-
Anordnung zur störungsfreien Ableitung elektrischer Spannungen an
räumlich ausgedehnten Meß objekten
Die Aufgabe, kleine elektrische Spannungen an
räumlich ausg/edehaten Meß objekten festzustellen, tritt besonders bei der diagnostischen
Auswertung elektrobiologischer Aktionsspannungen des menschlichen Körpers awf. Infolge
des Vorhandenseins von Wechselspannungsnetzen ist es kaum zu vermeiden, daß in einem
so ausgedelmten Meßobjekt wie dem menschlichen Körper lerhebliche Wechselspannungen
kapazitiv eingestreut werden. Bei einem isoliert aufgestellten Körper tritt diese
Störspannung als gemeinsame Spannung des ganzen Körpers gegen Erde auf. Die Körperoberfläche
kann hierbei in erster Näherung als Äquipotentlaifläche angesehen werden, da der
innere Widerstand des menschlochen Körpers in der Regel als klein gegenüber den
kapazitiven Blindwiderständen zwischen Netz und Körper und zwischen Körper und Erde
angenormen werden kann. Durch diese allen Punkten des Körpers gemeinsame Spannung
gegen Erde wird eine Messung von Spannungsdifferenzen zwischein einzelnen Punkten
des Körpers, die durch innere bioelektrische Vorgänge entstehen, prinzipiell nicht
beeinträchtigt. Die gebräuchlichen Meßanordnungen, insbesondere Verstärkerschaltungen,
sind aber meist geerdet bzw.- besitzen eine erhebliche Eigenkapazität gegen Erde,
die in der gleichen Größenanordaung wie die Kapazität des Körpers liegt. Ist eine
Klemme des angeschlossenen Verstärkers geerdet, so fließt der gesamte Ladestrom
vom Netz über die Netz-Körper-Kapazität in diese Klemme ab. Am inneren Widerstand
des Körpers verursacht dieser Ladestrom einen entspoechenden
Spannungsabfall,
der sich der im Körper erzeugten Nutzsp anmmg überlagert. Zur Vermeidung dieser
Störung sind zahlreiche Anordnungen vorgeschlagen worden. So kann man beide Meßpunkte
des Körpers zu den Gittern der Erngangsröhren eines Gegentaktverstärkers führen,
dessen Kathoden geerdet sein können. Dann fließt zwar über den Verstärker kein nennenswerter
Teil des kapazitiven Ladestromes gegen Erde ab, die zwischen Körper und Erde bestehende
Spannung tritt aber dann an beiden Gittern des Verstärkereinganges als gemeinsame
Steuerspannung auf. Zu deren Beseitigung wird häufig der Körper an einem dritten
Punkt geerdet. Dadurch erhöht sich aber der gesamte durch den Körper fließende Ladestrom,
da die Körper-Erd-Kapazität kurzgeschlossen wird, so daß der Ladestrom allein durch
die Kapazität Körper gegen Netz bestimmt wird. Diese Erhöhung des kapazieinen Ladestromes
durch den Körper bewirkt einen entsprechen den Spannungsabfall am Irmenwiderstand
des Körpers. Dieser Spannungsabfall tritt an den Gittern der Verstärkereingangsröhren
als gemeinsame Aussteuerung in bezug auf Erde auf und kann so hoch werden, daß eine
Ühersteuerung des Verstärkers bzw. eine Störung der Anzeigegeräte erfolgt. Es sind
deshalb besondere Schaltungen zur Trennung dieser Störspannung von der Nutzspannung
angegeben worden, die in einer nachfolgenden Stufe des Verstärkers oder im Anzeigegerät
eine Differenzbildung der verstärkten Steuerspannungen der beiden Eingangsgitter
vornehmen.
