DE2118812C - Einrichtung zur Mittelwertbildung - Google Patents

Description

•T·

not

wobei bedeutet « die mittlere Ereigniszahl pro Zeiteinheit, σ, die relative Streuung der Mittelung und —

die relitive Genauigkeit.

Zur kontinuierlichen Erfassung des Mittelwertes wird in der Regel der momentane Wert mit Hilfe einer integrierenden Zeitkonstanten gemittelt. Für die relative Streuung ergibt sich dann die Beziehung

2τη

und für die Zeitkonstante τ, bei gegebener Genauigkeit

Or

2n o?

Die theoretische Meßzeit zur Erreichung der vorgeschriebenen relativen Genauigkeit der Messung beträgt demnach

π ,

Ändert sich die mittlere Ereigniszahl /J, so folgt der entsprechende angegebene Mittelwert N mit der Zeitkonstante τ nach. Springt π beispielsweise von Null auf einen bestimmten Wert und soll dieser Sprung gemessen werden, so folgt der angezeigte Wert N der Beziehung . .

N(t) = N oc\l - e ·.).

Für einen Fehler von z. B. 1 % ergibt sich somit /«5t. Während also die kürzest mögliche Meßzeit T für eine gegebene Genauigkeit 2 τ beträgt, so muß Dei den bekannten kontinuierlichen Mittelwertmessern unter Umständen ein Vielfaches dieser Zeit gewartet werden, bis der entsprechende Wert abgelesen werden kann. Während des Zeitintervalls 0 bis /, in dem die

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bildung des Mittelwertes bei statistisch auftretenden EreigGröße e > auf einen hinreichend kleinen Wert abklingt, ergibt eine Ablesung eine bedeutend geringere Genauigkeit, als es der Mittelung über die Zeit 0 bis / entspricht.
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 τ = /(χ) vorgesehen ist, dessen Eingang das dem gemittelten

Monieiitanwert entsprechende Eingangssignal zuge-(Dhrt wird und dessen Ausgang mit einem Anzeigeoder Auswertegerät verbunden ist, und daß das IntegK'ionsglied eine mit einem Differenzierglied, mit einem daran angeschalteten Auswerteglied, mit jvvei Funktionsgliedern und mit einem Knotenpunkt versehene Rückführung zur Veränderung der Zeitkonstante τ des Integrationsgliedes aufweist.

Wird an Stelle der festen Zeitkonstantf eine variable Zeitkonstante τ(χ) zur Mittelwertbildung eingesetzt und wird diese durch die Größe χ geeignet gesteuert, so kann das gewünschte Zeitverhalten weitgehend erreicht werden. Bei einer Änderung von η wird die

Zeitkonstante τ in Abhängigkeit von ~ verkleinert χ gesteuert wird. Ist

In F i g. 1 wird U_E auf bekannte Weise in einem Differenzierglied 1 differenziert. In dem AuswertegHed 2 wird festgestellt, ob —j-*- gleich Null oder verschieden von Null ist, und in Abhängigkeit von dieser Feststellung wird eines von zwei Funktionsgliedern 3 oder 4 angesteuert. Ist

aU_t

dl

versciiieden

von Null, so wird im Funktionsglied 3 die Funktion x=/ \-~if-) gebildet. Die Funktion χ wird über einen Knotenpunkt 5 zu einem Integrationsglied 6 geführt, dessen Zeitkonstante τ in Abhängigkeit von

und bei -£- = 0, d. h. bei konstantem n, wieder

so vergrößert, daß im Zeitintervall 0 < r < T die Bedingung

dlA

df

jeder/at erfüllt ist. Hierbei bedeutet ί = 0 den Zeit

punkt. in dem nach der Änderung! ' !wieder gegen Null geht, und / = T den Zeitpunkt, in dem die geforderte Genauigkeit ■-— erfüllt ist. Die untere G^ren/e der Zeitkonstanten τ(χ) wird durch die Zeit

bestimmt, die dk Mittelung des Wertes ι ^d" selbst

I dr !

erfordert.

Die Einrichtung nach der Erfindung enthält also im wesentlichen die folgenden vier Teile:

al einen SchaltungMeil zur Realisierung einer Grund-

/eitkonstante T₀,
bi einen nachgeschalteten Schaltungsteil zur Realisi rung einer variablen Zeitkonstante r(x),

ei eine Meßeinrichtung für] ~ mit einer Einrichtung

dn

zur Verkleinerung von τ(χ) für

dr

Φ Ound

d) eine Rückführeinrichtung zur Vergrößerung von ¹ «In

für,

dr

= 0.

