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Digitaler Meßumformer
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Die Erfindung betrifft einen digitalen Meßumformer zur Umformung der
von einem Detektor für ionisierende Strahlung abgegebenen stochastischen Signale
in geglättete Signale Derartige Meßumformer werden in Geräten für den Strahlenschutz,
für die medizinische Isotopendiagnostik, für die medizinische Strahlentherapie,
für die industrielle Verfahrenstechnik und für die überwachung von Kernreaktoren
eingesetzt.
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Bei der Umformung von stochastischen Detektorsignalen in geglättete
Signale kommt es darauf an, daß die in den Detektorsignalen enthaltene, aufgrund
der stochastischen Eigenschaften der Detektorsignale jedoch beschränkte Meßinformation
möglichst ohne Zeitverzug kontinuierlich auf die Ausgangssignale des Meßumformers
übertragen wird.
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Diesen Erfordernissen wird von den bekannten digitalen Meßumformern
nicht ausreichend Rechnung getragen, da bei den bekannten digitalen Meßumformern
die übertragung der in den Detektorsignalen enthaltenen Meßinformation zum Teil
mit erheblichem Zeitverzug erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu zeigen, wie bei einem digitalen
Meßumformer durch annähernd kontinuierliche Umformung der Detektorsignale die in
den Detektorsignalen enthaltene Meßinformation annähernd ohne Zeitverzug auf die
Ausgangssignale des Meßumformers übertragen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 gelöst. Im Verarbeitungsweg der Detektorsignale ist hierbei
ein digitaler Zahlenspeicher vorgesehen, dessen Speicherinhalt n in relativ kurzen
Zeitabständen Atn1 um einen Zahlenwert An1 geändert wird, wobei der Quotient qn1=
An1/Atn1 zumindest im Mittel über mehrere Änderungen des Speicherinhalts n durch
den Zahlenwert An1 hinweg in einer vorbestimmten Weise vom Speicherinhalt n abhängt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Meßumformer wird der Speicherinhalt
n des digitalen Zahlenspeichers mittels einer zyklisch arbeitenden Ablaufsteuerung
mit beispielsweise einem Mikroprozessor periodisch um einen Zahlenwert An korrigiert.
Alternativ kann der Meßumformer auch mit digitalen Bausteinen, wie z.B. Impulszählstufen,
Impulsfrequenzteilern, Impulsfrequenzmultiplizierern, Multiplexerstufen, Flip-Flops
und logischen Gattern aufgebaut sein (vgl. Ansprüche 45 bis 52).
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Die Unteransprüche kennzeichnen neben den genannten Ausführungsformen
der Meßumformer Ausgestaltungen der Erfindung im Hinblick auf wichtige anwendungsorientierte
Aufgaben. Derartige Aufgaben sind die kontinuierliche Ermittlung der Größe eines
Detektorsignals (Ansprüche 3 und 4, anspruch 11, Anspruch 13) oder der gewichteten
Differenz zweier Detektorsignale (Anspruch 8, Anspruch 15) in linearem Maßstab (Ansprüche
3 und 4, Anspruch 8, Ansprucii 15) oder in logarithmischem Maßstab (Anspruch 11),
die
Ermittlung der absoluten Änderungsgeschwindigkeit (Anspruch 19, Anspruch 21) oder
der relativen Änderungsgeschwindigkeit (Anspruch 18) der Größe eines Detektorsignals
oder der gewichteten Differenz zweier Detektorsignale (Ansprüche 15 und 16, Anspruch
22), die Ermittlung einer gewichteten Summe aus Größe und Änderungsgeschwindigkeit
von einem Detektorsignal oder von einer gewichteten Differenz zweier Detektorsignale
(Anspruch 17, Anspruch 20, Anspruch 23, Anspruch 30), die multiplikative Verknüpfung
der umzuformenden Detektorsignale oder ihrer Änderungsgeschwindigkeiten mit einem
weiteren, dem Meßumformer zuführbaren Signal (Anspruch 7, Anspruch 9, Anspruch 14,
Ansprüche 26 bis 30) und die kontinuierliche statistische Abschätzung des Zeitintegrals
eines Detektorsignals (Ansprüche 31 bis 41).
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Die Erfindung besitzt praktische Bedeutung sowohl bei der Umformung
eines Detektorsignals als auch bei der Umformung zweier subtraktiv zu verknüpfender
Detektorsignale (Ansprüche 8, 9, 15, 22, 25).
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Eine subtraktive Verknüpfung zweier Detektorsignale wird vorzugsweise
dann gewünscht, wenn das erste Detektorsignal die Meßinformation enthält, die jedoch
durch Einflüsse der Hintergrundstrahlung am Ort des Detektors und/oder durch andere
Störquellen additiv verfälscht ist, und das zweite Detektorsignal f2 in erster Linie
nur diese Störgrößen und u.U. in geringem Maße auch die Meßinformation enthält.
Bei richtiger Wahl des Gewichtsfaktors k enthält die Differenz f1 - f2/k der beiden
Detektorsignale nur die Meßinformation ohne wesentliche Störkomponenten.
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Weiterhin besitzt die Erfindung praktische Bedeutung bei der überwachung
der Aktivitätskonzentration radioaktiver Stoffe in gasförmigen oder flüssigen Medien,
insbesondere in Luft oder Wasser.
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Bei einem ersten Meßverfahren zur überwachung der Aktivitätskonzentration
radioaktiver Stoffe wird ein Detektor der von einem kontinuierlich vom Medium durchströmten
Volumen ausgehenden ionisierenden Strahlung ausgesetzt.
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Die Größe des Detektorsignals ist daher ein Maß für die Aktivitätskonzentration
der radioaktiven Stoffe im Medium. Mit Hilfe der genannten Meßumformer zur kontinuierlichen
Ermittlung der Größe eines Detektorsignals oder der gewichteten Differenz zweier
Detektorsignale (Ansprüche 3 und 4, Anspruch 8, Anspruch 11, Anspruch 13, Anspruch
15) kann die Aktivitätskonzentration dargestellt werden.
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Bei einem zweiten Meßverfahren wird ein Probestrom aus dem zu überwachenden
Medium kontinuierlich über ein Filter, an dem sich im Medium enthaltene radioaktive
Stoffe fortlaufend abscheiden, geleitet, so daß sich die radioaktiven Stoffe kontinuierlich
auf dem Filter anreichern.
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Der Detektor ist der von den am Filter angereicherten radioaktiven
Stoffe ausgehenden Strahlung ausgesetzt. Mit Hilfe eines Meßumformers gemäß den
Ansprüchen 16 bis 25 wird das Detektorsignal nicht nur geglättet, sondern auch zeitlich
differenziert, so daß das Ausgangssignal des Meßumformers, trotz der Anreicherung
der radioaktiven Stoffe auf dem Filter, ein Maß für die Konzentration der radioaktiven
Stoffe im zu überwachenden Medium ist.
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Bei dem beschriebenen zweiten Meßverfahren kann es sein, daß die Intensität
der den Detektor erreichenden und von den dem Filter zugeführten radioaktiven Stoffen
ausgehenden ionisierenden Strahlung beginnend mit dem Zeitpunkt, an dem die radioaktiven
Stoffe dem Filter zugeführt werden, kontinuierlich abnimmt. Mögliche Ursachen für
diesen zeitlichen Abfall der Detektorsignalanteile sind der radioaktive Zerfall
der auf dem Filter angereicherten radioaktiven Stoffe, ein zeitlich beschränktes
Rückhaltevermögen des Filters oder eine konstruktiv bewerkstelligte kontinuierliche
Änderung der geometrischen Lage der dem Filter zugeführten radioaktiven Stoffe in
Bezug auf den Detektor, wie des z.B. bei
einer Bandfilteranordnung
mit kontinuierlichem Filterbandtransport der Fall sein kann. Aufgrund des zeitlichen
Abfalls von Detektorsignalanteilen ist die Änderungsgeschwindigkeit des Detektorsignals
kein genaues Maß für die Aktivitätskonzentration der radioaktiven Stoffe im überwachten
Medium. Durch eine zum Detektorsignal proportionale additive Komponente des Ausgangssignals
des Meßumformers gemäß den Ansprüchen 17, 20 und 23 wird dieser Fehler erfindungsgemäß
kompensiert.
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Die Volumendurchsatzrate des Mediums durch das Filter beeinflußt ebenso
wie die Aktivitätskonzentration im Medium die Änderungsgeschwindigkeit des Detektorsignals.
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Ist diese Volumendurchsatzrate zeitlich nicht konstant, so wird ihr
gemessener Wert bei der Ermittlung der Aktivitätskonzentration gemäß Ansprüche 26
bis 30 berücksichtigt.
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Bei vershiedenen Anwendungsfällen wird das zu überwasnenoe Medium
in einer Leitung transportiert, wobei ein Meßsignal für den Aktivitätsfluß in der
Leitung gewünscht wird. Der Aktivitätsfluß ist das Produkt aus der Aktivitätskonzentration
und der Volumendurchsatzrate des Mediums durch die Leitung. Die Leitung kann als
Rohr oder als Kanal ausgebildet sein. Zum Beispiel stellt der Fortluftkamin oder
der Kühlwasserrücklaufkanal eines Kernkraftwerkes eine derartige Leitung dar, bei
der der Aktivitätsfluß eine überwachungstechnisch bedeutsame Größe ist. Erfindungsgemäße
Ausgestaltungen von Meßumformern im Hinblick auf die Ermittlung eines Signals für
den Aktivitätsfluß sind in den Ansprüchen 7, 9, 14, 26 bis 30 und 44 gekennzeichnet,
wobei in den Ansprüchen 26 bis 30 Ausgestaltungen von Meßumformern gekennzeichnet
sind, die für den Einsatz bei dem zweiten Meßverfahren mit Anreicherung von radioaktiven
Stoffen auf einem Filter geeignet sind.
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Die Ausgestaltungen gemäß der Ansprüche 26 bis 30 dienen sowohl zur
Berücksichtigung einer veränderlichen Volumendurchsatzrate des Mediums durch das
Filter, an dem sich die radioaktiven Stoffe anreichern, als auch zur Ermitt-
lung
des Aktivitätsflusses. Bei diesen Ausgestaltungen wird dem Meßumformer ein zum Verhältnis
der Volumendurchsatzraten durch die Leitung und durch das Filter proportionales
Signal f3 zugeführt.
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Eine andere Meßaufgabe besteht bei der verfahrenstecnnischen Füllstandsüberwachung
in Behältern mit Hilfe einer Quelle für ionisierte Strahlung. Bei derartigen verfahrenstechnischen
Methoden wird die Quelle für ionisierende Strahlung auf einer Seite des Behälters
und der Detektor auf der hierzu gegenüberliegenden Seite des Behälters montiert.
Die Größe des Detektorsignals gibt an, ob der Behälterüllstand oberhalb oder unterhalb
der Höhe Quelle - Detektor ist. Für diese Meßaufgabe sind die genannten Meßumformer
zur kontinuierlichen Ermittlung der Größe eines Detektorsignals.
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Eine weitere Meßaufgabe besteht bei der verfahrenstechnischen Überwachung
der Dicke von Folien während ihrer Herstellung mit Hilfe einer Quelle für ionisierende
Strahlung.
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Bei derartigen verfahrenstechnischen Methoden wird die Quelle für
ionisierende Strahlung auf der einen Seite der Folien und der Detektor auf der hierzu
gegenüberliegenden Seite der Folie montiert. Die Größe des Detektorsignals ist ein
Maß für die Dicke der Folien. Auch für diese Meßaufgabe sind die genannten Meßumformer
zur kontinuierlichen Ermittlun der Größe des Detektorsignals.
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Eine weitere Meßaufgabe für erfindungsgemäße Meßumformer besteht bei
der Bestimmung der Kontamination von Proben oder Gegenständen. Die in den Ansprüchen
31 bis 41 gekennzeichneten Meßumformer erlauben eine statistische Abschätzung des
Ausmaßes der Kontamination während einer Kontaminationsmessung und eine schnelle,
statistisch gesicherte Entscheidung, ob eine Kontamination vorliegt oder nicht.
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Bei vielen Ausgestaltungendes Erfindungsgedankens stellt sich der
Speicherinhalt n des Zahlenspeichers auf einen von den Detektorsignalen geführten
Gleichgewichtswert n ein, bei dem die pro Zeiteinheit erfolgenden Korrekturen des
Speicherinhalts n weitgehend verschwinden. Verantwortlich
hierfür
ist ein Gegenkopplungseffekt, der durch die Abhängigkeit der Größe oder der Häufigkeit
von Änderungen des Speicherinhalts n vom Speicherinhalt n entsteht.
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Detektoren werden häufig so ausgeführt, daß ihre den Meßumformern
zuzuführenden Signale die Form von Impulsfolgen haben. Außerdem müssen bei erfindungsgemäßen
Meßumformern mit Zählstufen als Zahlenspeicher die Detektorsignale in Form von Impulsfolgen
vorliegen. Ferner lassen sich die Eingangs stufen der erfindungsgemäßen Meßumformer
der ersten Ausführungsform mit zyklischer Ablaufsteuerung bei Vorliegen der Detektorsignale
in Form von Impulsfolgen als konstruktiv einfache Zählstufen gestalten. Aus diesen
Gründen werden insbesondere Meßumformer nach Anspruch 42 bevorzugt, bei welchen
Detektorimpulse gezählt werden sollen.
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Bei den Ausgestaltungen von Meßumformern mit Zählstufen als Zahlenspeicher
bestehen technische Probleme hinsichtlich unerwünschter Zählimpulskonzidenzen, hinsichtlich
der vorzeichenrichtigen Speicherung der Zahlenwerte, hinsichtlich Speicherüberläufen
und, bei Verwendung handelsüblicher Impulsfrequenzmultiplizierer, aufgrund der für
diese Bausteine spezifischen Unregelmäßigkeiten der zeitlichen Abstände ihrer Ausgansimpulse.
Ausführungsformen, bei welchen diese Nachteile behoben sind, sind in den Ansprüchen
48 bis 52 gekennzeichnet.
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Den Zählstufen werden insbesondere Zählimpulse über mehrere Impulspfade
zugeführt. Dabei können Impulskoinzidenzen entstehen, bei denen der zeitliche Abstand
der Impulse verschiedener Impulspfade nicht ohne weiteres ausreichend groß ist,
um von der Zählstufe korrekt übernommen werden zu können.
