DE4217302A1 - Magnetische abschirmkammer mit einer aktiven abschirmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Abschirmkammer mit einer aktiven Abschirmung, umfassend eine Meßeinrichtung, mit der ein magnetisches Störfeld gemessen wird, eine Feldspule, die außen um die Kammer herum angeordnet ist, und einen Regler, der aufgrund des gemessenen Störfeldes einen Kompensationsstrom durch die Feldspule treibt, so daß das niederfrequente magne­ tische Störfeld in der Abschirmkammer weitgehend kompensiert ist.

Magnetische Abschirmkammern werden unter anderem in der medi­ zinischen Diagnostik bei der Messung des von körperinternen elektrischen Strömen erzeugten Magnetfeldes benötigt. Die vom Körper erzeugten Magnetfelder werden auch als Biomagnetismus bezeichnet. Die räumliche Verteilung des Magnetfeldes läßt Rückschlüsse auf den Ort des körperinternen Stromes zu, der dieses Magnetfeld erzeugt. Da diese Ströme und die von ihnen erzeugten Magnetfelder sehr klein sind, wird beim Betrieb einer Biomagnetismusanlage allgemein eine Unterdrückung magnetischer Störer um fünf Zehnerpotenzen als notwendig erachtet. Dieser Wert wird durch eine Kombination einer Raumschirmung mit zwei Lagen einer weichmagnetischen Eisenlegierung (Mumetall) und einer Aluminiumlage sowie durch die Verwendung von Gradiome­ tern erster Ordnung als biomagnetisches Meßsystem erreicht. Dabei schreibt man der Kammer drei, den Gradiometern zwei Zehnerpotenzen Störunterdrückung zu.

Die geforderten hohen Störunterdrückungen werden jedoch bei langsamen Feldvariationen unter 0,1 Hz weder von der Abschirm­ kammer noch von den Gradiometern erreicht. Die Abschirmkammer hat bei niedrigen Frequenzen wegen fehlender Wirbelstromdämp­ fung der Aluminiumschale nur einen Schirmfaktor von etwa 50. Die Gradiometer detektieren die von der Kammer erzeugten Gra­ dienten der Störer, so daß sich mit der üblichen Geometrie der Gradiometer nur Dämpfungen von etwa 20 erreichen lassen. Zu­ sammen ergibt sich also eine Dämpfung mit einen Wert von unge­ fähr drei Zehnerpotenzen, zwei weniger als angestrebt. Dies ist besonders nachteilig, da zusätzlich zu der geringen Dämpfung die Amplitude im Störspektrum zu niedrigen Frequenzen hin an­ steigt.

Eine magnetische Abschirmkammer der eingangs genannten Art mit einer aktiven Abschirmung ist aus dem Artikel von Kelhä, Pukki, Peltonen, Penttinnen, Ilmoniemi und Heino: "Design, Construction, and Performance of a Large-Volume Magnetic Shield" in IEEE Transactions of Magnetics, Vol. MAG-18, No. 1 January 1982, Seiten 260 bis 270, bekannt. Bei der dort be­ schriebenen Abschirmkammer sind verschiedene Abschirmmaß­ nahmen kombiniert. Unter anderem ist dort für niederfrequen­ te Störfelder eine aktive Abschirmung vorgesehen.

Die aktive Abschirmung besteht aus einer Feldspule und einer Meßeinrichtung, die so angeordnet sind, daß die Meßeinrich­ tung dem Feld der Spule ausgesetzt ist. Die Feldspule wird von einem Regler so angesteuert, daß das Ausgangssignal der Meßeinrichtung Null wird. Bei der aktiven Magnetfeldschirmung wird somit prinzipiell nur das unterdrückt, was die Meßein­ richtung oder der Magnetfeldsensor detektiert. Dabei ist zu beachten, daß die erreichbare Feldunterdrückung am Ort der Meßeinrichtung von der Leerlaufverstärkung der Regelschleife abhängt. Sie sollte möglichst hoch sein. Andererseits müssen die als Meßeinrichtung eingesetzten Magnetfeldsensoren oder Magnetometer eine Empfindlichkeit besitzen, die besser ist als das zu erreichende Restfeld, da der Regelkreis am Ort der Meß­ einrichtung ein Feld erzeugt, das dem Sensorrauschen selbst entspricht. Selbst wenn die Meßeinrichtung außerhalb der Ab­ schirmkammer angeordnet wird, sind nur sehr empfindliche Magnetfeldsensoren einsetzbar.

