DE2644887C2 - Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz eines seismischen Detektorelementes - Google Patents

Description

a. der Generator ein Synthesizer (12,13) für eine Sinuswellen-Spannung ist, der eine Reihe diskreter Spannungen erzeugt, die sich von einem driskreten Spannungswert auf den nächsten diskreten Wert aufgrund von Aktivierungspulsen mit einer verhältnismäßig hohen Folgefrequenz ändern, wobei die gesamte Reihe diskreter Spannungen zusammen eine ideale glatte erste Sinusspannung approximiert und die verhältnismäßig hohe Folgefrequenz mindestens das Hundertfache der Frequenz der approximierten ersten Sinusspannung beträgt,

b. ein Operationsverstärker (25) vorgesehen ist, dem die erste Sinusspannung über einen Widerstand (26) zugeführt ist und der eine zweite Sinusspannur.^ der gleichen Frequenz wie die erste Sinusspannung ap das Dr'ektorelement abgibt, wobei durch das im Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers lie'ende Detektorelement ein Strom fließt, der umgekehrt zu dem einen Bezugsstroni bildenden Strom ist, der aufgrund der ersten Sinusspannung durch den Widerstand (26) fließt,

c. die Einrichtung zur Erfassung der Phasendifferenz selbsttätig die Phasendifferenz zwischen der ersten, den Bezugsstrom durch den Widerstand repräsentierenden Spannung und der zweiten Spannung bildet, daß diese Phasendifferenz selbsttätig in dem Synthesizer (12, 13) einen die Folgefrequenz erzeugenden Pulsfolgenerator (17) im Sinne einer solchen Änderung der wahrgenommenen Phasendifferenz so steuert, daß eine schließliche Phasendifferenz von im wesentlichen 180° zwischen der ersten und der zweiten Sinusspannung der gesuchten Resonanzfrequenz resultiert,

d. die Ermittlung der Frequenz der Sinusschwingung durch Zählung der Aktivierungspulse des Synthesizers in einer Zeitspanne Δ t erfolgt, die durch die Beziehung

10°

Δ > = sec

gegeben ist, wobei D die Anzahl der für die Frequenzanzeige gewünschten Dezimalstellen ist und C die Anzahl der Aktivierungspulse bedeutet, die im Synthesizer jeder Periode der erzeugten Spannungen zugeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Pha

sendifferenz enthält:

1. erste und zweite Rechtecksignale abgebende Impulsformer (18,19), wobei der erste Impulsformer (19) mit seinem Eingang an dem dem Operationsverstärker (25) abgewandten Anschluß des Widerstands (26) liegt und der zweite Impulsformer (18) mit seinem Eingang an den Ausgang des Operationsverstärkers (25) _3ngeschlossen ist,

Z einen mit den Ausgängen des ersten und dem zweiten Irapulsformers (19 bzw. 18) verbundenen Digital-Phasendetektor (22) zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen den Rechtecksignalen der Impulsformer und

3. einen VorVNacheilungsdetektor (21), von dem ein Eingang mit einem zum Synthesizer (12,13) gehörenden Sinuswellengenerator (13\ ein zweiter mit dem ersten Impulsformer (19) und

ein dritter mit dem Digital-Phasendetektor (22) verbunden ist, während ein Ausgang des Vor-/Nacheilungsdetektors (21) über einen Steuerschalter (32) und einen Kondensator (24) mit dem Synthesizer derart verbunden ist, daß eine Vor'/Nacheilungsbeziehung der erzeugten Rechtecksignale ermittelt und der Synthesizer in der richtigen Richtung gesteuert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Synthesizer gehörende spannungsgesteuerten Pulsfolgegenerator (12) zwei parallele Ausgänge aufweist, von denen einer mit dem Sinuswellengenerator (13) und der andere mit einem Frequenzzähler und der Einrichtung zur Anzeige der Frequenz (20) verbunden sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen eines seismischen Detektorelementes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei seismischen Aufschlußarbeiten werden akustische Wellen erzeugt und in die Erde übertragen. An den Übergangsbereichen zwischen Schichten aus verschiedenen Gesteinen treten Reflexionen der akustischen Wellen auf. Gedämpfte Teile der reflektierten Wellen gelangen zur Erdoberfläche zurück, wo sie von Gruppen von an der Erdoberfläche aufgestellten Geophonen wahrgenommen werden. Jede Geophongruppe, die eine Anzahl einzelner Geophone enthalten kann, erzeugt entsprechend der wahrgenommenen akustischen Welle ein elektrisches Signal und überträgt dieses zu einem in der Nähe befindlichen Aufnahmewagen.

