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Elektrisches Messgerät zur Messung des Zeitintegrales kurzzeitiger einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechenden Impulsen
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Messgerät zur Messung des Zeitintegrals kurzzeitiger einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechenden Impulsen.
Zum Messen kurzzeitiger Stromstösse werden elektromechanische Geräte, sogenannte ballistische Galvanometer, verwendet.
Die bekannten ballistischen Galvanometer sind im wesentlichen Drehspulinstrumente, die mit einer verhältnismässig grossen Trägheitsmasse gebaut werden, um eine genügend lange Schwingungsdauer zu erzielen. Das drehbare System wird durch einen kurzen Stromstoss, der praktisch endet, bevor das Galvanometer seine Gleichgewichtslage verlässt, in Bewegung gesetzt. Bei. geeigneter Dämpfung entsteht ein aperiodischer Schwingungsverlauf, dessen maximaler Ausschlag dem Zeitintegral des Stromimpulses proportional ist. Es ist klar, dass die Form des erregenden Stromimpulses eine beliebige sein kann, denn sie hat keinerlei Einfluss auf das Verhalten des Systems. Es muss natürlich die Bedingung, dass die Dauer des Stromimpulses gegenüber der Sohwingungsdauer sehr kurz ist, erfüllt werden.
Die Verwendung von ballistischen Galvanometern kann auch auf das Messen von beliebigen andern Grössen erweitert werden, die durch das Zeitintegral eines Stromstosses darstellbar sind. So können auf diese Weise Kapazitäten, Selbstinduktivitäten und Gegeninduktivitäten gemessen werden. Vorzugsweise können mit der ballistischen Methode auch sehr kurze Zeitintervalle gemessen werden.
Schliesslich kann auch das Messen von sehr kleinen Strömen (wie z. B. in der Kernphysik erforderlich) mit der ballistischen Methode erfolgreich ausgeführt werden, u. zw. derart, dass mit, dem zu messenden Strom ein Kondensator von genau bestimmter Kapa- zität geladen und nach einer bestimmten Zeit mittels des ballistischen Galvanometers seine Ladung gemessen wird.
Trotz der angeführten Vorteile weisen jedoch die ballistischen Messgeräte gewisse Nachteile auf. Ballistische Galvanometer sind sehr empfindliche In- strumente, so dass zur Bedienung eine geschulte Person erforderlich ist. Aus diesem Grunde sind diese Instrumente ihrer Anwendung nach ausschliesslich Laboratoriumsgeräte und für die Ver- wendung in Betrieb und Prüffeld nicht geeignet Ein weiterer Nachteil der bestehenden ballistischer Galvanometer ist der Umstand, dass die Verbindung eines ballistischen Galvanometers mit elektronischer Apparaten besondere Vorsicht bei der Bedienung erfordert.
Diese Nachteile beseitigt die vorliegende Erfin dung, die eine Durchführung der ballistischer Messmethode mittels rein elektrischer Elemente er möglicht. Gemäss der Erfindung ist ein elektrische : Messgerät zur Messung des Zeitintegrals kurzzeiti ger, einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechen. den elektrischen Impulsen dadurch gekennzeichnet dass einem Parallelresonanzkreis, bestehend au@ Spule, Kondensator und Widerstand, welchem Kreise ein Vorschaltwiderstand vorgeschaltet ist, über der die zu messenden bzw.
dem Vorgang entsprechen den elektrischen Impulse zugeführt werden, unc einer Messeinrichtung zum Messen des die Spule durchfliessenden Stromes vorgesehen sind, wobei di ( Schaltelemente des Resonanzkreises so dimensionierl sind, dass der Wert des Ohmschen Widerstandes des Parallelreson'anzkreises gegenüber dem Werl des Vorschaltwiderstandes vernachlässigbar ist unc der Wert der Induktivität der Spule, ausgedrückt ir Henry, gegenüber dem Zahlenwert des Produkte aus der Kapazität des Kondensators, ausgedrückt ir Farad, und den beiden Widerständen, ausgedrückt in Ohm, vernachlässigbar klein ist, ferner dass dit Dauer des zu messenden Vorganges, ausgedrückt in Sekunden, kleiner ist als ein Zehntel des Zahlen.
