DE19606655A1 - Measuring device for measuring magnetic fields - Google Patents

Abstract

The invention concerns an arrangement for measuring magnetic fields using a SQUID. To that end, a hybrid regulation system is provided which comprises means for converting a measuring signal (1) from a SQUID (3) into a voltage signal (4) for an analog proportional controller (5), the compensation signal (6) calculated by the proportional controller (5) forming the input signal of a digital integral controller (9, 11, 13). This signal (6) is digitized by an analog-to-digital converter (9) and fed to an arithmetic-logic unit (11) which calculates the compensation signal (12) of the integral controller, and the digital signal (12) is converted by a digital-to-analog converter (13) into an analog signal (14). Finally, an analog summer (15) forms the total compensation signal (16) from the compensation signal (6) of the analog proportional controller (5) and the compensation signal (12) of the digital integral controller (14). The total compensation signal (16) is then converted into a compensation flow (8) via a linear voltage-flow converter (7). The arithmetic-logic unit (11) also controls a resetting unit and a fluxion counter and calculates the output signal (17).

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Messung magnetischer Felder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a measuring device for measurement magnetic fields according to the preamble of the claim 1.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Messung von magnetischen Feldern mit Hilfe eines oder mehrerer hochempfindlichen SQUID- Magnetfeldsensoren (Superconducting Quantum Interference Devices). Solche Sensoren zeigen eine periodische Kennlinie der Spannung U als Funktion des magnetischen Flusses Φ mit einer Pe­ riodenlänge von einem Flußquant Φ₀ = 2·10^-15 Tm² [vgl. beispielsweise R. Boll, K.J. Overshott Magnetic Sensors, 1989, VCH Verlagsgesellschaft mbH, ISB N 3-527-26771-9, Seite 387-389]. Aufgrund der periodischen Kennlinie kann nur innerhalb von ½ Φ₀ von der Spannung auf den Fluß geschlossen werden. Für den Einsatz von SQUID-Sen­ soren als Magnetometer mit einem größeren Aussteuerbe­ reich wird daher eine Kompensationsregelung (flux-loc­ ked-loop) verwendet [R. Boll, K.J. Overshott, Magnetic Sensors, 1989, VCH Verlagsgesellschaft mbH, ISB N 3-527-26771-9, Seite 383-438]. The invention relates to a measuring device for measuring magnetic fields with the aid of one or more highly sensitive SQUID magnetic field sensors (Superconducting Quantum Interference Devices). Such sensors show a periodic characteristic of the voltage U as a function of the magnetic flux Φ with a period length of a flux quantum Φ₀ = 2 · 10 ^-15 Tm² [cf. e.g. R. Boll, KJ Overshott Magnetic Sensors, 1989, VCH Verlagsgesellschaft mbH, ISB N 3-527-26771-9, pages 387-389]. Due to the periodic characteristic curve, the river can only be inferred from the voltage within ½ Φ₀. A compensation control (flux-loc ked-loop) is therefore used for the use of SQUID sensors as magnetometers with a larger modulation range [R. Boll, KJ Overshott, Magnetic Sensors, 1989, VCH Verlagsgesellschaft mbH, ISB N 3-527-26771-9, pages 383-438].

Hierbei wird wie in der Fig. 1 dargestellt das Meßsi­ gnal 1 mittels SQUID-Sensor 3 in eine Spannung 4 ge­ wandelt. Der Regler 5 berechnet aus diesem Signal das Kompensationssignal 6. Die Kompensationsspannung wird über einen linearen Spannungs-Fluß-Wandler 7 in einen Magnetfluß 8 gewandelt und so zurückgeführt, daß das Reglereingangssignal 4 einen Wert von 0 Volt annimmt. Durch diese Kompensationsregelung bleibt der SQUID, un­ abhängig von der Größe des Meßsignals, in einem Ar­ beitspunkt der periodischen U-Φ-Kennlinie [vgl. R. Boll, K.J. Overshott, Magnetic Sensors, 1989, VCH Verlagsge­ sellschaft mbH, ISB N 3-527-26771-9, Fig. 10-10]. Das Kompensationssignal 6 ist gleichzeitig das Ausgangs­ signal der Schaltung.Here, as shown in Fig. 1, the Meßsi signal 1 by means of SQUID sensor 3 converts ge into a voltage 4 . The controller 5 calculates the compensation signal 6 from this signal. The compensation voltage is converted into a magnetic flux 8 via a linear voltage-flux converter 7 and fed back in such a way that the regulator input signal 4 assumes a value of 0 volts. By means of this compensation regulation, the SQUID remains in one working point of the periodic U-Φ characteristic, regardless of the size of the measurement signal [cf. R. Boll, KJ Overshott, Magnetic Sensors, 1989, VCH Verlagsge company mbH, ISB N 3-527-26771-9, Fig. 10-10]. The compensation signal 6 is also the output signal of the circuit.