Die Erfindung wird im folgei den an Hand von in den Figuren ,rargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeig*

F'. 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.

Für die hier vorliegenden Ausführungsbeispiele wird die Grundzeitkonstante T₀ 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

r(.x), die Meßeinrichtung für -^- mit einer Einrichtung zur Verkleinerung von τ(χ) sowie die Rückführeinrichtung zur Vergrößerung von τ(χ). Der jeweilige Eingangswert U_E stellt somit bereits den mit Hilfe der Zei'lconstante T₀ integrierten Momentanwert dar.

= 0, so wird im Funktionsglied 4 die Größe χ in Abhängigkeit von der Zeit gebildet, wobei sich zu:: Zeit T nach einer Änderung des Eingangssignals ein Endwert für χ einstellt. Der Ausgang des Funktionsgliedcs 4 wird ebenfalls über den Knotenpunkt 5 mm Integrationsgüed 6 geführt. Die Größe χ wird i.i den beiden Funktionsgliedein 3 und 4 in der Weise gebildet, daß bei Ansteuerung des Funktionsgliedes 3 die Zeitkonstante t(.x) im lntegrutionsglied 6 verkleinen und bei Anfeuerung des Funktionsgliedes 4 vergrößert wird. Im Integrationsgüed 6 wird das Eingangssignal U_t mit Hilfe der Zeitkonstanten r(x) integriert und so das Ausgangssignal U^ erzeugt, das zur Anzeige gebracht oder anderweitig ausgewertet werden kann.

Nachteilig bei der Einrichtung in F i g. 1 ist. daß keine direkte Kontrolle über eine allfällige Differenz der Mittelwerte des Eingangs- und Ausgangssignals U_E und U₄ erfolgt. Zur Behebung dieses Nachteils kann die Einrichtung in F i g. 2 verwendet werden.

Hierbei wird --.-*· durch Bildung der Differenz des

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 U_E äußert sich in einer Differenz von U_E und U _A; diese Differenz verringert über die Größe χ die Zeitkonstante t(a), so daß U _λ den

Wert von U_E annimmt. Für , ^f =0 ist auch die

Differenz zwischen U₁ und U_A gleich Null, und die Zeitkonstante t(x) wird über die Rückführung χ = f{t) wieder größer, bis zur Zeit Γ der Maximalwert von r(x) erreicht ist. Statistische Schwankungen des Eingangssignals U_E werden jedoch zum Vergleich mit U₄ nicht herangezogen.

Die F i g. 3 zeigt in etwas vereinfachter Form eine Möglichkeit der schaltungstechnischen Realisierung des Blockschaltbildes in F i g. 2 Die variable Zeitkonstante t(x) wird vorzugsweise mit Hilfe eines Kondensators 10 und eines Fotowiderstandes 8 gebildet, d τ mit einer Lichtquelle 9 optisch gekoppelt ist An Stelle einer Lichtquelle und eines Fotowiderstandes können selbstverständlich auch andere üquivalent wirkende Mittel eingesetzt werden, z. B. ein Motorpotentiometer, ein magnetisch steuerbarer Widerstand, ein mit einer Heizwicklung versehener temperaturabhäiißiger Widerstand usw.
Der Fotowiderstand 8 und ein Kondensator 10 bestimmen die Zeitkonstante τ(χ) für das Eingangssignal 14. Ein Operationsverstärker 11 stellt einen Impedanzwandler für das Ausgangssignal U_A dar. Ein weiterer Operationsverstärker 12 ist mit einer

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Zeitkonstante t_d, die jeweils durch einen Widerstand 13 bzw. 14 sowie einen Kondensator 15 bzw. 16 bestimmt wird, als Differenzverstärker geschaltet und bildet die Differenz U_E — U_A. 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.