Bei der im obengenannten Artikel beschriebenen aktiven Schir­ mung ist als Meßeinrichtung ein außerhalb der Abschirmkammer angeordnetes Fluxgate verwendet. Wegen der geringen Meßfläche des Fluxgates werden jedoch zusätzlich zu dem homogenen Stör­ feld auch inhomogene Störfelder am Meßort erfaßt und über den Regler wie ein homogenes Feld verstärkt auf die zu schirmende Kammer übertragen. Der Meßort und der Kompensationsort - der Kompensationsort ist in der Abschirmkammer der Ort des bio­ magnetischen Meßsystems - sind jedoch verschieden, so daß am Kompensationsort ein Reststörfeld besteht, obwohl am Meßort das Störfeld kompensiert ist. Inhomogene Störfelder werden insbe­ sondere von in der Nähe der Abschirmkammer anwesenden Stör­ quellen erzeugt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Abschirmkammer mit einer aktiven Schirmung anzugeben, bei der die aktive Schirmung im wesentlichen nur homogene magnetische Störfelder kompensiert.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtung eine Induktionsspule umfaßt, die parallel zur Feldspule außen um die Abschirmkammer angeordnet ist. Diese Anordnung hat zwei Vorteile: Zum einen wird die Meßeinrichtung durch die große Meßfläche gegenüber homogenen Feldern sehr empfindlich, so daß wenige Windung relativ dünnen Drahtes ausreichend sind, zum anderen sinkt wegen der großen Meßfläche die Empfindlichkeit gegenüber lokalen inhomogenen Störfeldern.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Kompensation einer Feldrichtung nur eine Feldspule verwendet wird, die von den Wänden der Abschirmkammer be­ abstandet ist. Der Einfluß des von der Feldspule erzeugten Kompensationsfeldes auf das in der Abschirmkammer angeordnete magnetische Meßsystem wird hauptsächlich durch den Feldverlauf in den Wänden der Abschirmkammer bestimmt. Aufgrund der großen Permeabilität der verwendeten Eisenlegierung ist dieser Einfluß bei homogenen Störfeldern und bei dem Feld einer in nicht zu kleinen Abstand um die Kammer gelegten Feldspule fast gleich. Zusätzlich hat wegen des Abstandes der Spulen zur Abschirm­ kammer die Abschirmkammer nur einen geringen Einfluß auf den Induktionswert der Spulen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß nur die vertikale Feldrichtung kompensiert wird, also die Achsen der Feldspule und der Induktionsspule vertikal ange­ ordnet sind. Wie schon erwähnt, wirkt eine aktive Abschirmung nur gegen homogene Störfelder, d. h. weit entfernte Störquellen. Eine Störung über weite Distanzen ist aber nur möglich, wenn das Störfeld lokal sehr stark ist, was sehr selten vorkommt, oder wenn die zugrundeliegende Stromverteilung eine große räum­ liche Ausdehnung besitzt. Es wurde erkannt, daß als Störquellen im wesentlichen nur parallel zur Erdoberfläche angeordnete Ver­ sorgungsleitungen zwischen Gebäuden in Betracht kommen. Die da­ von hervorgerufenen niederfrequenten Störfelder besitzen in großer Entfernung nur eine vertikale Feldkomponente.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Regler einen Regelverstärker mit integralem Ver­ stärkungsverlauf umfaßt. Der integrale Verstärkungsverlauf garantiert eine stabile Regelung.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Regler Entzerrer zum Entzerren des Frequenzgangs der Induktions- und der Feldspule umfaßt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß der Regler eine Gleichsignalgegenkopplung auf­ weist, die mindestens einen Teil des Gleichanteils des Aus­ gangssignals des Reglers auf seinen Eingang gegenkoppelt. Die differenzielle Übertragungscharakteristik der Regelstrecke er­ fordert im Regelverstärker bei niedrigen Frequenzen sehr hohe Verstärkungen. Der Regelverstärker selbst ist jedoch bei Fre­ quenzen, bei denen das Übertragungsmaß der Strecke kleiner wird als die Verstärkung, nicht mehr gegengekoppelt. Dadurch gelan­ gen Offsets und niederfrequente Fluktuationen der Verstärker ungedämpft zum Ausgang, wo sie zur Übersteuerung Anlaß geben. Gleichzeitig gelangen diese Störungen zur Feldspule und er­ zeugen Störfelder. Bei einer Rückführung der Gleich- und Niederfrequenzanteile parallel zur Regelstrecke bleibt der Verstärker auch gleichsignalmäßig gegengekoppelt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Gleichsignalgegenkopplung integrale Charakteristik aufweist. Die integrale Charakteristik der Rückführung unter­ drückt Offsets und Fluktuationen wirkungsvoll.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens ein Teil des Ausgangssignals des Reglers über eine Regelstrek­ kennachbildung auf seinen Eingang gegengekoppelt. Ohne diese, als Überkompensation bezeichnete Rückführung arbeitet die Re­ gelung so, daß sie das Störfeld am Meßort, hier der Induktions­ spule zu Null macht. Dies ist jedoch in manchen Fällen nicht ausreichend, um das Feld in der Meßkammer am Ort des biomagne­ tischen Meßsystems zu kompensieren. Zur vollständigen Kompen­ sation muß dann der Strom in der Feldspule einen größeren Wert haben. Dies läßt sich elektronisch erreichen, indem das Ver­ halten der Regelstrecke nachgebildet wird und das so gewonnene Signal mit invertiertem Vorzeichen zum Signal der Regelstrecke hinzuaddiert wird. Dadurch ist der Ausgang des Regelverstärkers gezwungen, einen größeren Strom als ursprünglich nötig an die Feldspule zu liefern. Durch die Überkompensation wird die Ver­ stärkung der Regelstrecke scheinbar erniedrigt. Dadurch ergibt sich zusammen mit der Gleichsignalrückführung eine Erhöhung der unteren Grenzfrequenz.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zeigt die Regel­ streckennachbildung ein Bandpaßverhalten, dessen Grenzfrequen­ zen und dessen Amplitudengang einstellbar sind. Damit läßt sich durch eine Justierung das Signalverhalten der Regelstrecken­ nachbildung an das Signalverhalten der Regelstrecke anpassen.

