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Elektrisches Dickenmeßgerät und Verfahren zum Ausgleich von Veränderungen
der radioaktiven Strahler des Geräts
Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zum Messen
oder Prüfen der Dicke eines. Materials, die darauf beruhen, dafl sie jede Änderung
der Betastrablenabsorption des zu prüfenden Materials anzeigen. Ein, derartiges
Gerät weist ein radioaktives Isotop, das die Betastrahlen aus sendet, sowie eine
Ionisationskammer auf, deren Ausgangsstromkreis einen Verstärker für einen. Nutzstrom
enthält, der eine Meßablesung ermöglicht ode.r einen Strom oder eine, Spannung liefert,
die zum Ausgleich geringelr Dicken abweichungen benutzt werden.
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Es gibt zwei bekannte Schaltungen für den Anschluß der Ionisationskammer
eines Gerätes, das zum Messen der Absorption eines darin. befindlichen Materials
dient, an einen Nutzstromkreis.
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(Der Nutzstromkreis weist einen Verstärker auf und kann ein Meßstromkreis
und/oder ein Stromkreis zur Betätigung eines Servogetriebes sein.) Die eine Schaltung
weist ein Gerät mit einer einzigen radioaktiven. B etastraal en.quelle und Ionisationskammer
in einem Stromkreis auf, in dem die Ausgangsspannung der Ionisationskammer einer
angelegten stationaren Spannung entgegen gesetzt gerichtet ist, so daß ein vorbestimmter
Ausschlag, gewöhnlich die Nullstellung, durch den Nutzstrom hervorgerufen wird,
wenn sich ein bestimmte absorbieren der Körper (Ab60,rber) in der Vorrichtung befindet.
Bei der anderen Schaltung wird ein zweites Gerät mit einer radioaktiven Betastrahlenquelle
und Ionisationskammer als Standardgerät verwendet und so angeschlossen, daß bei
gleicher Absorption beider Vorrichtungen die Ausgangsspannungen, beider Ionisationskammern
entgegengesetzt gerichtet sind, sich aus-
gleichen und auf diese
Weise die Nullstellung für den Nutzstrom ergeben.
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Im folgenden wird die Schaltung geschildert, mit der zwei Spannungen
an eine Brückenschaltung, die keine echte zu sein braucht, angelegt werden, wobei
diese beiden Spannungen in dem einen Fall von der Ionisationskammer und der angeschlossenen
Glelichstromquelle und im anderen Fall von den beiden Ionisationskammerngeliefeft
werden.
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Bei den mit ra,dioaktiven Substanzen arbeitenden Geräten zerfällt
die radioaktive Strahlenquelle und wird unrein, so daß die Leistung der lonisationskammer,
da andere Faktoren konstant bleiben, mit der Zeit sinkt. Es hat sich herausgestellt,
daß Einrichtungen zm.n Abgleichen der Ströme der Brückenschaltun,g vorges ehen werden
müssen, damit die Anzeige richtig bleibt. Durch diese beiden Veränderungen wird
die Leistung der Brücke vermindert. Sie muß daher ausgeglichen werden, damit der
Anzeigestrom so stark bleibt, daß eine richtige Anzeige in dem Meßinstrument und/oder
der Steuervorrichtung erfolgt.
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Die Erfindung ist auf eine Vorrichtung zur selbsttätigen Durchführung
dieses Ausgleiches gerichtet.
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Es wurde gefunden, daß die Kurve, die man bei Verwedldung eines logarithmischen,
Maßstabes durch Auftragen des Ausgangs stromes der Ionisationskammer (und auch des
Differentialstroms) als Ordinate in Abhängigkeit von der Masse des Absorbers pro
Flächeneinheit als Abszisse erhält, wenn die Masse pro Flächeneinheit einen bestimmten
Mindestwert übersteigt, im wesentlichen eine gerade Linie ist. Die Kurve der Aktivität
der Strahlungsquelle in Abhängigkeit von der Zeit ist ebenfalls im wesentlichen
eine Gerade.
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Die Erfindung kennzeichnet sich durch eine Vorrichtung oder ein Verfahren
zum Ausgleich des Leistungs abfalls durch den zuvor erwähnten Zerfall unid/oder
die Verunreinigung der radioaktiven.
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Masse durch Kopplung, d. h. gleichzeitige und gemensame Betätigung
der Steuerung für die Regelung der Standardspannung mit einer Empfin.dlichkeitssteuerung
des Verstärkers. Bei einer derartigen Anordnung sind vorzugsweise Vorkehrun gen
dafür getroffen, daß die Absorption nicht unter den zuvor erwähnten festgesetzten
Mindestwert Masse pro Flächeneinheit sinkt.
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Die Erfindung wird insbesondere bei einem Gerät zum Messen oder Prüfen
der Stärke von Überzügen verwendet, die auf einer sich bewegenden Trägerbahn angebracht
sind. Hierbei ist es zweckmäßig, die Trägerbahn durch zwei mit ihren Ausgangs strömen
in Brückensc,haltung gegeneinander geschaltete Geräte zu leiten, so daß sich ein
Steuer-oder Anzeigestrom ergibt, der der Differenz der von den einzelnen Vorrichtungen
gelieferten Ströme entspricht. Die Geräte können längs der Trägerbahn in einem mehr
oder weniger großen Abstand voneinander angeordnet sein, und die Trägerbahn kann
zwischen ihnen überzogen werden. Der resultierende Strom wird zur Betätigung eines
Meßinstrumentes oder als Steuerstrom verwendet, der die Stärke des auf die Trägerbahn
aufzubringenden Überzugs bestimmt. Die vor der Auftragstelle des -Überzuges befindliche
Vorrichtung wird Standardgerät genannt und ist so eingerichtet, daß der A1)-stand
der radioaktiven Strahlungsquelle von ihrer lonisationskammer verändert werden kann.
Bei Arbeitsbeginn wird die Vorrichtung so eingestellt, daß der Steuer- oder Anzeigestrom
bei der gewünschen Stärke des Überzuges der Trägerbahn Null ist. Wenn die Überziebmaschine
dann in Betrieb gesetzt wird, so ruft jede Veränderung der Stärke des Überzuges
auf der sich bewegenden Trägerbahn eine Anzeige in dem Meßinstrument oder einen
Steuerstrom hervor, der den Überzug auf die eingestellte Stärke bringt. Dies wird
am zwed<mäß igsten dadurch hexvirkt, daß der Steuerstrom die Geschwindigkeit
der Trägerbahn oder den Walzenabstand oder-drulek usw. verändert.
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Es hat sich herausgestellt, daß die radioaktive Strahlungsquelle
und/oder die Ionisationskammer bei dem zweiten, also nicht als Standardvorrichtung
verwendeten Gerät meistens mehr verunreinigt wird als bei der Standardvorrichtung.
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Wenn dies nicht berichtigt wird, ergibt sich ein falscher Anzeige-
und Steuerstrom.
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Die Erfindung besteht ferner in einem Verfahren, um bei der soeben
beschriebenen Anordnung zweier Geräte, von denen das eine als Standardgerät benutzt
wird, Störungen der Ausgangsleistung bzw. des Nutzstromes durch Verunreinigungen
der radioaktiven Masse zu verhüten.
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Hierbei wird ein Strom com den Meßgeräten in unterschiedlicher Weise
abgeleitet, verstärkt und zum Betrieb einer Anzeige- oder Steuereinrichtung benutzt.
Dieses Verfahren ist durch eine Einrichtung gekennzeichnet, mit der, menn diese
Störungen auftreten, ein Steuerstrom oder eine Steuerspannung abgezweigt und dazu
verwendet wird, diese Störungen auszugleichen oder zu vermindern.
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Vorzugsweise wird bei einer derartigen Anordnung der Steuerstrom
zum Betrieb einer Servoeinrichtung verwendet, die die Entfernung zwischen der radioaktiven
Strahlungsquelle und der Ionisationskammer in einem der beiden Geräte regelt oder
auf andere Weise die Absorption zwischen der Strahlungsquelle und der lonisationskammer
ändert.