-
Diese angegebenen Schwierigkeiten würden alle nicht auftreten, wenn
es gelänge, ein Meß- und Anzeigeinstrument zu schaffen, an das folgende Forderungen
zu stellen sind: I. Die Erdkapazität des Anzeigeinstrumentes muß so klein sein,
daß sie gegenüber der Erdkapazität des Körpers' vernachlässigt werden kann. Dadurch
wird erreicht, daß die über den Körper vom Netz gegen Erde fließenden kapazitiven
Ladeströme durch den Anschluß des Meßgerätes nicht gestört werden, die Körperoberfläche
somit noch als Åquipotentialfläche im elektrischen Peld zwischen Netz und Erde angesehen
werden kann.
-
2. Ferner muß das Meßgerät so beschaffen sein, daß seine Arbeitsweise
durch die Störspannung zwischen Körper und Erde nicht beeinflußt wird, so daß es
lediglich auf Spannungsunterschiede zwischen seinen Eingangsklemmen anspricht, die
an die .Meßpunkte des Körpers gelegt werden.
-
Diese gestellten Forderungen werden von den bekannten Meßgeräten,
die die nötige Emptindlich keit besitzen, nur von den Seitengalvanometern bis zu
einem gewissen Grad erfüllt, wobei jedoch der niedrige Eingangswiderstand und der
beschränkte Frequenzbereich sehr stören.
-
Ziel Zder Erfindung ist, ein Gerät zu schaffen, das die geschilderten
Forderungen vollkommen erfüllt und gleichzeitig genügend hohen Eingangswiderstand
(über I05 Ohm) besitzt und in seinem Frequenzb ereich keinen Einschränkungen unterliegt.
-
Zu diesem Zweck wird unter Verwendung von an sich bekannten Anordnungen
der Trägerfrequenztechnik mit einem geeignet konstruierten Ring- oder Gegentaktmodulator
die zu messende Spannung einer Trägerfrequenz aufmoduliert. Die modulierte Trägerfrequenz
wird verstärkt und gleichgerichtet.
-
Die Meß- und Registriergeräte können dann an den Ausgang des Gleichrichters
angeschlossen werden.
-
Die trägerfrequente Verstärkung von elektrobiologischen Aktionsspannungen
ist an sich bekannt, ihre Anwendung erfolgte jedoch entweder, um mit einem Verstärker
gleichzeitig mehrere derartige Vorgänge übertragen zu können, wobei der Verstärker
gleichzeitig als Niederfrequenzverstärker mitbenutzt wird, oder zu dem Zweck, ein
breiteres Frequenzband störungsEei übertragen zu können, als dies mit gewöhnlichen
Niederfrequenzverstärkern möglich ist, oder um den Aufwand an Stabilisierungsräitteln
für den Verstärker zu verringern. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine
besondere Ausfühtangsform des Modulators angegeben, die unter Verwendung bekannter
Schaltmittel und Anordnungen den gestellten Forderungen 1 und 2 entspricht.
-
Abb. I zeigt einen Gegentaktmodulator in der gebräuchlichen Schaltung.
-
Die Zuführung der Trägerfrequenz erfolgt über die Wicklung 1 des
Eingangsübertragers 1 1. Diese ist durch den statischen Schirm 4 von den Seloundärwicklungen
2 und 3 abgeschirmt. Deren Kapazität gegenüber dem Schirm ist durch geeignete konstruktive
Maßnahmen bekannter Art möglichst klein zu halten. Der Patient liegt zwischen den
Klemmen II und 12 und ist gegebenenfalls durch einen für die Trägerfrequenz genügend
nieder ohmigen Kondensator zu überbrücken. Der Ausgangsübertrager 12 ist ebenfalls
mit einem Schirm 8 versuchen, der gegenüber den Primärwickllmgen 5, 6 möglichst
geringe Kapazitäten aufweist. Die Gesamtkapazitäten der Wicklungen 2, 3 gegen Schirm
4 und der Wicklungen 5, 6 gegen Schirn 8 sollen möglichst kleiner gehalten werden
als die Gesamtkapazität des Körpers gegen- Erde, also höchstens in der Größenordnung
von einigen 10 bis IoopF.
