DE1463720A1 - Signalpegelkomparator - Google Patents
SignalpegelkomparatorInfo
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Description
United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England
Signalpegelkomparator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Signalpegelkomparator,
beispielsweise Kernreaktor-Reaktivitätsschutzschaltungsanordnung,
für die Überprüfung, ob ein Signal kleiner als eine Bezugsgröße ist, wobei eine fluktuierende Wellenform dem
Signal überlagert ist.
Schaltungsanordnungen zur Steuerung bzw. Kontrolle von
Kernreaktoren weisen Anlagen auf, die den Neutronenfluß im Reaktor messen, z.B. in Form des Stromes, der in einer Ionisationskammer erzeugt wird, und eine Auslösung zum Abschalten
des Reaktors (oder zum Reduzieren der Reaktorleistung) betätigen, wenn der Fluß einen vorgegebenen Pegel (den Auslösepegel)
überschreitet, und um eine Warnung zu geben, wenn der angezeigte Fluß um einen vorbestimmten Grenzwert unterhalb dieses Pegels
abfällt. Somit würde, während bei Normalbetrieb der Flußpegel
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wenige Prozent unterhalb des Auslösepegels liegen kann, ein Grenzwert von beispielsweise 205* als übermäßig angesehen,
und ein Alarm, bekannt als "Grenzwertüberschreitungs-Alarm11
würde in !Tätigkeit treten. Zusätzlich zu der Anzeige dafür, daß der Reaktor unregelmäßig arbeitet, besteht eine wichtige
Funktion des Grenzwertüberschreitungs-Alarms darin, eine
Sicherheit gegen Versagen der Meßanlage selbst zu geben, z.B. gegen Stromkreisunterbrechung der Polarisierung und der Signalverbindungen
nach der Ionisationskammer, wodurch die Auslösung am oberen Pegel unwirksam gemacht würde.
Bei einer bekannten Anordnung wird der Strom von einer gleichstrompolarisierten Ionisationskammer mit einem Gleichstrom-Bezugssignal
verglichen, welches den vorgegebenen Auelösepegel bestimmt, wobei ein mechanischer Zerhacker verwendet
wird, um das Differenzsignal für die nachfolgende Verstärkung in einem Wechselstromverstärker in ein Wechselstromsignal
umzuwandeln. Der Ausgang des Wechselstromverstärkers wird einem phasenempfindlichen Auslösekreis zugeführt, der
einen phasenempfindlichen Gleichrichter und ein polarisiertes Relais aufweist. Unter normalen Betriebsbedingungen wird das
Relais unter Strom gehalten, wobei jedoch, wenn der Fluß bis zu einem solchen Pegel ansteigt, daß das Differenzsignal Null
wird, das Verstärker-Ausgangssignal auf Null abfällt und das Relais stromlos wird, ^iea ist der Auslöse-Betriebszustand.
Durch weiteres Ansteigen des Flusses wird ein Ausgang von umgekehrter Phase erzeugt, der die Relaiskontakte sogar noch mehr
positiv in ihren aberregten Stellungen hält. Der Wechselstromverstärker-Ausgang wird außerdem an einem Meßgerät als eine
nGrenzwert-für-AuslösungM-Anzeige wiedergegeben, und eine
Grenzwertüberschreitungs-Alarmschaltung ist vorgesehen, durch welche ein zweites Relais stromlos gemacht wird, wenn dieser
Grenzwert einen gegebenen Prozentsatz des Auslösepegels überschreitet.
Der Auslösepegel selbst kann durch Veränderung des Gleichstrom-Bezugssignalpegels geändert werden.
