DE10139883C1

DE10139883C1 - Vorrichtung zum Einstellen eines Arbeitspunktes eines Magnetfeldsensors und ein Verfahren dafür

Info

Publication number: DE10139883C1
Application number: DE10139883A
Authority: DE
Inventors: Christoph Ludwig; Wolfgang Ludwig
Original assignee: STL Systemtechnik Ludwig GmbH
Current assignee: STL Systemtechnik Ludwig GmbH
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: US6917197B2; US20040207397A1; EP1454154A2; WO2003019214A3; WO2003019214A2; JP2005501264A; AU2002333352B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen eines Arbeitspunktes eines Magnetfeldsensors mit periodischer Kennlinie, insbesondere für eine Vorrichtung zum Erfassen eines magnetischen Feldes und/oder Flusses mit einem SQUID als Magnetfeldsensor und einer dem SQUID nachgeschalteten, eine Regelzeitkonstante (t) aufweisenden Regeleinheit mit einer Rückkoppelschleife, die auf das SQUID wirkt und so ausgebildet ist, dass sie um einen einer Mehrzahl von Arbeitspunkten des SQUID herum wirksam ist, wobei dem SQUID zugeordnete Flussquantenpumpenmittel vorgesehen sind, die eine Signalerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Steuer- und/oder Regelsignals für das SQUID aufweisen und so ausgebildet sind, dass zum Hinein- und Herauspumpen mindestens eines Flussquantes in das bzw. aus dem SQUID eine durch die Signalerzeugungseinheit erzeugte Signalform des Steuer- bzw. Regelsignals unterschiedlich sowie, bezogen auf eine ansteigende und eine abfallende Flanke einer Signalform, unsymmetrisch ist, wobei nur jeweils eine der Flanken einer Signalform, bezogen auf die Regelzeitkonstante, kurz ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 196 06 655 A1 bekannt und weist als wesentliches magnetisches Messelement einen SQUID auf, der mit einer Regelschleife (FLL = Flux Locked Loop, also Flussregelschleife) auf einem fixen Arbeitspunkt gehalten wird.

Die dem zitierten, gattungsbildenden Stand der Technik zugrundeliegende Problematik in der magnetischen Flussmessung mittels SQUID lässt sich anhand des in Fig. 4 schematisch gezeigten Signaldiagramms (Fluss θ als Eingangsgröße, Ausgangssignal U der SQUID-Elektronik) verdeutlichen: Das Ausgangssignal ist mit Abständen eines Flussquants θ₀ periodisch, so dass das Messen und Ausregeln insbesondere von stark schwankenden Messsignalen problematisch ist; wie unmittelbar aus der Fig. 4 erkennbar ist, arbeitet die durch die Regelschleife insbesondere auch in Abb. 1 der DE 196 06 655 A1 verdeutlichte analoge Flussregelung nur innerhalb eines Eingangssignalbereichs von einem halben Flussquant linear.

Dieses Problem wird durch die zitierte Schrift aus dem Stand der Technik dadurch gelöst, dass die analoge Regelschleife zusätzlich durch eine digitale Regelkomponente ergänzt wird, so dass die Flussquantenzählung der Gesamtanordnung eindeutig ist und keine Flussquanten verloren gehen. Ein Rücksetzen der Flussquanten erfolgt nach diesem Stand der Technik durch Öffnen der analogen Regelschleife bzw. mittels einer sog. Klemmvorrichtung.

Gleichwohl ist im praktischen Betrieb, insbesondere beim Einsatz in ungeschirmten Umgebungen sowie bei schnell wechselnden Messsignalen, der Betrieb einer gattungsgemäßen, hybriden (d. h. analoge und digitale Regelelemente aufweisenden) Technologie nicht unproblematisch: Die systembedingt vorgesehenen kleinen Slewraten werden gerade bei starken magnetischen Störeinflüssen überschritten, und das langsame Rücksetzen der gattungsbildenden Technologie verhindert, dass schnell wechselnden Messsignalen gefolgt werden kann.

