик Холла [Bruker report., 1976 N2, p/13]. Такое решение позволяет стабилизировать магнитное поле в широком диапазоне однако конструктивно рассматриваемое устройство является сложным.A device for stabilizing a magnetic field (A.C. N327461) is known, in which, to increase the stability of the current and the stability of the magnetic field, an auxiliary electromagnet is connected in series with the main electromagnet, in the gap of which an NMR sensor is connected to the control circuit. This solution allows for the long-term stability of the magnetic field at a given point. However, this device does not allow for a sweep of the magnetic field in a wide range, and to stabilize the current over a wide range, a set of interchangeable NMR sensors is required. To simplify the device, a Hall sensor is introduced into the gap of the auxiliary electromagnet instead of the NMR sensor [Bruker report., 1976 N2, p / 13]. Such a solution makes it possible to stabilize the magnetic field over a wide range; however, the structurally considered device is complex.

Известно устройство стабилизации магнитного поля (Electromagnet & Exciting power Supply. Instruction manual, p.2), которое содержит стабилизатор напряжения питания электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока электромагнита и соединенным с его обмоткой, в зазоре электромагнита установлен датчик Холла, помещенный в термостат, который соединен с блоком термостатирования, а датчик Холла соединен с источником питания датчика переменным током, а также с усилителем ЭДС Холла, соединенным со входом регулирующего элементом системы стабилизации тока электромагнита. Такое устройство стабилизирует поле электромагнита, и при этом в нем минимизировано влияние гистерезисных явлений магнитной системы. Но конструктивно известное устройство является сложным, поскольку в устройстве предусмотрена минимизация температурного дрейфа самого датчика Холла, который оказывает влияние на кратковременную и долговременную стабильность поля. Для достижения приемлемой стабильности предусматривается термостатирование датчика и выбор такой частоты источника питания датчика, на которой шумы имеют приемлемое значение. Обычно эта частота должна быть не ниже 10 кГц. Это существенно усложняет схемотехническое решение и делает его не пригодным для использования в малогабаритных магниторезонансных спектрометрахA device for stabilizing a magnetic field is known (Electromagnet & Exciting power Supply. Instruction manual, p.2), which contains an electromagnet supply voltage regulator connected to a regulating element of the electromagnet current stabilization system and connected to its winding; a Hall sensor is installed in the electromagnet gap the thermostat, which is connected to the thermostatic control unit, and the Hall sensor is connected to the sensor power supply with alternating current, as well as to the Hall EMF amplifier connected to the input of the control element of the system ilizatsii current electromagnet. Such a device stabilizes the field of the electromagnet, and at the same time, the influence of hysteresis phenomena of the magnetic system is minimized in it. But the structurally known device is complex, since the device provides for minimizing the temperature drift of the Hall sensor itself, which affects the short-term and long-term field stability. To achieve acceptable stability, thermostatic control of the sensor and the selection of such a frequency of the sensor power source at which noise are of acceptable value are provided. Usually this frequency should be at least 10 kHz. This significantly complicates the circuitry and makes it unsuitable for use in small-sized magnetic resonance spectrometers

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство (патент РФ 92961), содержащее стабилизатор напряжения питания электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока электромагнита, в зазоре которого установлен датчик Холла, соединенный с источником питания датчика и с усилителем ЭДС Холла, а обмотка электромагнита соединена с эталонным сопротивлением, так же устройство содержит два сумматора, входы первого из которых соединены с выходом усилителя ЭДС Холла и источником управляющего напряжения соответственно, а входы второго соединены с выходом первого сумматора и с эталонным сопротивлением, а выход второго сумматора соединен со входом регулирующего элемента системы стабилизации тока.The closest set of essential features to the proposed one is a device (RF patent 92961), containing an electromagnet power supply voltage regulator connected to a regulating element of the electromagnet current stabilization system, in the gap of which a Hall sensor is installed, connected to the sensor power source and to the Hall EMF amplifier, and the electromagnet winding is connected to a reference resistance, the device also contains two adders, the inputs of the first of which are connected to the output of the Hall EMF amplifier and the source m of control voltage, respectively, and the inputs of the second are connected to the output of the first adder and to the reference resistance, and the output of the second adder is connected to the input of the regulating element of the current stabilization system.

