SE1050526A1 - Spole innefattande lindning bestående av en multi-axialkabel - Google Patents

Abstract

28/03 2011 MÄN 1s=11 FAx +46 31 119 os 40 vALEA AB ~~- PRV, Sthlm 011/013 +46 31 779 06 409 SAM MAN DRAG Föreliggande uppfinning avser en spole som består av en lindning (45). Lindningen består aven multi-axiaikabel med ett avskärmningslager anslutet till jørd. s (Fig. 4)

Description

60 15 20 25 30 beskriver metoder och komponenter som används för spolesystem med en högfrekvenssusceptometer (HF-AC susceptometer) med maximum mättfrekvens upp till 100 MHz, med fördel minst 10 MHz.

Således avser uppfinningen en spole som består av en bärare och en lindning. Lindningen består av en multi-axialkabel med ett avskärmningslager anslutet till jord. Multi-axialkabel kan vara koaxial eller treaxial. Med fördel, enligt ett utförande, är spolen en excitationsspole och/eller detektionsspole i en spole för susceptometri. Spolen kan verka i en frekvens på 100 MHz, minst 10 MHz. I ett utförande är det andra avskärmningslagret av kabeln anslutet till en spännings av en strömkälla. Enligt ett utförande är ett eller flera skyddslager av den multi- axiella kabeln uppdelade i flera sektioner med varje sektion direkt ansluten till jord.

Uppfinningen avser också en anordning för att detektera en dynamisk magnetisk respons eller förändringar i en dynamisk magnetisk respons hos ett vanligt magnetiskt material eller minst en magnetisk partikel i en bärarvätska. Detektionen omfattar mätning av de magnetiska partiklarnas karakteristiska magnetiska relaxation i bärarvätska under påverkan av ett yttre magnetfält. Anordningen består av medel för att skapa det magnetiska fältet, minst två väsentligen identiska detektionsspolar anslutna i en gradiometerkoppling till detektionselektronik för att mäta inducerad spänning som är beroende av de dynamiska magnetiska egenskaperna hos ett prov i detektionsspolarna. Excitationsspolen och och/eller minst en av detektionsspolarna innefattar en lindning och lindningen består av en multi- axialkabel med ett avskärmningslager anslutet till jord. Multi-axialkabel kan vara koaxial eller treaxial. Anordningen kan fungera i en frekvens upp till 100 MHz, minst 10 MHz. Det andra avskärmningslagret kan anslutas till en spänning hos en strömkälla. Fältet kan vara sinusformat magnetfält eller ett pulsat magnetfält.

Uppfinningen avser också en metod för kalibrering av en anordning som tidigare beskrivits. Metoden innefattar: ett första steg att mäta systemets respons med en tom provhållare, ett andra steg av att beräkna signalskillnaden när den tomma provhållaren äri en första spole och när provhållaren äri den andra spolen, ett tredje steg att mäta systemet med ett prov som innehåller ett material med en känd och företrädesvis frekvensoberoende AC magnetisk susceptibilitet, kalibrera systemet baserat på nämnda mätningar med avseende på amplitud och fasförändringar på grund av anordningen.

Uppfinningen avser också en metod för kalibrering av en anordning som tidigare beskrivits. Metoden innefattar: att mäta en signal applicerad med en excitationsspänning, men utan excitationsström, som en bakgrundssignal, subtrahera nämnda uppmätta signal från en mätsignal för att utesluta kapacitiv bidrag för att härleda magnetiska egenskaper hos 15 20 25 provet, och kalibrera med avseende på amplitud- och fasförändringar till följd av anordningen.

Kort beskrivning av ritningar I det följande kommer uppfinningen att beskrivas med hänvisning till bifogade icke- begränsande exemplariska ritningar, där: Fig. 1 visar schematiskt ett känt excitations- och detektionsspolesystem.

