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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung
zur Mittelwertbildung zu schaffen, bei der nach jeder Änderung der mittleren Ereigniszahl
der bestmögliche Meßwert angezeigt wird. Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten
Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Integrationsglied zur Bildung
einer in Abhängigkeit von der Änderung der Häufigkeit des Auftretens der Ereignisse
veränderbaren Zeitkonstante z = f (x) vorgesehen ist, dessen Eingang das dem gemittelten
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Momentanwert entsprechende Eingangssignal zugeführt wird und dessen
Ausgang mit einem Anzeige-oder Auswertegerät verbunden ist, und daß das Integrationsglied
eine mit einem Differenzierglied, mit einem daran angeschalteten Auswerteglied,
mit zwei Funktionsgliedern und mit einem Knotenpunkt versehene Rückführung zur Veränderung
der Zeitkonstante z des Integrationsgliedes aufweist.
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Wird an Stelle der festen Zeitkonstante eine variable Zeitkonstante
T(x) zur Mittelwertbildung eingesetzt und wird diese durch die Größe x geeignet
gesteuert, so kann das gewünschte Zeitverhalten weitgehend erreicht werden. Bei
einer Sinderunz von n wird die Zeitkonstante T in Abhängigkeit von
verkleinert und bei dtt O, d. h. bei konstantem n, wieder dt so vergrößert, daß
im Zeitintervall O < t < T die Bedingung
jederzeit erfüllt ist. Hierbei bedeutet t = 0 den Zeitpunkt, in dem nach der Änderung
wieder gegen Null geht, und t = T den Zeitpunkt, in dem die geforderte Genauigkeit
a erfüllt ist. Die untere rmin Grenze der Zeitkonstanten t(x) wird durch die Zeit
bestimmt, die die Mittelung des Wertes
selbst erfordert.
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Die Einrichtung nach der Erfindung enthält also im wesentlichen die
folgenden vier Teile: a) einen Schaltungsteil zur Realisierung einer Grundzeitkonstante
Ton b) einen nachgeschalteten Schaltungsteil zur Realisiebung einer variablen Zeitkonstante
z(x).
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c) eine Meßeinrichtung füi
mit einer Einrichtung zur Verkleinerung von T(X) für
und d) eine Rückführeinrichtung zur Vergrößerung von r(x) für
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform
der Einrichtung nach der Erfindung, F i g. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform
der Einrichtung nach der Erfindung und F i g. 3 die schaltungstechnische Realisierung
des Blockschaltbildes in F i g. 2.
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Für die hier vorliegenden Ausführungsbeispiele wird die Grundzeitkonstante
To als zur Signalaufbereitung zugehörig betrachtet und deswegen in den Figuren nicht
dargestellt. Diese enthalten somit nur die oben definierten Teile b, c und d, d.
h. den Schaltungsteil zur Realisierung der variablen Zeitkonstante T(X), die Meßeinrichtung
für d" mit einer Einrichtung zur Verkleinerung von T(x) sowie die Rückführeinrichtung
zur Vergrößerung von T(x). Der jeweilige Eingangswert UE stellt somit bereits den
mit Hilfe der Zeitkonstante TO integrierten Momentanwert dar.
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In F i g. 1 wird UE auf bekannte Weise in einem Differenzierglied
1 differenziert. In dem Auswerteglied 2 wird festgestellt,
gleich Null oder verschieden von Null ist, und in Abhängigkeit von dieser Feststelluna
wird eines von zwei Funktionsgliedern 3 oder 4 angesteuert. Ist
verschieden von Null, so wird im Funktionsglied 3 die Funktion
gebildet. Die Funktion x wird über einen Knotenpunkt 5 zu einem Integrationsglied
6 geführt, dessen Zeitkonstante T in Abhängigkeit von x gesteuert wird. Ist
so wird im Funktionsglied 4 die Größe x in Abhängigkeit von der Zeit gebildet, wobei
sich zur Zeit T nach einer Sinderung des Eingangssignals ein Endwert für x einstellt.
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Der Ausgang des Funktionsgliedes 4 wird ebenfalls über den Knotenpunkt
5 zum Integrationsglied 6 geführt. Die Größe x wird in den beiden Funktionsgliedern
3 und 4 in der Weise gebildet, daß bei Ansteuerung des Funktionsgliedes3 die Zeitkonstante
z(x) im Integrationsglied 6 verkleinert und bei Ansteuerung des Funktionsgliedes
4 vergrößert wird.
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Im Integrationsglied 6 wird das Eingangssignal UE mit Hilfe der Zeitkonstanten
T(x) integriert und so das Ausgangssignal UA erzeugt, das zur Anzeige gebracht oder
anderweitig ausgewertet werden kann.
