Hey Leute, ich bin ziemlich neu im Bereich Elektronik und Digitaltechnik, arbeite aber gerade an meiner Masterarbeit in Physik. Das Thema meiner Arbeit ist die aktive Magnetfeldstabilisierung Um mein Anliegen besser verstehen zu können, hier ein kurzer Überblick über mein Thema: Um eine Vakuumkammer befinden sich 3 Spulenpaare, die von einem Digital ansteuerbaren Stromtreiber versorgt werden und die bis etwa 15 Gauss Felder erzeugen sollen. Ziel ist es in der Kammer selber ein möglichst stabiles statisches Magnetfeld zu erzeugen. Die Sensoren können aus technischen Gründen nicht innerhalb der Kammer anbracht werden. Gemessen wird mit dem HMC 1001 von Honeywell, da dieser eine gute Auflösung (tendenziell bis 27 uGauss) und eine Offset Funktion hat. So nun zu meiner Idee, wie das Regelungsprogramm funktionieren soll: Ich möchte den 'Nullpunkt' vom Sensor auf die gewünschte größe vom Feld setzten. Damit messe ich nur Abweichungen vom Nullpunkt für alle drei Achsen des Feldes. Diese Information wird ausgelesen von einem 3 Channel ADC (welcher genau, bzw. welche Bandbreite sinnvoll ist und wieviel Bit bin ich mir noch nicht sicher), wodurch ich 3 x 3 Channel ADC's auslesen werde (für jede Achse einen) Aus den gemessenen Werten wird dann die benötigte Änderung des Stroms der Spulen berechnet und zum einen an den Stromtreiber weiter gegeben und zum anderen an einen Einplatienencomputer, oder vielleicht direkt an den Windoof Rechner zum Monitoring. Solche Messsequenzen sind immer etwa 12 ms lang, dazwischen gibt es eine 12 ms Pause, deren zweck hier wenig wichtig ist. Von allem was ich bisher gelesen habe, denke ich das ein Microcontroller dafür am sinnvollsten ist, da Timing eine ziemlich wichtige Sache ist und ich nicht möchte, das Linux im Hintergrund grade auf die Idee kommt irgendwas von A nach B kopieren zu müssen oder ähnliches. Die schiere Menge an tendeziellen Controller überfordert mich allerdings etwas und ich hatte gehofft, das vielleicht hier jemand eine Idee hat welcher sinnvoll ist :) Im Raum stand auch schonmal z.B. das BeagleBoard oder der Red Pitaya. Grüße und danke schonmal für Antworten :) Chrisi
Weshalb einen Regler verwenden, wenn es keinen Regler braucht. ein Feld, zB einer Helmholtz Anordnung, kann sehr genau berechnet werden. Das Feld ist stabil, wenn der Strom stabil ist. Also brauchst du nur eine Stromquelle. Fertig. Oder was ist das Problem, was soll das Ganze ? Zeig die Aufgabenstellung, ohne eine Loesung vorwegzunehmen.
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Weil ich nicht nur stabiliseren sondern auch kompensieren möchte. In der Umgebung von der Kammer ist z.B. ein Zeeman Slower dessen Magnetfeld kompensiert werden muss und was gerade so oberhalb oder unterhalb von unserem Labor läuft weiß auch niemand. Hier geht es halt nicht nur um ein einfaches Magnetfeld für ein paar Experimente zu machen, sondern um ein stabiles Feld, mit dem man präzisions Physik betreiben kann.
Wie hacky schon sagt - ohne Störgrösse ist eine Regelung sinnlos. Gibts es also Störgrössen und lösen deine Sensoren sie auf? Wenn sie das nicht tun, kannst du Regelungen bauen bis Pflaumenpfingsten, ohne was geregelt zu bekommen. Die Überlegung, was für einen MC benutzt wird, kannst du getrost verschieben. Erst, wenn du weisst, in welcher Grösse die Sensoren reagieren, ist eine Überlegung hinsichtlich ADC usw. sinnvoll.