Zusätzlich bewirken die schnellen Signaländerungen Regelabweichungen in der eingesetzten Regeleinheit, die Messungenauigkeiten verursachen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Vorrichtung zum Einstellen eines Arbeitspunktes im Hinblick auf ihre nutzbare Bandbreite bzw. den nutzbaren Regelbereich dahingehend zu erweitern sowie ein dafür geeignetes Verfahren anzugeben, dass insbesondere auch über einen mehrere Flussquanten umfassenden Messbereich zuverlässig und verzögerungslos ausgeregelt werden kann. Entsprechend ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die auch in Umgebungen mit hohen magnetischen Steuereinflüssen bzw. mangelhaften Abschirmbedingungen zuverlässig betrieben werden können.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sorgen die Flussquantenpumpenmittel dafür, dass, ohne Regeleinflüsse der Regeleinheit befürchten zu müssen, mittels charakteristischer Signalformen durch die Signalerzeugungseinheit Flussquanten in das SQUID hinein- bzw. aus diesem herausgepumpt werden können, wodurch sich der Regelbereich entsprechend um diese mögliche Mehrzahl von Flussquanten erweitert.

Insbesondere bewirkt die erfindungsgemäß kurze Flanke (Anstieg beim Hineinpumpen, Abfallen beim Herauspumpen), dass durch die verglichen mit der Regelzeitkonstante der Regeleinheit kurze Flankendauer die Regelschleife dieser Signaländerung nicht folgen kann und mithin das Quantenflusssignal nicht ausregelt; dies führt dann dazu, dass, vgl. Fig. 4, durch das Pumpen ein perioden- bzw. flussquantenweises Bewegen über die Perioden hinweg und damit über den θ₀/2-Regelbereich der traditionellen Regelschleife hinaus möglich ist.

Hierdurch ist die analoge Flussregelung ununterbrochen möglich, d. h. es treten die aus dem Stand der Technik bekannten und dort notwendigen Tot- bzw. Verzögerungszeiten für die digitalen Stell- und Rücksetzmittel nicht auf, so dass in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch in der Lage ist, problemlos schnellen Signaländerungen eines zu messenden Eingangssignals zu folgen und darüber hinaus auch erheblich höhere Slewraten ermöglicht.

Insbesondere beim Herauspumpen erübrigt sich damit das aus der DE 196 06 655 A1 bekannte Zurücksetzen durch Öffnen der Regelschleife; vielmehr wird insbesondere dann, wenn die durch die Flussquantenpumpenmittel bzw. die zugeordnete Signalerzeugungseinheit erzeugte Amplitude des Flusspulses größer als ein Flussquant wird, entsprechend ein Flussquant herausgepumpt (bzw. hineingepumpt). Totzeiten werden vermieden.

Dabei hat es sich als besonders bevorzugt herausgestellt, die erfindungsgemäß unsymmetrischen Signalformen zum Bewirken des Hinein- bzw. Herauspumpens dreieckförmig auszubilden, wobei entweder eine (jeweils im Vergleich zur Regelzeitkonstante) kurze Anstiegsflanke einer langen Abfallsflanke gegenübersteht, oder, im Fall des Herauspumpens, auf eine langsame Anstiegsflanke eine kurze Abfallsflanke folgt.

In der bevorzugten konstruktiven Realisierung ist dabei die erfindungsgemäße Signalerzeugungseinheit, die ansonsten in bekannter Weise die erfindungsgemäßen Signal- bzw. Impulsformen erzeugt, in die Flussregelschleife eingekoppelt, und zwar wirkt insbesondere das erfindungsgemäß erzeugte Regel- bzw. Steuersignal auf die ohnehin der Flussregelschleife zugeordneten Spannungs- Fluss-Wandlermittel, die typischerweise als Spule realisiert sind und aus einem Strom- bzw. Spannungssignal dann das gewünschte Flusssignal für SQUID erzeugen. Im Ergebnis entsteht so eine geschlossene Regelschleife, die insbesondere die Nachteile der aus dem gattungsbildenden Stand der Technik beschriebenen hybriden, dabei jedoch nicht völlig geschlossenen Regelschleife überwindet und insbesondere, wie im Stand der Technik notwendig, kein Öffnen od. dgl. Maßnahmen einer Regelschleife für ein Rücksetzen aus den oben beschriebenen Gründen notwendig macht.

