Vorrichtung zur Bildung und Anzeige des Mittelwertes über mehrere Sekunden einer veränderlichen elektrischen Grösse mit einem Drehspul-Messinstrument, insbesondere für tragbare Strahlenspür- und Strahlenwarngeräte
Zur Bildung des Mittelwertes einer veränderlichen elektrischen Grösse über eine Zeit von mehreren Sekunden ist eine Anordnung notwendig, die eine Zeitkonstante aufweist, die gegenüber der grössten auftretenden Periode der Schwankungen um den Mittelwert gross ist.
Bei der Anzeige der mittleren Frequenz, z. B. statistisch verteilter Ereignisse, ist eine Mittelwertbildung erforderlich, die je nach der erwünschten Anzeigegenauigkeit eine bestimmte Zeitkonstante bedingt.
Werden die statistisch eintreffenden Ereignisse nach Umwandlung in eine geeignete Grösse einer Anzeigevorrichtung zugeführt, so entsteht eine relative mittlere Anzeigeschwankung, die sich nach der Beziehung
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richtet. Hierin ist I die mittlere Anzeige, Jl die mittlere quadratische Anzeigeschwankung, n die mittlere Anzahl Ereignisse pro Zeiteinheit und z die Zeitkonstante der Anzeigevorrichtung.
Eine Verkleinerung der relativen mittleren Anzeigeschwankung bedingt also eine Vergrösserung der Zeitkonstante. Es ist bekannt, durch Reihenschaltung einer Induktivität oder auch durch Parallelschaltung eines Kondensators zum Anzeigeinstrument die Zeitkonstante auf den erwünschten Wert zu bringen. Da die erste Lösung zu einem grossen Aufwand führt und sich ein verhältnismässig grosses Gewicht ergibt, kommt, insbesondere für tragbare Geräte, von den beiden Möglichkeiten nur die Parallelschaltung eines Kondensators in Frage.
Durch Reihenschaltung eines Widerstandes zum Anzeigeinstrument kann hierbei die Zeitkonstante erhöht werden. Die Verwendung solcher RC-Glieder zur Erzeugung der Zeitkonstante weist jedoch erhebliche Nachteile auf. So ist der Grösse des Vorschaltwiderstandes eine obere Grenze bezüglich Spannungsabfall und Leistungsverlust gesetzt, was insbesondere für Geräte mit kleiner zur Verfügung stehenden Messleistung zutrifft. Bei einer verhältnismässig grossen erforderlichen Zeitkonstante ist man dann gezwungen, einen Kondensator beträchtlicher Kapazität zu verwenden. Aus Gewichts- und Platzgründen kommt bei grossen Kapazitäten nur ein Elektrolytkondensator in Betracht. Diesem haftet jedoch der Mangel an, dass er einen Leckstrom zur Bildung einer isolierenden Gasschicht braucht.
Dieser Leckstrom nimmt bei einer gegebenen Kondensatorspannung mit der Kapazität zu und ist, ausser von der Betriebszeit, auch zudem noch von der Temperatur abhängig. Die Temperaturabhängigkeit könnte zwar im Prinzip unter Verwendung von einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten kompensiert werden. Diese Temperaturkompensation müsste aber von Fall zu Fall verschieden ausgebildet sein, weil bei der Fertigung von Elektrolytkompensatoren die gewünschten Eigenschaften nicht mit genügender Genauigkeit eingehalten werden können. Des weiteren unterliegen Elektrolytkondensatoren einer Alterung, derzufolge ihr Leckstrom und ihre Kapazität zeitlich nicht konstant sind.
Der Temperatureinfluss macht sich insbesondere bei Strahlenspür- und Strahlenwarngeräten unangenehm bemerkbar, da diese an verschiedenen Orten bei sehr verschiedenen Temperaturen eingesetzt werden. Bei Geräten dieser Art werden die unregelmässig aufeinanderfolgenden Strahlungsimpulse von einem Detektor empfangen und zur Verstärkung weitergeleitet.
Solche Geräte müssen handlich, daher möglichst klein, leicht und wenig störanfällig sein. Bei diesen Geräten steht am Anzeigeinstrument nur eine verhältnismässig geringe Leistung zur Verfügung. Es kommt nur ein Messinstrument mit Drei spule in Frage. Die Verwendung von einem empfindlichen Galvanometerinstrument fällt ausser Betracht, weil dieses gross und schwer und ohne besondere Vorkehrungen zu störanfällig ist.
Daher kann nur ein Drehspul-Messinstrument von robuster Bauart verwendet werden, das einen grösseren Eigenverbrauch hat. Demzufolge wird aber für eine bestimmte Zeitkonstante eine relativ grosse Kapazität erforderlich, was an folgendem Beispiel gezeigt wird: Sei die zulässige relative mittlere Anzeigeschwankung dI für ein Strahlenmessaerät + 10 /o und n 10 die mittlere Anzahl der vom Zählerrohr pro Sekunde abgegebener Impulse, dann ist gemäss Beziehung (1) eine Zeitkonstante X = 5s vorzusehen.
