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
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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.
Device for forming and displaying the mean value over several seconds of a variable electrical variable with a moving coil measuring instrument, in particular for portable radiation detection and warning devices
In order to form the mean value of a variable electrical quantity over a period of several seconds, an arrangement is necessary which has a time constant which is large compared to the largest occurring period of fluctuations around the mean value.
When displaying the middle frequency, e.g. B. statistically distributed events, an averaging is required, which requires a certain time constant depending on the desired display accuracy.
If the statistically occurring events are fed to a display device after conversion into a suitable size, a relative average display fluctuation arises which is based on the relationship
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directs. Here I is the mean display, Jl is the mean square display fluctuation, n is the mean number of events per unit of time and z is the time constant of the display device.
A reduction in the relative average display fluctuation therefore requires an increase in the time constant. It is known to bring the time constant to the desired value by connecting an inductance in series or by connecting a capacitor in parallel to the display instrument. Since the first solution leads to a great deal of effort and results in a relatively great weight, of the two possibilities only the parallel connection of a capacitor comes into question, especially for portable devices.
The time constant can be increased by connecting a resistor in series to the display instrument. The use of such RC elements for generating the time constant has considerable disadvantages. The size of the series resistor has an upper limit with regard to voltage drop and power loss, which is particularly true for devices with less available measurement power. With a relatively large time constant required, one is then forced to use a capacitor of considerable capacity. For reasons of weight and space, only an electrolytic capacitor can be used for large capacities. However, it has the disadvantage that it needs a leakage current to form an insulating gas layer.
For a given capacitor voltage, this leakage current increases with the capacitance and, in addition to the operating time, is also dependent on the temperature. The temperature dependency could in principle be compensated for using a resistor with a negative temperature coefficient. However, this temperature compensation would have to be designed differently from case to case because the desired properties cannot be maintained with sufficient accuracy in the manufacture of electrolyte compensators. Furthermore, electrolytic capacitors are subject to aging, as a result of which their leakage current and their capacitance are not constant over time.
The influence of temperature is particularly noticeable in radiation detectors and warning devices, as these are used in different places at very different temperatures. In devices of this type, the irregularly successive radiation pulses are received by a detector and passed on for amplification.
Such devices must be handy, therefore as small as possible, light and less prone to failure. With these devices, only a relatively low power is available on the display instrument. Only a three-coil measuring instrument can be used. The use of a sensitive galvanometer instrument is not considered because it is large and heavy and, without special precautions, too prone to failure.
Therefore, only a moving coil measuring instrument of robust design can be used, which has a greater internal consumption. As a result, however, a relatively large capacity is required for a certain time constant, which is shown in the following example: Let the permissible relative average display fluctuation dI for a radiation meter + 10 / o and n 10 be the average number of pulses emitted by the meter tube per second, then according to relation (1) a time constant X = 5s is to be provided.
If a micro-ammeter with a 201LA full-scale deflection is used as the display instrument, and the measurement voltage available is 1 volt, then the total resistance R, which is made up of the internal resistance of the instrument and the series resistance, results:
R = 1 = 50.10Q
2-10-5
The required capacity is then
C = 5 = 10-4 F = 100, F
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The leakage current 11 of the electrolytic capacitor, which is only suitable for such a capacitance, is in the best case I, ¯ 0.02 CV, u A (C in ICF and V in volts). In the present case the leakage current is about 2 A, i.e. H. not less than 100 / o of the final deflection.
For one. If the measurement voltage is lower, a correspondingly larger capacitance must be selected with the same time constant, whereby the leakage current also increases as a percentage. Likewise, if the radiation intensity is lower (fewer pulses per second), the capacity must be increased accordingly for a certain permissible relative average display fluctuation.
It is also known to increase the period of oscillation in ballistic galvanometers by increasing the mass of the rotatable system. However, this damping of inertia is soon set a limit, especially in the case of portable devices, because a large mass of the movable system would lead to impermissibly strong pointer fluctuations when the instrument is moved. It should be noted that here and in the following, the term inertia damping only refers to the property of a moving system due to the required mass acceleration, which means that it only follows relatively rapid fluctuations with reduced amplitude and a relatively long period of oscillation.
The invention relates to a device for forming and displaying the mean value over several seconds of a variable electrical variable with a moving coil measuring instrument, in particular for portable radiation detection and warning devices, in which the aforementioned disadvantages are eliminated by using the moving coil measuring instrument inertia damping and electromagnetic damping are provided.
Surprisingly, it has been shown that with such a combination of inertial and electromagnetic damping time constants of the order of several seconds can be achieved. On the one hand, the inertia damping ensures that the random large deviations of the measured variable from the mean value which do not or almost not influence the mean value are not taken into account, as is desired for a steady display. On the other hand, the electromagnetic damping ensures a vibration-free or at least low-vibration movement of the pointer if the two measures are appropriately measured against each other.
With such a combination of inertia and electromagnetic damping, as shown for example in the figure, a time constant is achieved without or with a small increase in the moment of inertia of the rotatable system 1 and at all without having to significantly reduce the external resistance of the measuring instrument 2 of a few seconds, which until now it was believed that it could only be generated with RC elements, inductances or a large moment of inertia of the rotating system. The solution according to the invention has the great advantage that electrolytic capacitors with all their disadvantages are completely superfluous. The dependency on the ambient temperature is thus eliminated, while space and weight are saved.
The electromagnetic damping is preferably carried out by arranging an electrically conductive coil frame 3, which in itself results in an approximately critical damping, and a resistor 4 connected in parallel to the moving coil instrument 2. This damping has the advantage that the time constant can be changed with the help of the shunt resistor. This is brought about, for example, by a changeover switch 5 with which another shunt resistor 6 is switched on. If the latter has a larger resistance value, it is advisable to provide a series resistor 7. The resistors 6 and 7 are then switched on simultaneously by means of a changeover switch 8 coupled to the switch 5. The current sensitivity of the measuring instrument can be kept the same in this way.