Fig. 2 visar ett snitt genom en koaxialkabel, Fig. 3 visar ett snitt genom en treaxialkabel och Fig. 4 visar schematiskt ett spolesystem enligt uppfinningen.

Beskrivning av fördelaktiga utföranden Vid spoledesign (excitations- och detektionsspolar som tidigare nämnts), t.ex. för applikationer för AC-susceptometer, måste parasitkapacitansen hos enskilda lindningar av spolen beaktas. Denna kapacitans tillsammans med spolens induktans och resistans, bestämmer spolens resonansfrekvens över vilken induktiva responsen minskar snabbt, och därmed ska resonansfrekvensen helst vara högre än den maximala mätfrekvensen. Resonansfrekvensen kan ökas genom: o Minska antalet lindningar - Öka avståndet mellan lindningar o Minskad dielektricitetskonstant för isolerande material mellan lindningarna För varje spole av spolesystemet i Fig. 1, bör resonansfrekvensen vara över den maximala mätfrekvensen av AC-susceptometern. Dock kan det fortfarande finnas resonanser under mätfrekvensen i spolesystemet på grund av parasitära kapacitanser mellan excitationsspolen och detektionsspolen. Dessutom påverkas balansen mellan de båda detektionsspolarna av dielektriska egenskaper hos provet som mäts genom parasitkapacitansen mellan detektionsspolar. 15 20 95 30 Enligt uppfinningen, för att i minska parasitiska kapacitanser, kan koaxial- eller multi- axialkabel med låg kapacitans användas som spolelindningar för detektions- och/eller excitationsspolen med sin skärm jordad i ena änden.

En multi-axialkabel i detta sammanhang avser en kabel med en ledande kärna och ett eller flera (> 1) ledande avskärmningslager.

I ett utförande, kan skärm(ar) i flera koaxialkablar delas upp i flera sektioner, där varje sektion är direkt ansluten till en jordpunkt för att minska induktansen i skärm-till-jord vägen.

Fig. 2 visar ett snitt genom en koaxialkabel 20 som består av en kärna 21 av ett ledande material, ett isolerande lager 22, ett ledande avskärmningslager 23 och ett yttre isoleringslager 24. Enligt uppfinningen anslutes det ledande avskärmningslagret 23 till jord 25.

Fig. 3 illustrerar ett snitt genom en treaxialkabel 30 som består av en kärna 31 av ett ledande material, ett isolerande lager 32, ett ledande avskärmningslager 33, ett andra isolerande lager 34, ett andra ledande avskärmningslager 36 och ett yttre isolerings lager 37. Enligt uppfinningen, kan excitationsspolen Iindas med treaxialkabel med ena änden av den yttre skärmen 36 ansluten till signaljord 35, och den ena änden av det inre skyddslagret 33 ansluten till excitationsspänningskällan (vakt) 38.

Fig. 4 illustrerar ett utförande av ett detektionsspolesystem 40, t.ex. i enlighet med ovannämnda WO 2007120095, men anpassat till föreliggande uppfinning, i form av en första order gradiometerkoppling placerad i mitten av excitationsspolen 41.

Detektionsspolesystemet 40 bildas genom att placera två väl matchade spolar 42 och 43 med deras längdaxel kolinjära till längdaxeln av excitationsspolen 41 och sammankopplade så att detektionsspolesystemet kan upptäcka graden av den magnetiska flödesskillnaden mellan de två spolarna.

En del av excitationsspolen illustreras förstorad (inringat område). I det här fallet består excitationsspolen 41 av ett rörformigt hölje 44 försett med en lindning bestående av koaxialkabeln 45. I ena änden är avskärmningen för koaxialkabeln ansluten till signaljord.

