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Einrichtung zum Messen kleiner Impulsraten Für viele Zwecke, z. B.
zur Überwachung der Intensität einer Strahlung, werden Einrichtungen benötigt, die
es gestatten, die zeitliche Häufigkeit von Impulsen, auch wenn diese in statistischer
Verteilung eintreffen, in analoger Weise an einem Meßinstrument zur Anzeige zu bringen.
Die Aufgabe, die Impulshäufigkeit, auch Impulsrate genannt, hinreichend genau zur
Anzeige zu bringen, wird bei den bisher bekannten Einrichtungen für diesen Zweck
um so schwieriger, je kleiner die Impulsrate ist, je größer also der mittlere Zeitabstand
zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Impulsen ist. Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zum Messen von Impulsraten durch analoge Anzeige, deren Meßbereich sich
ohne wesentliche Erhöhung des technischen Aufwandes bis zu außerordentlich kleinen
Werten der Impulshäufigkeit ausdehnen läßt, wobei an die zeitliche Verteilung, in
der die Impulse eintreffen, keinerlei Anforderungen gestellt zu werden brauchen.
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Die Aufgabe, die zeitliche Häufigkeit von Impulsen analog anzuzeigen,
unterscheidet sich grundsätzlich von der wesentlich einfacheren Aufgabe, lediglich
eine Impulssumme, d h. die Zahl der Impulse, die während eines bestimmten Zeitabschnittes
an der Meßstelle eintreffen, analog anzuzeigen. Für die letztgenannte Aufgabe ist
es bekannt, die eintreffenden Impulse zunächst in Normalimpulse umzuwandeln und
sie dann einem Digitalspeicher in Form einer binären bzw. binärverschlüsselten,
dekadischen Zähleinrichtung zuzuführen, dessen jeweiliger Speicherinhalt, der der
Anzahl der von einem bestimmten Zeitpunkt an insgesamt eingetroffenen Impulse entspricht,
durch einen nachgeschalteten Meßumformer in eine ihm analoge Größe, z. B. eine Spannung
oder einen Strom umgewandelt wird, die dann von einem Meßinstrument angezeigt wird.
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Bei der Messung der Impulshäufigkeit kommt zu der Aufgabe, die Impulse
über einen bestimmten Zeitabschnitt zu zählen, was auf die Bildung des Zeitintegrals
der Impulshäufigkeit hinausläuft, die weitere Aufgabe hinzu, fortlaufend den Quotienten
aus der Impulsanzahl und dem zugehörigen Zeitabschnitt zu bilden. Bekannte Einrichtungen
zur Messung von Impulsraten, auch Ratemeter genannt, formen die einlaufenden Impulse
in einer Impulsnormalisierungsstufe in Normalimpulse fester Ladungsmenge um und
führen diese einem als Integrierglied dienenden Kondensator zu. Zu dem Kondensator
ist ein Ableitwiderstand parallel geschaltet, über den ein Entladestrom fließt,
der der jeweils in dem Kondensator gespeicherten Ladung proportional ist. Dadurch
wird die im Kondensator gespei-
cherte Ladung und damit die Spannung am Kondensator
nach längerer Zeit um so genauer ein Maß für die Impulsrate, je größer die Zeitkonstante
des aus Kondensator und Ableitwiderstand gebildeten Gliedes ist. Die Zeitkonstante
muß zur Erzielung einer brauchbaren Meßgenauigkeit also hinreichend groß gewählt
werden.
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Bei kleinen Impulsraten bietet die Bemessung der Zeitkonstanten erhebliche
Schwierigkeiten. So würde sich bei einer geforderten mittleren statistischen Genauigkeit
von -t200/o und bei einer mittleren Impulshäufigkeit von 1 Impuls pro Minute mit
Poissonverteilung eine Zeitkonstante von rund 20 Stunden ergeben, wozu eine Speicherkapazität
von etwa 75 Mikrofarad und ein Ableitwiderstand von 1000 Megohm erforderlich wäre.
