DE1281558B - Einrichtung zum Messen der Frequenz des Ausgangssignals eines Protonen-Praezessions-Magnetometers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIr

Deutsche Kl.: 2Ie-23/10

Nummer: 1 281558

Aktenzeichen: P 12 81 558.6-35 (M 46659)

Anmeldetag: 26. September 1960

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Frequenz des Ausgangssignals eines auf dem Prinzip der freien Präzession von Protonen beruhenden Magnetometers, bei dem die Protonen einer geeigneten Substanz in Präzessionsschwingungen versetzt und die Präzessionsfrequenz mit Hilfe eines Programmierers bestimmt wird, der die Protonen der Substanzprobe in regelmäßiger Folge einem starken Magnetfeld aussetzt, das zur Anregung der Präzessionsschwingungen plötzlich abgeschaltet wird.

Solche Magnetometer messen die Stärke von Magnetfeldern durch Ausnutzung der Tatsache, daß die Atomkerne ein magnetisches Moment haben, das mit äußeren magnetischen Feldern zusammenwirken kann. Wenn ein Kern, der einen von Null verschiedenen Wert des magnetischen Momentes aufweist, in ein äußeres Magnetfeld gebracht wird, das die Resultante zweier zueinander geneigter Feldkomponenten ist, dann hat der Vektor des magnetischen Kernmomentes die Tendenz, in die gleiche Richtung zu drehen wie die des äußeren magnetischen Feldes. Wenn das magnetische Kernmoment mit dem äußeren magnetischen Feld fluchtet und eine der Feldkomponenten plötzlich abgeschaltet wird, präzediert der Kern in der verbleibenden Feldkomponente in einer Weise, die der Präzession eines Kreisels im Gravitationsfeld analog ist. Die Präzessionsfrequenz hängt nicht vom Winkel zwischen den Feldkomponenten ab, außer daß keine Präzession eintritt, wenn die beiden Felder die gleichen oder genau entgegengesetzte Richtungen haben. Die Präzessionsfrequenz ist jedoch direkt proportional zur Stärke der verbleibenden magnetischen Feldkomponente. So ist es durch Bestimmung dieser Frequenz (Lamor-Frequenz) möglich, die Stärke des verbleibenden magnetischen FeI-des zu bestimmen.

Ein Magnetometer der eingangs kurz geschilderten Art ist bereits bekannt, wie aus der deutschen Auslegeschrift 1049112 und aus der Zeitschrift »Journal of Scientific Instruments« vom März 1958 hervorgeht. Bei der Erfindung handelt es sich nun darum, bei einem derartigen Magnetometer die Frequenzmessung mit wesentlich größerer Genauigkeit durchzuführen, als dies bisher möglich war.

Der einfachste Weg zur elektronischen Frequenzmessung besteht darin, die Zahl der Perioden innerhalb eines festen Zeitintervalls zu zählen. Bei einer Frequenzmessung, die für Feldstärkemessungen der erwähnten Art benutzt wird, ist es wesentlich, eine besonders hohe Genauigkeit zu erreichen. Weist der Frequenzmesser eine Genauigkeit von 1 Hz auf und beträgt die Larmor-Frequenz z.B. 2128,8Hz, wie Einrichtung zum Messen der Frequenz

des Ausgangssignals eines Protonen-Präzessions-

Magnetometers

Anmelder:

The Minister of Mines and Technical Surveys of her Majesty's Canadian Government,
Ottawa, Ontario (Kanada)

Vertreter:

Dr. rer. nat. Fr. Vollmer, Patentanwalt,
2000 Hamburg, Schloßstr. 6

Als Erfinder benannt:

Paul Hörne Serson, Ottawa, Ontario (Kanada)

Beanspruchte Priorität:

Kanada vom 30. November 1959 (787 525)

dies einer erdmagnetischen Feldstärke von 0,5 Gauß entspricht, so ergibt sich nur eine Genauigkeit von etwa 25 Zehntausendsteln Gauß, während man Genauigkeiten benötigt, die etwa um das 25fache höher liegen.

Es wurde auch bereits versucht, eine höhere Genauigkeit dadurch zu erzielen, daß man die Zeit gemessen hat, die für eine ganz bestimmte Anzahl von Perioden des Protonenpräzessionssignals erforderlich ist. Eine solche Zeitmessung läßt sich mit höherer Genauigkeit durchführen, erfordert aber anschließend Rechenoperationen, die besonders störend sind, wenn eine große Anzahl von Anzeigen gefordert wird. Zwar lassen sich auch viele in kurzen Zwischenräumen genommene Meßwerte mit Hilfe eines Digitalrechners verarbeiten, doch bedeutet dies einen sehr erheblichen Aufwand.

