Einrichtung zur Messung kleiner Impulsraten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrich- tung zur Messung der Häufigkelt statistisch verteilter Impulse bei kleiner mittlerer Impulshäufigkeit je Zeiteinheit (= Impulsrate).
Bekannte Einrichtungen zur Messung von Im pulsraten, sogenannte Ratemeter, besitzen beispiels- weise eine Impulsnormalisierungsstufe, die einlaufende Impulse in Normalimpulse umformt und diese ber eine Gleichrichterschaltung einem Speicherkon densator zuf hrt. Die Kapazität des Speicherkonden- sators bildet zusammen mit einem Ableitwiderstand ein Integrierglied, dessen an einem Anzeigeinstru ment ablesbare elektrische Spannung ein analoges Abbild der Impulsrate ist. Die Zeitkonstante des Integriergliedes muss zur Erzielumg einer einwand- freien Anzeige stets hinreichend gross gewählt werden.
Die Bemessung dieser Zeitkonstante bereitet jedoch bai kleinen Impulsraten erhebliche Schwierigkeiten. So würde sich bei einer geforderten mittleren statistischen Genauigkeit von ¯ 2 % und bei einer mittleren Impulshäufigkeit von 1 Impuls pro Minute miit Poisson-Verteilung eine Zeitkonstante von rund 20 Stunden ergeben, wozu eine SpeicherkapazitÏt von etwa 75 Mikrofarad und) ein AbleitwidlerstSand von 1000 Megohm erforderlich wäre.
Eine derartige Bemessung von Schaltungselemen- ten in einem Ratemeter lässt sich bekanntlich nicht leicht verwirklichen, zumal die elektrischen Werte dieser Bauteile um höchstens 1 % vom Nennwert abweichen durfeni. Diese Forderung aber kann infolge der TemperaturabhÏngigkeit der Isolationswiderstände nur mit erheblichem schaltungs- und fabrikationstechnischem Aufwand erfullt werden.
Ein f r wichtige Anwendungen, so zum Beispiel bei der kontinuierlichen beziehungsweise quasikontinuierlichen Strahlungsmessung in der me dizinischen Diagnostik und Strahlenüberwachung von Trinkwasser und von Lebensmitteln mit Hilfe von Koinzidenz-Messverfahren, besonders schwerwiegen- der Nachteil der bekannten Ratenmeter für kleine Impulsraten ist die durch die erforderliche grosse Zeitkonstante bedingte Anzeigeverzögerung. Da der elektrische Analogwert der zu messenden Impulsrate nach einem Exponentialgesetz gebildet wird, zeigen die bekanmjten Einrichtungen erst nach Ablauf von rund drei Zeitkonstanten einen auf 10 % genauen Wert an.
Dadurch ergeben sich, besonders f r die Bildung genauer Me¯werte, Antzeigeverzögerungen von mehreren Stunden bis zu einigen Tagen.
Die vorliegende Erfindung einer Einrichtung zum Messen kleiner Impulsraten, mit einer Impuls ntormalisierungsstufe und ainem Anmeigeinstrument f r die Impulsrate, vermeidet die Nachteile der be kannten Einrichtungen dadurch, dass der Impulsnor malisierungsstufe ein. Digitalspeicher nachgeschaltet ist, der ber enmen Me¯wert-Umsetzer mit dem An zeigeinstrum'ent in Verbiodun'g steht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht der Digitalspeicher aus einem Vorspeicher mit verschiedenen Wertigkeitsstufen und eimem Schiebe- register. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausf hrungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung nÏher erläutert ist.
Die Figur zeigt ein Blockschaltbild des messwert- bildenden Schaltungsteiles eines Ratemeters Dieses besitzt einen Impulseingang l, in den Zählimpulse 2 eines nicht dargestellten. Zählrohres einlaufen und zu einer Impulsnormaliaierungsstufe 3 gelangen, welche die einzelnen Zählimpulse 2 in sogenanNte Normalimpulse 4 umformt.
Die Impulsnormalisierungsstufe 3, die lediglich der Anpassung der Zäblimpulse 2 an die Folgeschal- tung dient, lässt sich durch einen Umschalter 5 mit einem Schaltarm 6 und mehreren Umschaltkontakten 7 entweder unmittelbar oder über einen) oder mehrere elektrisch in Reihe geschialtete Voruntersetzer 8, 9, 10 mit dem Zähleingang eines im gezeigten Beispiel aus fünf über Leitungen 11 bis 14 in Reihe geschal teten Binäruntersetzern 15 bis 19 bestehenden Vorspeichers 20 verbinden.
