Verfahren zur Registrierung und Auswertung elektrischer Spannungsverläufe
Es ist bekannt, photographische Registrierungen elektrischer Spannungsverläufe mit Hilfe von Kathodenstrahlenoszillographen, Kamera und Film vorzunehmen, wobei die gewöhnliche Methode ist, dass die Spannung den Elektronenstrahl des Oszillographen ablenken soll, wodurch ungefähre Proportionalität zwischen der Ablenkungsdifferenz und der entsprechenden Spannungsdifferenz herrscht.
Die Zeitauflösung erhält man durch Ablenken des Elektronenstrahles oder indem der Film in einer Richtung rechtwinklig zur ersten Ablenkung bewegt wird. Die auf dem Film erhaltene Kurve wird durch Messen ausgewertet. Die Methode hat den Nachteil, dass ein manuelles Auswerten zeitraubend und eine Automatisierung der Auswertung schwer auszuführen ist, speziell wenn mehrere Verläufe mit ein und demselben Film registriert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Registrierung und Auswertung elektrischer Spannungsverläufe und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Augenblickswerten des zu registrierenden Spannungsverlaufes mit Hilfe eines Kathodenstrahloszillographen je in Form von einer auf einem Film wiedergegebenen, in der Länge vom zugehörigen Augenblickswert abhängigen Linie registriert wird, und dass bei der Auswertung diese Linien derart abgetastet werden, dass das Resultat der Abtastung jeder Linie dem zugehörigen Augenblickswert entspricht.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens soll nachstehend unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben werden, auf denen:
Fig. 1 eine Einrichtung zur Aufzeichnung der Augenblickswerte auf einen Film,
Fig. 2 ein der Einrichtung gemäss Fig. 1 entsprechendes Blockdiagramm mit den verwendeten Baueinheiten darstellt und
Fig. 3-9 Spannungskurven, die die Spannung an verschiedenen Messstellen in der Apparateaufstellung gemäss Fig. 2 zeigen,
Fig. 10 eine Einrichtung, mittels welcher die auf dem Film registrierten Spannungsverläufe in Ziffernform übertragen werden können,
Fig. 11 ein der Fig. 10 entsprechendes Blockdiagramm mit den verwendeten Baueinheiten darstellt und
Fig. 12-29 Spannungskurven, die die Spannung an verschiedenen Messstellen in der Einrichtung gemäss Fig. 11 zeigen.
Bevor eine Detailbeschreibung vorgenommen wird, werden die wesentlichen im Schaltbild am meisten vorkommenden Einheiten, nämlich einer Kathodenmischstufe, nachstehend Mischstufe genannt, Schmittsche Trigger und Integratoren beschrieben. Eine Mischstufe besteht aus zwei oder mehreren Trioden, für jeden Eingang eine, wobei die Röhren einen gemeinsamen Kathodenwider- stand haben. Die Anoden sind an geeignete Speisespannungen angeschlossen. Jeder Eingang der Mischstufe ist an sein Gitter und der Ausgang an die gemeinsamen Kathoden gekoppelt. Von einer solchen Mischstufe kann in den hier vorkommen den Fällen hinsichtlich der Wirkungsweise prinzipiell gesagt werden, dass diie Ausgangsspannung den gleichen Wert wie die höchste der Eingangsspannungen hat. Der Schmittsche Trigger ist ein Multivibrator mit zwei stabilen Stellungen.
Welche Stellung der Trigger einnimmt, hängt von dem Eingangsniveau ab. Liegt dieses über dem oberen Umschlagniveau, nimmt der Trigger die eine Stellung, nachstehend erste Stellung genannt, ein. Liegt das Eingangsniveau unter dem unteren Umschlagsniveau, nimmt der Trigger die andere Stellung, andere Stellung genannt, ein. Liegt das Eingangsniveau zwischen den Umschlagniveaus, wird die erste Stellung eingenommen, wenn das obere Umschlagniveau zuletzt passiert worden ist und die andere Stellung, wenn das untere Umschlagniveau zuletzt passiert worden ist. Der Trigger hat also auf die gleiche Weise Hysterese wie ein Relais.
