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Verfahren zur Messung des Zeitintegrals I't einer elektrischen Größe
A (t)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Zeitintegrals
einer zeitabhängigen elektrischen Größe A (t) über ein bestimmtes Zeitintervall
d t = t2 - t,, wobei die Messung nach einem an sich bekannten Summations-
oder Integrationsverfahren durchgeführt wird. Die elektrische Größe A (t)
kann beispielsweise ein zeitlich veränderlicher Strom oder eine Spannung sein. Dabei
kann es sich auch um elektrische Impulse handeln, deren Strom- oder Spannungszeitintegral
gemessen werden soll. Treffen insbesondere in irgendwie gearteter Folge (z. B. statistisch
verteilt) Impulse konstanten Energieinhalts ein, wie sie etwa von einem Zählrohr
zur Messung radioaktiver Strahlen geliefert werden, so läßt sich über die Messung
des Stromzeitintegrals auch die Anzahl der eintreffenden Impulse bestimmen.
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Zur Summationsmessung läßt sich jede bekannte Integrationseinrichtung
verwenden. Beispielsweise kann ein Kondensator verwendet werden, dessen in einem
vorgegebenen Zeitintervall 4t = t2 - t, aufgelaufene Ladungsmenge
gemessen wird. Ebenso lassen sich alle bekannten Arten von integrierenden Verstärkern
zur Messung heranziehen. Im Falle der Messung von Impulsen können z. B. auch elektronische
oder elektromagnetische Impulszähler verwendet werden, wobei die eintreffende Impulszahl
in dem Zeitintervall d t = t2 - t, ermittelt wird.
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Bei den bekannten Verfahren zur Messung des Zeitintegrals
einer elektrischen Größe A(t) war man bisher stets bestrebt, die Integrationszeit
4 t = t2 - t, möglichst konstant zu halten. Diese Verfahren liefern
so lange richtige Ergebnisse, als die Summations- bzw. Integrationsmeßeinrichtung
keine Fehler durch irgendwelche störenden Einflüsse, beispielsweise durch Schwankung
der Betriebsspannung der Meßeinrichtung, zeigt. Hängt jedoch das Meßergebnis von
der Höhe der Betriebsspannung ab, wie beispielsweise bei den üblichen Zählrohren
zur Messung radioaktiver Strahlung, so ergeben sich bei konstanter Meß- oder Integrationszeit
Meßfehler bei der Bestimmung des Zeitintegrals
Zur Vermeidung dieser Fehler wird nach der Erfindung die Betriebsspannungsabhängigkeit
der elektrischen Meßanordnung durch eine entgegengesetzte gleiche Betriebsspannungsabhängigkeit
der die Integrationszeit bestimmenden Einrichtung kompensiert.
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Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird zur Festlegung
der Integrationszeit t2 - t, ein Kondensator verwendet, der von der Betriebsspannung
der Meßanordnung über einen Widerstand so weit aufgeladen wird, bis er eine bestimmte
Spannung, beispielsweise die Zündspannung einer parallel geschalteten Glimmröhre
erreicht hat.
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Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Integrationszeit
durch Abzählen einer vorgegebenen Anzahl von Schwingungsperioden eines Wechselstromgenerators
festgelegt, dessen Frequenz in geeigneter Weise von der Betriebsspannung abhängig
gemacht wird.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Abb. 1 zeigt in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel für eine
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Meßanordnung, Abb.2 ein vereinfachtes
Schaltbild eines Meßgerätes für ionisierende Strahlen, bei dem das erfindungsgemäße
Verfahren benutzt wird, und Abb.3 das vollständige Schaltbild eines Gerätes, das
von dem erfindungsgemäßen Verfahren Gebrauch macht.
