DE102006001671A1 - Vorrichtung mit einem bewegten und einem stationären System - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem ersten System (4), insbesondere einem Ständer, und einem gegenüber dem ersten System (4) zur Bewegung vorgesehenen zweiten System (6), insbesondere einem Läufer, einem ersten, dem ersten System (4) zugeordneten und einem zweiten, dem zweiten System (6) zugeordneten elektrischen Referenzpotenzialgeber (32, 36) und einem Koppelmittel (60) zur Potenzialkopplung der beiden Referenzpotenzialgeber (32, 36). DOLLAR A Das Koppelmittel (60) dient zur Potenzialkopplung eines Massesystems des bewegten Systems (6) an ein Massesystem des stationären Systems zur Gewährleistung einer zuverlässigen Datenübertragung zwischen den Systemen. Um ein möglichst langlebiges und wartungsfreies Koppelmittel zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass das Koppelmittel (60) ein Feldkoppelglied zur mechanischen kontaktfreien Potenzialkopplung aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem ersten System, insbesondere einem Ständer, und einem gegenüber dem ersten System zur Bewegung vorgesehenen zweiten System, insbesondere einem Läufer, einem ersten, dem ersten System zugeordneten und einem zweiten, dem zweiten System zugeordneten elektrischen Referenzpotentialgeber und einem Koppelmittel zur Potentialkopplung der beiden Referenzpotentialgeber.
• Bei größeren Geräten mit einem ruhenden und einem bewegten System, wie beispielsweise einem medizinischen Großgerät, wie einem Computertomograph, oder bei einem Großgenerator, kann eine Datenübertragung vom ruhenden in das bewegte System und zurück notwendig sein. Um eine solche Datenübertragung, beispielsweise über eine galvanische oder kapazitive Kopplung, zu ermöglichen, ist es notwendig, dass beide Systeme jeweils eine Bezugsmasse mit möglichst gleichem Potential aufweisen. Auch bei einer differentiellen Datenübertragung ist eine solche Potentialgleichheit vorteilhaft, da auf Grund des maximal zulässigen Gleichtaktpegels und einer von der Frequenz abhängigen Gleichtaktunterdrückung Potentialdifferenzen, die eine Datenübertragung noch erlauben, Grenzen gesetzt sind. Potentialdifferenzen in den Systemen können durch einen Stromfluss in der Impedanz der Verbindung der beiden Bezugssysteme hervorgerufen werden. Dieser Stromfluss kann z.B. durch eine Leistungsversorgung, die das bewegliche System mit Energie versorgt, über parasitäre Kapazitäten hervorgerufen werden.
• Zur Kopplung der beiden Bezugsmassen ist es bekannt, Schleifringe einzusetzen, oder elektrisch leitende Lager oder Pfetten zu verwenden. Bei nur begrenzten Bewegungswegen des bewegten Systems werden z.B. bewegliche Leiter eingesetzt. Schleifringverbindungen sind jedoch einem Verschleiß an den Kohlen und der Laufbahn unterworfen und führen zu Verschmutzungen der Umgebung. Kugellager können zu eine ungenügenden Kopplung führen. Bewegliche Leiter sind bei Dauerbelastung anfällig gegen Brechen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit einem stationären System und einem diesem gegenüber beweglichen System anzugeben, das eine dauerhafte und zuverlässige Potentialkopplung von Referenzpotentialgebern ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der das Koppelmittel erfindungsgemäß ein Feldkoppelglied zur mechanisch kontaktfreien Potentialkopplung aufweist. Es ist eine verschleißfreie und wartungsfreie Kopplung der Referenzpotentiale realisierbar, die insbesondere in Verbindung mit einer berührungslosen Energieversorgung des bewegten Systems und einer Datenübertragung vorteilhaft ist. Der Referenzpotentialgeber des ruhenden Systems bzw. des Ständers ist zweckmäßigerweise geerdet oder ist selbst eine elektrische Erdung. Der Referenzpotentialgeber des beweglichen Systems bzw. des Läufers ist zweckmäßigerweise einer Erdung entsprechend, jedoch ohne direkten Kontakt zur elektrischen Erde, wobei dessen Potential nicht gleich dem Erdpotential sein muss. Das Koppelmittel ist vorteilhafterweise mit dem Referenzpotentialgeber des Läufers elektrisch leitend verbunden.