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Nachteilig bei der Einrichtung in F i g. 1 ist, daß keine direkte
Kontrolle über eine allfällige Differenz der Mittelwerte des Eingangs- und Ausgangssignals
UE und UA erfolgt. Zur Behebung dieses lsachteils kann die Einrichtung in F i g.
2 verwendet werden.
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Hierbei wird ddtE durch Bildung der Differenz des dt Eingangs- und
des Ausgangssignals des Integrationsgliedes 6 gewonnen. Die Bildung der Differenz
erfolgt in einem Knotenpunkt 7. Das Differenzierglied 1 aus F i g. 1 kann somit
entfallen. Eine Änderung des Eingangssignals UE äußert sich in einer Differenz von
UE und UA; diese Differenz verringert über die Größe x die ZeitkonstanteT(x), so
daß UA den Wert von UE annimmt. Für dUE = 0 ist auch die dt -Differenz zwischen
UE und UA gleich Null, und die ZeitkonstanteT(x) wird über die Rückführungx= f (t)
wieder größer, bis zur Zeit T der Maximalwert von t(x) erreicht ist. Statistische
Schwankungen des Eingangssignals UE werden jedoch zum Vergleich mit UA nicht herangezogen.
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Die F i g. 3 zeigt in etwas vereinfachter Form eine Möglichkeit der
schaltungstechnischen Realisierung des Blockschaltbildes in F i g. 2. Die variable
Zeitkonstantez(x) wird vorzugsweise mit Hilfe eines Kondensators 10 und eines Fotowiderstandes
8 gebildet, der mit einer Lichtquelle 9 optisch gekoppelt ist. An Stelle einer Lichtquelle
und eines Fotowiderstandes können selbstverständlich auch andere äquivalent wirkende
Mittel eingesetzt werden, z. B. ein Motorpotentiometer, ein magnetisch steuerbarer
Widerstand, ein mit einer Heizwicklung versehener temperaturabhängiger Widerstand
usw.
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Der Fotowiderstand 8 und ein Kondensator 10 bestimmen die Zeitkonstante
t(x) für das Eingangssignal UE. Ein Operationsverstärker 11 stellt einen Impedanzwandler
für das Ausgangssignal UA dar.
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Ein weiterer Operationsverstärker 12 ist mit einer
Zeitkonstante
TD, die jeweils durch einen Widerstand 13 bzw. 14 sowie einen Kondensator 15 bzw.
16 bestimmt wird, als Differenzverstärker geschaltet und bildet die Differenz UB
- UA. Damit jeweils der Betrag dieser Differenz erhalten wird, sind ein Umkehrverstärker
17, der das Ausgangssignal des Verstärkers 12 invertiert, und zwei Dioden 18 und
19 vorgesehen.
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Das Eingangssignal UE weist relativ große statistische Schwankungen
auf, da die Grundzeitkonstante r0 im Interesse einer möglichst kurzen Ansprechzeit
klein gehalten werden soll. Die Differenz zwischen UE und dem geglätteten Ausgangs
signal UA zeigt ebenfalls diese Schwankungen, da auch die Zeitkonstante TD in der
Größenordnung von r0 gewählt werden muß. Um nun die statistischen Schwankungen vom
Nutzsignal zu trennen, wird den Ausgangssignalen der Verstärker 12 und 17 eine negative
Spannung Uv überlagert, so daß die beiden Dioden 18 und 19 in Sperrichtung vorgespannt
werden. Uy wird an einem Potentiometer 20 so eingestellt, daß auch die Spitzen der
statistischen Schwankungen durch die Dioden 18 und 19 gerade noch abgehalten werden.
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Wird dUE verschieden von Null, so verschiebt dt sich der Mittelwert
von UB - UA bzw. - (UE - UA), und eine der beiden Dioden 18 und 19 wird leitend.
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Dadurch wird ein Kondensator 21 auf eine Spannung Ux aufgeladen. Diese
Spannung ist abhängig von
Sie gelangt über einen Verstärker22 zur Lichtquelle 9, wo sie für deren Speisung
verwendet wird. Die daraus resultierende Beleuchtung des Fotowiderstandes 8 bewirkt
eine Abnahme der Zeitkonstante z(x). Dadurch strebt UA gegen UE und damit ihre Differenz
gegen Null. Die bisher leitende der Dioden 18,19 sperrt nun wieder, und die Spannung
Ux sinkt mit der durch den Kondensator 21 und einen Widerstand 23 gegebenen Zeitkonstante
auf Null ab, wodurch die Zeitkonstante z(x) wieder bis zu ihrem Maximalwert zunimmt.