Es ist bekannt analoge Regelkreise oder digitale Regel­ kreise mit Flußquantenzähler zur Ausbildung einer sol­ chen Meßeinrichtung einzusetzen. Dabei werden gewöhn­ lich Regelcharakteristiken mit proportionalem und inte­ gralem Anteil eingesetzt. Es zeigen sich jedoch unter­ schiedliche Leistungsmerkmale für den analogen oder di­ gitalen Regelkreis. Diese können durch die Meßband­ breite ausgedrückt in Hz, der maximalen zulässigen An­ stiegsgeschwindigkeit der Eingangssignale (die soge­ nannte Slewrate) in Φ₀/s und des maximalen Meßbereichs in Φ₀ beschrieben werden. Analog control loops or digital controls are known circles with flux quantum counter to form a sol Chen measuring device to use. Doing so will get used to it control characteristics with proportional and inte gral portion used. However, it show up under different features for the analog or di gital control loop. These can be measured using the measuring tape width expressed in Hz, the maximum permissible An rate of increase of the input signals (the so-called called slew rate) in Φ₀ / s and the maximum measuring range be described in Φ₀.  

Bekannt ist der Einsatz einer analogen Kompensationsre­ gelung. Der Vorteil der analogen Regelung, bestehend aus analogen Komponenten wie z. B. Operationsverstärker, liegt in der großen Meßbandbreite und der hohen Slew­ rate. Da es sich um eine zeitkontinuierliche Regelung handelt, ist die Reaktionszeit auf Änderungen des Ein­ gangssignals kurz. Nachteilig erweist sich jedoch der stark begrenzten Meßbereich einer solchen analogen Re­ gelung. Der Meßbereich wird dabei durch den maximalen Spannungshub des Ausgangsverstärkers und dem Eigenrau­ schen der Schaltung bestimmt.The use of an analog compensation re is known success. The advantage of analog control, existing from analog components such as B. operational amplifier, lies in the large measuring bandwidth and the high slew rate. Since it is a continuous-time scheme is the response time to changes in on briefly. However, this proves to be disadvantageous very limited measuring range of such an analog Re success. The measuring range is determined by the maximum Voltage swing of the output amplifier and Eigenrau determined the circuit.

Ebenfalls bekannt ist eine digitale Kompensationsrege­ lung mit Flußquantenzähler. Der Vorteil einer solchen digitalen Regelung, bestehend aus einem Analog-Digital- Umformer (ADU), einem Digital-Analog-Umformer (DAU) und einem Rechenwerk, liegt in dem nahezu unbegrenzten Meß­ bereich. Hierbei wird die periodische Charakteristik des SQUID-Signals für die Digitalisierung der analogen Signale verwendet. Zusätzlich zur Kompensation führt eine Rücksetzeinheit definierte Kompensationssprünge um eine geradzahlige Anzahl von Flußquanten durch, die ge­ zählt werden. Durch die Rücksetzeinheit bleibt das Kom­ pensationssignal in einem definierten Wertebereich. Das Meßsignal bildet sich schließlich aus der Summe der Flußquantensprungzahl und dem Kompensationssignal. Für einen feldunabhängigen SQUID (Periodenlänge und Ampli­ tude unabhängig vom angelegten Magnetfeld), liefert die digitale Regelung einen nahezu unbegrenzten Meßbereich. A digital rain of compensation is also known flow quantum counter. The advantage of such digital control, consisting of an analog-digital Converter (ADU), a digital-to-analog converter (DAU) and an arithmetic unit, lies in the almost unlimited measurement Area. Here the periodic characteristic the SQUID signal for digitizing the analog Signals used. Additionally leads to compensation a reset unit defines compensation jumps an even number of flux quanta through the ge be counted. The comm. Remains due to the reset unit compensation signal in a defined range of values. The Measurement signal is finally formed from the sum of the Flux quantum jump number and the compensation signal. For a field-independent SQUID (period length and ampli tude regardless of the applied magnetic field), delivers the digital control an almost unlimited measuring range.  