• Unter einem Feldkoppelglied kann ein Mittel verstanden werden, das eine Kopplung einer elektrischen oder magnetischen Größe, insbesondere eines Potentials, überein Feld ermöglicht, beispielsweise über ein elektrisches oder magnetisches Feld. Durch die Potentialkopplung werden die beiden Referenzpotentiale in einer beliebigen Weise miteinander gekoppelt, beispielsweise kann ein Potential Einfluss auf das andere Potential haben, insbesondere werden die Potentiale in eine Abhängigkeit voneinander gebracht. Die Erfindung eignet sich besonders zur Verwendung mit einem Computertomograph, bei dem üblicherweise hohe Datenmengen vom Läufer zum Ständer und umgekehrt übertragen werden. Die Erfindung ist jedoch auch gut geeignet für alle Rotationsmaschinen und für Geräte, bei denen der Läufer rotierend oder translatorisch relativ zum Ständer bewegt wird.
• Das zur Kopplung verwendete Feld kann ein Magnetfeld sein unter Verwendung eines induktiven Kopplungsglieds. Der Aufbau eines insbesondere hochfrequenten Magnetfelds als Kopplungsfeld erfordert jedoch eine gewisse Energie und ist daher mit einer relativ hohen Impedanz verbunden. Eine mit einer niedrigen Impedanz verbundene Kopplung kann durch die Verwendung eines elektrischen Felds erreicht werden. Hierfür ist das Feldkoppelglied vorteilhafterweise ein kapazitives Element, insbesondere ein Kondensator. Durch eine niedrige Impedanz kann die Potentialkopplung besonders schnell gesteuert werden und eignet sich somit besonders für hohe Frequenzen, insbesondere von Frequenzen im Bereich der Datenübertragungsfrequenzen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Kondensator und den Aufbau eines elektrischen Koppelfelds im Kondensator wird das Referenzpotential des bewegten Systems beeinflusst.
• In einer besonders einfachen und effektiven Anordnung ist das Koppelmittel zumindest teilweise an einer Außenwandung des Läufers angeordnet, insbesondere außen an der Außenwandung. Es kann besonders einfach ein großflächiges kapazitives Element erreicht werden, insbesondere, wenn das Element zwei am Läufer und am Stator gegenüberliegende Metallflächen aufweist.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Messmittel zur Messung einer einen Potentialunterschied zwischen den Referenzpotentialgebern kennzeichnenden Messgröße. Ein unerwünschter Potentialunterschied zwischen den Referenzpotentialgebern kann erkannt und es kann diesem entgegengewirkt werden. Die Messgröße kann den Potentialunterschied zwischen den Referenzpotentialgebern direkt, beispielsweise direkt proportional, oder indirekt kennzeichnen, beispielsweise mittels weiterer Größen.
• Eine zuverlässige und störunanfällige Erfassung der Potentialdifferenz kann erreicht werden, wenn das Messmittel zur Erfassung einer Potentialdifferenz zum ersten Referenzpotentialgeber als Messgröße vorgesehen ist. Der erste Referenzpotentialgeber ist hierbei zweckmäßigerweise direkt geerdet bzw. an eine feste Masse angeschlossen. Die Potentialdifferenz kann direkt durch Messung einer Spannung zum Referenzpotentialgeber gemessen werden. Wird die Potentialdifferenz durch Messung eines von bzw. zum Messglied, beispielsweise einem kapazitiven Element, fließenden Stroms gemessen, so können besonders schnelle Änderungen der Potentialdifferenz zwischen den Referenzpotentialgebern gut erfasst werden.