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Eine derartige Bemessung von Schaltungselementen in einem Ratemeter
läßt sich bekanntlich nicht leicht verwirklichen, zumal die elektrischen Werte dieser
Bauteile um höchstens + 1 °/o vom Nennwert abweichen dürfen. Diese Forderung aber
kann infolge der Temperaturabhängigkeit der Isolationswiderstände nur mit erheblichem
schaltungs- und fabrikationstechnischem Aufwand erfüllt werden.
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Ein für wichtige Anwendungen, so z. B. bei der kontinuierlichen bzw.
quasikontinuierlichen Strahlungsmessung in der medizinischen Diagnostik und der
Strahlenüberwachung von Trinkwasser und von Lebensmitteln mit Hilfe von Koinzidenz-Meßverfahren,
besonders schwerwiegender Nachteil der bekannten Ratemeter für kleine Impulsraten
ist die durch die erforderliche große Zeitkonstante bedingte
Anzeigeverzögerung.
Da der elektrische Analogwert der zu messenden Impulsrate nach einem Exponentialgesetz
gebildet wird, zeigen die bekannten Einrichtungen erst nach Ablauf von rund drei
Zeitkonstanten einen auf 106/o genauen Wert an. Dadurch ergeben sich, besonders
für die Bildung genauer Meßwerte, Anzeigeverzögerungen von mehreren Stunden bis
zu einigen Tagen.
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Die Erfindung löst die vorliegende Aufgabe zwar ebenfalls unter Verwendung
einer vorgeschalteten Impulsnormalisierungsstufe, eines Integriergliedes und eines
nachgeschalteten Meßinstruments zur analogen Anzeige der Impulsrate. Sie vermeidet
jedoch die Verwendung eines Kondensators als Integrierglied und die damit verbundenen
Schwierigkeiten und benutzt statt dessen eine Einrichtung, die ausschließlich aus
binären Zählelementen aufgebaut ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mit dem Ende
eines Schrittintervalls derZählstand eines die eintreffenden Impulse aufsummierenden
n-stelligen Binärzählers in die ersten Stufen eines jeder Bitstelle des Binärzählers
nachgeschalteten, nichtzyklischen Schieberegisters mit m Stufen übertragen, die
im Schieberegister enthaltenen Informationen um eine Stufe weitergeschoben, der
Binärzähler in die Ausgangslage zurückgestellt und die in den n Schieberegistern
enthaltenen Informationen über einen Digital-Analog-Umsetzer dem Meßinstrument zugeführt
werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild des meßwertbildenden Schaltungsteiles einer
Impulsraten-Meßeinrichtung gemäß der Erfindung. Die dargestellte Schaltung besitzt
einen Impulseingang, in den Zählimpulse2, z. B. herrührend von einem nicht dargestellten
Zählrohr, einlaufen und zu einer Impulsnormalisierungsstufe 3 gelangen, welche die
einzelnen Zählimpulse 2 in Normalimpulse 4 umformt.
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Die Impulsnormalisierungsstufe 3, die lediglich der Anpassung der
Zählimpulse 2 an die Folgeschaltung dient, läßt sich durch einen Umschalter S mit
einem Schaltarms und mehreren Umschaltkontakten 7 entweder unmittelbar oder über
einen oder mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Voruntersetzer 8, 9, 10 mit dem
Zähleingang eines, im gezeigten Beispiel aus fünf über Leitungen 11 bis 14 in Reihe
geschalteten Binäruntersetzem 15 bis 19 bestehenden, Vorspeichers 20 verbinden.
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Jedem Binäruntersetzer 15 bis 19 ist über je eine Verbindung 21 bis
25 je eine Schieberegisterbank 26 bis 30 zugeordnet, deren jede beispielsweise fünf
Stellen 31 bis 35 aufweist. Die Gesamtheit der Schieberegisterbänke, im folgenden
kurz als Schieberegister 36 bezeichnet, bildet den Hauptspeicher, der zusammen mit
dem Vorspeicher 20 den Digitalspeicher der Meßeinrichtung darstellt.
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Jeder Binäruntersetzer 15 bis 19 des Vorspeichers 20 ist über eine
Sammelleitung 37 an eine zur zeitabhängigen Abgabe von sogenannten Schiebeimpulsen
eingerichtete Uhr 38 angeschlossen, die einen Meßintervallwähler 39 aufweist, welcher
mit dem Schaltarm 6 des Umschalters 5 über eine Wirkungslinie 40 in Wirkverbindung
steht.
