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Schaltung zur Messung des Zeitabstandes aufeinanderfolgender elektrischer Impulse
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Messung des Zeitabstandes aufeinanderfolgender elektrischer Impulse. Derartige Messungen sind bei vielen zu lösenden Aufgaben notwendig. Die Impulse, deren Zeitabstand gemessen wird, können entweder direkt von irgendeinem zu überprüfenden, elektrischen Vorgang stammen oder auch bei einem anderen-etwa mechanischen-Vorgang mittels Zusatzgeräten erzeugt werden. Zeitmessungen werden beispielsweise dann durchgeführt, wenn die Laufzeit eines Impulses bestimmt werden soll, wie dies bei Echolotungen, Materialprüfungen mit Ultraschall, Leitungsprüfungen in der Starkstromtechnik mit hochfrequenten Wechselstromimpulsen der Fall ist.
Wenn längere Zeiten gemessen werden sollen, werden bisher meistens elektrisch gesteuerte Stoppuhren zur Zeitmessung verwendet, während kürzere Zeiten vorzugsweise mit Hilfe eines von den Impulsen ausgesteuerten Oszillographen bestimm werden. In Verbindung mit Oszillographen und auch für sich wurden schon Schaltungen zur Messung des Zeitabstandes elektrischer Impulse vorgeschlagen, bei denen Röhrenkreise Verwendung finden, an die möglicherweise gleich in Zeit- oder Längenabständen geeichte Spannungsmesser angeschaltet sind, mit deren Hilfe ein in den Röhrenkreisen erzeugter, der zwischen den Impulsen vergehenden Zeit proportionaler Spannungsabfall gemessen wird. Derartige Schaltungen finden be- sonders bei der Laufzeitmessung elektromagnetischer Wellenimpulse (beispielsweise bei Radarsystemen) V er- wendung.
Der Zeitabstand der Impulse wird dabei beispielsweise derart ermittelt, dass knapp vor Beginn der Aussendung eines Impulses, dessen Laufzeit gemessen werden soll, im Röhrensystem ein nach einer Geraden verlaufender Spannungsabfall ausgelöst und bei der Aussendung des Impulses sowie etwa bei Ra- darsystemen bei jedem eintreffenden Echo der Spannungsabfall gegenüber einer konstant. gehaltenen Bezugsspannung gemessen wird, so dass sich aus der Differenz der bei den einzelnen Impulsen vorhanden gewesenen Spannungsabfälle ein Mass für die zwischen den Impulsen verstrichene Zeit ergibt. Derartige Schaltungen besitzen jedoch verschiedene Nachteile. Zunächst kommt es häufig vor, dass die Röhren zu träge ansprechen, was zur Folge hat, dass nur dann eine Messung durchgeführt werden kann, wenn die einzelnen Bezugsimpulse für sich eine bestimmte Zeit andauern.
Weiterhin werden bei den meisten die- ser Schaltungen, etwa beim Auftretenvon Mehrfachechos, nicht nur die beiEcholotungen an sich gewünschten Zeitabstände zwischen der Abgabe des Impulses und dem ersten ankommenden Echo, sondern auch die Zeitabstände zwischen den später einlangenden Echoimpulsen registriert, was Ungenauigkeiten in der Messung zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die angegebenen Übelstände, besonders bei Laufzeitmessungen, zu beseitigen. Bei der erfindungsgemässen Schaltung findet ein Röhrenkreis an den ein Spannungsmesser angeschaltet ist, Verwendung, wobei mit Hilfe des Spannungsmessers ein im Röhrenkreis erzeugter, der zwischen den Impulsen vergehenden Zeit proportionaler Spannungsabfall gemessen wird.
Die erfindungsgemässe Schaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Miller-System mit einer Pentode vorgesehen ist, in deren Anodenkreis ein mit ihrem Steuergitter verbundenes RC-Glied liegt, an das der Spannungsmesser angeschlossen ist und dass eine vorteilhaft ebenfalls als Pentode ausgebildete Hilfsröhre vor-
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ist, wobei zwei Eingänge vorgesehen sind, über die die gegebenenfalls über Umpoler und Verstärker negativ zugeführten Impulse wirken, von welchen Eingängen der für den ersten ankommenden Impuls bestimmte, an das Fanggitter der Hilfsröhre, der für den zweiten Impuls dagegen direkt an das Fanggitter der Miller-Röhre gelegt ist, so dass der erste Impuls über die Hilfsröhre die am Fanggitter der Miller-Röh-
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re liegende negative Gittervorspannung kompensiert, de ; :
zweite Impuls dagegen die den Anodenstrom sperrende Gittervorspannung wieder herstellt. Die unter dem Namen Miller-Schaltung bekannte Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass im Anodenkreis der Pentode zwischen zwei Extrempunkten ein der vergehenden Zeit proportionaler Spannungsabfall auftritt. Nach Erreichen des Spannungstiefpunktes steigt die Spannung nach einer Exponentialkurve wieder bis zum zweiten Extrempunkt an. Bei der erfindungsgemä- ssen Schaltung wird der kontinuierliche Spannungsabfall der Miller-Schaltung zur Zeitmessung verwendet, wobei der Miller-Abfall durch den einen Impuls ausgelöst, durch den andern dagegen unterbrochen wird.