Betreffend die Schmittschen Trigger, vergleiche beispielsweise Puckle, O. S., Time Bases, Chapman & Hall Ltd., 1944. Nachstehend wird nur die Bezeichnung Trigger angewendet. Die vorkommenden Integratoren werden so von Triggern gesteuert, dass der Trigger in der ersten Stellung über Dioden die Spannungen über dem Eingangsgitter des Integrators und über dessen Ausgang fixiert. Wenn der Trigger auf die andere Stellung umgeschlagen ist, werden diese Spannungen freigegeben und der Integrator fängt an, eine konstante negative Spannung zu integrieren, wobei man am Ausgang eine zeitlich linear steigende Spannung erhält. Geht der Trigger in die erste Stellung zurück, geht der Integrator schnell in seine Sperrstellung zurück.
Was auf diese Weise gesteuerte Integratoren betrifft, vergleiche Kapitel 7 in Teil 19 der Radiation Laboratories Series, McGraw-Hill Book Company, Inc. 1949.
In Fig. 1 bezeichnet K eine Kathodenstrahlenröhre, die von den Einspeisungskreisen IK gesteuert wird, denen der Messverlauf als eine elektrische Spannung zugeführt wird. 0 ist ein Objektiv, das den Kathodenstrahlenfieck auf einem Film F abbildet. Die Bewegungsrichtung des Filmes ist mit dem Pfeil X bezeichnet und dessen Querrichtung mit dem Pfeil Y. Der Elektronenstrahl wird in Querrichtung abgelenkt, aber die Linien, die sich auf dem Film abzeichnen und die als eine Reihe paralleler gerader Linien gezeigt sind, weichen auf Grund der Bewegung des Filmes einen kleinen Winkel von der Querrichtung ab. Die genannten Winkel werden nachstehend a genannt.
Die gestrichelte Linie, von der die auf dem Film gezeichneten Linien ausgehen, wird nachstehend mit y=O in dem von der x- und y-Richtung gebildeten Koordinatensystem bezeichnet.
Während der Registrierungszeit wird ein negativer Rechteckimpuls zu einem Mischer BL1 gesandt, der schematisch zusammen mit allen anderen in den Einspeisungskreisen IK enthaltenen Baueinheiten in Fig. 2 gezeigt ist. Die Form des Impulses ist in Fig. 3 gezeigt. Der Impuls wird der Mischstufe auf der Leitung 1 zugeführt. Dem Mischer werden ausserdem ununterbrochen negative Spannungsimpulse zugeführt (siehe die Kurve. 2 in Fig. 4 beim Eingang 2). Die Bezugsniveaus für die Spannungskurven sind, wenn sie nicht mit den wirklichen Niveaus zusammenfallen, im Spannungs diagramm als gestrichelte Linie gezeichnet. Die Spannungsimpulse 2 werden mit genau bestimmter Folgefrequenz von einem Impulsgenerator PG1 erzeugt. Jeder Impuls 2, z.
B. derjenige auf der Vertikalen b, Fig. 4-9, startet, über die Mischstufe BL1, einen Trigger Trl, einen Integrator Itgl, eine Mischstufe BL3 und einen y-Verstärker y-F eine Auslenkung auf dem Schirm der Kathoden strahlenröhre K. Gleichzeitig wird die Intensität des Elektronenstrahls der Röhre K vom Trigger Trl gesteuert. Die Ausgangsspannung 6 des Integrators (siehe Fig. 5) wird einem Komparator Kp zugeführt, dessen anderer Eingang an die Spannung 5 angeschlossen ist, deren Amplitude periodisch registriert werden soll. Die Komparatoren sind auf Seite 340 in Teil 19 den Radiation Laboratories Series beschrieben und der Komparator Kp ist so ausgeführt, dass er einen positiven Spannungsimpuls auf seiner Spannungskurve 3 (siehe Fig. 6) jedesmal dann gibt, wenn die Spannung 6 die Messspannung 5 erreicht, z.
B. im Zeitpunkt entsprechend der Vertikalen c in Fig. 5-9. Die Spannung 4, die von der Mischstufe BL1 auf den Trigger Trl gegeben wird, ist in Fig. 7 gezeigt. In der Fig. 7 ist das obere und untere Umschlagniveau des Triggers mit strichpunktierten Linien gezeigt. Es geht daraus hervor, dass diese von Spannungsimpulsen überschritten werden, die teils vom Impulsgenerator PG 1 und teils vom Komparator KP erzeugt werden. Die vom Trigger zur Kathodenstrahlenröhre K ausgesandte Spannung ist in Fig. 8 als Kurve 7 und die zum Integrator ausgesandte Spannung in Fig. 9 als Kurve 8 gezeigt.