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In Abb. 1 sind die Ausgangsklemmen der Stromversorgungseinrichtung
für eine Meßanordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit l bezeichnet. Von der an den Anschlußklemmen 1 anliegenden Betriebsspannung
wird ein Gleichspannungsumformer 2 für die Erzeugung der Betriebsspannung eines
Zählrohres 3 gespeist. Die än dem Widerstand 4 auftretenden, im Zählrohr.3 bei einer
bestimmten einfallenden Strahlungsintensität ausgelösten Impulse, die als Spannungsstöße
am Widerstand 4 abgegriffen werden, werden über einen Zeitschalter 5 dem
Zählgerät 6 oder Integriergerät 6 zugeführt. Die Messung erfolgt im einfachsten
Falle so, daß durch Einschalten des Zeitschalters 5 die am Widerstand 4 auftretenden
Spannungsimpulse dem Zählgerät 6 zugeführt werden. Nach einer bestimmten Zeitdauer
4t = t. - t, wird durch den Zeitschalter 5 die Zuführungsleitung vom
Widerstand 4 zum Zählgerät 6 unterbrochen. Die Anzahl der im Zeitintervall
At aufgetretenen Spannungsimpulse ist dann am Zählgerät 6 ablesbar. War während
der Meßdauer d t die Betriebsspannung höher als ihr Nennwert, so lag auch
am Zählrohr 3 eine entsprechend höhere Spannung. Da die Zählrohrcharakteristik der
üblichen zur Strahlungsmessung verwendeten Auslösezählrohre auch im Plateau des
Auslösebereiches noch eine gewisse, wenn auch geringe Neigung aufweist, muß auch
der Meßwert, d. h. die Zahl der in der Zeiteinheit ausgelösten Impulse, größer sein,
als dies bei normaler Betriebsspannung der Fall gewesen wäre. Der auf diese Weise
durch zu hohe Betriebsspannung entstandene Fehler wird ausgeglichen, indem die wahre
Meßdauer 4 t durch den Zeitschalter 5 automatisch um so viel kürzer als die »Nennzeit«
gemacht wird, daß die Zunahme der Impulsrate kompensiert wird. Bei zu geringer Betriebsspannung
wird die Meßdauer in entsprechender Weise länger als die »Nennzeit«. Selbstverständlich
tritt diese Kompensation nur dann vollständig ein, wenn die Spannungsabhängigkeiten
des Zählgeräts 6 und Zeitgebereinrichtung 5 entgegengesetzt gleich sind, was nicht
ohne weiteres der Fall sein wird.
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Abb. 2 zeigt, mit welchen Mitteln bei einer Meßanordnung, die von
dem erfindungsgemäßen Verfahren Gebrauch macht, die erstrebte Kompensation beispielsweise
eingestellt werden kann. 8 ist eine Gleichspannungsquelle für den Betrieb einer
Meßanordnung für ionisierende Strahlungen mittels eines Zählrohres. Mittels einer
Kette von Stabilisatoren 9 wird die für den Betrieb des Zählrohres 10 benötigte
Betriebsspannung teilweise stabilisiert. Sie wird an den Schleifern der Potentiometer
11 und 12 abgegriffen. Da Schwankungen der Spannung der Gleichspannungsquelle
8 praktisch an der Serienschaltung der Potentiometer 11 und 12 mit
dem Widerstand 13 liegen, läßt sich durch Wahl der Stellung der Schleifer der Potentiometer
11 und 12 der Grad der Stabilisierung der Zählrohrspannung einstellen.
In entsprechender Weise wird die Betriebsspannung für den Zeitschalter oder die
Zeitmeßeinrichtung 15 an den Potentiometern 12a und 14 abgegriffen. Sorgt
man dafür, daß der Spannungsabfall an dem Potentiometer 12a bei Nennspannung der
Spannungsquelle 8 der Spannung am Stabilisator 9 gleich ist, so können die beiden
Schleifer, wie in der Abb. 2 gestrichelt eingezeichnet ist, mechanisch gekoppelt
werden. Eine Verstellung der Schleifer ergibt dann bei Vorliegen der Nennspannung
an der Gleichspannungsquelle 8 keine Änderung der Betriebsspannung; am Zeitschalter
15 auftretende Spannungsschwankungen machen sich je nach Schleiferstellung
mehr oder weniger stark bemerkbar. Verwendet man zur Festlegung der Meßzeit beispielsweise
einen Kondensator, der über einen Widerstand aufgeladen wird und bei dem die Zeit,
in der der Kondensator eine bestimmte Spannung erreicht, die Meßzeit 4 t bestimmt,
so wird man - entsprechend der an sich geringen Neigung des Plateaus des Zählrohres
10 - eine verhältnismäßig schwach mit der Betriebsspannung schwankende Versorgungsspannung
an den Potentiometern 12a und 14 abgreifen.