wertes des Quotienten aus dem Wert der Indukti vität der Spule, ausgedrückt in Henry, und dem Wert des Ohmschen Widerstandes des Parallel resonanz kreises, ausgedrückt in Ohm, und dabe gleichzeitig die Dimensionierungbedingung für diE aperiodische Grenzdämpfung erfüllt ist, welche dit Gleichheit des Kapazitätswentes des Kondensators ausgedrückt in Farad, mit dem vierfachen Wert de Quotienten aus Induktivität der Spule, ausgedrückt in Henry, und des Quadrates des Ohmschen Wi derstandes des Parallelresonanzkreises,-awc"edrücki in Ohm zum Quadrat, fordert.
Die Verwendungsmöglichkeiten von rein elektri sehen ballistischen Geräten gemäss der Erfindung is
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mindestens ebenso umfangreich wie die der bekann- ten ballistischen Galvanometer. Dabei sind die Apparate gemäss der Erfindung sehr einfach, mechanisch widerstandsfähig, leicht beherrschbar und erfordern zur Bedienung kein geschultes Personal.
Ihr weiterer Vorteil beruht darin, dass sie nicht nur zum Messen von starken Stromstössen, die ein übliches ballistisches Galvanometer beschädigen könnten, sondern auch zum Messen von sehr kurzen, sonst schwer messbaren Impulsen verwendet werden können.
Die Erfindung geht von den folgenden theoretischen Erwägungen. aus :
Für die Bewegung des Systems eines elektromechanischen ballistischen Gerätes gilt die Gleichung : J#"+W#'+D#=F (t) (1) worin bedeutet : #...Winkelausschlag des drehbaren Systems des Gerätes (als Funktion der Zeit t) und cp''bzw. cp", dessen ersten und zweiten Differentialquotient.
F (t)...diedurchdenerregendenStromimpuls auf das Messsystem hervorgerufene Kraft (auch eine Funktion der Zeit t).
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Trägheitsmomenttische Dämpfung) und die Richtkraft, d. h. die durch das Drehmoment der Aufhängung hervorge- rufene Kraft, dem Ausschlag proportional'sind.
Ferner sind die Anfangswerte der Lösung der Gleichung (1) gleich Null vorausgesetzt, d. h. dass vor dem Eintreffen des Impulses F (t) sich das ganze System im Ruhezustand befindet. Damit dieses Gerät als ballistisches Galvanometer arbeitet, müssen die Konstanten J, W und D derart gewählt werden, dass die Bedingung des aperiodischen Grenzfalles erfüllt ist. Diese Voraussetzung wird erfüllt, wenn z. B. die Konstanten der folgenden Bedingung entsprechen :
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tivität 2, Kapazität 3 und Ohmschen Widerstand 4.
Unter Verwendung der Laplaceschen Transformation gilt für die dargestellte Schaltung das folgende System von Gleichungen Í1 (p) +ic (p) -i (p) (3a) p.2.il (p)+Ril(p)=uc(p)(3b)
1/pC.ic (p)=uc(p)(3c) Ri. i (p) +uc (p) =u (p) (3d) wo die folgenden konstanten Werte
L... Induktivität der Spule 2 " -
R... Wert des Widerstandes 4
C... Kapazität des Kondensators 3
Ri... Vert des Widerstandes 1 und die veränderlichen Werte u...Eintrittspannung des Systems i... Eintrittstrom des Systems Uc"'Spannung am Kondensator 3 ic... durch den Kondensator 3 fliessender Strom ie.. Strom in der Spule 2 (bzw. im Widerstand 4) p... komplexe Veränderliche der Laplaceschen Transformation vorkommen.