Weitere Nachteile der unmittelbaren Zeitmessung gegenüber einer Frequenzmessung liegen darin, daß hierbei ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhältnis erforderlich ist. Bei den hier zu stellenden Anforderungen an die Genauigkeit muß dieses Verhältnis größer als 15 sein, und um ein solches Verhältnis

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zu erreichen, benötigt man ein sehr starkes polarisie- Analoge Methoden der Aufzeichnung sind unbefrierendes Feld. Dieses muß eine Zeitlang wirksam sein, digend, weil die Empfindlichkeit der Aufzeichnung die annähernd gleich dem Meßintervall wird. Auf sich umgekehrt zur gesamten magnetischen Feldweitere Nachteile wird anschließend noch näher ein- stärke verändert und die Null-Linie der Registrierung gegangen. 5 eher ungeraden Gammazahlen entspricht als den

Die eingangs gegebene Erläuterung des Meßprinzips Vielfachen von 100 oder 1000 Gamma, eines Protonen-Präzessions-Magnetometers befaßt Es wurde auch bereits dargelegt, daß eine direkte

sich der Einfachheit halber nur mit einem einzelnen Zeitmessung ein relativ hohes Signal-Rausch-Verhält-Kern. In einem praktischen Gerät jedoch wird die nis erfordert, was nur mit einem starken polarisieren-Präzessionsfrequenz mit einer Materialprobe be- ίο den Feld erreichbar ist und nur, wenn dieses etwa stimmt, die eine große Anzahl von Protonen enthält. ebenso lange wie die Zeitdauer des anschließenden Es wird eine Stoffprobe verwendet, von der einige gesamten Meßintervalls wirksam ist. Ein niedriger Protonen durch ein magnetisches Feld polarisiert Leistungsverbrauch des Magnetometers ist andererwerden können. Wenn dieses magnetische Feld zu- seits wieder wichtig bei tragbaren Batteriegeräten, sammenbricht, werden diese Protonen in einem 15 und ganz besonders bei Magnetometern, die in zweiten magnetischen Feld präzedieren, dessen Stärke Raketen oder Satelliten untergebracht sind. Ferner gemessen werden soll. Die Präzession erzeugt ein muß für ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auch die nachweisbares Signal, dessen Frequenz die Larmor- Bandbreite des Systems schmal sein, und es wird Frequenz ist. Wasser, Kerosin, Mineralöl, Alkohol daher ein kompliziertes Abstimmsystem erforderlich und Benzin gehören zu den Substanzen, die mit ao für Messungen, die einen weiten Bereich von Feldern Erfolg für die Messung des magnetischen Feldes überdecken, wie dies bei der Anwendung aus der benutzt worden sind. Die Atome in der Probe unter- Luft und in Satelliten der Fall sein kann, liegen einer regellosen thermischen Bewegung. Wenn Die Erfindung beseitigt die vorerwähnten Schwie-

jedoch eine Spule aus leitendem Material die Probe rigkeiten und kennzeichnet sich dadurch, daß die umgibt, bewirkt ein Gleichstrom ausreichender as Meßeinrichtung einen frequenzveränderlichen Oszilla-Stärke, der die Spule durchfließt, eine ausnutzbare tor enthält, dessen Frequenz durch eine Regelspanmagnetische Polarisation der Kerne in der Probe. nung geregelt wird und an dessen Ausgang ein Wenn das polarisierende Feld plötzlich durch Ab- Frequenzteiler angeschlossen ist, der für N Perioden schalten des Spulenstromes beseitigt wird, präzedie- der Oszillator-Ausgangsspannung eine Periode seiner ren die polarisierten Kerne in einem verbleibenden 30 Ausgangsspannung erzeugt, wobei N eine Zahl größer Feld, beispielsweise im erdmagnetischen Feld. Es ist als 1 ist, und daß Mittel zum Vergleich des Signals, wesentlich, daß das polarisierende Feld rasch be- dessen Frequenz die Präzessionsfrequenz ist, mit der seitigt wird, weil sonst die Kerne infolge thermischer Ausgangsspannung des Frequenzteilers zur Bildung Effekte ihre Polarisation verlieren. Es ist ferner not- der Regelspannung vorgesehen sind, wodurch die wendig, daß das Feld in einer Zeit abklingt, die klein 35 Frequenz der Ausgangsspannung des frequenzverist verglichen mit der Zeit für eine Periode der Kern- änderlichen Oszillators auf den jeweils iV-fachen präzession. Wert der Präzessionsfrequenz geregelt wird, und