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Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, daß die Zählimpulse eines
Impulspfades nicht direkt dem Zähleingang der Zählstufe, sondern dem Takteingang
eines am Ende eines Impulspfades vorgesehenen Flip-Flops (Impuls-Speicher-Flip-Flop)
zugeführt werden (Anspruch 51). Bei Auftreten
eines Zählimpulses
wird das Impuls-Speicher-Flip-Flop auf den durch den vorbestimmten logischen Pegel
am D-Vorbereitungseingang des Impuls-Speicher-Flip-Flops vorbestimmten Zustand gesetzt,
wodurch das Auftreten eines Zählimpulses zwischengespeicherl wird.
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Nach Anspruch 50 kann der Absolutwert eines Zahlenwertes in einer
vorwärts-Rückwärts-Zählstufe und das Vorzeichen des Zahlenwertes in einem der Zählstufe
zugeordneten Flip-Flop (Vorzeichen-Flip-Flop) gespeichert werden, wobei das im Vorzeichen-Flip-Flop
gespeicherte Vorzeichen des Zahlenwertes bei Speicherinhalt Null und Anstehen eines
Rückwärts-Zählvorganges invertiert wird, so daß der anstehende Zählvorgang in einen
Vorwärts-Zählvorgang umgewandelt wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Meßumformers mit einer zyklischen Ablaufsteuerung; Fig.
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßumformers zur Glättung
eines Detektorsignals mit einer Ausgestaltungsmöglichkeit zur Glättung eines multiplikativ
mit einem weiteren dem Meßumformer zuführbaren Signal f3 zu verknüpfenden Detektorsignals.
Bei diesem Meßumformer ist das Ausmaß der aufgrund der stochastischen Eigenschaften
des Detektorsignals statistischen Schwankungen des Ausgangssignals unabhängig von
der Größe des Detektorsignals und des Signals f3; Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Meßumformers zur Glättung eines Detektorsignals mit einer
Ausgestaltungsmöglichkeit zur Glättung eines multiplikativ mit einem weiteren dem
Meßumformer zuführbaren Signal f3 zu verknüpfenden Detektorsignals. Bei diesem Meßumformer
ist
das auf die Größe des Ausgangssignals bezogene relative Ausmaß der aufgrund der
stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals statistischen Schwankungen des
Ausgangssignals unabhängig von der Größe des Detektorsignals und des Signals f3;
Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßumformers zur
Glättung der gewichteten Differenz zweier Detektorsignale mit einer Ausgestaltungsmöglichkeit
zur Glättung einer multiplikativ mit einem weiteren dem Meßumformer zuführbaren
Signal f3 zu verknüpfenden gewichteten Differenz der beiden Detektorsignale.
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Bei diesem Meßumformer ist das Ausmaß der aufgrund der stochastischen
Eigenschaften der Detektorsignale statistischen Schwankungen des Ausgangssignals
unabhängig von der Größe der Detektorsignale und des Signals f3; Fig. 5 ein vereinfachtes
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßumformers zur Glättung eines Detektorsignals
mit einer Ausgestaltungsmöglichkeit zur Glättung eines multiplikativ mit einem weiteren
dem Meßumformer zuführbaren Signal f3 zu verknüpfenden Detektorsignals, mit einem
Ausgangssignal in logarithmischem Maßstab und mit aufgrund der stochastischen Eigenschaften
des Detektorsignals statistischen Schwankungen des logarithmischen Ausgangssignals,
deren Ausmaß unabhängig von der Größe des Detektorsignals und gegebenenfalls von
der Größe des Signals f3 ist; Fig. 6 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Ausführung eines gesteuerten Taktimpulsgenerators aus Fig. 5, dessen Ausgangsimpulsfrequenz
proportional zu 2n ist, wobei n der Speicherinhalt einer in Fig. 5 dargestellten
Zählstufe ist; Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungs-
gemäßen
Ausführung eines gesteuerten Taktimpulsgenerators aus Fig. 5, dessen Ausgangsimpulsfrequenz
proportional zu 2n/2 ist; Fig. 8 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Ausführung eines gesteuerten Taktimpulsgenerators aus Fig. 5, dessen Ausgangsimpulsfrequenz
proportional zu 2n/i ist, wobei i eine vorwählbare ganze positive Zahl ist; Fig.
9 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßumformers zur Ermittlung
der auf die Größe des Detektorsignals bezogenen relativen Änderungsgeschwindigkeit
eines Detektorsignals, wobei das Ausmaß der aufgrund der stochastischen Eigenschaften
des Detektorsignals statistischen Schwankungen des Ausgangssignals des Meßumformers
unabhängig von der Größe und der Änderungsgeschwindigkeit des Detektorsignals ist;
Fig. 10 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßumformers zur
Ermittlung der Änderungsgeschwindigkeit eines Detektorsignals, wobei das Ausmaß
der aufgrund der stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals statistischen
Schwankungen des Ausgangssignals des Meßumformers unabhängig von der Größe und der
Änderungsgeschwindigkeit des Detektorsignals ist, und mit einer gestrichelt gezeichneten
Ausgestaltungsmöglichkeit zur Ermittlung der gewichteten Summe aus der Änderungsgeschwindigkeit
des Detektorsignals und der Größe des Detektorsignals; Fig. 11 ein vereinfachtes
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßumformers zur Ermittlung der Änderungsgeschwindigkeit
der Differenz zweier Detektorsignale, wobei die Trägheit der Übertragung einen
konstanten
vorwählbaren Wert aufweist, und mit einer gestrichelt gezeichneten Ausgestaltongsmöglichkeit
zur additiven Verknüpfung der Änderungsgeschwindigkeit mit der Größe der Differenz
der beiden Detektorsignale; Fig. 12 ein detailliertes Blockschaltbild des Meßumformers
nach Fig. 11; Fig. 13 ein vereinfachtes Blockschaltbild für eine Ausgestaltung des
Meßumformers nach Fig. 11 oder 12 zur multiplikativen Verknüpfung des Ausgangssignals
des Meßumformers mit einem weiteren dem Meßumformer zuführbaren Signal f3 und Fig.
14 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßumformers für ein
Kontaminationsprüfgerät.
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Zur Vereinfachung der folgenden Beschreibungen von Ausgestaltungen
der Erfindung wird angenommen, daß die Detektorsignale in Form von Impulsfolgen
vorliegen.
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Die Struktur eines erfindungsgemäßen Meßumformers mit einer zyklischen
Ablaufsteuerung ist in dem in Fig. 1 dargestellten vereinfachten Blockschaltbild
wiedergegeben.
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Die über einen Eingang 11 dem Meßumformer zugeführten Detektorimpulse
werden einer Zählstufe 13 als Zählimpulse zugeführt.
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Die Taktimpulse eines Taktgenerators 15 werden einer Ablaufsteuerung
17 zugeführt. Die Ablaufsteuerung 17 steuert die periodisch wiederkehrenden Vorgänge
in einer zentralen Prozesseinheit 19. Die Zeitabstände zwischen den einzelnen Vorgängen
in der zentralen Prozesseinheit 19 sind daher durch die Zeitabstände zwischen den
einzelnen der Ablauf-
steuerung 17 zugeführten Taktimpulse bestimmt.
Die Zykluszeit der zyklischen Ablaufsteuerung 17 ist ein Vielfaches dieser Taktimpulsabstände.
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Nach Maßgabe der von der Ablaufsteuerung 17 der zentralen Prozesseinheit
19 zugeführten Steuersignale werden der Speicherinhalt der Zählstufe 13, der das
Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt eines als Ausgabespeicher
dienenden Zahlenspeichers 21 und der Speicherinhalt weiterer Zahlenspeicher 23 miteinander
periodisch wiederkehrend arithmetisch verknüpft. Dabei wird der Speicherinhalt der
Zählstufe 13 auf einen vorbestimmten Zahlenwert, insbesondere Null, zurückgesetzt
und es werden der Speicherinhalt des Zahlenspeichers 21 und gegebenenfalls auch
die Speicherinhalte der weiteren Zahlenspeicher 23 mit korrigierten Zahlenwerten
besetzt.
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Bei einigen Ausgestaltungen, die im einzelnen noch näher erläutert
werden, wird durch die ablaufgesteuerte zentrale Prozesseinheit 19 auch ein der
zentralen Prozesseinheit 19 über einen Eingang 25 zugeführte Zahlenwert f3 in die
beschriebene arithmetische Verknüpfung der der zentralen Prozesseinheit 19 zugeführten
Zahlenwerte einbezogen. Alternativ hierzu kann bei einigen dieser Ausgestaltungen
die der Ablaufsteuerung 17 zugeführte Taktfrequenz aufgrund eines zwischen den Taktimpulsgenerator
15 und der Ablaufsteuerung 17 geschalteten gestrichelt gezeichneten Frequenzteilers
27 gesteuert werden, welcher seinerseits von dem an einem gestrichelt gezeichneten
Eingang 29 zugeführten Signal f3 gesteuert wird. Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit
des Meßumformers für die bereits näher erläuterte Verarbeitung zweier Detektorsignale
bietet eine gestrichelt gezeichnete Zählstufe 31 für weitere, über einen gestrichelt
gezeichneten Eingang 33 des Meßumformers der Zählstufe 31 zuführbare Detektorimpulse.
Der Speicherinhalt der Zählstufe 31 wird von der zentralen
Prozesseinheit
19 in ähnlicher Weise periodisch wiederkehrend behandelt, wie dies für den Inhalt
der Zählstufe 13 soeben beschrieben wurde.
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Auf erfindungsgemäße Ausgestaltungen der zyklischen Ablauf Steuerung
19 wird noch näher eingegangen werden.
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Das nachfolgend erläuterte Ausführungsbeispiel eines nach dem Prinzip
der Fig. 1 arbeitenden Meßumformers glättet das stochastische Detektorsignal und
eine multiplikative Verknüpfung des Detektorsignals mit einem weiteren dem Meßumformer
zuführbaren Signal f3 Bei der Realisierung dieses Meßumformers mit einer zyklischen
Ablaufsteuerung wird der Speicherinhalt n eines Zahlenspeichers periodisch um einen
verglichen damit meis-t kleinen Zahlenwert n korrigiert. Bei bestimmungsgemäßer
Justierung und Nutzung des Meßumformers ist der Speicherinhalt n sehr viel größer
als ein vorgewählter konstanter positiver Zahlenwert Q.
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Um in allen Fällen eine sinnvolle Funktion des Meßumformers sicherzustellen,
wird für den Fall, daß der Speicherinhalt n kleiner als Q ist, diese Korrektur des
Speicherinhalts n nicht ausgeführt, sondern es wird der Speicherinhalt n mit einem
Zahlenwert F1 #n = F1/@ -no = @/0 besetzt. F1 ist hier, wie auch bei allen falgenden
heschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung, die Anzahl der im letzten Zeitzyklus
aufgelaufenen Detektorimpulse.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
n wird von F1 so geführt, daß er dem Wert no zustrebt.
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Die Ausgestaltung dieses Meßumformers zur Glättung eines multiplikativ
mit einem weiteren dem Meßumformer zugeführten Signal f3 zu verknüpfenden Detektorsignals
kann, wie anhand von Fig. 1 bereits erläutert wurde, auf zweierlei Arten erfolgen:
Bei einer ersten Art der Ausgestaltung ist die die Zyklusdauer bestimmende, der
Ablaufsteuerung zugeführte Impulsfrequenz abhängig vom Signal f Dies wird beispielsweise
dadurch erreicht, daß zwischen den Taktimpulsgenerator des Meßumformers und die
Ablaufsteuerung ein vom Signal f3 gesteuerter steuerbarer Frequenzteiler geschaltet
wird.
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Dann ist die Zyklusdauer der Ablaufsteuerung und folglich auch die
Anzahl F1 der innerhalb eines Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulse proportional
zu f3. Der Speicherinhalt n strebt daher dem der Detektorimpulsrate und dem Signal
f3 proportionalen Zahlenwert n zu.
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@ Bei einer zweiten Art der Ausgestaltung ist die Zykluszeit konstant.
Die periodische Korrektur des Speicherinhalts n beträgt hier F1 - Q An = 3 Bei bestimmungsgemäßer
Justierung und Nutzung des Meßumformers ist der Speicherinhalt n sehr viel größer
als der Quotient Q/F3 aus dem vorgewählten konstanten positiven Zahlenwert Q und
dem Signal f3 Um in allen Fällen eine sinnvolle Funktion des Meßumformers sicherzustellen,
wird für den Fall, daß der Speicherinhalt n kleiner als Q/f3 ist, obige Korrektur
des Speicherinhalts n nicht ausgeführt, sondern es wird der Speicherinhalt mit dem
Zahlen-
wert F1.F2 n besetzt.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
n wird von F1 und von f3 so geführt, daß er dem Wert n zustrebt.
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Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines das Detektorsignal glättenden
und ggf. multiplikativ mit einem Signal f3 verknüpfenden Meßumformers in einer Ausführungsform
mit einer Zählstufe als Zahlenspeicher.
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Die Impulse eines nicht gezeichneten Detektors werden über einen Eingang
51 des Meßumformers einem steuerbaren Frequenzteiler 53 zugeführt. Der Frequenzteiler
53 wird vom Speicherinhalt n einer Zählstufe 55 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit
der ihm zugeführten Detektorimpulse auf den n-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des
Frequenzteilers 53 werden der Zählstufe 55 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt. Die
Taktimpulse eines Taktimpulsgenerators 57 werden über einen Frequenzteiler 59 der
Zählstufe 55 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Der Frequenzteiler 59 erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten
Taktimpulse in einer ersten Ausführungsform um einen konstanten, vorwählbaren Faktor.
Der Frequenzteiler 59 dient hier ausschließlich zur Anpassung der Impulsfrequenz
des Taktimpulsgenerators 57 an die zu erwartende Detektorimpulsrate und an den dabei
gewünschten Speicherinhalt n.
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In einer zweiten Ausführungsform dieses Meßumformers ist der Frequenzteiler
59 steuerbar; er wird von dem
über einen gestrichelt gezeichneten
Eingang 61 zugeführten Signal f3 gesteuert.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
n der Zählstufe 55 wird von der Detektorimpulsrate f1 und ggf. vom Signal f3 so
geführt, daß er dem Zahlenwert no = f1.f3/f@ zustrebt, wobei fh die Taktfrequenz
des Taktimpulsgenerators 57 und f3 allgemein der Teilerfaktor des Frequenzteilers
59 ist.