-
Die durch den großen notwendigen Abstand der modulatorseitigen Wicklungen
der Übertrager hervorgerufene Streuung bewirkt eine Verschlechterung des Wirkungsgrades
gegenüber Anordnungen mit fest gekoppelten Üb ertra gern. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß
dadurch behoben daß man die Übertrager 11 und I'2 als abgestimmte Resonanzübertrager
ausführt, so daß diese nach Art eines Rundfunkbandfilters dimensioniert werden können.
-
Dann kann auf die Verwendung geschlossener Eisenkerne verrichtet werden,
und die Primär- und Sekundärwicklungen können auf Spulenkörper gewickelt werden,
zwischen denen ein Abschirmblech so angebracht werden kann, daß es zwar eine statische
Abschirmung, aber noch eine genügende magnetische Kopplung zwischen den Kreisen
gestattet.
-
Die Schaltung eines solchen Modulators erfolgt dann zweckmäßig nach
Abb. 2. Die Trägerfrequenzspannung wird über einen Gleichtaktübertrager mit den
Wicklungen I und 2 und dem statischen Schirm 4 zugeführt. Die Modulatoren g und
10 müssen deshalb in Reihe geschaltet werden. Die
Meßspannung liegt
zwischen den Klemmen II und 12, die durch eine entsprechende Kapazität des Meßobjektes
und dessen Gleichstromwidarstand überbrückt zu denken sind. Die Wicklungen 5 und
6 des Ausgangsübertragers werden so angeordnet, daß sie voneinander möglichst entkoppelt,
aber je einzeln mit der Ausgangswicklung 7 fester gekoppelt sind. Eine mögliche
Anordnung dieser Spulen zeigt Abb. 3. Durch Verschieben der Spulenabstände kann
leicht eine Symmetrierung und damit eine vollkommene Trägerunterdrückung erzielt
werden, sofern diese erwünscht ist. Bei dieser Schaltung tritt gelegentlich das
Bedürfnis auf, die Wirkung einer vom Meßobjekt abgegebenen Gleichspannung, die das
Brückengleichgewicht verschiebt, auszugleichen. Dies geschieht nach Abb. 4 durch
einen Widerstand 18, der in die Verbindungsleitung der Wicklungen 5 und 6 gelegt
und für den Trägerwechselstrom durch die Kondensatoren 19 und 20 überbrückt wird.
-
Wenn mit vollständiger Trägerunterdrückung gearbeitet wird, ist es
nötig, die Gleichrichtung der verstärkten Zwischenfrequenz in einem phasenempfindlichen
Gleichrichter mit bekannter Schaltung vorzunehmen. Da die gebräuchlichen Diodenschaltungen
aber nnr geringe Empfindlichkeit besitzen, wird vorgeschlagen, den phasenempfindlichen
Gleichrichter mit Mehrgitterverstärkerröhren aufzubauen. Eine besonders wirksame
und stabile Anordnung gibt Abb. 5. Die ersten Steuergitter 2I, 22 zweier Mehrgitterröhren,
z. B. Pentoden 3I, 32, werden parallel mit der Ausgangsspannung des Trägerfrequenzverstärkers
beaufschlagt. Die zweiten Steuergitter 25, 26 werden im Gegentakt mit der Spannung
des Trägerfrequenzoszillators gesteuert. Die Ausgangsgleichspannung wird an den
Anodenwiderständen 29, 30 zwischen den Klemmen 23, 24 abgenommen. Es ergibt sich
eine einfache und stabile Schaltung, wenn die Schirmgitter genügend steiler Pentoden
als zweite Steuergitter 25, 26 verwendet werden. Wenn die an der Wicklung 27 auftretende
Trägerspannung genügend groß ist (einige Volt), kann auf eine Schirmgittergleichspannung
verzichtet werden.