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Die Zeichnungen zeigen Beispiele für die Ausführung und Anwendung
des Meßgerätes nach der Erfindung, und zwar zeigt Fig. 1 das Schaltschema eines
einzelnen Gerätes, Fig. 2 die geänderte Ausführung des Gerätes nach Fig. I bei gleichzeitiger
Verwendung eines Standard- und eines Meßgerätes und Fig. 3 einen geänderten Teil
der Schaltung nach Fig. I.
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In Fig. 1 ist die Ausgangselektrode I der Ionisationskammer der Meßvorrichtung
mit einem Verstärker 2 verbunden, von dem Leitungen zu einem rechteckig dargestellten
Meßinstrument 3 führen. Der von der Elektrode 1 herrührenden
Spannung
ist eine Gegenspannung über den Widerstand 4 der Leitung 5 aufgedrückt. An die Ausgangsseite
des Verstärkers ist ein Potentiometer 6 angeschlossen, das die Empfindlichkeit des
Verstärkers regelt und eine negative Rückkopplung über den Widerstand 7 und die
Leitung 5 bildet.
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In geeigneter Weise ist ein Potentiometer 8 an eine Gleichstromquelle
angeschlossen, so daß immer die gleiche Spannung an seinen Klemmen herrscht. Der
bewegliche Arm des Potentiometers 8 ist über einen Widerstand mit der Leitung 5
verbunden. Die beweglichen Arme der Potentiometer 6 und 8 sind miteinander mechanisch
verbunden, wie mit gestrichelten Linien angedeutet ist, so daß sie sich gemeinsam
bewegen. Irgendein Zerfall oder eine Verunreinigung der radioaktiven Strahlungsquelle
oder der Ionisationskamrner würde den Ausgangsstrom der Kammer vermindern. Wenn
zum Ausgleich dafür nur die Gleichspannung in der Leitung 5 herabgesetzt würde,
so würde der Verstärker nicht mehr die höchste Ausgangsleistung für den erforderlichen
Ausschlag des Meßinstrumentes und/oder des Servosteuerimpulses liefern. Da jedoch
die Herabsetzung der Spannung durch das Potentiometer 8 mit einer Verminderung der
negativen Rückkopplung durch das Potentiometer 6 verbunden ist, bleibt der Steuerstrom
auf dem höchsten Wert.
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Würden dabei permanente absorbierende Massen verwendet, die weniger
Strahlung absorbieren als für den Betrieb im geraden Teil der zuvor beschriebenen
Kurve nötig ist, die die Ausgangsleistung der Ionisationskammer mit der Masse pro
Flächeneinheit des Absorbienten verbindet, so würden die Ergebnisse falsch sein.
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Um. dies zu vermeiden, wird zwischen Strahlungsquelle und Ionisationskammer
ein permanent absorbierender Körper angeordnet, der den sno,rher ermittelten Mindestwert
der Masse pro Fllächeneinheit hat, damit der Betrieb im geraden Teil der I(urve
gewährleistet ist. Zum Beispiel wurde gefunden, daß für die Ionisationskammer eine
Polythenabdeclcung verwendet werden kann, die ein Flächengewicht von 40 mg pro cm2
hat.
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Wenn die Vorrichtung eingebaut ist, beispielsweise in eine Maschine,
mit der eine Papierbahn auf eine bestimmte Stärke gebracht wird, so wird folgendermaßen
verfahren: Der Meßvorgang wird dadurch unterbrochen, daß die Strahlungsquelle und
die Ionisationskammer von dem zu prüfenden Material entfernt werden, so daß das
Gerät nur die im Meßspalt befindliche Luft mißt, deren Absorptionseigenscbaften
bekannt sind. Das Meßinstrument wird dann so eingestellt, daß es eine diesen Eigenschaften
entsprechende Anzeige liefert.