Seismische Aufnahmeeinrichtungen, insbesondere ausgelegte Detektoren, nämlich Geophone oder Hydrophone im Fall von marinen Aufschlußarbeiten, müssen gelegentlich überprüft werden, um sicherzugehen, daß die Empfindlichkeit und allgemeine Brauchbarkeit sich bei der üblichen Benutzung im rauhen Feldbetrieb nicht verändert hat. Bislang gibt es keine Standardprüfungen für Geophone; gewisse meßbare Eigenschaften sind jedoch als für Testzwecke geeignet bekannt geworden,

z. B. die Resonanzfrequenz, die Impedanz und der Dämpfungsfaktor.

Aus der US 26 48 979 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz eines seismischen Detek-

torelementes bekannt, bei der ein Sinuswellengenerator eine erste Schaltung, die das Detektorelement enthält und eine zweite ReFerenzschaltung speist

An der ermittelten Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen wird die Resonanzfrequenz des Detektorelementes ermittelt Die Erstellung der Frequenz wird hierbei von Hand vergenommen. Für sehr tiefe Frequenzen, wie sie bei seismischen Detektoren verwendet werden, ist die Einstellung sehr zeitraubend.

Aus den US 38 40 804 und US 38 32 630 sind zwar Einrichtungen zur automatischen Resonanzfrequenzermittlung bekannt, die insbesondere für piezoelektrische Bauelemente verwendbar sind. Der Zeitfaktor für eine Messung ist dabei nebengeordnet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der US 26 48 979 eine Einrichtung zur automatischen Bestimmung der Resonanzfrequenz eines seismischen Detektorelementes anzugeben, die eine schnelle und präzise Messung der Resonanzeigenschaften des Detektors, auch unter rauhen Feldbedingungen, gestattet

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung gibt eine Einrichtung an, die mit Laborpräzision arbeitet, aber gleichwoh! gegen die üblichen, sehr rauhen Einsatzbedingungen eines Feldbetriebes unempfindlich ist

Die Erfindung sieht vor, daß die Resonanzfrequenz eines seismischen Detektorelementes, das z. 3. ein Geophon, ein Hydrophon oder eine Gruppe derartige Detektoren sein kann, automatisch mit verhältnismäßig hoher Präzision, z. B. bis auf zwei Dezimalstellen, bestimmt und dargestellt werden kann. Es wird die Phasendifferenz zwischen zwei mittels eines Synthesizers erzeugten Sinusspannungen identischer Frequenz abgetastet, wobei die eine Spannung an einen reinen Widerstand und die andere an das zu prüfende seismische Detektorelement angelegt wird, so lange bis die jeweiligen Ströme, die durch den reinen Widerstand und durch das zu prü/ende Element fließen, gleich aber um 180° entgegengesetzt sind. Die Frequenz, bei der dieser Zustand erreicht wird, ist auf Grund der Definition die gesuchte Resonanzfrequenz.

Die verhältnismäßig hohe Präzision der selbsttätigen Frequenzbestimmung und Darstellung beruht zum Teil auf der Verwendung eines Sinusweilen-Spannungssynthesizers, der die benötigte Spannung aus einer großen Anzahl diskreter konstanter Spannungen zusammensetzt. Die Veränderung von einem Spannungswert zum nächsten erfolgt auf Grund von Aktivierungspulsen mit verhältnismäßig hoher Folgefrequenz von wenigstens dem hundertfachen und vorzugsweise dem dreihundertsechzigfachen der Frequenz der approximierten Sinuswelle. Die Aktivierungspulse, deren Folgefrequenz genau proportional der Frequenz der Sinuswelle sein muß, werden anstelle der Perioden der Sinuswelle gezählt

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz, wobei ein zu prüfendes seismisches Detektorelement in der Schaltung mit enthalten ist,

Fig.2 elektrische Signalformen, die zwischen den verschiedenen Τϊϊϊρπ der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung auftreten, zur Erläuterung der wesentlichen Grundlagen, die für die automatische Phasenaufnahme und -Abgleichung in einer Schaltung gemäß F i g. 1 benutzt werden, und

F i g. 3 ein ins einzelne gehendes Schaltbild des Vcrei-Iungs-/Verzögerungs-Detektors (lead/lag-Detektor), der als Phasen-Diskriminator dient und positive Korrekturpulse liefert, wenn die an die seismischen Detektorelemente angelegte Frequenz erhöht werden muß bzw. negative Korrekturpulse, falls diese Frequenz gesenkt werden muß.