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In das Schieberegister 36 greift über ein Leitungssystem 41 ein als
Digital-Analog-Umsetzer ausgebildeter Meßwertumsetzer 42 ein, an den ein in Einheiten
der Impulsrate geeichtes Anzeigeinstrument 43
angeschlossen ist. Zu diesem Anzeigeinstrument
43 gehört ein Meßbereichwähler 44, der über eine Wirkungslinie 45 ebenfalls mit
dem Umschalter 5 in Wirkverbindung steht. In ähnlicher Weise ist dem Vorspeicher
20 über eine Leitungsgruppe 46 ein Digital-Analog-Wandler 47 als Meßwertumsetzer
beigeordnet, der auf ein Meßinstrument 48 arbeitet. Der Binäruntersetzer 19 steht
über eine Leitung 49 mit einer Signalvorrichtung 50 in Verbindung. Im Anzeigeinstrument
43 kann allenfalls ein zusätzliches Instrument 51 eingebaut sein.
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Jeder der Binäruntersetzer 15 bis 19 und jede Stelle 31 bis 35 jeder
Schieberegisterbank 26 bis 30 kann bekanntlich zwei elektrische Zustände annehmen.
Zustand »0« bedeutet, daß die betreffende Speicherstelle leer, Zustand »I« gibt
an, daß in der betreffenden Stelle eine »I« gespeichert ist. Durch die Reihenschaltung
der Binäruntersetzer 15 bis 19 wird bekanntermaßen erreicht, daß jedem Binäruntersetzer
eine bestimmte Wertigkeit im Binärkode zukommt, so daß der aus n Binäruntersetzern
bestehende Vorspeicher 20 ein Speichervermögen S = 27 - 1 aufweist, wenn 20 die
niedrigste Wertigkeit ist; im vorliegenden Beispiel wird mit n = 5 also S = 31.
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Die Stellen 31 bis 35 je einer Schieberegisterbank 26 bis 30 sind
unter sich gleichwertig, dagegen besitzen die in den einzelnen Schieberegisterbänken
gespeicherten Impulse jeweils die Wertigkeit des entsprechenden Binäruntersetzers
im Vorspeicher, wobei die Binäruntersetzer 15 bis 19 beim vorliegenden Beispiel
in der Reihenfolge ihrer Aufzählung die Wertigkeiten 20, 2t, 22, 23, 24 aufweisen.
Ein Schieberegister mit n Registerbänken zu je m Stellen vermag in der beschriebenen
Anordnung demnach m (2 - 1) Impulse zu speichern, im besprochenen Beispiel also
155 Impulse.
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Vor Beginn der Messung ist mit dem Meßintervallwähler 39 die Zeitdauer
eines Meßintervalls entsprechend der verlangten mittleren statistischen Genauigkeit
einzustellen und der Meßbereich der Einrichtung mittels des Meßbereichwählers 44
festzulegen. Diese Einstellhandlungen werden über die Wirkungslinien 40 und 45 auf
den Umschalter5 übertragen. Dadurch erfolgt die Einschaltung einer derartigen Voruntersetzung,
daß der durch die Formel Meßintervall Meßbereich : Voruntersetzung bestimmte Wert
höchstens gleich wie das höchste Speichervermögen des Schieberegisters 36 ist. Bei
Beginn einer Messung sind alle Speicherstellen leer.
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Die Meßwertbildung vollzieht sich wie folgt: Wenn der Umschalter
5 die in der Figur dargestellte Lage einnimmt, gelangt jeder einzelne Zählimpuls
2 als Normalimpuls 4 in den Vorspeicher 20, bei anderen Stellungen des Umschalters
5 nur jeder zweite, vierte, achte usw., je nachdem, wie viele der vorhandenen Voruntersetzer
8, 9, 10 zugeschaltet sind. Es können beliebig viele Voruntersetzer angeordnet sein.
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Schwankungen der Amplitude und Form der Normalimpulse 4 haben keinen
Einfluß auf das Meßergebnis.
