DE2503538A1 - Geraet zum erzeugen eines zeitbezugssignals aus einem impuls von elektrischen signalschwingungen - Google Patents

Geraet zum erzeugen eines zeitbezugssignals aus einem impuls von elektrischen signalschwingungen

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DE2503538A1 DE19752503538 DE2503538A DE2503538A1 DE 2503538 A1 DE2503538 A1 DE 2503538A1 DE 19752503538 DE19752503538 DE 19752503538 DE 2503538 A DE2503538 A DE 2503538A DE 2503538 A1 DE2503538 A1 DE 2503538A1
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Description

PATENTANWÄLTE D 59 Siegen
DIPL-ING. ERICH SCHUBERT 9 C ft ^ C Q Q MarburgerTor2 - Postfach
DIPL.-1NG. ROLF PURCKHAUER * ?> W « 4 0 Telefon: iron 54070
Telegramm-Anschrift: Patschub, Siegen
75 015 Kü/A 2 8. JAN. 1975
United Kingdom Atomic Energy Authority, London SWlY, 1IQP, England
Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 4665/7^ vom 31· Januar 197^ beansprucht.
Gerät zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals aus einem Impuls von elektrischen Signalschwingungen
Die Erfindung bezieht sich auf Geräte zum Erzeugen von· Zeitbezugssignalen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Erzeugung von Zeltbezugssignalen aus Impulsen von elektrischen Hochfrequenz-Signalschwingungen,wie sie beispielsweise zur Messung von Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeiten unter Verwendung von Ultrasehallimpulsen gebraucht werden. .
Die Erfindung geht aus von einem Gerät zur Erzeugung eines Zeitbezugssignals aus einem Impuls von elektrischen Signalschwingungen, wobei das. Gerät eine Detektoreinrichtung zum Ermitteln der Ankunft eines Impulses, ferner einen Nulldurchgangsdetektor aufweist, der mit der genannten Detektoreinrichtung so gekoppelt ist, daß er einen Signalausgang in dem Augenblick erzeugt, wo die elektrische Signalschwingung nachfolgend auf die Ermittlung durch die genannte Detektoreinrichtung den Nullpunkt passiert, und das erfindungsgemäße Gerät ist gekennzeichnet durch
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eine Anzeigeeinrichtung zur Lieferung einer Anzeige darüber, ob die Amplitude des ermittelten Impulses für einen richtigen Betrieb des Nulldurchgangsdetektors ausreicht oder nicht.
Die genannte Detektoreinrichtung weist vorzugsweise einen Grenzwertdetektor auf.
Vorzugsweise weist die Anzeigeeinrichtung einen Integrierverstärker auf, der so geschaltet ist, daß er den Impuls empfängt und einen Ausgang liefert, der eine'Anzeige für die integrierte Amplitude des Schwingungssignals über die Gesamtdauer des Impulses hinweg ist.
Der Betrieb des Nulldurchgangsdetektors beim Erzeugen eines Ausgangs, der mit einem besonderen ausgewählten Nulldurchgang des empfangenen Signals zusammenfällt, wird nur dann zufriedenstellend sein, wenn die Amplitude des empfangenen Signals innerhalb vorgegebener Grenzen liegt. Somit sieht der Ausgang des Integrierverstärkers eine Prüfung vor, um zu zeigen, ob der Betrieb des Nulldurchgangsdetektors unter zufriedenstellenden Bedingungen stattgefunden hat.
Vorzugsweise ist eine Komparatoreinrichtung vorgesehen, die den Ausgang des Integrierverstärkers mit einer Bezugsnorm vergleicht. Gewöhnlich wird der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors einem anderen Gerät zur Durchführung von logischen und/oder Steuerfunktionen zugeführt. In diesem Falle ist es zweckmäßig, eine Einrichtung .vorzusehen, die auf den Ausgang der Komparatoreinrichtung anspricht, um den Betrieb eines solchen logischBn und/oder Steuergerätes für den Fall zu verhindern, daß der Vergleich des Ausgangs des Integrierverstärkers mit der Bezugsnorm Zustände nachweist, bei welchen der Betrieb des Nulldurchgangsdetektors aller Wahrscheinlichkeit nach unzufriedenstellend ist.