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Im Falle von Hullenergie- oder Forsehungsreaktoren, die
über lange Perioden hinweg weit unterhalb der normalen Tollleistung fahren, ist es jedoch wünschenswert, daß der Auslösepegel
entsprechend niedrig liegt, und zwar sogar so niedrig, daß das Vorsehen eines Grrensswertttberschreitungs-Alarmes unnütz
bzw. unausführbar wird. Auch ist es in solchen Fällen nicht so
wichtig, den Grenzwert gegenüber der Auslösung, bei welcher der
Reaktor arbeitet, abzugrenzen. Deazufolge ist in bisher vorgeschlagenen
KernreaJctor-Kontrollanlagen kein Grenzwertttberechreitungs-Alarm
eingebaut worden· Bei einer dieser Anlägen, bei welcher ein gleichstromgekoppelter Verstärker anstelle
eines Zerhackerverstärker^ verwendet wird» wird eine sinusförmige
Wechselstromwelle der Öleiehatrom-Polarisierungespeisung
für die Ionisationskammer überlagert, und zwar zum Zwecke der Überwachung der Integrität bzw. Unversehrtheit der Kaameranschlüase
und der ersten Stufen des Gleichstromverstärkers.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer vielseitigen Anlage, die nicht abhängig ist Vom Vorsehen eines Grenewertüberschreitungs-Alarmes
zur überprüfung der Integrität der Bingang8verbindungen
(während sie die Ausnutzung eines solchen Alarms gegebenenfalls aus anderen Gründen oder zu anderem Zweck
zuläßt), und welche die Verwendung eines Zerhackerverstärker ermöglichst, der von Haus aus sicherer ist als der gleichstromgekoppelte.
Dies wird erfindungsgemäß in erster Linie dadurch erreicht, daß die fluktuierende Wellenform den Bezugswert bildet und daß
ein Zerhackerverstärker, der in an sich bekannter Weise die Differenz zwischen Signal und Bezugswert verstärkt, mit de«
Sezugswert synchronisiert ist, um aus dem Signal bei Normalbetrieb
alles außer einem Veil, in welchem die überlagerte fluktuierende Wellenfora von entgegengesetzter Polarität zur Polarität
des Signale ist, zu entfernen, wodurch nur die Differen*
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zwischen Signal und Bezugswert normal verstärkt wird und das Vorzeichen in Abhängigkeit davon wechselt, ob das Signal
größer oder kleiner als die Bezugswertgröße ist.
Die fluktuierende Wellenform kann dem Signal an der Quelle desselben beispielsweise — wo das Signal von einer
Ionisationskammer abgeleitet wird — durch Modulation des Kammer-Polarisierungspotentials überlagert werden.
Der Zerhackerverstärker wird zweckmäßig so mit der fluktuierenden Wellenform synchronisiert, daß er ein großes
AmplitudenteiletUck des Signale kurzschließt, mit der Folge,
daß beim Versagen des Eingangsmodulators des Zerhackerverstärkers der Komparator einen Ausgang liefert, der zu erkennen
gibt, daß das Signal größer als der Bezugswert ist.
Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal kann dem Zerhackerverstärker
— auf den Eingangsmodulator folgend — eine weitere Bezugswellenform in Gegenphase zum modulierten Signal für den
Vergleich mit dem modulierten Signal eingegeben werden, um einen weiteren Ausgang zu erzeugen, der zu erkennen gibt,
ob die Differenz zwischen dem ersterwähnten Signal und dem ersterwähnten Bezugswert die weitere Bezugswellenform überschreitet.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar
zeigt bzw. zeigen
Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung einer Reaktor-Kontrollanlage
mit einem erfindungsgemäßen Slgnalpegelkomparator,
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2 Wellenformen der Schaltung gemäß Pig. 1,
nativ-Ausführungsform einer Reaktor-Kontrollanlage»
die
Pig. 1 jeweils für die Fälle des richtigen Funktionierens und des Versagens des Eingangszerhackers, während
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der Anlage nach Fig. 1 wiedergibt, die für
einen Temperaturmeßübertrager verwendet wird.
In den Fign. 1 und 2 ist eine Ionenkammer 1 dargestellt, die durch eine +600 V-GIeichstromzuführung 2 polarisiert wird,
welcher eine Wechselstrom-Wellenform bzw. ein Wechselstromiapuls überlagert ist· Der letztere Impuls, der in seiner Form
dreieckig ist, wird in einem Integrator 4 erzeugt, der von einem Oszillator 3 gespeist wird, welcher einen Rechteck-Bezugsimpuls von der bei A in Fig. 2 dargestellten Form erzeugt, der ein Impuls/Zwischenraum-Verhältnis (a/b in der
Wellenform A) von 3 t 1 hat· Die Dreieck-Wellenform, die sich aus der Integration in 4 ergibt, ist bei B und die Gesamtspannung, die der Ionenkammer zugeführt wird, bei C in Fig.
dargestellt.