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Der erste einlaufende Impuls bringt den ersten Binäruntersetzer 15
vom Zustand 0 in den Zustand I, der zweite Impuls führt diesen Binäruntersetzer
15 in den Zustand 0 zurück, während gleichzeitig ein Impuls mit der Wertigkeit 21
an den folgenden Binäruntersetzer 16 weiterläuft und diesen in den Zustand I versetzt
usw. Diese Zähltechnik ist an sich
bekannt. Befinden sich alle Binäruntersetzer
15 bis 19 im Zustand I, so sind im Vorspeicher 20 einunddreißig Impulse gespeichert;
damit ist dessen höchstes Speichervermögen erreicht.
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Bei richtiger Meßbereichwahl gibt die Uhr 38 spätestens nach dem
Eintreffen des einunddreißigsten Zählimpulses einen Schiebeimpuls über die Sammelleitung
37 an den Vorspeicher 20 ab. Dadurch wird der Inhalt jedes Binäruntersetzers 15
bis 19 über die jeweilige Verbindung 21 bis 25 in die zugehörige Schieberegisterbank
»geschoben« und besetzt dort die jeweils erste Stelle, z. B. die mit 31 bezeichnete
jeder Schieberegisterbank, während jeder Binäruntersetzer 15 bis 19 des Vorspeichers
20 nach Abgabe seines Inhaltes wieder den Zustand 0 einnimmt.
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Die weiterhin einlaufenden Zählimpulse füllen den Vorspeicher 20
wieder auf, und der soeben beschriebene Vorgang wiederholt sich. Beim nächstfolgenden
Schiebeimpuls wird der Inhalt des Schieberegisters 36 um eine Stelle weitergeschoben,
im Beispiel auf die Stellen 32, und an die ersten Stellen 31 tritt der neue Inhalt
des Vorspeichers 20. Nach dem fünften, allgemein nach dem m-ten Schiebeimpuls ist
mithin das Schieberegister 36 aufgefüllt. Dies bedeutet gleichzeitig die Beendigung
eines Meßintervalls, wie es der Einstellbedingung entspricht.
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Während des Meßvorganges erfaßt der Meßwertumsetzer 42 ständig den
gesamten Inhalt des Schieberegisters 36 und führt dem Anzeigeinstrument 43 einen
dem Registerinhalt proportionalen Strom zu.
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Die Anzeige des Meßergebnisses nimmt daher bis zum Ablauf des ersten
Meßintervalls einer neu begonnenen Messung unstetig jeweils um den in das Schieberegister
eintretenden Vorspeicherinhalt entsprechenden Betrag zu. Wenn alle Stellen des Schieberegisters
36 besetzt sind, d. h. also nach Ablauf des ersten Meßintervalls. zeigt das Anzeigeinstrument
43 die Impulsrate mit der verlangten mittleren statistischen Genauigkeit an.
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Aus dem vorstehenden ist abzuleiten, daß das Zeitintervall zwischen
zwei Schiebeimpulsen, das sogenannte Schrittintervall, jeweils den m-ten Teil eines
Meßintervalls beträgt, wobei m, wie bereits erwähnt, die Anzahl der Stellen, z.
B. 31 bis 35, einer Schieberegisterbank, z. B. 30, bedeutet.
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Ist nun das Schieberegister 36 einmal aufgefüllt, so bleibt es während
des weiteren Verlaufes der Messung aufgefüllt, nur wird nach jedem Schrittintervall
das neueste, vom Vorspeicher 20 während eines Schrittintervalls aufgenommene Zählergebnis
in das Schieberegister 36 übergeführt und dieses somit in Bruchteilen eines Meßintervalls,
nämlich im Takt der Schrittintervalle, auf den neuesten Stand gebracht, wobei jeweils
der bisherige Inhalt der letzten Stellen 35 des Schieberegisters 36 aus dem Register
»hinausgeschoben« wird, also verschwindet. Der vom Anzeigeinstrument 43 angezeigte
Analogwert der Impulsrate besitzt so vom Ende des ersten Meßintervalls ab während
des gesamten weiteren Meßverlaufes die geforderte mittlere statistische Genauigkeit.
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Da das Meßintervall bei der geschilderten Meßwertbildung als Konstante
auftritt, ist der Inhalt des Schieberegisters 36 der Impulsrate proportional.
