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VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER DICKE METALLISCHER ERZEUGNISSE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Messung der Dicke metallischer
Objckte, insbesondere auf ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke metallischer Erzeugnisse,
beispiclsweise eines kalt-oder warmgewaazten Metalls, von Platten und anderer Objekte
durch Anwendung elektromagnetischer Höchstfrequenzwellen, ohne daß die obengenannten
Objekte irgendwie bcrührt werden.
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Bei der Herstellung oder Bearbeitung von Erzeugnissen, zum Beispiel
aus Metall, ist es vom Standpunkt einer Kontrolle des erhaltonen Erzeugnisses und
aus ökonomischen Erwägungen meistens
sehr wichtig, die Dicke eines
Erzougnisses zu bestimmen.
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Zur derartigen Messung ist es ün einfachsten, ein Kontakt-Meßinstrument
einzusetzen; wenn aber das zu messende Erzeugnis eine sehr hohe Gemperatl-!r aufweist
oder einen schmalen, sich Illit einer großer Geschwindigkeit bewegenden Streifen
darstellt, so wird die Messung schwierig, und eine hohe Genauigkeit ist praktisch
ausgeschlossen.
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Zur Messung der Dicke eines Erzeugnisses wurde eine Reihe indirekter
Methoden und Einrichtungen zur kontaktlosen Dickenmessung bei metallischen Erzeugnissen
vorgeschlagen. Zu derartigen Meßmethoden zählen diejenigen, die auf Verwendung der
Röntgenstrahlung, radioaktiver Isotope und elektromagnetischer Höchstfrequenzwellen
aufbauen.
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Die Meßmethoden zur Bestimmung der Dicke metallischer Erzeugnisse
unter Verwendung der Röntgenstrahlung und der Isotope haben eine hohe Meßgenauigkeit,
weisen aber eine Reihe von Mängeln in der Art, wie Beeinflussung des Vorganges zur
Messung örtlicher Inhomogenitäten des Metalls, Schwierigkeiten der Dickenmessung
bei den Metallen größerer Dicke sowie eine Gefährdung der Bedienungskräfte, auf.
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Es ist ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke des zu messenden Objektes
bekannt, darin bestehend, daß man die elektromagnetischen Höchstfrequenzwellen von
der Quelle zu über Teile einem Teiler schickt und einen v zu einer die Wellen formenden
und sie auf eine Oberfläche des zu messenden Erzeugnisse
aussendenden
Antenne zuführt. Die reflektierten Wellen werden durch eine andere Antenne empfangen
und über einen Wellenleitor zur nächsten Sendeantenne weitergegeben. Die von dr?r
zweiten Oberfläche reflektierten Wellen werden durch die zweite Empfangsantenne
empfangen und über einen Wellenleiter zu einer Phasenmeßeinrichtung mit einem Phasenmesser
weitergeleitet.
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Zur selben Zeit kommt der andere Teil der elektromagnetischen Höchstfrquenzwelle
aus dem Teiler über einen Wellenleitor zur Phasenschiebereinrichtung und von da
an über einen' zusätzlichen Wellenleiter zum genannten, für die Größen der zu messenden
Dicke geeichten Phasenmesser durch.
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Bei diesem Verfahren kann sich das zu messende Obden jekt zwischen
/ zwei Antennen, ohne auf die Meßgenauigkeit Einfluß zu nehmen, lediglich in einem
begrenzten Bereich der Verschiebung frei bewegen.
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Jedoch ist der Phasenmesser nicht in der Lage, zwischen dem Fall
zu unterscheiden, wo die Platte dünner als die eine Wellenlänge, und dem, wo sie
dünner als zwei (oder mehr) Wellenlängen ist. Der Phasenmesser zeigt also die Dicke
höchstens bis zu einer halben Wellenlänge an, und die Bedienung muß offensichtlich
die Anzahl von die Dicke der Platte ausmachenden ganzen Wellenlängen ermitteln.