In der praktischen Realisierung hat es sich zudem als bevorzugt herausgestellt, den weiterbildungsgemäß vorgesehenen PID-Regler mit einem typischen Differenz- bzw. Regelverstärker auszubilden, welcher ohnehin in bekannter Weise zur Generierung des Mess- bzw. Nutzsignals verwendet wird; in weiterbildungsgemäß vorteilhafter Weise ist ein so gebildeter Integrator auch für höhere als die erste Ordnung ausgebildet. Dies führt dann auch dazu, dass die - durch schnelle Signaländerungen bewirkten - Ungenauigkeiten im Messverhalten vermindert werden können und zudem größere Flussänderungsgeschwindigkeiten erfassbar sind.

Für den Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung eignen sich mehrere gängige SQUID-Vorrichtungen, so etwa die ansonsten bekannten rf-SQUIDS oder dc-SQUIDS, mit zwei oder mehreren Josephson-Kontakten.

Insbesondere liegt es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die erfindungsgemäße Signalform zum Hinein- oder Herauspumpen so auszubilden, dass mit einem Signalimpuls mehr als ein Flussquant gepumpt wird; dies geschieht bevorzugt durch entsprechende Ausbildung der Amplitude des Signals.

Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, der erfindungsgemäßen Regeleinheit neben analogen auch digitale Regelmittel zuzuordnen, so dass auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine hybride Flussregelschleife gebildet werden kann. Im Unterschied zum Stand der Technik sind jedoch die erfindungsgemäß vorgesehenen Flussquantenpumpenmittel unmittelbar Bestandteil der hybriden Flussregelschleife und ermöglichen damit einen unabhängigen und insbesondere auch verzögerungsfreien Betrieb der analogen und digitalen Regelmittel.

Im Ergebnis entsteht so eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte Anordnung mit Stellglied, die insbesondere in Messumgebungen mit ungünstiger Abschirmung oder bei sehr schnellen und starken Signaländerungen des Messsignals noch einen zuverlässigen und störungsfreien Messbetrieb ermöglicht. Dabei lässt sich die vorliegende Erfindung überraschend einfach mit konstruktiv geringem Aufwand realisieren.

Weiter Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 ein Signaldiagramm einer von der Signalerzeugungseinheit in Fig. 1 erzeugten unsymmetrischen Signalform zum Hineinpumpen eines Flussquants in das Gerät;

Fig. 3 ein Signaldiagramm analog Fig. 2 zum Herauspumpen eines Flussquants aus dem SQUID und

Fig. 4 ein allgemeines Signaldiagramm, welches den Zusammenhang zwischen magnetischem Fluss als Eingangs- bzw. Messsignal eines SQUID und dem mit einem Flussquant θ₀ periodischen Ausgangsspannungssignal U verdeutlicht.

Die Fig. 1 verdeutlicht schematisch Aufbau und Funktionsweise der vorliegenden Erfindung: Eine schematisch von der Grenzlinie 10 begrenzte Regeleinheit weist in ansonsten bekannter Weise einen einem SQUID 18 zugeordneten Regel- bzw. Differenzverstärker 12 auf, der als Reaktion auf eine Signaldifferenz am SQUID ein Rückkoppelsignal erzeugt und über einen Koppelwiderstand eine Rückkoppelspule 16 zuleitet, welche dann, mit einer der Regeleinheit inhärenten Regelzeitkonstante t, ein Ausregeln der detektierten Signaländerung durch Erzeugen eines entsprechenden Kompensationsflusses ermöglicht. Insoweit entspricht die gezeigte Anordnung der in Fig. 1 der DE 196 06 655 A1 gezeigten Regelkreisanordnung, wobei im Hinblick auf weitere Details zur praktischen Realisierung hierauf Bezug genommen wird und ansonsten dem Fachmann eine praktische Umsetzung ohne weiteres möglich ist.

In erfindungsgemäßer Weise ist nunmehr dem Regelkreis zusätzlich eine Signalerzeugungseinheit 20 als Flussquantenpumpe zugeordnet, welche, wiederum einen schematisch gezeigten Koppelwiderstand, die Rückkoppelspule 16 mit einem Flussquantenpumpsignal bzw. einem Pumpimpuls versieht, der erfindungsgemäß zum Hinein- bzw. Hinauspumpen eines Flussquants in das bzw. aus dem SQUID 18 gebildet ist und durch seine charakteristische Signalform, wie nachfolgend zu erläutern sein wird, durch den Regelkreis unbeeinflusst bleibt.