Aus den Gleichungen (3a), (3b), (3c) und (3d) kann die Laplace-Transfonnierte der Differentialgleichung des Stromkreises abgeleitet werden il(p) < p2CLRi+p(CRRi+L)+(Ri+R) > =u(p) (3) oder nach Rücktransformation in den t-Bereich
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quotienten des Stromes il nach der Zeit bedeuten.
Da die Gleichung (4) denselben Charakter wie die Gleichung (l) hat, kann der Stromkreis gemäss Fig. l als eine elektrische Analogie des ballistischen Galvanometers betrachtet werden. Ebenso wie für das mechanische System gemäss der Gleichung (l) die Bedingung (2) erfüllt werden muss, ist es notwendig auch der analogen Bedingung für die Konstanten in der Gleichung (4) zu entsprechen, damit das System gemäss Fig. 1 wirklich ballistischen Cha- raktsr aufweist.
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zieht, was bisher bei einem elektromechanischen ballistischen Apparat nicht der Fall war.
In Fig. 2 ist eine übliche Form eines Impulses dargestellt, dessen Gesamtdauer t1 Sekunden beträgt. In diesem Falle muss den folgenden Voraussetzungen entsprochen werden :
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wobei t,... die Dauer des Impulses bedeutet
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Durch Lösung der Gleichungen'für den Fal einer aperiodischen Grenzdämpfung ergibt sich die folgende Bedingung :
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Die Gleichungen (5), (6), (7) und (8) sind sehr wichtig und ermöglichen das Bemessen von balii stischen Stromkreisen gemäss der Erfindung.
. Ausführungsbeispiele von ballistischen Strom kreisen gemäss der vorliegenden Erfindung sind ir Fig. 3 und 4 der beigefügten Zeichnungen schema tisch. dargestellt, wobei dieselben Bezugszeicher analoge Elemente bezeichnen.
In Fig. 3 ist der aus Elementen 2, 3 und 4 be stehende ballistische Stromkreis in den Anodenlrei der- Elektronenröhre 5 geschältet, deren innerer Widerstand dem Widerstand I' (in Fig. I) mit den Wert Ri entspricht. Dem Signal u(t) (in Fig. 1
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35entspricht dann eine Spannung p,. ug (t), wo u=g (t) die Steuerspannung auf dem ersten Gitter der Elektronenröhre 5 und j. t deren Verstätkungsfaiktor ibe- deutet. Der Strom ii (t) wird mittels der Oszillographenschleife 6 gemessen, deren Widerstand zu dem Wert des Widerstandes 4 addiert werden muss. Der Anodenruhestrom icao wird durch einen Kompensationsstrom i. komp kompenisert.
Eine andere Schaltungsvariante ist in Fig. 4 dargestellt, wobei der Spannungsabfall ua (t) am Widerstand 4 gemessen wird. Dieses Signal wird über einen Kondensator 7 dem Verstärker 8 zugeführt und nach Verstärkung durch das Oszilloskop 9 angezeigt.
Ausser diesen angeführten Schaltungen ist eine ganze Reihe von weiteren Modifikationen möglich, von welchen keine aus dem Rahmen der Erfindung fällt, insofern ein elektrischer (ballistischer) Stromkreis gebildet wird, dessen charakteristische Gleichung der Gleichung (l) analog ist und wenn die Information bezüglich der Grösse des gemessenen Impulses durch Messen des maximalen Ausschlages des Stromverlaufes in einem Element der Schaltung erhalten wird.