ίο Das Blockdiagramm einer selbsttätigen Resonanzfrequenz-Meßschaltung, siehe Fig. 1, zeigt in der unteren rechten Ecke des Diagramms ein zu prüfendes seismisches Detektorelement 16. Das Element 16 wird mit einem Sinuswellenstrom gespeist dessen Frequenz irgendwo in der Nähe seiner Resonanzfrequenz liegt Der Strom kommt vom Operations- bzw. Funktionsverstärker 25, der ihn auf Grund einer aufgeprägten Sinuswellenspannung erzeugt, die am Punkt 27 am oberen Ende des reinen Widerstandes 26 anliegt Das seismische Detektoreleiient 16 liegt in der Rückkopplungsschleife des Funktionsverstärkers 25. Wie an v-'h aus der Theorie moderner Funktionsverstärker mit seh · hohen Verstärkungsfaktoren bekannt ist, müssen die zum Punkt 28 am Eingang des Funktionsverstärkers 25 fließender Ströme einander reagieren oder aufheben, so daß der Sinuswellenstrom, der durch das seismische Detektorelement 16 hindurch und zurück zum Punkt 28 fließt gleich und entgegengesetzt zu dem Strom ist der vom Punkt 27 zum Punkt 28 fließt Diese Bedingung für gleichen und entgegengesetzten Strom erhält sich am Punkt 28 unabhängig von der Frequenz der Spannung, die am Punkt 27 anliegt

Das eigentliche Ziel ist nun, die Schaltung gemäß F i g. 1 so einzurichten, daß irgendeine beliebige Spannungsfrequenz, die zuers» am Punkt 27 angelegt wird, selbsttätig auf die besondere Frequenz verändert wird, die dafür sorgt, daß die Spannungen am Element 36 und am Widerstand 26 genau in entgegengesetzter Phase sind. Die Ströme durch Element 16 und Widerstand 26 sind stets gleich und entgegengerichtet, und die Spannung am reinen Widerstand 26 ist notwendig in Phase mit dem durch den Widerstand 26 gehenden Strom. Falls daher die Spannungen am Widerstand 26 und am Element 16 genau in entgegengesetzter Phar,e sind, muß auch das Element 16 sich wie ein reiner Widerstand verhalten. Die Frequenz, bei der dies auftritt, ist definitionsgemäß die Resonanzfrequenz des Elementes 16. D. h., daß die »Resonanz«, um die es hier geht, eine »Phasenresonanz« ist Es können auch andere Arten von Resonanz definiert weiden, die bei geringfügig verschiedenen Frequenzen auftreten; die »Phasenresonanz« hat sich jedoch als äußerst brauchbar bei diener Art von Prüfung von seismischen Instrumenten heraus-SesUl-.

Damit die Frequenz sich selbsttätig auf die Frequenz ändert, bei der die Spannung am Treiberpuiui 29 genau in entgegengesetzter Phase zur Quellenspannung am Punkt 27 ist, ist es zunächst erforderlich, ein Signal aus den zwei Spannungen zu erzeugen, das ein Maß für ihre Phasendifferenz ist, und dann dieses Signal zu benutzen, um die automatische Frequenzänderung zu bewirken. Daher wird zunächst beschrieben; v/ig ein Signal erzeugt wird, das die Phasendifferenz der jeweiligen Spannungen am Punkt 27 und am Treiberpunkt 29 darstellt. Diese Phasendifferenz muß sowohl in Größe als auch Vorzeichen dargestellt werden.

Die Entwicklung des Phasenunterscheidungssignals wird in F i g. 2 dargestellt, die jetzt zusammen mit F i g. 1

betrachtet wird. Die Spannung vom Punkt 27 wird dem Impulsformer 19 aufgeprägt, der im wesentlichen ein Verstärker und ein Clipper ist und einen Rechtecksignal abgibt, dessen positive und negative Abschnitte den positiven und negativen Abschnitten der Spannung am Punkt 27 entsprechen.