Bei NichtVorhandensein irgend eineβ Ionisationsstromes
in der Kammer infolge Strahlungsflusses resultiert der von der Kammer herkommende Ausgangsstrom allein aus der Differenzierung
der Wellenform B durch die Kapazität der Kammer zwischen den Elektroden und hat die bei D dargestellte Form, die typische
Stromwerte enthält. Wenn infolge Strahlungsflusses ein Ionisationsstrom in der Kammer fließt, dann wird die Wellenform D
diesem Strom überlagert, wie bei E in Fig. 2 dargestellt, wo angenommen wird, daß ein Ionisationsstrom von 98 uA fließt.
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Die Wellenform E wird einem Eingangsmodulator, insbesondere dem Emitter eines p-n-p-Transistors 5 zugeführt,
der als Zerhackermodulator arbeitet, dessen Basis durch eine Wellenform F, die vom Oszillator 3 hergeleitet wird,
betrieben wird. Es ist zu erkennen, daß die letztere Wellenform ein Rechteckimpuls ist, der mit der Wellenform A
synchronisiert ist, jedoch mit der doppelten Frequenz läuft, so daß er ein Impuls/Zwischenraum-Verhältnis von 1 : 1 hat,
und daß sie eine solche Phase hat, daß der Zerhacker die Wellenform E während des "Zwischenraum"-Teilstücks b
kurzschließt.
Die Schaltung ist so eingerichtet, daß sie bei diesem Wert des Ionisationsstromes auslöst, was zur Folge hat, daß
der Pegel des "Impuls^-Teilstücks a der Wellenform E mit
VuIl zusammenfällt, d.h. im vorliegenden Beispiel ist der
Auslösewert 100 uA. Die Wellenform E ergibt sich daher aus einem Flußpegel, der knapp unterhalb des Auslösewertes
liegt, und eine Zunahme des Ionisationsstromes von 2 uA
würde das "Impuls"-Teilstück der Wellenform auf Null bringen.
Der Ausgang vom Zerhacker ist bei G dargestellt und ist ein Rechteckimpuls, der eine Amplitude von Spitze zu Spitze
gleich der Amplitude des "Impuls"-Teilstücks der Wellenform E
hat.
Die Wechselstromkomponente der Wellenform G wird einem Wechselstromverstärker 6 zugeführt, dem ein Zerhackermodulator
folgt, welcher durch den p-n-p-Transistor 8 gebildet wird.
Die Basis dieses Transistors wird vom Oszillator 3 her durch einen Rechteckimpuls, bei H dargestellt, betrieben, der das
gleiche Impuls/Zwischenraum-Verhältnis wie die Wellenform A hat und eine solche Phase aufweist, daß er den Verstärkerausgang
synchron mit der Kurzschlußwirkung des Eingangszerhackers 5 kurzschließt, jedoch während gegenüber diesen
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wechselnder Impulse, bei welchen der "Zwischenraum" b in der
Bezugewellenform A erscheint. Die sich daraus ergebende demodulierte Ausgangswellenform K ist ein negativer Rechteckimpuls,
dessen mittlerer Gleichstrompegel dazu verwendet wird, ein polarisiertes Relais 9 erregt su halten. Im Auslösezustand
reduziert sich die Wellenform G auf eine gerade Linie, die im wesentlichen mit Null zusammenfällt, und es ist kein
Eingang für den Wechselstromverstärker vorhanden; und somit ist keine Ausgangswellenform K vorhanden, und das polarisierte
Relais 9 ist stromlos.