Die Erfindung bietet daher eine bedeutende Vervollkommnung der ballistischen Messmethode. Dadurch, dass die Apparate gemäss der Erfindung wesentlich einfacher und leichter bedienbar sind als die bestehenden Apparate und dass auch, die Verwendbarkeit bedeutend erweitert ist, kann man deren intensive wirtschaftliche Ausnützung voraussetzen. Insbesondere werden die Apparate gemäss der Erfindung einen'erwünschten Beitrag zur Technik der Kernforschung beim Messen sehr schwacher elektrischer Ströme und auf andern Gebieten, wo sehr kurze Zeitintervalle gemessen werden müssen, bilden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Messgerät zur Messung des Zeitintegrals kurzzeitiger, einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechenden elektrischen Impulsen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parallelresonanzkreis, bestehend aus Spule (2), Kondensator (3) und Widerstand (4), welchem Kreis ein Vorschaltwiderstand vorgeschaltet ist, über den die zu messenden bzw.
dem Vorgang entsprechenden elektrischen Im- pulse (M) zugeführt werden, und eine Messeinrich- tung zum Messen des die Spule (2) durchHiessen- den Stromes (ij vorgesehen sind, wobei die Schalt elemente des Resonanzkreises so dimensioniert sind dass der Wert (R) des Ohmschen Widerstandes (4 des Parallelresonanzkreises gegenüber dem Wer (RJ des Vorschaltwiderstandes (1) vernachlässigba ist und der Wert der Induktivität (L) der Spule (2) ausgedrückt in Henry, gegenüber dem Zahlenwer des Produktes (C. R.
R ) aus der Kapazität (C, des Kondensators (3), ausgedrückt in farad, une den beiden Widerständen (R und RJ (1 und 4) ausgedrückt in Ohm, vernacMässigbar klein ist ferner dass die Dauer des zu messenden Vorgänge : (tj, ausgedrückt in Sekunden, kleiner ist als eir
Zehntel des Zahlenwertes des Quotienten aus den :
Wert der Induktivität (L) der Spule (2), ausge- drückt in Henry, und dem Wert (R) des Ohmschen
Widerstandes (4) des Paralleliesonanzkreises, aus- gedrückt in Ohm, und dabei gleichzeitig die Di- mensionierungsbedingung für die periodische Grenzdämpfung erfüllt ist, welche die Gleichheit des Kapazitätswertes (C) des Kondensators (3), aus- gedrückt in Farad, mit dem vierfachen Wert des
Quotienten aus Induktivität (L) der Spule (2), aus- gedrückt in Henry, und des Quadrates (R2) des Ohmschen Widerstandes des Parallelresonanzkreises (4), ausgedrückt in Ohm zum Quadrat fordert (Fig. l und 2).
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Electrical measuring device for measuring the time integral of short-term, one-off processes or the corresponding pulses
The invention relates to an electrical measuring device for measuring the time integral of short-term one-time processes or pulses corresponding to them.
Electromechanical devices, so-called ballistic galvanometers, are used to measure brief current surges.
The known ballistic galvanometers are essentially moving-coil instruments which are built with a relatively large inertial mass in order to achieve a sufficiently long period of oscillation. The rotating system is set in motion by a short current surge, which practically ends before the galvanometer leaves its equilibrium position. At. suitable damping results in an aperiodic waveform whose maximum deflection is proportional to the time integral of the current pulse. It is clear that the form of the exciting current pulse can be any shape, because it has no influence on the behavior of the system. Of course, the condition that the duration of the current pulse is very short compared to the vibration duration must be met.
The use of ballistic galvanometers can also be extended to the measurement of any other quantities that can be represented by the time integral of a current surge. In this way, capacities, self-inductances and mutual inductances can be measured. The ballistic method can preferably also be used to measure very short time intervals.
Finally, the measurement of very small currents (as required in nuclear physics, for example) can also be carried out successfully with the ballistic method. in such a way that the current to be measured is used to charge a capacitor of precisely defined capacity and, after a certain time, its charge is measured using the ballistic galvanometer.
