-
Verfahren bzw. Einrichtung zur Messung und Darstellung
-
der mittleren Wiederholungsfrequenz von Ereignissen pro Zeiteinheit
Es ist oft erforderlich, die mittlere Wiederholungsfrequenz von Ereignissen pro
Zeiteinheit zu erfassen, z.B.
-
die Herzschlagfrequenz eines Menschen in Herzschlägen pro Minute.
Eine direkte Messung im Sinne einer genauen Messung des Abstandes zwischen zwei
Ereignissen ist hier nicht möglich, weil die Wiederholungsfrequenz von Ereignis
zu Ereignis schwankt, wenn auch eine mittlere Wiederholungsfrequenz innerhalb kürzerer
Zeiträume konstant ist. Im Zusammenhang mit der Messung der Herzschlagfrequenz ist
es insbesondere oft erforderlich, die Spitzenbelastung beim Trimmsport aufgrund
ärztlicher Empfehlungen unter Beobachtung zu halten. Man kann selbstverständlich
in bekannter Weise den Puls durch Zahlen der Schläge während einer festen Zeit mit
der Stoppuhr oder durch Beobachtung des Sekundenzeigers einer Uhr ermitteln.
-
Hierbei sind aber mehrere synchrone "vorgänge" erforderlich, nämlich
das Zählen der Pulsschläge einerseits und die gleichzeitige Beobachtung der Uhr
andererseits. Aus naheliegenden Gründen schelået eine solche Uberprilfung beispielsweise
der Pulsfrequellz bei einem Sportler aus, weil das Verfahren - noch au mlicherweise
während einer sportlichen fjbung - zu viel Aufmerksamt erfordert.
-
Ein weiterer Nachteil des vorbekannten einfachen Verfahrens ist darin
zu sehen, daß man doch eine relativ lange Beobachtungszeit, in der Regel mindestens
eine halbe Minute, benötigt.
-
Es gibt bekannte und sehr aufwendige Verfahren, die in dem geschilderten
Falle helfen könnten, z.B. die Kardiographie oder Oszilloskopie oder dgl; diese
Verfahren scheiden aber aus Kostengründen erkennbar beispielsweise für den geschilderten
Anwendungsfall aus.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bzw. eine
Einrichtung der im Titel genannten Gattung zu finden, welches bzw. welche mit einfachsten
Mitteln arbeitend einen möglichst hohen Bedienungskomfort in dem Sinne gestattet,
daß man praktisch nur noch einen Schalter ein- bzw. ausschalten muß.
-
Im Anspruch 1 sind die physikalischen Grundzüge des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben, dessen abstrakter allgemeiner Gedanke darin liegt, nicht
mit statistischer Zeitverteilung einlaufende Ereignisse zu zählen und diese dann
unter Berücksichtigung der Meßzeit in eine Frequenz umzusetzen, sondern gewissermaßen
umgekehrt vorzugehen: Es werden leichter erfaßbare Informationen in der Dimension
Zeit/Ereigniseinheit in die Frequenz-Dimension Ereignis/Zeiteinheit umgesetzt. Die
Unteransprüche und die nun folgende Beschreibung des Ausführungsbeispieles enthalten
weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
-
Im folgenden soll zunächst die mathematische Ableitung des vorgeschlagenen
Verfahrens gegeben werden, wobei beispielsweise daran gedacht ist, ein Gerät zu
schaffen,
mit dessen Hilfe man die Herzschlagfrequenz in der beschriebenen
einfachen Weise messen kann. Grundsätzlich bestimmt sich die Anzahl von Ereignissen/Sekunde
zu
wobei E die Summe der Ereignisse von Ereignis 1 bis zum Ereignis n ist und t die
Meßzeit in Sekunden ist. Es sei hier z.B. angenommen, daß der Puls des Sportlers
während zehn Pulsschlägen gezählt wird.