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Bei den vorstehend beschriebenen Meßumformern sind die von den stochastischen
Eigenschaften des Detektorsignals herrührenden statistischen Schwankungen a des
Speicherinhalts n unabhängig vom Speicherinhalt n. Bei statistisch voneinander unabhängigen
Detektorimpulsen, wie sie im allgemeinen von Strahlungsdetektoren abgegeben werden,
betragen die statistischen Schwankungen des Speicherinhalts n ungefähr
Die vorstehend beschriehenen Meßumformer gehören zur Gruppe der Mel3umformer nach
Anspruch 5. Werden die Meßumformer dieser Gruppe mit nur einem (ersten) Detektorsignal
und nur in der in Anspruch 6 gekennzeichneten Weise beaufschlagt, so sind die aufgrund
der stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals statistischen Schwankungen
des Speicherinhalts n unabhängig vom Speicherinhalt n. Bei statistisch voneinander
unabhängigen Detektorimpulsen, wie sie im allgemeinen von Strahlungsdetektoren des
Speicherinhalts n ungefähr
wobei c eine in Anspruch 6 definierte vorbestimmte Konstante ist. Bei Meßumformern
nach Anspruch 6 mit nur kleinen Werten für c ist daher eine ganzzahlige Speicherung
des Zahlenwertes n, wie dies zum Beispiel hi einer Speicherung in einer Zählstufe
der Fall ist, ausreichend und zugleich besonders ökonomisch. Derartige Meßumformer
nach Anspruch 6 mit nur kleinen Werten
für c sind die beschriebenen
Meßumfermer nach Anspruch 3 und 4 bzw. nach Anspruch 7 (c=O), die noch zu erläuternclen
Meßumformer nach Anspruch 19 (c=1/2) und der ebenfalls nach zu erläuternde Meßumformer
nach Anspruch 18 (c=2).
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Bei dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung
handelt es sich ebenfalls um einen Meßumformer zur Glättung eines Detektorsignals
mit einer Ausgestaltungsmöglichkeit zur Glättung eines multiplikativ mit einem weiteren
dem Meßumformer zuführbaren Signal f3 zu verknüpfenden Detektorsignals. Die übertragungseigenschaften
dieses Meßumformers unterscheiden sich jedoch von den übertragungseigenschaften
der vorstehend erläuterten Meßumformer nach in der Art der Abhängigkeit der aufgrund
der stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals statistischen Schwankungen
des das geglättete Detektorsignal darstellenden Ausgangssignals des Meßumformers
von der Größe des Detektorsignals. Während bei den vorstehend erläuterten Meßumformern
die Detektorimpulsrate bzw. die multiplikativ mit dem ebenfalls dem Meßumformer
zugeführten Signal f3 verknüpfte Detektorimpulsrate mit einer vorwählbaren absoluten
statistischen Genauigkeit ermittelt wird, wird bei dem nachfolgend beschriebenen
Meßumformer die Detektorimpulsrate bzw. die mit dem Signal f3 multiplikativ zu verknüpfende
Detektorimpulsrate mit einer vorwählbaren relativen statistischen Genauigkeit ermittelt.
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Bei einer Realisierung dieses Meßumformers mit einer zyklischen Ablaufsteuerung
wird der Speicherinhalt n eines Zahlenspeichers periodisch um einen vergleichsweise
kleinen Zahlenwert
korrigiert. na ist der Speicherinhalt n, jedoch mindestens ein vorbestimmter positiver
Zahlenwert nmin und höchstens min ein vorbestimmter positiver Zahlenwert n max Der
das lineare Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt n wird
von den Detektorimpulsen
so geführt, daß er dem Wert F1, d.h. der
Anzahl der pro Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulsen zustrebt.
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Die Ausgestaltung dieses Meßumformers zur Glättung eines multiplikativ
mit einem weiteren dem Meßumformer zuführbaren Signal f3 zu verknüpfenden Detektorsignals
kann auf zweierlei Arten erfolgen: Bei der ersten Art wird analog dem vorstehend
anhand von Fig. 1 beschriebenen Meßumformer die Taktperiode des der Ablaufsteuerung
zugeführten Taktsignals, welches die Zyklusdauer bestimmt, durch einen von dem Signal
f3 gesteuerten zwischen den Taktimpulsgenerator des Meßumformers und dessen Ablaufsteuerung
geschalteten Frequenteiler proportional zum Signal f3 geändert. Auf diese Weise
strebt der Speicherinhalt p einem zur Detektorimpulsrate und zum Signal f3 proportionalen
Zahlenwert no zu.
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Bei der zweiten Art der Ausgestaltung ist die Zykluszeit konstant.
Die periodische Korrektur n des Speicherinhalts n beträgt hier
wobei die Zahlenwerte na und nmax die bereits erläuterte Bedeutung haben. Bei bestimmungsgemäßer
Justierung und Nutzung des meßumformers ist f3.nmax sehr viel größer als n@.
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a Um in allen Fällen eine sinnvolle Funktion des Meßumformers sicherzustellen,
wird für den Fall, daß f3 nmax kleiner als na ist durch eine entsprechende Verzweigung
in der Ablaufsteuerung obige Korrektur des Speicherinhalts n nicht ausgeführt, sondern
es wird der Speicherinhalt n mit dem Zahlenwert no = F1.f3 besetzt.
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Der das lineare Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
n wird von F1 und von f3 so geführt, daß er dem Wert no zustrebt.
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Bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen beträgt
die relative statistische Schwankung des Speicherinhalts n ungefähr
Das in Fig. 3 dargestellte Blockschaltbild zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorstehend
erläuterten Meßumformers mit vorwählbarer relativer statistischer Genauigkeit des
Ausgangssignals bei Realisierung des Zahlenspeichers mit Zählstufen.
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Die Impulse eines nicht gezeichneten Detektors werden über einen Eingang
101 des Meßumformers einem steuerbaren Frequenzteiler 103 zugeführt. Der Frequenzteiler
103 wird vom Speicherinhalt w einer Zählstufe 105 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit
der ihm zugeführten Detektorimpulse auf den w-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des
Frequenzteilers 103 werden einer Zählstufe 107 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Die Taktimpulse eines Taktimpulsgenerators 109 werden einem steuerbaren
Frequenzmultiplizierer 111 und einem steuerbaren Frequenzteiler 113 zugeführt. Der
Frequenzmultiplizierer 111 wird vom Speicherinhalt n der Zählstufe 107 gesteuert
und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Taktimpulse um den Faktor n/nmax'
wobei nmax der maximale Speicherinhalt n ist, für den die Zählstufe 107 und der
Frequenzmultiplizierer 111 ausgelegt sind. Der Frequenzteiler 113 wird vom Inhalt
w der Zählstufe 105 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten
Taktimpulse auf den w-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 113 werden
der Zählstufe 105 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt. Die Ausgangsimpulse
des
Frequenzmultiplizierers 111 werden der Zählstufe 105 als Rückwärts-Zählimpulse und
außerdem einem steuerbaren Frequenzteiler 115 zugeführt. Der Frequenzteiler 115
wird vom Inhalt w der Zählstufe 105 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit der
ihm zugeführten Impulse auf den w-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers
115 werden über einen Frequenzteiler 117 der Zählstufe 107 als Rückwärts-Zählimpulse
zugeführt.
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Der Frequenzteiler 117 erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten
Impulse um einen konstanten vorwählbaren Faktor, wobei er die groß zu wählende Impulsfrequenz
des Taktimpulsgenerators 109 an die zu erwartende Detektorimpulsrate und an den
dabei gewünschten Speicherinhalt n anpaßt.
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Alternativ kann der Frequenzteiler 117 aber auch steuerbar sein, wobei
er von einem dem Meßumformer über einen gestrichelt gezeichneten Eingang 119 zugeführten
Signal f3 gesteuert wird und die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse auf den
f3-ten Teil erniedrigt.
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Der das lineare Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
n der Zählstufe 107 wird von der Detektorimpulsrate f1 und ggf. auch vom Signal
f3 so geführt, daß er dem Zahlenwert
zustrebt, wobei fh die Taktfrequenz des Taktgenerators 109 und f3 allgemein der
Teilerfaktor des Frequenzteilers 117 ist.
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die Taktfrequenz fh muß mindestens so groß gewählt werden, daß der
vom Speicherinhalt n geführte Speicherinhalt w ausreichend schnell dem Gleichgewichtswert
n
w@ = max/n o n zustrebt.
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Der Speicherinhalt w bestimmt das Ausmaß der statistischen Schwankungen
des Ausgangssignals. Bei bestimmungsgemäßer Justierung und Nutzung des Meßumformers
ist der Speicherinhalt w näherungsweise der Wert wo Dann betragen bei statistischer
voneinander unabhängigen Detektorimpulsen die relativen statistischen Schwankungen
des Speicherinhalts n der Zählstufe 107 ungefähr
Der Erfindungsgedanke läßt sich auch bei Glättung einer Linearkombination mehrerer
Detektorsignale und gyf. der Glättung einer multiplikativ mit einem weiteren dem
Meßumformer zuführbaren Signal f3 zu verknüpfenden Linearkombination der Detektorsignale
ausnutzen, wobei die absolute statistische Genauigkeit des geglätteten Signals konstant
ist. Wie bereits erläutert, ist die gewichtete Differenz zweier Detektorsignale
ein praktisch bedeutsames Beispiel für eine Linearkombination von Detektorsignalen.
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Bei einer Realisierung eines solchen Meßumformers mit zyklischer Ablaufsteuerung
wird der Speicherinhalt n eines Zahlenspeichers periodisch um einen vergleichsweise
kleinen Zahlenwert
korrigiert. Bei bestimmungsgemäßer Justierung der Zyklusdauer
und einem vorwählbaren positiven Zahlenwert Q kleiner Eins und bei bestimmungsgemäßer
Nutzung des Meßumformers ist der Speicherinhalt n sehr viel größer als Eins.
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Um in allen Fällen eine sinnvolle Funktion des Meßumformers sicherzustellen,
wird für den Fall, daß durch eine korrektur des Speicherinhalts n der Speicherinhalt
n kleiner als Eins wird, der Speicherinhalt n aufgrund einer entsprechenden Verzweigung
in der Ablaufsteuerung mit dem Zahlenwert Eins besetzt. F1 ist die Anzahl der im
letzten Zeitzyklus aufgelaufenen Detektorimpulse des ersten Detektorsignals und
F2 die Anzahl der im letzten Zeitzyklus aufgelaufenen Impulse des zweiten Detektorsignals.
k ist ein vorgewählter positiver Gewichtsfaktor für die Bildung der gewichteten
Differenz der beiden Detektorsignale.
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Der Speicherinhalt n wird von F1 und von F2 so geführt, daß er dem
Zahlenwert
zustrebt, wobei jedoch, wie soeben erl.äutert, sichergestellt ist, daß der Zahlenwert
n nicht kleiner als Eins wird.
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Ebenfalls periodisch wird der Speicherinhalt p eines weiteren Zahlenspeichers
um einen vergleichsweise kleinen Zahlenwert #p = F1-F2/k-p.Q/n korrigiert.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
p wird von F1 und von F2 so geführt, daß er dem Wert F1- F2/k Q zustrebt.
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Die Ausgestaltung dieses Meßumformers im Hinblick auf die Glättung
einer multiplikativ mit einem weiteren dem Meßumformer zugeführten Signal f3 zu
verknüpfenden gewichteten Differenz zweier Detektorsignale kann, wie anhand des
prinzipiellen Blockschaltbildes nach Fig. 1 bereits erläutert wurde, auf zweierlei
Arten erfolgen: Bei der ersten Art der Ausgestaltung wird die Impulsfrequenz, welche
die Zyklusdauer der Ablaufsteuerung bestimmt, beispielsweise mit Hilfe eines dem
Taktgenerator des Meßumformers nachgeschalteten steuerbaren Frequenzteilers durch
das Signal f3 gesteuert. Die Häufigkeit der Taktimpulse, die der Ablaufsteuerung
zugeführt werden, ist auf diese Weise umgekehrt proportional zum Signal f3' Der
Speicherinhalt n strebt daher dem zum signal f3 und zur quadratisch gewichteten
Summe f1+f2/k² der heiden Detektorimpulsraten f1 und f2 proportionalen Zahlenwert
zu, wobei T die Zyklusdauer für f3=1 ist. Der das Ausgangssignal des Meßumformers
repräsentierende Speicherinhalt p strebt dem Zahlenwert ~ ~ f1-f2/l .m.f Q
zu.
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Bei der zweiten Art der Ausgestaltung ist die Zykluszeit konstant.
Die periodische Korrektur des Speicherinhalts n beträgt hier
Der vorgewählte Zahlenwert Q ist auch hier kleiner als Eins. Bei bestimmungsgemäßer
Justierung und Nutzung des Meßumformers ist der Zahlenwert n sehr viel größer als
der reziproke Wert des Signals f3. Um in allen Fällen eine sinnvolle Funktion des
Meßumformers sicherzustellen, wird für den Fall, daß der Speicherinhalt n kleiner
als der reziproke Wert des Signals f3 ist aufgrund einer Verzweigung der Ablaufsteuerung
anstelle der Korrekturen der Speicherinhalte n und p der Speicherinhalt p mit dem
Zahlenwert
besetzt. Bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Meßumformers beträgt die periodische
Korrektur des Speicherinhalts p bei der zweiten Art der Ausgestaltung mit konstanter
Zykluszeit #p = F1-F2/k-p.Q/f3 Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende
Speicherinhalt p wird von F1, F2 und f3 so geführt, daß er dem Zahlenwert pO zustrebt.
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Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild eines Meßumformers der vorstehenden
Art bei Realisierung des Zahlenspeichers als
Zählstufe. Die über
einen Eingang 151 des Meßumformers zugeführten Impulse eines nicht gezeichneten
Detektors werden einem steuerbaren Frequenzteiler 153 zugeführt.
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Die über einen Eingang 155 des Meßumformers zugeführten Impulse eines
ebenfalls nicht gezeichneten Detektors werden einem steuerbaren Frequenzteiler 157
zugeführt.
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Die Frequenzteiler 153 und 157 werden vom Inhalt n einer Zählstufe
159 gesteuert und erniedrigen die Häufigkeit der ihnen zugeführten Detektorimpulse
auf den n-ten Teil.
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Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 157 werden der Zählstufe 159
und einer Zählstufe 161 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt. Die Ausgangsimpulse
des Frequenzteilers 153 werden über einen Frequenzteiler 163 mit dem festen Teilerverhältnis
k der Zählstufe 161 als Rückwärlszählimpulse und außerdem einem Frequenzteiler 165
mit ebenfalls diesem Teilerverhältnis k zugeführt. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers
165 werden der Zählstufe 159 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Die Impulse eines Taktimpulsgenerators 165 werden über einen Frequenzteiler
167 einem Frequenzteiler 169 und einem steuerbaren Frequenzmultiplizierer 171 zugeführt.
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Der Frequenzteiler 167 erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten
Taktimpulse um einen konstanten vorwählbaren Faktor. Der Frequenzteiler 167 kann
ausschließlich der Anpassung der Impulsfrequenz des Taktimpulsgenerators 165 an
die zu erwartenden Detektorimpulsraten und an die dabei gewünschten Speicherinhalte
n und p der Zählstufen 159 und 161 dienen. Im allgemeinen kann der Frequenzteiler
167 dabei auch entfallen.
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Der Frequenzteiler 1G7 kann auch von einem dem Meßumformer
über
einen gestrichelt gezeichneten Eingang 169 zugeführten Signal f3 steuerbar sein.
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Ein Frequenzmultiplizierer 171 wird vom Inhalt p der Zählstufe 161
gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse um den Faktor p/pmax.
Hierbei ist pamx der maximale Speicherinhalt p für den die Zählstufe 161 und der
Frequenzmultiplizierer 171 ausgelegt sind. Das Teilerverhältnis des Frequenzteilers
169 ist ebenfalls pmax.
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Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 169 werden der Zählstufe 159
als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Die Ausgangsimpulse des Frequenzmultiplizierers 171 werden einem steuerbaren
Frequenzteiler 173 zugeführt. Der Frequenzteiler 173 wird vom Inhalt n der Zählstufe
159 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse auf den
n-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 173 werden der Zählstufe 161
als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
p der Zählstufe 161 wird von der Detektorimpulsrate f1 am Eingang 151 des Meßumformers
und von der Detektorimpulsrate f2 am Eingang 155 des Meßumformers und ggf. vom Signal
f3 so geführt, daß er dem Zahlenwert
zustrebt, wobei fh die Taktfrequenz des Taktimpulsgenerators 165 und f3 allgemein
das Teilerverhältnis des Frequenzteilers 167 ist.
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Bei Ausführungsformen von Meßumformern analog Fig. 4 betragen die
statistischen Schwankungen des Speicherinhalts n bei statistisch voneinander unabhängigen
Detektorimpulsen
ungefähr
Bei Ermittlung der Differenz der Detektorsignale (k=1) ist somit on = = n Unter
den gleichen Voraussetzungen sind die statistischen Schwankungen des das Ausgangssignal
repräsentierenden Speicherinhalts p ungefähr
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele von Meßumformern zur Glättung eines ggf.
multiplikativ mit einem weiteren dem Meßumformer zugeführten Signal f3 verknüpfenden
Detektorsignals beschrieben, wobei bei diesen Meßumformern die detektorimpulsrate
bzw. die mit dem Signal f3 multiplikativ erknüpfte Detektorimpulsrate mit einer
vorwählbaren relativen statistischen Genauigkeit ermittelt und in logarithmischem
Maßstab ausgegeben wird.
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Bei einer Realisierung des Meßumformers mit einer zyklischen Ablaufsteuerung
wird der Speicherinhalt n eines Zahlen speichers periodisch um einen vergleichsweise
meist kleinen Zahlenwert #n = F1-bn
korrigiert, wobei b ein vorbestimmter
konstanter positiver Zahlenwert ist.
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Der das Ausgangssignal repräsentierende Speicherinhalt n wird von
der Anzahl F1der pro Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulse so geführt, daß er
dem Wert no = logb(F1) zustrebt.
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Die Ausgestaltung dieses Meßumformers im Hinblick auf die Glättung
eines multiplikativ mit einem weiteren, dem Meßumformer zuführbaren Signal f3 zu
verknüpfenden Detektorsignals kann, wie dies anhand des prinzipiellen Blockschaltbildes
nach Fig. 1 bereits erläutert wurde, auf zweierlei Arten erfolgen: Bei der ersten
Art der Ausgestaltung wird die Impulsfrequenz, welche die Zyklusdauer der Ablaufsteuerung
bestimmt, beispielsweise mit Hilfe eines dem Taktimpulsgenerators des Meßumformers
nachgeschalteten steuerbaren Frequenzteilers durch das Signal f3 gesteuert. Die
Häufigkeit der Taktimpulse, die der Ablaufsteuerung zugeführt werden, ist auf diese
Weise umgekehrt proportional zum Signal f Der Speicherinhalt n strebt daher dem
vom Produkt aus der Detektorimpulsrate f1 und dem Signal f3 proportionalen Zahlenwert
no = logb(f1.f3.T) zu, wobei T die Zyklusdauer für f3=1 ist.-Bei der zweiten Art
der Ausgestaltung ist die Zyklusdauer konstant. Die periodische Korrektur des Speicherinhalts
n beträgt hier
#n = F1 - b/f3 Auch hier ist b ein vorbestimmter
positiver konstanter Zahlenwert.
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Der das Ausgangssignal repräsentierende Speicherinhalt n wird von
der Anzahl F1 der pro Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulse und vom Signal f3
so geführt, daß er dem Zahlenwert n = l°gb(F1 3) zustrebt.
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Das in Fig. 5 dargestellte Blockschaltbild zeigt den vorstehend erläuterten
Meßumformer ei Realisierung des Zahlenspeichers als Zählstufe.
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Die über einen Eingang 201 des Meßumformers zugeführten Impulse eines
nicht gezeichneten Detektors werden einer binären Zählstufe 203 als Vorwärts-Zählimpulse
zugeführt.
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Die Impulse eines steuerbaren Taktimpulsgenerators 205 werden über
einen Frequenzteiler 207 der Zählstufe 203 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Der Frequenzteiler 207 kann die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse
um einen konstanten vorwählbaren Faktor erniedrigen. Der Frequenzteiler 207 dient
dann ausschließlich der Anpassung der Impulsfrequenz des Taktimpulsgenerators 205
an die zu erwartenden Detektorimpulsraten und an den dabei gewünschten Speicherinhalt
n sowie zur Minderung zeitlicher Unregelmäßigkeiten der Ausgangsimpulse des Taktimpulsgenerators
205. Der Frequenzteiler 207 kann ggf. auch entfallen,
Alternativ
kann der Frequenzteiler 207 auch steuerbar sein.
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Er wird dann von einem dem Meßumformer über einen gestrichelt gezeichneten
Eingang 209 zugeführten Signal f3 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit der ihm
zugeführten Impulse auf den f3-ten Teil.
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Der steuerbare Taktgenerator 205 wird vom Speicherinhalt n der Zählstufe
203 gesteuert. Er erzeugt eine Taktimpulsfolge, deren Häufigkeit proportional zu
2n/c ist, wobei c eine für den Aufbau des Taktgenerators spezifische ganzzahlige
positive Konstante ist.
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Blockschaltbilder von Ausgestaltungen des steuerbaren Taktimpulsgenerators
205 sind in Fig. 6 (c=1), Fig. 7 (c=2) und Fig. 8 (c=1, 2, 3...) dargestellt.
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Bei dem in Fig. 6 dargestellten steuerbaren Taktimpulsgenerator-werden
die frequenzkonstanten Impulse eines Taktimpulsgenerators 221 einem Frequenzteiler
223 zugeführt.
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Eine vom Speicherinhalt n der Zählstufe 203 (Fig. 5) über einen Eingang
225 gesteuerte Multiplexerstufe 227 wählt die dem momentanen Speicherinhalt n entsprechende
Teilerstufe des Frequenzteilers 223 aus und führt die von dieser Stufe abgegebenen
Impulse einem Ausgang 229 des steuerbaren Taktgenerators zu.
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Bei dem in Fig. 7 dargestellten steuerbaren Taktgenerator werden die
frequenzkonstanten Impulse eines Taktimpulsgenerators 231 einem Frequenzteiler 233
und einem Frequenzteiler 235 zugeführt. Die konstanten Teilerverhältnisse der Frequenzteiler
233 und 235 verhalten sich wie was was näherungsweise durch ein Teilerverhältnis
5 des Frequenzteilers 233 und ein Teilerverhältnis 7 des Frequenzteilers 235 realisiert
werden kann. Das niederwertigste Bit des Speicherinhalts n steuert entsprechend
seinen binären Zuständen 101 und "1" den Schaltzustand eines Umschalters 237. Die
restlichen, höherwertigen
Bits des über einen Eingang 241 zugeführten
Speicherinhalts n der Zählstufe 203 (Fig. 5) steuern eine MulLiplexerstufe 243.
Die Multiplexerstufe 243 wählt die dem momentanen ganzzahligen Anteil des Zahlenwertes
n/2 entsprechende Teilerstufe eines Frequenzteilers 245 aus und führt die von dieser
Stufe abgegebenen Impulse einem Ausgang 247 des steuerbaren Taktimpulsgenerators
zu.
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Bei dem in Fig. 8 dargestellten steuerbaren Taktimpulsgenerator werden
die frequenzkonstanten Taktimpulse eines Taktimpulsgenerators 251 einem steuerbaren
Frequenzteiler 253, einem steuerbaren Frequenzmultiplizierer 255 und einem steuerbaren
Frequenzmultiplizierer 257 zugeführt.
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Die c-1 niederwertigsten Bits des über einen Eingang 259 zugeführten
Speicherinhalts n der Zählstufe 203 (Fig. 5) steuern den Frequenzteiler 253, während
die restlichen, höherwertigeren Bits des Speicherinhalts n eine Multiplexerstufe
261 steuern. Die Multiplexerstufe 261 wählt die dem momentanen ganzzahligen Anteil
des Zahlenwertes n/c entsprechende Teilerstufe eines Frequenzteilers 263 aus und
führt die von dieser Stufe abgegebenen Impulse einem Ausgang 265 des steuerbaren
Taktimpulsgenerators zu. Der Frequenzteiler 253 erniedrigt die Häufigkeit der ihm
zugeführten Taktimpulse auf den n1-ten Teil, wobei n1 der durch die c-1 niederwertigsten
Bits des Speicherinhalts n dargestellte Zahlenwert ist. Dauer Frequenzmultiplizierer
255 wird vom Speicherinhalt a2 eines Zahlenspeichers 265 gesteuert und ändert die
Häufigkeit der ihm zugeführten Taktimpulse um den Faktor a2/amax, wobei amax der
maximale Zahlenwert ist, für den die Ansteuerung des Frequenzmultiplizierers 255,
der Zahlenspeicher 265, eine Zählstufe 267 und die Ansteuerung des Frequenzmultiplizierers
257 ausgelegt sind. Der Frequenzmultiplizierer 257 ändert die Häufigkeit der ihm
zugeführten Taktimpulse um den Faktor a/amax, wobei a der Speicherinhalt der Zählstufe
267 ist. Die Ausgangsimpulse des Frequenzmultipli-
zierers 257
werden der Zählstufe 267 als Zählimpulse zugeführt. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers
253 werden einem Frequenzteiler 269 mit dem festen Teilerverhältnis von ungefähr
a max 1n(2) c zugeführt. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 269 werden dem
Zahlenspeicher 265 und der Zählstufe 267 zugeführt. Sie bewirken die übernahme des
Inhalts der Zählstufe 267 in den Zahlenspeicher 265 und anschließend die Übernahme
des vorgewählten, festen Inhalts a1 eines Zahlenspeichers 271 in die Zählstufe 267.
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Bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen betragen
die relativen statistischen Schwankungen der ermittelten Detektorimpulsrate bzw.
der ermittelten mit dem Signal f3 verknüpften Detektorimpulsrate bei diesen Ausführungsformen
unabhängig von der Detektorimpulsrate und ggf. vom Signal f3 ungefähr
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Meßumformer beschrieben,
deren Ausgangssignal die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit von Detektorsignalen
enthält.
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Bei dem nachstehend erläuterten Meßumformer handelt es sich um ein
Gerät zur Ermittlung der auf die Größe des Detektorsignals bezogenen relativen Änderungsgeschwindigkeit
eines Detektorsignals, wobei die aufgrund der stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals
statistischen Schwankungen der ermittelten relativen Änderungsgeschwindigkeit einen
vorwählbaren konstanten, von der Größe des
Detektorsignals und
von seiner zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit unabhängigen Wert aufweist.
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Derartige Meßumformer werden z.B. zur überwachung von Kernreaktoren
und für Kritikalitätswarnanlagen benötigt.
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Bei einer Realisierung dieses Meßumformers mit einer zyklischen Ablaufsteuerung
wird der Speicherinhalt n eines Zahlenspeichers periodisch um einen vergleichsweise
meist kleinen Zahlenwert
korrigiert. Der Speicherinhalt n wird von der Anzahl F1 der pro Zeitzyklus auflaufenden
Detektorimpulse so geführt, daß er dem Zahlenwert
zustrebt. Wie bereits allgemein für alle Meßumformer nach Anspruch 6 allgemein angegeben
wurde, bettragen bei statistischvoneinander unabhängigen Detektorimpulsen die statistischen
Schwankungen des Speicherinhalts n ungefähr
Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt m eines
weiteren Zablenspeichers wird oben falls periodisch um einen vergleichsweise melst
kleinen Zahlenwert #n - n.m/w1
korrigiert. I)er Speicherinhalt
m wird von der relativen Änderung #F1/F1 von einem Zeitzyklus zum nächsten so geführt,
daß er dem Zahlenwert m = #F1/@@@ 3-F1 zustrebt, wobei F1 die Anzahl der pro Zeitzyklus
auflaufenden Detektorimpulse ist. Bei statistisch voneinander unabgängigen Detektorimpulsen
betragen die statistischen Schwankungen des Speicherinhalts m ungefähr
Fig. 9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines entsprechenden Meßumformers
bei Realisierung der Zahlenspeicher als Zählstufen. Die über einen Eingang 301 des
Meßumformers zugeführten Impulse eines nicht gezeichneten Detektors werden einem
steuerbaren Frequenzteiler 303 zugeführt.
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Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 303 werden einer Zählstufe
305 und einer Zählstufe 307 als'Vorwärts-Zählimpulse zugeführt. Der Frequenzteiler
303 wird vom Speicherinhalt n der Zählstufe 305 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit
der ihm zugeführten Detektorimpulse auf den n-ten Teil.
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Die Impulse eines Taktimpulsgenerators 309 werden einem steuerbaren
Frequenzmultiplizierer 311 zugeführt. Der Frequenzmultiplizierer 311 wird ebenfalls
vom Speicherinhalt n der Zählstufe 305 gesteuert; er ändert die Häufigkeit der ihm
zugeführten Taktimpulse um einen Faktor n/nmax' wobei nmax der maximale Zahlenwert
von n ist, für den die Zählstufe 305 und die Ansteuerungen des Frequenzmultiplizierers
311, eines Frequenzmultiplizierers 313 und des Frequenzteilers 303 ausgelegt sind.
Die Ausgangsimpulse des Frequenzmultiplizierers 311 werden dem steuerbaren Frequenzmultiplizierer
313 sowie einem weiteren
steuerbaren Frequenzmultiplizierer 315
zugeführt. Der Frequenzmultiplizierer 313 wird vom Speicherinhalt n der Zählstufe
305.gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse um den Faktor
n/nmax. Der Frequenzmultiplizierer 315 wird vom Speicherinhalt m der Zählstufe 307
gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse um den Faktor m/mmax,
Wobei mmax der maximale Zahienwert von m ist, für den die Zählstufe 307 und die
Ansteuerung des Frequenzmultiplizierers 315 ausgelegt sind. Die maximalen Zahlenwerte
nmax und mmax sind bevorzugtermaßen identisch. Die Ausgangsimpulse des Frequenzmultiplizierers
313 werden der Zählstufe 307 und über einen Frequenzteiler 317 mit dem festen Teilerverhöltnis
3 der Zählstufe 305 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Der Speicherinhalt t wird von der Detektorimpulsrate f1 so geführt,
daß er dem Zahlenwert
zustrebt, wobei h die Häufigkeit der Impulse am Ausgang des Taktimpulsgenerators
309 ist.
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Die aufgrund der stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals
statistischen Schwankungen des Speicherinhalts n sind ebenso groß wie bei der beschriebenen
(8 U'- ll Un(l i n der ersten Aus führungs form mit zyklischer Ablaufsteuerung.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
m der Zählstufe 307 wird von der relativen Änderungsgeschwindigkeit df1 . 1 dt
ler
Detektorimpulsrate f1 so geführt, daß er dem Zahlenwert df 1 n m 1. max max m =
dt f1 zustrebt, wobei fh die Häufigkeit der Impulse am Ausgang des Taktimpulsgenerators
309 ist.
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Bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorinnulsen betragen
die statistischen Schwankungen des Speicherinhalts m ungefähr
Im folgenden werden Ausführungsformen erfindungsgemäßer Meßumformer beschrieben,
deren Ausgangssignal die absolute Änderungsgeschwindigkeit oder eine gewichtete
Summe aus der absoluten Änderungsgeschwindigkeit und der Größe der Detektorsignale
darstellt. Dabei werden auch Ausgestaltungen zur Verknüpfung der Detektorsignale
mit einem weiteren, dem Meßumformer zuführbaren Signal f3 beschrieben.
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Bei dem im folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich
um einen Meßumformer zur Ermittlung der Änderungsgeschwindigkeit eines Detektorsignals,
wobei die aufgrund der stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals statistischen
Schwankungen der ermittelten Änderungsgeschwindigkeit unabhängig von der Größe des
Detektorsignals und von seiner Änderungsgeschwindigkeit sind. Der Meßumformer bietet
eine Ausgestaltungsmöglichkeit zur Ermittlung einer gewichteten Summe aus der Änderungsgeschwindigkeit
und der Größe des Detektorsignals.
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Bei einer Realisierung des Meßumfomers mit einer zyklischen Ablaufsteuerung
wird der Speicherinhalt n eines Zahlenspeichers periodisch um einen vergleichsweise
kleinen Zahlenwert
an = 1 - r n 3 und der Speicherinhalt m eines
weiteren Zahlenspeichers ebenfalls periodisch um einen vergleichsweise kleinen Zahlenwert
#m = #n - m/r korrigiert. Der in einem weiteren Zahlenspeicher gespeicherte Zahlenwert
r wird periodisch so korrigiert, daß er proportional zur Quadratwurzel aus dem Speicherinhalt
n ist. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, daß der Speicherinhalt r periodisch um einen
vergleichsweise kleinen Zahlenwert #r = #n/r korrigiert und hin und wieder (z.B.
auch periodisch) durch den Zahlenwert r1 = n/r + r/2 ersetzt wird
Der
Speicherinhalt n wird von der Anzahl F1 der pro Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulse
so geführt, daß er dem Zaiilenwert
zustrebt. Wie bereits für alle Meßumformer nach Anspruch 6 allgemein angegeben wurde,
betragen bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen die statistischen
Schwankungen des Speicherinhalts n ungefähr
Der Speicherinhalt r wird vom Speicherinhalt n so geführt, daß er dem Zahlenwert
zustrebt.
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Der das Ausgangssignal repräsentierende Speicherinhalt m wird von
den von einem Zeitzyklus zum nächsten sich ergebenden Änderung @F1 der Anzahl F1
der pro Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulse so geführt, daß er dem Zahlenwert
mo = 2.#F1 zustrebt.
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Bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen betragen
die statistischen Schwankungen des Speicherinhalts m ungefähr
zustrebt.
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Bei der Ermittlung der gewichteten Summe aus Änderungsgeschwindigkeit
und Größe des Detektorsignals wird der Speicherinhalt n periodisch ebenso geändert,
wie bei der vorstehenden Grundform Auch die Korrekturen des Speicherinhalts r werden
ebenso durchyeführt, wie bei der Grundform des Meßumformers. Die periodischen Korrekturen
des Speicherinhalts m erhalten jedoch den zusätzlichen additiven Term F1 C1. r so
daß sie
betragen. c1 ist ein vorwählbarer konstanter positiver Zahlenwert Bei dieser Ausgestaltung
wird der das Ausganssignal repräsentierende Speicherinhalt m von den Änderungen
AF1 der Anzahl F1 der pro Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulse und von F1 selbst
so geführt, daß er dem Zahlenwert mo = 2.#F1 ~c1.F1 zustrebt.
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Fig. 10 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer unter Verwendung
von Zählstufen als Zahlenspeicher aufgebauten Ausführungsform des zuletzt erläuterten
Meßumformers. Die über einen Eingang 351 des Meßumformers geführten
Impulse
eines nicht gezeichneten Detektors werden einem steuerbaren Frequenzteiler 353 und,
bei Ermittlung der Summe aus Änderungsgeschwindigkeit und Größe des Detektorsignals
auch einem gestrichelt gezeichneten steuerbaren Frequenzteiler 355 zugeführt. Der
Frequenzteiler 353 wie auch ein Frequenzteiler 377 wird vom Speicherinhalt n einer
Zählstufe 357 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse
auf den n-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 353 werden der Zählstufe
357 und einer Zählstufe 359 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Der gestrichelt gezeichnete Frequenzteiler 355 wird vom Speicherinhalt
r einer Zählstufe 361 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten
Detektorimpulse auf den r-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 355
werden bei Ermittlung der Summe aus Änderungsgeschwindigkeit und Größe des Detektorsignals
über einen ebenfalls gestrichelt gezeichneten Frequenzteiler 363 der Zählstufe 359
als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Das vorwählbare Teilerverhältnis des Frequenzteilers 363 bestimmt
den der Größe des Detektorsignals zuzuordnenden Anteil (Gewicht) des das Ausgangssignal
des Meßumformers repräsentierenden Speicherinhalts m.
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Die Impulse eines Taktimpulsgenerators 365 werden einem steuerbaren
Frequenzmultiplizierer 367 und einem steuerbaren Frequenzteiler 369 zugeführt. Der
Frequenzteiler 369 wird vom Speicherinhalt r der Zählstufe 361 gesteuert und erniedrigt
die Häufigkeit der ihm zugeführten Taktimpulse auf den r-ten Teil. Der Frequenzmultiplizierer
367 wird ebenfalls vom Speicherinhalt r der Zählstufe 361 gesteuert und ändert die
Häufigkeit der ihm zugeführten Taktimpulse um den Faktor r/rmax. wobei rmax der
maximale Zahlenwert r ist, für den die Zählstufe 361 und die Ansteuerungen für den
Frequenzmultiplizierer
367, den Frequenzteiler 369 und ggf. den
Frequenzteiler 355 ausgelegt ist. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 369 werden
der Zählstufe 361 als Vorwärts-Zählimpulse und einem steuerbaren Frequenzmultiplizierer
371 zugeführt. Der Frequenzmultiplizierer 371 wird vom Speicherinhalt m der Zählstufe
359 gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse um den Faktor
m/mmax, wobei mmax der maximale Zahlenwert von m ist, für den die Zählstufe 359
und die Ansteuerung des Frequenzmultiplizierers 371 ausgelegt ist. Die Ausgangsimpulse
des Frequenzmultiplizierers 367 werden über einen Frequenzteiler 373 den Zählstufen
357 und 359 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt. Die Ausgangsimpulse des Frequenzmultiplizierers
371 werden über einen Frequenzteiler 375 der Zählstufe 359 als Rückwärts-Zählimpulse
zugeführt. Weiterhin werden die Ausgangsimpulse des Frequenzmultiplizierers 367
über einen steuerbaren Frequenzteiler 377 der Zählstufe 361 als Rückwärts-Zählimpulse
zugeführt. Der Frequenzteiler 377 wird vom Speicherinhalt n der Zählstufe 357 gesteuert
und erniedrigt die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse auf n-ten Teil.
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Die Frequenzteiler 373 und 375 sind vorgesehen, damit bei einer möglichst
hohen Frequenz des Taktgenerators 365 der Speicherinhalt r der Zählstufe 361 ausreichend
schnell Änderungen des Speicherinhalts n der Zählstufe 357 folgt und daß trotzdem
die Häufigkeit der den Aählstufen 357 und 359 zugeführten Taktimpulse ausreichend
niedrig ist. Gleichzeitig werden, was bevorzugt wird, den Frequenzmultiplizierern
nach Möglichkeit Frequenzteiler nachgeschaltet.
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Das Teilerverhältnis des Frequenzteilers 373 ist ungefähr um einen
Faktor 3/2 mmax größer, als das Teilerverhältnis des Frequenzteilers 375. Auf diese
Weise wird
erreicht, daß die Trägheit des Übertragungsverhaltens
des Meßumformers und die aufgrund der stochastischen Eigenschaften des Detektorsignals
statistischen Schwankungen der ermittelten Änderungsgeschwindigkeit des Detektorsignals
möglichst gering sind.
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Der Speicherinhalt n wird von der Detektorimpulsrate f1 so geführt,
daß er dem Zahlenwert
zustrebt, wobei fh die Taktfrequenz des Taktimpulsgenerators 365 und k373 des Teilerverhältnis
des Frequenzteilers 373 ist.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
m der Zählstufe 359 wird von der Änderungsgeschwindigkeit df1 dt der Detektorimpulsrate
f1 und im Falle der gewichteten über lagerung der Größe des Detektorsignals auch
von der Detektorimpulsrate f1 so geführt, daß er dem Zahlenwert
zustrebt. Der zweite additive Term entfällt bei der Grundform des Meßumformers.
Die k-Werte sind die Teilerverhältnisse der Frequenzteiler mit festem Teilerverhältnis;
ihre Indizes sind die Bezifferungen der zugehörigen Frequenzteiler. Die aufgrund
der stochastischen Eidenschaften des Detektorsignals statistischen Schwankungen
der
Speicherinhalte n und m sind ebenso groß wie bei der beschriebenen Ausführung in
der ersten Ausführungsform mit zyklischer Ablaufsteuerung.
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ist die Taktfrequenz des Taktimpulsgenerators 365.
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Wie bereits näher erläutert wurde, ist als Linearkombination mehrerer
Detektorsignale die gewichtete Differenz zweier Detektorsignale von primärer praktischer
Bedeutung Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele erlauben die Umformung
einer Linearkombination mehrerer Detektorsignale und insbesondere die Umformung
der Differenz zweier Detektorsignale.
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Mit Hilfe einer zyklischen Ablaufsteuerung läßt sich wie folgt ein
Meßumformer realisieren, bei dem der Speicherinhalt n eines Zahlenspeichers das
geglättete Detektorsignal oder eine geglättete Linearkombination von an verschiedenen
Eingängen des Meßumformers anliegenden Detektorsignalen und der das Ausgangssignal
repräsentierende Speicherinhalt m eines weiteren Zahlenspeichers die Änderungsgeschwindigkeit
des Detektorsignals oder der Linearkombination der Detektorsignale darstellt (1.
Grundform). Die zyklische Ablaufsteuerung korrigiert den Speicherinhalt n periodisch
um einen vergleichsweise kleinen Zahlenwert An = F-n w und den Speicherinhalt m
ebenfalls periodisch um einen vergleichsweise kleinen Zahlenwert #m = #n-m/w F ist
hier, wie auch in allen weiteren noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen dieser
Art die Linearkombination der Detektorsignale bzw. die entsprechend dern vorgewählten
Gewichtsfaktor gewichtete Dlfferenz der
Anzahl der über die beiden
Eingänge für Detektorimpulse dem Meßumformer im letzten Zeitzyklus zugeführten Detektorimpulse.
Im Falle, daß der Meßumformer nur einen Eingang für nur ein Detektorsignal aufweist,
ist F (bzw. F1) die Anzahl der im letzten Zeitzyklus aufgelaufenen Detektorimpulse,
w ist ein vorgewählter konstanter positiver Zahlenwert größer als 1. Der Zahlenwert
w bestimmt zusammen mit der Zyklusdauer die Trägheit der Übertragungseigenschaften
des Meßumformers: Diese Trägheit ist das w-fache der Zyklusdauer.
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Der Speicherinhalt n wird von F so geführt, daß er F zustrebt. Bei
statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen betragen die statistischen
Schwankungen des Speicherinhalts n ungefähr
Der das Ausgangssignal repräsentierende Speicherinhalt m wird von den Änderungen
#F von F von einem Zeitzyklus zum nächsten so geführt, daß er dem Zahlenwert mo
= zustrebt.
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Bei statistisch voneinander unabhängigen Detektor impulsen betragen
die statistischen Schwankungen des Speicherinhalts m ungefähr
Die zuletzt erläuterte 1. Grundform des Meßumformers läßt sich
zu einer zweiten Grundform ergänzen derart, daß der Speicherinhalt m eine gewichtete
Summe aus der Änderungsgeschwindigkeit des Detektorsignals und der Größe des Detektorsignals
darstellt. Hierbei wird der Speicherinhalt n periodisch ebenso geändert, wie dies
bei der zuletzt erläuterten Grundform der Fall ist. Die periodischen Korrekturen
des Speicherinhalts in erhalten jedoch den zusätzlichen additiven Term c1.F w so
daß die Korrekturen nunmehr # m = #n - m + c1.F/w sind. c1 ist ein vorwählbarer
konstanter positiver Zahlenwert.
