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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Erfassungsvorrichtung für magnetischen
Fluss eines Flussregelschleifensystems (flux locked loop system-FLL-system),
das einen supraleitenden Ring mit einem Josephson-Kontakt verwendet,
d. h., ein supraleitendes Quanteninterferometer (superconducting
quantum interference device SQUID).
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Hintergrundtechnik
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Ein
FLL-System führt
im Allgemeinen eine Messung eines Magnetfeldes durch Zuführen eines Rückkoppelstromes
an eine Rückkoppelspule
durch, die zusätzlich
an dem SQUID vorgesehen ist, so dass ein Wert eines ersten definierten
Arbeitspunktes aufrecht erhalten wird oder dass eine Änderungsrate eines
magnetischen Flusses in einem supraleitenden Ring immer konstant
wird. D.h., um ein äußeres Magnetfeld
zu eliminieren, wird ein Rückkopplungsstrom
zugeführt,
so dass ein zu dem äußeren Magnetfeld
entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt wird, und anschließend eine Änderungsrate
des äußeren Magnetfeldes
durch eine Stärke
dieses Rückkoppelstromes
erhalten wird. Durch Verwenden einer FLL-Vorrichtung können Linearitätsdaten
abgetastet werden, so dass ein äußerer magnetischer
Fluss, der zu messen ist, und eine Ausgangsspannung, die ein Messwert
dieses äußeren magnetischen
Flusses ist, innerhalb einer proportionalen Beziehung liegen.
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Für ein derartiges
System ist ein Erfassungsverfahren für den magnetischen Fluss vorgeschlagen,
das ein so genanntes Digital-FLL-System verwendet. In diesem Digital-FLL-System
wird die periodische Eigenschaft der Φ-V-Kennlinie des SQUID verwendet.
Eine große Änderungskomponente
eines magnetischen Flusses wird durch Zählen der Anzahl periodischer Änderungen
in der Φ-V-Kennlinie
gemessen und anschließend
wird eine kleinere Änderungskomponente
des magnetischen Flusses linear gemessen und gemischt. Ein Messteil
der SQUID-FLL-Vorrichtung ist unter Verwendung eines AD-Wandlers,
eines Digitalintegrators, eines Zählers, eines DA- Regelwandlers und
eines Regelmesscomputers primär
konfiguriert. Um eine hohe Auflösung und
eine hohe Anstiegsrate zu erzielen, existiert in diesem Fall ein
Erfordernis an teuren Schaltungskomponenten, die eine große Anzahl
Verarbeitungsbits aufweisen und einen Verarbeitungsbetrieb mit einer
hohen Geschwindigkeit ermöglichen.
Deshalb werden die Schaltungskomponenten in einem Digitalsignalverarbeiter 22 (digital
signal processing – DSP)
ausgebildet.
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Bei
einem derartigen Digital-FLL-Erfassungsverfahren für einen
magnetischen Fluss, das einen Zähler
verwendet, werden die Daten des äußeren magnetischen
Flusses durch Mischen eines Wertes ausgedrückt, der einen magnetischen
Fluss aus der Anzahl der Bits, die auf Daten von dem AD-Wandler
basieren, und der Anzahl der Bits ausgedrückt, die die Anzahl der Perioden
von dem Zähler
ausdrückt.
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1 zeigt
ein dcSQUID-Magnetometer 10, dass eine Digital-FLL-Technologie
verwendet. Ein SQUID 11 stellt zwei Josephson-Kontakte 13 auf
halbem Weg eines Ringes 12 bereit, der aus einem supraleitenden
Material hergestellt ist, und das SQUID ist durch einen Gleichstrom
Ib von einer Gleichstromenergieversorgung (nicht dargestellt) vorgespannt. Anschließend wird
eine Spannung (Ausgangsspannung V) zwischen einem Eingang und einem
Ausgang dieses Vorspannungsstromes durch einen äußeren magnetischen Fluss Φx verändert, der
den Ring 12 des SQUID durchdringt. Die 2(a) und 3(a) zeigen jeweils eine Beziehung zwischen
dem äußeren magnetischen
Fluss Φx
und der Ausgangsspannung V. Die Ausgangsspannung V des SQUID 11 ändert sich
periodisch in Übereinstimmung
mit einer Änderung
des äußeren magnetischen
Flusses Φx,
der den Ring 12 durchdringt. Die Periode beträgt Φ0, welche ein magnetisches Flussquant ist.
Auf diese Weise ändert
sich die Ausgangsspannung V periodisch, und somit ist ein Wert des äußeren magnetischen
Flusses Φx
nicht lediglich durch Messen einer Ausgangsspannung V eindeutig
definiert.
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Deshalb
wird, wie in 2(a) gezeigt ist, ein Verfahren
zum Ausführen
einer Messung verwendet, welches eine periodische Änderung
eines magnetischen Flusses von einem beliebigen Messstartpunkt „a0" (allgemein
als „Arbeitspunkt" bezeichnet) aus aufweist.
Dort wird ein System des Berechnens eines Wertes des äußeren magnetischen
Flusses Φx
verwendet, der auf der Anzahl „n" der periodischen Änderun gen
basiert, die auf dem äußeren magnetischen
Fluss und einer Änderungskomponente Φ' des magnetischen
Flusses in einer Maximalperiode an basieren.
Im Allgemeinen wird jeder Arbeitspunkt definiert als ein Punkt einer
Spannung, die zu einer anderen für
jede Periode gleich ist. Dieser Arbeitspunkt kann in Übereinstimmung
mit der Zweckmäßigkeit
eines Datenverarbeitungsbetriebs willkürlich gesetzt werden und muss
nicht immer unbedingt V = 0 sein, wie in 2 gezeigt
ist.