Die Miller-Röhre ist im Normalzustand durch die an ihr Fanggitter angelegte negative Gittervorspannung gesperrt und besitzt daher eine konstante Anodenspannung. Der erste ankommende Impuls sperrt bzw. drosselt über das Fanggitter den Anodenstrom der Hilfsröhre, wodurch sich bei dieser eine Erhöhung der Anodenspannung ergibt. Dadurch wird die am Fanggitter der Miller-Röhre liegende negative Vorspannung kompensiert und das Miller-System ausgelöst. Da das Steuergitter der Hilfsröhre mit der der Miller-Röhre verbunden ist, tritt an ihm während der Dauer des Miller-Abfalles ein-allerdings wesentlich schwä- cherer - Spannungsabfall auf.
Durch diesen Spannungsabfall bleibt die hohe positive Anodenspannung dieser Röhre auch nach der Beendigung des Impulses erhalten, wodurch es möglich wird, den Zeitabstand auch von solchen Impulsen zu messen, die selbst nur kurze Zeit andauern, dafür aber-verglichen mit ihrer eigenen Zeitdauer - lange Zeit auseinanderliegen, Der zweite ankommende Impuls, der direkt am Fanggitter der Miller-Röhre wirkt, beendet den Miller-Abfall und damit auch die negative Gittervorspannung der Hilfsröhre, . so dass sich diese wieder auf den Normalzustand einstellt.
Da nur der erste Impuls über die Hilfsröhre auf das Miller-System wirkt, während alle nachfolgenden Impulse direkt über den zweiten Eingang an das Fanggitter der Miller-Röhre gelegt werden, bleibt das System nach der Unterbrechung des Miller-Abfalles durch einen einlangenden Impuls auch beim Einlangen weiterer Impulse beim zweiten Eingang bis zum Einlangen des nächsten Impulses über den ersten Eingang gesperrt. Damit ist die Möglichkeit geschaffen,'bei Laufzeitmessungen exakt die zwischen dem Sendeimpuls und dem Einlangen des ersten Echos vergehende Zeit zu bestimmen, während weitere Echoimpulse wirkungslos bleiben.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung im prinzipiellen Schaltschema, wobei alle für die Erfindung-unwe- sentlichen Details weggelassen wurden, Fig. 2 verschiedene Spannungskurven, Fig. 3 eine Anordnung zur Laufzeitmessung bei einem Ultraschallmaterialprüfgerät im Blockschema und Fig. 4 eine zugehörige Impulskurve.
Bei der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 sind zweiElektronenröhren l und 2 vorgesehen, die beide als Pentoden ausgebildet sind und von denen die eine (1) im folgenden als Miller-Röhre, die andere (2) aber als Hilfsröhre bezeichnet wird. An die Anode der Miller-Röhre l sind ein aus einem (wahlweise umschaltbaren) Kondensator C und einem einstellbaren Widerstand R bestehendes RC-Glied und über einen weiteren Kondensator Cl und eine Gleichrichteranordnung G ein Spannungsmesser 3 angeschaltet. Die Steuergitter der beiden Röhren 1 und 2 sind mit der den Widerstand R mit dem Kondensator C verbindenden Leitung galvanisch verbunden. Die Anode der Hilfsröhre 2 ist über einen Widerstand Rl, dem ein Kondensator C2 parallel geschaltet ist mit dem Fanggitter der Miller-Röhre 1 verbunden.
Die Schirmgitter der beiden Röhren sind über Kondensatoren C, -1, gegen Masse abgeblockt. Für die Schaltungsanordnung sind zwei Eingänge 4,5 vorgesehen, von denen der eine mit dem Fanggitter der Hilfsröhre, der andere aber mit dem Fanggitter der Miller-Röhre verbunden ist. Das Fanggitter der Miller-Röhre liegt weiterhin über ein Potentiometer R an einer hohen negativen Vorspannung.