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Bei Messungen über längere Zeit ist die Benutzung einer Widerstands-Kondensator-Kombination
unzweckmäßig. An ihre Stelle tritt dann zweckmäßig ein Wechselstromgenerator, z.
B. ein RC-Generator, dessen Frequenz von der Betriebsspannung abhängt. Die Zeitmessung
kann dann durch Zählung einer bestimmten Anzahl von Schwingungen erfolgen. Dies
ist z. B. der Fall, wenn mit der erzeugten Wechselspannung eine Synchronuhr betrieben
wird, die gegebenenfalls auch als Schaltuhr ausgebildet sein kann.
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Das Schaltbild in Abb.3 zeigt als Anwendungsbeispiel ein tragbares
Gerät zur Messung radioaktiver Strahlung, bei dem sich neben der Einsparung einer
Stoppuhr bzw. einer Schaltuhr und der Erleichterung der Bedienung im praktischen
Betrieb insbesondere für ungeschultes Personal durch das erfindungsgemäße Verfahren
eine Erhöhung der Meßgenauigkeit ergeben hat. Den Ausgangspunkt für das Gerät bildet
eine an sich bekannte Schaltung mit einem Glimmrelais, welches über eine Untersetzungseinrichtung
mittelbar von den Zählrohrimpulsen zum Ansprechen gebracht wird und dadurch ein
Zählwerk jeweils um eine Einheit weiterschaltet. 17 bedeutet einen Gleichspannungsumformer.
Er wird von der Spannungsquelle 18, die über den Schalter 19 an den Gleichspannungsumformer
17 gelegt werden kann, versorgt. Er enthält eine Transistor-Schwingschaltung, die
nicht selbst anschwingend ist. Damit das Schwingen einsetzt und die Spannungsumformung
beginnt, muß die Schwingschaltung gestartet werden. Dies geschieht durch den Startknopf
20. Die Ausgangsspannung gelangt von dem Klemmenpaar 21 an die aus den Stabilisatorröhren
22 und dem Widerstand 23 bestehende Spannungs-Stabilisiereinrichtung.
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Der mit 24 bezeichnete, gestrichelt umrandete Teil der Schaltungsanordnung
stellt die Einrichtung für die Ermittlung der elektrisch gemessenen Größe, im vorliegenden
Fall die Zahl der Zählrohrimpulse, dar. Der ebenfalls umrandete Teil 25 enthält
im wesentlichen die Zeitgebereinrichtung.
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Die Arbeitsweise der gesamten Einrichtung ist wie folgt: In der Ausgangsstellung
steht der Schalter 19 in der Schaltstellung »Aus«. Von den durch einen Schalter
betätigten Kontakten 26', 26" und 26"' sind die Kontakte 26' und 26"' in der Ausgangsstellung
offen und der Kontakt 26" geschlossen. Dadurch wird der zeitbestimmende Kondensator
27 über den Widerstand 28 entladen. Gegebenenfalls ist der Zähler 29 vor Beginn
der Messung noch auf Null zu stellen. Ist der Schalter 19 eingeschaltet worden,
so schwingt der Spannungswandler 17 durch kurzzeitige Betätigung des Startknopfes
20 an. Über den Widerstand 30 wird der Kondensator 31 aufgeladen, der den Zählimpuls
des Zählwerkes 29 bis zur Auslösung des Glimmrelais 32 speichert, über die Diode
33 und den Widerstand 34 wird der Kondensator 35 aufgeladen. Die in ihm gespeicherte
Energie dient erstens zur Speisung der zeitbestimmenden Widerstands-Kondensator-Kombination
36,
27 und zweitens der Abschaltung über das Glimmrelais 37.