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Um
Werte zu messen, die der periodischen Eigenschaft und einer Änderungskomponente Φ' entsprechen, wird,
wie in 2b gezeigt ist, eine Änderungskomponente ΔV einer Ausgangsspannung
erhalten, wobei ΔV
einer Änderungskomponente
des magnetischen Flusses ΔΦ von einem
Arbeitspunkt an einem bestimmten Zeitpunkt entspricht, und anschließend wird
die derart erhaltene Änderungskomponente
stets zu einer Rückkoppelspule 20 über eine Integratorschaltung
rückgeführt. Somit
wird ein Messpunkt an dem Arbeitspunkt an fixiert
und die Änderung ΔV der Ausgangsspannung,
die auf der Änderung ΔΦ des magnetischen
Flusses zu dem Zeitpunkt jeder Messung basiert, wird stets konstant. Deshalb
kann, wie in 2c gezeigt ist, eine Änderungskomponente
der Spannung V',
die der Änderungskomponente Φ' des magnetischen
Flusses entspricht, als Linearitätsdaten
erhalten werden. Wenn dieser Datenwert einen Regelbereich eines
Schleifenpunktes übersteigt,
verschiebt sich der aktuelle Arbeitspunkt zu einem nächsten Arbeitspunkt
und gleichzeitig werden vorhergehende Integraldaten in dem Integrator
rückgesetzt.
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In
einem Beispiel der 1 wird eine Ausgangsspannung
V des SQUID 11 durch einen Verstärker 14 verstärkt und
die somit verstärkte
Ausgangsspannung wird in Digitaldaten durch einen AD-Wandler 15 umgewandelt.
Die Digitaldaten werden durch einen Digitalintegrator 16 integriert.
Wenn ein Integralwert einen Regelbereich von jedem Arbeitspunkt übersteigt,
wird der Wert rückgesetzt.
In Übereinstimmung
mit der Rücksetzungszahl
wird durch einen Zähler 17 gemessen,
bis zu welcher Periode Daten erhalten wurden. Ein Integralwert jeder Periode
wird zu der Rückkoppelspule 20 über einen Spannungs/Strom-Wandler 19,
zum Erzeugen eines Rückkoppelstromes „If" rückgeführt, der
in Antwort der Kennlinien eines DA-Wandlers 18 und des SQUID 11 definiert
ist. Zusätzlich
wird hier die Integralwertrücksetzung
bei den Arbeitspunkten (a0, a1, a2, ... an) jeder
Periode einer Datenmischeinheit 21 zuge führt. Der
Rückkoppelstrom „If" wird für jede Periode
rückgesetzt
und steigt somit nicht auf oder über einen
vorbestimmten Wert.
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Die
Datenmischeinheit 21 berechnet einen Wert eines Magnetfeldes,
der der rückgesetzten
Zahl entspricht, die von dem Zähler 17 gemessen
wurde, und einen Wert des Magnetfeldes, der einer Änderungskomponente
der Spannung V' entspricht,
die von dem Digitalintegrator 16 in einer letzten Periode erhalten
wurde, summiert diese Werte und erhält anschließend den Wert des äußeren magnetischen Flusses.
Die Steuerung des AD-Wandlers 15, des Digitalintegrators 16,
des Zählers 17 und
der Datenmischeinheit 21 wird im Allgemeinen durch eine Steuereinheit
(nicht dargestellt) der DSP 22 ausgeführt.
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Zusätzlich wird
bei dem Digital-FLL der Regelbereich der Arbeitspunkte als ±1Φ0 der Regelarbeitspunkte (a0,
a1, a2, ... an) definiert, wie in 3(b) gezeigt
ist. In dem Fall, in dem der magnetische Fluss Φ diesen Bereich übersteigt,
wird dann ein Verfahren zum Verschieben eines Arbeitspunktes verwendet,
das Aufwärts-
und Abwärtsinformationen durch
den Zähler 17 speichert
und anschließend
eine Regelung (Rückkopplung)
durchführt.
Bei diesem Verfahren wird eine Stabilisierung eines Schwingungsvorgangs
eines Regelbereiches durch Verwenden von so genannten Hysterese-Kennlinien
versucht, in denen Arbeitspunkt- und Spannungsänderungswege zwischen den Fällen verschieden
sind, bei denen ein äußerer magnetischer
Fluss ansteigt und abfällt.
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Dies
ist im Nicht-Patent-Dokument 1 von Dietmar Drung „HIGH-Tc
and low-Tc dc SQUID electronics" Superconductor
Science and Technology, 16 (2003), 1320-1136, offenbart.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Digital-FLL-Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt
ist, verwendet lediglich einen Zähler 17.
In dem Fall, in dem ein Zähler
in dem Digital-FLL verwendet wird, ist die Anzahl der Bits durch
die Anzahl der Bits der Hardware eingeschränkt, beispielsweise des DSP
(im Allgemeinen wird eine Gesamtanzahl von 32 Bits für Zählerbits
und Rückkoppelbits
verwendet). Deshalb existiert ein Problem, dass eine große Anzahl Bits
nicht zugeordnet werden kann. In dem Fall, in dem der Zähler 17 in
einem Regelcomputer konfiguriert ist, gibt es zusätzlich ein
Erfordernis zum Übertragen
von Daten innerhalb einer Verschiebung. Deshalb gibt es ein Problem,
dass die Anstiegsrate nicht erhöht
werden kann, da eine Einschränkung
in Abhängigkeit
einer Datenübertragungsgeschwindigkeit
vorliegt.
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Zusätzlich ist
die SQUID-Digital-FLL-Vorrichtung aus einem AD-Wandler 15,
einem Digitalintegrator 16, einem Zähler 17, einem DA-Wandler 18,
einem Regel/Messcomputer 22 und dergleichen zusammengesetzt.
Bei dem Digital-FLL bestimmt die Anzahl der Bits eine Auflösung und
einen dynamischen Bereich und somit wird ein Aufbau unter Berücksichtigung
eines Messobjektes oder eines Umgebungsrauschniveaus vorgenommen.
Somit existiert ein Problem, dass, um eine hohe Auflösung, eine hohe
Anstiegsrate und einen hohen dynamischen Bereich zu erreichen, unvermeidlich
teure Komponenten zu verwenden sind, die in der Lage sind, einen
Verarbeitungsbetrieb mit hoher Geschwindigkeit mit einer hohen Bit-Rate
auszuführen,
oder einen DSP zu verwenden.