Beim Betrieb ist im Normalzustand der Anodenstrom der Miller-Röhre l zufolge der über R2 an das Fanggitter angelegten negativen Vorspannung gesperrt, und es kann daher in dieser Röhre nur ein Schirmgitterstrom fliessen. Die beiden Impulse, deren Zeitabstand bestimmt werden soll, werden über die Eingänge 4 und 5, gegebenenfalls über Verstärker und Umpoler, negativ zugeführt. Ein über den Eingang 4 ankommender, negativer Impuls wirkt auf das Fanggitter der Hilfsröhre 2 und drosselt bzw. unterbricht deren Anodenstrom. Dadurch steigt die Anodenspannung dieser Röhre an, wodurch zufolge der Verbindung über R die über R, am Fanggitter der Miller-Röhre liegende negative Vorspannung kompensiert wird und in der Miller-Röhre ein Anodenstrom einsetzen kann.
Dadurch wird an ihrem Anodenwiderstand ein Spannungsabfall hervorgerufen, der über C auf die Steuergitter der beiden Röhren 1, 2 wirkt und diese um den Betrag des für alle Miller-Schaltungen charakteristischen"Startspiunges" (der etwa 2V beträgt) negativ macht. Da die Steuergitter über R auch an der positiven Betriebsspannung liegen, hat das Steuergitter-Potential das Bestreben, auf den ursprünglichen Wert von 0 V anzusteigen, wodurch sich auch eine Vergrö- sserung des Anodenstromes ergibt.
Zufolge der starken Gegenkopplung über den Kondensator C wird dieser Vorgang jedoch so gehemmt, dass die Gitterpotentialzunahme nur allmählich-wie dies in der Kurve S in
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Fig. 2 veranschaulicht wurde-erfolgen kann, was mit dem als"Miller-Effekt"bekannten, linearenAb- sinken des Anodenpotentials der Miller-Röhre 1 verbunden ist (siehe Kurve M in Fig. 2 erster Teil). Nach Erreichen des Anoden-Restpotentials steigen Anoden- und Gitterspannung selbständig nach einer Exponentialkurve wieder auf ihren Ausgangswert an (Rücklauf).
Während des Miller-Abfalles wird der Anoden- und Schirmgitterstrom der Hilfsröhre 2 infolge des negativen Steuergitterpotentials unterbrochen, wodurch, wie erwähnt, ihre Anodenspannung und damit auch die Fanggitterspannung der Miller-Röhre l so weit ansteigen, dass in der letzteren ein Anodenstrom fliessen kann. Der Anodenspannungsverlauf der Hilfsröhre wur- de durch die Kurve A in Fig. 2 veranschaulicht. Falls kein weiterer Impuls erfolgt, so treten im System etwa jene Spannungsverhältnisse auf, die in Fig. 2 durch die stark ausgezogenen Kurven M, S, A veranschaulicht wurden.
In dieser Kurvendarstellung wurde durch die strichpunktiert angedeutete Ordinate 6 das durch den ersten Impuls bewirkte Einsetzen des Miller-Abfalles am RC-Glied, durch die Ordinate 7 aber das von der Zeitkonstante des RC-Gliedes abhängige Ende des Miller-Abfalles angedeutet. Falls kein weiterer Impuls erfolgt, steigt die Spannung am RC-Glied nach einer Exponentialkurve wieder an, nachdem sie den untersten Extremwert erreicht hat und das System kommt wieder zur Ruhe, die nur durch einen über den Eingang 4 eingespeisten Impuls wieder aufgehoben werden kann. Wird nun aber während der Zeitdauer des Miller-Abfalles über den Eingang 5 ein negativer Impuls eingespeist, so wird im gleichen Augenblick das Fanggitter der Miller-Rohre l wieder hinreichend negativ, wodurch der Anodenstrom der Miller-Röhre unterbrochen wird und der Miller-Abfall sein Ende findet.