-
Für die Anzahl der Ereignisse/pro Minute gilt
Während der Meßzeit t werden Impulse eines mit konstanter Frequenz schwingenden
Taktimpulsgenerators durch ein Meßtor freigegeben und gezählt. Aus der konstanten
Impulsfolgefrequenz des Taktimpulsgenerators und der gezählten Taktzahl p ergibt
sich
Damit und mit Gleichung (2) gilt:
Nunmehr wird als Konstante der Ausdruck im Zähler des Bruches in Gleichung (4) festgehalten
zu
K = (E - 1) 60 f (5) womit sich die gesuchte mittlere Herzschlagfrequenz
ergibt zu
Erkennbar ist bislang noch nicht über die tatsächliche Frequenz des Taktimpulsgenerators
verfügt worden. Aus Gründen, die sogleich erläutert werden, wählt man diese Wiederholungsfrequenz
des Taktimpulsgenerators so, daß die Konstante einen numerisch besonders einfachen
Wert erhält, d.h. eine Zahl ist, die möglichst viele gleiche Ziffern aufweist. Im
vorliegenden Beispiel wird K = 5000 gewählt, wodurch sich die Frequenz des Taktimpulsgenerators
zu 9,24 Hz ergibt, wenn man E - 1 = 9 nimmt, weil im vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung nicht Herzschläge sondern die Intervalle zwischen den Herzschlägen
gezählt werden. Beginnt man beim ersten Herzschlag zu zählen und hört man beim n-ten
Herzschlag auf, dann werden n - 1 Herzschläge gezählt.
-
Wenn man mit einer so weit "normierten" Recheneinrichtung rechnet,
dann ergibt sich beispielsweise eine Herzschlagfrequenz von 8D,) min 1 dann, wenn
man während des ZKhlintervalles von neun Intervallen zwischen aufeinander folgenden
Herzschlägen 60 Impulse des Taktimpulsgenerators verarbeitet. Der Grund dafür, die
Normierungslconstante K möglichst einfach zu wählen, ist für einen Elektronikfachmann,
an den sich die vorliegende Erfindung u.a. wendet, evident: Mit bekannten Bauelementen
aus im Handel erhältlichen Taschenrechnern der billigsten Kategorie, kann man eine
entsprechende Meßschaltung - worauf weiter unten zurückzukommen ist - um so einfacher
gestalten, Je
weniger unterschiedliche Ziffern die Konstante K aufweist.
-
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, die
Konstante festzulegen; bei einem Meßgerät mit frei wählbarer Konstante ist dieser
Gesichtspunkt demnach gegenstandslos.
-
Für die im folgenden zu beschreibende technische Ausführung einer
Meßeinrichtung nach der Erfindung wird der Rechengang zunächst in zwei Schritte
unterteilt: a. Zunächst wird l/x aus Gleichung (6) gewonnen zu l/x = p/K b. x wird
dargestellt als
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines elektronischen Meßgerätes nach der Erfindung
darges.tellt,welches mit Bauelementen in Form integrierter Schaltungseinheiten arbeitet,
und so einfache Bauelemente benötigt, daß der Verkaufspreis des Gerätes etwa im
Preisbereich der billigsten derzeit im Handel erhältlichen elektronischen Taschenrechner
liegt.
-
Im Blockschaltbild ist mit lo der bereits erwähnte-Taktimpulsgenerator
dargestellt, der hier beispielsweise wegen Normierung auf neun zu zählende Ereignisse
und der Wahl der konstanten K - 5000 mit einer Frequenz von 9,24 Hz schwingt.
-
Mit 14 ist ein Meßzeittor in der bekannten symbolischen
Darstellungsweise
dargestellt, welches u.a. die mit der Frequenz von 9,24 Hz abgegebenen Taktimpulse
während der Meßzeit t in einen Meßzeitzähler 15 mit Rechner gelangen läßt. Die Steuerung
dieses Vorganges wird durch einen Steuerschalter 11 in Form eines Zählers als Daten-
und Befehlsregisters bestimmt. Zur Ansteuerung und Innenverschaltung (Normierung!)
dient eine Logikgatter-Schaltung mit den beiden symbolisch dargestellten invertierenden
Gattern 12 und dem Stopptor 15. Die Taste T dient dazu, zu Beginn des Meßvorganges
das Arbeitsspiel des Rechners zu beginnen und am Ende des Meßvorganges> nämlich
hier beim zehnten gezählten Herzschlag zu beenden. Vom Meßzeitzähler mit Rechner
15 gelangen die errechneten Daten, hier die nach dem vorliegenden Beispiel in Ereignissen
pro Minute dargestellte Herzschlagfrequenz )' zur Anzeige 16.
-
Wenn man die Figuren 2a und 2b so zusammenlegt, daß sich die in beiden
Figuren erscheinenden gestrichelten Linien A decken, dann erhält man die tatsächlich
ausgeführte Gesamtschaltung des beschriebenen Meßgerätes.