• Besonders einfach und zuverlässig kann die Potentialkopplung erreicht werden, wenn das Messmittel ein mit dem Feldkoppelglied prinzipgleich ausgeführtes Messglied aufweist, wenn also beispielsweise das Feldkoppelglied und das Messglied als Kondensatoren bzw. Kapazitäten ausgebildet sind.
• In einer besonders einfachen Ausführungsform ist das Koppelmittel direkt mit dem Referenzpotentialgeber des ruhenden Systems elektrisch leitend verbunden. Demgegenüber kann die Messung vereinfacht werden, wenn das Messmittel einen Teilungskondensator zur Entkopplung zum ersten Referenzpotentialgeber aufweist. Der Teilungskondensator kann als Fußpunktkondensator ausgeführt sein und als kapazitiver Messteiler dienen. Alternativ kann das Messmittel durch einen hochohmigen Messverstärker vom Referenzpotentialgeber entkoppelt sein.
• Bei einer Ausbildung des Koppelmittels, beispielsweise des Koppelkondensators, zwischen dem Läufer und dem Ständer ist – bedingt durch dessen begrenzte Elektrodenflächen und dem wegen mechanischer Toleranzen großen Abstand der Elektroden zueinander – dessen Kapazität relativ gering. Dies führt zu einer großen Impedanz, die sich wegen des damit verbundenen großen Stroms störend auf die Potentialkopplung auswirken würde. Die Impedanz kann gering gehalten werden, wenn die Vorrichtung ein Verstärkermittel zur Verstärkung einer dem Feldkoppelglied zugeführten Koppelgröße – eine Spannung oder ein Strom, mit der bzw. dem das Feldkoppelglied beaufschlagt wird – aufweist. Hierdurch kann beispielsweise eine effektive Kapazität des Feldkoppelglieds vergrößert werden.
• Mit Hilfe einer Regeleinrichtung zur Stellung einer Koppelgröße des Koppelmittels kann der Potentialabgleich zwischen den Referenzpotentialgebern besonders einfach und selbstführend erfolgen. Die Koppelgröße kann die Stellgröße der Regelung sein. Es ist auch möglich, dass die Koppelgröße indirekt von der Regeleinrichtung über eine weitere Stellgröße gestellt wird, beispielsweise wenn der Regeleinrichtung ein Verstärkermittel nachgeschaltet ist. Die Regelgröße kann die Potentialdifferenz zwischen den Referenzpotentialgebern sein, bzw. die Messgröße, die direkt oder indirekt mit der Potentialdifferenz in Verbindung steht.
• Vorteilhafterweise ist die Regeleinrichtung ausgelegt, Änderungen der Kapazitäten des Koppelmittels und/oder des Messmittels auszuregeln. Hierdurch haben Änderungen der Kapazitäten keinen Einfluss auf das Ziel, die Potentialdifferenz zwischen dem stationären und dem bewegten System möglichst klein zu halten.
• Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in einer Zeichnung dargestellt ist. Deren einzige Figur zeigt einen Computertomographen 2 in einer stark vereinfachten, schaltplanähnlichen Darstellung.