Das Eingangssignal U_E weist relativ große statistische Schwankungen auf, da die Grundzeitkonstante T₀ im Interesse einer möglichst kurzen Ansprechzeit klein gehalten werden soll. Die Differenz zwischen U_E und dem geglätteten Ausgangssignal U_A zeigt ebenfalls diese Schwankungen, da auch die Zeitkonstante r_D in der Größenordnung von T₀ gewählt werden muß. Um nun die statistischen Schwankungen vom Nutzsignal zu trennen, wird den Ausgangssignalen der Verstärker IZ und 17 eine negative Spannung U_v überlagert, so daß die beiden Dioden 18 und 19 in Sperrichtung vorgespannt werden. U_v wird an einem Potentiometer 20 so eingestellt, daß auch die Spitzen der statistischen Schwankungen durch die Dioden 18 und 19 gerade noch abgehalten werden.

Wird . ^f verschieden von Null, so verschiebt

sich der Mittelwert von U_E - U _A bzw. - {U_E - U_A), und eine der beiden Dioden 18 und 19 wird leitend. Dadurch wird ein Kondensator 21 auf eine Spannung U_x aufgeladen. Diese Spannung ist abhängig von

• j| M · Sie gelangt über einen Verstärker 22 zur

Lichtquelle 9, wo sie für deren Speisung verwendet wird. Die daraus resultierende Beleuchtung des Fotowiderstandes 8 bewirkt eine Abnahme der Zeitkonstante r(x). Dadurch strebt U_A gegen U_E und damit ihre Differenz gegen Null. Die bisher leitende der Dioden 18.19 sperrt nun wieder, und die Spannung U_x sinkt mit der durch den Kondensator 21 und einen Widerstand 23 gegebenen Zeitkonstantc auf Null ab, wodurch die Zeitkonstantc r(x) wieder bis zu ihrem Maximalwert zunimmt.

Um nun der Rückführfunktion χ = /(t) den gewünschten Verlauf zu geben, ohne die komplizierte Beziehung zwischen der Spannung der Lichtquelle 9 und dem Wert des Fotowiderstandes 8 cu beherrschen, wird der Verstärker 22 über einen zweiten, gleichen Fotowiderstand gegengckoppelt, 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 U₁ und U₁. 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 U₁ sowie den Widerstand 25 wird aus der abklingenden Spannung U_x die optimale Rückführfunktion τ = /U) ermöglicht. Optimal ist diese Funktion dann, wenn die statistischen Schwankungen a, des Ausgangssignals U, die Bedingung

im Bereich 0 <f <Terfüllen.

Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel werden die statistischen Schwankungen des Eingangssignals und damit auch die Spannung U₁ als konstant angenommen. Bei Mcßstellen mit starker Nullpunktunterdrückung ist dies auch angenähert der Fall. Bei Messungen ohne Nullpunktunterdrückung jedoch ändert sich <r_r mit der Wurzel aus dem Eingangssignal 14.

Die Spannung U_t. wird in diesem Fall vom Eingangssignal U_h: gesteuert. Eine lineare Annäherung der Wurzclfunktion ist dabei ausreichend.

Die beschriebene Einrichtung weist zwei wesentliche Eigenschaften auf:

a) Bei großen Änderungen des Eingangssignals ermöglicht sie rascher einen ablesbaren Wert be-

stimmter' Genauigkeit als eine Einrichtung mit einer nicht veränderbaren Zeitkonstante. Urn nach einem Signalsprung von beispielsweise 0 auf 100% für das Ausgangssignal eine Genauigkeit von 1% zu erreichen, werden bei der Einrichtung nach der Erfindung 2r und bei einer Einrichtung mit einer festen Zeitkonstante r eine Zeit von 5 τ benötigt;

b) in der Zeil von der Signaländerung bis 2 r_max wird der Mittelwert mit der theoretisch bestmöglichen Genauigkeit angezeigt. Bei einem Variationsbereich I : HK) für r = /(.x) wird praktisch etwa ein Variationsbereich für die Genauigkeit des Anzeigewertes 1 : 10 mit einer Grund-

zeitkonstantc r„ = ^. τ_ηΗΙΧ erreicht. Die realisierbare kürzeste Ansprechzeit liegt bei etwa 2 bis 3 „. Wird 2 r gleich T gesetzt, so steht ab etwa 0,03 Tein sich ständig verbessernder Mittelwert zur Verfügung, dessen Anfangswert etwa

zehnmal ungenauer ist als der Endwert.

