DE2621103A1

DE2621103A1 - Anordnung zur messung eines elektrischen stromes

Info

Publication number: DE2621103A1
Application number: DE19762621103
Authority: DE
Inventors: Charles Philip Counsins
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-05-10
Publication date: 1976-12-02
Also published as: NL7605135A; JPS577667B2; JPS51140766A; US4138640A; GB1545784A; FR2311312A1

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI Limited 100/476

Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes und insbesondere auch eine Anordnung zur genauen Messung kleiner elektrischer Ströme beim Vorhandensein von Rauschen.

Eine gegenwärtig verwendete Technik zur Messung kleiner Gleichströme besteht darin, den Strom (zusammen mit dem Rauschen) über eine feste Zeitperiode zu integrieren und dann den Integrator mit einer bekannten Geschwindigkeit zu entladen, bis seine angesammelte Ladung Null wird. Die Entladungszeit wird gemessen und dient zur Errechnung des mittleren Pegels des in der

609849/0679

26211

Integrationsperiode geflossenen Stromes. Dabei ist angenommen, daß ein statistisches Rauschen vorliegt, das damit innerhalb der Integrationsperiode gegenüber Null einen Durchschnitt aufweist. Die Amplitude des Rauschsignals, die am Ende der Integrationsperiode vorliegt, kann jedoch die Zeit beeinträchtigen, die für die Entladung des angesammelten Stromes auf Null vorgesehen ist, und hierdurch kann bei der Errechnung des mittleren Stroms ein
Fehler entstehen. Beispielsweise kann eine Rauschspitze am
äußersten Ende der Integrationsperiode eine Erhöhung der Entladungszeit bewirken, wodurch der errechnete Wert des mittleren
Stroms zu groß wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
zur Messung eines elektrischen Stromes zu schaffen, die das zuvor beschriebene Problem vermindert.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch Mittel zur Erfassung des Stromes und zur Erzeugung von Signalen, die den Strom während eines vorgegebenen Zeitintervalls' darstellen, durch eine Quelle von Faktorsignalen, die eine Funktion darstellen, die während des Intervalls eine bekannte Änderung aufweist, durch Mittel zur Kombination der den Strom darstellenden Signale mit entsprechenden Faktorsignalen und durch
Mittel zur Integration der kombinierten Signale für einen Zeitraum, der etwa gleich dem vorgegebenen Zeitintervall ist, so
daß eine statistische Ermittlung des Mittelwertes des Stromes
über diesem Zeitraum erzielt wird*

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt ein die erfindungsgemäße Anordnung verkörperndes Gerät mit einem Blockschaltbild dieser Anordnung.

609849/0 6 79

26211

Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht darin, in einem radiologischen Gerät der in der DT-OS 1 941 433 beschriebenen Art den Ausgangsstrom von einer Fotodiode zu messen, die dazu dient, den Lichtausgang eines Szintillatorkristalls in einen elektrischen Strom umzusetzen. Solche Fotodioden erzeugen ziemlich kleine Ausgangsströme, so daß in den nachfolgenden Schaltungen Verstärker mit einem hohen Gewinn erforderlich sind. Aufgrund dessen macht sich das Rauschen der Schaltung bemerkbar, und die Erfindung ermöglicht eine Verminderung dieses Rauschens um ein beträchtliches Maß.

Das radiologische Gerät enthält eine Quelle 1, die einen bleistiftförmigen Röntgenstrahl 2 aussendet, der durch einen Körper 3 geschickt wird, der in einer Ausnehmung 4 eines Drehtisches 5 angeordnet ist, und der Strahl trifft über einen Kollimator 6 auf einen Szintxllatorkristall 7, der einen optischen Ausgang liefert, dessen Helligkeit ein Maß für die auf ihn auftreffende Strahlungsmenge ist. Die Quelle 1 und der Szintxllatorkristall 7 sind über ein starres Joch 8.miteinander gekuppelt und können gemeinsam eine laterale Abtastbewegung in bezug auf den Drehtisch durchführen, und diese Abtastbewegung wird durch einen Motor 9 bewirkt, der auf dem Drehtisch 5 gelagert ist und ein Zahnrad 10 antreibt, das seinerseits einen endlosen Zahnriemen 11 antreibt, an dem die Quelle 1 befestigt ist. Der Zahnriemen 11 läuft über eine nicht angetriebene Umlenkrolle 12, und an der gegenüberliegenden Seite des Riemens 11 ist ein Gegengewicht 13 angebracht, das sich stets in entgegengesetzte Richtung wie die Quelle 1 bewegt .