Die Präzessionsfrequenz kann bestimmt werden schließlich in an sich bekannter Weise die zur undurch Messung der Schwingungsfrequenz einer elek- bekannten Frequenz in ein bestimmtes Verhältnis irischen Spannung, die in einer die Protonenprobe 40 gesetzte Frequenz des frequenzveränderlichen Oszilumgebenden Spule induziert wird. Diese Spule kann lators unmittelbar durch einen Zähler gemessen wird, dieselbe sein wie die für die Polarisation der Kerne Die auf diese Weise vervielfachte Frequenz kann

benutzte Spule, es kann aber auch eine von dieser mit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden verschiedene Spule benutzt werden. Einer gewissen und das Resultat mit einer Proportionalitätskonstan-Schwierigkeit kann man begegnen bei der Abschir- 45 ten multipliziert werden, um eine direkte Anzeige in mung der Prüf spule gegen unerwünschte Übergangs- geeigneten Einheiten (z. B. Gamma) des erdmagnefelder. In diesem Falle ist die Verwendung einer ein- tischen oder eines anderen Feldes zu ergeben. Die zigen Spule für die Polarisation und für das Prüfen üblichen Verfahren zur Frequenzvervielfachung sind ratsam. Es wurde bereits dargelegt, daß sich die Erfin- für solche Zwecke ungeeignet, und zwar deshalb, dung mit der Messung der Präzessionsfrequenz befaßt so weil diese Verfahren nur in einem schmalen Freund welche Genauigkeitsanforderungen dabei an die quenzbereich arbeiten. Da die Stärke des erdmagne-Frequenzmessung gestellt werden müssen. Bei einer tischen Feldes über relativ weite Bereiche schwanken Zählung der Perioden innerhalb eines festen Zeit- kann, gilt das gleiche auch für die Präzessionsintervalls lassen sich mit Zählern, die eine Genauig- frequenz, so daß die üblichen Verfahren der Frekeit von + einer Periode aufweisen, nur Genauig- 55 quenzvervielfachung hierfür unbrauchbar werden, keiten von etwa ± 25 Gamma erreichen, wenn für An dieser Stelle sei bemerkt, daß es bereits be-

die Feldstärkebestimmung eine Sekunde zur Ver- kannt ist, eine Frequenzmessung dadurch vorzunehfügung steht. Bei erdmagnetischen Messungen jedoch men, daß die unbekannte Frequenz mit der veränderwird eine Genauigkeit von + 1 Gamma angestrebt. baren Frequenz eines Oszillators verglichen wird und Das Zeitintervall für die Zählung kann wiederum aus 60 die Oszillatorfrequenz mit einem Zähler gemessen den bereits angegebenen Gründen nicht merklich wird (deutsche Patentschrift 1015 922). Dabei geerhöht werden. Auch eine Messung der Zeit, die für schient die Frequenzmessung mit Hilfe eines Übereine feste Anzahl von Perioden der Protonenpräzes- lagerungsempfängers, mit dem die zu messende sionsschwingung benötigt wird, ist unbefriedigend, Frequenz in eine Zwischenfrequenz umgesetzt wird, wie oben bereits erwähnt wurde. Wird die Zeit- 65 wobei durch Einstellung des Überlagerers eine Übermessung in Digitalform geboten und in einem Streifen einstimmung der Zwischenfrequenz herbeigeführt gelocht, wie es üblich ist, so entstehen beträchtliche wird. Dabei soll die Überlagererfrequenz aus einem Kosten durch die Verwendung eines Digitalrechners. Vielfachen der Normalfrequenz und der Frequenz