Am wichtigsten ist, daß die Anstiegs- und Abfallsflanken zeitlich genau den Nulldurchgängen der Spannung am Punkt 27 entsprechen. Das aus dem Generator 19 kommende Rechtecksignal ist in F i g. 2A dargestellt. In gleicher Weise wird die Spannung vom Treiberpunkt 29 auf den Impulsformer 18 aufgeprägt, der ein Rechtecksignat erzeugt, dessen Anstiegs- und Abfallflanken den Nulldurchgängen der Spannung am Punkt 29 entsprechen. Das aus dem Generator 18 kommende Rechtecksignal ist in F i g. 2B dargestellt

Die punktierten senkrechten Linien in F i g. 2 geben gleiche Zeiten an. In den in F i g. 2A. und 2B dargestellten Fällen eilt der Rechteckwellenzug vom Treiberpunkt dem Quellenrechteckwellenzug nach. Falls das zu prüfende seismische Detektorelement ein Geophon ist, das sich im wesentlichen so verhält, als ob seine Induktivität und Kapazität parallel sind, zeigt das Nacheilen der Rechteckwelle vom Treiberpunkt an, daß die am Detektorelement angelegte Frequenz höher als die Resonanzfrequenz ist Die angelegte Frequenz muß daher herabgesetzt werden.

Die aus den Impulsformen 19 und 18 stammenden Rechteckwellenzüge 2/4 und 2ß werden in den Digitalphasendetektor 22 eingespeist der im wesentlichen aus einem ausschließlichen Oder-Tor besteht, das eine positive Spannung nur dann abgibt wenn die Eingangsspannungen ungleiches Vorzeichen haben. Die Wellenform 2C ist das Ergebnis der Einspeisung der Quellenrechteckwelle und einer Treiberpunktrechteckwelle, die gegenüber dem Quellenrechteckwellenzug nacheilt in den Phasendetektor 22. Falls anstelle des Treiberpunktrechieckweiienzuges 25der Phasendetektor 22 mit dem Treiberpunktrechteckwellenzug 2D gespeist wird, der dem Quellenrechteckwellenzug 2Λ voreilt würde das Ausgangssignal 2£vom Phasendetektor abgegeben.

Offensichtlich sind die Phasendetektorausgänge 2C und 2£ in ihrer allgemeinen Form gleich. Der wesentliche Unterschied ist daß in der Wellenform 2Cdie verhältnismäßig schmalen, nach unten gehenden Pulse, welehe die Phasendifferenz darstellen, unmittelbar auf die Anstiegs- bzw. Abstiegsflanken des Quellenrechteckwellenzuges 2A folgen, während dagegen in der Wellenform 2E die die Phasendifferenz darstellenden, verhältnismäßig schmalen abwärts gerichteten Pulse unmittelbar den Anstiegs- und Abfallflanken des Quellenrechteckwellenzuges 2A vorhergehen. Dieses Unterscheidungsmerkmal wird benutzt um zu bestimmen, ob die Frequenz verringert oder erhöht werden muß.

Beim Vergleich der Wellenformen 2C und 2A zeigt sich, daß unter den verhältnismäßig engen, abwärtsgerichteten Pulsen der Wellenform 2C der erste, dritte, fünfte usw. mit einem oberen (positiven) Teil der Wellenform 2A zusammenfällt während die geradzahligen abwärtsgerichteten Pulse nicht mit oberen (positiven) Teilen der Weilenform 2A koindizieren. Dagegen zeigt sich beim Vergleich der Wellenform 2£mit der Wellenform 2/4, das von den verhältnismäßig engen, nach unten gehenden Pulsen der Wellenform 2Eder erste, dritte, fünfte usw. nicht mit einem oberen oder positiven Teil der Wellenform 2A zusammenfällt während hier die geradzahligen, nach unten gehenden Pulse mit oberen, positiven Teilen der Wellenform 2Λ zusammentreffen. Falls nur die ungeradzahligen Pulse oder stattdessen nur die geradzahligen Pulse ausgewählt werden, können demnach die Wellenformen 2Cund ZE voneinander durch Überprüfung der Koinzidienzen mit den oberen oder positiven Teilen der Wellenform 2A unterschieden werden.