Die Quelle 1, das Gegengewicht 13 und der Detektor 7 bewegen sich ferner in linearen Führungen 14, 15 und 16 auf dem Drehtisch 5. Die Führung 16 für den Detektor 7 enthält ferner eine Stricheinteilung 17 in Form von vertikalen, lichtundurch-

6098Λ9/0679

26211

lässigen Linien 18 auf einem lichtdurchlässigen Material. Die Linien 18 werden von einer Fotozelle und einer Detektoreinheit abgetastet, die mit dem Szintillatorkristall bewegt wird, so daß Zeitgeberimpulse erzeugt werden, die ein Maß für den Fortschritt der lateralen Abtastbewegung sind.

Der Drehtisch 5 läuft um eine zu ihm senkrechte Achse 20 um, so daß alle auf ihm gelagerten Elemente um den Körper 3 umlaufen. Der Umlauf des Drehtisches 5 wird durch einen Motor 21 bewirkt, der ein Zahnrad 22 antreibt, das mit nicht dargestellten Zähnen in Eingriff steht, die am Umfang des Drehtisches 5 angebracht sind.

Im Betrieb wird zunächst der Motor 9 betätigt, um der Quelle 1 und dem Detektor 7 eine Abtastbewegung von links nach rechts über den Drehtisch 5 zu erteilen, so daß der bleistiftförmige Röntgenstrahl seinerseits eine Gruppe von parallelen, koplanaren Wegen durch den Körper bestrahlt. Der Detektor 7 erzeugt Ausgangssingnale, die ein Maß für die Strahlungsmenge sind, die auf jedem Weg nach Durchlauf durch den Körper vorhanden sind, und diese Ausgänge werden mittels einer Fotodiode 23, die sich natürlich mit dem Detektor 7 bewegt, in elektrische Signale umgesetzt. Wenn die Quelle 1 und der Detektor 23 die rechte Grenze ihrer Querbewegung erreichen, wird der Motor 21 erregt und dreht den Drehtisch 5 um einen kleinen Winkel , z.B. um einen Winkel von 1/2°. Dann wird der Motor 9 erregt, um die Quelle 1 und den Detektor 7, 23 linear von links nach rechts über den Drehtisch zu bewegen, um Ausgangssignale zu erhalten, die ein Maß für die Strahlungsmenge sind, die durch den Körper 3 entlang einer zweiten Gruppe von Strahlenwegen geschickt wird, die um 1/2° in bezug auf die erstgenannten Gruppe geneigt ist. Dieses Verfahren der abwechselnden translatorischen und kreisenden Abtastbewegungen wird forgesetzt, bis der Drehtisch 5 eine Drehbewegung von etwa 180° oder mehr

609849/0 6 79

ausgeführt hat. Alle hierbei gewonnenen Ausgangssignale werden beispielsweise in der in der DT-OS beschriebenen oder in einer anderen Weise einer Datenverarbeitung unterworfen, um die Absorptionskoeffizienten jedes Elementes einer zweidimensionalen Gruppe von in der bestrahlten Ebene des Körpers 3 angenommenen

Elementen in bezug auf die verwendete Strahlung zu ermitteln.

Die gemäß der Erfindung verwendete Anordnung ist innerhalb des gestrichelten Umrisses 24 dargestellt. Der Ausgangsstrom der Diode 23 wird einem Integrator 25 zugeführt, der periodisch durch Zeitgeberimpulse zurückgestellt wird, die von der Fotozellen/Detektoreinheit 19 abgeleitet werden, wobei angenommen ist, daß diese Impulse eine Periode P besitzen. Der Ausgang f (t) des Integrators 25 wird einer Multiplikationsschaltung 26 zugeführt, wo

eine Multiplikation mit dem Faktor (t-^) zu einem Zweck stattfindet, der noch weiter unten näher erläutert wird. Tatsächlich