• Der Computertomograph 2 umfasst ein stationäres System 4 und ein bewegtes System 6, das sich im Betrieb beispielsweise mit drei Umdrehungen pro Sekunde relativ zum ruhenden System 4 bewegt. Das stationäre System 4 weist ein nicht dargestelltes Lager auf zur drehbaren Lagerung des beweglichen Systems 6 relativ zum stationären System 4. Weiterhin ist an dem stationären System 4 wenigstens ein Wechselrichter 8 (Inverter) zur Erzeugung eines Wechselstroms vorhanden. Mittels einer Leiteranordnung 10 wird der Wechselstrom zu einer berührungslosen Leistungsübertragung 12 geleitet, die eine Primärseite 14 mit zumindest einer Spule 16 im stationären System 4 und eine Sekundärseite 18 mit zumindest einer Spule 20 im beweglichen System 6 umfasst. Durch eine induktive Kopplung wird elektrische Energie mittels eines Wechselmagnetfelds von der Primärseite 14 zur Sekundärseite 18 übertragen und kann zur Speisung von Verbrauchern 22, wie einer Röntgenröhre oder einer Detektoranordnung, verwendet werden. Zur Übertragung von Information zwischen dem stationären System 4 und dem beweglichen System 6 ist eine Datenübertragung 24 mit einer ersten Einheit 26 im stationären System 4 und einer zweiten Einheit 28 im beweglichen System vorgesehen, die mit einem berührungslos arbeitenden Übertragungsmittel 30 verbunden sind.
• Zur Wahrung eines einheitlichen Arbeitspotentials der Geräte des stationären Systems 4 sind diese mit einem ersten Referenzpotentialgeber 32 verbunden, der mittels einer geeigneten Einheit 34 auf Masse gelegt ist. Auf diese Weise sind diese Geräte mit der Masse als Referenzpotential verbunden. Das bewegliche System 6 umfasst ebenfalls einen Referenzpotentialgeber 36, der jedoch wegen der Bewegungsfreiheit des beweglichen Systems 6 nicht direkt elektrisch mit dem Referenzpotentialgeber 32 des stationären Systems 4 verbunden ist, sondern ein eigenes Referenzpotential definiert, das von der Masse abweichen kann.
• Der Computertomograph 2 weist während des Betriebs neben realen auch parasitäre Kapazitäten 38–54 auf, an denen sich durch die fließenden Ströme Potentiale aufbauen. Diese Kapazitäten 38–54 beeinflussen das Referenzpotential des Systems 4, 6, dem sie angehören und können eine Potentialwanderung des Referenzpotentials des beweglichen Systems 6 verursachen, derart, dass eine Übertragung von Information durch die Datenübertragung 24 gestört oder unmöglich gemacht wird. Um dieses Problem gering zu halten, weist das stationäre System 4 an einer Außenfläche eine große, etwa 20 cm × 50 cm Me tallfläche 56 auf, die einer mindestens ebenso großen Metallfläche 58 auf der Außenfläche des stationären Systems 6 gegenüber liegt. Beide Metallflächen 56, 58 sind etwa 0,1 mm voneinander beabstandet und bilden ein als Feldkoppelglied in Form einer Kapazität ausgebildetes Koppelmittel 60, das zur Kopplung des Referenzpotentials des beweglichen Systems 6 an das Referenzpotential des stationären Systems 4 über ein elektrisches Feld vorgesehen ist. Ebenfalls auf den Außenflächen ist ein weiteres kapazitives Element gebildet, das zwei Metallflächen 64, 66 umfasst und ein Messglied 62 eines Messmittels 68 bildet. Das Messmittel 68 umfasst außerdem eine Messwerterfassung 70 und einen Teilungskondensator 72 als Entkoppelmittel. Mit dem Messmittel 68 verbunden ist eine Regeleinrichtung 74, an die ein Verstärkermittel 76 in Form eines Leistungsverstärkers anschließt, der wiederum mit der Metallfläche 58 des Koppelmittels 60 elektrisch verbunden ist.