Die vorstehenden Absätze können dahingehend zusammengefaßt werden, daß in den Voreilungs-ZNacheilungs-Detektor 21 Spannungswellenformen eingespeist werden, von denen die Wellenform 2/4 aus dem Impulsformer 19 und die Wellenform 2C bzw. 2E aus dem Digital-Phasendetektor 22 kommt. Um die geradzahligen abwärtsgerichteten Pulse der Wellenform 2C oder 2E auszuscheiden und zwischen den Wellenformen 2C und 2E zu unterscheiden, werden noch zwei weitere Wellenformen in den VoreilungS'/Nacheilungs-Detektor 21 eingespeist Die erste ist die Wellenform 2F, die die umgekehrte Form 2A ist. Um die zusätzliche Wellenform 2Fzu erzeugen, wird nur innerhalb des Impiilsformers 19 ein Inverter oder Umkehrer angeordnet. In den Detektor 21 wird außerdem eine zweite zusätzliche Wellenform 2G eingespeist, welche der um 90° verschobenen Wellenform 2y4 entspricht. Diese phasenverschobene Wellenform ist ohne weiteres aus einem Teil der Einrichtung erhältlich, die weiter unten im Zusammenhang erläutert wird.

In F i g. 3 sind Teile des VoreilungS'/Nacheilungs-Detektors 21 dargestellt. Die Spannungswellenform 2C wird durch den Umkehrer 80 eingeführt, um ihr Inverses 2C¹ZU erhalten. Diese Wellenform ist Null, wo 2C + ist, und +, wo 2CNuIl ist. Die Wellenformen ITund 2C werden in das UND-Tor 106 eingespeist. Aus dem UND-Tor 106 kommt die gewünschte Wellenform 2H. die aus 2C durch Umkehrung und Eliminierung der geradzahligen Pulse entstanden ist. In gleicher Weise, würde falls die Wellenform 2E anstatt 2C benutzt worden wäre, während die übrigen Bedingungen die gleichen sind, aus dem UND-Tor 106 die Wellenform 2/kommen, weiche angesehen werden kann als Umkehrung der Wellenform 2E, aus der die geradzahligen Pulse eliminiert worden sind.

Die Wellenform 2//(oder 2J) wird jetzt sowohl in das NAND-Tor 98 als auch in das UND-Tor 99 eingespeist Am anderen Eingang des NAND-Tores 98 liegt die Wellenform 2Λ und am anderen Eingang des UND-Tores 99 die Wellenform 2F (Inverses von 2A) an. Ein UND-Tor liefert bekanntlich einen positiven Ausgang nur dann, wenn beide Eingänge positiv sind. Daraus ergibt sich, daß, falls die Wellenform 2H eingespeist wird, das NAND-Tor 98 negative Pulse abgibt, d. h. Pulse, die von einem positiven Potential auf Erdungspoic/itial abfallen, wobei diese Pulse zeitlich mit den engen positiven Pulsen der Wellenform 2H zusammenfallen. Bei Zugführung derselben Wellenform 2H Hefen das UND-Tor 99 kein Signal; sein Ausgang bleibt auf Erdungspotential. Falls andererseits die Wellenform 2/zugeführt wird, liefert das NAND-Tor 98 kein Signal; sein Ausgangspotential bleibt positiv konstant Dagegen liefert jedoch das UND-Tor 99 positive Pulse, die zeitlich mit den. positiven Pulsen der Wellenform 2/ übereinstimmen.

An diesem Punkt ist die gewünschte Unterscheidung erreicht Falls die Spannung, weiche den Strom durch das seismische Detektorelement 16 treibt dem Strom nacheilt werden vom NAND-Tor 98 negative Pulse, & h. solche, die auf Erdungspotential abfallen, mit einer der Größe der Nacheilung entsprechenden Breite abgegeben. Falls die Spannung, mit welcher der Strom durch

das seismische Detektorelement 16 geschickt wird, diesem Strom voreilt, werden vom UND-Tor 99 positive Pulse abgegeben, deren Breite der Größe der Voreilung entsprechen. Die negativen Pulse werden dann benutzt, um die als notwendig erkannte Verringerung der Spannungsfrequenz zu erzeugen, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt wird. Entsprechend dienen positive Pulse dazu, die als notwendig erkannte Erhöhungd.er Spannungsfrequenz zu erzeugen, die an das Element 16 angelegt wird.