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E3 ist ebenfalls ein Verfahren zur Messung der Konfiguration oder
der Dicke metallener Gegenstände (USA-Patent Nr.
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3514703) bekannt. Bei diesen Verfahren wird von Mikrowellen
Gebrauch
gemacht, die einem Zylind rresonator zugeführt werden, dessen offenes Ende dem zu
messenden Gegenstand zugewandt ist.
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Gemäß diesem Verfahren werden zwei beiderseits des zu messenden Erzeugnisses
liegende Zylinderresonatoren verwendet.
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Den Resonatoren fÜlirt man Mikrowellen zu, und man mißt die Mikrowellenfrequenzen.
Die Änderung des Abstandes von jedem Resonator bis zum Gegenstand wird nach der
Resonanzfrequenz gemessen.
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Das Verfahren sieht die Anordnung von einigen Resonatoren in einer
Reihe längs der Breite des Erzeugnisses zur Ermittlung der entsprechenden Abstande
bin zum Gegenstand vor.
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Die das Verfahren realisierande Konstruktion schließt r zwei miteinander
gekoppelte Resonatoen ein, denen mikrowellen variabler Frequenz zugeführt worden.
Beim Auftreten einer Resonanz werden zwei Signale von den Resonatoren verglichen.
Der Abstand von den Resonatoren bis zum Erzeugnis wird durch die Verschiebung der
miteinander gekoppelten ReSonatoren mittels eines Servomechanismus konstant gehalten.
Die Dicke rechnet man nach der Resonanzfrequenz durch Subtrahieren des Abstandes
bis zum Gegenstand vom Abstand zwischen den offenen Enden der Rosonatoren aus.
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Das Verfahren wird ebenfalls durch einc Konstruktion re-llisiert,
wo die Rosonatoren miteinander in der Wcise @@koppelt sind, daß der Abstand zwischen
deren offenen Enden gleichfalls konstant gehalten wird. Einem der Resonatoren werden
Mikrowellen
fester Frequenz zugeführt, um festzustellen, ob sich
der Resonator i!a betreffenden Augenblick in einer Resonanz mit der gegebenen Mikrowellenfrequenz
befindet, und es wird eine automatische Regelung des Abstandes vom Gegenstand bis
zu dieserin Resonator mittels Servomechanismus vorgenommen. Dem anderen Resonator
werden Mikrowellen variabler Frequenz zugeführt.
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Man bestimmt den Abstand von diesem Resonator bis zum Gegenstand nach
der Frequenz und mißt die Dicke des Gegenstandes durch Subtrahieren des erhaltenen
Abstandes bis zum Gegenstand vom Abstand zwischen den offenen Enden der Resonatoren.
Es gibt eine Konstruktion, die auf Verwendung von z':)ci durch eine variable, sich
in der Zeit linear ändernde Frequenz gespeisten Zylinderresonatoren $aufgebaut ist.
Die Dicke bestimmt man durch die Messung eines der im gegebenen Augenblick zugeführton
Leistung entsprechenden Zeitabstandes.
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Das genannte Verfahren weist eine Reihe von in erster linie mit großen
Schwier@keiten bei der Messung der Dicke und Konfiguration eines warmen Metalls
bei kleinen Abständen zwischen dem Resonator und dem zu messenden Erzeugnis sowie
mit der Kompliziertheit und Trägheit des mechanischen Folgesystems zusammenhängenden
Nachteilen auf.
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Dffle Messung der Abstande (dr Dicke) nach einem Frequenz oder Zeitabstand
ist dagegen bei diesem Verfahren von praktisciiern Interesse.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine erhöhte Meßgonauigkeit
der laufenden Dicke eines sich bewegenden Erzougnisses
bei größeren
Dickenschwankungen, Vorhandensein räumlicher Verschiebungen des Meßobjektes sowie
bei längeren Abständen zlslischen Strahlern und einem zu messenden Erzeugnis zu
gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren
zur Dickenmessung zu schaffen, dessen Anwendungsbereich durch eine neue schaltungstechnische
Lösung erweitert werden kann.
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Dies wird dadurch erreicht, daß man die Dicke der metallisehen Erzeugnisse
durch die Messung der Parameter der von deren Oberfläche reflektierten elektromagnetischen
Höchstfrequenzwellen bestimmt, wobei gemaß der Erfindung die elektromagnetischen
Wellen von der Quelle über eine aus Resonanzbedingungen gewählte optimale Richtverbindung
mehrfach mittels Antonnen zuerst auf eine und dann auf die andere Oberflache des
zu messenden Erzeugnisses ausgestrahlt werden und gleichzeitig damit die Wellenphase
ununterbrochen geändert wird. Dann wird ein Teil der zur Messung erforderlichen
Welle gleichgerichtet, und n;ich einem im Augenblick der Resonanz der elektromagnetisehen
Welle entstehenden Signal beurteilt man die Dicke des Erzeugnisses.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird zweckmäßigerweise eine Einrichtung
zur Dickenmessung metallischer Erzeugnisse ausgeführt, die eine Quelle von Höchstfrequenzwellen,
mit ihren offenen Seiten den gegenüterliegenden Fläelien des zu messenden
metallischen
Erzeugnisses zugewandte Strahler und einen Anzeiger enthalt, in der die Strahler
erfindungsgemäß miteinander über einen ferromagnetischen Modulator durch Wellenleiter
gekoppelt sind, einer von denen über eine optimale, aus Resonanzbedingungen gewählte
Richtverbindung mit Hilfe eines Gloiichrichters an die Quelle der Höchstfrequenzwellen
und der andere über eine Richtverbindung mit Ililfe eines Detektors an eine logische
Schaltung angeschlossen ist, wobei der Elektromagnet des ferromagnetischen Hodulators
an die logische Schaltun;: über eine Speiseeinheit und der Anzeiger unmittelbar
angekoppelt ist, Die Erfindung wird ersichtlicher aus der nachstehend angeführten
ausführlichen Beschreibung mit Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen, wo zur Eindeutigkeit
der Darlegung von bestimmten Elementen die Rede ist, ohne daß die Erfindung sich
hierauf beschränkt; vielmehr sollen umfaßt sein alle äq@ivalenten Elemente, die
in analoger Weise arbeiten und zur Lösung derselben Autaben, Wie auch im Beispiel,
herangezogen werden.
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Es muß auch beachtet werden, daß die anderen Ziele und Vorteile der
vorliegenden Erfindung außer den obengenannten nachfolgend bei der Beschreibung
und Betrachtung von Zeichnungen zum Vorschein kommen. Es zeigt: Fig. 1 eine L@ockschaltung
zur E@@äuterung des Verfahrens;
Fig. 2 eine vorzugsweise, gemäß
dem vorgeschlagenen Verfahren ausgeführte Einrichtung; eine Fig. 3 zweite Einrichtung;
eine Fig. 4 Y dritte Einrichtung.
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Gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung rwerden die elektromagnetischen
Höchstfrequenzwellen von der Quelle 1 (Fig. 1) über ein Richtelement 2 mit optimaler
Kopplung zu einer Linsenantenne 3 gesendet und auf eine Seitc des zu messenden Erzeugnisses
4 ausgestrahlt.
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Die von dieser Oberfläche 4 reflektierten Wellen werden durch die
Linsenantenne 3 empfanden und gelangen über das Richtelement 2 und den ferromagnetischen
Modulator 5 zum Richtelement 6.
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Vom Richtelement 6 werden die elektromagnetischen Welion zu einer
Linsenantenne 7 gesendet und auf die zweite Seite des zu messenden Erzeugnisses
4 ausgestrahlt.