Wegen der digitalen, zeitdiskreten Verarbeitung der Si­ gnale mit AD-DA-Umformern und der Berechnungen des Kom­ pensationssignals nach einem vorgegebenen Algorithmus, ist die Meßbandbreite und die Slewrate geringer als bei analogen Schaltkreisen.Because of the digital, time-discrete processing of the Si gnale with AD-DA converters and the calculations of the com compensation signal according to a predetermined algorithm, the measurement bandwidth and slew rate are lower than for analog circuits.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Meßeinrich­ tung zur Messung magnetischer Felder zu schaffen, bei dem eine hohe Dynamik und gleichzeitig eine hohe Ge­ schwindigkeit erreicht wird.It is therefore an object of the invention to provide a measuring device device to measure magnetic fields a high dynamic and at the same time a high Ge speed is reached.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Meßeinrichtung zur Messung magnetischer Felder gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vor­ teilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf die­ sen Anspruch rückbezogenen Unteransprüchen.The object is achieved by a measuring device for Measurement of magnetic fields according to the whole of the Features according to claim 1. Further appropriate or before partial embodiments can be found in the on the his claim related subclaims.

Es wurde erkannt, zur Lösung der gestellten Aufgabe die Meßeinrichtung als Hybrid-Regelung zu gestalten, das heißt durch Kombination eines analogen P-Reglers (Proportionalregler) mit einem digitalen I-Regler (Integralregler). Auf diese Weise werden die positiven Eigenschaften dieser beiden Regelkreise mit einander in der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung vereinigt. It was recognized that to solve the task To design measuring device as a hybrid control, the is called by combining an analog P-controller (Proportional controller) with a digital I controller (Integral controller). In this way, the positive Properties of these two control loops with each other the measuring device according to the invention combined.  

AusführungsbeispielEmbodiment

In der Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung zur Messung magnetischer Felder in einem Schaltbild dargestellt.In FIG. 2 a measuring device according to the invention is shown for measurement of magnetic fields in a circuit diagram.

Im einzelnen wird dabei ein Meßsignal 1 von einem SQUID 3 in ein Spannungssignal 4 für einen analogen P-Regler 5 umgewandelt. Das vom P-Regler 5 berechnete Kompensa­ tionssignal 6 bildet das Eingangssignal des digitalen I-Reglers 9, 11, 13. Dieses Signal 6 wird von einem AD-Umformer 9 digitalisiert und einem Rechenwerk 11 zuge­ führt. Dieses Rechenwerk 11 berechnet das Kompensati­ onssignal 12 des I-Reglers. Über einen DA-Umformer 13 wird das digitale Signal 12 in ein analoges Signal 14 umgeformt.In particular, a measurement signal 1 is converted by a SQUID 3 into a voltage signal 4 for an analog P-controller 5 . The compensation signal 6 calculated by the P controller 5 forms the input signal of the digital I controller 9 , 11 , 13 . This signal 6 is digitized by an AD converter 9 and leads to an arithmetic unit 11 . This arithmetic unit 11 calculates the compensation signal 12 of the I controller. The digital signal 12 is converted into an analog signal 14 via a DA converter 13 .

