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Schaltungsanordnung zum Verarbeiten von Meßsignalen
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verarbeiten von
Meßsignalen einer Sonde zur Ixploratiqn von Lagerstätten mittels direkter Elernentanalyse
in I3ohrlöchern (Bohrlochsonde), wobei die über ein Kabel mit einer externen Steuer-
und Kontrolleinheit verbunden Bohrlochsonde mit Szintillations- oder Iialbleiterdetektoren
die Sekundärstrahlung aufnimmt, die von dem das Bohrloch umgebenden Gestein ausgeht
und primär durch eine Neutronen oder Gammaquanten aussendende Quelle erzeugt ist
und der Strahlungsenergie proportionale Spannungsamplituden mit einer Verstärkeranordnung
verstärkt.
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Derartige Sonden werden nicht nur zur Exploration von Lagerstätten
vorbestimmter Stoffe eingesetzt, sondern können auch z.B. in Erzaufbereitungsanlagen,
in der Produktüberwachunr oder Laboranalytik und ganz allgemein überall dort verwendet
werden, wo räumlich beengte Verhältnisse und/oder erschwerte Retriebsbedinf ;unfrsen
vorliegen.
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Als Meßwertaufnehmer werden in der Kernstrahlenmeßtechnik übliche
Szintillations- oder ESalbleiterdetektoren wie NaJ, Si(Li), Ge(Li), Ge eingesetzt,
deren nachgeschaltete Verstärker als Meßsignal elektrische Spannungsimpulse abgeben,
deren Form annähernd der Gaußschen Glockenkurve entsprechen, wobei die Spannungsamplituden
im Scheitelpunkt der Signale ein Maß für die Energie der Strahlung sind.
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Aus dem Spektrum der Impulshäufigkeitsverteilung in einem vorbestimmten
Energiegebiet kann auf das Vorhandensein bestimmter Stoffe an der Meßstelle geschlossen
werden.
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Es ist eine Sonde zur Exploration von Lagerstätten bekannt (DT-OS
2 309 1es4), bei der die Meßsignale von der am Detektor angeordneten Meßwertverarbeitung
über ein einige hundert Meter langes Kabel zu einer externen Steuer- und Kontrolleinheit
übertragen werden. Dabei wirkt es sich nachteilig aus, daß die Meßsignale als Analogwerte
ueber das Kabel geleitet werden, weil die in der Signalamplitude liegende Information
insbesondere bei den hier vorliegenden Kabellängen durch Störspannungen unterschiedlicher
Art leicht veränderbar ist, so daß mit einer Verfälschung der Energielage des Impulses
zu rechnen ist und das Identifizieren eines Elementes mindestens erschwert, wenn
nicht sogar unmöglich gemacht wird. Ein anderer Nachteil besteht darin, dald bei
analoger Übertragung der Meßsignale über ein einadriges Koaxialkabel bei dem für
Einrichtungen der erfindungsgemäßen Art notwendigen Dialogbetrieb der hierfür erforderliche
Bauelementaufwand an beiden Enden des Kabels erheblich ansteigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zum Verarbeiten von Meßsignalen zu schaffen, an deren Ausgang die Information über
Strahlungs,spektren in digitaler Form vorliegen und deren Bauvolumen so klein ist,
daß die Meßelektronik in der Sonde angeordnet werden kann. Dabei soll die Schaltungsanordnung
so aufgebaut sein, daß die Stromversorgung derselben, das übertragen von Steuerbefelllen,
vzie z.B. Messung Start, Messung Stop, Auslesen, Nullsetzen, und das Übertragen
von Meßdaten über
ein einfaches Kabel zwischen der Sonde und der
Steuer- und Kontrolleinheit möglich ist (Koaxialkabel oder nichtgeschirmtes Vierleiterkabel).