Die negativ gerichteten Pulse aus dem NAND-Tor 98 ermöglichen, daß Strom durch die Diode 1036 in das NAND-Tor 98 fließt. Dieser Strom kommt letztlich vom Kondensator bzw. von der Kapazität 24, obwohl ein gewisser Teil von der Kapazität 90 unmittelbar kommt, und sucht die Kapazität 24 zu entladen und ihre Spannung zu verringern. Andererseits verursachen positive Pulse aus dem UND-Tor 99, daß Strom durch die Diode 103a zur Kapazität 24 fließt und diese aufzuladen und ihre Spannung zu erhöhen sucht. Die Spannung an der Kapazität 24 steuert die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 12. Damit ist das Gesamtverfahren beschrieben, durch das eine voreilende Treiberpunktspannung ein selbsttätiges Ansteigen der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 12 und eine nacheilende Treiberpunktspannung eine selbsttätige Verringerung dieser Frequenz verursachen.

Nachstehend werden noch Schaltungseinzelheiten für die Tore 98 und 99 und die Kapazität 24 erläutert. Diese Einzelheiten sind insofern nicht vorrangig, da noch andere Wege denkbar sind, auf denen dieselben Schaltungsprobleme gelöst werden können. Die in Fig.3 dargestellte besondere Lösung dürfte jedoch mit Bezug auf andere bekannte Lösungsmöglichkeiten einfacher und vorteilhafter sein. Der aus dem NAND-Tor 98 herausführende Zweig der Schaltung weist eine Kapazität 90 im Nebenschluß zu einem Widerstand 1046 auf. Der entsprechende, aus dem UND-Tor 99 führende Schaitungszweig hat jedoch keine entsprechende Kapazität Die Kapazität 90 löst das Problem, das sich aus der Asymmeti. ■ zwischen den zwei erwähnten Zweigen ergibt. In einei tatsächlich gebauten Ausführungsform benötigt der spannungsgesteuerte Oszillator 12 einen Steuerspannungseingang von etwa 1 Volt um zu veranlassen, daß Frequenzen von etwa 8 Hz an die zu prüfenden seismischen Detektorelemente angelegt werden. Die Spannung an der Kapazität 24 beträgt daher 1 Volt Die positiven Pulse aus dem UND-Tor 99 haben eine Größe von etwa 6 V; selbst nach einem Abfall von 0,6 V an der Diode 103a bleibt zwischen UND-Tor 99 und Kapazität 24 etwa 4,4 V Unterschied, mit welchem Strom durch den Widerstand 104a der Kapazität 24 zugeleitet wird. Andererseits sind die negativen Pulse aus dem NAND-Tor 98 Abfälle von +6 V auf Erdpotential; bei einem Spannungsabfall von etwa 0,6 V an der Diode 1036 bleibt dann nur ein Unterschied von 0,4 V, um über den Widerstand 1046 Ladung aus der Kapazität 24 zu entnehmen. Falls alle anderen Schaltungskonstanten günstig gewählt worden sind, hätte dieses Problem dadurch gelöst werden können, daß der Wert des Widerstandes 1046 mit einem Zehntel des Widerstandes 104a gewählt worden wäre. Es hat sich aber herausgestellt daß dadurch nicht die gewünschten positiven und negativen Vorgänge in Symmetrie gebracht worden wären. Die negativen Pulse wären immer noch verhältnismäßig zu schwach, und für die Einstellung der Frequenz würde zu viel Zeit auf der zu hohen Seite verbraucht Die Kapazität 90 löst dieses Problem, da sie ein endliches Ladungsdekrement aus der Kapazität 24 jeweils sofort aufnimmt, wenn der negative Zweig aktiviert wird. Die Kapazität 90 ist verhältnismäßig klein, nur ein Tausendstel der Kapazität 24, sorgt jedoch wirksam für eine Symmetrie der Vorgänge auf dem positiven und dem negativen Zweig, die zur Kapazität 24 führen.

In F i g. 3 ist weiter der auch in F i g. 1 dargestellte Steuerschalter 32 gezeigt. Bei der vorstehenden Erläuterung wurde stillschweigend angenommen, daß der

ίο Schalter 32 die dargestellte untere Lage einnimmt und die Kapazität 24 mit dem die selbsttätige Frequenzangleichung verursachenden Schaltungsteil verbindet. Der Schalter 32 ermöglicht einen Übergang zur nicht selbsttätigen Frequenzeinstellung. In seiner oberen Lage wird die Spannung an der Kapazität 24 gleich derjenigen, die am Potentiometer abgenommen wird, dessen Arm 34 von Hand verstellt werden kann.