• Während des Betriebs des Computertomographen 2 kann das Referenzpotential des Referenzpotentialgebers 36 vom geerdeten Referenzpotential des stationären Systems 4 abweichen, also eine Spannung relativ zu diesem aufweisen. Hierdurch verschieben sich Ladungen im Messglied 62, wodurch ein Messpunkt 78 – bedingt durch das Entkoppelmittel – eine Spannung zum geerdeten Referenzpotential aufweist. Diese Spannung kann vom Messmittel 68 als ein Messwert 80 erfasst werden, der in einem bekannten Verhältnis zur Potentialdifferenz zwischen den Referenzpotentialen steht. Der Messwert wird von der Regeleinrichtung 74 als Regelgröße verwendet, die eine entsprechende Stellgröße 82 ausgibt, diese im Verstärkermittel 76 verstärkt und als Koppelgröße 84 auf das Koppelmittel 60 gegeben wird. In Folge dessen wird ein elektrisches Feld zwischen den Metallflächen 56, 58 erzeugt, das wiederum eine Ladungsverschiebung im Feldkoppelglied bewirkt, die einen bekannten Einfluss auf das Referenzpotential des beweglichen Systems 6 hat. Auf diese Weise wird – mit Hilfe einer geeigneten Regelung und Verstärkung – so auf das Referenzpotential des Referenzpotentialgebers 36 eingewirkt, dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Referenzpotentialen der bei den Systeme 4, 6 möglichst gering ist. Durch die geringe Potentialdifferenz kann eine gute Übertragung von Information durch die Datenübertragung 24 gewährleistet werden.
• Der Messwert 80 kann als Potentialdifferenz, also als Spannung zum geerdeten Referenzpotential des stationären Systems 4 gemessen werden, wodurch auch zumindest im wesentlichen statische Potentialdifferenzen zwischen den Referenzpotentialgebern 32, 36 erfasst werden können. Für die Informationsübertragung besonders störend sind jedoch dynamische Potentialdifferenzen, deren Schwankungsfrequenzen im Frequenzbereich der Informationsübertragung liegen. Hochfrequente Potentialdifferenzen führen jedoch unter Umständen zu nur geringen Ladungsverschiebungen, so dass nur geringe Spannungen im Messpunkt 78 gemessen werden können. In diesem Fall kann eine Erfassung des den Messpunkt 78 durchfließenden Stroms als weiterer Messwert günstig sein, der in einem bekannten Verhältnis zu einer Potentialverschiebung des Referenzpotentialgebers 36 stehen kann. Dieser Messwert kann zur weiteren Stellung der Stellgröße 82 verwendet werden, so dass das Referenzpotential bereits bei einer Potentialverschiebung – ohne dass bereits eine signifikante Potentialdifferenz zwischen den Systemen 4, 6 nötig wäre – korrigiert und so der Potentialverschiebung entgegengewirkt werden kann.

Claims (11)

1. Vorrichtung mit einem ersten System (4), insbesondere einem Ständer, und einem gegenüber dem ersten System (4) zur Bewegung vorgesehenen zweiten System (6), insbesondere einem Läufer, einem ersten, dem ersten System (4) zugeordneten und einem zweiten, dem zweiten System (6) zugeordneten elektrischen Referenzpotentialgeber (32, 36) und einem Koppelmittel (60) zur Potentialkopplung der beiden Referenzpotentialgeber (32, 36), dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmittel (60) ein Feldkoppelglied zur mechanisch kontaktfreien Potentialkopplung aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmittel (60) ein kapazitives Element ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmittel (60) zumindest teilweise an einer Außenwandung des zweiten Systems (6) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Messmittel (68) zur Messung einer einen Potentialunterschied zwischen den Referenzpotentialgebern (32, 36) kennzeichnenden Messgröße (80).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (68) zur Erfassung einer Potentialdifferenz zum ersten Referenzpotentialgeber (32) als Messgröße (80) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (68) ein mit dem Feldkoppelglied prinzipgleich ausgeführtes Messglied (62) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (68) einen Teilungskondensator (72) zur Entkopplung zum ersten Referenzpotentialgeber (32) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch ein Verstärkermittel (76) zur Verstärkung einer dem Feldkoppelglied zugeführten Koppelgröße (84).
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (74) zur Stellung einer Koppelgröße (84) des Koppelmittels (60).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (74) ausgelegt ist, Änderungen der Kapazitäten des Koppelmittels (60) und/oder des Messmittels (68) auszuregeln.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Computertomograph (2).