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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
radioaktives Dichtemessersystem, das insbesondere aber
nicht ausschließlich zum Überwachen der Dichte einer durch
ein Rohr fließenden Aufschlämmung von Zement oder Füllstoff
bestimmt ist.
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Ein erheblicher Anteil der Dienstleistungen, die
von der Ölfelddienstleistungsindustrie geboten werden,
betrifft Zementieroperationen wie Primärzementierung, d.h.
das Einzementieren von Futterrohren in ein Bohrloch durch
das Pumpen einer Aufschlämmung von Zement in ein mittig
angeordnetes Futterrohr hinab und in den Ringraum zwischen
dem Bohrloch und dem Futterrohr hinauf, und
Druckzementierung einer bestimmten Zone oder eines
bestimmten Bereichs. Außerdem wird oft eine
Zementaufschlämmung in das Bohrloch gepumpt, um den
Wasserzulauf und Flüssigkeitsverluste einzuschränken, sowie
für zahlreiche andere Zwecke.
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Eine weitere Form der
Ölfelddienstleistungsindustrie bilden Induktionsleistungen,
zu denen abgesehen von anderen Operationen das Brechen
einer erdölführenden Formation zählt, und zwar durch Pumpen
einer Druckflüssigkeit in Bohrlochperforationen, bis in der
erdölführenden Formation ein Riß entsteht. Im Anschluß an
die den Riß bewirkende Flüssigkeit wird eine Füllstoff
enthaltende Aufschlämmung in das Bohrloch gepumpt. Der
besagte Riß wird dann durch den Füllstoff, in der Regel
Sand oder Bauxit, offen gehalten, und dieser Füllstoff
bettet sich nach dem Absickern der in der Aufschlämmung
enthaltenen Flüssigkeit in die den Riß umgebende Formation
bzw. im Idealfalle nach Rücklauf der Flüssigkeit bei
abnehmendem Druck aus der Formation in die Bohrung in den
Wänden des Risses ein.
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In allen der vorstehend genannten Fälle wäre es
vorteilhaft, über ein schnell reagierendes System zur
Bestimmung der Dichte der Zement- bzw. der
Füllstoffaufschlämmung zu verfügen.
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Beim Zementieren von Erdölbohrungen bildet die
Dichte der Zementaufschlämmung eine wichtige Rolle. Die
Bohrlochzementierflüssigkeit ist typisch eine Aufschlämmung
von mit Wasser gemischten chemischen Bestandteilen und hat
eine gewisse Dichte. Falls sich die Zusammensetzung des
Aufschlämmungsgemisches während des Pumpens ändert, so
können die Änderungen der Dichte und die Änderung des
Gemisches auf die Ergebnisse der Zementieroperation einen
Einfluß ausüben. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert,
Dichteänderungen, d.h. Anderungen des Gemisches,
kontrollieren zu können, um in der Lage zu sein, das
Gemisch zu berichtigen, bevor eine große Menge des
unrichtigen Gemisches in das System eingeführt wird.
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Desgleichen ist bei der Rißbildung in Bohrlöchern
Überwachung der Dichte der den Riß bildenden Flüssigkeit
bzw. der Füllstoff enthaltenden Aufschlämmung
wünschenswert, um sicherzustellen, daß die Aufschlämmung
nicht zu wenig Füllstoff enthält, was zur Folge haben kann,
daß sich der Riß schließt, bzw. zu viel Füllstoff, in
welchem Falle "Versandung" oder Abbruch der Operation in
Folge des Verstopfens der Pumpe, von Leitungen oder des
Bohrlochs mit Füllstoff zu befürchten ist.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
relativ schnelle Ansprache auf Dichteänderung in einem
Zementiersystem bzw. in dem System einer rißbildenden
Flüssigkeit zu ermöglichen, so daß die Flüssigkeit laufend
überwacht und gegebenenfalls berichtigt werden kann, um
gleichmäßige Dichte des Flüssigkeitsgemisches zu bewirken.