Ein analoges Summierglied 15 bildet aus dem Kompensati­ onssignal 6 des analogen P-Reglers 5 und dem Kompensa­ tionssignal 12 des digitalen I-Reglers 14 das Gesamt- Kompensationssignal 16. Dieses wird über einen linearen Spannungs-Fluß-Wandler 7 in einen Kompensationsfluß 8 gewandelt. Eine Rücksetzeinheit und ein Flußquantenzäh­ ler sowie die Berechnung des Ausgangssignals 17 werden vom Rechenwerk 11 mit Hilfe beispielsweise eines DSP softwaremäßig vorgenommen.An analog summing element 15 forms from the Kompensati onssignal 6 of analog P-regulator 5 and the Kompensa tion signal 12 of the digital I controller 14, the total compensation signal sixteenth This is converted into a compensation flow 8 via a linear voltage-flow converter 7 . A reset unit and a Flußquantenzäh ler and the calculation of the output signal 17 are carried out by the computer 11 using software, for example with the aid of a DSP.

Eine solche Meßeinrichtung zeigt folgende Eigenschaf­ ten:
Das Meßsignal wird bei der Regelung so kompensiert, daß das Eingangssignal des geschlossenen Regelkreises einen Wertebereich von ± ½ Φ₀ nicht überschreitet. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Regelung dem Eingangs­ signal nicht mehr folgen kann. Für die schnelle Kompen­ sation, die Begrenzung des SQUID-Signals (2) auf ± ½ Φ₀, und damit für die hohe Slewrate und die große Meß­ bandbreite ist der P-Anteil der Regelung verantwort­ lich. Der P-Regler ist deshalb analog ausgebildet.Such a measuring device shows the following properties:
The control signal compensates the measurement signal in such a way that the input signal of the closed control loop does not exceed a value range of ± ½ Φ₀. In this way it is avoided that the control can no longer follow the input signal. The P component of the control is responsible for the fast compensation, the limitation of the SQUID signal ( 2 ) to ± ½ Φ₀, and thus for the high slew rate and the large measuring bandwidth. The P controller is therefore analog.

Der Nachteil des P-Regler liegt jedoch in der bleiben­ den Regelabweichung, welche bei großen Eingangssignalen zu einer Überschreitung der zulässigen Wertebereiches des SQUID-Signals (2) von ± ½ Φ₀ führt. Um dieses zu unterdrücken bzw. vermeiden ist zusätzlich zum P-Regler ein I-Regler vorgesehen. Er reagiert zwar langsamer; es wurde aber erkannt, daß der I-Regler jedoch für stati­ sche Signale das Eingangssignal des I-Regler (6) und somit das Eingangssignal des P-Reglers (4) vollständig kompensiert. Auf diese Weise wird erreicht, daß der SQUID im vorgegebenen Arbeitspunkt verbleibt.The disadvantage of the P controller, however, is that the control deviation remains, which in the case of large input signals leads to the permissible value range of the SQUID signal ( 2 ) being exceeded by ± ½ Φ₀. In order to suppress or avoid this, an I controller is provided in addition to the P controller. He responds more slowly; However, it was recognized that the I controller, however, completely compensates for the input signal of the I controller ( 6 ) and thus the input signal of the P controller ( 4 ) for static signals. This ensures that the SQUID remains in the specified operating point.

Mit zunehmender Frequenz des Meßsignals wird der Kom­ pensationsanteil des P-Reglers größer und der des I-Reglers kleiner. Realisiert man den I-Regler nun digi­ tal mit zusätzlichem Flußquantenzähler, so entfällt bei der Meßeinrichtung die Meßbereichsbeschränkung durch die maximale Amplitude des Ausgangsverstärkers, und sie weist einen nahezu unbegrenzten Meßbereich für Meßsi­ gnale mit geringer Frequenz auf. Zur Funktion des Hy­ bridregelung ist es erforderlich, daß das analoge Kom­ pensationssignal 6, während des Flußquantensprungs des digitalen Kompensationssignales 12 ihren Wert nicht än­ dert. Dazu kann in der Schaltung eine Hard-ware-kom­ ponente wie zum Beispiel eine Klemmeinrichtung vorgese­ hen sein, die dies bewirkt. Für schnelle Signale ist wie beim analogen Regelkreis die Meßbereichsbegrenzung durch den analogen P-Regler vorgegeben.With increasing frequency of the measurement signal, the compensation component of the P controller increases and that of the I controller decreases. If the I controller is now implemented digitally with an additional flux quantum counter, the measuring range limitation due to the maximum amplitude of the output amplifier does not apply to the measuring device, and it has an almost unlimited measuring range for measuring signals with low frequency. Bridregelung the function of Hy, it is necessary that the analog Kom, during Flußquantensprungs the digital compensation signal 12 its value is not changed pensationssignal 6 Su. For this purpose, a hardware component such as, for example, a clamping device can be provided in the circuit, which effects this. For fast signals, as with the analog control loop, the measuring range limitation is specified by the analog P controller.