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eines veränderbaren Oszillators gebildet werden, des- bewirkt der Programmierer das plötzliche Zusammen-

sen Frequenz mit Hilfe eines Zählers bestimmt brechen des polarisierenden magnetischen Feldes

werden soll. durch Abschalten des Stromes zur polarisierenden

Von dieser bekannten Schaltungsanordnung unter- Spule. Wenn das polarisierende Feld auf Null oder scheidet sich die Frequenzmeßeinrichtung nach der 5 nahezu Null vermindert ist, gestattet der Program-Erfindung aber in erheblichem Maße. Bei ihr wird mierer der Prüfspule, das durch die Protonenpräzesder veränderbare Oszillator so eingestellt, daß seine sion bewirkte Signal auf den Verstärker C zu überFrequenz ein Vielfaches der zu messenden Frequenz tragen. Nachdem eine für eine Frequenzmessung ist. In diesem Zusammenhang sind auch die Schwie- ausreichende Zeit verstrichen ist, erregt der Prorigkeiten zu beachten, die im Zusammenhang mit io grammierer die Polarisierungsspule wieder zur Voreiner Frequenzmessung für den vorliegenden Zweck bereitung für die nächste Messung. Der Programmiebereits geschildert wurden. rer synchronisiert auch die Arbeitsweise verschiedener

Bei Anwendung der Erfindung ergibt sich der anderer Einheiten des Systems, wie später beschrieben

Vorteil, daß die Stärke des magnetischen Feldes wird.

unmittelbar in den gewünschten Einheiten angegeben 15 Es ist ein durch eine Regelspannung frequenzwerden kann, wobei keinerlei Berechnungen mehr veränderbarer Oszillator D vorgesehen, der bei Freerforderlich sind. Vorteilhaft ist ferner der geringe quenzen schwingen soll, die iV-mal höher liegen als Leistungsverbrauch und die Bandbreite der Anord- die zu erwartenden Frequenzen der Protonenpräzesnung. Dies rührt daher, weil das übliche Verfahren sion, wobei JV die Frequenzvervielfachung ist. JV ist von der Messung des Zeitintervalls zwischen zwei ao derart gewählt, daß die jeweils vorliegende Aufgabe diskreten Punkten des Protonensignals abhängt, und gelöst werden kann. Wenn z. B. die erwartete Fredas in jedem Augenblick auftretende Rauschen be- quenz der Protonenpräzession etwa 2000 Perioden einträchtigt die Genauigkeit. Indessen wird bei der ist, entsprechend einem auf eine Wasserprobe einvorliegenden Erfindung die Frequenz des Protonen- wirkenden erdmagnetischen Feld von etwa 50000 signals, gemittelt über die benutzte Zeitperiode, be- 35 Gamma, würde eine Frequenzvervielfachung von 25 stimmt. So kann die Wirkung eines zufälligen eine Ausgangsfrequenz von 50000 ergeben. Ein auf Rauschens sehr klein gemacht werden, indem ein ± 1 Periode genauer Zähler würde dann eine Mitteln über viele Perioden des Protonensignals Genauigkeit ergeben von 1:50000 in einer 1-Sekunerfolgt. Der Einfluß des Rauschens kann bei der den-Anzeige oder etwa ± 1 Gamma, welches die bei Erfindung ferner durch Einfügen eines Tiefpaßfilters 30 erdmagnetischen Arbeiten übliche Genauigkeit ist. in die Rückkopplungsschleife vermindert werden, die So würde ein geeigneter Wert für JV in diesem Beiunmittelbar auf den Phasendetektor folgt. Die wirk- spiel 25 sein.

same, gemittelte Periode des Protonensignals kann Die Ausgangsspannung des Oszillators D wird über einen weiten Bereich erstreckt werden, indem einem Frequenzteiler E zugeführt, der 1 Periode Ausman die Zeitkonstante des Filters bzw. eines glätten- 35 gangsspannung für je JV Perioden Eingangsspannung den Netzwerkes, das in die Rückkopplungsschleife ergibt. Ein Vollweg-Phasendetektor F mischt die geeingefügt ist, verändert. trennten Signale, die vom Verstärker C und vom

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Frequenzteiler E empfangen werden, um eine Aus-Zeichnungen näher erläutert, in denen gangsgleichspannung zu erhalten, deren Polarität be-

F i g. 1 ein Blockdiagramm darstellt, welches den 40 stimmt ist durch Phase und Frequenz der beiden

Weg des Signals durch die Teile eines direkt an- Spannungen. Die Ausgangsgleichspannung wird über

zeigenden Protonen-Präzessions-Magnetometers zeigt, ein Tiefpaßfilter G und ein glättendes Netzwerk H

und einem Gleichstromverstärker 7 zugeführt. Die Aus-

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer bevor- gangsspannung des Verstärkers / wird durch die zugten Ausführungsform des Frequenzvervielfachers 45 Rückkopplungsschleife R rückgeführt, um die Freder F ig. list, quenz des Oszillators D zu steuern. Durch diese