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Dem Stand der Technik gemäß wurde digitale
Datenverarbeitung für kerntechnische Dichtemesser
entwickelt, wie dies aus dem an Carl W. Zimmerman erteilten
U.S.-Patent Nr. 3,657,532 hervorgeht. Wie dies in dem
besagten Patent erläutert ist, ermöglichen digitale Systeme
die Einbeziehung zuverlässiger, preisgünstiger und
raumsparender integrierter Schaltungen und können zur
Entwicklung digitaler Impulszähltechniken benutzt werden.
Bei diesem dem bisherigen Stand der Technik entsprechenden
Gerät findet die Reaktion auf eine Änderung der Dichte der
zu prüfenden Flüssigkeitsprobe jedoch verhältnismäßig
langsam statt, und es kann daher eine erhebliche Menge der
Flüssigkeit unrichtiger Dichte zwecks Einsatz durch das
System hindurchfließen, bevor eine Berichtigung der Dichte
nachweisbar ist oder durchgeführt werden kann.
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Das U.S.-Patent Nr. 4,618,939 (Davis) betrifft
eine Methode und ein System zum Abtasten der Dichte einer
Flüssigkeit und zum Erstellen statistischer Zählsignale,
die zu der Dichte proportional sind. Dieses dem Stand der
Technik entsprechende System erkennt nur erhebliche
Änderungen der Dichte und spricht dann erst nach einer
beträchtlichen Zeitspanne auf diese Änderungen an.
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EP-A3-0 132 067 beschreibt ein System mit einer
radioaktiven Quelle und einem Detektor zum Anzeigen von
Änderungen der Dichte einer Materialströmung. Dieses Patent
beschreibt ein für einen radioaktiven Dichtemesser
bestimmtes Filter, das Zählsignale ansammelt und einen
Einflußfaktor entwickelt. Falls die Dichteänderungen groß
genug sind und genügend lange andauern, wird der
Einflußfaktor verändert, um eine Anzeige der Dichteänderung
zu liefern.
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Der vorliegenden Erfindung gemäß wird ein
radioaktives Dichtemessersystem geschaffen, das folgende
Teile umfaßt: ein Rohr zum Fördern einer Flüssigkeit; eine
anschließend an das besagte Rohr angeordnete radioaktive
Quelle, die eine Strahlung mit zufallsveränderlicher
Intensität während einer relativ kurzen Zeitspanne und
einer konstanten Intensität während einer relativ langen
Zeitspanne abgibt; diametral gegenüber der besagten
radioaktiven Quelle und anschließend an dem besagten Rohr
angeordnete Nachweismittel zum Nachweisen der besagten
Strahlung und zum Umwandeln der besagten Strahlung in
elektrische Signale, wobei die besagte Strahlung von der
besagten Flüssigkeit proportional zu deren Dichte
absorbiert wird und die nachgewiesene Strahlung von der
Flüssigkeitsdichte abhängt; Zeitschaltmittel zum Abtasten
der besagten elektrischen Signale während einer
spezifischen Zeitspanne; und ein Computermittel zum
Verarbeiten der besagten abgetasteten elektrischen Signale
durch Filtern der besagten elektrischen Signale und durch
Regeln des momentan nachgewiesenen Dichtewerts relativ zu
dem zuvor nachgewiesenen Dichtewert unter Verwendung eines
Einflußfaktors, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte
Computermittel von dem Einflußfaktor derart Gebrauch macht,
daß die statistische Bedeutung von Änderungen in dem
nachgewiesenen Signal berücksichtigt wird, wobei der
Einflußfaktor auf dem absoluten Wert einer Differenz
zwischen einer mittleren Frequenz einer anfänglichen Gruppe
abgetasteter elektrischer Signale und einer mittleren
Frequenz einer darauf folgenden Gruppe abgetasteter
elektrischer Signale beruht, und zwar wird die besagte
Differenz durch die Standardabweichung der besagten
anfänglichen mittleren Frequenz geteilt.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein
Verfahren zum Einsatz eines radioaktiven
Dichtemessersystems, das folgende Schritte umfaßt:
Bereitstellung einer radioaktiven Quelle, die eine
Strahlung mit zufallsveränderlicher Intensität während
einer relativ kurzen Zeitspanne und konstanter Intensität
während einer relativ langen Zeitspanne abgibt;
Bereitstellung eines linear mit der besagten radioaktiven
Quelle ausgerichteten Detektors zum Nachweis der besagten
Strahlung; Hindurchleiten einer Flüssigkeit bestimmter
Dichte zwischen dem besagten Detektor und der besagten
radioaktiven Quelle; Nachweis der besagten Strahlung, wobei
die Menge der besagten nachgewiesenen Strahlung von der
Dichte der besagten Flüssigkeit abhängt; Umwandlung der
besagten Strahlung in elektrische Signale; Abtasten der
besagten elektrischen Signale während einer gewissen
Zeitspanne; dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verfahren
des weiteren zwecks Filterung der besagten elektrischen
Signale auf die Verarbeitung der besagten abgetasteten
elektrischen Signale erstreckt, und zwar durch Bestimmung
eines ersten prozentualen Anteils einer mittleren Frequenz,
mit der abgetastete elektrische Signale während einer
anfänglichen Abtastperiode anfallen; Bestimmung eines
zweiten prozentualen Anteils einer mittleren Frequenz, mit
der während der nächsten darauffolgenden Abtastperiode
abgetastete elektrische Signale anfallen; Hinzurechnen des
besagten ersten prozentualen Anteils zu dem zweiten
prozentualen Anteil, wobei sich die Schritte der Bestimmung
eines ersten bzw. zweiten prozentualen Anteils auf die
Bestimmung eines Einflußfaktors erstrecken, um die
statistische Bedeutung von Änderungen in dem nachgewiesenen
Signal zu berücksichtigen.
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Es ist ein durch eine Zentraleinheit (CPU)
gesteuertes Filter vorgesehen, das schnell auf tatsächliche
Änderungen in dem Zustand von Emissionen einer radioaktiven
Quelle ansprechen kann, wobei die besagten Emissionen
zufallsveränderlich um einen Mittelwert schwanken und durch
die mit Hilfe des Dichtemessersystems zu messende
Flüssigkeit teilweise absorbiert werden. Die nicht
absorbierten Emissionen ergeben Zählwerte, die von der
Flüssigkeitsdichte abhängen. Die vorliegende Erfindung
schafft ein genaues und schnelles Mittel zur Bestimmung, ob
eine Dichteänderung tatsächlich stattgefunden hat. Die CPU
ist so angeordnet, daß die Differenz zwischen der mittleren
Frequenz (f&sub0;) einer anfänglichen Stichprobe von Zählwerten,
d.h. dem Mittelwert, und der mittleren Frequenz (f&sub1;) der
nächsten darauffolgenden Stichprobe von Zählwerten durch
die Anzahl der dazwischen befindlichen Standardabweichungen
zuzüglich eines Dämpffaktors geteilt, einen Einflußfaktor
entsprechend aktualisiert. Je weiter daher ein Zählwert von
dem Mittelwert entfernt ist, um so schneller ändert sich
die Anzeige der Dichte.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun als Beispiel näher beschrieben, und zwar
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wie
folgt:
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Bild 1 ist ein schematischer Schaltplan, der eine
bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
radioaktiven Dichtemessersystems darstellt;
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Bild 2 zeigt eine Kurve, die die Beziehung
zwischen Dichte und mittlerer Zählrate veranschaulicht;
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Bild 3 ist eine Kurve, die die Poisson-
Verteilungsfunktion der Zählwerte unter stationären
Bedingungen und die lineare Annäherung veranschaulicht, die
von dem Wert des Dämpffaktors abhängt.