Genauer gesagt besitzt die durch die Signalerzeugungseinheit 20 erzeugte Signalform für einen ein Hineinpumpen eines (oder mehrerer) Flussquant(en) eine unsymmetrische Kontur im Fluss-Zeitdiagramm der Fig. 2, und zwar dergestalt, dass die Anstiegszeit t₁ der ansteigenden Flanke im Pumpsignal kurz ist bezogen auf die Regelzeitkonstante des Regelkreises 10; dagegen ist die Dauer der abfallenden Flanke t₂ des Pumpsignals der Fig. 2 lang gegenüber der Regelzeitkonstante t. Dies bedeutet, dass durch das Anlegen eines Signals der in Fig. 2 gezeigten Impulsform an die Rückkoppelspule 16 der Regelkreis 10 dem steilen Flankenanstieg t₁ der ansteigenden Flanke nicht folgen kann, mithin also der Regelkreis den zusätzlichen, durch das Steuersignal bewirkten Flussanstieg nicht ausregeln kann; dies führt dann dazu, dass im Signalschaubild der Fig. 4 das Signal um einen Flussquant nach rechts springt und insoweit die zusätzlich die Flussquantenpumpe aufweisende Regeleinheit dem Signal auch über die bisherige Signalbreite von lediglich einem halben Flussquant hinaus folgen kann. Die in Fig. 2 gezeigte, abfallende Flanke wird hingegen wiederum vom Regelkreis innerhalb der Regelzeitkonstante ausgeregelt, so dass das SQUID auf dem erhöhten Quantenflussniveau verbleibt.

In der Praxis lassen sich so schnelle Anstiegszeiten im Bereich von ca. 10 ns realisieren, wobei die Abfallszeiten typischerweise um einen Faktor 2 größer liegt. Um auch in diesen Bereichen saubere Signalformen zu erhalten und zu übertragen, sind weiter erfindungsgemäß bevorzugt hochfrequenzmäßig angepasste Leitungen vorgesehen.

Die Fig. 3 beschreibt den zu Fig. 1 analogen bzw. umgekehrten Fall und damit ein Herauspumpen eines Flussquants aus dem SQUID: Die mit einer langsamen Anstiegszeit t₃ gesteuerte Anstiegsflanke wird durch den Regelkreis ausgeregelt, die mit t₄ kurze abfallende Flanke ist jedoch zu kurz für eine Reaktion des Regelkreises mit Regelkreiskonstante t, so dass ein Flussquant aus dem SQUID abgepumpt wird.

Durch diese beiden Modi ist insbesondere auch die Möglichkeit geschaffen, in einfacher und vor allem unterbrechungsfreier Weise ein vorbestimmtes Einstellen des SQUIDS auf einen Arbeitspunkt der periodischen Kennlinie zu erreichen, was traditionell, vgl. den gattungsbildenden Stand der Technik, lediglich durch ein Öffnen der analogen Regelschleife mit den dadurch bewirkten Zeitnachteilen geschehen konnte. In ansonsten bekannter Weise liefert eine analoge Regeleinheit die zum Stellen benötigte Information.

Während das beschriebene Ausführungsbeispiel zunächst durch die erfindungsgemäße Flussquantenpumpe das Bewegen um jeweils einzelne Flussquantenschritte beschreibt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Hinein- bzw. Herauspumpen von einzelnen Flussquanten beschränkt, sondern insbesondere durch geeignete (Amplituden) Ausbildung der Steuersignale analog Fig. 2, Fig. 3 ist das gleichzeitige Pumpen einer Mehrzahl von Flussquanten in beide Richtungen möglich.