Eine aktiv geschirmte Abschirmkammer läßt sich besonders vor­ teilhaft zur Messung von biomagnetischen Signalen verwenden. Die Störfelder bei niedrigen Frequenzen können damit ohne großen Aufwand an passiven Abschirmmaßnahmen unter das Eigenrauschen der biomagnetischen Meßeinrichtung gesenkt werden. Mit der biomagnetischen Meßeinrichtung lassen sich dann auch für eine Diagnose signifikante Signale in Niederfrequenzbe­ reich von ca. 0,01 bis unter 10 Hz erfassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand von 10 Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine Außenansicht einer Abschirmkammer mit einer aktiven Schirmung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer aktiven Schirmung,

Fig. 3 eine elektrische Schaltung einer aktiven Schirmung,

Fig. 4 der Frequenzgang des Eingangsverstärkers des Reglers in der aktiven Schirmung nach Fig. 3,

Fig. 5 der Frequenzgang des Ausgangsverstärkers des Reglers in der aktiven Schirmung nach Fig. 3,

Fig. 6 der Frequenzgang des Reglers in der aktiven Schirmung nach Fig. 3,

Fig. 7 der Frequenzgang der Regelstrecke der aktiven Schirmung,

Fig. 8 der Frequenzgang der offenen Regeschleife der aktiven Schirmung nach Fig. 3,

Fig. 9 das magnetische Störfeld in der Abschirmkammer am Ort des biomagnetischen Meßsystems, wenn die aktive Schirmung nicht in Betrieb ist, und

Fig. 10 das magnetische Störfeld in der Abschirmkammer mit akti­ ver Schirmung am Ort des biomagnetischen Meßsystems.