Da die Einrichtung analoge Signale verarbeitet, kann sie sowohl Impulsdctcktorcn mit Impulsfrequenzmetern als auch Ionisationskammern mit Gleichstromverstärkern nachgcschaltct werden. Der Einsät/ kann überall dort erfolgen, wo die vom Detektor gelieferte Information aus irgendwelchen Gründen begrenzt ist und deshalb zur Erreichung des Mcßzicles optimal ausgewertet werden muß. Neben speziellen Me(J-aufgaben im Strahlenschulz mit niedrigem Pegel liegt eine vorteilhafte Anwendung vor allem in der industriellen Meß- und Rcgeltcchnik mit Isotopen, da man hier außer rein ökonomischen Gründen auch wegen des Strahlcnschutzcs mit möglichst schwachen Quellen arbeiten möchte.

Im Falle von diskontinuierlichen Messungen erreicht man eine kurze Meßzeit. Bei kontinuierlichen Messungen in geschlossenen Regelkreisen soll die Meßgröße möglichst konstant bleiben. Lanf ame Ab-Wanderungen vom Soll vert werden ohne ZeitkonstantenverKÜrzung und somit auch ohne Genauigkeilseinbuße erlaßt. Im Falle von größeren schnellen Siorcinflüssen 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.

Auch das Folgeverhallcn einer Regelstrecke, deren Meßstcllc eine erfindungsgemäße Einrichtung enthält, wird günstig beeinflußt. Während des Überganges 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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2905

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bildung des Mittelwertes bei statistisch auftretenden Ereignissen, die durch Eingangssignale dargestellt werden, welche mit Hiäfe einer integrierenden Grundzeitkonstante gemittelten Momentanwerten entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrationsglied (6) zur Bildung einer in Abhängigkeit von der Änderung der Häufigkeit des Auftretens der Ereignisse veränderbaren Zeitkonstante τ — f{x) vorgesehen ist, dessen Eingang das dem gemittelten Momentanwert entsprechende Eingangssignal (l/_E) zugeführt wird und dessen Ausgang mit einem Anzeige- und Auswertegerät verbunden ist und daß das Integrationsglied (6) eine mit einem Differenzierglied (1), mit einem daran angeschalteten Auswerteglied (2). mit zwei Funktionsgliedern (3, 4) und mit einem Knotenpunkt (5) versehene Rückführung zur Veränderung der Zeitkonstante τ des Integrationsgliedes (6) aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Aus\vcrtcglied(2(. dessen Eingang durch die Ableitung des Eingangssignals (U _h) gesieuert wird, für die Entscheidung, ob diese Ableitung gleich Null oder unterschiedlich von Null ist, ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsglied (3). welches durch die von Null unterschiedliche Ableitung des Eingangssignals (L'_£) gesteuert wird, zur Bildung des Wertes χ — / (■■-,-- J und das Funktionsglied (4), welches beim Wert Null der Ableitung des Eingangssignals (U,_■) angesteuert wird, zur Bildung des Wertes χ = /(ί) ausgebildet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzierglied (1) durch ein differen/bildendes Schaltungselement (7) ersetzt ist, welches zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Integrationsgliedes (6) geschaltet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das differenzbildende Schaltungselement (7) ein Differenzverstärker (12) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Betrages der Änderung der Häufigkeit des Auftretens der Ereignisse der Ausgang des Differenzverstärkers (12) mit einer Diode (18) sowie über einen Inverter (17) mit einer weiteren Diode (19) geschaltet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante Mx)) durch einen veränderbaren Fotowiderstand (8) und einen Kondensator (10) bestimmt wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Differenzverstärker (12) gesteuerte Lichtquelle (9) zur Beleuchtung des Fotowiderstandes (8) vorhanden ist.

nissen, die durch Eingangssignale dargestellt werden, weiche mit Hilfe einer integrierenden Grundzeitkonstante gemittelten Momentan weiten entsprechen. Bei Detektoren zur Erfassung von nuklearer Strah-

lung sind Ereignisse, wie z. B. Ionisation oder iszintillation, die Ursache für das abgegebene Signal. Dieses befteht aus einem aus sich zeitlich überlappenden oder getrennten Impulsen gebildeten Strom. Bei der Messung der Strahlungsintensität muß dann

ίο zur Erreichung einer vorgegebenen Genauigkeit dieses Signal über eine bestimmte Zeit T gemittelt werden. Dabei gilt für eine diskontinuierliche Messung: