DE1648205A1 - Verfahren zur schnellen und genauen elektronischen Verarbeitung von elektrischen Pulsfolgen beim Empfang optischer Signale - Google Patents

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Die messung schnell veränderlicher Temperaturen mit Hilfe der Wärmestrahlung ist in vielen Bereichen der Technk erwünscht.
• 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.
• 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@@.
• Die in Figur 2 dargestellten Verhältni@@@ sind id@@l@@@@rt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Verarbeitung einer Pulsfolge, bei der die Information in de Höhe der einzelnen Pul@e liegt, für die schnelle Temperaturmessung bie der Strahlungspyro@@-tri@, mit Hilfo von zerheckern, photoelcktrischen Wandlern und Verstärkern, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, da# die vom photoelektrischen Wandler (6) abgegebene, drift-und störspannungsbehaftete Pulsfolge dem einen Eingang eines Gleichspannungsdifferenzverstärkers (9) zugeführt wird, während die um eine Pulsbreite verzögerte Pulsfolge an den anderen Eingang des Gleichspannung@differenzverstärkers angelegt wird, und da# die vom Differenzverstärker (9) @bgegebene gleichspannungs- und driftspannungsfreie Pulsspannung in an sich bekannter Weise weiterverarbeitet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , da# die von einem einzigen photoelektrischen Wandler (6) abgegebene, zur Verarbeitung komm@nde Spannung bei der verhältnispyrometrischen Temperatur@essung aus Paaren von Pulsen besteht, die durch zeitlich kura hintereinander bewirktes Eintreffen der zu zwei Wellenlängen gehörenden Strahlungsintensitäten erzeugt werten.
3. 3 Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r @ h æ e k e n n z e i c h n e t, daß die von einem einzigen photoelektrischen Wandler (6) abgegebene Spannung bei pyro@trischen Messungen mit Referenzstrahlungsquelle aus Paaren von Pulsen best@ht, die durch zeitlich kurz hintereinander bewirktes Eintr@ffen der von Signal- und Referenzstrahlungsquelle stammenden Strahlungen erzeugt werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r o h g e k e n n 2 e i z c h h n et, da# die Weitervgerarbeitung der @m Ausgang des Gleichspannungsdiffer3nzverstärkers (9) zur Verfügung stehenden, driftspannungsunabhängigen Spannung be verhältnispyrometrischen Messungen und Messung mit Referenzstrahlungsquelle durch an sich bekannte sch@elle Quotientenbildung, gegebenenfalls mittels Logarithmierung, zur Erzielung einer von Empfindlichkeitsschwankungen des photoelektrischen Wandlers (6) unabhängigen Messung erfolgt.