Besondere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Gerätes werden nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeich-
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nung beschrieben, und zwar zwar zeigen die
Pign. l(A) und l(B) Signalwellenformen, die Pign. 2(A) und 2(B) Schaltungsanordnungen eines Teils des
Gerätes,
Fig. 3 zeigt weitere Wellenformen, während Pig. 4 ein Blockschaltbild eines Teils eines Gerätes
wiedergibt, in welches das Geüät nach den Pign.
2(A) und (B) eingebaut ist.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Erfindung in eine Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitskomponente einer Strömungsmittelströmung eingebaut, wie sie in der DT-OS 2 3l6 437 beschrieben ist. Diese Einrichtung arbeitet auf dem Prinzip, daß gleichzeitig die übertragung eines Ultraschallimpulses durch das Strömungsmittel hindurch sowie das Zählen von Impulsen oder Schwingungen aus einem spannungsgeregelten Oszillator eingeleitet werden. Die Ankunftszeit des empfangenen Impulses oder Ultraschalls wird verglichen mit der Ankunftszeit des N-ten Impulses oder der N-ten Schwingung aus dem spannungsgesteuerten Oszillator, und Einregelungen werden an der Schwingfrequenz des spannungsgeregelten Oszillators durchgeführt, mit dem Bestreben, diese jeweiligen Ankunftszeiten in Übereinstimmung zu bringen. Dadurch, daß auf diese Weise eine vorbestimmte Anzahl (N) von Impulsen oder Schwingungen in die Plugzeit der Ultraschallimpulse durch das Strömungsmittel hindurch auf dem gleichen Weg, aber in entgegengesetzten Richtungen eingebracht wird, ist es möglich, die Komponente der Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit entlang diesem Weg aus der Differenz in der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators entsprechend den beiden entgegengesetzten Übertragungsrichtungen der Ultraschallimpulse zu errechnen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Genauigkeit der Einrichtung unter anderem von der Genauigkeit abhängt, mit welcher ein Zeitbezug auf den empfangenen Ultraschallimpuls hin aufge-
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baut werden kann.
Ein Wandler wandelt den empfangenen Ultraschallimpuls in ein elektrisches Signal um, und die Wellenform dieses Signals ist in den Fign. l(A) und l(B) dargestellt, die graphische Darstellungen sind, in denen die Abszisse die Zeit und die Ordinate die Signalamplitude am Ausgang eines Verstärkers 22 (siehe Pig. 2(A)) darstellt.
Nach Pig. 2(A) wird das Signal vom Wandler bei 21 dem Verstärker 22 zugeführt, dessen Ausgang einem Grenzwertdetektor und einem Nulldurchgangsdetektor 2M übermittelt wird. Der Betrieb wird durch einen Abtaster 25 gesteuert, der die Detektorschaltung nur während einer vorbestimmten Periode in Betrieb setzt, welche die erwartete Ankunftszeit eines Impulses umfaßt. Der Zweck des Abtasters besteht darin, einen unerwünschten Betrieb aus ungewollten Signalen zu verhindern.
Fig. l(A) zeigt ein empfangenes Signal von einer Amplitude, die für Normalbetrieb ausreicht. Die gestrichelte Linie 26 stellt den Grenzpegel dar, der durch den Grenzwertdetektor 23 eingestellt wird. Die Anordnung dieses Ausführungsbeispiels ist so, daß der Nulldurchgangsdetektor einen Ausgang beim nächsten positivgehenden Nulldurchgang des empfangenen Signals liefert, nachdem eine negativgehende Exkursion des Signals den Grenwertdetektorpegel 26 Überschritten hat. Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors wird somit der Stelle 27 in Fig. l(A) entsprechen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Amplitude des empfangenen Ultraschallimpulses'erwartungsgemäß sich ändert, insbesondere dann, wenn Gasbläschen oder Feststoffe im Strömungsmittel schweben. Die obengenannte DT-OS 2 316 437 beschreibt, wie Vorkehrungen getroffen werden können, um Fehler in der Strömungsmessung zu vermeiden, die durch die Einrichtung als Folge einer völligen Behinderung von einigen der Ultraschallimpulse angezeigt wird. Es ist Jedoch der Einrichtung möglich, ein empfangenes
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Signal zu ermitteln und zu arbeiten, aber ein fehlerhaftes Ergebnis zu liefern, weil die Amplitude des ermittelten Signals zu klein ist. Dies ist in Fig. l(B) veranschaulicht, aus der hervorgeht, daß das empfangene Signal so geschwächt worden ist, daß die erste negativgellende Exkursion den Grenzwertdetektor nicht in Betrieb setzt, daß aber die zweite negativgehende. Exkursion dies tut. Der Nulldurchgangsdetektor wird dann einen Ausgang an der Stelle 28 in Pig. l(B) erzeugen, der um die Periode eines vollständigen Zyklus der Hochfrequenzschwingung aus der gewünschten Position für den Zeitbezug verlagert ist.