T
wird das Signal (t-r), das einen Sägezahn darstellt, der bei

T
t = χ durch Null verläuft, als solches nicht verwendet, jedoch durch eine Rechteck-Wellenform angenähert, die von einer Schaltung erzeugt wird, die innerhalb der gestrichelten Linie 27 vorgesehen ist. Die Rechteck-Wellenform hat während jeder Periode

T T einen Wert von -1 für die Zeltperiode t = 0 bis t = =, und ei-

T 2T nen Wert von Null von t = ^ bis t = ·=— und einen Wert von +1 für

2T

die Periode t = -j- bis t = T. Der Ausgang der Multiplikationsschaltung 26 wird einer zweiten Integrationsschaltung 28 zugeführt, die wie der Integrator 25 durch die von der Einheit 19 abgeleiteten Zeitimpulse mit der Periode T zurückgestellt wird. Die Schaltung 28 liefert Ausgangssignale, die mit einem konstanten Faktor K~ in einer Schaltung 29 multipliziert werden, und diese multiplizierten Signale sind ein Maß für den Mittelwert des Eingangsstromes für die vorangehende Periode T, der weitgehend

609849/0679

rauschfrei ist, selbst wenn kurz vor dem Ende der Integrationsperiode eine Rauschspitze auftritt.

Die Schaltung innerhalb der Linie 27 enthält eine Frequenz-

Verdreifachungsschaltung 30, die Impulse mit der Periode T von

T der Einheit 19 empfängt und daraus Impulse mit der Periode ^ ^er~ zeugt, die einer Gruppe von drei UND-Toren 31, 32 und 33 zugeführt werden. Das erste UND-Tor 31 ist ständig offen, es sei denn, daß ein Impuls seiner unteren Eingangsklemme zugeführt wird. Der erste Impuls jeder Dreiergruppe von der Schaltung 30 verläuft dann unmittelbar durch das Tor 31 zur Eingangsklemme 34 einer Schaltung 35, die bei Empfang eines Impulses an der Klemme 34 der Multiplikationsschaltung 26 fortlaufend einen Multiplikationsfaktor von -1 zuführt. Der der Klemme 34 zugeführte Impuls wird ferner dem Eingang eines ersten Verzögerungselementes 36 zuge-

führt, das dem Impuls eine Verzögerung von -τ mitteilt. Der Auslöseimpuls vom Verzögerungselement 36 wird dem Eingang des zweiten ÜND-Tores 32 zugeführt und gelangt über ein ODER-Tor 37 als sperrender Eingang zum ersten UND-Tor 31. Wenn dieser Fall eintritt, erreicht der zweite Impuls der drei von der Schaltung-30 erzeugten Impulse diese Tore und gelangt durch das Tor 32 zu einer zweiten Eingangsklemme 38 der Schaltung 35, wodurch der zuvor der Schaltung 26 ständig zugeführte Faktor -1 unterbrochen und durch einen Faktor Null ersetzt wird. In gleicher Weise wird der vom Tor 32 zur Klemme 38 durchgelassene Impuls dem Eingang eines

T
zweiten ~ Verzögerungselementes 39 zugeführt. Der Ausgang des Verzögerungselementes 39 wird als Auslöseeingang dem Tor 33 und über das ODER-Tor 37 als Rückstelleingang dem Tor 31 zugeführt. Die Tore 31 und 32 werden somit unwirksam gemacht, so daß bei Eintreffen des dritten Impulses einer Gruppe an den drei Toren dieser Impuls durch das Tor 33 an eine dritte Eingangsklemme 40 der Schaltung 35 gelangt. Hierdurch wird der zuvor der Schaltung

609849/0679

26 zugeführte Null-Faktor durch einen Faktor +1 ersetzt.

Der erste Impuls der nächsten Dreierimpulsgruppe verläuft natürlich durch das Tor 31 zur Klemme 34, und somit beginnt der Zyklus erneut.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung einer Analyseform, die in der Statistik benutzt wird, um den Verlauf der genauesten Linie durch eine Reihe von verstreuten Punkten zu ermitteln, indem eine Berechnung des kleinsten quadratischen Fehlers vorgenommen wird. Wenn man eine räumliche Verteilung von in einer x-y-Ebene aufgetragenen Punkte betrachtet, ist der Verlauf B einer solchen Linie durch den folgenden Ausdruck gegeben:

■e·

worin η die Zahl der den aufgetragenen Punkten zugeordneten Koordinatenpaare (x.,y.) ist.

