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Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte von
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Flüssigkeiten und Gasen
Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten und Gasen aus der Periodendauer
eines mit einem Präparat gefüllten Schwingers, zu dessen Anregung ein Erregerverstärker
vorgesehen ist, der den Schwinger in seiner mechanischen Resonanzfrequenz anregt
und der ein periodisches elektrisches Signal abgibt, welches in seiner Periode mit
der Periode des Schwingers oder einem Vielfachen davon übereinstimmt.
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Die Dichtemessung nach der Schwingermethode beruht auf der Bestimmung
der Periodendauer t eines Schwingungsgebildes, welches so geformt ist, daß ein definiertes
Volumen des zu untersuchenden Präparates an der Schwingung teilnimmt und damit die
Periodendauer t beeinflußt.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, beträgt die Periodendauer
t eines zur Dichtemessung verwendeten Schwingers, welcher zum Zweck der Berechnung
durch ein einfaches Masse - Feder Modell ersetzt wird:
Darin bedeuten Mo die leere Masse des Schwingers, c seine elastische Konstante und
das Produkt 9V die an der Schwingung teilnehmende Präparatmasse, gegeben aus Präparatvolumen
V und Dichte / des Präparates. Die Quotienten Mo/c und V/c können als schwingerspezifische
Apparatekonstante betrachtet und aus der Bestimmung der Schwingungsdauer des mit
zwei Eichpräparaten gefüllten Schwingers errechnet werden.
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Nach Umformung und Definition zweckmäßigerer Konstanten A und T0
erhält man: = 2 (T2 A 22) (2)
Dabei ist T ein ganzzahliges Vielfaches
der Periodendauer ls T0 ein um denselben Faktor vermehrtes Vielfaches der Periodendauer
t0 des leeren bzw. mit einem Referenzpräparat versehenen Schwingers, A und T0 wird
ermittelt, indem die Gleichung (2) für zwei Wertepaare (J;, T) aufgestellt wird
und nach A und T0 gelöst wird.
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Zum Zwecke der Dichtemessung wird der Zeitabschnitt T durch Vergleich
mit einem stabilen (Quarz-) Zeitnormal gemessen und mit Hilfe eines (Digital-) Rechners
die Gleichung (2) nacht aufgelöst, wobei die vorher ermittelten Konstanten A und
0 im Rechner gespeichert sein müssen. Der hohe Aufwand an Bauelementen, Stromverbrauch
und Rechenzeit steht der Anwendung dieses Verfahrens in transportablen, batterieversorgten
Dichtemeßgeräten im Wege.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der die Dichtemessung auf einfache Weise mit einem batterieversorgten Gerät
und geringstem Aufwand an Bauelementen möglich ist.
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Der geringe Stromverbrauch ist besonders für explosionssichere Dichtemesser
nach der Schutzart "igensicherheit" und für Dichtemeßwertaufnehmer, die ihre Fremdenergie
über die Signalleitungen beziehen, wichtig.
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Hiefür stehen erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art der Ausgang des Erregerverstärkers, insbesondere über einen modulo-p-Teiler,
mit dem Auslöseeingang eines Zeitgebers, dem Steuereingang eines Rampengenerators
und dem einen Steuereingang eines Totalisators, der Ausgang des Rampengenerators
mit dem Signaleingang des Totalisators und der Ausgang des Zeitgebers mit einem
zweiten Steuereingang des Gotalisators in Verbindung, wobei zu einem dem Beginn
einer Schwingungsperiode bzw. einem Vielfachen derselben entsprechenden Zeitpunkt
der Zeitgeber, welcher nach dem Ablauf einer Zeitspanne, die der Periode oder einem
ganzzahligen Vielfachen der
Periode des mit einem Referenzpräparat
gefüllten bzw.
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evakuierten Schwingers entspricht, ein Ausgangssignal abibt, und der
Rampengenerator angestoßen werden und wobei der Totalisator während der Zeitdifferenz
zwischen dem husgangssignal des Zeitgebers und dem .nde der Schwingerperiode bzw.
einem Vielfachen derselben das Zeitintegral des Ausgangssignals des Rampengenerators
bildet.
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Hit der erfindungsgei--äßen Vorrichtung wird im Verlauf der Periodenmessung
die Gleichung (2) nach f aufgelöst, ohne daß die Größe T explizit (digital oder
analog) dargestellt sein muß. Die Vorrichtung kommt ohne Rechner (Mikroprozessor)
aus. Sie gestattet, die Konstante T0 digital und/oder analog zu sichern.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich anhand der Zeichnung, in der u.a. einige Ausführungsbeispiele dargestellt
sind.
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Fig.1 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung, Fig.2 ein
Blockschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,die Fig.3 und 4 zeigen Zeitdiagramme
zur Fig.2, Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit ausschlagsanaloger Informationsdarstellung,
Fig.6 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Rampengenerator eine zeitlinear ansteigende
Frequenzrampe liefert, und Fig.7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Rampe durch
eine treppenförmig mit der Zeit ansteigende zeitliche Häufigkeit von Impulsen angenähert
wird.
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ei dem das Prinzip der Erfindung erläuternden Diagramm nach Fig.1
ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate eine elektrische Größe y, beispielsweise
Spannung, Strom oder Frequenz, dargestellt.
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Zu einer Zeit t = 0, die durch den Beginn eines Zeitabschnittes T
gegeben ist, startet der Zeitgeber, der
die Größe T0 als Zeitabschnitt
darstellt. Gleichzeitig beginnt der Rampengenerator ein der Zeit proportionales
Signal y = @/A t abzugeben.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Totalisator ist nun eine Vorrichtung,
die das Zeitintegral der Größe y innerhalb der Zeitdifferenz zwischen T und To bildet,
welches ein direktes Maß der Dichte j> darstellt, wie dies in Fig.1 durch die
schraffierte Fläche dargestellt ist:
Dieses Prinzip wird gemäß dei beispielsweisen Blockschaltbild nach Fig.2 dadurch
realisiert, daß die Größe y als elektrische Größe, beispielsweise als Spannung,
Strom oder Frequenz, dargestellt wird.
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Die in Fig.2 dargestellte Vorrichtung weist einen Biegeschwinger
1 auf, der mit dem Meßpräparat gefüllt werden kann. Um den Biegeschwinger 1 in seiner
Kesonanzfrequenz zu erregen, ist ein Erregerverstärker 2 vorgesehen, an dessen Eingang
eine Abnahmespule 3 und an dessen Ausgang eine Erregerspule 4 angeschlossen sind.
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Der Biegeschwinger 1 tragt zwei Magnete 5,6, so daß bei Schwingungsanregung
des Biegeschwingers 1 in der hbnahmespule 3 eine periodische Spannung induziert
wird, die, verstärkt über den Erregerverstärker 2 und die Erregerspule 4 eine periodische
Kraft auf den Biegeschwinger 1 ausübt. Der Erregerverstärker 2 bringt die an seinem
Ausgang auftretende Wechselspannung an den Eingang eines Komparators 7, dessen Ausgang
an den Eingang eines modulop-Teilers 8 angeschlossen ist, wobei die Größe p eine
an sich beliebige ganze Zahl darstellt und die Neßrate bestimmt.
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An den Ausgang des modulo-p-Teilers 8 sind ein Hanipengenerator 9,
ein Zeitgeber 10 @ der eine Steuereingang b eines Totalisators 11 und der Eingang
einer monostabilen Kippstufe 12 angeschlossen. Der Ausgang des Rampengenerators
9 ist an den Signaleingang des Totalisators 11, der Ausgang des Zeitgebers 10 an
den zweiten Steuereingang a des Totalisators ii angeschlossen. Der Ausgang der monostabilen
Kippstufe 12 liegt am Setzeingang c des Totalisators 11. Der Ausgang des Totalisators
11 ist mit dem Eingang eines Anzeige- bzw. Ergebnisspeichers 13 verbunden.
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Am Ausgang des modulo-p-Deilers 8 bzw. an den eingängen des Rampengenerators
9, des Zeitgebers 10, der monostabilen Kippstufe 12 und an dem Steuereingang b des
Totalisators 11 tritt ein Signal I auf, das in den Zeitdiagrammen der Fig.3 und
der Pig.4 dargestellt ist. Das signal I ist ein symmetrisches Rechtecksignal der
Periode 2T.
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Der zeitgeber 10 wird zu Beginn jeder Periode des Signals I ausgelöst
und erzeugt ein Signal II, das während der Zeit T0 wirkt.
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Gleichfalls zu Beginn jeder Periode des Signals I wird auch der Rampengenerator
9 angestoßen, der eine zeitlineare Rampe III liefert, die mindestens bis zum Ablauf
der größeren der Zeiten U oder To andauert.
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Bei dem in Fig.3 dargestellten Zeitdiagramm ist T die Zeitdauer,,größer
als die Zeitdauer T0, d.h., daß die Dichte des Meßpräparates größer ist als die
Dichte des Referenzpräparates.
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In Fig.4 ist das Zeitdiagramm für den Fall dargestellt, daß die Zeitdauer
T0 größer ist als die Zeitdauer T, die Dichte des Meßpräparates also kleiner als
die Dichte des Heferenzpräparates.
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Der Totalisator 11 bildet das Zeitintegral der
Rampe
III innerhalb des Intervalls T - T0 und ermittelt somit die Differenz der Dichten
des Meß- und des Referenzpräparates.
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Vor dem Totalisierungsvorgang wird der Totalisator 11 über die monostabile
Kippstufe 12 zu Beginn der Periode des Signals 1 auf einen Inhalt gebracht, der
er Dichte des Xeferenzpraparates entspricht. Wenn T0 der Vakuumdichte entspricht,
wird der Totalisator 11 auf Null gesetzt.
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Der Anzeige- bzw. Ergebnisspeicher 13 übernimmt den Inhalt des otalisators
11 zur kontinuierlichen Anzeige oder Meßwertausgabe nach Beendigung des Gotalisierungsvorganges.
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Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Fall, daß die Zeitdauer
20 kleiner ist als die Zeitdauer T, daß also das Referenzpräparat eine kleinere
Dichte besitzt als das Meßpräparat, wobei der das Signal I liefernde modulo-p-Teiler
8 nach Fig.2 der einfachheit halber nicht dargestellt ist. Bei diesem husfüilrungsbeispiel
besteht der Zeitgeber 10 aus einer monostabilen Kippstufe 14, deren Eigenzeit durch
einen Kondensator 15 und einen Widerstand 16 gebildet wird. Der als synchronisierbarer
Sägezahngenerator ausgebildete Rampengenerator 9 weist einen Integrator auf, der
aus einem Operationsverstärker 17, einem Kondensator 18 und einem Widerstand 19
besteht. Der Integrator integriert die feste Spannung einer Referensspannungsquelle
20. Parallel zum Kondensator 18 liegt ein elektronischer Schalter 21, der über den
Inverter 22 vom Signal I gesteuert wird. Am Ausgang III des Raulpengenerators 9
entsteht eine zeitlinear steigende Spannung, die im Augenblick des Öffnens des Schalters
21 beginnt und deren Steigung durch Wahl der Zeitkonstante des Integrators 17,18,19
einstellbar ist.
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Der Totalisator 11 enthält gleichfalls einen
Integrator,
der aus einem Operationsverstärker 23, einem Integrationskon@ensator 24 und einem
Widerstand 25 besteht. Parallel zum Kondensator 24 ist ein elektronischer Schalter
26 geschaltet, welcher über die monostabile Lippstufe 27, die positiv flankengetriggert
ist, gesteuert wird. Der Eingang des Integrators ist mit dem Rampengenerotor 9 i;ber
einen elektronischen Schalter 28 verbunden, der über eii Exklusiv-ODER-Gatter 29
gesteuert wird, des-@en einer Eingang mit dem Ausgang des das Signal II liefernden
Zeitgebers 10 verbunden ist und an dessen anderem @ingang das Signal I liegt. Da
das Exklusiv-ODER-Gatter 29 nur wänrend der Zeitspanne T - T0 den Schalter 28 schließt,
stellt öer Inhalt (tes Integrators des Totalisators 11 unmittelbar c!ie Dichte des
Präparates in analoger Form dar.
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Der Anzeigespeicher 13 enthält einen Spannungsmesser 30, einen parallel
zu diesem liegenden Speicherkon-@ensator 31 und einen elektronischen Schalter 32,
der von einer negativ flankengetriggerten monostabilen Kippstufe 33 nach Ablauf
der Zeit T (Fig.3) während der Eigenzeit der Ifipystufe geschlossen wird. Somit
wird nach dem Totalisierungsvorgang die Ladespannung des Kondensators 24 auf den
Speicherkondensator 31 übertragen.
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Besonders vorteilhaft ist es, den die Zeitdauer 1 bestimmenden Zeitgeber
10 temperaturabhängig zu gestalten, indem beispielsweise der Widerstand 16 des RC-Gliedes
d fleitgebers 10 als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist, und mit dem
Schwingungsgebilde 1 thermisch zu koppeln, da auf diese Weise eine Temperaturkompensation
erzielt wird, derzufolge die Zeitdauer To in Abhanikeit von der Temperatur am Schwingungsgebilde
selbsttätig geändert wird.
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Bei dem in Fig.6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der gleiche
Zeitgeber 10 wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig.5 vorgesehen. Der Rampengenerator
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enthält gegenüber dem Rampengenerator 9 nach Fig.5 zusätzlich
einen Spanrungs-i'requenzwandler 54. Die Rampe ist somit durch eine mit der Zeit
wachsende Frequenz egeben.
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Der Totalisator 11 enthält bei diesem Ausfiihrungsbeispiel einen
Zähler 35, der von der monostabilen Kippstufe 27 rückgesetzt wird. Der Zähleingang
des Zählers 35 ist iiber ein UND-Gatter 36 mit dem Ausgang des Rampengenerators
9 verbunden. Der zweite Eingang des UND-Gatters 36 liegt am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gat@ers
29, welches an seinen Eingängen wie beim Ausführungsbeispiel nach b'ig.5 angesteuert
wird.
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Nach dem Totalisierungsvorgang enthält der Zähler 75 die digitale
Darstellung der Dichte des Meßpräparates, soferne als Referenzpräparat Vakuum verwendet
wurde.
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Die monostabile Kippstufe 33 steuert die Übernahme des Inhaltes des
Zählers 35 in den digitalen Anzeigespeicher 13 nach Ablauf der Zeit T.
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Mit der Vorrichtung nach Fig.6 wird eine digitale Darstellung der
Dichte erreicht, da die Größe y eine proportional zur Zeit t ansteigende Btrequenz
ist und die Integration von dem Zähler 35 vorgenommen wird, der die genannte Frequenz
vom Zeitpunkt o bis zum Zeitpunkt T abzählt. Die Frequenzrampe wird durch den Spannungs-/Frequenzwandler
34, dessen Steuerspannung zeitproportional vergrößert wird, erzeugt. Dabei wird
die Steuerspannung dem Integrator 17,18,19 entnommen, der das Zeitintegral eines
festen Integranden bildet.
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Die Konstante A kann durch die Steigung der Rampe etwa mit einem
veränderlichen Widerstand 19 eingestellt werden. Der Zeitabschnitt von t = 0 bis
t = T0 wird bei dem wusführungsbeispiel nach Fig.6 mit der monostabilen Kippstufe
14 gewonnen, kann aber auch durch Abzählen
einer bestimmten Anzahl
von Taktschlägen eines freuenzstabilen Generators dargestellt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.7 wird ausschließlich die zeitbezogene
Informationsdarstellung verwendet. Der Zeitgeber 10 besteht aus einem Zähler 37,
an dessen Ausgänge ein als Vorwahlgatter dienendes, invertierendes Dekodiergatter
38 angeschlossen ist und an dessen Takteingang über ein als UND-Gatter ausgebildetes
Zühlertor 39 ein stabiler Taktgenerator 40, z.B. ein Quarzgenerator, liegt. Der
Zähler 37 wird zu Beginn der Periode des Signals I auf Null gesetzt. Er beginnt
die Taktimpulse des Taktgenerators 40 abzuzählen, bis der durch das Dekodiergatter
38 bestimmte Zählerstand erreicht ist. Der Ausgang des Dekodiergatters 38 ist mit
dem zweiten Eingang des Zälilertors 39 verbunden, so daß dieses bei Erreichen des
vorgewählten Zählerstandes keine weiteren Taktimpulse an den Zähler 37 weitergibt.
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Da der durch das Dekodiergatter 38 vorgewählte Zählerstand des Zählers
37 multipliziert mit der Periode des Taktgenerators 40 mit der Zeit 20 identisch
ist, liefert der Ausgang des Zeitgebers 10 das Signal II nach Fig.3 bzw. Fig.4.
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Der Rampengenerator 9 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus
einem Häuf£gkeitsvervielfacher (ratemultiplier) 41, dessen Impulseingang mit dem
Taktgenerator 40 und dessen Vervielfachereingänge mit den Ausgängen eines Zählers
42 verbunden sind. Der Takteingang des Zählers 42 liegt über einem der Einstellung
der mittleren Steigung der die Rampe annähernden Treppe dienenden Frequenzteiler
43 mit variablem Modul an dem 'i'aktgenerator 40. Vom Signal I wird der h'requenzteiler
43, der Zähler 42 und der Häufigkeitsvervielfacher 41 zu Beginn der Periode des
Signals I rückgesetzt. Von diesem Zeitpunkt an gibt der Häufigkeitsvervielfacher
41 am Ausgang des Rampengenerators 9 das Signal III als Impulsspektrum mit treppenartig
steigender
zeitlicher Häufigkeit der Impulse b, Die Breite der
Treppenstufen und somit die Steigung der Rampe wird durch den Teilerfaktor des Frequenzteilers
43 bestimmt.
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Der Totalisator 11 enthält bei diesem Ausführungsbeispiel das UND-Gatter
36 und das Exklusiv-ODER-Gatter 29, einen als Vor-Teiler dienenden modulo-n-Frequenzteiler
44, der den Abbruchfehler der Annäherung der Rampe durch die Treppe verkleinert
und einen Auf-Abwärtszähler 45, der von der monostabilen Kippstufe 27 auf den Zahlenwert
der Referenzdichte vorgesetzt wird und dessen Zählrichtungseingang vom Signal I
gesteuert wird. Ein ODER-Gatter 46 steuert über die monostabile Kippstufe 23 die
Übernahme des Inhaltes des Zählers 45 nach Ablauf der langeren der Zeiten T oder
T0 in den digitalen Anzeigespeicher 13.
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Zur Kalibrierung eines i)ichtemeßgerätes nach Fig.7 wird das Dekodiergatter
38 so programmiert, daß bei im Schwinger anwesendem Referenzpräparat an der Anzeige
der in den Zähler 45 vorgesetzte Zahlenwert erscheint, und danach der Modul des
variablen Prequenzteilers 43 so eingestellt, daß die Anzeige nunmehr die Dichte
eines allderen, in den Schwinger eingefüllten Präparates richtig anzeigt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.7 wird der Nachteil von Einrichtungen,
die analoge Bauelemente aufweisen und bei denen die Genauigkeit der Darstellung
der Dichte von der Genauigkeit der Parameter der analogen Bauelemente bestimmt wird,
vermieden, da anstelle einer spannungs- bzw. stromanalogen Informationsdarstel luiig
im ganzen System eine zeit- bzw. frequenzverschlüsselte Darstellung vorliegt. Als
Normal dient nämlich der stabile Taktgenerator 40, insbesondere ein Quarzoszillator,
hoher Frequenz f0, wobei 1/fo<<T ist und sowohl die Zeitspanne T0 als auch
die Konstante A als eine bestimmte Anzahl von Taktschlägen des Taktgenerators 40
dargestellt werden. Die zeitlineare Frequenzrampe wird von einer zeitsequentiellen
logischen
Schaltung stufenveise angenähert, die, beginnend zum
Zeitpunkt t = 0, aus der dichten Folge der Taktschläge gerade so viele auswählt,
daß ihre Häufigkeit im Mittel der Zeit proportional und der Konstanten A verkehrt
proportional ist.
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Diese sequentielle Schaltung besteht bei dem Ausführungsbei spiel
nach Fig.7 aus dem Häufigkeitsvervielfacher 41, dem modulo-A-Frequenzteiler 43 und
dem Zähler 42, der den gleichen Modul wie der Häufigkeitsvervielfacher 41 aufweist.
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Ein Häufigkeitsvervielfacher mit dem Modul M gibt von je M am Eingang
übernommenen Impulsen m Impulse am Ausgang ab.
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Dabei gilt 05 m< M.
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Die Zahl m wird dem Häufigkeitsvervielfacher 41 als paralleles Digitalwort
zugeführt.
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Dadurch, daß der Eingang des Häufigkeitsvervielfachers 41 mit dem
Taktgenerator 40 verbunden ist und m von einem modulo-M-Zähler 42 geliefert wird,
dessen Zählerstand von 0 beginnend nach je A Taktschlägen um eins erhöht wird, gibt
der Ausgang des Häufigkeitsvervielfachers 41 ein Signal, dessen Häufigkeit stufenweise
mit der Zeit ansteigt, wobei die Breite einer Stufe proportional der Konstanten
A ist.
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Dieses Signal hat somit die geforderte Eigenschaft. Eine gute Annäherung
an die Rampe kann erreicht werden, wenn die nullte Stufe nur die halbe Breite aufweist.
Abweichungen von der Gleichverteilung der Impulse können durch wiederholtes Rücksetzen
des Vervielfachers und Verwendung des zusätzlichen Vor-Teilers 44 ausreichend verkleinert
werden.
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Die Treppe startet zum Zeitpunkt t = 0, das Exklusiv-ODER-Gatter
29 öffnet das UND-Gatter 76 vom Zeitpunkt bis zum Zeitpunkt T bzw. vom Zeitpunkt
2 bis zum Zeitpunkt 20. . Der Vor-Teiler 44, welcher auf n/2 rückgesetzt wird, verkleinert
den Abbruchfehler der Treppe. Die Gesamtzahl der durch das UND-Gatter 36 gelaufenen
Impulse kann um i n/2 vom Sollwert abweichen, ohne daß die Anzeige gestört wird.
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Zur Vermeidung des Abbruchfehlers wird der Modul n des Vor-Teilers
44 so gewahlt, daß die größtmöglicne Abweichung der Impulszahl am Ausgang des Häufigkeitsvervielfachers
41 von der eines idealen Frequenzrampengenerators im Intervall Tmax - T0 kleiner
als n/2 ist. Tmax entspricht der Schwingungsdauer eines Präparates, dessen Dichte
die Meßbereichsgrenze darstellt.
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Um bei digitaler Darstellung der Zeitdauer 20 eine Feinverstellung
dieser Zeitdauer zu ermöglichen, ist es vorteilhaft den Zeitgeber 10 nach Fig.7
und den Zeitgeber 10 nach Fig.5 in Kaskade zu schalten, da der Widerstand 16 nach
Fig.5 auf einfachere Weise verändert werden kann als das Kodewort des Dekodiergatters
38 nach Fig.7. Wird auch hier der Zeitgeber 10 temperaturabhängig gestaltet bzw.
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als Widerstand 16 ein temperaturabhängiger Widerstand, z.B.
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ein Thermistor, verwendet und mit dem Schwinger 1 (Fig.2) thermisch
gekoppelt, so ergibt sich auch hier die einfache Möglichkeit einer thermischen Kompensation
für die Erzeugung der Zeitdauer 20.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. So können anstelle der in Big.2 gezeigten Erregeranordnung auch andere
Systeme zur Erregung, wie optpelektrische, piezoelektrische oder elektrostatische
Erregeranordnungen verwendet werden.
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L e e r s e i t e