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Der Ausgangsstrom des Verstärkers wird mit den Potentiometern 6 und
8 dem Meßbereich des Meßinstruments angepaßt. Diese Einstellung der Potentiometer
gleicht selbsttätig alle Wirkungen aus, die durch Zerfall oder Verunreinigung in
der radioaktiven Strahlungsquelle und/oder der lonisationskammer entstehen. Die
Strahlungsquelle und die Ionisationskammer werden dann wieder an das zu prüfende
Material angelegt, und die Messung wird fortgesetzt.
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Wird bei der erwähnten, besonderen Ausführung der Erfindung neben
dem Meßgerät zusätzlich ein Standardgerät verwendet, so kann die Schaltung nach
Fig. 2 ausgeführt sein. Hierbei ist mit 1 1 ein Meßgerät bezeichnet, durch das das
Material, das gemessen werden soll, hindurchläuft. I2 ist das Standardgerät, hei
dem die Entfernung zwischen der radioaktiven Strahlungsquelle und der Ionisationskanimer
leicht eingestellt werden kann. I3 bezeichnet einen Verstärker, 14 einMeßinstrul.nent,
I5 eine Gleichstromquelle und I6 einen Verstärker für eine Servoeinrichtung. Ein
Potentiometer 17 dient zur Steuerung der Empfindlichkeit des Verstärkers 13 und
ein Potentiometer Ig zum Ausgleich der Fehler, die durch Zerfall oder Verunreitliguing
der radioaktiven Masse in jedem der Geräte entstehen können. Die Abzweigung des
Potentiometers 17 ist über einen WiTdwerstanld I9 mit einer Leitung 20 verbunden
und bildet eine negative Rückkopplung des Verstärkers 13. Das Potentioineter 18
ist über einen Widerstand 2I und einen Schalter mit der Leitung 20 verbunden.
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Die Stromkreise können durch die Schalter Sl, S*,.
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S3 und S4 ein und ausgeschaltet werden.
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Bei normalem Betrieb der mit der Steuerung versehenen Maschine fließt
durch den Schalter S1 ein Steuerstrom in eine Leitung 22 und. steuert eine Regelvorrichtung,
so. daß die Materialstärke, die gemessen wird, im wesentlichen gleichbleibt.
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Wenn sich je!doch die Schalter in der in der Zeichnung dargestellten
Stellung befinden, so fließt der Steuerstrom über den Schalter S1 zu dem ,Servoverstärker
16 und von dort verstärkt zu einem Motor 23, der die Entfernung zwischen der ra,dioaktiven
Strahlungsquelle und der Ionisationskammer in der Standardvorrichtung I2 so, einstellt,
daß die Ausgangsströme beider Vorrichtungen abgeglichen werden. Wenn beispielsweise
in dem Meßgerät II eine Verunreinigung eintritt, so daß der Strom seiner Ionisationskammer
sinkt, so vergrn.'ßert der Motor 23 die Entfernung, um das Gleichgewicht wieder
herzustellen. Werden die SchalterS2, SS und Sq umgelegt, so wird. der Stromkreis
des Motors 23 unterbrochen und der des Motors 24 geschlossen. Dieser Motor steuert
die Betätigung der beweglichen Arme der Potentiometer I7 und Is so daß sie sich
gemeinsam bewegen, d. h., sie sind gekoppelt. Der Schalter S,, ist dann geschlossen
und leitet auf die Leitung 20 eine bestimmte Gleichspannung, gegen die die Ausgangsleistung
der Meßvorrichtung 11 zur Einstellung abgeglichen werden muß. Jede Störung des Ausgleichs
ruft einen Steuerstrom in dem Servoverstärker I6 hervor, der den Motor 24 antreibt
und die Empfindlichkeit des Verstärkers 13 entsprechend verstellt. In dieser Stellung
wirkt dile Anordnung ähnlich wie in Fig. I.
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Manchmal ist es erwünscht, zwei Vorrichtungen zu verwenden und jede
Störung elektrisch und nicht wie in Fig. 2 elektromechanisch auszugleichen. Fig.