Die Registrierung geschieht auf folgende Weise:
Die von der Mischstufe BL 1 auf den Trigger Trl übertragene Spannung 4 ist aus den Spannungskurven 1, 2 und 3 durch Auswahl der jeweils höchsten der Spannungen zusammengesetzt. Beim ersten Teil der Kurve 4 befindet sich die Spannung oberhalb der oberen strichpunktierten Linie, die das obere Umschlagniveau des Triggers angibt. Der Trigger nimmt also seine erste Stellung ein. Die Spannung 4 passiert das untere Umschlagniveau des Triggers zum ersten Mal im Zeitpunkt entsprechend der Vertikalen b, Fig. 3-7, wenn ein Impuls der Spannung 2 erzeugt wird, nachdem die Spannung 1 (Vertikale a, Fig. 3-7) ihr unteres Niveau eingenommen hat. Der Trigger schlägt da auf seine zweite Stellung um. Der Integrator Itgl beginnt nun eine konstante Spannung zu integrieren, wobei eine zeitlich linear steigende Spannung entsteht.
Diese ist in Fig. 5 mit 6 bezeichnet. Die Spannung 6 wird dem Komparator Kp zugeführt, der, wenn die Spannung den gleichen Wert erreicht wie die Messspannung 5, einen Spannungsimpuls gemäss Kurve 3 in Fig. 6 erzeugt. Der Spannungsimpuls auf der Kurve 3 gibt den Anlass dazu, dass der Trigger Trl in die erste Stellung zurückschltÅagt und der Integrator hört zu integrieren auf und nimmt schnell seine verriegelte Stellung ein. Das wiederholt sich bei jedem vom Impulsgenerator PG1 kommenden Impuls. Die linear steigenden Spannungen 6 durchlaufen den y-Verstärker y-F und gelangen von da zur Kathodenstrahlenröhre, in der Strahlauslenkungen erzeugt werden, deren Längen den Linien 6 entsprechen.
Zwischen dem Integrator Itgl und dem y-Ver stärker y-F ist eine Mischstufe BL3 geschaltet, deren zweiter Eingang jedoch mit einer solchen kon stanten und niedrigen Spannung versehen wird, dass sie keine Bedeutung hat. Der Mischer BL3 wird nur bei der Auswertung angewendet, ist aber auch bei der Registrierung eingeschaltet, um in beiden Fällen gleiche Linearitätsverhältnisse zu bekommen.
Die auf der Kathodenstrahlenröhre erhaltenen
Linien werden auf dem Film F abgebildet, der in
Fig. 1 gezeigt ist.
Nach dem Entwickeln und Kopieren des Filmes erhält man einen schwarzen Filmstreifen, auf dem die registrierten Augenblickswerte in Form durchsichtiger Striche gezeichnet sind. Um eine Zifferregistrierung des Verlaufes zu erhalten, kann der Film auf folgende Weise ausgewertet werden:
Die zur Anwendung kommende Apparatur ist als Apparataufstellung in Fig. 10 und als Blockschema in Fig. 11 gezeigt.
In Fig. 10 ist F der Film mit Linien, der gemessen werden soll, 0 ist ein Objektiv, K eine Kathoden strahl enröhre und FM ein mit einer photoempfindlichen Kathode FK versehener Photomultiplikator. An der dem Photomultiplikator benachbarten oder auch entgegengesetzten Filmseite ist eine Blende B angeordnet, die mit einem Schlitz versehen ist. Der Apparat umfasst auch Auswertungskreise A K, ein Rechenwerk R V und einen Zifferregistrierungsapparat Sif. Im Blockschema der Fig. 11 sind folgende Einheiten aus Fig. 2 wiederzufinden: Mischstufe BL1, Trigger Trl, Integrator Itgl, Mischstufe BL3, y-Verstärker y-F, Kathodenstrahlenröhre K und Kamera Kam.
Ein Impulsgenerator PG2 erzeugt eine Reihe schneller und negativer Spannungsimpulse (siehe die Kurve 11 in Fig. 12. Vertikale d, Fig. 12-15). Diese Impulse werden einer Mischstufe BL2, der auch eine sägezahnförmige Spannung 12 zugeführt wird, die in Fig. 13 gezeigt wird, zugeführt. Die von der Mischstufe BL2 abgegebene Spannung ist als Kurve 13 in Fig. 14 gezeigt, worin auch das obere und untere Umschlagniveau des Triggers Tr2 mit strichpunktierten Linien gezeigt sind. Die Ausgangsseite der Mischstufe BL2 ist mit dem Trigger Tr2 verbunden, der eine Spannungskurve 14 in Fig. 15 erzeugt.