Wenn aus irgendeinem Grund der Eingangszerhacker 5 su arbeiten aufhört, beispielsweise infolge eines offenen Stromkreises in seinem Basisanachlufi, dann wird die gesamte Wechselstromkomponente des Kammerstromes, einschließlich des Teilstücke b,
dem Eingang des Verstärkers zugeführt, dessen Ausgang auf diese Weise die gleiche form wie die Wellenform A hat. Die Demodulation dieser Wellenform durch den Transistor β ergibt die
Wellenform L, deren mittlerer Gleichstrompegel positiv und βomit unwirksam ist, um das polarisierte Relais zu erregen.
Die Schaltung ist daher in dieser Hineicht "fehlersicher1*.
Eine Zunahme des Eingangsstromes über den Auslösewert
hinaus hat eine Phasenumkehrung der Eingangswellenform S zur
Folge, die nach Verstärkung und Demodulation eine Ausgangswellenform in Gegenphaae su K erzeugt und wieder einen mittleren positiven Gleichstrompegel hat, der das polarisierte
Relais nicht erregt«
, Ein Grenzwerttibersohreitungs-Alarm kann dadurch eingerichtet werden (vgl. Pig. 1), daß ein zweites Wechselstrom-Bezugssignal mit dem normalen verstärkten Wechselstromeingange signal (d.h. mit der verstärkten Wechselstromkomponente
der Wellenform G) verglichen wird, welches von einem separaten Ausgang des Verstärkers 6 abgenommen wird. Wenn dieses zweite
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Wechselstrom-Bezugssignal, welches von 3 über einen
Widerstand R abgeleitet wird, die gleiche Wellenform und Phase relativ zur Wellenform G wie die Wellenform F hat
und in Gegenpahse verläuft, dann subtrahieren sich die beiden Signale. Im Hormalbetrieb ist dieses zweite Bezugssignal
das größere von beiden, so daß durch die Phase des Ausgangssignals vom Verstärker 10 nach Demodulation durch
den Transistor 11 das polarisierte Relais 12 für die Grenzwertüberschreitung betätigt wird. Wenn der Fluß abfällt, dann
nimmt das verstärkte Wechselstrom-Eingangssignal zu, bis es bei einer vorgegebenen Amplitude des zweiten Wechselstrom-Bezugssignals,
entsprechend dem Grenzüberschreitungswert, das letztere überschreitet, kehrt die Phase des Verstärkerausgangs
um und bewirkt auf diese Weise, daß das polarisierte Relais stromlos wird.
Mit Bezug auf die Fign. 3 und 4 (a) und 4 (b) ist eine Ionenkammer 1 durch eine Gleichstromzuführung 2 positiv polarisiert,
welcher eine symmetrische dreieckige Wecheelstrom-Wellenform
überlagert ist. Die letztere wird in einem Integrator 4 erzeugt, der von einem Generator 3 versorgt wird,
welcher eine symmetrische Rechteck-Bezugswelle erzeugt.
Die dreieckige Wechselstrom-Wellenform wird durch die Zwischenelektroden-Kapazität der Kammer 1 differenziert und
ruft in der Kammer einen Rechteckwellen-Bezugestrom hervor, wie er bei A in Fig. 4(a) dargestellt ist, der dem Ausgangs-Gleichstrom
infolge des Strahlungsflussee überlagert wird,
wobei der letztere Strom durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Die Wellenform A wird dem Emitter eines p-n-p-Transistors
5 zugeführt, der als Zerhackermodulator arbeitet, dessen Basis durch die vom Generator 3 hergeleitete Wellenform
B betrieben wird, die ebenfalls eine Rechteckwelle ist·
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Es ist zu erkennen, daß die Wellenformen A und B so synchronisiert
sind» daß die Auegangs-Wellenform S vom Zerhacker
her, welche den Eingang für den Wechselstromverstärker 6a, 6b bildet, ein mittleres Wechselstromsignal
proportional der Differenz zwischen dem Gleichstromausgang der Kammer und dem negativen Teilstück des Wechselstrom-Bezugssignals
ist· Die Wechselstromkomponente der Wellenform D nach Verstärkung ist bei E dargestellt und ergibt nach
Demodulation durch den p-n-p-Zerhackertransistor 8, der
synchron mit dem Eingangszerhacker 5 betrieben wird, die Wellenform P, die eine negative Rechteckwelle ist, deren
mittlerer Gleichstrompegel dazu verwendet wird, ein polarisiertes Relais 9 unter Strom zu halten. Ein Auslösezustand
entsteht dann, wenn der Ausgänge-Gleichstrom von der Kammer bis zu einem solchen Wert ansteigt, daß das negative Teilstück
der Bezugswellenform A (s. Fig. 4(a)) mit Null zusammenfällt.