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Die
Auflösung
des Systems wird bestimmt in Abhängigkeit
des Regelbereiches und der Anzahl der Regelbits. In dem Fall, wenn
die Anzahl der Bits konstant ist, ist es erforderlich, den Regelbereich
einzuengen, um eine Auflösung
zu verbessern. Um einen stabilen Betrieb bei einer derartigen Technik
zu haben, wird ±1Φ0 (Äquivalent
zu zwei Perioden) als ein Regelbereich in Bezug auf jeden Arbeitspunkt
definiert, wie es in 3(b) gezeigt
ist. Bei dem Digital-FLL kann, wie in 5(a) und 5(b) gezeigt ist, jedoch ±0,5Φ0 prinzipiell als ein Regelbereich definiert werden. ±0,5Φ0 ist gleich 1Φ0 in
der Größenordnung (entsprechend
einer Periode), wodurch es möglich ist,
einen vollständigen
Bereich abzudecken. Prinzipiell kann ein FLL-Betrieb durchgeführt werden.
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In
dem Fall, in dem der Regelbereich als ±5Φ0 definiert
ist, tritt jedoch eine Arbeitspunktverschiebung aufgrund eines externen
Rauschens auf, wie in 5(c) gezeigt
ist, oder aufgrund einer Änderung
eines Signals an einem Punkt S oder in dessen Nähe auf, an dem ein Arbeitspunkt
verschoben ist, wie in 5(b) gezeigt
ist. In diesem Fall existiert ein Problem, dass ein stabiler Betrieb
nicht herstellbar ist. In einem Schaltungsvorgang zu dem Zeitpunkt
einer Arbeitspunktänderung,
wie in Figur 5(b) gezeigt ist, existiert ein Erfordernis für ein häufiges Ändern von
einem großen
positiven Wert zu einem großen negativen
Wert, d. h. von einem Maximalwert zu einem Minimalwert. Deshalb
wird der Vorgang instabil. Insbesondere existiert ein Problem, dass
in einer Umgebung mit hohem Rauschen oder in dem Fall, in dem ein
Signal sich häufig
in der Nähe
eines Änderungspunktes
S ändert,
eine häufige
Arbeitspunktänderung
auftritt.
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In
der vorliegenden Erfindung sind zwei oder mehr Zähler vorgesehen, beispielsweise
ein Änderungsratenzähler und
ein Reproduktionszähler.
Dann handhabt ein Änderungsratenzähler innerhalb
des Digital-FLL lediglich eine Änderungsrate
der Messdaten und ein Reproduktionszähler eines Regelcomputers verarbeitet
eine aktuelle Frequenz der Messdaten, d. h. der periodischen Eigenschaft
eines Magnetfeldes.
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Zusätzlich ist
der Regelbereich als ±(0,5Φ0 + α)
durch Verwenden der periodischen Eigenschaft der SQUID-V-Φ-Kennlinie
definiert. Als Ergebnis wird eine hohe Auflösung erzielt und anschließend ist
ein Betrieb durch Bereitstellen von Hysterese-Kennlinien stabilisiert.
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Eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht eine Messvorrichtung für magnetischen
Fluss vor, die ein Magnetfeld in Übereinstimmung mit einem FLL-System unter Verwendung
eines SQUID zum Erzeugen einer Spannung misst, die periodisch mit
einer Periode eines magnetischen Flussquants Φ0 auf
der Basis eines Anstiegs eines Magnetfeldes schwankt, wobei die
Vorrichtung folgendes aufweist:
einen Verstärker, der eine periodische
Ausgangsspannung des SQUID verstärkt
und ein verstärktes Analogsignal
ausgibt;
einen AD-Wandler, der das verstärkte Analogsignal in ein Digitalsignal
umwandelt;
einen Integrator, der auf der Basis eines Ausgangs des
AD-Wandlers Integraldaten erzeugt, die einer Änderungskomponente des magnetischen
Flusses von einem vorbestimmten Arbeitspunkt für jede Periode entsprechen,
wobei Arbeitspunkte sequentiell auf nächste Arbeitspunkte verschoben
werden, wenn der magnetische Fluss Regelbereiche übersteigt,
die den Arbeitspunkten entsprechen, und der Integrator geregelt
rückgesetzt
wird;
einen Änderungsratenzähler, der
mit dem Integrator verbunden ist und die Anzahl der Rücksetzungen zählt;
eine
Datenmischeinheit, die die Integraldaten und die Daten der Anzahl
der Rücksetzungen
mischt; und
eine Datenentmischeinheit, die die gemischten Daten
empfängt,
die von der Datenmischeinheit über
einen vorbestimmten Übertragungskanal übertragen wurden,
und die gemischten Daten in die Integraldaten und die Daten der
Anzahl der Rücksetzungen entmischt;
einen
reproduzierenden Zähler,
der eine Frequenz, die einem zu messenden magnetischen Fluss entspricht,
basierend auf den entmischten Daten der Anzahl der Rücksetzungen
zählt;
und
eine datenreproduzierende Einheit, die einen Wert des magnetischen
Flusses auf der Basis der Daten für den Integrator und der gezählten Frequenz
misst.