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Bilder 4a und 4b sind Flußdiagramme, die den
Betrieb des Mikroprozessors in Bild 1 zwecks Verarbeitung
der Daten zur Erzielung kurzer Ansprechzeiten und schneller
Anzeigen der Zustandsänderung von zufallsveränderlich um
einen Mittelwert variierenden Signalen darstellen.
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Der Einsatz der Erfindung im Zusammenhang mit dem
Zementieren eines Bohrloches wird nun unter Bezugnahme auf
Bild 1 beschrieben. An einem Rohr 11 mit einer Bohrung 12,
durch die eine Bohrlochzementierflüssigkeit 13 zwischen
Zementiertanks oder -wagen (nicht dargestellt) und einem zu
zementierenden Bohrloch (nicht dargestellt) hindurch
geleitet wird, ist ein Gehäuse 10 angeordnet. An einer
Seite eines Rohres mit Bohrung 12 befindet sich eine
Strahlungsquelle 14 und an der gegenüberliegenden Seite ein
Strahlungsdetektor 15. Die durch die Quelle 14 gelieferte
Strahlung umfaßt Gammastrahlenemissionen mit während einer
erheblichen Zeitspanne konstanter Intensität (die während
einer kurzen Zeitspanne zufallsveränderlich um einen
Mittelwert variiert). Unter einer erheblichen Zeitspanne
ist eine Zeitspanne zu verstehen, die viel geringer ist als
die Halbwertszeit der Strahlungsquelle. Die Gammastrahlen
werden durch das die Bohrung 12 umgebende Material und die
Zementaufsch1ämmung 13 innerhalb der Bohrung hindurch an
den Detektor 15 übertragen. Der Detektor 15 kann zum
Beispiel aus einem Kristall von Natrium- oder Cäsiumjodid
(aktiviertem Thallium) oder auch aus einem anderen Material
bestehen, das in der Lage ist, unter der Einwirkung von
Strahlen zu szintillieren, und kann zum Umwandeln der von
dem Kristall ausgehenden Szintillationslichtblitze in
elektrische Impulse eine Fotoelektronenvervielfacherröhre
umfassen. Es liegt auf der Hand, daß die
Zementaufschlämmung 13 die einzige Veränderliche ist, was
die Dichte zwischen der Quelle 14 und dem Detektor 15
anbelangt. Ein gewisser Anteil der von der Quelle 14
abgegebenen Gammastrahlen wird von der Zementaufschlämmung
13 absorbiert bzw. gedämpft und erreicht den Detektor 15
nicht. Die Frequenz, mit der die von der
Fotovervielfacherröhre des Detektors 15 ausgehenden Signale
gezählt werden, steht daher in ähnlicher Beziehung zu der
Dichte der Zementaufschlämmung 13, die die Strahlen
durchdringen müssen, und der Intensität der Quelle 14.
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Als Energiequelle des Detektors 15 dient eine
Hochspannungsversorgung 16, und die Ausgangssignale des
Detektors 15 werden einer Vergleichsschaltung 17
zugeleitet. Die Vergleichsschaltung 17 eliminiert
Fremdrauschsignale unterhalb eines ausgewählten
Amplitudenpegels, der durch einen durch Widerstand 17A
eingestellten Bezugspegel bestimmt wird, und verstärkt die
durch die Schaltung verlaufenden Ausgangssignale. Der
Ausgang der Vergleichsschaltung 17 entspricht den
Zählwerten oberhalb des durch den Widerstand 17A bedingten
Schwellwerts.
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Die von der Vergleichsstufe 17 ausgehenden
Ausgangsignale werden einem Zählwerkregister 25 zugeführt,
und das Zählwerkregister 25 liefert Ausgangssignale, die
einem Computer 26 zugeleitet werden. Bei dem Computer kann
es sich um einen OKI Semiconductor 8085 Mikroprozessor oder
eine andere geeignete CPU handeln. Der Mikroprozessor 26
wird durch einen Taktgeber 49 getaktet, um die Zählwerte in
dem Register 25 systematisch und regelmäßig zu verarbeiten.