Fig. 1 zeigt eine magnetische Abschirmkammer 2, wie sie zur Durchführung von biomagnetischen Messung in der Medizintech­ nik verwendet wird. Zusätzlich zur passiven Schirmung mit zwei weichmagnetischen Lagen einer Eisenlegierung (Mumetall) und einer Aluminiumlage für elektromagnetische Störungen ist dort eine aktive Abschirmung für magnetische Störfelder mit Frequenzen von ca. 0,01 Hz bis 10 Hz vorgesehen. Zur aktiven Schirmung gehört eine Induktionsspule 4 und eine Feldspule 6, die waagerecht in einem Abstand um die Kammer herum angeordnet sind. Die Flächen bzw. Achsen der beiden Spulen 4 und 6 sind vertikal ausgerichtet. Somit werden im wesentlichen vertikale Magnetfelder kompensiert. Der Abstand der Spulen 4 und 6 zu den äußeren, etwa 4 m langen Wänden der Abschirmkammer 2 beträgt ca. 1 m. Die beiden Spulen 2 und 6 befinden sich in einem ge­ meinsamen Kabelkanal in einer Höhe von ca. 2,20 m über der inneren Grundfläche der Abschirmkammer 2. Die ausschließliche Kompensation der vertikalen Magnetfeldkomponente hat seinen Grund zum einen in der bevorzugt senkrechten Meßposition des biomagnetischen Meßsystems innerhalb der Kammer 2, in der horizontale Feldkomponenten nur schwach detektiert werden und zum anderen darin, daß weit entfernte Störer, nur ein im we­ sentlichen vertikales homogenes Störfeld erzeugen. Wegen des großen Spulenquerschnitts sind nur wenige Windungen, z. B. ca. 50 Windungen, relativ dünnen Drahtes für Induktions- und Feld­ spule erforderlich, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu erreichen.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der aktiven Schirmung darge­ stellt. Sie besteht aus einer Regelstrecke 8, einem Regelver­ stärker 10, einer Gleichsignalrückführung 12 und einer Regel­ streckennachbildung 14. Die Regelstrecke 8 umfaßt die Ab­ schirmkammer 2 und die um die Abschirmkammer 2 herum angeord­ nete Induktionsspule 4 und Feldspule 6. Der Regelverstärker 10 erzeugt aus der vom Störfeld in der Induktionsspule 4 in­ duzierten Spannung einen Strom für die Feldspule 6, der die induzierte Spannung und damit das Störfeld zu Null macht. Da die Regelstrecke 8 keine Gleichsignale überträgt, ist aus Sta­ bilitätsgründen die getrennte Gleichsignalrückführung 12 pa­ rallel zur Regelstrecke 8 erforderlich. Ebenfalls parallel zur Regelstrecke 8 aber mit invertiertem Vorzeichen liegt die elektronische Regelstreckennachbildung 14, die zur Überkom­ pensation des Störfeldes benötigt wird.

Im folgenden werden die Komponenten der aktiven Schirmung ge­ nauer beschrieben. Das Gesamtschaltbild zeigt Fig. 3, die schematischen Frequenzgänge der Komponenten des Regelkrei­ ses sind in Fig. 4 bis 8 dargestellt. Jedoch sind im Gesamt­ schaltbild in Fig. 3 aus Übersichtlichkeitsgründen die Strom­ versorgung und die Offset-Einstellmittel der Operationsver­ stärker nicht dargestellt.

Die elektrischen Daten der Regelstrecke 8, aufgebaut aus zwei Spulen mit je 50 Windungen Kupferdraht mit 0,14 mm² Quer­ schnitt, sind:

- Induktivität der unbelasteten Spulen 4 und 6:|85 mH
- Gegeninduktivität zwischen den Spulen 4 und 6:	64 mH
- Induktivität einer Spule wenn die andere Spule kurzgeschlossen ist:	41 mH
- ohmscher Widerstand der Spulen 4 und 6:	172 Ohm
- Eigenresonanz der unbelasteten Spulen 4 und 6:	ca. 3 kHz
- Feldstärke in der Mitte der Spule 4 oder 6 ohne Abschirmkammer 2:	ca. 10 µT/A
- Feld/Spannungs-Umsetzung der Spule 4 ohne Abschirmkammer 2:	ca. 12 000 V/T/Hz