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Zusätzlich sind
in dieser Messvorrichtung für magnetischen
Fluss zumindest der Integrator, der Änderungsratenzähler und
die Datenmischeinheit in einem Mikrocomputer ausgebildet und die
Datenentmischeinheit, der reproduzierende Zähler und die datenreproduzierende
Einheit in einem Regelcomputer ausgebildet. Ferner ist ein Rückkoppelstrom
in einem FLL-System in Antwort auf die Rücksetzung des Integrators rückgesetzt.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sieht eine Messvorrichtung für magnetischen
Fluss vor, die ein Magnetfeld in Übereinstimmung mit einem FLL-System unter Verwendung
eines SQUID zum Erzeugen einer Spannung misst, die periodisch auf
der Basis eines Anstiegs eines Magnetfeldes schwankt, wobei die
Vorrichtung folgendes aufweist:
einen Verstärker, der eine periodische
Ausgangsspannung des SQUID verstärkt
und ein verstärktes Analogsignal
ausgibt;
einen AD-Wandler, der das verstärkte Analogsignal in ein Digitalsignal
umwandelt, einen Integrator, der auf der Basis eines Ausgangs des
AD-Wandlers Integraldaten erzeugt, die einer Änderungskomponente des magnetischen
Flusses von einem vorbestimmten Arbeitspunkt für jede Periode entsprechen,
wobei die Arbeitspunkte sequentiell auf nächste Arbeitspunkte verschoben
werden, wenn der magnetische Fluss Regelbereiche übersteigt,
die den Arbeitspunkten entsprechen, und der Integrator geregelt
rückgesetzt wird;
einen Änderungsratenzähler, der
mit dem Integrator verbunden ist und die Anzahl der Rücksetzungen zählt;
einen
reproduzierenden Zähler,
der mit dem Änderungsratenzähler verbunden
ist und eine Frequenz, die einem zu messenden Magnetfeld entspricht,
basierend auf den Daten der Anzahl der Rücksetzungen zählt; und
eine
datenreproduzierende Einheit, die einen Wert des magnetischen Flusses
basierend auf den Daten für
den Integrator und der gezählten
Frequenz misst.
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Zusätzlich sind
in dieser Messvorrichtung für magnetischen
Fluss zumindest der Integrator und der Änderungsratenzähler in
einem Mikrocomputer ausgebildet und der reproduzierende Zähler und
die datenreproduzierende Einheit in einem Regelcomputer ausgebildet.
Ferner ist ein Rückkoppelstrom
in einem FLL-System in Antwort auf die Rücksetzung des Integrators rückgesetzt.
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Weiterhin
beträgt
ein für
einen vorbestimmten Arbeitspunkt relevanter Regelbereich für jede Periode ±(0,5Φ0 + α)(mit α kleiner
als 0,5), wobei α auf einen
Wert größer als
das Rauschen in einem zu messenden Magnetfeld gesetzt wird.
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Derzeit
wird in der Praxis kaum ein Digital-FLL-Magnetometer verwendet.
Das liegt hauptsächlich
daran, weil dieser Magnetometer teuer ist. Bei der vorliegenden
Erfindung kann durch die Verwendung von zwei oder mehr Zählern eine
hohe Güte
eines SQUID-Magnetometers unter Verwendung eines stabilen Mikrocomputers
mit wenig Bits erzielt werden. Zusätzlich kann eine hohe Auflösung durch
Einengung des Regelbereichs erzielt werden. In diesem Fall wird
ein Änderungspunkt
eines Arbeitspunktes als ±(0,5Φ0 + α)
definiert, wodurch Hysterese-Kennlinien bereitgestellt werden. Bei
einer Signalvariation nahe einer Arbeitspunktänderung tritt außerdem nur
eine Änderung
des Arbeitspunktes auf. Sogar in dem Fall, dass das Rauschniveau
hoch ist, kann ein stabiler Betrieb erfolgreich hergestellt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Schaltdiagramm eines dcSQUID-Magnetometers, das zur Verwendung
einer Digita-FLL-Technologie konfiguriert ist.
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2 zeigt
eine Beziehung zwischen einem äußeren magnetischen
Fluss und einer Ausgangsspannung im SQUID und sie zeigt den Inhalt
eines Integrationsprozesses an einem Arbeitspunkt.
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3 zeigt
einen Bewegungszustand eines Regelbereiches an jedem Arbeitspunkt
in einer Digital-FLL-Technik.
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4 zeigt
ein Schaltdiagramm eines SQUID-Magnetometers in einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
einen Verschiebungszustand eines Regelbereiches an jedem Arbeitspunkt
mit Hysterese-Kennlinien in der vorliegenden Erfindung.
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6 ist
ein Schaltdiagramm eines SQUID-Magnetometers in einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Beste Weise zur Ausführung der
Erfindung:
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezug auf spezifische Beispiele
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen gezeigt sind. Eine Ausführungsform in Bezug auf die
vorliegende Erfindung wird unten beschrieben. Es ist eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein allgemeines Prinzip zu verstehen. Deshalb
ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf eine Konfiguration eingeschränkt, die
spezifisch in der Ausführungsform
beschrieben ist.
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4 zeigt
ein dcSQUID-Magnetometer 30 in Übereinstimmung mit einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 gezeigt
ist, weist ein SQUID 31 einen Aufbau auf, in dem zwei Josephson-Kontakte
auf halbem Weg eines Rings 32 vorgesehen sind, der aus
einem supraleitenden Material hergestellt ist. In dem Fall, dass das
SQUID ein hochtemperatur-supraleitendes Material verwendet, ist
beispielsweise eine typische supraleitende Schleife mit einer Dicke
gleich oder geringer als 1 μm
ausgebildet, beispielsweise mit einer dünnen Schicht von 0,2 μm. Zusätzlich sind
zwei in einer supraleitenden Weise schwache Kontakte, von denen
jede beispielsweise eine Breite von 3 μm aufweist, d. h. Josephson-Kontakte 33 vor gesehen.
Im Allgemeinen ist das SQUID 31 durch einen Gleichstrom
Ib von einer Gleichstrom-Energieversorgung (nicht gezeigt) vorgespannt.
In einem derartigen SQUID 31 ändert sich eine Spannung (Ausgangsspannung
V) zwischen einer Eingangseinheit und einer Ausgangseinheit eines
Vorspannungsstromes aufgrund eines äußeren magnetischen Flusses ΦX, der den Ring 32 des SQUID durchdringt.
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Ein
Ausgang des SQUID 31 ist mit einem Verstärker 34 verbunden
und ein Ausgang des Verstärkers
ist mit einem AD-Wandler 35 verbunden. Eine Ausgangsspannung
V des SQUID 31, die auf dem äußeren magnetischen Fluss basiert,
wird durch den Verstärker 34 auf
eine geeignete Größe verstärkt, und
anschließend
wird durch den AD-Wandler 35, der mit dem Ausgang des Verstärkers 34 verbunden
ist, eine Umwandlung in digitale Daten durchgeführt.