Detektionsspolarna 42 och 43 kan också förses med samma typ av lindningar som excitationsspolen 41. Emellertid, kan t.ex. en blandning av koaxial- och treaxialkablar användas som lindningar för separata spolar. idealiskt, utan provet i detektionsspolar, bör signalen detekterad från detektionsspolar vara noll om detektionsspolarna är perfekt balanserade. Ändå kan det fortfarande finnas en elektrisk kopplingssignal från excitationsspolen till detektionsspolen även om koaxialkabeln 60 15 20 25 30 har använts i alla spolar. I utförandet av HF-AC-susceptometer kan denna oönskade signal först mätas utan närvaro av drivström, som en (kapacitiv) bakgrundssignal, som senare kan subtraheras från mätsignalen för att härleda de magnetiska egenskaperna hos provet. HF- AC-susceptometern kalibreras ytterligare med avseende på amplitud- och fasförändringar som beror pà själva instrumentet. De två kalibreringsprocedurerna, bakgrunds- och amplitud- och faskompensationen beskrivs nedan. l ett utförande kan mätning av den oönskade signalen utföras genom att placera ett relä i excitationsspolkretsen strax innan jordpunkten. Den kapacitiva bakgrunden analyseras genom att mäta systemets respons med excitationsutspänningen på, men med reläet öppet. I denna konfiguration kommer ingen ström att flöda i excitationsspolen, men en excitationsspänning kommer att finnas i excitationsspolen. Responsen plockas upp av detektionsspolen ger information om den kapacitiva bakgrunden.

I ett annat utförande kan systemet för mätning av AC-susceptibliteten i till exempel ett magnetiskt partikelsystem kalibreras i två steg: I det första steget, mäts systemresponsen med en tom provhållare. Effekten som denna mätning detekterar är skillnaden mellan signalen när den tomma provhållaren är i den övre spolen och när provhållaren är i den nedre spolen. Skillnaden beror på de dielektriska egenskaperna hos provhållaren och den mekaniska armen som flyttar provhållaren. Den resulterande (komplexa) spänningen, V = Vße + j * V,,"" är en bakgrundssignal som dras från varje uppmätt signal i efterföljande mätningar. Det andra steget sker med ett prov som innehåller ett material med en känd och helst frekvensoberoende magnetisk susceptiblitet, till exempel ett paramagnetiskt material som DyzOa Kalibreringsmaterial väljes företrädesvis att ha en frekvensoberoende susceptiblitet i frekvensområdet som används i sensorsystemet. Värdet för susceptibliteten hos kallbreringsmaterialet ska helst vara av samma storleksordning som för det uppmätta provet. Geometrin och dimensionerna av kalibreringsprovet bör helst vara samma som för mätprovet, för att få rätt kopplingsfaktor i detektionsspolen(arna). Den uppmätta spänningen minus bakgrunden ger (komplexa) spänning-tilI- susceptiblitet överföringsfaktorn, G = x ca. / (V CAL - V b, Frekvensberoendet hos förstärkningen och fasen mellan det tillämpade excitationsfältet och den magnetiska responsen från detektionsspolen(arna) är ett stort problem i konstruktionen av en susceptometer med hög bandbredd. Frekvensberoendet hos förstärkningen och fasen blir starkt vid höga frekvenser, särskild vid frekvenser nära resonansfrekvensen för detektionsspolen(arna) eller excitationsspolen. Förstärkningen och fasen kan också bli frekvensberoende beroende av egenskaper hos excitations- och/eller 15 detektionselektroniken. De mätta provdatan blir felaktiga, speciellt vid höga frekvenser, om dessa effekter inte kompenseras för.

Frekvensberoendet i förstärknings- och fasförskjutningen kompenseras genom en rutin som liknar kalibreringen, som beskrevs ovan. Skillnaden är att de två kalibreringsstegen utföres över många olika frekvenser. Därför är resultatet en frekvensberoende bakgrundsspänning (komplex) V b (f) och en (komplex) frekvensberoende spänning-till- susceptiblitet överföringsfaktor, G (f) = X CM (f) / (V CAL (f) - V b (f)). Genom att använda ett frekvensoberoende referensprov (ett prov med ett konstant X CAL, förenklas det andra steget i kompensationsrutinen.