In F i g. 1 ist ein Blockschaltbild gezeigt, das Teile Rückkopplung wird der Oszillator D gezwungen, mit des Magnetometers angibt. Jedes der Teile ist in der einer Schwingungsfrequenz in Tritt zu kommen, Technik bekannt. Eine Protonenprobe 5 ist von einer welche genau das JV-fache der Präzessionsfrequenz Spule A umgeben, welche bei Erregung durch Gleich- 50 ist; dabei ist die durch den Detektor F erzeugte Ausstrom ein magnetisches Feld erzeugt und dadurch die gangsgleichspannung konstant.
Protonen in der Probe S polarisiert. Eine Probe von Das Tiefpaßfilter G und das glättende Netzwerk H 500 cm³ Wasser, welche durch eine polarisierende sind theoretisch für das Arbeiten des Systems nicht Spule, die 100 Gauß in der Probe erzeugt, umgeben notwendig. Das Tiefpaßfilter verringert im wesentist, erweist sich als für erdmagnetische Anwendungen 55 liehen den Betrag des auf den Oszillator D rückgeeignet. Die polarisierende Spule muß genügend gekoppelten Rauschens, und die Rückkopplungsrasch abschaltbar sein, um den bereits beschriebenen gleichspannung wird durch das Netzwerk H des Bedingungen zu genügen. Diejenigen Protonen, die weiteren geglättet.

polarisiert worden sind, präzedieren in irgendeinem Die Ausgangsfrequenz des Oszillators D wird durch

verbleibenden magnetischen Feld, sobald das polari- 60 einen Zähler P in Standardausführung gemessen,

sierende Feld zusammenbricht. Die Präzession er- Damit er zu Beginn des Meßintervalls zu zählen

zeugt einen Strom, dessen Frequenz die Präzessions- beginnt und nicht während der Einwirkung des

frequenz ist, in einer Prüfspule von hohem Güte- polarisierenden Feldes auf die Probe, wird seine

faktor Q, welche die Probe S umgibt. Die Prüfspule Arbeitsweise durch den Programmierer B gesteuert,

und die polarisierende Spule können ein und dieselbe 65 Ein Auslöseimpuls vom Programmierer B zu Beginn

sein. eines jeden Meßintervalls veranlaßt den Zähler P,

Ein Programmierer B steuert den Stromfluß durch mit einer neuen Zählung zu beginnen. Wenn ein Zeit-

die Spule A. Zu Beginn eines jeden Meßintervalls Intervall von einer Sekunde als Zählperiode benutzt

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wird, zeigt der Zähler P direkt die Frequenz des F i g. 2 zeigt das Schaltschema eines Frequenzver- OszillatorsD an. vielfachers, wie er in der Anordnung nach Fig. 1 Indessen ist es im allgemeinen erwünschter, eine verwendet wird. Aus ihm sind insbesondere die direkte Anzeige der magnetischen Feldstärke in pas- TeileD, E, F, G, H und / nach Fig. 1 im einzelnen senden Einheiten zu erhalten als eine Anzeige der 5 zu ersehen. Die dargestellte Schaltung ergibt eine Oszillator-Ausgangsfrequenz. Demgemäß öffnet ein Frequenzvervielfachung auf das 16fache.
Zeitintervall-Generator L ein Tor M zwischen dem Der frequenzveränderbare Oszillator D besteht aus Zähler P und dem Oszillator D für eine vorgegebene einer Doppeltriode 10 a und 10 & zusammen mit den Zeitspanne. Dies hat die Wirkung einer Verviel- Widerständen 11 α und 11 b, 13 α und 13 b, den Regelfachung der Oszillatorfrequenz durch eine Konstante io widerständen 14« und 14& und den Kapazitäten 12 zwecks Erzielung einer direkten Anzeige der magne- und 126. Die Kathoden beider Seiten der Doppeltischen Feldstärke in passenden Einheiten. Wenn triode 10 a, 10 & sind geerdet. Die Anodenspannung z. B. Wasser verwendet wird, ist dieLarmor-Frequenz wird dem Oszillator und den beiden anderen Röhren 4257,60 Hz pro Gauß. Wenn somit ein Zeitintervall der Schaltungsanordnung über Anschluß 16 zulooooo ο , j j... j. ~..,_τ ν . . 15 geführt. Die Anschlüsse 16, 28 und Erde sind mit der ^von Sekunden fur die Zahlung benutzt l_{tromversorgung des Gerates verbunde}n. Der Fre-