Beim Hybrid-Regler bewirkt somit der analoge P-Regler die hohe Slewrate und die großen Meßbandbreite, während gleichzeitig der digitale I-Regler durch unterlagerte Flußquantensprünge einen nahezu unbegrenzten Meßbereich erlaubt.With the hybrid controller, the analog P controller therefore works the high slew rate and the large measurement bandwidth, while at the same time the digital I-controller by subordinate River quantum leaps an almost unlimited measuring range allowed.

Claims (3)

1. Meßeinrichtung zur Messung magnetischer Felder mit Hilfe eines SQUID, gekennzeichnet durch einen Hybrid-Regelung.1. Measuring device for measuring magnetic fields using a SQUID, characterized by a hybrid control. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regelung, die Mittel aufweist, so daß

• - ein Meßsignal (1) von einem SQUID (3) in ein Spannungssignal (4) für einen analogen P-Regler (5) umgewandelt wird,
• - das vom P-Regler (5) berechnete Kompensationssignal (6) das Eingangssignal des digitalen I-Reglers (9, 11, 13) bildet,
• - dieses Signal (6) von einem AD-Umformer (9) digitalisiert und einem Rechenwerk (11) zugeführt wird,
• - dieses Rechenwerk (11) das Kompensationssignal (12) des I-Reglers berechnet und das digitale Signal (12) über einen DA-Umformer (13) in ein analoges Signal (14) umgeformt wird,
• - ein analoges Summierglied (15) aus dem Kompensationssignal (6) des analogen P-Reglers (5) und dem Kompensationssignal (12) des digitalen I-Reglers (14) das Gesamt-Kompensationssignal (16) bildet und dieses über einen linearen Spannungs-Fluß-Wandler (7) in einen Kompensationsfluß (8) gewandelt wird, wobei eine Rücksetzeinheit und ein Flußquantenzähler sowie die Berechnung des Ausgangssignals (17) wird vom Rechenwerk (11) vorgenommen werden.

2. Measuring device according to claim 1, characterized by a control which has means so that

• a measurement signal ( 1 ) is converted by a SQUID ( 3 ) into a voltage signal ( 4 ) for an analog P-controller ( 5 ),
• - The compensation signal ( 6 ) calculated by the P controller ( 5 ) forms the input signal of the digital I controller ( 9 , 11 , 13 ),
• - this signal ( 6 ) is digitized by an AD converter ( 9 ) and fed to an arithmetic unit ( 11 ),
• - This arithmetic unit ( 11 ) calculates the compensation signal ( 12 ) of the I-controller and the digital signal ( 12 ) is converted into an analog signal ( 14 ) via a DA converter ( 13 ),
• - An analog summing element ( 15 ) from the compensation signal ( 6 ) of the analog P-controller ( 5 ) and the compensation signal ( 12 ) of the digital I-controller ( 14 ) forms the overall compensation signal ( 16 ) and this via a linear voltage Flow converter ( 7 ) is converted into a compensation flow ( 8 ), a reset unit and a flow quantum counter as well as the calculation of the output signal ( 17 ) being carried out by the arithmetic unit ( 11 ).

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Regelung, bei der das Meßsignal so kompensiert wird, daß das Eingangssignal des geschlossenen Regelkreises einen Wertebereich von ± ½ Φ₀ nicht überschreitet.3. Measuring device according to claim 1 or 2 with a Regulation in which the measurement signal is compensated that the input signal of the closed Control loop a value range of ± ½ Φ₀ not exceeds.