Wird als Anzeigeinstrument ein Mikroamperemeter mit 201LA Endausschlag verwendet, und ist die zur Der fügung stehende Messspannung 1 Volt, so ergibt sich für den Gesamtwiderstand R, der sich aus dem Innenwiderstand des Instrumentes und dem Vorschaltwiderstand zusammensetzt:
R = 1 = 50.10Q
2-10-5
Die erforderliche Kapazität ist dann
C = 5 = 10-4 F = 100, F
50103
Der Leckstrom 11 des für eine solche Kapazität nur in Frage kommenden Elektrolytkondensators beträgt im günstigsten Fall I, ¯ 0, 02 CV, u A (C in lcF und V in Volt). Im vorliegenden Fall ist der Leckstrom also etwa 2 A, d. h. nicht weniger als 100/o des Endausschlages.
Für eine. niedrigere Messspannung ist bei gleicher Zeitkonstante eine entsprechend grössere Kapazität zu wählen, wodurch auch der Leckstrom prozentual mit ansteigt. Ebenso ist bei geringerer Strahlen intensität (weniger Impulse je Sekunde) für eine bestimmte zulässige relative mittlere Anzeigeschwankung die Kapazität entsprechend zu erhöhen.
Weiter ist es bekannt, bei ballistischen Galvanometern durch Vergrösserung der Masse des drehbeweglichen Systems dessen Schwingungsdauer zu vergrössern. Dieser Trägheitsdämpfung ist jedoch insbesondere bei tragbaren Geräten bald eine Grenze gesetzt, weil eine grosse Masse des beweglichen Systems zu unzulässig starken Zeigerschwankungen führen würde, wenn das Instrument bewegt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass hier und im folgenden mit der Bezeichnung Trägheitsdämpfung lediglich die durch die erforderliche Massenbeschleunigung bedingte Eigenschaft eines beweglichen Systems gemeint ist, derzufolge dieses relativ raschen Schwankungen nur mit reduzierter Amplitude und verhältnismässig grosser Schwingungsdauer folgt.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bildung und Anzeige des Mittelwertes über meh- rere Sekunden einer veränderlichen elektrischen Grösse mit einem Drehspul-Messinstrument, insbesondere für tragbare Strahlenspür- und Strahlenwarngeräte, bei der die vorerwähnten Nachteile dadurch behoben sind, dass am Drehspul-Messinstrument eine Trägheitsdämpfung und eine elektromagnetische Dämpfung vorgesehen sind.
Überraschenderweise zeigt sich, dass mit einer solchen Kombination von Trägheits- und elektromagnetischer Dämpfung Zeitkonstanten in der Grössenordnung von mehreren Sekunden erreicht werden können. Einerseits sorgt die Trägheitsdämpfung dafür, dass die den Mittelwert nicht oder nahezu nicht beeinflussenden, zufällig auftretenden momentanen gro ssen Abweichungen der Messgrösse vom Mittelwert unberücksichtigt bleiben, wie dies für eine ruhige Anzeige erwünscht ist. Anderseits gewährleistet die elektromagnetische Dämpfung bei geeigneter gegenseitiger Bemessung beider Massnahmen eine schwingungsfreie oder doch schwingungsarme Bewegung des Zeigers.
Mit einer solchen Kombination von Trägheitsund elektromagnetischer Dämpfung, wie beispielsweise in der Figur dargestellt, erzielt man bereits ohne bzw. mit einer kleinen Vergrösserung des Trägheitsmomentes des drehbeweglichen Systems 1 und überhaupt ohne dass man den äusseren Widerstand des Messinstrumentes 2 erheblich zu reduzieren braucht, eine Zeitkonstante von einigen Sekunden, die man bis jetzt nur mit RC-Gliedern, Induktivitäten oder grossem Trägheitsmoment des drehbeweglichen Systems glaubte erzeugen zu können. Die erfindungsgemässe Lösung ergibt den grossen Vorteil, dass sich Elektrolytkondensatoren mit allen ihren Nachteilen vollständig erübrigen. Die Abhängigkeit der Umgebungstemperatur ist damit ausgeschaltet, während an Raum und Gewicht gespart wird.
Die elektromagnetische Dämpfung erfolgt vorzugsweise durch Anordnung eines elektrisch leitenden Spulenrahmens 3, der für sich eine etwa kritische Dämpfung ergibt, und eines dem Drehspulinstrument 2 parallel geschalteten Widerstandes 4. Diese Dämpfung ergibt den Vorteil, dass die Zeitkonstante mit Hilfe des Nebenschlusswiderstandes geändert werden kann. Dies kommt beispielsweise durch einen Umschalter 5 zustande, mit dem ein anderer Nebenschlusswiderstand 6 eingeschaltet wird. Weist letzterer einen grösseren Widerstandswert auf, so empfiehlt es sich, einen Vorschaltwiderstand 7 vorzusehen. Mittels eines mit dem Schalter 5 gekuppelten Umschalters 8 werden dann die Widerstände 6 und 7 gleichzeitig eingeschaltet. Die Stromempfindlichkeit des Messinstrumentes lässt sich in dieser Weise gleichhalten.