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In
einer Ausführungsform
der 4 kann die Auflösung des AD-Wandlers 35,
d. h. die Anzahl der Arbeitsbits eine vergleichsweise geringe Zahl
aufweisen, beispielsweise kann sie etwa 10 Bits betragen. Dies ist
so, da eine Differenz zwischen dem äußeren magnetischen Fluss ΦX und einem Eliminierungsfluss von einer
Rückkoppelspule 40 auftritt.
Dies ist nämlich
so, da nur eine Änderungsrate
AD-gewandelt wird.
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Ein
Ausgang des AD-Wandlers 35 ist mit einem Digitalintegrator 36 verbunden
und der Digitalintegrator 36 ist mit einem Änderungsratenzähler 37, einem
DA-Wandler 38, der eine Rückkoppelschaltung konfiguriert,
und einer Datenmischeinheit 41 verbunden. Der AD-Wandler 35,
der Digitalintegrator 36, der Änderungsratenzähler 37 und
die Datenmischeinheit 41 können unter Verwendung eines
Mikrocomputers 42 ausgebildet werden, ohne auf dieses Verfahren
beschränkt
zu sein. Beispielsweise können
in einem Mikrocomputer 42 diese Elemente in 16 Bits verarbeitet
werden. Als ein weiteres Beispiel können zusätzlich der Digitalintegrator 36,
der Änderungsratenzähler 37 und
die Datenmischeinheit 41 in dem Mikrocomputer 42 ausgebildet
sein und der AD-Wandler 35 kann extern vorgesehen werden. Als
Mikrocomputer 42 kann ein so genannter Einchipmikrocomputer
verwendet werden.
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Der
Digitalintegrator 36 integriert eine Ausgangsspannung ΔV, die einer
magnetische Flussänderung ΔΦ in dem
Regelbereich eines Arbeitspunktes (a0, a1, a2, ...) ent spricht,
die beispielsweise in 3 gezeigt sind. Wie beispielsweise
in 2(b) gezeigt ist, integriert der
Digitalintegrator 36 eine Änderungskomponente ΔV einer Ausgangsspannung, die
einer magnetischen Flussänderungskomponente ΔΦ von einem
Arbeitspunkt „an" entspricht,
und führt anschließend stets
seinen Ausgang an die Rückkoppelspule 40 über den
DA-Wandler 38 und einen Spannungs/Strom-Wandler 39 zurück. Somit
wird ein mikroskopischer Messpunkt an dem Arbeitspunkt an nacheinander fixiert und eine Änderung ΔV einer Ausgangsspannung,
die auf einer Änderung ΔΦ eines magnetischen
Flusses zum Zeitpunkt jeder Messung basiert, wird immer konstant.
Deshalb werden durch Ausführen
der Integration unter Verwendung des Digitalintegrators 36 lineare
Ausgangsdaten erhalten, die für
eine Änderung
des magnetischen Flusses Φ in
jedem Regelbereich relevant sind. Wenn der Digitalintegrator 35 den
Regelbereich eines bestimmten Arbeitspunktes (beispielsweise a0 in 3(b)) übersteigt,
an dem eine Integration durchgeführt
wurde, wird ein Integralwert rückgesetzt
und der aktuelle Arbeitspunkt wird zu einem nächsten Arbeitspunkt verschoben
(beispielsweise a1 in 3(b)).
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Die
Stromrückkoppelmenge
an das SQUID 31 wird durch Integrieren einer Änderungskomponente
der Spannung ΔV
unter Verwendung des Digitalintegrators 36 wie vorstehend
beschrieben bestimmt. Ein Integralwert, der von dem Digitalintegrator 36 ausgegeben
wurde, wird durch den DA-Wandler 38 in einen analogen Wert
umgewandelt. Anschließend
wird der analog umgewandelte Integralwert an den Spannungs/Strom-Wandler 39 gesendet. Der
Spannungs-Strom-Wandler 39 ist als ein Wandler zum Erzeugen
eines vorbestimmten Rückkoppelstromes „If" vorgesehen, der
auf einer gemessenen Spannung (vorstehender Analogwert) basiert,
der durch eine Änderung
eines äußeren Magnetfeldes bewirkt
ist. Der vorbestimmte Rückkoppelstrom „If" wird zugeführt, um
ein Magnetfeld zu erzeugen, so dass die magnetischen Flussänderungen
der Arbeitspunkte jeweils eliminiert werden. Ein Wert des Rückkoppelstromwertes „If" wird durch den Mikrocomputer 42 bestimmt,
beispielsweise unter Berücksichtigung
der Form oder Anordnung und der Kopplungsrate des Ringes 32 oder
der Rückkoppelspule 40.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
bestimmt die Anzahl der Bits des Integrators 36 die Auflösung des
SQUID-Magnetometers 30. Unter Bezug auf den DA-Wandler 38 kann
ein Gesamtpreis davon durch Verwenden einer Vielzahl preiswerter DA- Wandler mit einer
geringen Anzahl an Bits (durch Verwenden von beispielsweise zwei
parallelen 8-Bit DA-Wandlern) reduziert werden.
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Der
Digitalintegrator 36 ist mit dem Änderungsratenzähler 37 und
dem DA-Wandler 38 verbunden. Der Digitalintegrator 36 sendet
einen Integralwert an den DA-Wandler 38 und an die Datenmischeinheit 41,
der einer magnetischen Flussänderung
in dem Regelbereich entspricht, wie in den 3(b) und 5(d) gezeigt ist und nachfolgend beschrieben
wird. In dem Fall, dass der Regelbereich überstiegen wurde, der für einen
Arbeitspunkt relevant ist, an dem ein magnetischer Fluss Φ aktiv ist, führt der
Mikrocomputer 42 eine Regelung aus, so dass der Regelbereich
eines Arbeitspunktes a0 zu dem nächsten Regelbereich
eines Arbeitspunktes a1 in Übereinstimmung
mit einer periodischen Eigenschaft der Φ-V-Kennlinie verschoben wird,
wie in 3(a) gezeigt ist. Durch ein
derartiges Verschieben kann der Rückkoppelstrom „If" gleich oder kleiner
als ein vorbestimmter Wert gehalten werden. Das Verschieben wird
in Übereinstimmung
mit einem Befehl von einer Steuereinheit (nicht gezeigt) in dem
Mikrocomputer 42 ausgeführt
und anschließend
zählt der Änderungsratenzähler 37 die
Anzahl der Verschiebungen.