wird, ergibt der Zähler P eine direkte Anzeige der quenzteiler E in F i g. 2 entspricht dem Frequenzmagnetischen Feldstärke in Gamma (100000 teiler £ gemäß Fig. 1. Die Eingangsspannung für = lGauß); für einen Wert von N=32 würde z.B. den FrequenzteilerE wird dem Oszillator zwischen das Zeitintervall 0,73398 Sekunden sein. Das erzeugte ao Anschluß 15 und Erde entnommen. Die Ausgangs-Zeitintervall kann exakt erhalten bleiben, wenn ein , „ . ., , ^ 1 , kristallgesteuerter Oszillator* durch den Zeitintervall- spannung des Frequenzteilers, dessen Frequenz ^ der

Generator als eine feste Bezugsfrequenz benutzt wird. „. . . ^ /. ,. „ „ 1 1 \ ,.

Nachdem die Spulet durch den Programmierer B Eingangsfrequenz ist(m diesem Falle ^ = ^), hegt

mit dem Verstärker C verbunden ist, sollte ein kurzes 35 zwischen den Anschlüssen 19 und 28. Diese Frequenz-Zeitintervall, typischerweise 0,25 Sekunden, ver- teiler-Ausgangsspannung wird über den Gitterwiderstreichen, bevor die Messung der Frequenz beginnt. stand 18 dann durch eine Triode 20a zugeführt und So können am Verstärker C erscheinende, infolge des verstärkt. Die Triode 20a erhält die Anodenspan-Schaltvorganges im Programmierer B entstehende nung über einen Anodenwiderstand 17. Ihre Kathode Ausschwingvorgänge abklingen, und es bleibt ge- 30 ist mit einem Kathodenwiderstand 27 verbunden, desnügend Zeit für die Frequenz des frequenzveränder- sen Wert mit dem des Widerstandes 17 übereinstimmt, liehen Oszillators D, um genau das N-f ache der Dadurch werden Spannungen entgegengesetzter Phase Protonenpräzessionsfrequenz zu erreichen. Erst dann und gleicher Amplitude an der Anode und der wird der Zeitintervall-Generator L gestartet, welcher Kathode der Triode 20 a gewonnen. Die Ausgangsdas Tor M für das vorgegebene Zeitintervall öffnet. 35 spannung der Triode 20a wird über den aus Kapazi-Während das Tor M offen ist, gelangen Ausgangs- täten 21 und 26 und Widerständen 22, 23, 24 und impulse vom frequenzveränderbaren Oszillator D in 25 bestehenden abgeglichenen Kreis einem Phasenden Zähler P. Am Ende des vorliegenden Zeitinter- detektor 32 zugeführt, der aus Dioden 33 α, 33 b, 33 c valls schließt das Tor M, und die Anzeige des Zäh- und 33 ä sowie Widerständen 34 a, 34 b, 34 c und 34 d lersP ist die Pulszahl, welche durch den frequenz- 40 besteht. Der Detektor erhält ferner eine Eingangsveränderbaren Oszillator D in jenem Zeitintervall spannung von der Sekundärwicklung 30 b eines Transerzeugt wird. formators 30. Dessen Anschlüssen 31 wird das Pro-Ein geeigneter Weg zur Messung der Frequenz des tonenpräzessionssignal nach Verstärkung zugeführt. Oszillators D besteht darin, daß seine Ausgangs- Der Detektor 32 erzeugt eine Ausgangsgleichspanspannung direkt einem handelsüblichen Instrument 45 nung, die zwischen der Mittelanzapfung 43 der zugeführt wird, das bereits den Quarzoszillator K, Sekundärwicklung 30 & und Anschluß 44 abgegriffen den Zeitintervall-Generator L, das Tor M und die werden kann, welch letzterer der Mittelpunkt des Zählvorrichtung P, die eine an sich bekannte Bauart anderen Brückeneingangs ist. Die Ausgangsspannung aufweist, enthält. Der Auslösekreis dieser Zählvor- wird einem Tiefpaßfilter zugeführt, das aus einem richtung ist mit dem Programmierer B verbunden, so 50 Widerstand 35 und einem Kondensator 3 besteht, daß sowohl der Zeitintervall-Generator L ausgelöst Ein weiterer Kondensator 37 und Widerstände 38, 39 als auch der Zähler P zwecks Vorbereitung für die bilden ein glättendes Netzwerk. Der Widerstand 39 nächste Messung dann rückgestellt wird, wenn der ist gleichzeitig der Gitterableitwiderstand für eine polarisierende Strom von der Spulet abgeschaltet Triode41 α. Die Ausgangsspannung des glättenden wird. Ein geeignetes handelsübliches Instrument be- 55 Netzwerkes gelangt unmittelbar an das Gitter dieser sitzt z.B. eine Verzögerung von 0,015 Sekunden Triode 41a, welche über einen Anodenwiderstand45 nach der Auslösung, bevor eine neue Auszählung versorgt wird. Diese Triode verstärkt die Eingangsbeginnt. Diese Verzögerung wird für die Anwendung spannung, und eine Triode 41 & arbeitet mit geerdeter in dieser Meßeinrichtung noch ein wenig erhöht, Anode, um die Anode der Triode 41a dicht bei Erdnämlich auf 0,25 Sekunden, wie oben erwähnt, und 60 potential zu halten. Die Kathoden der beiden Triozwar durch Erhöhung des Wertes einer in diesem den erhalten mittels eines gemeinsamen Kathoden-Zähler vorgesehenen Kapazität. Die Anzeige des Widerstandes 40 das gleiche Potential. Die Ausgangs-Zählers P kann natürlich automatisch aufgezeichnet spannung der Triode 41a gelangt an das Gitter einer werden, entweder in Ziffernform durch Verwendung Triode 20 &, die als einfacher Kathodenverstärker eines Digitaldruckers oder durch Lochkarten bzw. 65 arbeitet. Die Ausgangsspannung der Triode 20 & wird Lochstreifen oder in analoger Form durcch Verwen- an einem Kathodenwiderstand 42 abgegriffen und dung eines Analogumrechners oder auf irgendeine dient zur Steuerung der Frequenz des frequenzverandere zweckmäßige Weise. änderlichen Oszillators durch Rückführung über eine