3 zeigt, wie die Anordnung der
Fig. I dementsprechend eingerichtet
werden kann.
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Die Schaltungen, die nicht eingezeichnet sind, sind die gleichen wie
in Fig. I. In diesem Fall sind die Ausgangsspannung eines Standardgerätes 25 und
eines Meßgerätes 1 gegeneinander geschaltet, so daß eine Spannungsdifferenz entsteht,
die durch eine Spannung, die an dem Widerstand 4 anliegt, ausgeglichen werden muß,
damit der Verstärker einen Nullimpuis und das Meßinstrument einen Nullausschlag
erhalten. Wenn die Anlage von Zeit zu Zeit geprüft wird, sind der eingetretene Zerfall
und die Verunreinigung der radioaktiven Masse zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck
wird ein Gerät abgeschaltet. Sind Zerfall und Verunreinigung in dem anderen Gerät
aufgetreten, so ist der Strom nicht ausgeglichen, da die verbliebene Kammerausgangsspannung
niedriger als eine Bezugsspannung ist, die in der Leitung für die Rückkopplung herrscht.
(Diese Bezugsspannung ergibt sich durch Vergleich mit der Spannung, die die reine
Kammer abgibt.) Diese Bezugsspannung erzeugt außerhalb der Vorrichtung einen Steuerstrom
für den Standardisierungsservoverstärker, dessen Ausgangsstrom bereits an den Motor
angeschlossen worden ist, ,der das Steuerpotentiometer für den Zerfall und die Verunreinigung
antreibt. Auf diese Weise kann die Verunreinigung ausgeglichen werden. Um die Empfindlichkeit
der Vorrichtung trotz der Änderungen bei der Einstellung der Steuerung für den Zerfall
und die Verunreinigung auf der richtigen Höhe zu halten, ist, wie zuvor erläutert
wurde, die Steuerung für die Empfindlichkeit des Gerätes direkt mit der Steuerung
für den Zerfall bzw. die Verunreinigung der aktiven Masse gekoppelt.
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Die Wirkung der Verunreinigung kann periodisch durch Ersetzen der
vorerwähnten Polythenabdeckung durch eine neue und daher noch nicht verunreinigte
Abdeckung vermindert werden. Geschieht dies, so muß die Standardspannung erhöht
und die Empfindlichkeit des Verstärkers entsprechend verringert werden. Die Schaltung
nach Fig. 2 kann auch zur Durchführung dieser Korrektur benutzt werden.
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Die oben beschriebenen Schaltvorgänge erfolgen vorzugsweise selbsttätig
in bestimmten Zeitabständen, z. B. alle 30 Minuten, wobei die Zeitregelung mit Hilfe
eines eingebauten Dekatron-Zeitmessers erfolgen kann. Es ist zu beachten, daß der
Servoimpuls zur Steuerung der Dicke des Überz,uges bei normalem Betrieb dient, daß
aber bei Betätigung des selbsttätigen Standardisierungsschalters der Servoimpuls
in einer Stellung der Schalterkontakte dazu dient, die gekoppelten Potentiometer
6 und 8 zu steuern, während er in einer anderen Stellung der Schalterkontakte dazu
dient, den Abstand zwischen der lonisationskammer und der radioaktiven Masse des
Standardgerätes 12 einzuregeln.
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PATENTANSPPTÜCHE I. Meßgerät zum Bestimmen oder Prüfen der Stärke
von Werkstoffen, das mit einer Betastrahlen aussendenden, radioaktiven Masse und
einer Ionisationskammer versehen ist, zwischen denen das zu messende Material angeordnet
wird, wobei die Ausgangsspannung der Ionisationskammer mit einer Standardspannung
am Einlaß eines Verstärkers verglichen wird zur Erzeugung eines Unterschiedsimpulses,
der verstärkt und einem Nutzstromkreis zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Komsensierung des Zerfalls und/oder der Verunreinigung der radioaktiven
Masse oder der Ionisationskamimer die Standardspannung und die Empfindlichkeit des
Verstärkers gemeinsam veränderlich sind.