Jedem Binäruntersetzer 15 bis 19 ist über je eine Verbindung 21 bis 25 je eine Schieberegisterbank 26 bis 30 zugeordnet, deren jede beispielsweise f nf Stellen 31 bis 35 aufweist. Die Gesamtheit der Schieberegisterbänke, im folgenden kurz als Schiebe- register 36 bezeichnet, bildet den Hauptspeicher, der zusammen mit dem Vorspeicher 20 den Digitalspei- cher der Messeinrichtung darstellt.
Jeder Binäruntersetzer 15 bis 19 des Vorspeichers 20 ist über eine Sammelleitung 37 an eine zur zeitabhängigen Abgabe von sogenannten Schiebeimpulsen eingerichtete Uhr 38 angeschlossen, die einen Messintervallwähler 39 aufweist, welcher mit dem Schalrarm 6 des Umschalters 5 über eine Wirkungs- linie 40 in Wirkverbindurig steht.
In das Schieberegister 36 greift iiber ein Lei tungssystem 41 ein als Digital-Analog-Umsetzer ausgebildeter Messwert-Umsetzer 42 ein, an den ein in Einheiten der Impulsrate geeichtes Anzeigeinstrument 43 angeschlossen ist. Zu diesem Anzeigeinstrument 43 gehört ein Messbereichwähler 44, der ber eine Wirkungslinie 45 ebenfalls mit dem Umschalter 5 in Wirkverbindung steht. In ähnlicher Weise ist dem Vorspeicher 20 über eine Leitungsgruppe 46 ein Digital-Analog-Wandler 47 als Messwert-Umsetzer beigeordnet, der auf ein Messinstrument 48 arbeitet.
Der Binäruntersetzer 19 steht über eine Leitung 49 mit einer Signalvorrichtung 50 in Verbindung. Im Anzeigeinstrument 43 kann allenfalls ein zusätzliches Instrument 51 eingebaut sein.
Jeder der Binäruntersetzer 15 bis 19 und jede Stelle 31 bis 35 jeder Schieberegisterbank 26 bis 30 kann bekanntlich zwei elektrische Zustände anneh- men. Zustand O bedeutet, dass die betreffende Speicherstelle leer, Zustand I gibt an, dass die StelIe mit einem Impuls besetzt ist.
Durch die Reihenschaltung der Binäruntersetzer 15 bis 19 wirdl be- kanntermassen erreicht, dass jedem Biniäruntersetzer eine bestimmte Wertigkeit im Zweierkode zukommt, so dass der aus n BinÏruntersetzern bestehende Vorspeicher 20 ein Speichervermögen S = 2n-1 aufweist, wenn 2 der niedrigste Wertigkeit ist ; im vorliegenden Beispiel wird mit n = 5 also S = 31.
Die Stellen 31 bis 35 je einer Schieberegisterbank 26 bis 30 sind unter sich gleichwertig, dagegen besitzen in den einzelnen Schieberegisterbänken ge- speicherte Impulse jeweils die Wertigkeit des entsprechenden BinÏruntersetzers im Vorspeicher, wobei die Binäruntersetzer 15 bis 19 beim vorliegenden Beispiel in der Reihenfolge ihrer Aufzählung die Wertigkeiten 20, 21, 22, 23, 24 aufweisen. Ein Schieberegister mit n Registerbänken zu je m Stellen vermag in der beschriebenen Anordnung demnach m (2li-1) Impulse zu speichern, im besprochener Beispiel also 155 Impulse.
Vor Beginn der Messung ist mit dem Messintervallwähler 39 die Zeitdauer eines Messintervalls entsprechend der verlangten mittleren statistischen Genauigkeit einzustellen und der Messbereich der Einrichtung mittels des Messbereichwählers 44 fest zulegen. Diese Einstellhandlungen werden über die Wirkungslinien 40 und 45 auf den Umschalter 5 übertragen. Dadurch erfolgt die Einschaltung einer derartigen Voruntersetzung, dass der durch die Formel :
Me¯intervall ò Me¯bereich/Voruntersetzung bestimmte Wert höchstens gleich wie das höchste Speichervermögen des Schieberegisters 36 ist. Bei Beginn einer Messung sind alle Speicherstellen leer.