Ein Integrator Itg2 integriert während der Zeit, während der sich der Trigger Tr2 in der anderen Stellung befindet,d. h. von dem Zeitpunkt an, in dem ein Impuls von PG kommt bis zu demjenigen, in dem die von Itg2 nach BL2 kommende Spannung das obere Umschlagniveau von Tr2 (Vertikale e, Fig. 13-27) erreicht. Hierbei wirdi die Spannungskurve 12 hervorgerufen. Der Integrator Itg2 lenkt über die Mischstufe BL3 und den y-Verstärker y-F den Elektronenstrahl der Kathodenstrahlenröhre K in der Richtung ab, die der Querrichtung des Filmes F entspricht, welche in Fig. 10 mit einem Pfeil y bezeichnet ist. Während dieser der Abtastung dienenden Strahlauslenkung wird die Intensität des Elektronenstrahles von der Rechteckspannung 14 gesteuert.
Wenn eine Linie auf dem Film F im Schlitz der Blende B erscheint, tritt der Abtast strahl durch die Linie und der Photomultiplikator FM wird von immer kräftigeren Lichtimpulsen beleuchtet. Diese Impulse werden in einem Verstärker F verstärkt und man findet sie als die drei rechteckigen Spannungsimpulse auf der Kurve 15 in Fig. 16 wieder. Die Impulse treten auf in der Kurve 17 in Fig. 18, die den Ausgang der Mischstufe BL1 zeigt. Die Anzahl drei ist willkürlich gewählt und es wird weiter angenommen, dass der vierte Impuls so gross ist, dass das untere Umschlagniveau des nachfolgenden Triggers Trl überschritten wird (Vertikale f, Fig. 16-28). Die oberen und unteren Umschlagniveaus des Triggers sind in Fig. 18 mit strichpunktierter Linie wiedergegeben.
Der Trigger Trl löst da vom Integrator Itgl durch die Mischstufe BL3 und den y-Verstärker y-F eine langsame, der Auswertung dienende Strahlauslenkung aus. Der Trigger Trl verursacht auch einen negativen Spannungssprung 16 (siehe Fig. 17) zu einer Mischstufe BL7, die vorher einen Trigger Tr3 blockiert hat, dessen Eingangsspannung 18 in Fig. 20 gezeigt ist. Der Trigger Tr3 kann nun von den vom Photomultiplikator zu erwartenden Impulsen betätigt werden. Der negative Spannungssprung in Kurve 16 (Fig. 17) wird mit einer sägezahnförmigen Spannung 21 in Fig. 22 gemischt, so dass die Spannung 22 in Fig. 23 entsteht, welche durch den Trigger Trl auf das Niveau der Mischstufe BL3 sinkt, so dass die Spannung 23 in Fig. 24 die Steuerung des Mischers BL3 übernimmt und dieser eine Ausgangsspannung 24 in Fig. 25 abgibt.
Das führt dazu, dass die Abtastimpulse nicht mehr auf die Kathodenstrahlenröhre gegeben werden. Die Auswerte-Ablenkspannung fängt auf einem etwas niedrigeren Niveau als die Abtastimpulse an, was bewirkt, dass die Auswerte Ablenkung auf dem Film F bei einem etwas negativeren y-Wert anfängt, d. h. links von der gestrichelten Linie auf dem Film in Fig. 10. Vom Inte grator Itg2 wird auch eine pulsierende Spannung 26 (Fig. 27) entnommen, die dazu bestimmt ist, während der Auswerte-Ausienkung des Elektronenstrahls diesen auch in der x-Richtung zum Zweck der Registrierung abzulenken. Im gezeigten Beispiel werden diese Impulse der gleichen Quelle entnommen wie die Impulse der Abtastauslenkung, aber sie lassen sich ganz unabhängig von diesen hervorbringen.