Dieser Effekt kann durch Vorsehen einer automatischen Verstärkungsregelung für den Verstärker 22 reduziert werden. Dies ist in Pig. 2(A) angedeutet, in welcher eine Vorrichtung 29 die Amplitude des Ausgangs vom Verstärker 22 ermittelt und ein Spannungssignal liefert, welches dieser Amplitude entspricht und mit einer Bezugsspannung VE durch einen Komparator 31 verglichen wird. Der Ausgang vom Komparator 31 steuert den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 22, mit der Tendenz, die'Amplitude des Ausgangssignals auf einem konstanten Pegel zu halten.
Die automatische Verstärkungsregelung arbeitet jedoch notwendigerweise mit einer relativ langen Zeitkonstante, die .'den Verstärkungsfaktor nur dann einregelt, wenn sich der empfangene Durchschnitts-Signalpegel ändert. Beispielsweise können daher, wenn nur ein kleiner Teil von stark abgeschwächten Signalen empfangen wird, diese abgeschwächten Signale den Grenzwertdetektor 23 in der Form erreichen, die durch Fig. l(B) dargestellt wird. Fig. 2(B) veranschaulicht ein Gerät zur Lieferung eines Ausgangssignals, um anzuzeigen, daß die dem Grenzwertdetektor.23 zugeführte Amplitude des empfangenen Signals zufriedenstellend ist. Der Ausgang des Verstärkers 22 an der Leitung 32 wird über ein Lineartor 33, welches durch den Abtaster 25 gesteuert wird, einem integrierenden Verstärker ~5k zugeführt, Der Ausgang des Integrierverstärkers 34 wird mit einer Bezugsspannung durch eine Trigger-
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schaltung 35 verglichen, die so eingerichtet ist, daß sie eine Flipflop-Schaltung 36 in dem Falle einstellt, daß der Ausgang des Integrierverstärkers einen vorbestimmten Pegel überschreitet. Der Betrieb dieser Schaltung ist wie folgt:
Das Lineartor 33 wird durch den Abtastimpuls angesteuert bzw. gezündet, so daß der Ausgang des Verstärkers 22 nur mit dem Integrierverstärker 3*1 während der Abtast-Zeitspanne verbunden ist, d.h. während der Periode, welche die erwartete Ankunftszeit eines empfangenen Impulses umfaßt.
Der Eingang zum Integrierverstärker ist eine Niedrigimpedanz (eine "Summierungs"-Stelle) bei der Spannung, die durch den Regelwiderstand R2 eingestellt ist. Die Diode D wird leiten, wenn das Signal mehr negativ ist als diese Spannung, und zwar um einen Betrag Vf, wobei Vf die Spannung ist, die für die Diode D zum Leiten erforderlich 1st. Der Widerstand R2 wird so eingestellt, daß die Diode D sich einschaltet, wenn die Signalspannung ein wenig mehr negativ ist als das Verstärker-Ausgangsgeräusch. Dies vermeidet jeglichen Beitrag für den Integrierverstärker aus diesem Geräusch.
