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Verfahren zur schnellen und genauen elektronischen Verarbeitung von
elektrischen Pulsfolgen bein Enpfang optischer Signale Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung einer Pulsforlge, bei der die Information
in der Höhe der einzelnen Pulse liegt, für die schnelle Temperaturmessung bei der
Strahlungspyrometrie mit Hilfe von Zerhackern, photoel.ktrischen Wandlern und Verstärkern.
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Beim Empfang schwacher optischer Signale werden Wechsellichtverfahren
verwendet. Eine schnell laufende, ait äquidistanten Löchern versehene Scheibe zerhackt
den kontinuierlich eintreffenden Lichtstrom in periodische Lichtpulse, die einem
photoelektrischen Wandler zugeführt werden. Das entstehende elektrische Signal ist
eine rechteckförmige oder trapezförmige Spannung, deren Grundwelle mit frequenzselektiven
Verstärkern auf einen hohen Pegel verstärkt wird, der eine genaue Gleichrichtung,
Messung, Anzeige und Registrierung möglich macht.
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Dieses Verfahren erlaubt den Einsatz von Wechselspannunsverstärkern;
Driftspannungen von Gleichspannungsverstärkern und photoelektrischen Wandlern werden
unschädlich gemacht. Die frequenzselektive Verstärkung mit schmalbandigen, langsan
einschwingenden Verstärkern und die erforderliche zeitkonstantenbehaftete Gleichrichtung
beschränken den Einsatz dieses Verfahrens auf langsam veränderliche Strahlung@@ignale.
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Neben den Driftspannungen der photoelektrischen Wandler sind ihre
Empfindlichkeitsschwankungen durch Alterung und Temperatruwechsel störend bei@genauen
Messungen. Bei Gesmamtstrahlungs-, Bandstrahlungs- und Spektralpyrometern kann unter
Verwendung einer Referenzstrahlungsquelle durch Regelverfahren der Einfluß der Empfindlichkeitsschwankungen
eliminiert werden. Ähnliche Verfahren sind bei Verhältnis- (Farb-) pyrometer@ üblich.
Referenzstrahlungsquellen dienen, meistens bie bolometrischen Verfahren, zur Eliminierung
der Me#fehler, die durch Wechselwirkung des Empfängers mit seiner Umgebung auftreten.
Diese Me#verfahren sind wegen P unvermeidlichen Regelt zeitkonstanten nicht zur
Erfassung schnell veränderlicher optischer signale geeignet.
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Die messung schnell veränderlicher Temperaturen mit Hilfe der Wärmestrahlung
ist in vielen Bereichen der Technk erwünscht.
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Besonders zu benennen sind hierb@i die elektrische Punktschweißung,
Rohrschwei#ung sowie die Temperaturmessung von leistungshalbleitern und die Umformtechnik.
Die vorliegende Erfindun ermöglicht, die pyrometrischen Me#verfahren für die Messung
schnell veränderlicher Strahlungssignale brauchbar zu machen.
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Nach Fig. 1 wird die zu messende Strahlungsquelle 1 mit einer Linse
2 auf die Zerhackerscheibe 3 abgObild0tj die äquidistante Löcher trägt und mit konstanter
Geschwindigkeit um die Achse 4 umläuft. Das durch die Löcher der Zerhackerscheibe
tretende Licht wird mit einer Linse 5 auf dem photoelektrischen Wandler 6 gesammelt.
Dieser Wandler wird entsprechend dem vorliegenden Wellenlängenbereich gewählt; er
besitzt eine kleine Zeitkonstante. Hinter dem Wandler 6 befindet sich ein Geleichspannungsverstärker
7, der die elektrischen Signale auf einen filr die Weiterverarbeitung günstigen
Pegel verstärkt. Die Ausgangsspannung der aus den Teilen 2 - 7 aufgebauten, an sich
bekannten Einrichtung hat bei schnell veränderlichen Strahlungs quellen den in Figur
2 dargestellten Verlaur. Die Höhe der Pul-
@@ schwankt von puls
zu Pul@. Ihr zeitlicher Abst@@@ ist durch die begrenzte Undrehungszahl und die begra@@zt@
l@@@@@@@ der Zerhackerscheibe gegeben. Die interassier@@@@. Information liegt in
der Höhe der ein@einen Pul@@.
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Die in Figur 2 dargestellten Verhältni@@@ sind id@@l@@@@rt.