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Ein
Betrieb einer Rückkoppelschaltung
von dem Digitalintegrator 36 zu der Rückkoppelspule 40 über den
DA-Wandler 38 wird bei einer hohen Geschwindigkeit ausgeführt. Im
Gegensatz dazu wird eine Datenübertragung
zu einem Regelcomputer 50, der später beschrieben wird, bei einer
niedrigen Geschwindigkeit von beispielsweise etwa 1 kHz ausgeführt, die
eine Abtastrate ist, die zur Messung eines magnetischen Flusses
erforderlich ist. Deshalb zählt der Änderungsratenzähler 37 die
Anzahl der Verschiebungen, die durch eine magnetische Flussänderung
verursacht sind, bis zur nächsten
Datenübertragung
und hält
seine Änderungsrate
fest.
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Auf
diese Weise dient der Änderungsratenzähler 37 zum
Zählen,
wie viele Verschiebungen auftraten, d. h. wie weit ein Arbeitspunkt
(a0, a1, a2, ... in 5(a))
verschoben wurde, während
Daten an den Regelcomputer 50 übertragen wurden, der folgt. Wenn
Daten an den Regelcomputer 50 übertragen werden, wird der Änderungsratenzähler 37 auf
Null rückgesetzt.
Die Datenmischeinheit 41 erzeugt ein Übertragungssignal durch Kombinieren
der Anzahl der vorstehenden Verschiebungen, die durch den Änderungsratenzähler 37 gemessen
wurden, und einem Integralwert des Integrators 36. Ein
Verarbeitungsvorgang von dem SQUID 31 zu dem Integrator 36 wird
mit einer hohen Geschwindigkeit unabhängig von einer Datenübertragung
durchgeführt,
die folgt, und eine Verarbeitungsgeschwindigkeit kann gesteigert
werden. Die Steuerung des AD-Wandlers 35, des Digitalintegrators 36,
des Änderungsratenzählers 37 und
der Datenmischeinheit 41 wird durch eine Steuereinheit
(nicht gezeigt) in dem Mikrocomputer 42 ausgeführt.
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Bei
einer Zeitsteuerung der Datenkommunikation des Übertragungskanals 51 wird
ein Übertragungssignal,
das von der Datenmischeinheit 41 mit Daten für den Integrator 36 und
mit Daten für
den Änderungsratenzähler 37 ausgegeben
wurde, an den Regelcomputer 50 übertragen. Als Regelcomputer 50 kann
ein Terminal verwendet werden, das mit einer allgemeinen Steuereinheit,
einer logischen Rechnereinheit, einer Informationsspeichereinheit,
einer Anzeigeeinheit, einer Tastatur, die als Eingabeeinheit (nicht
gezeigt) dient, und dergleichen ausgerüstet ist, beispielsweise ein
kommerziell erhältlicher
Personalcomputer und dergleichen. In einem allgemeinen Messsystem
ist die Datenübertragungsgeschwindigkeit
der bedeutendste Grund, der eine Systemverarbeitungsgeschwindigkeit
reduziert. Um dieses Problem zu lösen, werden in der vorliegenden
Erfindung zwei Zähler 37 und 43 verwendet,
um einen Änderungsraten-Datenverarbeitungsbetrieb
und einen Datenverarbeitungsbetrieb aufzuteilen, der relevant für einen
aktuellen magnetischen Fluss ist.
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In
dem Regelcomputer 50 werden Messdaten für einen aktuellen magnetischen
Fluss erzeugt, die auf Daten für
den Integrator 36 und Daten für den Änderungsratenzähler 37 gemäß der empfangenen Daten
basieren. Sogar in dem Fall, in dem ein zurzeit kommerziell erhältlicher,
allgemein zweckdienlicher Personalcomputer in Übereinstimmung mit einem derartigen
Verfahren verwendet wird, kann ein sehr großer dynamischer Bereich erzielt
werden.
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Die
Datenmischeinheit 41 bildet ein Übertragungssignal durch Kombinieren
einer Änderungsrate eines
Arbeitspunktes von dem Änderungsratenzähler 37 und
einem Integralwert von dem Integrator 36 und gibt anschließend das Übertragungssignal
an einen Datenkommunikationskanal 51 aus.
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Eine
Datenentmischeinheit 52 entmischt die übertragenen Daten in die Daten
für den Änderungsratenzähler 37 und
die Daten von dem Integrator 36; sendet die Daten für den Änderungsratenzähler 37 zu
einem reproduzierenden Zähler 53;
und sendet die Daten für
den Integrator 36 zu einem Integratordatenteil 54.
Obwohl 32 Bits als eine Variable verwendet werden, kann
eine Vielzahl von 32-Bit-Variablen in einem Programm verwendet werden
(100 oder mehr Variable können
einfach verwendet werden) und somit sind diese Variablen in der
Praxis gleich unendlich. Zusätzlich
können
bei 64 Bits, die zwei 32-Bit-Variablen in der Praxis verwenden,
der Bereich von 1000T (Wb/m2) gemessen werden
(ein Variablenkoeffizient des SQUID ist äquivalent zu InT pro 1Φ0).
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Eine
Speichereinheit 55 ist in dem reproduzierenden Zähler 53 vorgesehen
und alle Daten für den Änderungsratenzähler 37 von
dem Beginn der Messung an und die nachfolgenden sind darin gespeichert.
Anschließend
summiert der reproduzierende Zähler 53 die
Daten für
den Änderungsratenzähler 37,
die von dem Mikrocomputer 42 gesendet wurden. Diese Wandlungswertdaten
entsprechen der Anzahl der Zeitpunkte, an dem ein Arbeitspunkt passiert
wurde und somit entsprechen sie einem so genannten signifikanten
Bit der Daten für
den aktuellen magnetischen Fluss Φ, der erhalten wurde, nachdem die
Messung begann.