Claims (1)

1 281 B5S 9 10 Rückkopplungsschleife R, die regelbaren Wider- ken Magnetfeld aussetzt, das zur Anregung der stände 14 a und 14 & sowie die Widerstände 13 α und Präzessionsschwingungen plötzlich abgeschaltet 13b. Die regelbaren Widerstände 14a und 14& wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie dienen dazu, den Frequenzbereich des Oszillators einen frequenzveränderlichen Oszillator enthält, auf die Mitte des gewünschten Vielfachen (in diesem 5 dessen Frequenz durch eine Regelspannung gere-Falle ist der Faktor 16) der Protonenpräzessions- gelt wird und an dessen Ausgang ein Frequenzfrequenz einzustellen. Die Einstellung der veränder- teiler angeschlossen ist, der für N Perioden der baren Widerstände hängt ab von der Stärke des zu Oszillator-Ausgangsspannung eine Periode seiner messenden magnetischen Feldes. Die Ausgangs- Ausgangsspannung erzeugt, wobei JV eine Zahl frequenz des Oszillators kann bestimmt werden durch io größer als 1 ist, und daß Mittel zum Vergleichen Anschalten eines üblichen Frequenzzählers an An- des Signals, dessen Frequenz die Präzessionsfreschluß 15. quenz ist, mit dem Ausgangssignal des Frequenz-Die nachfolgende Aufstellung von Einzelteilen gibt teilers zur Bildung der Regelspannung vorgesehen Beispiele für geeignete Werte der Schaltelemente: sind, wodurch die Frequenz der Ausgangsspan- 15 nung des frequenzveränderlichen Oszillators auf Doppeltriode 10 a, 10 b 12 AU 7 den jeweils iV-fachen Wert der Präzessionsfre- Doppeltriode 20 a, 20 b 12 AU 7 quenz geregelt wird, und schließlich in an sich Doppeltriode 41a, 41 & 12 AX 7 bekannter Weise die zur unbekannten Frequenz Zähler E Berkeley Modell in ein bestimmtes Verhältnis gesetzte Frequenz Nr 705 AH auf ao ^es fre1uenzveränderlichen Oszillators unmittel- eine Sechzehner- bar durch einen Zähler gemessen wird, teilung abgeändert 2· Einrichtung zum Messen der Frequenz nach η· α aa -XiU 11 ι*λ TXT /ic Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden 33«, 33fe, 33c, 33d .. IN476 m^ zur u&magde* Ausgangsfrequenz des Transformator 30 Hammond Modell 25 frequenzveränderlichen Oszillators die Perioden Nr. 832 des Oszillator-Ausgangssignals über einen Zeit-Widerstände lla, Ub, 23, 24 22 K raum zählen, der so gewählt ist, daß eine Direkt- Widerstände 13 a, 13 & 82 K anzeige der in passenden Einheiten zu messenden Widerstand 18 1 0 M Stärke des magnetischen Feldes erhalten wird. WA +·· a it Vt AHV 3° 3. Einrichtung zum Messen der Frequenz nach widerstände Li, ii 4/ JS. Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstände 22, 25, 35 100 K zum Vergleich von Frequenz und Phase der Aus-Widerstände 34 a, 34 b, 34 c, 34 d 33 K gangsspannung des an den frequenzveränderba- Widerstand 38 2,2 M ren Oszillator angeschlossenen Frequenzteilers Widerstand 39 147 M 35 m^ ^er Fre1uenz und Phase der Protonenprä- Wd t H 40 RW Zession ein Phasendetektor dient, der die Regel- 1 ers an , spannung erzeugt, die auf den frequenzveränder- Widerstand 45 1,8 M baren Oszillator rückgekoppelt wird. Widerstand 42 56 K 4. Einrichtung zum Messen der Frequenz nach Regelbare 40 Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Widerstände 14 a, 14 b 5OK vom Programmierer (B) gesteuerten quarzgenauen Kondensatoren 12a, 12b 100 pF Zeitfolge-Generator, einen Zähler und eine zwi- Vn„A _„+ .,1 ~t- π ns- τ? sehen dem frequenzveränderbaren Oszillator und Kondensatoren 21,26 0,05 mF dem ZäMer jj^^ Torschaltung; wob&i der Kondensator 36 0,1 mF 45 Zähler bei geöffneter Torschaltung die Perioden-Kondensator 37 0,002 mF zahl der Ausgangsspannung des Oszillators zählt und die Torschaltung für eine durch den Zeit-Arn Anschlußpunkt 16 sollen + 190 V und am folge-Generator bestimmte Zeitspanne öffnet, Anschluß 28 —110 V liegen, wenn die oben angege- welche bei einem Signal des Programmierers bebenen Bauelemente verwendet werden. Wenn die 50 ginnt, das Zeitfolge-Generator und Tor und damit Eingangsspannung an Anschluß 31 eine Frequenz von die Zählung startet, wobei der Beginn der Zäh-Hz hat, welche typisch ist für erdmagnetische lung jedoch zeitlich gegenüber dem Abschaltzeit-Felder, die auf eine Wasserprobe einwirken, wird die punkt für die Spule (A) so weit verzögert erfolgt, Ausgangsspannung an Anschluß 15 eine Frequenz daß Ausschwingvorgänge bereits abgeklungen von 40000 Hz haben. Die Schaltung nach F i g. 2 ist 55 sind. anwendbar für Frequenzen dieser Größenordnung. 5. Einrichtung zum Messen der Frequenz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit des Tores so gewählt ist, daß der Patentansprüche: Zähler eine Direktanzeige der zu messenden ma- 60 gnetischen Feldstärke in passenden Einheiten der

1. Einrichtung zum Messen der Frequenz des magnetischen Feldstärke ergibt.

Ausgangssignals eines auf dem Prinzip der freien 6. Einrichtung zum Messen der Frequenz nach

Präzession von Protonen beruhenden Magneto- einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

meters, bei dem die Protonen einer geeigneten gekennzeichnet, daß im Rückkopplungskreis nach

Substanz in Präzessionsschwingungen versetzt und 65 dem Phasendetektor ein Tiefpaßfilter liegt,

die Präzessionsfrequenz mit Hilfe eines Program- 7. Einrichtung zur Messung der Frequenz nach

mierers bestimmt wird, der die Protonen der Sub- einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

stanz der Probe in regelmäßiger Folge einem star- gekennzeichnet, daß im Rückkopplungskreis nach

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dem Phasendetektor ein glättendes Netzwerk vor- _ deutsche Auslegeschrift Nr. 1049112; gesehen ist. Proceedings of the I.R.E., 40, Juli 1952, S. 807 bis

In Betracht gezogene Druckschriften; Journal of Scientific Instruments, 35, März 1958,

Deutsche Patentschriften Nr. 949 357,1015 922; . 5 S. 88 bis 93. ·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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