DE2509595A1

DE2509595A1 - Verfahren zur auswertung periodischer elektronischer signale unterschiedlicher dauer, frequenz, amplitude und unterschiedlicher folge

Info

Publication number: DE2509595A1
Application number: DE19752509595
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Dr Ing Dr Pfeifer; Hans-Juergen Dr Rer N Schaefer
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 1975-03-05
Filing date: 1975-03-05
Publication date: 1976-09-16
Also published as: FR2303296B1; FR2303296A1

Description

DR. BERG DIPl.-iNG. iTAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR DR. SANDMAIR

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

Anwaltsakte 25

Deutsch —Französisches Forschungsinstitut Saint-Louis (Frankreich)

"Verfahren zur Auswertung periodischer elektronischer Signale unterschiedlicher Dauer, Frequenz, Amplitude und unterschiedlicher Folge"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Auswertung von periodischen elektronischen Signalen, die unterschiedliche Amplitude und Dauer besitzen und die in zufälligen Abständen auftreten. Das Verfahren erlaubt, die Frequenz der periodischen Schwankungen in jedem Einzeisignai oder die Zeitdauer für eine vorgewählte Anzahl von Schwingungen zu bestimmen und solche Signale auszusondern_£ deren Dauer einen vorgegebenen Wert nicht erreicht. Ein solches Auswertevei'fahren kann insbesondere in der Laseranssicmetrie ύ ^rz-i^lt^fz Anwen-

r (089.· 9g 82 72 8 München 80. Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische VeKinsbani: Μϋηώίη -Sl: Vj

987043 Teiegramme: BERGSTAPFPATENT München Kypo-Banf: äiünche:·:: ν Υ£ΐ

98^310 TELEX: 05245« 3ERG ä Pcsf;;iiec:: :■ λ.~Λ.ζ? '.il^i-lii

609838/0CS7

ORIGINAL INSPECTEC

dung finden.

Unter dem Begriff Laseranemometrie werden Messverfahren zusammengefaßt, die es erlauben, unter Verwendung von Laserstrahlung die Geschwindigkeit strömender Gase und Flüßigkeiten zu bestimmen. Grundlage ist in allen Fällen die Messung der an kleinen, von der Strömung mitgeführten Teilchen gestreuten Laserstrahlung.

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Modifikationen der optischen Anordnung von Laseranemometern entwickelt, unter denen das sogenannte Streifenanemometer das weitaus am häufigsten verwendete ist. Sein optischer Aufbau (Pig. I) besteht aus einem kontinuierlich strahlenden Laser 1, einem Strahlteiler 2₅ der zwei_s sich am Messort schneidende Strahlenbündel erzeugt„ und einem optischen System 3_S welches den Messort· auf einen Photodetektor k abbildet. Die Wirkungsweise des Verfahrens beruht darauf, daß die beiden Teilstrahlen in ihrem Schnittvolumen (d. h. am Messort) ein Interferenzstreifer system erzeugen. Der Abstand d benachbarter Streifen ist dabei gegeben durch die Wellenlänge der- Laserstrahlung und den Schnittwinkel der beiden Teilstrahlen.

Teilchen, die das Schnittvolumen durchsetzen, erzeugen ein moduliertes Streulichtsignal entsprechend ihrer Geschwindigkeitskomponente ν senkrecht zum Streifensystem.

Die MoculJi.'i.-wi'ii-'i^ca'i.i^ f ;.v: ;0-:nn gegsasn durch ii.e Gleichung

2503595

!-•as Zeitintervall T zwischen zwei benac^ ^aie^ ruriKten gleicher Phase im Streulichtsignal ist gemäß Gleichung

(2) T = ^d

Beide Gleichungen können für die Datenauswertung herangezogen werden. Zu den Auswerteverfahren, die sich auf die Gleichung (1) stützen, gehören die Frequenzanalyse und die Frequenznachführung. Beide erfordern ein annähernd kontinuierliches Streulichtsignal und damit eine große Teilchendichte in der Strömung.

