Misurazioni ad alta precisione di corrente negli scanner Mri

MEDICALE –

La tecnologia dei trasduttori portata ai limiti della precisione nella misurazione di corrente si rivela particolarmente indicata nelle applicazioni medicali di imaging a risonanza magnetica, dove accuratezza e stabilità sono fondamentali.

Lo sviluppo dell'Mri (Magnetic resonance imaging) ha portato maggiori capacità di diagnosticare e, di conseguenza, trattare un crescente numero di condizioni fisiche a livello cellulare, in particolare il tumore. In quanto metodologia diagnostica, l'Mri è in continua evoluzione, da quando la tecnologia è stata osservata negli anni '40. Oltre all'immagine di una piattaforma orizzontale abbastanza grande da sostenere un paziente, che scorre in una macchina circolare più grande, somigliante a un grosso induttore, non è ovvio a tutti come le scansioni Mri siano realizzate. Un elemento chiave della spettrometria Nmr/Mri è l'individuazione di piccoli campi magnetici generati dal movimento delle cellule in un tessuto molle. Questo movimento è effettivamente il riallineamento cellulare, che accade a seguito del loro spostamento. Che a sua volta è causato dall'esposizione delle cellule a un forte campo magnetico. La velocità alla quale le cellule si riallineano dipende dalla loro struttura e condizioni, e la risoluzione con la quale i più piccoli campi magnetici da loro generati possono essere rilevati determina la risoluzione globale dello strumento. Determinante per l'efficacia di un qualsiasi scanner Mri è il livello di eccitazione cellulare generato dal campo magnetico; quindi controllare questo campo è critico quanto rilevare il riallineamento cellulare derivante. Ci sono oggi diverse aziende che sviluppano scanner Mri, il cui successo dipende però dai sensori usati per il funzionamento delle loro apparecchiature. Tra queste c'è LEM, fornitore di soluzioni innovative e di grande qualità per la misurazione di parametri elettrici. Poiché gli scanner Mri sono ormai largamente utilizzati, anche la necessità di migliorare la loro risoluzione è parecchio aumentata. Questo può essere unicamente raggiunto attraverso attente e precise regolazioni dei campi magnetici, che a loro volta dipendono ampiamente dalla capacità di misurare e controllare le correnti usate per generarli.