Formt man diesen Ausdruck nach der Zeit um, so erhält man den neuen Ausdruck:

3 ( τ
B = T^J J (t - |) f (t) dt - ·

worin T die Integrationsperiode und f (t) der Ausgang des Integrators 25 ist. Die x-Koordinate ist durch die Zeit t ersetzt worden.

609849/0679

Der Verlauf b ist ferner eine Funktion der Zeit t und des Stromes i , so daß

b = k₁ (i T) , worin k.. ein Konstante ist.

Somit ist für einen gegebenen Wert von T

i = )^2 j (t - x) · f (t) · dt, worin k₂ eine Konstante ist.

Es ist ersichtlich, daß die in dem gestrichelten Umriß 24 dargestellte Schaltung eine mögliche Interpretation des obigen Ausdruckes für i ist.

Die Erfindung verkörpert somit ein neues Prinzip, nämlich die statistische ,Ermittlung des Mittelwertes eines zu messenden Stromes während eines Zeitraums. Diese Technik ist insbesondere von Nutzen, wenn der zu messende Strom so klein ist, daß er im Rauschen untergeht. Ein Nutzen liegt jedoch auch unter anderen Umständen vor, beispielsweise wenn der Strom selbst einer gewissen Schwankung unterworfen ist, z.B. bei einer normalen oder Poisson-Verteilung.

Der Strom i kann sich auch mit der Zeit ändern, sofern die Auftastfrequenz wenigstens zweimal so groß wie die maximal erwartete Anderungsfrequenz ist. Das Ergebnis ist ferner unabhängig von jeglicher Unstetigkeit in f(t).

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die im Umriß 24 dargestellte Schaltung nur eine Ausführungsform der Erfindung darstellt und daß auch andere Ausführungsformen möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wurde ferner in Verbindung mit einem radiologischen Gerät entsprechend Fig. 1 erläutert, jedoch ist die Er-

6098A9/0679

findung nichtauf eine solche Anwendung beschränkt. Wenn die Anwendung der Erfindung bei einem solchen radiologischen Gerät erfolgt, braucht das Gerät nicht die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform aufzuweisen. Insbesondere kann die Quelle 1 durch eine Quelle ersetzt werden, die ein ebenes, fächerförmiges Strahlungsfeld erzeugt, wobei dann der Detektor 7 durch eine Bank solcher Detektoren zu ersetzen wäre und die in dem Umriß 24 dargestellte Schaltung würde dann für jeden Detektor vorgesehen. Die stufenförmigen, vom Drehtisch 5 ausgeführten Drehschritte würden in diesem Falle dem Winkel des Strahlungsfächers entsprechen. Der Winkel des Fächers kann aber auch so groß sein, daß er den gesamten Körper erfaßt, so daß die anhand von Fig. 1 beschriebene laterale Abtastbewegung entfallen kann, wobei die Abtastung dann auf eine stetige Drehung des Drehtisches 5 in bezug auf den Körper 3 beschränkt wird.

-Patentansprüche-

609849/067 9

Claims

Patentansprüche :

Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes, gekennzeichnet durch Mittel zur Erfassung des Stromes und zur Erzeugung von Signalen, die den Strom während eines vorgegebenen Zeitintervalls darstellen, durch eine Quelle von Faktorsignalen, die eine Funktion darstellen, die während des Intervalls eine *bekannte Änderung aufweist, durch Mittel zur Kombination der den Strom darstellenden Signale mit entsprechenden Faktorsignalen, und durch Mittel zur Integration der kombinierten Signale für einen Zeitraum, der etwa gleich dem vorgegebenen Zeitintervall ist, so daß eine statistische Ermittlung des Mittelwertes des Stromes über diesem Zeitraum erzielt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Integrationsschaltung zürn Empfang des Stromes und zur Erzeugung von Signalen, die das Integral des Stromes des vorgegebenen Zeitintervalls darstellen und zur Zuführung zu den Kombinationsmitteln dienen, vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn ζ eichnet, daß die Kombinationsmittel aus einer MuItiplikationsschaltung bestehen.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Faktorsignale entsprechend

einer abgestuften Wellenform erfolgt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und die Polarität der Stufen so ist, daß Stromwerte,