Fig. 7 zeigt mit einer dick ausgezogenen Kurve 16 den Frequenz­ gang der Regelstrecke 8. Aufgetragen ist das Verhältnis der Spulenspannungen ULE/UA über der Frequenz. Da sowohl die In­ duktionsspule 4 als auch die Feldspule 6 durch den Regelver­ stärker belastet sind, wirkt die Induktionsspule 4 als Hochpaß und die Feldspule 6 als Tiefpaß und es ergibt sich insgesamt eine Bandpaßcharakteristik. Die Mittenfrequenz des Bandpasses liegt bei 600 Hz, die 3 dB-Grenzfrequenzen bei 150 Hz bzw. 1,9 KHz. In der geschlossenen Regelschleife werden die Spulen eben­ falls belastet betrieben, um die Eigenresonanz 4 und 6 bei ca. 3 KHz zu bedämpfen.

Der Regelverstärker 10 in Fig. 3 ist dreistufig aufgebaut. Eine erste Stufe 18 bildet den Vorverstärker für die Induktionsspule 4 und entzerrt deren Frequenzgang. Eine zweite Stufe 20 ist als linearer Verstärker ausgebildet und dient zur Einstellung der Schleifenverstärkung. Eine dritte Stufe 22 treibt die Feldspule 6, entzerrt deren Frequenzgang und erzeugt eine integrale Regelcharakteristik.

Der Vorverstärker 18 in der ersten Stufe wird gebildet aus einem rauscharmen Offset-kompensierten Operationsverstärker 24, der zwischen seinem invertierenden Eingang und seinem Ausgang mit einer Parallelschaltung aus einem RC-Glied 26, einem Wider­ stand 28 und einem Kondensator 30 beschaltet ist. Die Induk­ tionsspule 4 ist über einen niederohmigen Widerstand 32 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 verbunden. Durch den niederohmigen Abschluß der Induktionsspule 4 mit dem Widerstand 32 wird die Eigenresonanz der Spule 4 bei 3 KHz, die zu Instabilitäten der Regelung führen würde, unterdrückt. Die Induktionsspule 4 würde sich zusammen mit einem frequenzunab­ hängigen Verstärker wie ein Hochpaß erster Ordnung verhalten, dessen Grenzfrequenz durch den ohmschen Widerstand und die In­ duktivität des Verstärker-Eingangskreises bestimmt ist. Im vor­ liegenden Fall ergibt sich eine Grenzfrequenz von etwa 400 Hz bei unbelasteter bzw. 800 Hz bei belasteter Feldspule 6. Durch eine frequenzabhängige Gegenkopplung, bestehend aus dem RC- Glied 26 und dem Kondensator 30, wird die Hochpaßcharakteristik der Induktionsspule 4 zwischen 0,1 und 300 Hz linearisiert. Fig. 4 zeigt den Frequenzgang des Verstärkers. Eine exakte Entzer­ rung ist nicht erforderlich, da durch die Gesamtgegenkopplung über die Regelschleife kleinere Abweichungen eliminiert werden.

Da die in der Induktionsspule 4 induzierte Spannung mit fal­ lender Frequenz kleiner wird, das Verstärkerrauschen aber an­ steigt, ergibt sich bei tiefen Frequenzen, im vorliegenden Fall unter 3 Hz, ein Anstieg des Gesamtrauschens von Induktionsspule 4 und Verstärker 18 mit 1/f²-Charakteristik. So ist bei der vorliegenden aktiven Abschirmung die bei 0,1 Hz nachweisbare Feldstärke auf etwa 100 pT/Hz angestiegen. Am Ort des biomag­ netischen Meßsystems muß also mit einem durch die aktive Ab­ schirmung verursachten Gradientenrauschen von 100 fT/Hz bei 0,1 Hz gerechnet werden. Dies entspricht dem spezifizierten weißen Rauschen bei einer Bandbreite von 100 Hz und ist deshalb nicht störend. Die niederfrequente Empfindlichkeit der Induk­ tionsspule 4 wird hauptsächlich durch das Stromrauschen des Vorverstärkers 18 und damit durch den ohmschen Widerstand der Spule bestimmt. Durch eine Erhöhung der Windungszahl bei gleichzeitiger Vergrößerung des Drahtdurchmessers oder durch Verwendung eines chopperstabilisierten Eingangsverstärkers ließe sich die Empfindlichkeit weiter verbessern.