Despite the stated advantages, however, the ballistic measuring devices have certain disadvantages. Ballistic galvanometers are very sensitive instruments, so that a trained person is required to operate them. For this reason, these instruments are only used in laboratory equipment and are not suitable for use in the factory or test field. Another disadvantage of the existing ballistic galvanometers is the fact that the connection of a ballistic galvanometer with electronic devices requires special care during operation.
These disadvantages are eliminated by the present invention, which enables the ballistic measurement method to be carried out using purely electrical elements. According to the invention, an electrical: measuring device for measuring the time integral is short-term, one-time processes or corresponds to them. the electrical pulses characterized in that a parallel resonance circuit, consisting of coil, capacitor and resistor, which circuit is preceded by a series resistor, via which the to be measured or
The electrical impulses corresponding to the process are supplied, and a measuring device for measuring the current flowing through the coil is provided, whereby the switching elements of the resonance circuit are dimensioned so that the value of the ohmic resistance of the parallel resonance circuit is negligible compared to the value of the series resistance unc the value of the inductance of the coil, expressed in Henry, compared to the numerical value of the product of the capacitance of the capacitor, expressed in Farad, and the two resistances, expressed in ohms, is negligibly small, furthermore that the duration of the process to be measured, expressed in Seconds, is less than a tenth of the number.
value of the quotient from the value of the inductance of the coil, expressed in Henry, and the value of the ohmic resistance of the parallel resonance circuit, expressed in ohms, and that at the same time the dimensioning condition for the aperiodic limit damping is fulfilled, which equals the capacitance of the capacitor expressed in Farads, with four times the value of the quotient of the inductance of the coil, expressed in Henry, and the square of the ohmic resistance of the parallel resonance circuit, -awc "edrücki in ohms squared, demands.
The possible uses of purely electrical ballistic devices according to the invention is
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at least as extensive as the well-known ballistic galvanometer. The apparatuses according to the invention are very simple, mechanically resistant, easy to control and do not require trained personnel to operate them.
Their further advantage is that they can be used not only for measuring strong current surges that could damage a conventional ballistic galvanometer, but also for measuring very short, otherwise difficult to measure pulses.
The invention is based on the following theoretical considerations. out :
The following equation applies to the movement of the system of an electromechanical ballistic device: J # "+ W # '+ D # = F (t) (1) where: # ... angular deflection of the rotatable system of the device (as a function of time t) and cp "or cp", its first and second differential quotient.
F (t) ... the force caused by the exciting current pulse on the measuring system (also a function of time t).
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Moment of inertia damping) and the straightening force, d. H. the force caused by the torque of the suspension are proportional to the deflection.
Furthermore, the initial values of the solution to equation (1) are assumed to be zero, i.e. H. that before the impulse F (t) arrives, the whole system is in a state of rest. For this device to work as a ballistic galvanometer, the constants J, W and D must be selected in such a way that the condition of the aperiodic limit case is fulfilled. This requirement is met if z. B. the constants meet the following condition:
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activity 2, capacitance 3 and ohmic resistance 4.
Using Laplace's transformation, the following system of equations Í1 (p) + ic (p) -i (p) (3a) p.2.il (p) + Ril (p) = uc (p) applies to the circuit shown (3b)
1 / pC.ic (p) = uc (p) (3c) Ri. I (p) + uc (p) = u (p) (3d) where the following constant values
L ... inductance of coil 2 "-
R ... value of resistance 4
C ... capacitance of the capacitor 3
Ri ... Vert of resistor 1 and the variable values u ... Entry voltage of system i ... Entry current of system Uc "'Voltage across capacitor 3 ic ... current flowing through capacitor 3 ie .. current in coil 2 (or in the resistor 4) p ... complex variables of the Laplace transformation occur.
The Laplace transform of the differential equation of the electric circuit can be derived from equations (3a), (3b), (3c) and (3d) il (p) <p2CLRi + p (CRRi + L) + (Ri + R)> = u (p) (3) or after transforming back into the t-range
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quotients of the current il mean according to time.
