Einrichtung zur Ermittlung der Stärke eines Magnetfeldes mit einer Hall-Sonde
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung der Stärke eines Magnetfeldes mit einer Hall-Sonde und deren Verwendung zur Regelung der Magnetfeldstärke eines Elektromagneten mit sehr hoher, reproduzierbarer Genauigkeit.
Es ist bekannt, die Stärke eines Magnetfeldes dadurch zu messen, dass ein halbleitendes Material, oder ein Hall Generator in ein Magnetfeld gebracht wird. Bei einem typischen Hall-Element sind zwei Elektroden an gegen überliegende Enden eines dünnen Halbleiter-Plättchens angebracht, beispielsweise Germanium, durch die ein Strom fliesst. Zwei zusätzliche Fühl- oder Spannungs - Zuleitungen werden in der Ebene des Stromflusses rechtwinklig zu dessen Richtung am Halbleiter angebracht.
Wenn ein Magnetfeld mit einer Komponente senkrecht zur Ebene des Stromflusses dem Hall-Element aufgedrückt wird, wird zwischen den Hall-Spannungs-Anschlüs sen eine als zu (Hall-Spannung) y bezeichnete Spannung er- zeugt. Diese Hall-Spannung ist proportional dem Produkt des durch das Hall-Element fliessenden Stromes mit der Intensität des Magnetfeldes in Richtung senkrecht zur Ebene des Stromflusses. Wenn ein bekannter Strom durch das Hall-Element fliesst, ergibt eine Messung der Hall-Spannung ein Mass für die unbekannte magnetische Feldstärke.
Es ist deshalb möglich, ein von einem Elektromagneten erzeugtes statisches magnetisches Gleichfeld dadurch zu regeln, dass ein Hall-Generator als Magnetfeldsonde verwendet wird. Hall-Kristalle können so aufgebaut werden, dass bei einer bestimmten Magnetfeldstärke kein Hall-Spannungs-Temperatur-Koeffizient vorliegt, indem der Hall-Kristall dotiert wird, d.h. die Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung kann für eine bestimmte Magnetfeld stärke eliminiert werden. Der Temperaturkoeffizient der Hall-Spannung hängt jedoch von der Magnetfeldstärke ab, so dass es bei bekannten Einrichtungen notwendig war, beispielsweise magnetfeldempfindliche Widerstände zu verwenden oder andere Kompensationseinrichtungen für die Hall-Sonde.
Bei bekannten Einrichtungen wurden verschiedene Schaltungen zur Kompensation verwendet, um willkürlich auftretende Ungleichgewichts-Spannungen bei Magnetfeldstärke Null zu eliminieren, und um temperaturabhängige und feld abhängige Änderungen im inneren Widerstand des Halbleiters sowiedieTemperaturabhängig keit der Hall-Spannung auszukorrigieren. Typischerweise wird z. B. dadurch kompensiert, dass an die Hall-Spannungs-Anschlüsse eine Gegenspannung angelegt wird, die über einem Spannungsteiler erzeugt wird.
Wenn es auch hierdurch möglich wird, relativ billige, nicht abgeglichene Hall-Sonden zu verwenden, tritt der Nachteil auf, dass die Hall-Spannung, die sich in erster Näherung linear mit der magnetischen Feldstärke ändert, bei höheren Magnetfeldstärken wegen Gliedern höherer Ordnung in der Abhängigkeit der Hall-Spannung von der Magnetfeldstärke kein zuverlässiges Mass der Magnetfeldstärke ergibt. Selbst wenn Hall-Sonden so dotiert werden, dass die Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung bei einem Wert der Magnetfeldstärke eliminiert wird, ändert sich die an den Aschlüssen auftretende Hall-Spannung, die gleich ist der wahren oder + inneren Hall-Spannung ab- züglich dem inneren Spannungsabfall iR im Halbleiter, mit der Temperatur, weil der Eigenwiderstand R des Hall-Kristalls temperaturabhängig ist.
Weil nun der innere Spannungsabfall iR im Kristall, der der Eigen Hall-Spannung entgegenwirkt, sich mit der Temperatur ändert, ändert sich auch die nach aussen auftretende Hall Spannung mit der Temperatur.