I ovanstående beskrivning är uppfinningen beskriven med hänvisning till susceptometerapplikationer. Emellertid kan uppfinningens läror lätt användas för spolar i andra system, såsom: magnetometrar där magnetiska egenskaper mäts, mätning av yttre magnetfält i MHz området, till exempel i magnetisk resonans avbildning (MRI), etc.

Uppfinningen är inte begränsad till de beskrivna och illustrerade utföringsformerna och uppfinningens läror kan varieras på många sätt utan avvikelse från uppfinningens skyddsomfång i enlighet med bifogade patentkrav.

Claims (16)

PATENTKRAV

1. En spole innefattande en lindning (45), kännetecknad av att lindningen består av en multi-axialkabel med ett avskärmningslager anslutet till jord.

2. Spole enligt krav 1, vari nämnda multi-axialkabel är koaxial.

3. Spole enligt krav 1, vari nämnda multi-axialkabel är treaxial.

4. Spole enligt något av föregående krav, vari nämnda spole är en excitationsspole i ett spolesystem för susceptometri.

5. Spole enligt något av föregående krav, vari nämnda spole är en detektionsspole i ett spolesystem för susceptometri.

6. Spole enligt något av föregående krav för användning i en frekvens upp till 100 MHz, minst 10 MHz.

7. Spole enligt krav 3, vari ett andra avskärmningslager är anslutet till spänningen i en strömkälla.

8. Spole enligt något av föregående krav, vari ett eller flera avskärmningslager av nämnda multi-axialkabel är uppdelade i flera sektioner med varje sektion direkt ansluten till jord.

9. En anordning för att detektera en dynamisk magnetisk respons eller förändringar i en dynamisk magnetisk respons hos ett magnetiskt material eller minst en magnetisk partikel i ett bärarvätska, vari nämnda detektion omfattar mätning av nämnda magnetisk partikels karakteristiska magnetiska relaxation i nämnda bärarvätska under inflytande av ett yttre magnetfält, vilken anordning innefattar medel för att generera nämnda magnetfält, minst två väsentligen identiska detektionsspolar anslutna i en gradiometerkoppling till detektionselektronik för att mäta inducerad spänning som är beroende av de dynamiska magnetiska egenskaperna hos ett prov i detektionsspolarna, kännetecknad av att nämnda excitationsspole och/eller detektionsspolar innefattar en lindning (45) och att nämnda lindning består av en multi-axialkabel med minst ett avskärmningslager anslutet till jord.

10. Anordning enligt krav 9, vari nämnda multi-axialkabel är koaxial.

11. Anordning enligt krav 9, vari nämnda multi-axialkabel är treaxial. 10 15

12.

13.

14.

15.

16. Anordning enligt något av föregående krav för användning i en frekvens upp till 100 MHz, minst 10 MHz. Anordning enligt krav 11, vari ett andra avskärmningslager är anslutet till en spänning av en strömkäila. Anordning enligt något av kraven 9-13, vari fältet är sinusformat magnetfält eller ett pulsat magnetfält. En metod för kalibrering av en anordning enligt något av kraven 9-13, vilken metod omfattar: ett första steg att mäta systemresponsen med en tom provhållare, ett andra steg att beräkna skillnaden mellan en signal när den tomma provhållaren äri den första spolen och när provhållaren är i den andra spolen, ett tredje steg att mäta systemet med ett prov som innehåller ett material med en känd och företrädesvis frekvensoberoende magnetisk susceptlbilitet; kalibrera systemet med avseende på amplitud- och fasförändringar på grund av själva anordningen. En metod för kalibrering av en anordning enligt något av kraven 9-13, vilken metod innefattar: mäta en signal med ifrànvaro av en excitationsström, som en bakgrundssignal, subtrahera nämnda uppmätta signal från en mätsignal för att härleda magnetiska egenskaper hos provet, kalibrera med avseende på amplitud- och fasförändringar till följd av anordningen.