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Der
Integratordatenanteil 54 speichert einen entmischten Integralwert
des Integrators 36, d.h. Integralwertdaten, die einem Wert
eines magnetischen Flusses von einem letzten Arbeitspunkt an entsprechen. Dieser Wert entspricht dem
letzten signifikanten Bit zum Ausdrücken der Daten für den aktuellen magnetischen
Fluss. Die vorstehenden zwei Elemente der Daten sind miteinander
in einem Datenmischer 56 vermischt und ein aktueller magnetischer
Flusswert wird in einer datenreproduzierenden Einheit 57 berechnet.
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Speziell
ist beispielsweise der Integrator 36 mit 16 oder mehr Bits
ausgebildet, der Änderungsratenzähler 37 mit
8 Bits ausgebildet und der reproduzierende Zähler mit 32 Bits oder mit 64
Bits ausgebildet.
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Dieses
Verfahren ist dadurch ausgezeichnet, dass ein Stromrückkoppelvorgang
für einen
FLL-Betrieb unabhängig
von einer Datenübertragung über den Übertragungs kanal 51 ausgeführt wird.
Der Änderungsratenzähler 37 ist
unabhängig
von dem reproduzierenden Zähler 53 vorgesehen,
wodurch es möglich
ist, ein Herabsetzen der Verarbeitungsgeschwindigkeit des FLL-Rückkoppelprozesses,
das durch niedrige Datenübertragungsgeschwindigkeiten verursacht
wird, verglichen mit einem FLL-Betrieb
zu vermeiden, und es wird eine hohe Rückkoppelgeschwindigkeit erhalten.
Durch Verwenden des reproduzierenden Zählers 53 des Regelcomputers 50 kann
eine viel größere Anzahl
Bits verglichen mit der Verwendung nur eines Zählers in einer digitalen FLL verwendet
werden und ein dynamischer Bereich kann wesentlich erweitert werden.
Deshalb kann ein Datenverarbeitungsbetrieb mit einer hohen Geschwindigkeit
und eine Verbesserung des dynamischen Bereichs erzielt werden.
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Zusätzlich kann
in einem System der vorliegenden Erfindung ein AD-Wandler und ein
Zähler
unter Verwendung eines preiswerten Mikrocomputers konfiguriert werden
und ein Regelcomputer wird als ein zweiter Zähler verwendet, so dass es
möglich
ist, ein gesamtes System preiswert ohne höhere Kosten bereitzustellen.
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Im
Folgenden wird eine Beschreibung in Bezug auf eine Verbesserung
der Auflösung
in diesem Messsystem gegeben. Die Auflösung des Systems ist in Abhängigkeit
des Regelbereiches und der Anzahl der Bits zur Regelung bestimmt.
Es ist notwendig, den Regelbereich einzuengen, um die Auflösung in
dem Fall zu verbessern, in dem die Anzahl der Bits konstant ist.
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Um
einen stabilen Betrieb auszuführen,
ist üblicherweise ±1Φ0 (entsprechend zwei Perioden) als ein Regelbereich
in Bezug zu jedem Arbeitspunkt definiert, wie in 3(b) gezeigt
ist. In dem Digital-FLL, wie in den 5(a) und 5(b) gezeigt ist, kann der gesamte Messbereich
jedoch prinzipiell durch Definieren von ±0,5Φ0 als
Regelbereich abgedeckt werden. Das bedeutet, ±0,5Φ0 ist
gleich zu 1Φ0 in der Größe (entsprechend einer Periode),
und somit kann der vollständige
Bereich abgedeckt und prinzipiell der FLL-Betrieb durchgeführt werden.
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Es
existiert allerdings ein Problem, dass in dem Fall, in dem ±0,5Φ0 als der Regelbereich definiert ist, eine
Arbeitspunktverschiebung aufgrund eines externen Rauschens, wie
in der 5(c) gezeigt ist, oder einer Änderung
eines Signals an einem Punkt S oder in dessen Nähe auftreten kann, an dem ein
Arbeitspunkt, wie in Figur 5(b) gezeigt ist, zu dem nächsten Punkt
verschoben ist, wodurch ein stabiler Betrieb behindert wird. Unter
Bezug auf einen Schaltungsbetrieb zu dem Zeitpunkt einer Arbeitspunktänderung
ist es erforderlich, einen großen
positiven Wert in einem großen
negativen Wert zu ändern,
d. h. einen Maximalwert zu einem Minimalwert, wie in 5(b) gezeigt ist. Wenn diese Änderung
häufig auftritt,
wird ein Betrieb instabil. In einer rauschenden Umgebung oder in
dem Fall, in dem ein Signal sich häufig in der Nähe eines Änderungspunktes
eines Arbeitspunktes ändert,
tritt eine häufige Änderung
eines Arbeitspunktes auf.
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Um
eine derartige Situation zu vermeiden, wird, wie in 5(d) gezeigt
ist, ein Bearbeitungsbereich als ±0,6Φ0 durch
Vorsehen eines Spielraumes α von
weniger als 0,5Φ0, beispielsweise 0,1Φ, bis ±0,5Φ0 definiert
und Hysterese-Kennlinien zum Stabilisieren eines Betriebs können vorgesehen
sein. Es wurde herausgefunden, dass eine häufige Arbeitspunktverschiebung
durch Addieren eines derartigen Spielraumes α verhindert werden kann. Obwohl
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Auflösung zu
erhöhen,
kann ein stabiler Betrieb auch in dem Fall erhalten werden, indem
der Regelbereich auf ±(0,5Φ0 + α)
durch eine Verwendung derartiger Hysterese-Kennlinien eingeengt
ist.
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In
diesem Fall integriert der Integrator 36 die von dem AD-Wandler 35 Abgewandelten
Daten. Nur in dem Fall, wenn ±(0,5Φ0 + α) überstiegen
wird, wird anschließend
die Information an den Änderungsratenzähler 37 gesendet
und der Integralwert rückgesetzt.
Ein integrierter Wert (Daten) wird stets an den DA-Wandler 38 gesendet.