-
Der Taktimpulsgenerator 1o des Blockschaltbildes nach Fig. 1 wird
aus drei der vier Logikgatter eines integrierten Schaltkreises gebildet, der unter
der Bezeichnung HEF 4001 von der Firma Valvo in Deutschland vertrieben wird. Die
Logikgatter 12 und 15 sowie das Meßzeittor werden von einem IC des Typs HEF 4081
und dem verbleibenden Gatter desjenigen IC gebildet, von dem drei Gatter für den
Taktimpulsgenerator gebraucht werden. Der Steuerschalter besteht z.B. aus einem
Zähler in Form des IC HEF 4516 und einem Dekoder in Form des IC HEF 4514, beide
ebenfalls von der Firma Valvo zu beziehen.
-
Der Rechner mit Meßzeitzähler 15 wird gebildet von dem
IC
des Typs 7550 der Firma General Instruments (USA), wie er z.B. auch in dem Taschenrechner
des Typs "Privileg 85" des Versandhauses Quelle in Fürth verwendet wird.
-
Die Anzeigeeinheit 16 wird von einem bekanntenzBaustein der Type A
1188 der Firma National Semiconductor (USA) gebildet; auch diese Anzeigeeinheit
kann man aus dem genannten Taschenrechner des Typs Privileg 85 nehmen.
-
Es sei an dieser Stelle - vor der folgenden detaillierten Erörterung
der Gesamtschaltung nach Figuren 2a und 2b -darauf aufmerksam gemacht, daß das Blockschaltbild
gemäß Fig. 1 eine starke Vereinfachung insbesondere hinsichtlich der einzelnen Verbindungen
der.Schaltpunkte der IC miteinander darstellt. Jeder Fachmann auf dem Gebiet der
Herstellung elektronischer Taschenrechner und dgl. ist aber in der Lage mit den
vorstehenden Angaben zu Fig. 1 die Schaltung nach Fig. 2 zu verifizieren.
-
Di Schaltung nach Figuren 2a und 2b arbeitet bei einer Ausfuehrung
mit den vorgenannten Einzeldaten,:d.h. Konstante K = 5000, und Abzählen von zehn
Herzschlägen wie folgt: Mit dem Auftreten des ersten einer Anzahl von auszuwertenden
Ereignissen, z.B. des ersten der zehn zu zählenden HerzschlAge, wird die Taste T
kurz niedergedrückt. Zum in Position ZO verharrenden Steuerzähler mit Dekoder (IC
VII, VI) werden über Gatter 1V3 die Zeitimpulse # des Taktgenerators IC VIII1 -
IC V1ll3 und IC 1115. geleitet. Der Steuerzähler läuft bis zur Position Z3 und stoppt
hier erneut, weil über 1V2 und VIII4 das Gatter 1V3 ftlr die Zufuhr von Taktimpulsen
gesperrt wird. Gleichzeitig öffnet 1V4, und Uber 14 und III2 wird die Funktion n
des Rechners pro eintreffendem Impuls einmal angesteuert und Je eine 1 zum Inhalt
des Anzeigeregisters addiert.
-
Während der Steuerzählerschritte Z1 und Z2 war durch Eingabe einer
'11" in den Rechner und Ansteuerung der Funktion '+" die Voraussetzung für den Zählbetrieb
des Rechners geschaffen worden.
-
Mit Auftreten des letzten einer Anzahl auszuwertender Er-Ereignisse,
z.B. des zehnten gezählten Herzschlages, wird ein zweites Mal die Taste T kurz betätigt.
Der Steuerzähler geht auf Position Z4 und beendet durch Schließen von 1V4 den Zählvorgang
des Rechners. Die nächsten Taktimpulse schalten den Steuerzähler kontinuierlich
weiter.
-
In Postion Z5 erhält der Rechner über 112 und III2 den Befehl, mit
dem Zählergebnis in seinem Anzeigeregister als Multiplikant und den dann aus den
Steuerzählerständen Z6 bis Zlo dekodierten Multiplikator (1/Konstante) die Multiplikation
einzuleiten. Z6 setzt über 114 und III2 das Komma, Z7 bis Z9 geben über 13 und III2
drei Nullen ein und während Zlo gelangt über 12 und 1111 eine "2" in den Rechner.
Mit dem Divisionsbefehl während Zil wird die vorgegebene Multiplikation ausgeftlhrt,
das Produkt im Anzeigeregister gespeichert und eine Division eingeleitet. (Gatter
113 und 1112). Mit Z 12 übernimmt der Rechner das Produkt von Zll als Divisor mit
einer 1 als Dividenden.
-
In Steuerzählerposition Z12 führt der Rechner die vorbereitete Division
aus und bringt den Kehrwert des Produktes von Zll zur Anzeige. Diese Anzeige bleibt
erhalten, bis der Steuerzähler die Stopposition ZO beim erneuten Druck auf die Taste
T wieder verläßt.
-
Patentanspruche