Bei dem einzigen bisher bekannten Verfahren, welches sich auf die Gleichung (2) stützt, dem sogenannten Doppel-Counter-Verfahren, ist dies dagegen nicht der Fall. Hier wird vielmehr die Geschwindigkeit einzelner Teilchen gemessen, wie an Hand der Figur 2 erklärt werden wird. Das an den Partikeln gestreute Licht wird von einem Photodetektor aufgenommen, an dessen Ausgang ein elektrisches Signal der Form _ (Fig. 2) auftritt. Nach Durchgang durch ein Bandpassfilter '^immt das Signal die Form 2 an. Das Signal ist symmetrisch -:ur Nullinie. Die Signale mit einem Niveau, das unter einem ,τ. voraus gewählten Schwellenwert S liegt, bleiben, unberücksichtigt. In der folgenden Phase 3 wird das Siganl mit life zweier Counter erfasst.

-unter 1 mißt die einer Anzahl von η Perioden entsprechende ■ it T₁- Counter 2 mißt die einer Anzahl von ?tn Perioden «*;"·» i-^feit T-V. Zur Erzielung '.v^ic: ;: - ■;■■■-- :i-:;i;-_;i'.3^^ ~ \ V

B09833/0D87

η möglichst groß gewählt werden.

Das Signal 3 wird als "gut" anerkannt, wenn die Zeit T„ annähernd doppelt so groß ist wie T., d.h., wenn nachstehende Gleichung gilt:

2 - 1

6 stellt dabei eine kleine Größe dar, z.B. 1 %. Sollte dagegen die angegebene Schwelle £ überschritten werden, wird das Signal ausgesondert. Die Geschwindigkeit ν des Teilchens ist dann gegeben durch

ν = 2 η d /T₂.

Die gleichzeitige Verwendung von zwei Zählern wurde aus zwei Gründen für notwendig erachtet. Erstens, um Signale von der Weiterverarbeitung auszuschließen, die durch destruktive Interferenz mehrerer, gleichzeitig vorhandener Teilchen gestört sind, undzweitens, um Signale zu erkennen und zu eliminieren, die weniger als 2n Perioden aufweisen« Dieser Fall kann auftreten, wenn ein Teilchen das Beobachtungsvolumen am Rande oder schräg durchsetzt.

Der Erfindung leigt das Zeil zugrunde, die Datenerfassung mit erheblich geringerem apparativem Aufwand zu realisieren, ohne daß dadurch ein Verlust an Messgenauigkeit auftritt. Erfindungsgemäß können Signale, wie sie in der Laseranemometrie auftreten, oder ähnliche Signale mit einem einzigen Zähler oder Counter worunter hierin das gleiche verstanden werden soll und

- 5 609838/0087

einer einfachen logischen Schaltung ausgewertet werden.

Mit Hilfe der Figur 3 wird das Wesen der Erfindung am Beispiel der Laseranemometrie wie folgt erläutert:

Sobald ein Signal 1 erscheint, dessen Amplitude einen vorher gewählten Schwellenwert S₁ überschreitet, beginnt der Messvorgang mit dem Counter. Er ermittelt die Anzahl η der Nulldurchgänge des Signals in z. B. aufsteigender Richtung in einem vorgegebenen Zeitintervall T. Zusätzlich und gleichzeitig mißt er die Zeitdifferenz Δ T. zwischen dem Beginn des Messintervalls und dem ersten Nulldurchgang sowie die Zeitdifferenz ΔT- zwischen dem letzten Nulldurchgang und dem Ende des MessIntervalls.

Die Geschwindigkeit des Teilchens ist dann gegeben durch folgende Gleichung

η . d

(¹O ν =

d ist hier wieder der Abstand benachbarter Streifen.

Ausgehend von kommerziell erhältlichen Countern, die die Rechenoperation n/(T- T.-Tp) für die Gleichung ( H ) durchführen, wird an Hand des Impulsdiagramms Fig. 4a und des Blockschaltbildes Fig. ^b eine mögliche Realisierung erläutert:

Zunächst wird (Fig. ^a) zu jedem Zeitpunkt, an dem die Amplitude des Signal^zuges a die wählbare Schwelle Sp überschreitet, mit Hilfe eines Schmitt-Triggers ein Impuls erzeugt b.