Die Messwertbildung vollzieht sich wie folgt : Wenn der Umschalter 5 die in der Figur dargestellte Lage einnimmt, gelangt jeder einzelne Zählimpuls 2 als Normalimpuls 4 in den Vorspeicher 20, bei anderen Stellungen des Umschalters 5 nur jeder zweite, vierte, achte usw., je nachdem, wieviele der vorhano denen Voruntersetzer 8, 9, 10 zugeschaltet sind. Es können beliebig viele Voruntersetzer angeordnet sein.
Schwankungen der Amplitude und Form der Normalimpulse 4 haben, keinen Einfluss auf das Messergebnis.
Der erste einlaufende Impuls brin, gt dlen ersten Binäruntersetzer 15 vom Zustand 0 in dlen Zustand I, der zweite Impuls führt diesen Binäruntersetzer 15 in den Zustand 0 zurück, während gleichzeitig ein Impuls mit der Wertigkeit 21 an den folgenden BinÏruntersetzer 16 weiterläuft und diesen in den Zustand I versetzt usw. Diese Zähltechnik ist an sich bekannt. Befinden sich alle Binäruntersetzer 15 bis 19 im Zustand I, so sind im Vorspeicher 20 einunddreissig Impulse gespeichert ; damit ist dessen h¯chstes Speichervermögen erreicht.
Bei richtiger Messbereichwahl gibt die Uhr 38 spätestens nach dem Eintreffen des einunddreissig- sten Zählimpulses einen Schiebeimpuls über die Sammelleitung 37 an den Vorspeicher 20 ab. Dadurch wird der Inhalt jedes Binäruntersetzers 15 bis 19 über die jeweilige Verbindung 21 bis 25 in die zugehörige Schieberegisterbank geschobene und besetzt dort die jeweils erste Stelle, z. B. die mit 31 bezeichnete, jeder Schieberegisterbank, während jeder Binäruntersetzer 15 bis 19 des Vorspeichers 20 nach Abgabe seines Inhaltes wieder den Zustand 0 einnimmt.
Die weiterhin einlaufenden ZÏhlimpulse füllen den Vorspeicher 20 wieder auf, und der soeben be schriebene Vorgang wiederholt sich. Beim nÏchstfolgenden Schiebeimpuls wird der Inhalt des Schiebe- registers 36 um eine Stelle weitergeschoben, im Beispiel auf die Stellen 32, und an die ersten Stellen 31 tritt der neue Inhalt des Vorspeichers 20. Nach dem fünften, allgemein ! nach dem m-ten Schiebeimpuls ist mithin das Schieberegister 36 aufgefüllt. Dies be deutet gleichzeitig die Beendigung eines Messintervalles, wie es der Einstellbedingudg entspricht.
Während des Messvorganges erfasst der Messwert- Umsetzer 42 ständig den gesamten Inhalt des Schieberegisbers 36 und führt dem Anzeigeinstrument 43 einen dem Registerinhalt proportionalen Strom zu. Die Anzeige des Messergebnisses nimmt daher bis zum Ablauf des ersten Messintervalles einer neu be gonnenen Messung unstetig jeweils um einen dem in das Schieberegister eintretenden Vorspeicherinhalt entsprechenden Betrag zu. Wenn alle Stellen des Schieberegisters 36 besetzt sind, d. h. also nach Ablauf des ersten Messintervalls, zeigt das Anzeigein- strument 43 die Impulsrate mit der verlangten mittle- ren statistischen Genauigkeit an.
Aus dem Vorstehenden ist abzuleiten,, daf3 das Zeitintervall zwischen zwei Schiebeimpulsen, das sogenannte Schrittintervall, jeweils den m-ten Teil eines Messintervaües beträgt, wobei m, wie bereits er wähnt, die Anzahl der Stellen, z. B. 31 bis 35, einer Schieberegisterbaak, z. B. 30, bedtutet.
Ist nun das Schieberegister 36 einmal aufgef llt, so bleibt es während des weiteren Verlaufes der Messung aufgefüllt, nur wird nach jedem Schrittinter- vall das neueste, vom Vorspeicher 20 während eines SchrittintervaHes aufgenommene Zählergebnis in das Schieberegister 36 überführt und dieses somit in Bruchteilen eines Messintervalls, nämlich im Takt der Schrittintervalle, auf den neuesten Stand gebracht, wobei jeweils der bisherige Inhalt der letzten Stellen 35 des Schieberegisters 36 aus dem Register hinausgeschoben¯ wird, also verschwindet.