Der auf die Eingangsstufe 18 in Fig. 3 folgende lineare Ver­ stärker 20 dient zur Einstellung der Regelschleifenverstärkung. Der lineare Verstärker 20 besteht aus einem mit einem ein­ stellbaren Widerstand 34 rückgekoppelten Operationsverstärker 26. Das Ausgangssignal Ul des Vorverstärkers 18 wird der zweiten Stufe über einen Widerstand 38 zugeführt. Mit einem parallel zum einstellbaren Widerstand 34 angeordneten Schalter 37a und dem in der Gleichsignalrückführung 12 angeordneten Schalter 37b kann die Regelschleife aufgetrennt werden. Ein Testeingang 38 hinter der Verstärkerstufe 20 und ein Testaus­ gang 40 am Eingang der Verstärkerstufe 20 kann zu Kontroll- und Einstellarbeiten benutzt werden.

Die dritte Stufe 22 des Regelverstärkers in Fig. 3 speist die Feldspule 6. Dazu ist der Ausgang des Ausgangsverstärkers 22 über einen niederohmigen Widerstand 42 mit der Feldspule ver­ bunden. Die dritte Stufe 22 umfaßt einen Operationsverstärker 44 und einen nachgeschalteten Leistungsverstärker 46. Der Aus­ gang des Leistungsverstärkers 46 ist über einen Kondensator 48 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 44 verbunden. Eine Parallelschaltung eines RC-Glieds 50 und eines Widerstands 52 zwischen dem invertierenden Eingang des Operati­ onsverstärkers 44 und dem Ausschlußpunkt der Feldspule 6 bil­ det eine weitere frequenzabhängige Gegenkopplung. Bei maximaler Ausgangsspannung UA des Regelverstärkers 10 erzeugt die Feld­ spule 6 eine Feldstärke von etwa 0,6 µT. Die frequenzabhängige Gegenkopplungsschaltung aus den Widerstand 52 und dem RC-Glied 50 liefert zusammen mit dem Frequenzgang der Feldspule 6 ab 2,2 Hz den für die Stabilität wichtigen integralen Verstärkungsver­ lauf. Der Frequenzgang der dritten Stufe 22, also das Verhält­ nis von der Ausgangsspannung UA zur Eingangsspannung U2 der dritten Stufe über der Frequenz ist in Fig. 5 dargestellt. Den Gesamtfrequenzgang des Regelverstärkers 10 zeigt Fig. 6. Die maximale Verstärkung des Regelverstärkers unterhalb von 0,1 Hz beträgt 6,6×10⁷.

Die Gleichsignalrückführung 12 umfaßt einen nicht invertieren­ den Integrator, der aus einem Operationsverstärker 54 mit einer Kondensatorrückführung 56 von seinem Ausgang zu seinen inver­ tierenden Eingang besteht. Das Ausgangssingal UA des Regelver­ stärkers 10 wird über einen Spannungsteiler 58 dem nicht inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers 54 zugeführt. Das Ausgangssignal der Gleichsignalrückführung 12 ist über einen hochohmigen Widerstand 64 mit dem Eingang des Vorverstärkers 18 verbunden. Die Wirkung der Gleichsignalrückführung auf das Fre­ quenzverhalten der Regelstrecke ist in Fig. 7 durch eine Gerade 66 dargestellt.