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Der das Ausgangssignal des Meßumformers repräsentierende Speicherinhalt
m wird von den Änderungen AF und von F so geführt, daß er dem Zahlenwert m = AF
+ F c zustrebt.
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Die aufgrund der stochastischen Eigenschaften der Detektorsignale
statistischen Schwankungen des das Ausgangssignal repräsentierenden Speicherinhalts
m sind vom Zahlenwert w und von den Detektorsignalen abhängig. In einer
erweiterten
Ausgestaltung der beiden Grundformen der Meßumformer kann der Zahlenwert w während
des Betriebes des Meßumformers variiert werden, ohne daß die Zahlenwerte no und
mo davon beeinflußt werden. Hierzu ist erforderlich, daß der Speicherinhalt v eines
weiteren Zahlenspeichers vom veränderlichen Zahlenwert w dadurch geführt wird, daß
der Speicherinhalt v periodisch um einen vergleichsweise kleinen Zahlenwert #v =
1 -w korrigiert wird. Auf diese Weise strebt der Zahlenwert v dem Zahlenwert w zu.
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Die periodischen Korrekturen des Speicherinhalts n bleiben von dieser
Ausgestaltung unberührt. Die periodischen Korrekturen des Speicherinhalts m betragen
jedoch nunmehr #m = #n/v + @1l@ -m/w In einer anderen Ausgestaltung der beiden Grundformen
von Meßumformern wird der Zahlenwert w so geführt, daß die relativen statistischen
Schwankungen des das Ausgangssignal repräsentierenden Speicherinhalts m weitgehend
unabhängig von den Detektorsignalen sind. Hierzu wird der Speicherinhalt w periodisch
so korrigiert, daß
ist, wobei k ein vorgewählter positiver, das Ausmaß m der relativen statistischen
Schwankungen des Speicherinhalts m bestimmender Zahlenwert, ma der Absolutwert des
Speicherinhalts m, mindestens aber der vorgewählte positive Zahlenwert mb und s
der Speicherinhalt eines
weiteren Zahlenspeichers ist. Eine derartige
periodische Korrektur des Speicherinhalts w kann z.B. darin bestehen, daß der Speicherinhalt
w periodisch um einen vergleichsweise kleinen Zahlenwert
korrigiert und hin und wieder (z.B. auch periodisch) durch den Zahlenwert
ersetzt wird. Der Zahlenwert s wird periodisch um einen vergleichsweise kleinen
Zahlenwert
korrigiert. F5 ist eine zweite Linearkombination aus den Detektorsignalen und stellt
die entsprechend den Quadraten der genannten Gewichtsfaktoren gewichtete Summe der
im letzten Zeitzyklus aufgelaufenen Detektorimpulse dar. Zum Beispiel ist bei Meßumformern
mit nur einem Eingang für Detektorimpulse der Zahlenwert F5 gleich dem Zahlenwert
F1 der im letzten Zeitzyklus aufgelaufenen Detektorimpulse.
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Bei Meßumformern zur Verarbeitung der Differenz von an zwei Eingängen
anliegenden Detektorimpulsraten ist F5 die Summe der Anzahl der im letzten Zeitzyklus
aufgelaufenen Detektorimpulse beider Eingänge. Bei Meßumformern zur Verarbeitung
der gewichteten Differenz f1-f2/k der beiden Detektorimpulsraten f1 und f2 ist F5
die gewichtete Summe F1+F2/k² der #nzahl der im letzten Zeitzyklus aufgelzufenen
Delektorimpulse F1 und F2 der beiden Eingäge.
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Der Zahlenwert s wird von F5 so geführt, daß er dem Wert
Zuslrebt.
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Bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen betragen
die relativen statistischen Schwankungen des .
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Speicherinhalts m ungefähr
Wie bereits erwähnt, ist es vielfach erwünscht, wenn die Änderungsgeschwindigkeit
der Detektorsignale auf ein zur Volumendurchsatzrate des überwachten Mediums durch
das Meßfilter proportionales und/oder zur Volumendurchsatzrate des Mediums durch
den Kanal, in dem das Medium geführt wird, umgekehrt proportionales Signal f3 bezogen
ist.
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Hierzu wird, ausgehend von den vorstehend erläuterten Grundformen
der Speicherinhalt g eines weiteren Zahlenspeichers periodisch um einen vergleichsweise
kleinen Zahlenwert #g = f3 - g w korrigiert und strebt auf diese Weise dem Wert
f3 zu.
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Die periodischen Korrekturen des Speicherinhalts n bleiben von dieser
Ausgestaltung unberührt. Die periodischen Korrekturen des Speicherinhalts m betragen
nunmehr #m = #n/v.g - m/w (1. Grundform) bzw. v #n - m + c1 F (2. Grundform), v.g
w w wobei bei den Grundformen der Meßumformer v=w ist.
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Die periodischen Korrekturen der Zahlenwerte w, v und s bleiben unverändert
Der das Ausgangssignal repräsentierende Speicherinhalt m wird von den Änderungen
AF, von F und von ,f3 so geführt, daß er dem Zahlenwert mo = #F/f3 (1. Grundform)
bzw. no = #F/f3 + F .c1 (2. Grundform) zustrebt.
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Fig. 11 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der 1.
-
bzw. 2. Grundform eines Meßumformers bei Realisierung der Zahlenspeicher
als Zählstufen.
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Die über einen Eingang 401 des Meßumformers zugeführten Detektorimpulse
eines nicht gezeichneten Detektors werden einer Zählstufe 403 und einer Zählstufe
405 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt. Die über einen Eingang 407 des Meßumformers
geführten Impulse eines ebenfalls nicht gezeichneten Detektors werden der Zählstufe
403 und der Zählstufe 405 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Die Impulse eines Taktimpulsgenerators 409 werden über einen steuerbaren
Frequenzmultiplizierer 411 der Zählstufe 403 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
Außerdem werden die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators 409 über einen steuerbaren
Frequenzmultiplizierer 413 der Zählstufe 405 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Bei Meßumformern gemäß der 2. Grundform werden die Ausgangsimpulse
des Frequenzmultiplizierers 411 außerdem über einen gestrichelt gezeichneten Frequenzteiler
oder Frequenz-
multiplizierer 415 mit dem Impulsratenuntersetzungsverhältnis
kz der Zählstufe 405 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Der Frequenzmultiplizierer 411 wird vom Speicherinhalt n der Zählstufe
403 gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Taktimpulse um den Faktor
n/nmax.
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nmax ist der maximale Zahlenwert n, für den die Zählstufe 403 und
der Frequenzmultiplizierer 411 ausgelegt sind. Der Frequenzmultiplizierer 413 wird
vom Speicherinhalt m der Zählstufe 405 gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm
zugeführten Taktimpulse um den Faktor m/mmax mmax ist der maximale Zahlenwert m,
für den die Zählstufe 405 und ,der Frequenzmultiplizierer 413 ausgelegt sind. Bevorzugtermaßen
sind nmax und mmax gleich groß Der Speicherinhalt n der Zählstufe 403 wird von der
Differenz f1 - f2 aus der Detektorimpulsrate f1 am eingang 401 und der Detektorimpulsrate
f2 am Eingang 407 der Schaltungsanordnung so geführt, daß er dem Gleichgewichtswert
zustrebt, wobei fh die Impulsfrequenz des Taktgenerators 409 ist. Der Speicherinhalt
m der Zählstufe 405 wird von der Impulsratendifferenz f1-f2 und von der Änderungsgeschwindigkeit
d(f1-f2) dt der Impulsratendifferenz so geführt, daß er dem Gleichgewichtswert
(1. Grundform)
(2. Grundform) zustrebt.
-
Bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen betragen
die statistischen Schwankungen des Speicherinhalts n ungefähr
und des Speicherinhalts m ungefähr
Eine Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Fig. 11 im Hinblick auf die beschriebene
Relativierung der Änderungsgeschwindigkeit der Detektorsignale auf das ebenfalls
dem Meßumformer zugeführte Signal f3 ist in Fig. 12 dargestellt. Gleichwirkende
Teile sind hierbei mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Es wird insoweit auf die
Erläuterungen zu Fig. 11 Bezug genommen.
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Die Impulse des in Form einer Impulsrate vorliegenden Signals f3 werden
über einen Eingang 421 des Meßumformers einer Zählstufe 423 als Vorwärts-Zählimpulse
zugeführt.
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Die Impulse des Taktgenerators 409 werden über einen steuerbaren Frequenzmultiplizierer
425 der Zählstufe 423 als Rückwärts-Zählimpulse und einer Zählstufe 427 als Vorwärts-Zählimpulse
zugeführt. Außerdem werden die Taktimpulse des Taktgenerators 409 über einen steuerbaren
Frequenzmultiplizierer 429 der Zählstufe 427 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Die Ausgangsimpulse des Frequenzmultiplizierers 413 werden über einen
steuerbaren Frequenzteiler 431 einer Frequenzmeßschaltung 433 zugeführt. Die von
der Frequenzmeßschaltung 433 ermittelte Häufigkeit der ihr zugeführten Impulse stellt
das die Konzentration der radioaktiven Stoffe im Medium bzw. den Aktivitätsfluß
repräsentierende Ausgangssiqnal des Meßumformers dar.
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Der Frequenzmultiplizierer 425 wird vom Speicherinhait g der Zählstufe
423 gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Taktimpulse um den Faktor
g/gmax ymax ist der maximale Zahlenwert g, für den die Zählstufe 423 und der Frequenzmultiplizierer
425 ausgelegt sind. Der Frequenzmultiplizierer 429 wird vom Speicherinhalt h der
Zählstufe 427 gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihm zugeführten Taktimpulse
um den Faktor h/hmax hmax ist der maximale Zahlenwert h, für den die Zählstufe 427
und der Frequenzmultiplizierer 429 ausgelegt sind.
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Bevorzugtermaßen sind nmax, mmax' gmax und hmax gleich groß. Der Frequenzteiler
431 wird ebenfalls vom Speicherinhalt h der Zählstufe 427 gesteuert und erniedrigt
die Häufigkeit der ihm zugeführten Impulse auf den h-ten Teil.
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In der Ausgestaltung nach Fig. 12 ist der Baustein 415 aus Fig. 11
ein vom Speicherinhalt g der Zählstufe 423 gesteuerter gestrichelt gezeichneter
Frequenzmultiplizierer 435. Der Frequenzmultiplizierer 435 ändert die Häufigkeit
der ihm zugeführten Impulse um einen zum Speicherinhalt g proportionalen Faktor.
-
Fig. 13 zeigt Einzelheiten des Meßumformers nach Fig.
-
11. Gleichwirkende Teile sind hierbei mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet,
so daß insoweit auf die Erläuterungen zu Fig. 11 Bezug genommen wird. Anhand der
Fig.
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13 soll jedoch gezeigt werden, wie technische Probleme, die bei Verwendung
von Zählstufen bei erfindungsgemäßen Meßumforemern auftreten können, gelöst werden
können.
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Bei den Ausgestaltungen der Meßumformer mit Zählstufen als Zahlenspeicher
können Probleme hinsichtlich unerwünschter Zählimpulskonzidenzen, hinsichtlich der
vorzeichenrichtigen Speicherung der Zahlenwerte, hinsichtlich Speicherüberläufen
und, bei Verwendung handelsüblicher Impulisfrequenzmultiplizierer, aufgrund der
für diese Bausteine spezifischen Unregelmäßigkeiten der zeitlichen Abstände ihrer
Ausgangsimpulse bestehen.
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Bei dem im Blockschaltbildnach Fig. 13 dargestellten Meßumformer werden,
wie auch bei allen anderen zuvor beschriebenen oder noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen
den Zählstufen Zählimpulse über mehr als einen Impulspfad zugeführt. Dabei können
Impulskoinzidenzen
entstehen, bei denen der zeitliche Abstand der
Impulse verschiedener Impulspfade nicht ohne weiteres ausreichend groß ist, um von
der Zählstufe korrekt übernommen werden zu können.
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Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, daß die Zählimpulse eines
Impulspfades nicht direkt dem Zähleingang der Zählstufe, sondern dem Takteingang
eines am Ende eines Impulspfades vorgesehenen Flip-Flops (Impuls-Speicher-Flip-Flop)
zugeführt werden. Bei Auftreten eines Zählimpulses wird das Impuls-Speicher-Flip-Flop
auf den durch den vorbestimmten logischen Pegel am D-Vorbereitungseingang des Impuls-Speicher-Flip-Flops
vorbestimmten Zustand Z1 gesetzt, wodurch das Auftreten eines Zählimpulses zwischengespeichert
wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 weist für die beiden Zählstufen
403 und 405 fünf derartige Impulspfade auf. Der logische Pegel Z1 an den D-Vorbereitungseingängen
aller fünf Impuls-Speicher-Flip-Flops 441, 443, 445, 447 und 449 ist der Pegel Null.
Ein über den Eingang 401 dem Meßumformer zugeführter Detektorimpuls wird im Impuls-Speicher-Flip-Flop
441, ein über den Eingang 407 dem Meßumformer zugeführter Detektorimpuls wird im
Impuls-Speicher-Flip-Flop 443, ein am Ausgang eines Frequenzteilers 451 erscheinender
Impuls wird im Impuls-Speicher-Flip-Flop 445, ein am Ausgang des Frequenzteilers
415 erscheinender Impuls wird im Impuls-Speicher-Flip-Flop 447 und ein am Ausgang
eines Frequenzteilers 453 erscheinender Impuls wird im Impuls-Speicher-Flip-Flop
449 gespeichert.
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Die Zustände von weiteren Flip-Flops (übergabe-Flip-Flops) befinden
sich bei Pegel Null des Taktsignals eines Taktgenerators in einem vorbestimmten
Zustand. Dies wird dadurch erreicht, daß das Ausgangssignal einer NOR-Ver-
knüpfung
des Taktsignals und des Zustandes eines übergabe-Flip-Flops dem übergabe-Flip-Flop
rückgeführt wird.