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Die von dieser Seite des Erzeugnisses reflektierten Wellen werden
durch die Ijinsenantenne 7 empfangen und über das Richtelement 6, den ferromagnetischen
Modulator 5 und das Richtelement 2 durch die Linsenantenne 3 erneut auf das Erzeugnis
ausgestrahlt usw. Auf solche Weise kommt eine mehrfaclle Zusammenwirkung der elektromagnetischen
Welle mit dem zu messenden Erzeugnis zustande.
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hierbei trifft die Energie der elektromagnetischen Wellen mit Hilfe
des Riohtelementes 6 zum Teil auf den Anzeiger 8 auf.
Der ferromagnetische
Modulator gewährleistet eine ununterbrochene Modulation der Wellenlänge in dem zweiseitigen
offenen Stehwellenresonator, der sich aus dem zu messenden Erzeugnis 4, zwei Strahlern
3, 7 , zwei Richtelementen 2, 6 und dem ferromagnetischen Modulator 5 selbst zusammensetzt.
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Bei einer bestimmten Größe der elektrischen Wellenlänge tritt eine
Resonanz auf.
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Im Augenblick der Resonanz, wo das Signal vom Richtelement 6 einen
Maximalwert erreicht, mißt man die Dicke des Erzeugnisses mit Ifilfe des Anzeigers
8. Die räumlichen Verschiebungen des zu messenden Erzeugnisses ändern nichts an
den Resonanzbedingungen und werden daher durch den Anzeiger 8 nicht wahrgenommen.
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Gemäß der vorzugsweisen, in Ubereinstimmung mit dem betrachteten
Verfahren ausgeführten Einrichtung werden die Höchstfrequenzweilen von einer Quelle
9 (Fig.2) über einen Gleichrichter 10 und einen Richtkoppler 11 mit optimaler Kopplung
in dem zweiseitigen offenen Stehwellenresonator angefacht, wobei die Wellen von
der Quelle 9 zum Teil durch einen angepaßten Abschluß 12 aufgenommen werden. Der
zweiseitige offene Resonabr ist durch eine Seite des metallischen Erzeugnisses 13,
eine Linoenantenne 14, einen Wellenleiter 15, den liauptarm eines Richtkopplers
11, einen ferromagnetischen Modulator 16, den tiauptarm von Richtkoppler 17, einen
Wellenleiter 18, eine Linsenantenne 1'3 und die andere Seite des Metallerzeugnisses
(Blechs)
13 gebildet Im Resonator breiten sicil die elektromagnetischen Wellen vom Hauptarm
des Richtkopplers 11 über den Wellenleiter 15 aus und werden durch die @insenantenne
14 ausgestrahlt. Die von dieser Seite des Blechs 1) reflektierten Schwingungen werden
über die Linsenantonne 14, den Wellenleiter 15, den Hauptarm des Richtkopplors 11,
den ferromagnetischen Nodulator 16, den Hauptarm des Richtkopplers 17, den Wellenleiter
18 durch die @insenantenne 19 auf die andere Seite des Blechs 13 ausgestrahlt.
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Die elektromagnetischen Wellen gelangen zun Teil aus dem Resonator
in den Seitenarm des Richtkopplers 17, werden durch einen Kurzschlußkolben 2(w rückgestra@lt
und durch einen angcpaßton Abschluß 21 aufgenommen. Das Signal von einem Detektor
22 trifft an einer logischen Schaltung 23 ein.
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Von einer ungesteuerten Speiseeinheit 24 wird eine Sinusspannung
gleichzeitig der logischen Schaltung 23 und der Vormagnetisierungswicklung des Elektromagneten
25 des ferromagnetischen Modulators 16 zugeführt. Bei ferromagentische Modulator
16 gewährleistet in jeder Sinusspannungsperiode eine automatische Suche der elektrischen
Resonanzwellenlänge. Im Augenblick der Resonanz erreicht der über den Detektor 22
fließende Strom einen Marimalwert, und die logische Schaltung 23 läf3t den Anzeiger
26 den Momentanwert der Vormagnetisierungsspannung als Funktion der Dicke des metallischen
Erzeugnisses l3
anzeigen.