Nach Verarbeitung der Daten kann der Computer 26 einen
Ausgang an einen wahlweisen Schreiber 27 liefern.
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Das durch den Computer 26 gesteuerte Filter
bestimmt einen "optimalen Schätzungswert" der mittleren
Frequenz, der auf den jeweils verfügbaren Informationen
basiert. Da anfänglich keine Information verfügbar ist,
wird willkürlich angenommen, daß die mittlere Frequenz eins
(1) beträgt. Indem infolge der Abtastung von Zählwerten
Informationen verfügbar werden, läßt sich die mittlere
Frequenz, d.h. f0(n) für jede Zeit n, abschätzen. Des weiteren
können für jede darauffolgende Zeitspanne, in der
abgetastete Zählwerte gezählt werden, weitere Schätzungen
f0(n+1) durchgeführt werden. Diese schätzungsweise mittlere
Frequenz ist in Bild 3 als f0 wiedergegeben, wobei die
waagerechte Koordinate in Bild 3 der Anzahl der
Standardabweichungen von dem Mittelwert der Zählwerte
entspricht. Die senkrechte Koordinate in Bild 3 entspricht
der Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer bestimmten
Zählfrequenz. Mit anderen Worten stellt Bild 3 eine
Poisson-Verteilung dar, die der normalen
Verteilungsfunktion eng entspricht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Filter wird von einem
Einflußfaktor Gebrauch gemacht, der der statistischen
Sicherheit der Ergebnisse angesichts der Wahrscheinlichkeit
statistischer Abweichungen von dem Mittelwert entspricht.
Je größer zum Beispiel der Abstand (Anzahl der
Standardabweichungen) zwischen dem Mittelwert und den
abgetasteten Daten ist, umso höher ist die statistische
Sicherheit, daß die Abweichung bedeutsam ist. Je größer die
Anzahl der Standardabweichungen zwischen dem Mittelwert und
den abgetasteten Daten ist, in um so höherem Maße wird bei
der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der
Mittelwert bei jedem Eingriff um den Einflußfaktor
geändert, wie dies in Bild 3 ersichtlich ist. Je höher die
statistische Sicherheit (und somit der Einflußfaktor) ist,
um so durchgreifender ist die Änderung des Mittelwerts.
Wird zum Beispiel ein Zählwert abgetastet, der um drei oder
mehr Standardabweichungen von dem Mittelwert entfernt ist,
so ist die statistische Sicherheit hoch. Die neu
empfangenen Daten hätten daher eine ziemlich durchgreifende
Änderung des Mittelwerts zur Folge.
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Falls die neuen Daten jedoch weniger als eine
Standardabweichung von dem Mittelwert entfernt wären, so
würde ein relativ geringer Einflußfaktor an den Mittelwert
angelegt werden, was zufolge hätte, daß sich der Mittelwert
den neuen Daten allmählicher nähert, da die statistische
Sicherheit, daß eine Zustandsänderung stattgefunden hat,
sehr gering wäre.
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Indem sich die neuen Daten dem Mittelwert nähern,
ist die Wahrscheinlichkeit, daß die anfallenden Daten eine
tatsächliche Änderung des Dichtezustands wiedergeben,
gering. Andererseits nimmt, wie bereits festgestellt wurde,
diese Wahrscheinlichkeit beim Anfallen von Daten, die um
eine zunehmende Anzahl von Standardabweichungen von dem
Mittelwert entfernt sind, zu.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die erfaßten Zählwerte durch die
Vergleichstufe 17 verarbeitet, und deren Ausgänge werden
periodisch dem Zählwerkregister 25 und danach dem Computer
26 zugeleitet. Es werden zehn dieser Zählwerte gesammelt,
und die mittlere Frequenz des Gesamtwerts wird mit einem
zuvor gewonnenen Mittelwert verglichen. Die Anzahl von
Standardabweichungen, um die sich der angesammelte Zählwert
von dem Mittelwert unterscheidet, wird, wahlweise gemeinsam
mit einem Dämpffaktor, zur Entwicklung eines Einflußfaktors
verwertet, der der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen
Filtersystems entspricht. Der Einflußfaktor wird zur
Bestimmung eines neuen Mittelwerts verwendet, und dieser
Mittelwert wird für die Anzeige einer neuen Dichte benutzt.