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Um nun der Rückführfunktion x = f (t) den gewünschten Verlauf zu
geben, ohne die komplizierte Beziehung zwischen der Spannung der Lichtquelle 9 und
dem Wert des Fotowiderstandes 8 zu beherrschen, wird der Verstärker 22 über einen
zweiten, gleichen Fotowiderstand gegengekoppelt, der ebenfalls von der Lichtquelle
9 beleuchtet wird. Der Fotowiderstand 24 liegt in Reihe mit einem Widerstand 25;
an dieser Reihenschaltung liegen die beiden Potentiale U, und U2. Der eine Eingang
des Verstärkers 22 ist mit der Verbindung zwischen dem Fotowiderstand 24 und dem
Widerstand 25 verbunden. Durch geeignete Wahl der Werte für U1 und U2 sowie den
Widerstand 25 wird aus der abklingenden Spannung Ux die optimale Rückführfunktion
T = f(t) ermöglicht. Optimal ist diese Funktion dann, wenn die statistischen Schwankungen
0r des Ausgangssignals UA die Bedingung
im Bereich O <t :s; T erfüllen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die statistischen Schwankungen
des Eingangssignals und damit auch die Spannung U als konstant angenommen. Bei Meßstellen
mit starker Nullpunktunterdrückung ist dies auch angenähert der Fall. Bei Messungen
ohne Nullpunktunterdrückung jedoch
ändert sich (7r mit der Wurzel aus dem Eingangssignal
UE.
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Die Spannung Uv wird in diesem Fall vom Eingangssignal UE gesteuert.
Eine lineare Annäherung der Wurzelfunktion ist dabei ausreichend.
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Die beschriebene Einrichtung weist zwei wesentliche Eigenschaften
auf: a) Bei großen Anderungen des Eingangssignals ermöglicht sie rascher einen ablesbaren
Wert bestimmter Genauigkeit als eine Einrichtung mit einer nicht veränderbaren Zeitkonstante.
Um nach einem Signalsprung von beispielsweise 0 auf 100% für das Ausgangssignal
eine Genauigkeit von 1% zu erreichen, werden bei der Einrichtung nach der Erfindung
2 T und bei einer Einrichtung mit einer festen Zeitkonstante T eine Zeit von 5 T
benötigt; b) in der Zeit von der Signaländerung bis 2T",UX wird der Mittelwert mit
der theoretisch bestmöglichen Genauigkeit angezeigt. Bei einem Variationsbereich
1:100 für T = f(x) wird praktisch etwa ein Variationsbereich für die Genauigkeit
des Anzeigewertes 1:10 mit einer Grundzeitkonstante TO = 100 Tnjax erreicht. Die
realisierbare kürzeste Ansprechzeit liegt bei etwa 2 bis 3 TOF Wird 2 T,,iax gleich
T gesetzt, so steht ab etwa 0,03 T ein sich ständig verbessernder Mittelwert zur
Verfügung, dessen Anfangswert etwa zehnmal ungenauer ist als der Endwert.
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Da die Einrichtung analoge Signale verarbeitet, kann sie sowohl Impulsdetektoren
mit Impulsfrequenzmetern als auch Ionisationskammern mit Gleichstromverstärkern
nachgeschaltet werden. Der Einsatz kann überall dort erfolgen, wo die vom Detektor
gelieferte Information aus irgendwelchen Gründen begrenzt ist und deshalb zur Erreichung
des Meßzieles optimal ausgewertet werden muß. Neben speziellen Meßaufgaben im Strahlenschutz
mit niedrigem Pegel liegt eine vorteilhafte Anwendung vor allem in der industriellen
Meß- und Regeltechnik mit Isotopen, da man hier außer rein ökonomischen Gründen
auch wegen des Strahlenschutzes mit möglichst schwachen Quellen arbeiten möchte.
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Im Falle von diskontinuierlichen Messungen erreicht man eine kurze
Meßzeit. Bei kontinuierlichen Messungen in geschlossenen Regelkreisen soll die Meßgröße
möglichst konstant bleiben. Langsame Abwanderungen vom Sollwert werden ohne Zeitkonstantenverkürzung
und somit auch ohne Genauigkeitseinbuße erfaßt. Im Falle von größeren schnellen
Störeinflüssen jedoch, die ein rasches Eingreifen des Reglers erfordern, wird die
Polarität und ungefähre Größe des Fehlers sehr rasch erfaßt und an den Regler weitergegeben.
Im Verlaufe des Ausregelvorganges wird die Genauigkeit der Messung mit kleiner werdendem
Fehler immer besser, bis der stationäre Zustand erreicht ist.
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Auch das Folgeverhalten einer Regelstrecke, deren Meßstelle eine
erfindungsgemäße Einrichtung enthält, wird günstig beeinflußt. Während des Uberganges
von einem Sollwert zu einem anderen wird die Genauigkeit der Messung zugunsten einer
erhöhten Meßgeschwindigkeit reduziert. Dies gestattet beispielsweise, Produktionsänderungen
bei laufender Anlage ohne Rücksicht auf die Meßstelle mit größtmöglicher Geschwindigkeit
durchzuführen.