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einer Bei v Änderung der Dicke des metallischen Erzeugnisses 13 entspricht
dem Moment der Erreichung durch den über den Detektor 22 fließenden Strom eines
Maximalwertes ein anderer Momentanwert der Vormagnetisierungsspannung der Speiseeinheit
24, und die logische Schaltung 23 läßt diesen Spannungswert am Anzeiger 26 anzeigen.
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Die zweite Einrichtung enthält gemäß den dargestellten Verfahren
einen Generator 27 (Fig. 3) für veränderliche Höchstfrequenz, einen Richtkoppler
28 mit optimaler Koppluug, einen angepaßten Abschluß 29, einen vierarmigen Zirkulator
30, Linsenantennen 31 und 32, das zu messende Erzeugnis 33, einen Richtkoppler 34,
einen angepaßten Abschluß 35 und einen Anzeiger 36.
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~ Schwingung Die @ @ vom Generator 27 für veränderliche Höchstfrequenz
wird über den Richtkoppler 28 in dejn Wanderwellenresonator -angeregt, der sich
aus einem itilfsarm des Richtkopplers 28, dem vierarmigen Zirkulator 30, den Linsenantennen
31 und 32, dem zu messenden Erzeugnis 33 und dem Hauptarm des Richtkopplers 34 zusammensetzt.
Hierlei werden die vom Generator 27 kommenden Wcllen zwei Teil durch den angepaßten
Abschluß 29 aufgenommen. Die elektromagnetischen Wellen kommen über den vierarmigen
Zirkulator 30 von desseii Arm 1 zum Arm II durch und werden durch die Linsenanteinio
31 auf die erste Seite des zu messenden Erzeugnisses 33 ausgestrahlt.
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Die von dem zu messenden Erzeugnis 33 reflektierten Wellen werden
durch die Linsenantenne 31 empfangen und kommen weiter über den vierarmigen Zirkulator
30 aus dessell Arm II in dem Arm III zur Linsenantonne @2 durch, dann werden sie
erneut auf die andere Seite des zu messenden Erzeugnisses 33 ausgestrahlt.
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Die zweifach reflektierten Wellen werden durch die Antenne 32 empfangen,
dann kommen sie über den vierarmigen Zirkulator 30 aus dem Arm III in den Arm IV
durch und gelangen in den Hilfsarm des Richtkopplers 28.
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Das beschriebene System bildet also einen Wanderwellenresonator,
der über eine Richtverbindung vom Generator 27 gespeist wird. Ein Teil der Energie
kommt aus dem Resonator über den Koppler 34 mit dem angepaßten Abschluß 35 zum Anzeiger
36 für die Bestimmung der Resonanzfrequenz.
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Bei der Speisung des Wanderwellenresonators über die Richtverbindung
stellt sich in diesem eine einseitig gerichtete Zirkulation der elektromagnetischen
Wanderwelle ein.
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Zur Entstehung einer Resonanz sind folgende Bedingungen:
wo n = 1,2,3...
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zu erfüllen, wo lw und 10 - die Länge des Wellenleiters bzw. des freien
Raumes
des Wanderwellenresonators;
und
- die Wellenlänge im Wellenleiter bzw. im freiem Raum des Wanderwellenresonator
bedeuten Bei der Änderung der Frequenz des Generators 27 tritt bei bestimmter Frequenz
eine Resonanz ein, wobei die Resonanzfrequenz bei einer Verschiebung des Erzeugnlsses
zwischen den Antennen unverändert bleibt, da sich hierbei die elektrische Länge
des Wandervellenresonators nicht ändert. Bei der Änderung der Dicke des Erzeugnisses
33 ändert sich die elektrische Gesamtlänge des Wanderwellenresonators, was zur Änderung
sein ner Resnanzfrequenz führt.