Die Regelstrecke 8 hat, in diesem Fall unterhalb etwa 500 Hz, eine differenzielle Übertragungscharakteristik, wodurch im Regelverstärker bei niedrigen Frequenzen sehr hohe Verstär­ kungen erforderlich werden. Der Regelverstärker ist jedoch bei Frequenzen, bei denen das Übertragungsmaß der Strecke kleiner wird als die Verstärkung, nicht mehr gegengekoppelt. Dadurch gelangen Offsets und niederfrequente Fluktuationen der Ver­ stärker 24, 36, 44 und 46 ungedämpft zum Ausgang, wo sie zu Übersteuerungen Anlaß geben, sowie zur Feldspule 6, wo sie Störfeld erzeugen. Es ist nicht möglich, diese Effekte durch eine kapazitive Kopplung im Regelverstärker 22 zu unterdrücken, da ein weiterer differentieller Verstärkungsanteil zu Insta­ bilitäten der Regelschleife führt. Bei der hier gewählten Rück­ führung der Gleich- und Niederfrequenzanteile parallel zur Regelstrecke 8 bleibt der Verstärker auch gleichsignalmä­ ßig gegengekoppelt. Die Stabilität der Regelung wird nicht beeinträchtig. Zusätzlich lassen sich durch eine integrale Charakteristik der Rückführung 12 Offsets und Fluktuationen wirkungsvoll unterdrücken.

Die untere Grenzfrequenz der Regelung ist durch diejenige Fre­ quenz gegeben, bei der die Verstärkung der Strecke 8 und die der Rückführung 12 gleich sind. Hier ist dies bei 1,4 mHz der Fall. Der Integralteil der Rückführung 12 setzt bei 0,7 mHz ein.

Die Regelung arbeitet so, daß sie das Störfeld am Meßort zu Null macht. Es hat sich gezeigt, daß dies auch bei verschiede­ nen Induktionsspulen-Anordnungen und Meßorten nicht immer aus­ reicht, um das Feld in der Abschirmkammer am Ort des biomagne­ tischen Meßsystems ausreichend zu kompensieren. Der Strom in der Feldspule 6 muß dazu den etwa 2- bis 3fachen Wert haben.

Elektronisch läßt sich nun eine solche Überkompensation er­ reichen, indem man das Verhalten der Regelstrecke 8 nachbil­ det und das so gewonnene Signal mit invertiertem Vorzeichen zum Signal der Strecke 8 hinzuaddiert. Dadurch ist der Aus­ gang des Regelverstärkers 10 gezwungen, einen größeren Strom als ursprünglich nötig an die Feldspule 6 zu liefern. Die Regelstreckennachbildung 14 läßt sich einfach durch Serien­ schaltung eines Tief- und eines Hochpasses entsprechend dem Frequenzgang der Regelstrecke 8 realisieren. Dazu ist über einen Widerstand 68 dem invertierenden Eingang eines Opera­ tionsverstärkers 70 das Ausgangssignal UA des Regelverstärkers 10 zugeführt. Die Rückführung des Operationsverstärkers 70 besteht aus einer Parallelschaltung eines Kondensators 72 und eines einstellbaren Widerstandes 74. Der Ausgang des Operati­ onsverstärkers 70 ist über ein RC-Glied 76, das einen Konden­ sator 78 und einen einstellbaren Widerstand 80 umfaßt und über einen weiteren Widerstand 82 mit dem invertierenden Eingang des Vorverstärkers 18 verbunden. Die beiden Grenzfrequenzen des Hoch- und Tiefpasses lassen sich über die einstellbaren Wider­ stände 74 und 80 vorgeben. Die Amplitude des rückgeführten Signals läßt sich mittels eines Potentiometers 84 einstellen.

Durch die Überkompensation wird die Verstärkung der Regel­ strecke scheinbar erniedrigt. Dadurch ergibt sich zusammen mit der Gleichsignalrückführung 12 eine Erhöhung der unteren Grenzfrequenz. Der Einfluß der Regelstreckennachbildung 14 auf das Frequenzverhalten der Regelstrecke ist durch die Kurve 86 in Fig. 7 dargestellt.

Das Frequenzverhalten der offenen Regelschleife ohne Regel­ streckenbildung 14 ist in Fig. 8 gezeigt. Der fallende Fre­ quenzgang der offenen Regelschleife oberhalb von 2,2 Hz bewirkt, daß der geschlossene Regelkreis bis in den Kilo­ hertz-Bereich stabil ist.