Claims

1. Vorrichtung zum Einstellen eines Arbeitspunktes eines Magnetfeldsensors mit periodischer Kennlinie, insbesondere für eine Vorrichtung zum Erfassen eines magnetischen Feldes und/oder Flusses, mit
einem SQUID (18) als Magnetfeldsensor und
einer dem SQUID nachgeschalteten, eine Regelzeitkonstante (t) aufweisenden Regeleinheit (10) mit einer Rückkoppelschleife, die auf das SQUID wirkt und so ausgebildet ist, dass sie um einen einer Mehrzahl von Arbeitspunkte des SQUID herum wirksam ist,
gekennzeichnet durch
dem SQUID (18) zugeordnete Flussquantenpumpenmittel, die eine Signalerzeugungseinheit (20) zum Erzeugen eines Steuer- und/oder Regelsignals für das SQUID aufweisen und so ausgebildet sind, dass zum Hinein- und Herauspumpen mindestens eines Flussquantes in das bzw. aus dem SQUID eine durch die Signalerzeugungseinheit (20) erzeugte Signalform des Steuer- bzw. Regelsignals unterschiedlich sowie, bezogen auf eine ansteigende und eine abfallende Flanke der Signalform, unsymmetrisch ist,
wobei nur jeweils eine der Flanken der Signalform bezogen auf die Regelzeitkonstante kurz ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinheit (20) so ausgebildet ist, dass zum Hineinpumpen des mindestens einen Flussquants die Signalform eine ansteigende Flanke mit einer gegenüber der Regelzeitkonstante (t) kurzen Anstiegszeit (t1) sowie eine abfallende Flanke mit einer gegenüber der Regelzeitkonstante langen Abfallszeit (t2) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinheit (20) so ausgebildet ist, dass zum Herauspumpen des mindestens einen Flussquants die Signalform eine ansteigende Flanke mit einer gegenüber der Regelzeitkonstante langen Anstiegszeit (t3) sowie eine abfallende Flanke mit einer gegenüber der Regelzeitkonstante kurzen Abfallszeit (t4) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalerzeugungseinheit (20) Spannungs-Fluss-Wandlermittel, insbesondere Spulenmittel (16), für das SQUID (18) nachgeschaltet sind, wobei bevorzugt die Spannungs-Fluss- Wandlermittel auch der Regeleinheit (10) nachgeschaltet sind bzw. als Teil der Rückkopplungsschleife wirken.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussquantenpumpenmittel mit der Signalerzeugungseinheit (20) sowie die Regeleinheit (10) eine geschlossene Regelschleife bilden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (10) einen insbesondere als PI^N- oder PI^N D-Regler, wobei N ≧ 1, wirkenden Reglerverstärker (12) aufweist, der bevorzugt zum Verarbeiten auch von Integratoren höherer als erster Ordnung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das SQUID (18) ein rf-SQUID und/oder einen dc-SQUID aufweist, der mehr als zwei Josephson-Kontakte aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinheit (20) so ausgebildet ist, dass die Signalform so erzeug- und ausbildbar ist, dass mehr als ein Flussquant in das SQUID hinein- oder aus dem SQUID herausgepumpt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung analoge und digitale Regelmittel zum Ausbilden einer hybriden Flussregelschleife über den Gesamtbereich der Kennlinie des SQUID aufweist,
wobei die Flussquantenpumpenmittel als Bestandteil der hybriden Flussregelschleife so eingerichtet sind,
dass sie einen unabhängigen Betrieb der analogen und digitalen Regelmittel erlauben.

10. Verfahren für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Hinein- und Herauspumpen mindestens eines Flussquants in ein bzw. aus einem mit einer Regelschleife beschalteten SQUID (18),
wobei die Regelschleife eine Regelzeitkonstante (t) aufweist und so auf das SQUID wirkt und ausgebildet ist, dass sie um einen Arbeitspunkt des SQUID herum wirksam ist,
gekennzeichnet durch die Schritte:

- Erzeugen eines Steuer- und/oder Regelsignals für das Hineinpumpen mit einer ersten Signalform, die eine gegenüber der Regelzeitkonstante kurze ansteigende Flanke aufweist und
- Erzeugen eines Steuer- und/oder Regelsignals für das Herauspumpen mit einer zweiten Signalform, die eine gegenüber der Regelzeitkonstante kurze abfallende Flanke aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Steuer- und/oder Regelsignals das Einleiten eines Stromsignals in eine Rückkoppelspule (16), die bevorzugt Teil der Regelschleife ist, aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelbereich der Regelschleife durch das Steuer- und/oder Regelsignal so eingestellt wird, dass ein analoger Regelbereich über eine Mehrzahl von Flussquanten ermöglicht wird.