Известное устройство стабилизирует поле электромагнита, и при этом в нем минимизировано влияние гистерезисных явлений магнитной системы. Но введение датчика Холла в замкнутое кольцо системы регулирования при помощи сумматоров приводит к ухудшению кратковременной стабильности за счет того, что датчик Холла и усилитель ЭДС Холла обладают собственными шумами, в совокупности многократно превышающими собственные шумы системы стабилизации тока электромагнита. Кроме того, датчик Холла, как высокочувствительный элемент, подключенный к схеме при помощи неидеальнгого кабеля, является антенной, воспринимающей и усиливающей внешние наводки и помехи.The known device stabilizes the field of an electromagnet, while minimizing the influence of hysteresis phenomena of the magnetic system. But the introduction of the Hall sensor in the closed ring of the control system with the help of adders leads to a deterioration in short-term stability due to the fact that the Hall sensor and the Hall EMF amplifier have their own noise, which in aggregate is many times higher than the noise of the electromagnet current stabilization system. In addition, the Hall sensor, as a highly sensitive element connected to the circuit using an imperfect cable, is an antenna that perceives and amplifies external interference and interference.

Технической задачей, решаемой полезной моделью, является улучшение кратковременной стабильности магнитного поля.The technical problem solved by the utility model is to improve the short-term stability of the magnetic field.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит стабилизатор напряжения питания электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока электромагнита, в зазоре которого установлен датчик Холла, соединенный с источником питания датчика, а также с усилителем ЭДС Холла, обмотку электромагнита, соединенную с эталонным сопротивлением, отличающееся тем, что в схему введен микроконтроллер, один из входов которого соединен с выходом усилителя Холла, другой вход соединен с эталонным резистором, на третий вход подается управляющий цифровой код, а выход микроконтроллера соединен со входом регулирующего элемента.The problem is solved due to the fact that the proposed device, as well as the known one, contains an electromagnet power supply voltage regulator connected to a regulating element of the electromagnet current stabilization system, in the gap of which a Hall sensor is installed, connected to the sensor power source, and also with a Hall EMF amplifier , an electromagnet winding connected to a reference resistance, characterized in that a microcontroller is introduced into the circuit, one of the inputs of which is connected to the output of the Hall amplifier, the other input with it is single with a reference resistor, a control digital code is supplied to the third input, and the output of the microcontroller is connected to the input of the regulatory element.

Достигаемый технический результат - увеличение стабильности магнитного поля во время измерения за счет исключения датчика Холла из цепи регулирования во время измерения.The technical result achieved is an increase in the stability of the magnetic field during measurement due to the exclusion of the Hall sensor from the control circuit during measurement.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема стабилизации магнитного поля.The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the stabilization of the magnetic field.

Предлагаемое устройство стабилизации содержит стабилизатор напряжения 1 электромагнита, соединенный с регулирующим элементом системы стабилизации тока 2 электромагнита 3, обмотка которого соединена с эталонным сопротивлением 4. В зазоре электромагнита установлен датчик Холла 5, питание к которому подается от источника напряжения 6, а ЭДС Холла подается на вход усилителя Холла 7, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера (МК) 8. Второй вход микроконтроллера соединен с эталонным сопротивлением 4. На третий вход микроконтроллера подается управляющий цифровой код. Выход микроконтроллера соединен со входом регулирующего элемента 2 системы стабилизации тока.The proposed stabilization device contains a voltage stabilizer 1 electromagnet connected to the regulating element of the current stabilization system 2 electromagnets 3, the winding of which is connected to a reference resistance 4. In the gap of the electromagnet there is a Hall sensor 5, the power of which is supplied from a voltage source 6, and the Hall EMF is supplied to the input of the Hall amplifier 7, the output of which is connected to the first input of the microcontroller (MK) 8. The second input of the microcontroller is connected to a reference resistance 4. To the third input of the microcontroller A control digital code is supplied. The output of the microcontroller is connected to the input of the regulatory element 2 of the current stabilization system.