Dadurch sinkt die Anodenspannung der Hilfsröhre wieder auf den Normalwert ab. In Fig. 2 wurde dieser Fall durch die strichliert eingezelchnetenKurven M', A'und durch die dem zweiten Impulsbeginn entsprechende Ordinate 8 veranschaulicht. Am Instrument 3 kann nun eine Spannung A U abgelesen werden, die, da der Spannungsabfall im Millet-System nach einer Geraden erfolgt, der zwischen den beiden Impulsen verstrichenen Zeit A t-direkt proportional ist. Es ist daher ohne weiteres möglich, das Instrument 3 direkt in der Zeiteinheit oder bei Materiálprüfungen durch Laufzeitmessung auch-in Längeneinheiten zu eichen. In gleicher Weise ist bei Echolotungen ebenfalls eine Eichung in der Längeneinheit möglich.
Falls mit Hilfe der vorgesehenen Schaltungsanordnung ein einmaliger Vorgang gemessen werden soll, so wird zweckmässig ein in der Ausschlagstellung verbleibendes Messinstrument verwendet. Bei Laufzeitmessungen und insbesondere bei der Verwendung der Schaltungsanordnung bei Materialprüfgeräten, bei denen die Sendeimpulse in rascher Folge abgegeben werden, so dass sich die beschriebenen Vorgänge innerhalb kürzester Zeit oftmalig wiederholen, kann auch ein übliches Messinstrument Verwendung finden.
In Fig. 3 wurde im Blockschema eine Schaltungsanordnung eines Ultraschallmaterialprüfgerätes veranschaulicht. Dabei ist ein Sender G vorgesehen, der von einem Taktgeber 10 erregt wird und im Takt einer vorbestimmten Folgefrequenz (beispielsweise 1 MHz) über einen in einem Tastkopf od. dgl. untergebrachtun Schallwandler 11 kurze HF-Impulse in das zu prüfende Materialstück sendet.
Die vom Schallwandler 11 abgegebenen Schallimpulse. werden in dem zu prüfenden Materialstück reflektiert und von einem eigenen Empfänger bzw. wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, von dem gleichen Schallwandler empfangen, in elektrische Impulse rückverwandeltund über einen Verstärker 12 anden Eingang 5 einer allge- mein mit 13 bezeichneten erfindungsgemässen Schaltungsanordnung gelegt, deren Aufbau etwa der Ausführung nach Fig. 1 entsprechen kann. Dem Sender 9 ist weiterhin ein vorzugsweise einstellbares Zeitverzögerungsglied 14 (etwa ein Univibrator) nachgeschaltet, über das der Sendeimpuls verzögert zum Eingang 4 der Schaltungsanordnung 13 gelangt. Die Zeitverzögerung ist notwendig, weil sich sonst die über die Eingänge 4 und 5 eingehenden Sendeimpulse kompensieren würden.
Der Sender 9 wirkt nämlich nicht nur auf den Schallwandler 11, sondern gleichzeitig auch auf den Verstärker 12 und damit auf den Eingang 5. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, das Zeitverzögerungsglied auf verschiedene Werte einstellbar auszubilden. Auf diese Weise können etwa bei Massenartikeln Toleranzmessungen durchgeführt werden. Dabei wird etwa das Zeitverzögerungsglied bei Längenmessungen auf den kürzesten zulässigen Weit einge- stellt. Teile, die diese Länge nicht erreichen, können sofort festgestellt werden, weil sich bei ihnen zufolge des Einlangens des Echoimpulses vor dem verzögertenSendeimpuls dauernd ein voller Ausschlag am Instrument zeigen wird. (Am Miller-System wird jeweils die Spannung bis zum unterstenExtrempunkt'absinken).
Eine andere Möglichkeit besteht natürlich darin, am Instrument den gewünschten Wert einzustellen und beidseitig an der Skala Toleranzmarken anzubringen.
InFig. 4 wurde der Impulsverlauf bei einem Ultraschallmaterialprüfgerät veranschaulicht. Dabei bedeutet die Kurve 15 den Sendeimpuls ; die Kurve 15'den vom Verzögerungsglied verzögerten, dem Sendeimpuls entsprechenden Impuls, der an den Eingang 4 gelegt wird ; die Kurve 16 das erste empfangene Echo und die Kurve 17 ein weiteres Echo. Durch das Zeitverzögerungsglied kann der Abstand zwischen den Impulsen 15 und 15'eingestellt werden. Die mit dem Gerät gemessene Zeit A t entspricht. dem Zeitab-
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stand zwischen dem verzögerten Impuls 15'und dem ersten Echoimpuls 16. Der Echoimpuls 17 kann nicht mehr zur Geltung kommen, weil er über dem Eingang 5 eingespeist wird und daher keine Umsteuerung hervorrufen kann. Der Anodenstrom der Miller-Röhre wurde ja schon beim Einlangen des Impulses 16 unterbrochen.