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Die vorliegende Erfindung verringert die
Ansprechzeit auf eine tatsächliche Änderung des
Dichtezustands in hohem Maße, indem die
zufallsveränderlichen Daten durch Filterung von denjenigen
Daten abgeschieden werden, die erkennen lassen, daß eine
tatsächliche Änderung stattgefunden hat und daß der
Einflußfaktor daher erhöht werden muß, um die Änderung der
Flüssigkeitsdichte schnell wiederzugeben.
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Der Einflußfaktor wird aufgrund des Mittelwerts
oder der mittleren Frequenz (fo(n)) zuvor geprüfter
Stichproben von Zählwerten bestimmt. Die Frequenz (f(n+1)),
die mittlere Frequenz der nächsten darauffolgenden Ein-
Sekunden-Stichprobe angesammelter Zählwerte, wird dann von
der anfänglichen mittleren Frequenz abgezogen, und es wird
der absolute Wert der Differenz bestimmt. Danach wird die
Standardabweichung (a) bestimmt, indem man die
Quadratwurzel der anfänglichen mittleren Frequenz zieht.
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= f0(n)
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Die Standardabweichung ( ) wird dann mit einem
Dämpffaktor (d) multipliziert, einer Konstanten (deren Wert
von den Parametern und Betriebsmerkmalen des Systems
abhängt, wie zum Beispiel davon, ob es sich um eine
Zementier- oder Induzierarbeit handelt, und der Art und
Größe des zum Einsatz gelangenden radioaktiven
Dichtemessers). Es wurde durch Forschung, Entwicklung,
betriebliche Prüfung und Technik erwiesen, daß bei dem
erfindungsgemäßen Filter ein Wert von d=8 außerordentlich
gute Ergebnisse bedingt, doch kommt jede positive Zahl in
Frage. Schließlich wird der Einflußfaktor (W) durch Teilen
des absoluten Werts der Differenz zwischen der anfänglichen
mittleren Frequenz (f0(n)) und der nächsten darauffolgenden
mittleren Frequenz (f(n+1)) mit dem Produkt der
Standardabweichung und des Dämpffaktors berechnet. Die
nachstehende Gleichung beschreibt daher die vorstehende
Beziehung.
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Ein neuer mittlerer Frequenzwert, der zu einem neuen
mittleren Dichtewert führt, wird mit Hilfe eines Teils der
anfänglichen mittleren Frequenz zuzüglich eines Teils der
nächsten darauffolgenden mittleren Frequenz berechnet. Der
benutzte Teil der anfänglichen mittleren Frequenz ist
gleich eins abzüglich des Einflußfaktors. Der benutzte Teil
der nächsten darauffolgenden mittleren Frequenz ist der
Einflußfaktor. Diese Beziehung wird durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
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f0(n+1) = f0(n) (1-W) + f(n+1)W
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Nehmen wir zum Beispiel an, daß f&sub0; = 10,000
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f&sub1; = 10,100
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d=8
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Dann haben wir
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wobei = f&sub0; = 10,000 = 100
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Daher
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und
Zählwerte
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Wie dies aus der vorstehenden Erörterung und Bild
3 ersichtlich ist, nähert sich f0(n+ 1) dem Wert f0(n), indem
sich der Einflußfaktor null nähert. Dagegen nähert sich
f0(n+1)
dem Wert f(n+1), indem sich der Einflußfaktor eins
nähert. Indem sich der Einflußfaktor daher dem Werte null
nähert, nimmt die Wahrscheinlichkeit, daß eine tatsächliche
Zustandsänderung stattgefunden hat, ab und die
Wahrscheinlichkeit, daß eine Schwankung der Zählwerte auf
eine zufallsveränderliche Variation zurückzuführen ist,
zu. Indem sich jedoch der Einflußfaktor dem Wert eins
nähert, nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, daß in der Tat
eine Zustandsänderung stattgefunden hat, während die
Wahrscheinlichkeit, daß die Frequenzschwankung auf eine
zufallsveränderliche Größe zurückzuführen war, abnimmt.