Erfindungsgemäss wird eine Einrichtung der eingangs genannten Art verfügbar gemacht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Potentiometer im Strompfad der Hall-Sonde vorgesehen ist, an welches eine Bezugsspannungsspule angeschlossen ist und im Hall-Spannungspfad der Hall-Sonde eine Feld spule vorgesehen ist, wobei die genannten Spulen Primärwicklungen von Trennwandlern bilden, deren Sekundärwicklungen gegeneinander geschaltet sind.
Eine Schwierigkeit bei Hall-Sonden bekannter Art mit der erwähnten Kompensation lag darin, dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Betriebes von der Stabilität einer äusseren Stromversorgung und Belastungsfaktoren abhing. Schwankungen der Ausgangsspannung des externen Oszillators, der den Strom an die Hall-Sonden-Strom zuleitungen liefert, und temperaturabhängige Variationen im Innenwiderstand der Hall-Sonde ergeben Variationen in der Hall-Spannung, die von der Magnetfeldstärke unabhängig sind und deshalb stören.
Um eine genaue Magnetfeldregelung mit einer Hall Sonde zu erzielen, ist es notwendig, dass die Hall-Spannung unabhängig ist von Bedingungen ausserhalb des Feldes selbst. Es ist darüber hinaus erforderlich, dass der Strom durch die Hall-Sonde konstant gehalten wird, oder dass Änderungen im Strom aufgrund von externen Schwankungen und Änderungen im Eigenwiderstand der Sonde exakt kompensiert werden. Diese beiden Forderungen lassen sich mit einer erfindungsgemäss ausgebildeten Einrichtung erfüllen.
Die erfindungsgemässe Einrichtung lässt sich auch zur Regelung der Stärke eines von einem Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes auf einen sich in Abhängigkeit von der Zeit ändernden Sollwert verwenden, wenn die an den gegeneinandergeschalteten Sekundärwicklungen auftretende Spannungsdifferenz in einer Brückenschaltung mit einer Bezugsspannung verglichen wird, und das Vergleichssignal entsprechend der zu erzielenden zeitlichen Änderung des Sollwertes geändert und zur Steuerung des Stromes des Elektromagneten verwendet wird.
Die Erfindung soll anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung noch näher erläutert werden; es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Hall-Sonden-Schaltung;
Fig. 2 ein Schaltbild einer Hall-Sonden-Schaltung und -Wobbel-Schaltung für gemeinsamen Betrieb; und
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Feldregeleinrichtung für einen Elektromagneten als Verwendung einer Schaltung nach Fig. 2.
Gemäss Fig. 1 erhält eine Hall-Sonde 1, die aus einem plattenförmigen Block eines Halbleiters besteht, beispielsweise Germanium, an dem Stromzuführungen 2 und 3 befestigt sind, Wechselspannung von einem nicht dargestellten Oszillator über Klemmen 4 und 5. Diese Spannung ruft einen Wechselstrom zwischen den Stromzuleitungen 2 und 3 in der Hall-Sonde 1 hervor. Wenn an die Hall-Sonde ein Magnetfeld mit einer zu dieser senkrechten Komponente angelegt wird, während ein Wechselstrom hindurchfliesst, wird an den Klemmen 6 und 7 der Hall-Sonde und über der Feld spule 8 eine Hall-Spannung erzeugt. Die Spule 8 ist als Primärwicklung eines Trennwandlers 9 ausgebildet, an dessen Sekundärwicklung 10 die transformierte Hallspannung auftritt.
Wenn die Grösse eines Magnetfeldes, das der Hall Sonde aufgedrückt ist, geregelt werden soll, wird die Spannung über dem Spannungsteiler 11, bestehend aus einem Präzisionswiderstand 12, der mit den Stromzuführungen 2 und 3 der Hall-Sonde in Reihe liegt, so dass der gleiche Wechselstrom, der durch die Sonde 1 fliesst, auch durch Widerstand 12 fliesst, und einem variablen Kondensator 13, veränderlich geteilt, wobei ein Teil dieser Spannung an eine Bezugsspule 14 gegeben wird, mit einem Trennwandler 15 transformiert wird und an der Sekundärspule 16 auftritt.