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Der photoelektri@che Wandler weist eine Drifts@@@@ung und tieffrequente
Stör@pannungen auf, die in Figur 3 @uss@@@n mit der Signalspannung @ingeteichnet
sind, Die Trennung dieser Drift- und Störspannungen von der Signalspannung ist bei
der gewünschten schnellen signalverarbeitung nicht durch den Einsatz von schmalbandigen,
aur die Pulsfolgefrequenz @bgestimmten Verstärkern möglich, da die Einschwingvorgänge
die Pulsform so verändern würden, da# eine Auswertung der ein@e@@n Pulse nicht oder
nur sehr sohwer möglich wäre. auch der Einsatz R-C-gekoppelter Wechselspannung@verstärker
führt wegen der von Puls zu Puls schwankenden Pulshöhbe zu keine@ befriedigenden
Ergebnis, da Einschwingungsvorgänge an den R-C-Gliedorn zu Verzeichnen sind. diodenschaltungen
zur Kla@@erung des Nullpotentials sind wegen des erwünschten gro#en ches ebenfalls
nicht brauchbar. Erfindungs@gemä# wird die Impulsfolge in einer Verzögerungsleitung
8 um die konstante Pulsbreite verzögert und zusammen mit der unverzögerten Pul@folge
einem Differenzgleichspannungsverstärker 9 zugeführt. Seine ausgangsspannung ist
in Pigur 4 dargestellt. Sie hat folgende, fur die vorliegende Aufgabe günstige Eigenschaften:
Die Dritspannung und lang@am veränderliche Störspannungen sind praktisch vollständig
unterdrUokt0 Die Pulsform ist wohl definiert und für eine weitere Verarbeitung geignet.
Die ent@t@hende Spannung besitzt keinen Gleichanteil und kann deshalb itt R-C-gekoppelten
Wech@@lspannungsverstärkern ohne Einschwingverhalten weiterverarbeitet werden.
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Duroh Bekannte Schaltungen 10 der analogen Rechent@chnik lunn aus
der Spannung der Figur 4 eine Treppenspannung gebildet, wrden,
die
Jedem Augenblick der abgetasteten Strahlung proportional ist.
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Wird erfindungsgemß das aus den Teilen 8, 9 und 10 bestehende System
verwendet, so kann der zunächst vorausgesetzte Gleichspannungsverstärker 7 durch
einen R-C-gekoppelten Wechselspannungsverstärker ersetzt werden, der eine genügend
tiefe untere Grenzfrequenz besitzt. Seine Einschwingvorgänge bei veränderlichen
Signalen, die ohne die Teile 8, 9 und 1Q eine pulsweise Messung praktisch unmöglich
machen, werden so wie Driftspannungen oder niederfrequents Stör@pannungen durch
die Erfindung unterdrückt.
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Das Verarbeitungsverfahren der Erfindung kann auch bei schnellen farbpyrometrischen
Messungen verwendet werden. Die von der Strahlungsauelle stammende Strahlung wird
auf zwei getrennten ope tischen Wegen, in welchen sich die Filter für die beiden
Wellenlängen q und ## befinden, auf einen einzigen photoelektrisch.n Wandler geführt.
Die Zerhackerscheibe gibt kurz nacheinander die nu den beiden Wellenlängen gehörenden
optischen Wege frei, so daß am Ausgang des photoelektrischen Wandlers Paare von
Pulsen entstehen. Jeder Puls eines Paares ist einer wellenlänge zugeordnet. Die
Verarbeitung dieser in Figur 5 dargestellten, mit Stöspannungen behafteten Spannung
in dem aus dem VErstärker 7, der Verfl5gerungsleitung 8 und dem Differenzverstärker
9 Sebildetem System führt zu der in Figur 6 daqestellten Spannung. Sie ist frei
von Gleichspannungs- und niederfrequenten Störanteilen.
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Bei verhältnispyrometrischen Messungen ist der Logarithmus des Quotienten
der zu den beiden Wellenlängen gehörenden Strahlungsleistungen zu bilden. Dazu wird
die Spannung nach Figur 6 einem Verstärker mit logarithmischer Kennlinie zugeführt.
Mit Methoden der analogen Datenverarbeitung werden aus der logarithmierten Spannung
verzögerungslos zwei Treppenspannungen abgeleitet. Jede Treppenspannung entspricht
zu Jedem Zeitpunkt der zu einer Wellenlänge gehörenden logarithmserten strahlungsleistung.
Die Differenz beider Spannungen ist ein Maß für dii Temperatur; es
steht
unmittelbar nach der Abstastung des Me#punktes aur Verfügung. Durch die Venendung
nur einer Photo@elle und die beschriebene Verarbeitung der signale wird s@@it eine
schnelle, von Driftsp@nnungen und @@@findlichkeit@@c@@@@ngen des phet@-elektrischen
Wandlers unab@ngige Meseung der @erb@@per@tur erreicht. Mit einer ähnlichen Signalverarbeitung
sind schnell anzeigende Pyrometer mit Referenzetrahlungsquelle r@ali@ierbar.
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Ergänzend ist darauf hinauweisen, da# das aus den Verstärker 7, der
Verzögerungsleitung 8 und dem differenzverstärker 9 gebild@t@ System linear ist;
durch Begrenzung der Eandbr@ite des Verstärkers 9 nach hohen Frequenzen hin wird
eine Unterdrückung des Einflusses hochfr@quenter @auschanteil@ erreicht.