Vorstehend wurde erläutert, wie die Spannung an der Kapazität 24 durch positive oder negative Pulse gestenert wird, die vom Voreilungs-ZNacheilungs-Detektor 21 kommen. Es wurde ferner gezeigt, daß die Spannung an der Kapazität 24 ihrerseits die Frequenz am Spanpungsgesteuerten Oszillator 12 (VCO) steuert Das Ausgangssignal aus VCO 12 bestimmt, wie nachfolgend gezeigt wird, die Frequenz der Sinuswellenspannung, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt wird, dessen Resonanzfrequenz gesucht wird. VCO 12 liefert tatsächlich eine Impulsreihe, deren Frequenz ein Vielfaches der Frequenz der Sinuswellenspannung ist, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt werden soll. Für diese verhältnismäßig hohe Folgefrequenz gibt es zwei Gründe. Zunächst soll die Frequenz der Sinuswellenspannung, die an das seismische Detektorelement 16 angelegt werden soll, möglichst sehr genau bekannt sein, z. B. auf zwei Dezimalen. Falls die Pulsfolgefrequenz ein genaues Vielfaches der gewünschten Frequenz und in der Größenordnung von einem hundertfachen der gewünschten Frequenz ist, kann der Frequenzzähler 20 die gewünschte Frequenz dadurch messen, daß die aus VCO 12 kommenden Pulse über eine Zeitspanne gezählt werden, die nur ein Hundertstel so lang wie die Spanne ist, die erforderlich wäre, wenn Perioden der gewünschten Sinusfrequenz gezählt würden. In der tatsächlich gebauten Einrichtung hat es sich als vorteilhaft und nützlich erwiesen, eine Pulsfolgefrequenz von dem 360-fachen der gewünschten Endausgangsfrequenz zu verwenden, so daß die Zeit zwischen den Pulsen einem Grad der Sinuswelle entspricht Der Zähler braucht nur während 1/360 der Zeit zu zählen, die sonst für die Zählung der Sinusperioden erforderlich wäre. Zweitens besteht der Sinuswellengenerator 13 im westntlichen aus einem nur ablesenden Speicher, in welchem Digital-Zahlen gespeichert werden, die Ordinaten einer Sinuswelle darstellen. Diese einzelnen Zahlen werden gelesen und in Analogwerte der Sinuswelle aufgrund der aus VCO 12 kommenden einzelnen Pulse umgewandelt Je größer die Frequenz der aus VCO 12 kommenden Pulse in Beziehung zu der gewünschten Sinusfrequenz ist, umso feiner kann die Unterteilung der Sinuswelle in ihre Digitalen Ordinatenwerte sein, und umso genauer kann der Ausgang des Sinuswellengenerators 13 eine ideale, glatte Sinuswelle annähern.

Mit Bezug auf den ersten Grand für die verhältnismäßig hohe Folgefrequenz der Aktivierungspulse, die von VCO 12 abgegeben werden, nämlich der Erreichung einer hohen Präzision beim Messen der Frequenz, können die quantitativen Vorzüge am besten mathematisch ausgedrückt werden.

Falls, wie tatsächlich der Fall ist, die zu messende Frequenz in der Größenordnung von 10 Hz ist, und falls eine Genauigkeit mit zwei Dezimalen gewünscht wird, z. B. 8,58 Hz, so würde die Erreichung dieser Genauigkeit durch bioßes Zählen der Perioden der Sinuswelle selbst erfordern, daß eine Größenordnung von etwa 1000 Perioden gezählt würde. Das würde die Größenordnung von etwa 100 Sekunden beanspruchen, für die praktische Verwendung eine zu lange Zeit. Falls andererseits bekannt ist, daß jeder Periode genau C Pulse aus VCO 12 zugeordnet wären, würde die Anzahl dieser in einer Sekunde auftretenden Pulse, geteilt durch das Periodenverhältnis, die Sinus-Frequenz angeben, und zwar ohne weiteres bis auf zwei Dezimalstellen. Noch allgemeiner läßt sich sagen, falls C die Anzahl der Aktivierungspulse je Periode der Sinuswelle und D die Zahl der Dezimalstellen ist, die für die Frequenzdarstellung gewünscht werden, beträgt die Zeitspanne Δ t, über die das Zählwerk 20 zählen muß, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen,

10°

In einem nach der Erfindung hergestellten Apparat war D = 2 und C = 360, d. h. ein Puls pro Grad, so daß Δ t = 100/360 = 0,2778 sek. betrug.