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Aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung ist bekannt,
daß die Wahrscheinlichkeit einer tatsächlichen Änderung
umso größer ist, um je mehr Standardabweichungen ein Wert
von dem Mittelwert (in diesem Falle f0(n)) entfernt ist. Bild
3 zeigt die Poisson-Verteilung einer zufallsveränderlichen
Größe als eine "glockenförmige" Kurve. Da f0(n) viel höher ist
als eins, nähert sich diese Poissonkurve der Normalkurve.
Außerdem ist eine lineare Annäherung dargestellt, die sich
von dem Gipfel der Glockenkurve in beiden Richtungen nach
außen erstreckt und die waagerechte Koordinate zu beiden
Seiten der Linie f0(n) an den Punkten +d und -d schneidet. Der
für d gewählte Wert wirkt sich auf die Geschwindigkeit aus,
mit der das erfindungsgemäße Filter arbeitet.
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Wenn einmal die Wahrscheinlichkeit, daß eine
tatsächliche Zustandsänderung (der Dichte) stattgefunden
hat, berücksichtigt wurde, d.h wenn f0(n+1) berechnet wurde,
wird der Dichteausgang aktualisiert und durch den Schreiber
27 der folgenden Umformgleichung gemäß dargestellt:
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wobei ? = Dichte
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K&sub2; = Frequenz, wenn die Bohrung 12 leer ist
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ln = natürlicher Logarithmus
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K&sub1; = Konstante
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f0(n+1) = neue mittlere Frequenz
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Man beachte, daß Kurve 18 in Bild 2 eine Aufzeichnung der
Zählgeschwindigkeit im Verhältnis zur Dichte ist.
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Wie vorstehend festgestellt, dient bei dem
erfindungsgemäßen Filter lineare Annäherung (Bild 3) zum
Bestimmen, ob eine tatsächliche Zustandsänderung
stattgefunden hat. Man beachte, daß für diese Bestimmung
von einer Poisson-Verteilung bzw. der Normalverteilung oder
der "Glockenkurve" Gebrauch gemacht werden könnte. Die
vorliegende Erfindung zielt jedoch auf eine Ausführungsform
hin, bei der der Mikroprozessor 26 nicht in der Lage ist,
die Verteilung von Zählwerten entlang der kugelförmigen
Kurve innerhalb der erfindungsgemäß erforderlichen
Zeitgrenzen zu bestimmen. Nach der vorliegenden Erfindung
ist es möglich, durch lineare Annäherung zuverlässig zu
bestimmen, wann eine tatsächliche Zustandsänderung
stattfindet, ohne daß es nötig wäre, vorhandene, bereits in
Einsatz befindliche Mikroprozessoren zu aktualisieren.
Außerdem verbessert das erfindungsgemäße Filtersystem die
Ansprechzeit bei großen Dichteänderungen von fünf (5) auf
zwei (2) Sekunden und verbessert die Ansprechzeit bei
kleinen Dichteänderungen von zwanzig (20) auf sechs (6)
Sekunden.
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Nun wird unter Bezugnahme auf die Bilder 4a und
4b die Wirkungsweise des Filters der CPU 26 eingehend
beschrieben.
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Als Stufe 1 wird das Filter zum Einsatz gebracht.