Die Zeitkonstante der Kondensator-Widerstands-Kombination C-R« 1st viel größer eingerichtet als die Abtastzeit und viel kleiner als die Verzögerung zwischen dem Empfang von aufeinanderfolgenden empfangenen Impulsen. Auf diese Weise kann eine echte Integration während der Abtastzeit stattfinden, doch besteht genügend Zeit, damit die Spannung am Kondensator C» vor dem nächsten Abtastimpuls auf Null abfallen kann.
Der augenblickliche Stromfluß durch den Widerstand Rl und die Diode D in den integrierenden Kondensator Cf hinein ist gegeben durch:
V - V + V
VRX vf VR2
Rl
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Darin ist:
V
HX = Signal amplitude
Vf = Diode-Vorwärtsspannungsabfall VR2 = Bezugsspannung für Funktionsverstärker A,
Die Form des Stromes I ist im unteren Teil von Fig» 3 dargestellt. Der obere Teil der Fig. 3 zeigt die Wellenform des Ausgangs des Verstärkers 22 zum Vergleich-.
Die Ausgangsspannung vom Funktionsverstärker A her, die der Triggerschaltung 35 zugeführt wird, wird proportional der Gesamtladung sein, die im Kondensator C-, während der Abtastzeit integriert ist, d.h. die Ausgangsspannung wird proportional der gesamten schraffierten Fläche in Fig. 3 sein.
Der Auslöse- oder Schaltpegel der Triggerschaltung 35 wird unter Verwendung eines Regelwiderstandes R3 so eingestellt, daß ein empfangenes Signal, welches eine mittlere Amplitude aufweist, die ausreicht, um einen Spannungsausgang vom integrierenden Verstärker zu erzeugen, der größer ist als dieser Auslösepegel, stark genug sein wird, um den Nulldurchgangsdetektor richtig zu betätigen.
Fig. 4 zeigt, wie das Gerät nachEig. 2(B) in die Strömungsmeßeinrichtung eingebaut ist, damit die Einstellung der spannungsgeregelten Oszillatoren in dem Falle verhindert wird, daß die empfangene Impulsamplitude zu klein ist, um den Nulldurchgangsdetektor zufriedenstellend zu betätigen. Fig. 4 zeigt denjenigen Teil der Einrichtung, der der Fig. 3 der DT-OS 2 316 437 entspricht. Der Betrieb"bzw. die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 4 ist folgende:
Ein Startimpuls von einem Hauptoszillator (nicht dargestellt) nimmt eine Rückstellung aller drei Flipflopschaltungen 45, 46 und 47 vor. Jeder empfangene Impuls RX vom spannungsgeregelten
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Oszillator her kann die Flipflopschaltung 45 oder die Flipflopschaltung 46 einstellen, je nachdem, welcher Impuls zuerst ankommt. Wenn somit der empfangene RX-Impuls zuerst ankommt, wird Flipflop 45 eingestellt und verhindert nachfolgend das Einstellen des Flipflop 46. Wenn der N-te Impuls vom spannungsgesteuerten Oszillator zuerst ankommt, dann wird Flipflop 46 zuerst eingestellt und nachfolgend das Einstellen des Flipflop 45 verhindert.
Wenn der empfangene RX-Impuls zuerst ankommt, wird das
Einregeln der spannungsgesteuerten Oszillatorfrequenz um einen Mehrbetrag durch eine monostabile Schaltung 50 bewirkt, die eine Pegelverschiebung betätigt, wie in der DT-OS 2 316 437 beschrieben. Es wird jedoch ein Ausgang vom eingestellten Flipflop 45
nach der monostabilen Schaltung 50 über ein UND-Tor 48 übermittelt, welches die Betätigung der monostabilen Schaltung solange verhindert, bis die Flipflopschaltung 47 eingestellt ist.
In ähnlicher Weise wird die entsprechende Reduzierung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators für den Fall,
daß der N-te Impuls vom spannungsgesteuerten Oszillator her
zuerst ankommt, durch eine monostabile Schaltung 51 und eine
zugeordnete Pegelversc iebung bewirkt. Auch hier wird wiederum der Ausgang von einer eingestellten Flipflopschaltung 46 nach einer monostabilen Schaltung 51 über ein UND-Tor 49 übermittelt, welches die Betätigung der monostabilen Schaltung 51 solange
verhindert, bis die Flipflopschaltung 47 eingestellt ist.