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Treten nun Übergangsfunktionen der Impulsrate auf, so kann bei der
gewählten Anordnung durch Interpolation eine Meßwertbildung auch in Bruchteilen
eines Schrittintervalls erzielt werden. Zu diesem Zweck ist dem Vorspeicher 20 der
Digital-
Analog-Wandler47 mit dem Meßinstrument 48 zugeordnet. Das Meßinstrument
48 gestattet, in jedem Zeitmoment den Vorspeicherinhalt abzulesen und aus dieser
Ablesung und der Anzeige der Uhr 38 die differentielle Impulsrate zu bilden. Dies
kann visuell geschehen, wozu die Uhr 38 einen gesonderten Zeiger besitzt, der nach
jedem Schiebeimpuls von einer Nullage ausgeht, entweder durch Rückstellung oder
durch entsprechende Skalenteilung. Natürlich lassen sich die Anzeigen des Meßinstrumentes
48 und der Uhr 38 auch mechanisch oder elektrisch überlagern, so daß eine unmittelbare
Anzeige der differentiellen Impulsrate erfolgt, entweder auf dem Meßinstrument 48
oder auf dem zusätzlichen Instrument 51, dessen Meßwerk und Skala in unmittelbarer
Nähe des Anzeigeinstrumentes 43, vorzugsweise im gleichen Gehäuse wie dieses und
mit gemeinsamer Skalenscheibe, angeordnet ist.
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Die Umsetzung des digitalen Speicherinhaltes in einen Analogwert
geschieht dadurch, daß von jeder Speicherstelle ein dem Speicherzustand (0 oder
I) und der Wertigkeit dieser Speicherstelle, bzw. der diese Speicherstelle aufweisenden
Schieberegisterbank, entsprechender Strom gebildet wird. Die Summe dieser Ströme
ist dem Speicherinhalt proportional und durchsetzt das anzeigende Instrument 43
bzw. 48.
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Sollte durch falsche Wahl des Meßbereiches oder des Meßintervalls
oder durch unvorhergesehen starke Zunahme der zu messenden Impulsrate der Fall eintreten,
daß die Anzahl der in einem Schrittintervall einlaufenden Impulse das höchste Speichervermögen
des Vorspeichers 20 überschreitet, so würde der erste überzählige Impuls, im vorliegenden
Beispiel also der zweiunddreißigste, eine Löschung des gesamten Vorspeicherinhaltes
bewirken. In diesem Fall wird vom letzten Binäruntersetzer 19 des Vorspeichers 20
ein sogenannter Übertragsimpuls über die Leitung 49 an die Signalvorrichtung 50
abgegeben, welche anzeigt, daß der Meßbereich der Einrichtung überschritten ist
und die Einstellung des Gerätes berichtigt werden muß.
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Die vorstehend beschriebene neue Einrichtung zur Messung kleiner
Impulsraten erlaubt, wie sich leicht zeigen läßt, die Zeit vom Beginn der Messung
bis zum Vorliegen der ersten Anzeige mit der geforderten Genauigkeit gegenüber den
bekannten Einrichtungen um rund einen Faktor 2 zu verkürzen.
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Ein weiterer, durchaus ins Gewicht fallender Vorteil der beschriebenen
Einrichtung ist deren Ausbaufähigkeit. So läßt sich diese durch Wahl der Größe des
Vorspeichers und des Schieberegisters sowie der Anzahl der Voruntersetzer den verschiedensten
Meßaufgaben und Meßgenauigkeiten leicht anpassen.
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Natürlich kann in der beschriebenen Einrichtung auch ein anderer
Speicherkode zur Anwendung kommen. Weiter ist es denkbar, an Stelle von Zeigerinstrumenten
Geräte zur digitalen Meßwertausgabe, sogenannte Digitalwertzeiger, anzuordnen und
die Meßwertumsetzer 42, 47 als Kodeumsetzer auszubilden, um den bei konstantem Meßintervall
der Impulsrate proportionalen Inhalt des Schieberegisters auf diesem Wege in eine
dezimale, zur unmittelbaren Anzeige geeignete Digitalform überzuführen.