После включения устройства ток электромагнита создает на эталонном сопротивлении 4 падение напряжения, пропорциональное величине тока электромагнита. Сигнал ошибки, формируемый МК на основании сопоставления управляющего кода и напряжения, снимаемого с эталонного сопротивления 4, воздействует на регулирующий элемент 2 так, что ток электромагнита изменяется таким образом, что сигнал ошибки уменьшается до величины, не превышающей заданной точности поддержания величины магнитного поля.After turning on the device, the current of the electromagnet creates a voltage drop on the reference resistance 4, proportional to the magnitude of the current of the electromagnet. The error signal generated by the MC based on the comparison of the control code and the voltage taken from the reference resistance 4 acts on the control element 2 so that the current of the electromagnet changes so that the error signal decreases to a value not exceeding the specified accuracy of maintaining the magnitude of the magnetic field.

С другой стороны величина ЭДС Холла пропорциональна величине магнитной индукции B поля электромагнита. При гистерезисном изменении величины B меняется ЭДС Холла, величина которого определяет величину сигнала на выходе усилителя 7, поступающего на вход МК 8. Анализируя сигнал датчика Холла и управляющий код МК вычисляет, на какую величину необходимо изменить сигнал, подающийся на регулирующий элемент 2, чтобы скомпенсировать гистерезис, и вносит соответствующую коррекцию, после чего датчик Холла 5 не участвует в стабилизации магнитного поля до момента поступления нового управляющего кода, задающего новое значение магнитного поля. Таким образом, датчик Холла участвует только в начальной коррекции магнитного поля, стабилизация же магнитного поля в дальнейшем, то есть во время непосредственного измерения, осуществляется только стабилизацией тока электромагнита при помощи эталонного сопротивления 4.On the other hand, the magnitude of the Hall EMF is proportional to the magnitude of the magnetic induction B of the electromagnet field. With a hysteresis change in the value of B, the Hall EMF changes, the value of which determines the value of the signal at the output of the amplifier 7 supplied to the input of MK 8. By analyzing the signal of the Hall sensor and the control code, the MK calculates by what value the signal supplied to the control element 2 must be changed in order to compensate hysteresis, and makes the corresponding correction, after which the Hall sensor 5 is not involved in the stabilization of the magnetic field until a new control code arrives that sets the new value of the magnetic field. Thus, the Hall sensor is involved only in the initial correction of the magnetic field, the stabilization of the magnetic field in the future, that is, during direct measurement, is carried out only by stabilizing the current of the electromagnet using the reference resistance 4.

Описание устройства и его работы свидетельствуют о достижении технического результата - увеличения стабильности магнитного поля во время измерения за счет исключения датчика Холла из цепи регулирования во время измерения, и, следовательно, исключения влияния собственных шумов датчика Холла и усилителя на кратковременную стабильность магнитного поля. Дополнительным техническим результатом является снижение влияния внешних наводок и помех на стабильность магнитного поля.The description of the device and its operation indicate the achievement of a technical result - an increase in the stability of the magnetic field during measurement due to the exclusion of the Hall sensor from the control circuit during measurement, and, therefore, the influence of the intrinsic noise of the Hall sensor and amplifier on the short-term stability of the magnetic field. An additional technical result is to reduce the influence of external interference and interference on the stability of the magnetic field.

Claims

A magnetic field stabilization device comprising an electromagnet power supply voltage regulator connected to a regulating element of an electromagnet current stabilization system, in the gap of which a Hall sensor is installed, connected to a sensor power source, and also with a Hall EMF amplifier, an electromagnet winding connected to a reference resistance, characterized in that a microcontroller is introduced, one of the inputs of which is connected to the output of the Hall amplifier, the other input is connected to a reference resistor, This is a digital code, and the output of the microcontroller is connected to the input of the regulatory element.