Un doppio trasduttore fluxgate a loop chiuso
Per qualche tempo la tecnologia usata in questa applicazione è stata basata su trasduttori di corrente ad effetto Hall, ma questa tecnologia ha pesanti limitazioni in questo tipo di applicazione, in particolare nella precisione. LEM era stata contattata da un cliente che aveva necessità di un nuovo tipo di trasduttore di corrente, in grado di offrire una precisione molto superiore. In circa 7 mesi la tecnologia esistente venne adattata da LEM alle nuove esigenze del cliente, portando alla realizzazione di trasduttori di corrente caratterizzati dalle più elevate prestazioni disponibili. La soluzione sviluppata da LEM, denominata ITL900, può essere descritta come un doppio trasduttore fluxgate a loop chiuso. Può essere utile comparare il suo funzionamento con la più comune tecnologia a effetto Hall. L'effetto Hall è generato da una forza di Lorenz, F=q.(VXB), che agisce su dei cambiamenti che a loro volta si muovono attraverso una densità di flusso magnetico. Una corrente di controllo fluisce attraverso una piastra molto sottile di un semiconduttore attraversando il campo. I vettori di carica mobile della corrente di controllo sono deviati quando la densità di flusso magnetico esterno, B, genera una forza di Lorenz, perpendicolare alla direzione del flusso di corrente. Questa deviazione fa si che più vettori di carica si raccolgano su una delle facce del semiconduttore, creando una differenza di potenziale attraverso questo, riferito al voltaggio Hall. Certi elementi di questo effetto Hall, specialmente la costante di Hall e il voltaggio di offset dell'elemento di Hall, sono dipendenti dalla temperatura. È quindi necessario in qualsiasi trasduttore di corrente che utilizzi l'effetto Hall prevedere una compensazione della temperatura. La più semplice applicazione pratica dell'effetto Hall è un trasduttore open loop, che fornisce la soluzione più piccola ed economica per la misurazione di corrente. Il trasduttore è formato da un conduttore per il trasporto della corrente che genera il campo magnetico. Il campo è concentrato da un nucleo magnetico che risulta tagliato per creare uno spazio d'aria. All'interno dello spazio d'aria, un elemento di Hall è utilizzato per rilevare la densità del flusso magnetico. La corrente di controllo e l'amplificazione differenziale sono applicati elettronicamente, con i componenti normalmente integrati all'interno del trasduttore.
All'interno della zona lineare del loop B-H del materiale utilizzato per creare il circuito magnetico la densità del flusso magnetico, B, rimane proporzionale alla corrente primaria, Ip, e il voltaggio di Hall, VH, è proporzionale alla densità del flusso. Quindi, l'output dell'elemento di Hall è proporzionale alla corrente primaria più il voltaggio offset di Hall, Vo.
I trasduttori open loop misurano forme d'onda di corrente DC, AC e complesse, fornendo isolamento galvanico. Come già accennato i vantaggi includono bassi costi, piccole dimensioni e basso consumo di corrente. Le limitazioni dei trasduttori open loop includono banda passante e tempo di risposta scadenti (dovuti alle perdite nei circuiti magnetici) e uno slittamento del guadagno relativamente ampio rispetto alla temperatura. Per contro, i trasduttori closed loop, anche chiamati a effetto Hall compensato, o trasduttori “zero flux”, usano il voltaggio degli elementi Hall per generare una compensazione di corrente in un avvolgimento secondario, al fine di creare un flusso totale pari a zero. In altre parole, la corrente secondaria, Is, crea un flusso magnetico di pari ampiezza, ma di direzione opposta, al flusso creato dalla corrente primaria. Facendo funzionare l'elemento Hall in condizione di zero flux elimina lo slittamento nel guadagno in relazione alla temperatura, un vantaggio ulteriore di questa configurazione è che l'avvolgimento secondario si comporterà come un trasformatore di corrente ad alta frequenza, estendendo in maniera rilevante la larghezza della banda passante e riducendo il tempo di risposta del trasduttore.
Quando il flusso è uguale a zero, i potenziali magnetici (ampere-spire) sono uguali, conseguentemente la corrente secondaria, Is, è l'esatta immagine della corrente primaria, Ip. Sebbene i vantaggi di un trasduttore closed loop includano una precisione e una linearità molto buoni, come pure un tempo di risposta breve, la principale limitazione è un elevato consumo di corrente dalla alimentazione secondaria, che deve fornire lac compensazione di corrente come pure la corrente di bias.
In particolari applicazioni dove caratteristiche come errore di non-linearity estremamente basso, soglia di rumore molto bassa, o bassa deriva offset in relazione alla temperatura, stanno diventando sempre più determinanti, i trasduttori di corrente ad effetto Hall non sono più adatti. Proprio per soddisfare queste richieste, LEM ha progettato un trasduttore double fluxgate closed loop, che fornisce misurazioni di corrente Ac e Dc con un'elevata accuratezza, precisione e stabilità, e al contempo eliminando l'iniezione di rumore nel lato primario.
Il trasduttore consiste di una testa di misurazione di corrente fatta da tre nuclei magnetici, C1, C2 e C3, con avvolgimenti primari (Wp1) e avvolgimenti secondari (Ws1 fino a Ws4). La compensazione closed loop viene raggiunta attraverso una corrente secondaria, Ic, iniettata in uno degli avvolgimenti secondari, Ws2. Quest'ultima bobina, accoppiata magneticamente ai tre nuclei magnetici, è connessa in serie con un resistore di misurazione, Rm, al fine di creare un voltaggio in uscita. Per il range di frequenze superiori, la corrente secondaria deriva da un effetto trasformatore generato all'interno di due bobine secondarie (Ws1 and Ws2). Per le frequenza inferiori, incluso Dc, il trasduttore lavora come un trasduttore closed loop fluxgate, con gli avvolgimenti Ws3 and Ws4 che agiscono come bobine di rilevamento a fluxgate.

Altissima precisione e stabilità
Sebbene la tecnologia fluxgate esista da un diverso tempo, LEM è stata in grado di adattarla e migliorarla, ottenendo come risultato un trasduttore che offre un'altissima precisione, con una bassissima deriva offset in relazione alla temperatura, e una altissima stabilità nel tempo. Un'eccellente linearità con un bassissimo rumore in uscita sommata alla precisione e risoluzione dell'ITL900, e a un'ampia banda passante di misurazione (Dc a 200kHz, -3dB) assicurano la sua applicabilità in un vasto numero di applicazioni. Oltre che nel medical imaging, il ITL900 è applicabile con pari efficacia nelle misurazioni di corrente di feedback negli alimentatori di precisione con regolazione di corrente, misurazione di correnti in analisi di alimentazioni, apparecchiature di calibrazione per test a banco, e apparecchiature di laboratorio e misurazione che richiedono altissima precisione.

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