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Wenn die Wellenlänge des Generators sich in Grenzen von #w min bis
#w max bewegt, so wird der Bereich der zu messenden Dicken durch die Beziehung:
bestimmt.
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Die dritte Einrichtung enthält eine Wanderwellenröhre 37 (Fig. 4),
ein Bandfilter 38, dreiarmige Zirkulatoren 39 und 40, Linsenantennen 41 und 42,
das zu messende Erzeugnis 43, einen Riahtkoppler 44, einen angepaßten Abschluß 45,
einen Anzeiger 46 und eine Speiseeinheit 47.
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Bei einem stabilen Generatorbetrieb kommt die elektromagnetisclie
Welle vom Ausgang der Wanderwellenröhre 37 über das
Bandfilter
38, den dreiarmigen Zirkulator 39 aus dem Arm 1 in den Arm II zur Linsenantenne
41 durch und wird auf die erste Seite des zu messenden Erzeugnisses 43 ausgestrahlt.
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Die reflektierte Welle wird durch die Linsenantenne 41 empfangen,
kommt über den dreiarmigen Zirkulator 39 aus dem Arm II in den Arm III durch, gelangt
anschlieSend aus dem Arm I' in den Arm II' des dreiarmigen Zirkulators 40, kommt
weiter zur Linsenantenne 42 durch und wird erneut auf die andere Oberfläche des
zu messenden Erzeugnisses 43 ausgestrahlt.
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Die zweifach reflektierte Welle wird durch die Antenne 42 e.mpf3ngen,
kommt über den dreiarmigen Zirkulator 40 aus dem Arm II' in den Arm III' durch und
gelangt über den Hauptarm des Richtkopplers 44 auf den Eingang der Wanderwellenröhre
37.
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Dank der Breitbandigkeit der Wanderwellenrbhre sowie der Tatsache,
daß auf die Röhre selbst und auf den Stromkreis deren positiver Rückkopplung eine
Vielzahl von Wellenlängen entfält, erzeugt die Röhre ein ganzes Frequenzspektrum.
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Der Stromkreis der positiven Rückkopplung wird durch die Wanderwellenrdhre
37, das Bandfilter 38, die dreiarmigen Zirkulatoren 39 und 40, die Linsenantennen
41 und 42, das Meßoh-Jekt 43 und den Hauptarm des Richtkopplers 44 gebildet.
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Die Erzeugung durch die Röhre einer Welle von nur einer Frequenz
wird dadurch ermöglicht, daß in den Rückkopplerkreis das Bandfilter 38 für die gewählte
Frequenz @e schaltet ist.
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Die Wellenerzeugung tritt bei der Frequenz fg , für
die
die Bedingung eines Phasen- und Amplitudenausgleiches erfüllt wird, ein.
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wo #w und @r - Phasenverschiebungen in der Wanderwellenröhre bzw.
im Rückkoppelkreis, N - eine ganze Zahl sind.
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Die Wellenlänge der Einrichtung (Fig. 4) erfüllt also die Bedingung.
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wo 1 die elektrische Länge des Rückkoppelkreises der Wanderwellenröhre
ist.
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Wichtig ist, daß sich bei einer Verschiebung des Objektes 43 zwischen
den Antennen 41 und 42 die elektrische Gesamtlänge 1 und folglich auch die Schwingungsfrequenz
fg in der Einrichtung nicht ändert.
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Zur Messung der Schwingungsfrequenz wird ein Teil der Energie über
den Richtkoppler 44 mit dem angepaßten Abschluß 45 dem Anzeiger 56 zugeführt.
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Die vorgeschlagene Einrichtung gewährleistet eine große Meßempfindlichkeit
dank einer hohen Gifte des Arbeitskreises und ermöglicht die Frequenzmessung mit
einer erhöhten Meßgenauigkeit.