Der Verstärkerausgang verschwindet dann, und das Relais 9 wird stromlos. Durch eine weitere Zunahme des Ausgangsstromes
wird die Phase des Verstärkerausgangs umgekehrt, wodurch F in eine positive Wellenform umgewandelt wird, deren mittlerer
Gleichstrompegel das polarisierte Relais 9 nicht erneut erregen kann.
Außerdem wird den Emitter des Transistors 5 über einen
Widerstand R1 das weitere Wechselstromsignal zugeführt, welches bei C dargestellt ist. Dieses ist eine Negativstrom-Rechteckwelle,
die in Gegenphase zum Bezugs-Wechselstrom, der bei A dargestellt ist, addiert wird, und zwar während desjenigen
Teilstücks dieser Wellenform, wo der Transistor 5 effektiv den Eingang kurzschließt. Wie dargestellt, ist die Amplitude
der Wellenform C größer als diejenige der Bezugswellenform. Solange der Zerhacker richtig arbeitet, hat die Wellenform C
keine Wirkung auf die Schaltung, weil kein Strom während desjenigen Teilstücke der Bezugswellenform addiert wird, während
welchem der Zerhacker dabei ist, das Differenzsignal zu ermitteln, welches dem Eingang des Wechselstromverstärkers
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zugeführt wird. Sollte jedoch der Eingangszerhacker 5 mit offenem Stromkreis bleiben, dann werden die in Fig. 4(b)
dargestellten Wellenformen erzeugt. Die Wechselstromkomponente der Wellenform D', die dem Verstärkereingang zugeführt
wird, ist von entgegengesetzter Phase zur Wellenform D, wobei
sie die demodulierte Ausgangs-Wellenform F1 hervorruft,
deren mittlerer Gleichstrompegel positiv und somit nicht in der lage ist, das polarisierte Relais 9 unter Strom zu halten.
Die Auslösung wird also betätigt.
Ein Grenzwertüberschreitungs-Alarm kann dadurch eingerichtet
werden, daP ein zweites Wechselstrom-Bezugssignal mit dem normalen mittlex'sn Wechselstromsignal, welches zu diesem
in Gegenphase verläuft, verglichen wird, so daß sich die Signale subtrahieren. Eine solche Wellenform ist bei G in
Fig. 4(a) dargestellt und kann über einen Widerstand R2 zu einem Ausgang, der vom Verstärker 6a vor der Demodulation
abgenommen wird, addiert werden. Im Normalbetrieb ist das verstärkte Wechselstrom-Eingangssignal kleiner als das zweite
Wechselstrom-Bezugssignal, und die Phase des Ausgangs des Verstärkers 10 wird durch das zweite Wechselstrom-Bezugesignal
bestimmt, welches nach Demodulation durch 11 ein weiteres polarisiertes Relais 12 unter Strom hält. Wenn der Fluß
abfällt, dann nimmt das verstärkte Wechselstrom-Eingangssignal zu, bis es bei einer vorgegebenen Amplitude des zweiten
Wechselstrom-Bezugssignals, entsprechend dem Grenzüberschreitungswert, das letztere übersteigt, kehrt die Phase des Ausgangs
des Verstärkers 10 um und bewirkt auf diese Weise, daß das weitere polarisierte Relais 12 stromlos wird.