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Mit einem Prototypen von den Sensoren mit Verstärker habe ich schon gesehn, das wir nicht nur DC Felder in der Umgebung haben sondern auch AC Felder. Jedes Feld was dort ist, überlagert sich mit unserm durch die Spulen erzeugtem, wodurch im inneren der Kammer irgendein Feld ist, aber nicht das was wir dort wollen (wie gesagt, prazisions Physik soll da betrieben werden). Im Inneren soll ein so stabil wie nur irgendwie mögliches DC Feld sein. Natürlich könnten wir einfach eine große uMetall Kammer drum herum bauen und das so abschotten, allerding müssten dort viel zu viel Löchter für einige Laserstrahlengäge gebohrt werden, wodurch trotzdem Störfelder im Inneren wären. Achja und ja, die Sensoren können die Störfelder auflösen ;)
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> Achja und ja, die Sensoren können die Störfelder auflösen ;)
Aha. So, so tun die das ... in 3D. Toll. Bei uns tun die das nicht. Wir
verwenden das Sample gleich als Sensor. Du moechtest das, was die NMR
Leute als "shimen" bezeichnen. Dabei kann man mit Gradientenspulen
Korrekturfelder anlegen, bis die passende Homogenitaet erreicht ist.
Wegen externer Felder ... geht in eine Waldhuette. Dort arbeiten die,
die bei uns extrem kleine Stoerfelder haben duerfen ... und koennen die
S-Bahn in km Entfernung noch messen.
Jetzt ist G. schrieb: > Du moechtest das, was die NMR > Leute als "shimen" bezeichnen. Er möchte zusätzlich zum "active shimming" (ausgleich von Feldinhomogenitäten) auch noch "active shilding" (ausgleich von externen Störungen). Es währe extrem hilfreich wenn du verraten könntest und welche art von Präzisionsphysik es sich bei deinen geheimen Experimenten handelt es scheint aber in die Richtung Optische Uhren/Atomspektroskopie. Möglicherweise ist es tatsächlich einfacher die Rückwirkung auf das Sample zu minimieren wie das in der NMR gemacht wird. Wie viel der Sensoren willst du verwenden um das Feld am Ort des Experiments zurück zu rechnen?
Es ist im Bereich der Quantenoptik, bei dem Experiemt geht es um die Vermessung von Übergängen an verschiedenen kalten Atomen, dafür wollen wir z.B. auch gezielt in die Zeeman Niveas aufspalten. Für die Vermessung der natürlchen Linienbreite dagegen soweit es geht den Fehler durch die Zeeman Aufspaltung minimieren. Für die ersten Tests ist erstmal ein Sensor pro Achse angedacht. Wie viele insgesamt dran können hängt am Ende auch von den Ausmaßen der Platine ab, mindestens 2 wäre auch schonmal besser.
Chrisi M. schrieb: > wie das Regelungsprogramm funktionieren soll Ich würde so eine simple Regelungsaufgaben mit analogen PID Regler lösen, also 3 entsprechend stromstarken OpAmos und analogem Sensor. Früher gab es das um Magnetfelder beispielsweise von Bahnstromleitungen von Computermonitoren fern zu halten. Aber ich rechne mit Problemen, wenn der (3-Achsen)Sensor nicht dort sitzt wo das Feld auch 0 sein soll. Gibt es auch fertig https://www.bilz.ag/en/products/magnetic-field-cancellation/
Das Problem mit solchen Kompensationsgeschichten ist die Schwingneigung. Sieht man zB bei den Noisecancellern in Kopfhoererform. Ja, niederfrequent geht der Noise weg, kommt dafuer hochfrequent wieder rein. Erst mal sollte ein Frequenzband, auf welchem die Stoerungen reinkommen ermittelt werden. Ich wuerd mal annehmen unterhalb Netz. zB Temperaturschwankungen der Elektronik, der Lift bewegt sich, usw. Die Kompensationsspule sollten natuerlich moeglichst nahe am Sample sein. Das erhoeht das Feld, und erniedrigt die Induktivitaet der Spule. Also auch ultrakalt. Allenfalls wuerde sich ein Frequenzlock auf das Sample anbieten. Oder 2 Sensoren auf jeder Achse weg vom Sample. Dann deren Werte mitteln.
Chrisi M. schrieb: > Weil ich nicht nur stabiliseren sondern auch kompensieren möchte. In der > Umgebung von der Kammer ist z.B. ein Zeeman Slower dessen Magnetfeld > kompensiert werden muss und was gerade so oberhalb oder unterhalb von > unserem Labor läuft weiß auch niemand. > Hier geht es halt nicht nur um ein einfaches Magnetfeld für ein paar > Experimente zu machen, sondern um ein stabiles Feld, mit dem man > präzisions Physik betreiben kann. Wenn es nur ums kompensieren externer Störgrössen geht und du das Feld durch eine reine Steuerung stabil bekommst, dann wäre schirmen vielleicht eine Option. Es gibt fertige Messkammern aus der EMV-Messtechnik welche E und H-Feld breitbandig abschirmen. Wenn es um solch präzise Messungen geht hättest du so immer garantiert gleiche Messbedingungen. Ansonsten wird deine Regelung jedes Mal aufs Neue gefordert wenn ihr euer Labor umstellt. Wie gross ist denn der ganze Aufbau? Grössenordnung von mm, cm oder m?