Since equation (4) has the same character as equation (l), the circuit according to FIG. 1 can be regarded as an electrical analogy of the ballistic galvanometer. Just as condition (2) must be fulfilled for the mechanical system according to equation (1), it is also necessary to comply with the analogous condition for the constants in equation (4) so that the system according to FIG. 1 really ballistic cha - has raktsr.
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pulls what was previously not the case with an electromechanical ballistic apparatus.
In Fig. 2, a conventional form of a pulse is shown, the total duration of which is t1 seconds. In this case, the following requirements must be met:
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where t, ... means the duration of the pulse
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Solving the equations for the case of an aperiodic limit damping results in the following condition:
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The equations (5), (6), (7) and (8) are very important and allow the dimensioning of ballistic circuits according to the invention.
. Embodiments of ballistic circuits according to the present invention are ir Fig. 3 and 4 of the accompanying drawings schematically. shown, the same reference numerals denoting analogous elements.
In Fig. 3 of the elements 2, 3 and 4 be standing ballistic circuit in the Anodenlrei of the electron tube 5 is peeled, the internal resistance of which corresponds to the resistance I '(in Fig. I) with the value Ri. The signal u (t) (in Fig. 1
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35 then corresponds to a voltage p i. ug (t), where u = g (t) is the control voltage on the first grid of the electron tube 5 and j. t their gain factor. The current ii (t) is measured by means of the oscilloscope loop 6, the resistance of which must be added to the value of the resistor 4. The anode quiescent current icao is compensated by a compensation current i. comp competent.
Another circuit variant is shown in FIG. 4, the voltage drop ua (t) across the resistor 4 being measured. This signal is fed to the amplifier 8 via a capacitor 7 and is displayed after amplification by the oscilloscope 9.
In addition to these circuits, a number of other modifications are possible, none of which fall within the scope of the invention, provided that an electrical (ballistic) circuit is formed whose characteristic equation is analogous to equation (1) and if the information relating to the size of the measured pulse is obtained by measuring the maximum deflection of the current curve in an element of the circuit.
The invention therefore offers a significant improvement in the ballistic measurement method. Because the apparatus according to the invention are much simpler and easier to operate than the existing apparatus and that the usability is also significantly expanded, one can assume that they will be used intensively and economically. In particular, the apparatus according to the invention will make a desirable contribution to the technique of nuclear research when measuring very weak electrical currents and in other areas where very short time intervals have to be measured.
PATENT CLAIMS:
1. Electrical measuring device for measuring the time integral of short-term, one-off processes or electrical pulses corresponding to these, characterized in that a parallel resonance circuit, consisting of coil (2), capacitor (3) and resistor (4), which circuit is preceded by a series resistor, via which the to be measured resp.
electrical impulses (M) corresponding to the process are supplied, and a measuring device for measuring the current (ij flowing through the coil (2)) is provided, the switching elements of the resonance circuit being dimensioned so that the value (R) of the ohmic resistance (4 of the parallel resonance circuit compared to the value (RJ of the series resistor (1)) and the value of the inductance (L) of the coil (2) expressed in Henry, compared to the numerical value of the product (CR
R) from the capacitance (C, of the capacitor (3), expressed in farads, and the two resistances (R and RJ (1 and 4) expressed in ohms), furthermore, the duration of the process to be measured is negligibly small: (tj, expressed in seconds, is less than eir
Tenth of the numerical value of the quotient from:
Value of the inductance (L) of the coil (2), expressed in Henry, and the value (R) of the ohmic
Resistance (4) of the parallel resonance circuit, expressed in ohms, and at the same time the dimensioning condition for the periodic limit damping is fulfilled, which equals the capacitance value (C) of the capacitor (3), expressed in farads, with four times Value of
Quotient of inductance (L) of coil (2), expressed in Henry, and the square (R2) of the ohmic resistance of the parallel resonance circuit (4), expressed in ohms squared (Fig. 1 and 2).