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den ladungsempfindlichen
Vorverstärkern (LEV) eines in einem Detektormodul angeordneten Detektors ein Gaußfilterverstärker
nachgeschaltet ist, der aus den LEV-Impulsen glockenförmige Impulse bildet, indem
er nieder- und höherfrequente Anteile unterdrückt und in einem Peakerkennungsteil
mit einer Sample and Elold Einheit in Verbindung mit einem schnellen Komparator
das Maximum der Spannungsamplitude erkennt und solange hält, bis ein dem Peakerkennungsteil
nachgeschalteter schneller Analog- Digital-Konverter diesen Spannungswert in ein
digitales Signal umgesetzt und amplitudenabhängig einem vorbestimmten Kanal eines
Speichers über eine Speichersteuerung zugeordnet hat, und daß die Sample and Hold
Einheit, der Analog-Digital-Konverter und der Speicher sondeninterne liugruppen
sind, die mit einem externen Steuer- und Kontrollgerät verbunden sind. Dabei hat
es sich als vorteilhaft erwiesen, alle Bauelemente einer unktionseinheit auf einer
'unktionsplatine anzuordnen, die Funktionsplatinen mit einer zentralen Verdrahtungsplatine
steckbar zu verbinden und die Funktionsplatinen und die Verdrahtungsplatine mit
einem in bezug auf den Durchmesser langen und druckdichten Gehäuse zu umschließen
und einen Elektronikmodul zu bilden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die zwn l)igitalisiert des analogen MelSsignales erforderlichen Bauelemente
in einem unmittelbar mit dem Detektormodul verbundenen Elektronikmodul, also in
der Bohrlochsonde angeordnet sind und das digitalisierte Neissignal mit großer Sicherheit
über ein langes Kabel einfacher Konstruktion zu der externen Steuer-und Kontrolleinheit
geleitet werden kann. Dabei Izann vor der ilbertrarun durch Datenreduktion auf Kanaladresse
und Kanalinhalt eine kleine Bitrate reall siert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen lig 1 3lockdiagrrnnm einer Bohrlochsonde
mit Steuer- und Kontrollgerät, Fig. 2 Blockdiagranim des Detektormoduls und des
Elektronikmoduls.
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In Figur 1 ist eine durch die Ereindung verbesserte Meßanordnung zur
Exploratiorl von Lagerstellen als vereinfachtes Blockdiagramm dargestellt. Hin Bohrloch
1 ist in die zu untersuchenden Schichten 2 niedergebractit lttlti nimmt eine Bohrlochsonde
3 auf, die an einem mehrere hundert Meter langen armierten Kabel 4 hängend mit einer
Kabelwinde 5 vertikal bewegt werden kann. Das Kabel 4 ist oberhalb der Kabelwinde
5 auf ein Steuer- und Kontrollgerät 6 gefilhrt, das mit einem Rechner 7 verbunden
ist, der zum Einstellen der Sondenteufe die Kabelwinde 5 steuert, an die eine Teufenmeßeinrichtung
8 angeschlossen ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Teufeneinstellung
von Hand vorzunehmen.
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Die Bohrlochsonde 3 besteht aus einem l)etektormodul 9 mit dem Meßwertaufnehmer
und eirlelll Elektronikmodul 10 mit der Meßwertverarbeiturls;. Jedes Modul bildet
cine in sich abgeschlossene Einheit und ist in einem Hohr von ca. ; Millimeter Außendurchmesser
und ca. 1 bis 2 Meter Länge angeordnet. An den beiden Stirnseiten des Elektronikmoduls
10 und an der oberen Stirnseite des Detektormoduls 9 sind elektrische .Steckverbindungen
11 vorgesehen, die durch Schraubverbindungen die starre und druckdichte Verbindung
der Module 9 und 10 zur Bohrlochsonde 3 und deren druckdichtes Anschließen an das
Kabel 4 ermöglicht.
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Über das Kabel 4 wird die Bohrlochsonde 3 vom Steuer- und Kontrollgerät
6 mit Spannung (60 Volt eff, 400 Hz) und den notwendigen Steuerbefehlen, wie z.B.
hiullsetzen, Messung Start, Messung Stop, Lesen Start, Lesen Stop, Alles Stop (Nothalt),
Speichertest
und Elektroniktest, versorgt. Andererseits werden von der Hohrlochsonde 3 über das
Kabel 4 im Rechnercode Spektrumsinformationen, also Kanaladresse und -inhalt, sowie
die Detektortemperatur und Quittiersignale nach dem Ausführen eines Steuerbefehles
zum Steuer- und Kontrollgerät übertragen. Ein im Steuer- und Kontrollgerät 6 angeordnet
es Display 12 zeigt mit Leuchtdioden sechsstellig wahlweise die Teufe, die Blocknummer,
die Meßzeit oder die Bandcodierung an, falls die Meßdaten mit einem ebenfalls im
Steuer- und Kontrollgerät 6 eingebauten Daten-Kassettengerät 13 aufgenommen werden.
Zum Trennen der Stromversorgung von den Steuer- und Meßsignalen ist das Kabel 4
an seinen beiden Enden mit je einem Koppelfilter 14 abgeschlossen.