Durch Veränderung der kalibrierten Teilung der Spannung über dem Widerstand 11 in bekannter Weise, indem der Abgriff 12 verstellt wird, der beispielsweise mit Spule 14 in Reihe liegt, wird die Spannung über Spule 16 so eingestellt, dass sie gleich und entgegengerichtet der Spannung über Spule 10 ist, so dass, wenn die Magnetfeld-Regelungs-Bezugsspannung über der Bezugsspule 14 gleich ist der Hallspannung über Feldspule 10, ein Null-Signal an den Ausgangsklemmen
17 und 18 erzeugt wird. Wenn jedoch die Magnetfeld Regelspannung über Bezugsspule 14 grösser oder kleiner ist als die Hall-Spannung, wird ein Abweichungs- oder Fehlersignal an den Klemmen 17 und 18 erzeugt, das jeweils der Differenz zwischen der Bezugsspannung und der unbekannten Hall-Spannung entspricht.
Dieses Abweichungssignal kann verstärkt und dazu verwendet werden, einen nicht dargestellten Servomechanismus zu regeln, der beispielsweise den Strom eines Elektromagneten nachstellen kann.
Weil der Ausgang des Spannungsteilers 11 in Magnetfeldstärkeneinheiten kalibriert werden kann, kann eine gewünschte Magnetfeldeinstellung entsprechend einer Magnetfeld-Regelspannung über Spule 14 eingestellt werden, und die Hall-Spannung wird mit dieser Regelspannung verglichen. Wenn also die dargestellte Einrichtung in Verbindung mit einer Servo-Magnetregeleinrichtung (nicht dargestellt) verwendet wird, kann der Feldstrom für das Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten vergrössert oder verkleinert werden, bis das Magnetfeld zwischen den Polschuhen gleich der gewünschten Bezugsmagnetfeldstärke ist.
Ein bedeutender Vorteil der dargestellten Einrichtung liegt darin, dass Änderungen in der Eingangswechselspannung an den Klemmen 4 und 5 oder Änderungen in der Belastung an den Klemmen 17 und 18 keinen Einfluss auf das Null-Signal haben, sobald einmal eine Null-Spannung über den Ausgangsklemmen 17 und 18 eingestellt ist, wodurch angezeigt wurde, dass die Magnetfeldregelspannung gleich ist der Klemmen-Hall-Spannung.
Wenn auch eine Abweichung in der Eingangsspannung eine Änderung der Hall-Spannung hervorruft, so wird doch diese Änderung mit gleicher Grösse aber entgegengesetzt gerichtet in Spule 14 erzeugt, so dass die Spannung Null über den Ausgangsspulen 10 und 16 ungestört bleibt
Die Verwendung von zwei identischen Trennwandlern 9 und 15, ist darüberhinaus vorteilhaft, weil bei Abtastung eines magnetischen Feldes jeder Fehler aufgrund von Änderungen in einzelnen Übersetzungsverhältnissen dadurch eliminiert wird, dass jedes Übersetzungsverhältnis sich um gleiche Beträge ändert und sich die Änderungen deshalb herausheben, wenn die Spannungen über Spule 10 und 16 einander entgegengeschalten werden.
In gleicher Weise erlaubt die Verwendung identischer variabler Kondensatoren 13 und 13' vorteilhafterweise eine Auslöschung von Phasen- und Amplitudenfehlern aufgrund der Belastung des variablen Widerstandes 12 und des Hall-Generators 1 durch die Reaktanz des Wandlers 15 bzw. 9. Alle Fehler aufgrund von äusseren Fluktuationen in der Spannungsversorgung und Belastung werden also effektiv durch diese neuartige abgeglichene Schaltungsanordnung herausgehoben.
Änderungen der Hall-Spannung aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung und der Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes des Halbleiterkörpers der Hallsonde, sowie aufgrund dessen, dass der Hall-Generator einem weiten Bereich von Magnetfeldstärken ausgesetzt wird, werden durch Temperaturkompensation der Hall-Sonde eliminiert. Die Hall-Sonde 1 hat einen positiven Hall-Spannungs-Temperatur-Koef- fizienten in der Grössenordnung von beispielsweise 3 x 10-4/ C.
Wenn ein Präzisionswiderstand 20 mit einem Festwiderstand von etwa 1300 Ohm oder mit einstellbaren kalibrierten Widerstandswerten, an die Hall-Spannungsklemmen 6 und 7 parallel zu einer Ausgangsimpedanz von etwa 100 Ohm geschaltet wird, kann die Änderung der Hall-Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur gleich der Änderung des Spannungsabfalls iR im Halbleiter aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Halbleiter-Eigenwiderstandes gemacht werden, so dass sich die Klemmen-Hall-Spannung an der Feldspule 8 bei Temperaturänderungen nicht ändert. Die Verwendung eines Festwiderstandes reicht aus, um die Temperaturabhängigkeit der Klemmen-Hall-Spannung bei Magnetfeldern bis zu 10 Kilogauss zu eliminieren.
Im Bereich von 10 bis 40 Kilogauss und darüber hat jedoch die Kombination eines Festwiderstandes mit einem variablen Widerstand den Vorteil, dass die Temperaturabhängigkeit der Klemmen-Hall Spannung infolge der unterschiedlichen Werte der Temperaturabhängigkeit der inneren Hall-Spannung und des Eigenwiderstandes des Halbleiters eliminiert werden kann, die im Bereich von 10 bis 40 Kilogauss nicht mehr mit einem einzigen Festwiderstand ausgeglichen werden können. Mit einem veränderlichen Widerstand kann also die Feldregeleinrichtung sehr genau über noch grössere Bereiche von Magnetfeldstärken arbeiten.
In Fig. 2 ist eine Hall-Sonden-Schaltung nach Fig. 1 zusammen mit einer Wobbelschaltung dargestellt; diese Kombination dient dazu, den Strom eines Elektromagneten zu regeln, der bei magnetischen Kernresonanz- oder paramagnetischen Elektronenresonanz-Versuchen verwendet werden kann. Die Eingangsspannung wird an Klemmen 4 und 5 angelegt und zwischen einem Hall-Sonden Kreis 21 und einer Wobbelschaltung 22 geteilt. Die Wobbelschaltung 22 besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Widerständen 23, einem Abgriff 24', der an die Primärspule 24 eines Trennwandlers 24 angeschlossen ist, so dass eine Spannung über der Primärspule 24 erzeugt wird. Diese transformierte Spannung tritt an der Sekundärspule 26 des Trennwandlers auf, die mit einem Mittelabgriff 18' versehen ist, der an Klemme 18 angeschlossen ist.
Der Widerstand 27 mit verstellbarem Abgriff 10' liegt in Reihe mit Spule 26 und bildet mit dieser eine Brückenschaltung 28. Wenn eine Wechselspannung an den Eingangsklemmen 4 und 5 auftritt, wird keine Spannung an die Ausgangsklemmen 17 und 18 gegeben, wenn der bewegliche Abgriff 10' auf Mitte eingestellt wird, sofern kein Magnetfeld der Hall-Sonde aufgedrückt wird, durch das ein Ausgangs-Abweichungssignal erzeugt wird. Die Brücke 28 kann jedoch dadurch aus dem Gleichgewicht gebracht werden, dass der Abgriff 10', beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Antriebsmechanismus, derart verstellt wird, dass eine Wobbelspannung an den Ausgangsklemmen 17 und 18 auftritt.
So kann eine sich mit der Zeit ändernde Spannung der stabilisierenden Differenzspannung überlagert werden, um eine Modulation des Magnetfeldes eines Elektromagneten hervorzurufen, die beispielsweise in Verbindung mit bekannten Detektortechniken bei Magnetresonanzanwendungen verwendbar ist. So kann ein konstantes, statisches magnetisches Gleichfeld zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten langsam und kontinuierlich in vorgegebener Weise gewobbelt oder über einen Bereich verändert werden.
In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Hall-Sonden Regel-Einrichtung zur Regulierung und Stabilisierung des Magnetfeld es eines Elektromagneten dargestellt, die mit hoher Präzision arbeitet.
Die Hall-Sonden-Steuerung 29 besteht aus einer Stromquelle 30, einem Oszillator 31, einem Leistungsverstärker 32, einer Hall-Sonden- und Wobbelschaltung 33, dem Hall-Sonden-Kreis 21 und der Wobbelschaltung 22 gemäss Fig. 2, einem Abweichsignalverstärker 34, einem Phasendetektor 35 und einem Stabilisator 36. Die Stromquelle 37, die beispielsweise eine Ausgangsspannung von 18 Volt hat, wird dazu verwendet, einen Wechselstromoszillator 31 zu betreiben, dessen Ausgangssignal durch den Leistungsverstärker 32 verstärkt und danach an die Eingangsklemmen der Hall-Sonden- und Wobbelschaltung 33 angelegt wird.