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Haben die Stabilisatoren 22 durchgezündet und brennen sie ruhig, was
durch ein Fenster im Gerätegehäuse beobachtet werden kann, so kann die Messung der
das Zählrohr 38 treffenden Strahlung beginnen. Zu diesem Zweck werden die Kontakte
26', 26" und 26"' umgelegt. Der Kontakt 26' wird also geschlossen und schaltet den
Zählkreis an. In der Zeitgebereinrichtung 25 wird der Kontakt 26" geöffnet und 26"'
geschlossen. Dadurch lädt sich der Kondensator 27 über den Widerstand 36 auf, bis
er die Zündspannung des Glimmrelais 37 erreicht hat. Die Spannung des Kondensators
27 wird über den Widerstand 41 zwischen Kathode 39 und Starter 40 des Glimmrelais
37 gelegt.
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Es ist bereits über die Hilfsanode 42 vorionisiert und zündet mit
großer Genauigkeit immer wieder bei derselben Zündspannung. Beim Durchzünden zieht
das Relais 43 kurzzeitig an. Während dieser Zeit wird sein Arbeitskontakt 43' geschlossen.
Dadurch wird die Kette der Stabilisatorröhren 22 kurzgeschlossen. Die auf diese
Weise bewirkte Belastung des Gleichspannungsumformers 17 wird so groß, daß seine
Schwingungen abreißen. Damit ist das Gerät ausgeschaltet, und die am Zähler 29 aufgelaufenen
Zählschritte sind ein Maß für die Strahlungsintensität am Zählrohr 38.
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Während des Zählvorganges wird der Kondensator 44 proportional
der Strahlungsintensität geladen und löst jeweils bei Erreichen der Zündspannung
das Glimmrelais 32 aus. Die Spannung am Kondensator pendelt also laufend zwischen
Zünd- und Löschspannung des Glimmrelais. Bei jedem Durchzünden des Glimmrelais wird
der Kondensator 31 entladen. Bis zu seiner erneuten Aufladung über den Widerstand
30 erlöschen die oberen zwei Stabilisatorröhren 22, um dann wieder durchzuzünden.
Während dieser Zeit steigt die Spannung über die gesamte Stabilisatorstrecke, also
die Betriebsspannung für die Zählrohre, um einen bestimmten Betrag an. Entsprechend
der Steigung der Zählrohrkennlinien im Plateau des Auslösebereiches werden während
dieser Zeit von den Zählrohren mehr Impulse abgegeben. Wie aus der Schaltung ersichtlich,
wird an den beiden oberen Stabilisatoren 22 auch die Betriebsspannung für den Zeitkreis
abgegriffen. Nach jedem Schalten des Glimmrelais 32 wird also bis zur Aufladung
des Kondensators 31 und damit bis zum erneuten Zünden der beiden oberen Stabilisatoren
dem Kondensator 35 eine etwas höhere Spannung aufgedrückt. Damit erhöht sich der
Ladestrom über den Widerstand 36, und die Ladezeit des Kondensators 27 bis zum Erreichen
der Zündspannung des Glimmrelais 37 wird verkürzt. Die Einstellung erfolgt durch
richtige Bemessung des Widerstandes 23, der den Grad der Stabilisierung bestimmt.
Somit wird das Schnellerwerden der Zählrohre durch eine Verkürzung der Meßzeit kompensiert.
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. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf Messungen
von radioaktiven Strahlungsintensitäten beschränkt. Es kann z. B. vorteilhaft auch
bei Lichtsummenmessungen mittels lichtelektrischer Wandler, die von der Betriebsspannung
abhängige Ergebnisse liefern, angewendet werden. Auch bei elektrischer Drehzahlmessung
ergibt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens große Vorteile.