- 6 60983 8/0087

2503595

Ebenso wird, wenn die Amplitude des Signalzuges a eine gleich hohe oder andere Schwelle S₁ überschreitet, ein Impuls c der Länge T gestartet, welcher dem Zähler die Messzeit vorgibt. Von der abfallenden Flanke dieses Impulses c wird ein weiterer Impuls d abgeleitet. Mit Hilfe einer AND-Schaltung e wird dann festgestellt, ob während der Zeit des Impulses d auch noch Impulse des Zuges b vorhanden sind. Ist dies der Fall, so wird der Impuls f erzeugt, welcher der weiteren Verarbeiw tungsanlage (z. B. einem Minicomputer) den Befehl gibt, den Messwert anzunehmen. Auf diese Weise wird also festgestellt, ob die Signalamplitude am Ende des Messintervalls die Schwelle S₂ noch überschreitet. Fliegt nämlich z. B. ein Teilchen schräg durch das Messvolumen und erzeugt deswegen nur wenige Schwingungen, so endet der Impulszug b schon vor Erscheinen des Impulses d und die AMD-Schaltung gibt keinen Impuls an die weitere Datenverarbeitungsanlage ab.

Fig. 4b zeigt das zugehörige Blockschaltbild, dessen Kern der Zähler 1 ist. Die logische Schaltung zur Aussonderung zeitlich zu kurzer Signale enthält zunächst die beiden Schwellenwertdetektoren 2 und 4 für S^ bzw. S₂. Der Detektor 2 startet den Impulsgenerator 3, welcher den Impuls für die Messzeit T an den Zähler abgibt. Mit der abfallenden Flanke dieses Messzeitimpulses beginnt der vom Senerator 5 erzeugte Impuls d der Fig. 4a. Mit der AND-Schaltung 6 wird überprüft, ob dieser Impuls und Impulse des vom Schwellenwertdetektor 4 abgegebenen Impulszuges b gleichzeitig vorhanden sind. Ist dies der Fall, dann wird der wieteren Auswerteanlage der Befehl f

- 7 809838/0087

gegeben, den digitalen Messwert g vom Zähler abzunehmen. Anderenfalls wird eine neue Messung begonnen.

Die gesamte logische Schaltung zur Aussonderung zeitlich zu kurzer Signale kann aus einfachen Schaltelementen zusammengesetzt werden.

Das Verfahren ist zwar nicht geeignet, destruktive Intern ferenzen zu erkennen, diese lassen sich jedoch in jedem Falle durch Verringerung der Teilchenkonzentration oder durch Verkleinerung des Messvolumens vermeiden.

Im Vergleich zum Doppel-Counter-Verfahren wird durch die Erfindung der apparative Aufwand zur Datenerfassung in der Laseranemometrie nahezu balbiert und zusätzlich wird, wegen des Wegfalls von Rechenoperationen, die Datenrate beträchtlich erhöht. Da die Anzahl der Schwingungen im Signal, über die sich die Messung erstreckt, dieselbe ist wie beim Doppel-Counter-Verfahren, tritt im Vergleich zu diesem kein Verlust an Messgenauigkeit auf.

- Patentansprüche -

609838/0087

Claims

Patentansprüche :

l.J Verfahren zur automatischen Ermittlung der Frequenz oder der Zeitdauer für eine vorgewählte Anzahl von Schwingungen in einer Folge zeitlich begrenzter Signale unterschiedlicher Amplitude und Dauer, dadurch gekennzeichnet , daß neben einem einzigen Zähler eine elektronische Schaltung verwendet wird, mit deren Hilfe solche Signale ausgesondert werden können, deren Dauer einen vorgegebenen Wert nicht erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß durch die elektronische Schaltung jeweils unmittelbar nach Abschluß der Zählermessung geprüft wird, ob die Signalamplitude einen vorgegebenen Wert weiterhin überschreitet.

6 09838/0087