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Die Taktimpulse werden außerdem den Takteingängen der übergabe-Flip-Flops
zugeführt. Nach einem übergang des Taktsignals von Pegel Null auf Pegel Eins sind
daher die Zustände der Ubergabe-Flip-Flops vom logischen Pegel an ihren D-Vorbereitungseingängen
bei übergang des Taktsignals von Pegel Null auf Pegel Eins abhängig.
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Der logische Pegel an den D-Vorbereitungseingängen der Übergabe-Flip-Flops
hängt von den Zuständen der Impuls-Speicher-Flip-Flops ab, wobei diese logische
Abhängigkeit so ausgeführt wird, daß bei jedem übergang des Taktsignals von Pegel
Null auf Pegel Eins höchstens ein übergabe-Flip-Flop seinen Zustand ändert. Die
Zustände der übergabe-Flip-Flops werden einer Zählstufe als Zählimpulse zugeführt,
wobei der im zugehörigen Speicher-Flip-Flop gespeicherte Impuls gelöscht wird.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 befindet sich ein Übergabe-Flip-Flop
455 aufgrund der Signalführung über ein NOR-Gatter 457 bei Pegel Null des Taktsignals
(Taktpause) des Taktgenerators 409 im gesetzten Zustand.
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Während dieser Taktpause befindet sich ein Übergabe-Flip-Flop 459
aufgrund der Signalführung über ein NOR-Gatter 461 ebenfalls im gesetzten Zustand.
Ein Übergabe-Flip-Flop 463 befindet sich während der Taktpausen aufgrund der Signalführung
über ein NOR-Gatter 465 im rückgesetzten Zustand. Ein Übergabe-Flip-Flop 467 befindet
sich während der Taktpausen aufgrund der Signalführung über ein NOR-Gatter 469 im
gesetzten Zustand, ebenso wie ein Übergabe-Fip-Flop 471 aufgrund der Signalführung
über ein NOR-Gatter 473.
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Den Zählstufen 403 und 405 wird bei Auftreten eines Taktimpulses am
Ausgang des Taktgenerators 409 über das übergabe-Flip-Flop 445, ein Gatter 475 und
ein Gatter 477 bzw.
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479, jeweils ein Zählimpuls zugeführt, wenn zuvor im Impuls-Speicher-Flip-Flop
441 ein Impuls gespeichert worden ist. Ein derartiger Zählimpuls führt das Impuls-Speicher-Flip-Flop
441 in den gesetzten Zustand zurück und löscht auf diese Weise den dort gespeicherten
Impuls, so daß das Impuls-Speicher-Flip-Flop 441 danach wieder zur Aufnahme eines
weiteren über den Eingang 401 dem Meßumformer zuführbaren Detektorimpulses bereit
ist.
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Ober das Übergabe-Flip-Flop 459 und ebenfalls über das Gatter 475
und das Gatter 477 bzw. 479 wird bei Auftreten eines Taktimpulses am Ausgang des
Taktgenerators 409 den Zählstufen 403 und 405 jeweils ein Zählimpuls zugeführt,
wenn zuvor im Impuls-Speicher-Flip-Flop 443 ein Impuls und im Impuls-Speicher-Flip-Flop
441 kein Impuls gespeichert worden ist (Gatter 481). Ein derartiger Zählimpuls führt
das Impuls-Speicher-Flip-Flop 443 in den gesetzten Zustand zurück und löscht auf
diese Weise den dort gespeicherten Impuls, so daß das Impuls-Speicher-Flip-Flop
443 danach wieder zur Aufnahme eines weiteren über den Eingang 407 dem Meßumformer
zuführbaren Detektorimpulses bereit ist.
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über das übergabe-Flip-Flop 463 und das Gatter 477 wird bei Auftreten
eines Taktimpulses am Ausgang des Taktgenerators 409 der Zählstufe 403 ein Zählimpuls
zugeführt, wenn zuvor im Impuls-Speicher-Flip-Flop 445 ein Impuls und in den Impuls-Speicher-Flip-Flops
441 und 443 kein Impuls gespeichert worden ist (Gatter 481, 483 und 485).
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Ein derartiger Zählimpuls führt das Impuls-Speicher-Flip-Flop 445
in den gesetzten Zustand zurück und löscht auf diese Weise den dort gespeicherten
Impuls, so daß das Impuls-Speicher-Flip-Flop 445 danach wieder zur Aufnahme eines
weiteren Ausgangsimpulses des Frequenzteilers 451 bereit ist. Dabei wird auch ein
im Impuls-Speicher-Flip-Flop 447 eventuell gespeicherter Impuls gelöscht (Gatter
487),
so daß das Speicher-Flip-Flop 44-7 danach wieder zur Aufnahme eines weiteren Ausgangsimpulses
des Frequenzteilers 415 bereit ist.
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über das Übergabe-Flip-Flop 467, ein Gatter 489 und das Gatter 479
wird bei Auftreten eines Taktimpulses am Ausgang des Taktgenerators der Zählstufe
405 ein Zählimpuls zugeführt, wenn im Impuls-Speicher-Flip-Flop 445 ein Impuls und
in den Impuls-Speicher-Flip-Flops 441, 443 und 447 kein Impuls gespeichert ist (Gatter
481, 483, 485 und 491). Ein im Impuls-Speicher-Flip-Flop 447 gespeicherter Impuls
verhindert somit die übertragung eines im Impuls-Speicher-Flip-Flop 445 gespeicherten
Impulses an die Zählstufe 405. Auf diese Weise werden am Ausgang der Frequenzteiler
451 und 415 erscheinende der Zählstufe 405 mit einander entgegengesetzter Zählrichtung
zuzuführende Zählimpulspaare gelöscht ohne der Zählstufe zugeführt zu werden.
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über das Üergabe-Flip-Flop 471 und ebenfalls über die Gatter 489 und
479 wird bei Auftreten eines Taktimpulses am Ausgang des Taktgenerators 409 der
Zählstufe 405 ein Zählimpuls zugeführt, wenn zuvor im Impuls-Speicher-Flip-Flop
449 ein Impuls und in den Impuls-Speicher-Flip-Flops 441, 443 und 445 kein Impuls
gespeichert worden ist (Gatter 481, 483, 485, 493 und 495). Ein derartiger Zählimpuls
führt das Impuls-Speicher-Flip-Flop 449 in den gesetzten Zustand zurück und löscht
auf diese Weise den dort gespeicherten Impuls, so daß das Impuls-Speicher-Flip-Flop
449 danach wieder zur Aufnahme eines weiteren Ausgangsimpulses des Frequenzteilers
453 bereit ist.
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Im folgenden wird ebenfalls unter Bezugnahme auf das in Fig. 13 dargestellte
Blockschaltbild die vorzeichenrichtige Speicherung von Zahlenwerten in Zählstufen
erläutert.
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Der Absolutbetrag eines Zahlenwertes wird in einer Vorwärts-Rückwärts-Zählstufe
und das Vorzeichen des Zahlenwertes in einem der Zählstufe zugeordneten Flip-Flop
(Vorzeichen-Flip-Flop) gespeichert, wobei das im Vorzeichen-Flip-Flop gespeicherte
Vorzeichen des Zahlenwertes bei Speicherinhalt Null und Anstehen eines Rückwärts-Zählvorganges
invertiert wird, so daß der anstehende Zählvorgang in einen Vorwärts-Zählvorgang
umgewandelt wird.
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Das Blockschaltbild der Fig. 13 enthält ein Ausführungsbeispiel einer
derartigen Schaltungsanordnung. Der Absolutbetrag des Zahlenwertes m wird in der
Vorwärts-Rückwärts-Zählstufe 405 und das Vorzeichen des Zahlenwertes m in einem
Vorzeichen-Flip-Flop 497 gespeichert.
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Das an einem Zählrichtungs-Vorbereitungseingang 499 der Zählstufe
405 anstehende Signal für die Zählrichtung des nächsten Zählvorganges wird durch
eine exklusive ODER-Verknüpfung 501 der Zustände des Vorzeichen Flip-Flops 497 und
eines weiteren Flip-Flops 503 (Richtungs-Flip-Flop), in dem die Änderungsrichtung
des vorzeichenrichtigen Zahlenwerts m durch den nächsten Zählvorgang gespeichert
ist, gebildet.
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Bei Zählimpulsen, die über das Übergabe-Flip-Flop 455 geführt werden,
ist diese Änderungsrichtung positiv (Richtungs-Flip-Flop 503 wird rückgesetzt).
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Bei Zählimpulsen, die über das Übergabe-Fli--Flop 459, 463 oder 467
geführt werden, ist diese Änderungsrichtung negativ. (Richtungs-Flip-Flop 455 wird
über ein Gatter 507 gesetzt). Die Änderungsrichtung des vorzeichenrichtigen Zahlenwertes
m bei Anstehen von über den vom Absolutbetrag
des gespeicherten
Zahlenwertes m angesteuerten Frequenzmultiplizierers 413 geführten Zählimpulsen
muß vom Zustand des Vorzeichen-Flip-Flops 497 abhängig sein. Diese Abhängigkeit
wird dadurch erreicht, daß derartige Zählimpulse auch dem Takteingang des Richtungs-Flip-Flops
503 zugeführt werden, dessen D-Vorbereitungseingang vom Zustand des Vor-zeichen-Flip-Flops497
abhängt. Der Zustand des Vorzeichen-Flip-Flops 497 wird über ein Gatter 508, wenn
der Zählerinhalt der Zählstufe 405 Null ist und die Rückwärts-Zählrichtung vorgewählt
ist, geändert.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf das in Fig. 13 dargestellte
Blockschaltbild die Sperrung von Zählstufen gegen überlaufen erläutert.
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Zählstufen werden zweckmäßigerweise nur so groß ausgelegt, daß der
maximal betrieblich benötigte Zählinhalt, gerade noch gespeichert werden kann. Die
beschränkte Auslegung der Größe der Zählstufen hat jedoch den Nachteil, daß bei
Erreichen des maximalen Zählerstandes ein überlauf des Zählerstandes entstehen kann,
durch den der gespeicherte Zahlenwert auf Null zurückfallen kann.
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Ein ähnlicher Nachteil entsteht bei Vorwärts-Rückwärts-Zählstufen,
bei denen nicht, wie soeben erläutert auch die Speicherung negativer Zahlenwerte
möglich ist: Tritt hier bei Zählerstand Null ein Rückwärts-Zählimpuls auf, so kann
ebenfalls ein über lauf des gespeicherten Zahlenwertes entstehen, bei dem der Zählinhalt
auf den maximal auslegungsmäßig möglichen Zahlenwert springt.
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Abhilfe gegen derartige unerwünschte Fehlfunktionen der Zählstufen
schaffen Zusatzschaltungen, die bei Vorliegen des maximalen Zählerstandes weitere
Vorwärts-Zählvorgänge und bei Vorliegen des Zählerstandes Null weitere Rückwärts-Zählvorgänge
unterbinden
Bei handelsüblichen synchronen Zählstufen lassen sich
derartige als "Anschläge" wirkende Zusatzschaltungen auf konstruktiv einfache Weise
realisieren. Derartige synchrone Zählstufen werden kaskadenförmig aus Zählerbausteinen
für jeweils eine Dekade oder eine Hexadekade zusammengesetzt. Die Kaskadierung wird
durch Verbindungen des Carry-Out-Signal-Ausgangs eines Bausteins X mit dem Stellenwert
x mit dem Carry-In-Signal-Eingang des Bausteins Y mit dem Stellenwert x+1 bei allen
Zwischen-Baustein-Carry-In-Carry-Out-Paaren erreicht. Der logische Pegel des Carry-Out-Signals
eines Bausteins zeigt an, ob in diesem Baustein beim nächsten Zählvorgang ein Speicherüberlauf
stattfindet und gibt in diesem Fall über den Carry-In-Eingang des nächst höherwertigen
Bausteins auch den nächst höherwertigen Baustein für den nächsten Zählvorgang frei.
Bei einer derartigen Kaskadenschaltung wird der Carry-Out-Signal-Ausgang des Bausteins
mit dem höchstwertigen Stellenwert und der Carry-In-Signaleingang des Bausteins
mit dem niedrigstwertigen Stellenwert im allgemeinen nicht verwendet.
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Die Zusatzschaltung zur Bewirkung der Zähleranschläge besteht nun
aus einer invertierten Verbindung des Carry-Out-Singalausgangs des höchstwertigen
Bausteines mit dem Carry-In-Signal-Eingang des niedrigstwertigen Bausteines.
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Bei den Zählstufen 403 und 405 im Blockschaltbild von Fig. 13 handelt
es sich dabei um die Verbindungen über Inverter 509 und 511.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf das in Fig. 13 dargestellte
Blockschaltbild ein Verfahren zur Reduzierung des unerwünschten Einflusses von Unregelmäßigkeiten
der zeitlichen Abstände von Ausgangs impulsen handelsüblicher steuerbarer Frequenzmultiplizierer
in er-
findungsgemäßen Meßumformern auf das Ausgangssignal der
Meßumformer erläutert Handelsübliche Frequenzmultiplizierer ändern die Häufigkeit
der ihnen zugeführten Impulse um den Faktor wobei n der Zahlenwert ist, mit dem
Frequenzmultiplizierer angesteuert wird und nmax der maximale Zahlenwert n ist mit
dem der Frequenzmultiplizierer auslegungsmäßig angesteuert werden kann. Die Ausgangsimpulse
eines derartigen Frequenzmultiplizierers sind zeitlich synchron mit den ihm zugeführten
Eingangsimpulsen. Die Multiplikation mit dem Zahlenwert n äußert sich darin, daß
von nmax dem Frequenzmultiplizierer zugeführten Eingangsimpulsen nur n Impulse am
Ausgang des Frequenzmultiplizierers erscheinen. Der zeitliche Abstand der Ausgangsimpulse.schwankt
im allgemeinen auch bei zeitlich konstantem Zahlenwert n um einen oder mehrere Zeitabstände
der Eingangsimpulse. Werden Ausgangsimpulse derartiger Frequenzmultiplizierer Zählstufen
direkt als Zählimpulse zugeführt, so entstehen zusätzliche Schwankungen des Zählinhalts
der Zählstufen.
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Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, daß die Ausgangsimpulse von
Frequenzmultiplizierern über Frequenzteiler den Zählstufen zugeführt werden. Die
zeitlichen Abstände der Ausgangsimpulse der nachgeschalteten Frequenzteiler sind
gleichmäßiger als die zeitlichen Abstände der ihnen zugeführten Impulse.
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Aus diesem Grunde sind im Blockschaltbild nach Fig. 12 den steuerbaren
Frequenzmultiplizierern 411 und 413 die Frequenzteiler 451 bzw. 453 nachgeschaltet.
Die Häufigkeit der den Frequenzmultiplizierern 411 und 413 zugeführten Impulse des
Taktgenerators 409 wird nach Maßgabe des gewählten Teilerfaktors der Frequenzteiler
451 bzw. 453 entsprechend hoch gewählt.
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Die anhand Fig. 13 beschriebenen Ausgestaltungen erfindungsgemäßer
Meßumformer mit Zählstufen als Zahlenspeicher hinsichtlich der Verhinderung unerwünschter
Zählimpulskoinzidenzen, hinsichtlich der Selbstlöschung von Paaren von Zählimpulsen
entgegengesetzter Zählrichtung, hinsichtlich der vorzeichenrichtigen Speicherung
von Zahlenwerten, hinsichtlich der Verhinderung von Speicherüberläufen und hinsichtlich
der Minderung des Einflusses der Unregelmäßigkeiten der zeitlichen Abstände der
Ausgangsimpulse von Frequenzmultiplizierern auf die Ausgangssignale der Meßumformer
lassen sich bei sämtlichen anderen beschriebenen und noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen
erfindungsgemäßer Meßumformer mit Zählstufen als Zahlenspeicher einsetzen.
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Im folgenden wird ein für Kontaminationsmessungen geeigneter Meßumformer
beschrieben. Ein derartiger Meßumformer umfaßt drei Hauptbestandteile, nämlich einen
"Signalradizierer", einen "lernenden" Signalgeber und eine Gruppe von Signalintegratoren.
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Der "Signalradizierer" bildet einen zur Quadratwurzel aus dem Zeitintegral
eines dem Meßumformer zugeführten Detektorsignals proportionalen Zahlenwert n, wobei
die Integrationszeit mit dem Beginn einer Kontaminationsmessung beginnt. Der vom
Signalradizierer gebildete Zahlenwert n ist ein Maß für die statistische Unsicherheit
des Zeitintegrals des Detektorsignals im Vergleich mit dem Produkt aus einem über
eine lange Kontaminationsmeßzeit gemittelten Detektorsignal und der Integrationszeit.
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Mit dem "lernenden" Signalgeber wird während der Zeitpausen zwischen
den einzelnen Kontaminationsmessungen das stochastische Detektorsignal in ein kontinuierliches,
der Größe des Detektorsignals proportionales geglättetes umgeformt. Vor Beginn einer
Kontaminationsmessung wird der das geglättete kontinuierliche Detektorsignal repräsenticrende
Speicherinhalt u eines Zahlenspeichers gege
weitere Änderungen
und somit gegen weitere Lernprozesse durch das nachfolgende Detektorsignal gesperrt.
Der Speicherinhalt u ist daher proportional zum von der Hintergrundstrahlung herrührenden
Nulleffektanteil des Detektorsignals und erzeugt während einer Kontaminationsmessung
ein Signal, dessen Größe diesem Nulleffektanteil gleich ist. Ein derartiger "lernender"
Signalgeber erübrigt den üblicherweise zur Eliminierung des Einflusses der Hintergrundstrahlung
benutzten zusätzlichen Detektor.
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Nach Beendigung einer Kontaminationsmessung kann die Sperre des Speicherinhalts
u gegen Änderungen aufgehoben werden und auf diese Weise der Lernvorgang für die
Größe des aktuellen Nulleffektanteils am Detektorsignal fortgesetzt werden, wobei
vor Beginn der nächsten Kontaminationsmessung die Sperre jedoch erneut vollzogen
wird.
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Der "lernende" Signalgeber ist eine Ausgestaltung eines Meßumformers
zur Glättung eines Detektorsignals, bei welchem die aufgrund der stochastischen
Eigenschaften des Detektorsignals statistischen Schwankungen des Speicherinhalts
des Zahlenspeichers unabhängig von der Größe des Detektorsignals sind.
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In Signalintegratoren wird ab Beginn einer Kontaminationsmessung das
Zeitintegral des Detektorsignals zuzüglich bzw. abzüglich der vom Signalradizierer
ermittelten statistischen Unsicherheit dieses Zeitintegrals im Vergleich zum Zeitprodukt
des über eine lange Kontaminationsmeßzeit gemittelten Detektorsignals und abzüglich
des Zeitintegrals des vom gegen weiteres Lernen gesperrten "lernenden" Signalgebers
gebildet und mit der seit Beginn der Kontaminationsmessung verstrichenen Zeit verglichen.
Auf diese Weise kann eine obere bzw. eine untere statistische Abschätzung des Ausmaßes
der Kontamination und/oder frühzeitig eine statistisch gesicherte Entscheidung,
ob eine Kontamination vorliegt oder nicht gewonnen werden.
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Bei einer Realisieruny eines für ein Kontaminationsmeßgerät geeigneten
erfindungsgemäßen Meßumformers in der Ausführungsform mit zyklischer Ablaufsteuerung
wird der Speicherinhalt u des "lernenden" Signalgebers bei aufgehobener Sperre des
Lernvorganges periodisch um einen vergleichsweise kleinen Zahlenwert #u = F1/u -
Q korrigiert. Bei bestimmungsgemäßer Justierung und Nutzung des Meßumformers istder
Speicherinhalt u sehr viel größer als der vorgewählte konstante positive Zahlenwert
Q. Um in allen Fällen eine sinnvolle Funktion des Meßgerätes sicherzustellen, wird
für den Fall, daß der Speicherinhalt u klein ner als Q ist, obige Korrektur des
Speicherinhalts u nicht ausgeführt, sondern es wird der Speicherinhalt u mit dem
Zahlenwert F1 uo = besetzt. Der Speicherinhalt u wird aufgrund der beschriebenen
Änderungen von der Anzahl F1 der pro Zeitzyklus auflaufenden Detektorimpulse so
geführt, daß er dem Zahlenwert uo zustrebt.
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Die statistische Unsicherheit des erlernten Speicherinhalts u beträgt
bei statistisch voneinander unabhängigen Detektorimpulsen unqefähr
Dies bedeutet, daß erwünschtermaßen die Einschränkung der Genauigkeit der Kontaminationsmessungen
durch die statistische Unsicherheit der Nulleffektsmessung unabhängig vom Nulleffektanteil
des Detektorsignals ist: Die statistische Unsicherheit der ermittelten mittleren
Anzahl F1 der pro Zeitzyklus auflaufenden ausschließlich dem Nulleffekt und
und
nicht auch der Kontamination der zu untersuchenden Probe zuzuordnenden Detektorimpulse
beträgt ungefähr
Zu Beginn einer Kontaminationsmessung wird der Speicherinhalt n des "Signalradizierers"
und die Speicherinhalte x, y und z von Speichern aus der Gruppe von Signalintegratoren
auf vorbestimmte Zahlenwerte, insbesondere Null oder Eins, zurückgesetzt.
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Außerhalb der Meßzeiten für die Kontaminationsmessungen werden die
Speicherinhalte x, y und z vorzugsweise gegen Änderungen gesperrt, so daß die in
ihnen enthaltenen Meßwerte der vorangegangenen Kontaminationsmessung bis zum Beginn
der nächsten Kontaminationsmessung unverändert gespeichert bleiben.
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Während einer Kontaimationsmessung wird der Speicherinhalt n periodisch
wiederkehrend um einen Zahlenwert
der Speicherinhalt x um einen Zahlenwert
der Speicherinhalt y um einen Zahlenwert
und der Speicherinhalt z um einen vorgewählten konstanten Zahlenwert
Az geändert. Der Speicherinhalt n stellt den Zahlenwert
dar, wobei fn die Anzchl der seit Beginn der Kontaminationsmessung aufgelaufenen
Detektorimpulse ist. Der Speicherinhalt x stellt eine obere statistische Abschätzung
der in einem Zeitintervall der durch den Speicherinhalt z repräsentierten Länge
der abgelaufenen Kontaminationsmeßzeit aufzulaufenden, ausschließlich der Kontamination
der vorliegenden Probe und nicht auch der Hintergrundstrahlung zuzuordnenden Anzahl
von Detektorimpulsen dar. Der Speicherinhalt y stellt die zugehörige untere Abschätzung
dar.
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Der vorwählbare konstante positive Zahlenwert k bestimmt n die statistische
Zuverlässigkeit der Abschätzungen x und y: Die Abschätzungen x und y repräsentieren
die Anzahl der seit Beginn der Nontaminationsmessung aufgelaufenen ausschließlich
der Kontamination der Probe und nicht auch der Hintergundstrahlung zozuordnenden
Anzehl von Detektorimpulsen zuzüglich (x) bzw, abzüglich (y) dem
-fachen der statistischen Unsicherheit der Anzahl der in Zeitintervallen der durch
den Speicherinhalt z repräsentierten Dauer der Kontaminationsmeßzeit aufgelaufenen
Detektorimpulse und zuzüglich (x) bzw. abzüglich (y) dem
-fachen der statistischen Unsicherheit des ermittelten der Hintergundstrahlung zuzuordnenden
Anteils der Detektorimpulsrate multipliziert mit der seit Beginn der Kontaminationsmessung
aufgelaufenen Zeit.
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Die Quotienten x/z bzw. y/z stellen die obere bzw. untere statistische
Abschätzung der vorliegenden Kontamination dar. Diese Quotienten werden bevorzugt
in linearem oder
in logarithmischem Maßstab Signalausgängen des
Meßumformers zugeführt.
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Eine Realisierung des erfindungsgemäßen Kontaminationsmeßgeräts in
einer Ausführungsform mit als Zählstufen ausgebildeten Zahlenspeichern zeigt das
in Fig. 14 dargestellte Blockschaltbild.
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Zum "Signalradizierer" gehören eine Zählstufe 551, ein vom Inhalt
n der Zählstufe 551 angesteuerter steuerbarer Frequenzteiler 553 und ein Frequenzteiler
555 mit festem Teilerverhältnis kn Der Frequenzteiler 553 erniedrigt aufgrund seiner
Ansteuerung durch den Speicherinhalt n der Zählstufe 551 die Häufigkeit der ihm
zugeführten Detektorimpulse auf den n-ten Teil. Die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers
553 werden über den Frequenzteiler 555 der Zählstufe 551 als Zählimpulse zugeführt.
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Zum "lernenden" Signalgeber gehört ein Taktgenerator 557, eine Zählstufe
559, ein steuerbarer Frequenzteiler 561, ein steuerbarer Frequenzmultiplizierer
563 und ein Frequenzteiler 565. Der Frequenzteiler 561 wird vom Speicherinhalt u
der Zählstufe 559 gesteuert und erniedrigt die Häufigkeit der ihm über einen Eingang
567 zugeführten Impulse eines nicht gezeichneten Detektors auf den u-ten Teil. Die
Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 561 werden der Zählstufe 559 als Vorwärts-Zählimpulse
zugeführt. Der Frequenzmultiplizierer 563 wird ebenfalls vom Speicherinhalt u der
Zählstufe 559 gesteuert und ändert die Häufigkeit der ihr zugeführten Impulse des
Taktimpulsgenerators 557 um den Faktor u/uma wobei umax der maximale Zahlenwert
u ist, für den die Zählstufe 559, und die Ansteuerungen des Frequenzteilers 561
und des Frequenzmultiplizierers 563 ausgelegt sind. Die Impulse des Taktimpulsgenerators
557 werden außerdem über den Frequenzteiler 565 mit
dem festen
Teilerverhältnis umax der Zählstufe 559 als Rückwärts-Zählimpulse zugeführt. Die
Zählstufe 559 und die Frequenzteiler 561 und 565 sind durch ein binäres Signal am
Eingang 569 des Meßumformers gegen Änderungen ihres Inhalts außerhalb der Lernphasen
sperrbar.
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Als Signalintegratoren dienen Zählstufen 571 und 573.
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Die über den Eingang 567 des Meßumformers geführten Detektorimpulse
werden der Zählstufe 571 als Vorwärts-Zählimpulse und der Zählstufe 573 als Rückwärts-Zählimpulse
zugeführt. Die Ausgangsimpulse des zum "Signalradizierer" gehörenden Frequenzteilers
553 werden der Zählstufe 571 und der Zählstufe 573 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt.
Die Ausgangsimpulse des zum "lernenden" Signalgenerator gehörenden Frequenzmultiplizierers
563 und die über einen Frequenzteiler 575 mit dem festen vorwählbaren Teilerverhältnis
k geführten Impulse des u Taktgenerators 557 werden der Zählstufe 571 als Rückwärts-Zählimpulse
und der Zählstufe 573 als Vorwärts-Zählimpulse zugeführt.
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Die Zählstufen 571 und 573 sind gegen überläufe der Speicherinhalte
nicht gesperrt. In einem der Zählstufe 571 nachgeschalteten Flip-Flop 577 wird die
Richtung des letzten überlaufes des Speicherinhalts x der Zählstufe 571 (überlauf
von maximalem Speicherinhalt x max auf Speicherinhalt Null oder Rückwärts-überlauf
von Speicherinhalt Null auf maximalen Speicherinhalt xmax) gespeichert. In einem
der Zählstufe 573 nachgeschalteten Flip-Flop 579 wird die Richtung des letzten überlaufes
des Speicherinhalts y der Zählstufe 573 gespeichert. Die Zustände der Flip-Flops
577 und 579 geben an, ob der durch das vorgewählte Teilerverhältnis ku des Frequenzteilers
575 vorgewählte Kontaminationsgrenzwert mit der durch das vorgewählte Teilerverhältnis
k des Fren quenzteilers 555 vorgewählten statistischen Sicherheit
überschritten
ist oder nicht: Nach einem Rückwärts-Überlauf des Speicherinhalts x der Zählstufe
571 erscheint am darstellenden Ausgang 581 des Flip-Flops 577 die binäre Meldung
"Probe nicht kontaminiert". Nach einem Rückwärts-überlauf des Speicherinhalts y
der Zählstufe 573 erscheint am Ausgang 583 des Flip-Flops 579 die binäre Meldung
"Probe kontaminiert".
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Die Inhalte der Zählstufen 571, 573 und 551 sind durch ein zu Beginn
einer Kontaminationsmessung dem Meßumformer über einen Eingang 585 zuführbares Signal
auf einen vorbestimmten Zahlenwert, insbesondere Null oder Eins rücksetzbar. Gleichzeitig
werden durch dieses binäre Eingangssignal die Zustände der Flip-Flops 577 und 579
auf "Vorwärts-Überlauf" gesetzt.
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L e e r s e i t e