Gemäß Fig. 5 wird die Ionisationskammer 1 der Fig* 1
durch ein Thermoelement 15 ersetzt. Die eine Ader des Thermoelementes 13 ist mit dem Emitter des Zerhackertransxstors
5» verbunden, während die andere über einen Widerstand Rt
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an Erde liegt. Weil das Thermoelement einen Widerstand anstelle einer Kapazitätsimpedanz bietet, wird die ihm zugeführte
Wellenform nicht differenziert, und daher kann der Integrator 4- wegfallen. Stattdessen wird die Rechteckwellenform
unmittelbar vom Oszillator 3f dem ungeerdeten Ende
von R1 über einen Widerstand R2 zugeführt, dessen Wert größer gemacht wird im Vergleich zum Widerstandswert
des Thermoelementes, so daß die Amplitude des Wechselstrom-Bezugssignals
nicht wesentlich durch Änderungen des Thermoelement-Widerstandes mit der Temperatur beeinträchtigt wird.
Das Resultat besteht darin, dem Grleichspannungsausgang des Thermoelementes 13 eine Rechteck-Spannungswellenform ähnlich
der in Fig. 4 bei D dargestellten zu überlagern.
Wenn auch die Erfindung mit Bezug auf den Vergleich von Signalen von zwei besonderen Übertragern, d.h. einer
Ionisationskammer und einem Thermoelement, beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die erfindungsgemäße Anlage
auch in ähnlicher Weise für den Vergleich von Signalen verwendet werden kann, die von anderen Quellen herrühren.
Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden
Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform
und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in
den gesamten ursprünglichen Anmeldungsunterlagen offenbart
sind.
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Claims (4)
- Patentansprüche ' ■( 1y Signalpegelkomparator, beispielsweise Kernreaktor-Reaktivitatsschutsschalturigsai-.orca.ung, für uie Überprüfung, ob ein Signalkleiner als 'iin^ „iezugsgröße ir-'t, wobei eine fluktuierende Wellenform dem Signal überlagert ist, dad', roh gekennzeichnet, daß die fluktuier·:):.de Wellenform ο en Bezugswert bilde b und daß ein Zerhackervers tc.rker, der in an üic/i bekannter /eise die Differenz zwischen Signal und /Sezu^swert verstärkt, aiit äera Bezugswert synchronisiert ist, um aus dem Signal bei Fori/ialbetrieb alles außer einem Te:l, in welc.iem :ie überlagerte fluktuierende Wellenform von exi ..^sfjnngesetzter Polarität zur Polarität des Signals ist, zu entfernen, wodurch nur aie Differenz zwischen Signal und Bezugswert normal verstärkt wird und das Vorzeichen in Abhangigkeit davon Tvechselt, ob das oignal größer ader kleiner als die Bezugswertgröße ist.
- 2. Signalpegelkomparator nach Anspruch 1^ dadurch gekennzeichnet, daß die fluktuierende Wellenform dem Signal an der ; Quelle desselben beispielsweise — wo das Signal von einer Ionisationskammer abgeleitet wird — durch Modulation des Kammer-PolarisierungspotentLals überlagert ist.
- 3· Signalpegelkomparator nach Anspruch 1 oder 2, dadurchNeue Unterlagen (Art. ? &1 Abe.2 Nr. J Sitz 3 du ΛηοΙ·ηιη0·βΜ. ν. 4. β. 1Q671909832/0307BAD ORIGiNAUU63720gekennzeichnet, daß der Zerhackerverstärker so mit der fLukc ui er end en. Wellenform synchronisiert ist, daß er ein großes Amplitudenteilsttick des cÜKnals kurzschließt, mit der i'olge. daß beim Versagen des singangsmodulators des Zernackerverstärkers der Komparator einen Ausgang liefert, der zu erkennen gibt, daß das Signal größer als der Bezugswert ist.
- 4. üignalpefjelkoniparator nach Anspruch 1 bis 3, aaaurch gekennzeichnet, daß dem Zerhackerverstärker — auf den Eingangsnodulator folgend — eine weioere Bezugswelienform in Gegenphase zum modulierten Signal für den Vergleich mit dem modu-Lierten Signal eingegeben wird, um einen weiteren Ausgang zu 3rgeben, eier zu erkennen gibt, ob die Differenz zwiscnen dem . arsterwähnten Signal und dem ersterwähnten Beaugswert die weitere Bezugswellenform überscnreitet. ' -.BAD QRlGiNAL 909 832/0307
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