609849/0679

die am Beginn des Zeitintervalls erfaßt werden, im Vergleich zu Stromwerten, die am Ende des Zeitintervalls erfaßt werden, geringer bewertet werden.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Faktorsignale nach einer linearen, ansteigenden Funktion erfolgt.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Multiplikationsschaltung zur Multiplikation der integrierten und kombinierten Signale mit einem weitgehend konstanten Faktor vorgesehen ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung von Takt-Impulsen mit einer dem Zeitintervall entsprechenden Frequenz und zur Verwendung der Takt-Impulse für die Steuerung der Zuführung der Faktorsignale zu den Kombinationsmitteln und der Integrationsperiode der Integrationsschaltung vorgesehen sind.
9. Medizinisches radiographisches Gerät mit Mitteln zur Erzeugung elektrischer Ströme, die Linienintegrale der Absorption darstellen, die die Strahlung bei Durchqueren eines Körpers längs zahlreicher, weitgehend koplanarer Wege erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
10. Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Erfassung des Stromes; Erzeugung von Signalen, die die Änderung des Stromes während eines vorgegebenen Zeitintervalls darstellen; Multiplikation der Signale zu bestimmten Zeiten innerhalb des Intervalls mit entsprechenden FaktorSignalen, die eine Funktion darstellen, die

■',6 09849/0679

während des Intervalls eine bekannte Charakteristik aufweist; Integration der multiplizierten Signale über einen Zeitraum, der gleich dem Zeitintervall ist; Multiplikation der integrierten Signale mit einem etwa konstanten Faktor.
11. Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes, gekennzeichnet durch Mittel zur Ansammlung des Stromes in einem vorgegebenen Zeitintervall, Mittel zur Bewertung des angesammelten Stromes zu bestimmten Zeiten innerhalb des Intervalls mit Faktoren, die zu diesen Zeiten unterschiedliche Werte aufweisen und Mittel zur Bildung des Mittelwertes der bewerteten Ströme, um ein Maß für den Durchschnittswert des Stromes während des Intervalls zu erzeugen.
12. Medizinisches radiographisches Gerät, mit einer Röntgenstrahlenquelie, mit Mitteln zur Anordnung eines Patienten in einer vorgegebenen Lage, mit einem die Strahlungsquelle tragenden Abtastrahmen, mittels dem die Strahlung durch einen ebenen Bereich des Körpers geschickt werden kann, mit Antriebsmitteln zur Bewegung des Abtastrahmens und der Strahlungsquelle derart relativ zum Patienten, daß die Strahlung den Bereich entlang zahlreicher koplanarer Wege durchquert, wobei die Wege eine Gruppe von Wegen bilden, die von zahreichen rund um den Patienten befindlichen Stellen bestrahlt werden, mit Detektormitteln zur Feststellung der Strahlung, die auf jedem der Wege den Körper durchquert hat, und zur Erzeugung eines elektrischen Stromes,der ein Maß für die Menge der Strahlung auf jedem der Wege nach Durchqueren des Körpers ist, und mit Mitteln zur Messung des elektrischen Stromes, gekennzeichnet durch Mittel sur Erfassung des Stromes und zur Erzeugung von Signalen, die den Strom während eines vorgegebenen Zeitintervalls darstellen _B durch eine Quelle von Faktorsignalen, die eine Funktion darstellen^ die während des-Intervalls eine bekannte Änderung aufweist, durcli Mittel zur Kombination der den

809849/0S79

Strom darstellenden Signale mit entsprechenden Faktorsignalen, und durch Mittel zur Integration der kombinierten Signale für einen Zeitraum, der etwa gleich dem vorgegebenen Zeitintervall ist, so daß eine statistische Ermittlung des Mittelwertes des Stromes über diesen Zeitraum erzielt wird.

Bs / dm

609849/0 6 79

Leerseite