Die Impulse werden durch einen Mischer BL5 und einen x-Differentialverstärker X-F auf die Kathodenstrahlröhre K überführt. Vor dem Beginn der Auswerteablenkung hatten die beiden Eingänge am x-Differentialverstärker X-F über die Mischstufe BL5 und eine Mischstufe BL4 die Spannung 16. Irgendwelche Spannungsdifferenz zwischen den vom Verstärker X-F gesteuerten x-Leftpiatten in der Kathodenstrahlenröhre K gab es nicht (siehe die Kurve 28 in Fig. 29). Der Elektronenstrahl war deshalb in x-Richtung nicht aus gesteuert. Durch den negativen Spannungs sprung in der Kurve 16 erhält die Spannungskurve 25 in Fig. 26 für den Ausgang der Mischstufe BL4 ein niedrigeres Niveau 25', das über den anderen Eingang 25' der Mischstufe erhalten wurde.
Dieses niedrigere Niveau ist das Durchschnittsniveau der Spannung 26, das gleichzeitig die Steuerung der Ausgangsspannung 27 des Mischers BL5 übernimmt. Hierdurch wird der Elektronenstrahl während der Auswerte-Ablenkung symmetrisch um die von der Abtastauslenkung definierten Linie, die aus der Kurve 28 hervorgeht, ausgesteuert. Für jede Auslenkung in x-Richtung bekommt man, wenn sich der Elektronenstrahl innerhalb der zu messenden Linie befindet, über den Photomultiplikator FM, den Verstärker F, den Mischer BL3 und einen an diesen angeschlossenen Trigger Tr3 einen Impuls zu einem Rechenwerk R 1.
Die Umschlagniveaus für den Trigger Tr3 liegen dicht beieinander, weshalb die kurzen Spannungsimpulse vom Verstärker F, die in den Kurven 15 und 18 in Form von Spannungsimpulsen gezeigt sind, Anlass zu gleich kurzen Spannungsimpulsen auf der Spannungskurve 19 vom Trigger geben.
Die Länge der AuswerteAuslenkung ist länger als die längste Linie auf dem Film F. Ein von einem Dämpfungsglied At gedämpfter Teil der Spannung 23 vom Integrator Itgl wird einer Mischstufe BL6 zugeführt, bei der ein relativ grosser Kathodlenwiderstand mit einem Kondensator parallel geschaltet ist. Der Mischstufe BL6 wird eine konstante Spannung 20' (siehe Fig. 19) zugeführt. Die Spannung vom Dämpfungsglied At wird grösser (siehe Kurve 20 in Fig. 19) und wenn sie das obere Umschlagniveau des Triggers Trl erreicht (Vertikale g, Fig. 17-28), schlägt der Trigger um, die Auswerte- Auslenkung wird abgebrochen und die Spannung 23 geht vom Integrieren schnell auf den Ausgangswert zurück.
Die Spannung 20 geht langsam auf die Spannung 20' zurück und behält noch die Kontrolle über die Ausgangsspannung 17 der Mischstufe BL 1, weshalb eventuelle Impulse vom Verstärker F erst dann eine neue Auswerte-Auslenkung starten können, wenn die Spannung 20 unter das untere Umschlagniveau des Triggers Trl gesunken ist. Während dieser Zeit sind alle übrigen Spannungszustände auf ihre Ruhewerte übergegangen.
Die Auswerte-Auslenkung wird erneut von der Abtastauslenkung ausgelöst, wenn die nächste Linie des Films F in den Schlitz der Blende B hineinkommt. Die Spannung 16 wird einem Rechenwerk R2 zugeführt, das für jeden negativen Spannungssprung der Spannung 16 eine Einheit registriert.
Diese Spannung wird auch einer Zifferregistrierapparatur Reg zugeführt, die für jeden positiven Spannungssprung in der Spannung 16 die Einstellung der beiden Rechenwerke R1 und R2 registriert.
Nach vorgenommener Registrierung wird das Rechenwerk 1 zurückgestellt.
Zwischen den Augenblicksspannungswerten der Spannungsverläufe und Länge der entsprechenden Linie auf Film F braucht keine Proportionalität zu herrschen, sie müssen einander nur nach einer Funktion entsprechen. Dadurch, dass man die gleiche Kathodenstrahlenröhre bei der Aufzeichnung und der Auswertung verwendet, und auf Grund dessen, dass die Registrierkreise in den Auswertkreisen enthalten sind, erhält man in allen Fällen Proportionalität zwischen der registrierten Impulszahl und dem Spannungswert.