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Die Aufzeichnung der Meßdaten auf Datenkassetten erfolgt ebenso wie
die Dateneingabe in den Rechner 7 in einem rechnerkompatiblen Code. Das Datenkassettengerät
13 erlaubt mit einfachen Mitteln eine Rohdatensicherung und ermöglicht oft eine
off line Konzentrationsbestimmung, bei der also zunächst Meßdaten aufgenommen und
später indem Rechner eine Element- und Konzentrationsbestimmung durchgeführt wird.
Der Spektreninformation wird dabei eine Information über die Teufe, in der das Spektrum
aufgenommen ist, sowie die Bestrahlungs- und Meßdauer, evtl. auch die Abklingzeit
vorangestellt. Ein an das Steuer- und Kontrollgerät ó anschließbarer Kathodenstrahl-Oszillograph
15 ermöglicht ferner die visuelle Darstellung der aufgenommenen Spektren.
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Beim Einsatz mehrerer Hohrlochsonden 3, also bei großflächiger Prospektion
oder im unwegsamen Gelände kann der Datenaustausch zwischen der am Bohrlochmund
installierten Kabelwinde 5 nnd dem Steuer- und Kontrollgerät 6 einerseits sowie
dem Rechner 7 andererseits mit PCM-Sende - und Empfangseinrichtungerl über Hichtfunkstrecken
vorgenommen werden.
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Weitere Einzelheiten der 3ohrlochsonde 3 nach der Erfindung sind in
dem vereinfacnten Blockdiagramm der Fig. 2 dargestellt.
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Von der zu untersuchenden Schiciit 2 (Fig. 1) ausgehende Gammastrahlung
erzeugt im Ge(Li)-Detektor 20 des Detektormoduls 9 Ladungsmengen, die in einem in
den Detektormodul 9 integrierten ladungsempfindlichen Vorverstärker (LEV) in energieproportionale
Spannungsamplituden umgesetzt werden.
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Am Eingang des silber die Steckverbindung 11 mit dem Detektormodul
9 verbundenen Elektronlkmoduls 10 ist ein Gaußfilter-Verstärker 22 angeordnet, der
aus den LEV-Impulsen glockenförmige Impulse bildet, indem er störende höher- und
niederfrequente Anteile unterdrückt. Im Peakerkennungsteil 23 erkennt eine Sample
and hold Einheit 211 in Verbindung mit einem schnellen Komparator 25 das Maximum
der Spannungsamplitude und hält diesen Wert, bis der dem Peakerkennungsteil 23 nachgeschaltete
12 bit Ancllog-Digital-Konverter 26 die Umwandlun des Analogwertes in einen Digitalwert
ausgeführt hat. Dieser Digitalwert entspricht einer Adresse im 64 K Speicher 7,
die über die Speichersteuerung 28 angesteuert wird. Der Inhalt der Speicherzelle
mit dieser Adresse erhöht sich dabei um den Wert 1.
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Nach Beendigung der Messung wird vom Steuer- und Kontrollgerät 6 der
Befehl zum Auslesen des Speichers über das Kabel 4, das Koppelfilter 14, den Befehlsempfänger
29 an die Befehlserkennung 30 gegeben. Der Inhalt des Speichers 27 wird darauf in
Form eines rechnerkompatiblen Codes über den Multiplexer 31, den Datensender 32,
das Koppelfilter 14 und das Kabel 4 auf das Steuer- und Kontrollgerät 6 übertragen.
Dabei entspricht die Kanaladresse der Energie der Strahlung und der Kanalinhalt
der Intensität der Strahlung am Meßort, so daß die Übertragung mit kleiner Bitrate
möglich ist. Während der Kernstrahlenmessung wird die 'l'emperatur des Detektors
20 mit einer im Detektormodul 9
angeordneten Temperatur-Meßeinrichtung
33 gemessen und über einen 4 bit Analog-Digital-Korlverter 34, den Multiplexer 31,
den Datensender 32, das Koppelfilter 14 und das Kabel 4 parallel zu den Meßdaten
der Kernstrahlenmessung auf das Steuer- und Kontrollgerät 6 übertragen.
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Ein Eichgenerator 35 ermöglicht das funktionelle Prüfen des gesamten
Datenweges innerhalb des Elektronikmoduls 10 ab Gaußfilterverstärker 22. Durch eine
Nullsetzroutine 36 werden vor Beginn einer Messung alle Speicher und Zähler auf
Null gesetzt.
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Die Funktion des 64 K Speichers 27 wird mit einer Speicher-Testeinheit
3l geprüft. Die Spannungsversorgung der Bohrlochsonde 3 erfolgt mit einer Versorgungseinheit
38, die dem Koppelfilter 14 nachgeschaltet ist.