Der vom Anzeigeinstrument 43 angezeigte Analogwert der Im pulsrate besitzt so vom Ende des ersten Messinter valles ab während des gesamten, weiteren Messver- laufes die geforderte mittlere stabistische Genauigkeit.
Da das Messintervall bei der geschilderten Messwertbildung als Konstante auftritt, ist der Inhalt des Schieberegisters 36 der Impulsrate proportional.
Treten nun Ubergangsfunktionen der Impulsrate auf, so kann bei der gewählten Anordnung durch Interpolation eine Messwertbildung auch in Bruchteilen eines Schrittintervalles erzielt werden. Zu diesem Zweck ist dem Vorspeicher 20 der Digital-Ana log-Wandler 47 mit dem Me¯instrument 48 zugeordnet. Das Messinstrument 48 gestattet, in jedem Zeitmoment den Vorspeicherinhalt abzulesen und aus dieser Ablesung und der Anzeige der Uhr 38 die differentielle Impulsrate zu bilden. Dies kann visuell geschehen, wozu die Uhr 38 einen gesonderten Zeiger besitzt, der nach jedem Schiebeimpuls von einer Nullage ausgeht, entweder durch Rückstellung oder durch entsprechende Skalenteilung.
Natürlich lassen sich die Anzeigen des Messinstrumentes 48 und der Uhr 38 auch mechanisch oder elektrisch berlagern, so dass eine unmittelbare Anzeige der diffe rentielka Impulsrate erfolgb, entweder auf dem MeS instrument 48 oder auf dem zusätzlichen Instrument 51, dessen Messwerk und Skala in unmittelbarer NÏhe des Anzeigeinstrumentes 43, vorzugsweise im gleichen Gehäuse wie dieses und mit gemeinsamer Skalenscheibe, angeordnet ist.
Die Umsetzung des dilgibalen Speicherinhaltes in einen Analogwert geschieht dadurch, dass von jeder Speicherstelle ein dem Speicherzustand (0 oder I) und der Wertigkeit dieser Speicherstelle, bzw. der diese Speicberstelle aufweisenden Schieberegisterbank, entsprechender Strom gebildet wird. Die Summe dieser Str¯me ist dem Speicherinhalt proportional und durchsetzt das anzeigende Instrument 43 bzw. 48.
Sollte durch falsche Wahl des Messbereiches oder des Messintervalles oder durch unvorhergesehen starke Zunahme der zu messenden Impulsrate der Fall eintreten', dass die Anzahl der in einem Schrittintervall einlaufenden Impulse das h¯chste Speichervermögen des Vorspeichers 20 überschreitet, so würde der erste überzählige Impuls, im vorliegenden Beispiel also der zweiunddreissigste, eine Löschung des gesamten Vorspeicherinhaltes bewirken.
In diesem Fall wird vom letzten Binäruntersetzer 19 des Vorspeichers 20 ein sogenannter Obertragsimpuls über die Leitung 49 an die Signalvorrichtung 50 abgegeben, welche anzeigt, dass der Messbereich der Einrichtung überschritten ist und die Einstellung des Gerätes berichtigt werden muss.
Die vorstehend beschriebene neue Einrichtung zur Messung kleiner Impulsraten erlaubt, wie sich leicht zeigen lässt, die Zeib vom Beginn der Messung bis zum Vorliegen der ersten Anzeige mit der ge forderten Genauigkeit gegenüber den bekannten Einrichtungen um rund einen Faktor 2 zu verkürzen.
Ein weiterer, durchaus ins Gewicht falleoder Vorteil der beschriebenen Einrichtung ist deren Ausbau- fähigkeit. So lässt sich diese durch Wahl der Grösse des Vorspeichers und des Schieberegisters sowie der Anzahl der Voruntersetzer den verschiedensten Messaufgaben und Messgenauigkeitea leicht anpassen
Natürlich kann in der beschriebenen Einrichtung auch ein anderer Speicherkode zur Anwendung kom- men. Weiter ist es denkbar, an Stelle von Zeigerin strumssnten Geräte zur digitalen Messwertausgabe, sogenannte Digitalwertzeiger, anzuordnen und die Messwert-Umsetzer 42,
47 als Kode-Umsetzer aus zubilden, um'den bei konstantem Messintervall der Impulsrate proportionalen Inhalt des Schieberegisters auf diesem Wege in eine dezimale, zur unmittelbaren Anzeige geeignete Digitalform berzuf hren).