Louis R. schrieb: > Wenn es nur ums kompensieren externer Störgrössen geht und du das Feld > durch eine reine Steuerung stabil bekommst, dann wäre schirmen > vielleicht eine Option. Bei schirmen ist halt die Sache, das dort zu viele Löcher für die Laser und die Kamera rein müssten. Louis R. schrieb: > Wie gross ist denn der ganze Aufbau? Grössenordnung von mm, cm oder m? Etwa 40 x 40 x 40 cm, kleiner oder größer geht wegen der Vakuumkammer und den Spiegeln drum herum nicht. Jetzt ist G. schrieb: > Ja, > niederfrequent geht der Noise weg, kommt dafuer hochfrequent wieder > rein. Hmm das ist ein guter Ansatz.. ich glaube dann schaue ich mir auch noch genauer an, was die beim Noiscanceling machen... Bisher gehen meine Betreuer auch davon aus, das uns Frequenzen über 3 MHz wenig bei den nächsten geplanten Experimenten jucken.
Chrisi M. schrieb: > Bei schirmen ist halt die Sache, das dort zu viele Löcher für die Laser > und die Kamera rein müssten. Das würd ich deswegen aber noch nicht ausschliessen. Dafür gibt es spezielle Arten der Kabelführung in die Kammer. Eine batteriebetriebene IP Kamera über Glasfaser braucht eine Öffnung von wenigen mm im Durchmesser. Bei den Lasern weis ich aber nicht was notwendig ist. Gewisse Öffnungen sind durch Winkel-Anbauten an der Kammer aber auch wieder möglich.
Chrisi M. schrieb: > Etwa 40 x 40 x 40 cm, kleiner oder größer geht wegen der Vakuumkammer > und den Spiegeln drum herum nicht. Also bei dieser Größe würde ich erst mal über Schirmmöglichkeiten nachdenken. Wenn du jetzt schon die Störungen detektieren kannst, dann baue doch einfach mal einen "Blechkasten" drum und schau, was das bringt. Ich meine, dass die Schrankhersteller (z.B. Rittal) sogenannte Hf-dichte Schränke und Gehäuse im Programm haben. Denn, alles was du wegschirmen kannst, dass mußt du nicht wegregeln! Gruß Rainer
Chrisi M. schrieb: > Bisher gehen meine Betreuer auch davon aus, das uns Frequenzen über 3 > MHz wenig bei den nächsten geplanten Experimenten jucken. Mit einem Messzyklus im millisekunden-Bereich kannst Du bestenfalls 50Hz-Störungen halbwegs kompensieren. Dazu kommt die Bandbreitenbegrenzung die sich aus der Induktivität der Magnetspulen ergibt. Höherfrequente Komponenten eliminiert man am ehesten durch Abschirmung.
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Wenn Du hauptsächlich Störungen der Netzfrequenz (bzw. die Grundwelle von gleichgerichteten Störungen davon) eliminieren willst (also bis 100Hz), dann solltest Du eine Regelung inkl. Stromsteuerung mit einer Grenzfrequenz von 1kHz oder höher ansetzen. Wenn Du via µC regeln willst, bedeutet das min. 10kHz Sampling-Rate für eine schöne Regelung. Sofern Du direkt den Strom regelst, mußt Du auf die beschränkte Anstiegsgeschwindigkeit achten, also dB/dt ~ dI/dt < Usup/L. Für Deine Sensoren solltest Du einen Puffer-OA (nur den Puffer)! für die beiden Ausgänge je Sensor vorsehen und diese Werte direkt digitalisieren - Differenzbildung und Regelung im Mikrocontroller (nicht PC, da sind die Latenzen von USB-Geräten usw. schon mal >10ms) Ich bin ja eher beim MSP430 beheimatet, da kann man mit der MSP430F5-Serie mit dem 12-bit-ADC eine Gesamt-Samplingrate >200ksps erreichen, d.h. bei Dir 2x3 Kanäle, also bis zu 33ksps je Sensor-Ausgang - reicht völlig. Digital realisierte Regelung als PI-Regler - bei der geringen Geschwindigkeit läßt sich schön in C schreiben.
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