Die Rückkoppelspule 40 erzeugt
ein Rückkoppelmagnetfeld,
das auf diesem Wert basiert und fixiert das Magnetfeld in dem SQUID 31 an
einem Arbeitspunkt. In dem Fall, wenn ±(0,5Φ0 + α) überstiegen
wird, wird der Integrator 36 rückgesetzt und anschließend wird
nach der Rücksetzung
ein Wert an den DA-Wandler 38 gesendet.
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Auf
diese Weise wird in dem Fall des Verwendens der periodischen Eigenschaften
der V-Φ-Kennlinien
des SQUID 31 eine hohe Auflösung erzielt und ein Betrieb
kann verglichen mit vergangenen Regelbereichen (±1Φ0)
stabilisiert werden, in Übereinstimmung
mit einem Verfahren zum Addieren des Spielraumes α zu einer
Periode des Regelbereiches, um den Bereich ±(0,5Φ0 + α) zu bilden,
wodurch Hysterese- Kennlinien
bereitgestellt werden. Der Regelbereich wird in Übereinstimmung mit einem Programm
des Mikrocomputers 42 spezifiziert.
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Ein
dcSQUID-Magnetometer 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug auf die 6 beschrieben. Ein
SQUID 31, ein Ring 32, ein Josephson-Kontakt 33,
ein Verstärker 34,
ein AD-Wandler 35, ein Digitalintegrator 36, ein
DA-Wandler 38, ein Spannungs/Strom-Wandler 39,
eine Rückkoppelspule 40 und
eine Datenmischeinheit 56 und eine datenreproduzierende
Einheit 57, die eine FLL-Einheit bilden, werden durch gleiche
Bezugszeichen bezeichnet, da diese Elemente identisch mit denen
in dem Fall der ersten Ausführungsform
sind.
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Obwohl
der Inhalt eines Integrationsvorgangs des Integrators 36 in
einem Mikrocomputer 62 identisch zu dem in dem Fall der
ersten Ausführungsform
ist, wird dessen Ausgabe direkt zum Zeitpunkt einer Abtastung an
einen Integratordatenanteil 65 in einem Regelcomputer 64 über einen Übertragungskanal 63 eingegeben.
Obwohl der Verarbeitungsinhalt eines Änderungsratenzählers 66 ebenfalls
identisch zu dem in dem Fall der ersten Ausführungsform ist, wird dessen
Ausgabe an eine Aufnahmeeinheit 69 eines reproduzierenden
Zählers 68 in
dem Regelcomputer 64 zu einem Zeitpunkt des Abtastens über einen Übertragungskanal 67 eingegeben.
Der reproduzierende Zähler 68 reproduziert
Daten in Übereinstimmung
mit der Anzahl der Perioden in einem zu messenden magnetischen Fluss.
Die beiden vorstehenden Elemente der Daten werden in der Datenmischeinheit 56 zu
diesem Zeitpunkt gemischt und anschließend wird ein aktueller magnetischer
Flusswert in der datenreproduzierenden Einheit 57 berechnet.
Als ein Regelcomputer 64 kann ein Terminal ähnlich zu
dem Regelcomputer gemäß der ersten Ausführungsform
verwendet werden, beispielsweise ein kommerziell erhältlicher
Personalcomputer oder dergleichen.
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Auch
wenn ein Arbeitspunkt an einer Position zum Bestimmen, wie viel äußeres Magnetfeld
zu messen ist, um den Arbeitspunkt zu verschieben, verändert wird,
kann ein korrektes Messen des Magnetfeldes durch Zählen der
Anzahl der Änderungen an
dem Arbeitspunkt erhalten werden. Zusätzlich kann ein dynamischer
Bereich ohne Verringern der Messauflösung erweitert werden. In Übereinstimmung
mit einem der artigen Verfahren kann ein dynamischer Bereich ohne
Steigern eines dynamischen Stromwertes beachtlich erweitert werden.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Ein
Digital-FLL gemäß der vorliegenden
Erfindung arbeitet stabil auch in einer Umgebung, die keinen Raum
mit Magnetschild aufweist, oder in einem ferromagnetischen Raum,
beispielsweise ein MRI (Magnetic Resonace Imaging). Somit ist die
Einschränkung
auf Seiten einer Installation eines SQUID-Magnetometers eliminiert
und die Anwendbarkeit eines Hochauflösungsmagnetometers ist deutlich
erweitert. Zusätzlich
kann dieses Digital-FLL auch bei einer MRI-Technik unter Verwendung
des SQUID-Magnetometers angewendet werden.
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Obwohl
die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mittels erläuternder Beispiele beschrieben
wurde, ist es klar, dass verschiedene Modifikationen ohne Verlassen
des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung auftreten können.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt.
Bei der Verkörperung
kann die vorliegende Erfindung ohne Verlassen des Erfindungsgedankens verschieden
modifiziert werden.
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Zusammenfassung
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In
einem SQUID-Magnetometer werden eine hohe Auflösung, eine hohe Anstiegsrate
und ein hoher dynamischer Bereich ohne Verwendung teurer Schaltungskomponenten
erzielt, das eine große
Anzahl Verarbeitungsbits aufweist und einen Verarbeitungsbetrieb
mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht.
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Eine
Digital-FLL-Schaltung ist vorgesehen, die ein Doppelzählersystem
verwendet. Die Schaltung verwendet zwei oder mehr Zähler, beispielsweise
einen Änderungsbereichszähler (37)
in einem Digital-FLL zum Ausführen
eines Verarbeitungsvorganges mit einer hohen Geschwindigkeit und
einem reproduzierenden Zähler
(53) in einem Regel/Messcomputer. Zusätzlich werden in der vorliegenden
Erfindung Hysterese-Kennlinien
mit einem positiven Spielraum von 1Φ0 verwendet.
Das heißt,
eine Änderung
eines Zustandes eines magnetischen Flusses wird durch einen Zähler gezählt. Zum
Zeitpunkt dieser Änderung
wird eine Regelung vorgenommen, um einen unterschiedlichen Kanal
zwischen den Fällen zu
verfolgen, in denen ein magnetischer Fluss ansteigt und abfällt, wodurch
die Regelung stabilisiert wird.