Eine Magnetfeldregel-Bezugsspannung wird über Spule 14 (Fig. 2) eingestellt, wie bereits erläutert, indem der Abgriff des Widerstandes 12 gemäss einer nicht dargestellten Skala, die unmittelbar in Magnetfeldstärke-Einheiten kalibriert ist, auf den gewünschten Wert der magnetischen Feldstärke eingestellt wird. Wenn das zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten 45 erzeugte Feld sich von der gewünschten Magnetfeld stärke unterscheidet, wird ein Abweichsignal, das proportional der Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Hall-Spannung ist, über den Ausgangsklemmen der Hall-Sonden- und Wobbelschaltung 33 erzeugt. Dieses Abweichsignal mit beispielsweise 1300 Hz wird im Abweichsignalverstärker 34 verstärkt, dann dem Phasendetektor 35 zugeführt, wo es mit dem Ausgangssignal des Oszillators 31 verglichen wird.
Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Oszillators 31 und dem des Verstärkers 34 legt die Polarität des Signals fest, die dem Stabilisator 36 zugeführt wird, der verhindert, dass Schwingungen in der Hall-Sonden-Regeleinrichtung auftreten.
Der Ausgang des Stabilisators 36 wird daraufhin der Magnet-Stromversorgung 37 zugeführt und dort im Treiberverstärker 38 verstärkt. Das Abweichsignal von der Treiberstufe 38 wird dann einer Schaltung zugeführt, die aus Transistoren 40 oder aus Verstärkerröhren besteht, die parallel geschaltet sind. Das Abweichsignal wird in bekannter Weise an die Basen 41 der Transistoren gelegt.
Die Emitter dieser Transistoren erhalten Gleichstrom.
Der Gleichstrom für die Emitter 42 wird durch Gleichrichten und Filtern von Drei-Phasen-Wechselstrom im Gleichrichter 43 erzeugt. Der Gleichstrom-Ausgang des Gleichrichters 43 kann dem Treiber 38 einfachheitshalber durch eine Schaltung 44 zugeführt werden, die aus Kondensatoren und Widerständen besteht, die gemeinsam dazu dienen, Wechselstrom-Rippel zu beseitigen.
Die Basen 41 der einzelnen Pass-Transistoren 40 können so vorgespannt werden, dass sie einen bestimmten Stromfluss zum Magneten 45 erzeugen, indem der Ausgang der Hall-Sonden- und Wobbelschaltung 33 aus dem Gleichgewicht gebracht wird, beispielsweise um 1 zu 105.
Wenn ein verstärktes Abweichsignal an die Basen der Transistoren 40 gelegt wird, dient dieses Signal dazu, mehr oder weniger Strom durch die Transistoren zu lassen, so dass der durch die nicht dargestellten Magnetspulen des Magneten 45 fliessende Strom geändert wird, bis kein Fehlersignal an den Basen 41 auftritt. Sobald die gewünschte Magnetfeldstärke eingestellt ist, ruft jede Abweichung des Magnetfeldes des Elektromagneten 45 infolge von Änderungen in der Stromversorgung ein Abweichsignal hervor, das nach Verstärkung die Basen 41 der Transistoren 40 so vorspannt, dass mehr oder weniger Strom zu den Magnetspulen fliesst, bis der der gewünschten Magnetfeldgrösse entsprechende Strom wieder eingestellt ist.
Die beschriebene Hall-Sonden-Regeleinrichtung ist besonders geeignet zur Regelung von Magneten, die in magnetischen Kernresonanz- oder paramagnetischen Elektronen-Resonanzeinrichtungen verwendet werden, wo ein sehr gut stabilisiertes homogenes Feld erforderlich ist. Magnetfeldstabilisierungen von 1 zu 10 Millionen oder besser, d.h. eine Verbesserung von wenigstens zwei Grös senordnungen gegenüber dem bekannten Stand der Technik, kann mit Hilfe dieser neuartigen Hall-Sonden-Regeleinrichtung erreicht werden. Extrem hohe Feldstabilitäten in der Grössenordnung von 1 zu 106 für eine Stunde wurden erzielt.