Die Flipflopschaltung 47 entspricht der Flipflopschaltung in Fig. 2(B) und wird durch den Ausgang der Kombination aus
Integrierverstärker 34 und Triggerschaltung 35 gesteuert, die
durch das Kästchen 54 in Fig. 4 dargestellt ist und ihrerseits mit dem Signalausgang vom Verstärker 22 über das abgestastete
Lineärtor 33 beliefert wird. So kann weder die monostabile
Schaltung 50 noch die monostabile Schaltung 51 arbeiten, es sei denn, daß ein empfr genes Signal eine Amplitude hat, die durch die Einrichtung nach Fig. 2(B) als ausreichend dafür befunden
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~ Q —
wurde, daß der Nulldurchgangsdetektor zufriedenstellend gearbeitet hat.
Die Einrichtung nach Pig. 4 enthält natürlich Vorkehrungen dafür, daß keine Einstellung im Falle einer Behinderung des Ultraschallimpulses stattfindet, denn in diesem Falle wird kein empfangener Impuls vorhanden sein, und die Flipflopschaltung 47 wird in ihrem rückgestellten Zustand verbleiben.
Setzt man voraus, daß ein bestimmter Mindestanteil (z.B. 10 %) des empfangenen Signals normal ist, dann wird das Steuerspannungsgedächtnis des spannungsgesteuerten Oszillators einen korrekten Betrieb in einer Weise zulassen, die direkt der in der DT-OS 2 316 437 in Bezug auf die Betätigung, wenn ein Teil der empfangenen Signale völlig fehlt, beschrieben ist.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist das in Fig. 2(B) dargestellte Gerät insbesondere dann vorteilhaft, wenn es in der in Fig. 4 dargestellten Weise in der Einrichtung verwendet wird, die in der DT-OS 2 316 437 für Strömungsmittel-Strömungsmessung, beschrieben ist. Das Gerät nach Fig. 2(B) kann überall dort verwendet werden, wo es e wünscht ist, einen genauen Zeitbezug auf einen Signalimpuls von der in Fig. 1 dargestellten Form herzustellen.
Patentansprüche
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Claims (4)

  1. Patentansprüche
    l.J Gerät zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals aus einem . Impuls von elektrischen Signalschwingungen, bestehend aus einer Detektoreinrichtung zum Ermitteln der Ankunft eines Impulses und aus einem Nulldurchgangsdetektor, der mit der vorgenannten Detektoreinrichtung so gekoppelt ist, daß er einen Signalausgang in dem Augenblick liefert, wo die elektrische Signalschwingung den Nullpunkt nachfolgend auf die Ermittlung durch die Detektoreinrichtung passiert, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (34,35,36) zur Lieferung einer Anzeige dafür, ob die Amplitude des ermittelten Impulses für richtigen Betrieb des Nulldurchgangsdetektors (24) ausreichend ist oder nicht.
  2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung einen Integrierverstärker (3*0 aufweist, der den Impuls empfängt und einen Ausgang liefert, welcher der integrierten Ampli'tude des Schwingungssignals über die Gesamtdauer des Impulses hinweg entspricht.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komparatoreinrichtung (35) zum Vergleichen des Ausgangs des Integrierverstärkers (3*0 mit einer Bezugsnorm vorgesehen ist.
  4. 4. Gerät nach Anspruch 3, bei dem der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors einem anderen Gerät zur Ausführung logischer und/ oder Steuerfunktionen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (36) vorgesehen ist, die auf den Ausgang der Komparatoreinrichtung (35) zum Verhindern des Betriebs des logischen und/oder Steuernden Gerätes für den Fall anspricht, daß der Vergleich des Ausgangs des Integrierverstärkers (32O mit der Bezugsnorm Zustände anzeigt, unter denen der Betrieb des Nulldurchgangsdetektors (24) aller Wahrscheinlichkeit nach unzufriedenstellend ist.
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DE19752503538 1974-01-31 1975-01-29 Gerät zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals aus einem Impuls von elektrischen Signalschwingungen Expired DE2503538C2 (de)

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