In Stufe 1 findet keine Verarbeitung statt. Das Filter wird
normalerweise einmal zum Einsatz gebracht, wenn immer der
10-Hertz-Taktgeber 49 ein Signal sendet. Stufe 2 erhöht den
Modulo-10-Zähler, so daß das Filter bestimmen kann, wann
zehn 0,1-Sekunden-Intervalle vorgekommen sind. Danach
rechnet in Schritt 3 ein Akkumulator etwaige darin
gespeicherte Zählwerte zu etwaigen neuen, von dem
Zählwerkregister 25 gelieferten Zählwerten hinzu.
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Stufe 4 kontrolliert, ob zehn Zählwerte
angesammelt wurden, d.h. ob der Taktgeber 49 zehn Signale
abgegeben hat. Falls weniger als zehn Zählwerte empfangen
wurden, wird der Steuerungsablauf in dem Filter
unterbrochen. Wurden aber zehn Zählwerte angesammelt, so
schaltet das System auf Schritt 5 fort, in dem bestimmt
wird, ob der Inhalt des Akkumulators gleich null ist, d.h.
ob momentan null Zählwerte darin gespeichert sind. Falls
der Inhalt des Akkumulators gleich null ist, so schaltet
das System auf Schritt 6 fort, in dem der Einflußfaktor auf
gleich eins eingestellt wird. Der Steuerungsablauf in dem
Filter geht dann auf Schritt 9 über.
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Ist der Akkumulatorinhalt in Schritt 5 nicht
gleich null, so bestimmt Schritt 7 den Einflußfaktor, und
das System schaltet auf den nächsten Schritt fort. Schritt
8 bestimmt, ob der Einflußfaktor höher ist als eins. Falls
nicht, so wird der Steuerungsablauf in dem Filter mit
Schritt 9 fortgesetzt. Ist der Einflußfaktor höher als
eins, so stellt Schritt 10 den Wert auf gleich eins ein,
wodurch der Einflußfaktor auf einhundert Prozent
eingeschränkt wird. Schritt 11 und Schritt 9 sind
Sammelpunkte. D.h. sie zeigen, wo sich die
Steuerungsablaüfe vereinigen. An Sammelpunkten findet keine
Verarbeitung statt.
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Nun schaltet das Filter auf Schritt 12 fort, in
dem eine neue mittlere Frequenz (ein neuer Mittelwert)
durch Multiplizieren der anfänglichen mittleren Frequenz
mit eins abzüglich des Einflußfaktors (1-W) und durch
Hinzurechnen dieses Produkts zu dem Produkt der mittleren
Frequenz der in dem Akkumulator enthaltenen Zählwerte und
des Einflußfaktors bestimmt wird.
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In Schritt 13 wird das Modulo-10-Zählwerk auf
null zurückgestellt, d.h. es beginnt eine neue
Abtastperiode, und in Schritt 14 wird die mittlere
Zählwertfrequenz im Akkumulator auf null zurückgestellt, so
daß die mittlere Frequenz für die nächste darauffolgende
Gruppe von Zählwerten bestimmt werden kann. Der
Filterprozeß ist abgeschlossen, weitere Filterverarbeitung
findet erst 0,1 Sekunden später statt, wobei die
Verarbeitung wieder mit Schritt eins beginnt.
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Obgleich dieses System besonders fur das Messen
einer Zement- oder Füllstoffaufschlämmung geeignet ist, bei
der gute Auflösung der Dichtemessung sowie hohe
Genauigkeit, schnelle Ansprache und hohe Stabilität
erforderlich sind, wird ein auf dem Sektor, dem die
Erfindung angehört, erfahrener Fachmann nach dem Lesen der
vorstehenden Beschreibung ohne weiteres andere Anpassungen
und Vorzüge der Erfindung erkennen. Die vorstehende
Beschreibung ist daher nur als veranschaulichender Art zu
erachten.