Die Auswirkung einer Störung ohne und mit aktiver Schirmung auf das in der Abschirmkammer 2 angeordnete biomagnetisches Meß­ system zeigen Fig. 9 und 10. Die Fig. 9 zeigt die Störung am Ort des biomagnetischen Meßsystems in der Abschirmkammer 2 bei ab­ geschalteter aktiver Schirmung. Die Kurve 9.1 zeigt das magne­ tische Störfeld in vertikaler Richtung in der Kammer 2. Die Kurven 9.2 bis 9.10 zeigen den von verschiedenen Gradiometern des biomagnetischen Meßsystems gemessen vertikalen Gradienten des vertikalen Störfeldes. Die Störung wird von einem in der Nähe der Abschirmkammer 2 arbeitenden Kopiergerät hervorge­ rufen. Das Amplitudenspektrum dieser Störung hat einen hohen Anteil niederfrequenter Schwingungen im Bereich unter 1 Hz. Dagegen ist in Fig. 10 der Einfluß der aktiven Schirmung zur Kompensation des Störfeldes gut zu erkennen. Die Kurve 10.1 zeigt analog zur Kurve 9.1 das kompensierte vertikale magne­ tische Störfeld. In der Kurve 10.1 ist deutlich eine Überkom­ pensation der in Kurve 9.1 gezeigten Störung zu erkennen. Die Überkompensation ist hier notwendig, um den von den Gradio­ metern gemessenen Gradienten der Feldstärke in vertikaler Richtung zu kompensieren. Es ist weiterhin erkennbar, daß bei dieser Störung - wie in den meisten Fällen - nicht gleich­ zeitig das Feld und der Gradient kompensiert werden können.

Wird die Oberkompensation bei normaler senkrechter Meßposition des biomagnetischen Meßsystems eingestellt, ist selbst bei einer Kippung des biomagnetischen Meßsystems um 40° keine Verschlechterung sichtbar.

Claims (11)

1. Magnetische Abschirmkammer (2) mit einer aktiven Abschir­ mung, umfassend

• - eine Meßeinrichtung, mit der ein magnetisches Störfeld ge­ messen wird,
• - eine Feldspule (6), die außen um die Kammer (2) herum ange­ ordnet ist, und
• - einen Regler (10, 12, 14), der aufgrund des gemessenen Stör­ feldes einen Kompensationsstrom durch die Feldspule (6) treibt, so daß ein niederfrequentes magnetisches Störfeld in der Abschirmkammer (2) weitgehend kompensiert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Meßeinrichtung eine Induktionsspule (4) umfaßt, die parallel zur Feldspule (6) außen um die Abschirmkammer (2) angeordnet ist.

2. Magnetische Abschirmkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (4) von den Wänden der Abschirmkammer (2) beabstandet ist.

3. Magnetische Abschirmkammer nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Achse der Feldspule (6) und der Induktionsspule (4) vertikal ange­ ordnet ist.

4. Magnetische Abschirmkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (10, 12, 14) einen Regelverstärker (10) mit inte­ gralem Verstärkungsverlauf umfaßt.

5. Magnetische Abschirmkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (10, 12, 14) Entzerrer (18, 22) zum Entzerren des Fre­ quenzgangs der Induktionsspule (4) und der Feldspule (6) umfaßt.

6. Magnetische Abschirmkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (10, 12, 14) eine Gleichsignalgegenkopplung (12) aufweist, die mindestens einen Teil des Gleichanteils des Ausgangssingals (UA) des Reglers (22) auf seinen Eingang (18) gegenkoppelt.

7. Magnetische Abschirmkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichsignalgegen­ kopplung (12) eine integrale Charakteristik aufweist.

8. Magnetische Abschirmkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Ausgangssignals (UA) des Reglers (10, 12, 14) über eine Regelstreckennachbildung (14) auf seinen Eingang (18) mitgekoppelt ist.

9. Magnetische Abschirmkammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstreckennachbil­ dung (14) ein Bandpaßverhalten zeigt, dessen Grenzfrequenzen und dessen Amplitudengang einstellbar sind.

10. Magnetische Abschirmkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Messung von biomagnetischen Signalen verwendet wird.