Ein besonders Detail des Sinuswellengenerators 13 muß noch nachstehend erwähnt werden, da es in Beziehung zu der Funktion des Voreilungs-ZNacheilungs-Detektors 21 steht.

F i g. 2 zeigte die verschiedenen, dem Detektor 21 zugeführten Wellenformen, und bei der Beschreibung des Detektors 21 war die Wellenform 2G erwähnt worden, welche der um 90° verschobenen Wellenform 2A entspricht. Wellenform 2Λ hat positive und negative Teile, welche den positiven und negativen Abschnitten der Spannung am Punkt 27 entsprechen, welches das verfeinerte Ausgangssignal des Sinuswellengenerators 13 ist. Die Wellenform 2G ist die um 90° verschobene Wellenform 2A. Zum vollständigen Verständnis des Ursprunges der Wellenform 2G braucht man nur zu wissen, daß der nur lesende Speicher im Sinuswellengenerator 13 gespeicherte Digital-Zahlen enthält, die analog Spannungswerten von zwei Viertel-Perioden der Sinuswelle entsprechen, nämlich einer positiven Viertelwelle und der nachfolgenden negativen Viertelwelle. Zur Erzeugung der vollen Weile veranlassen die einzelnen Aktivierungspulse aus VCO 12, daß einzelne Werte aus dem nur lesenden Speicher erzeugt werden, beginnend z. B. mit dem am meisten positiven Wert und fortlaufend bis zu dem am meisten negativen Wert Ein Zählwerk überwacht die Zahl der Aktivierungspulse, und sobald genügend eingelangt sind, um den Speicher zur Erzeugung aller Werte vom größten Positiven bis zum größten Negativen zu veranlassen, erzeugt das Zählwerk einen Spannungsschritt, der die abwärts lesende Folge in eine aufwärts lesende Folge umschaltet Die Aufwärts- und Abwärts-Spannungsschritte dieses Aufwärts- Abwärtszählers, die an positiven und negativen Spitzen der erzeugten Sinuswelle auftreten, bilden selbst die oberen und unteren Abschnitte der Wellenform 2G, die aus dem Sinuswellengenerator 13 nur durch die Leitung 15 herausgeführt und in den Voreilungs-ZNacheilungs-Detektor 21 eingespeist zu werden braucht

Der Vollständigkeit halber werden noch zwei weitere Bestandteile des in F i g. 1 gezeigten Schaltbildes erwähnt, nämlich eine Glättungseinrichtung oder Deglitcher 14 und Filter 17. Das Ausgangssignal vom Sinuswellengenerator 13 ist im wesentlichen eine Gruppe von Spannungsschritten, und in der gebauten Einrichtung entspricht jeder Schritt l/360tel der Sinuswellenperiode. Falls die Spannungsschritte ideale Form hätten und aus perfekten ebenen Niveaus bestünden, die durch einwandfreie senkrechte Anzeige verbunden wären, brauchte zur Erzeugung einer ideal glatten Sinuswelle aus den abgestuften Annäherungen nur eine Tiefpaßfilterung vorgenommen zu werden, die mit einem üblichen Tiefpaßfilter 17 ausgeführt werden kann. Die Unvollkommenheiten der aus dem Sinuswellengenerator 13 kommenden Wellenform bestehen jedoch in Überschwingungen und anderen Verzerrungen der Spannungsänderungen, die entweder im einzelnen oder zusammen störende Hochfrequenz-Komponenten haben können, die nicht vollständig durch ein übliches Tiefpaßfilter entfernt werden können. Der Deglitcher 14 ist im wesentlichen ein Schalter, dessen geringe öffnungszeitspannen die noch kleineren Zeitintervalle umfassen, in welchen die störenden vorübergehenden Verzerrungen auftreten. Nur diese Verzerrungen werden entfernt, während die größeren Teile der Spannungsschritte bleiben, die dann befriedigend durch Filter 17 behandelt werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz eines seismischen Detektorelements mit einem elektrische Sinusschwingungen variabler Frequenz erzeugenden Generator, der eine erste Schaltungsanordnung, in welcher das Detektorelement angeordnet ist, und eine zweite Schaltungsanordnung speist, mit einer von den Ausgangssignalen der beiden Schaitungsanordnungen beaufschlagten Einrichtung zur Erfassung der Phasendifferenz zwischen diesen Ausgangssignalen und einer Einrichtung zur Anzeige der Frequenz des Generators, dadurch gekennzeichnet, daß