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Verfahren zur Messung des zeitlichen Abstandes von zwei elektrischen
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Impulsen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des zeitlichen Abstands von zwei elektrischen
Impulsen, bei dem die Impulserkennung von der Überschreitung vorgebbarer Schwellenwerte
abhängt, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei der Ultaschall-Werkstoffprüfung werden Schallimpulse in elektrische
Impulse umgewandelt, die zur zum Beispiel Bestimmung von Materialstärken und Materialfehlern
ausgenutzt werden. Die Wanddicke von Werkstücken wird z. B. nach dem Ultraschall-Impuls-Echoverfahren
festgestellt, indem die Laufzeit zweier oder mehrerer aufeinanderfolgender Echoimpulse
gemessen wird.
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Bekannt ist es, die Zeitmessung an einem Punkt im Verlauf eines auslösenden
Impulses zu beginnen und an einem korrespondierenden Punkt im Verlauf des folgenden
Impulses zu beenden. Die Punkte werden durch Schwellenwerte festgelegt. Bei einer
bekannten Meßmethode werden die Impulse festgestellt, wenn ihre Anstiegsflanke einen
vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, der größer als der Fußpunkt und kleiner als
das Maximum des jeweiligen Impulses ist.
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Die Messung beginnt, wenn der Schwellenwert überschritten wird.
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Diese Methode wird als Flankenbewertung bezeichnet. Bei einer anderen
Meßmethode wird die Spitzenbewertung eingesetzt. Die Signale werden bei der Spitzenbewertung
ebenfalls mit einem Schwellenwertkomparator festgestellt. Darüber hinaus werden
die Signale differenziert, um die Lage des Signalmaximums zu erfassen. Die Zeitmessung
beginnt mit dem Nulldurchgang des differenzierten Signals.
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Mit zunehmender Signaldynamik aufgrund von großen Laufzeiten der Signale
und großer Schalldämpfung bei hohen Prüfkopffrequenzen ergeben sich sowohl bei der
Spitzenbewertung als auch bei der Flankenbewertung Meßfehler.
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Bei einem anderen Verfahren zur Messung des zeitlichen Abstands zwischen
zwei elektrischen Impulsen wird sowohl die Zeit zwischen zwei je auf der Vorder-
und Rückflanke eines jeden Impulses liegenden und durch den gleichen Schwellenwert
ausgewählten Punkten als auch die Zeit zwischen dem Punkt auf der Rückflanke des
auslösenden und dem Punkt auf der Vorderflanke des folgenden Impulses gemessen.
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Aus diesen Zeitmessungen wird dann die Zeit zwischen der in Höhe des
Schwellenwerts liegenden Mitte des auslösenden Impulses und der in Höhe des wahlweise
verschiedenen Schwellenwerts liegenden Mitte des folgenden Impulses berechnet. Wenn
die beiden Impulse nicht eine symmetrische Form haben, treten Meßfehler auf (DE-AS
26 07 187).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß Meßfehler aufgrund der Signaldynamik
und der asymmetrischen Form der Impulse weitgehend beseitigt werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen
Maßnahmen gelöst und zeichnet sich dadurch aus, daß die Fußpunkte der Impulse festgestellt
werden und daß in Verbindung mit der Impulserkennung durch die Schwellenwertüberwachung
vom Fußpunkt eines die Messung auslösenden Impulses für die Zeitmessung ein Meßtor
erzeugt wird, das durch den korrespondierenden Fußpunkt des
folgenden
Impulses beendet wird. Die Schalldämpfung in einer Echos ignalfn] ge. führt bei
dem im Anspruch 1 erläuteYtFr Meßve A5eEvel (1.-nicht zu Meßfehlern. Infolgedessen
kann der sowohl bei der Flankenbewertung als auch bei der Spitzenbewertung zur Verkleinerung
der Meßfehler angewendete Tiefenausgleich entfallen. Mit dem Tiefenausgleich werden
die verschiedenen Echosignale unterschiedlichen Dämpfungen unterworfen, um die Amplituden
der Signale einander anzugleichen.
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Vorzugsweise beginnt das Meßtor mit dem Fußpunkt der Rückflanke des
auslösenden Impulses und wird mit dem Fußpunkt der Rückflanke des folgenden Impulses
beendet. Diese Art der Messung beruht auf einer Rückflankenfußpunktbewertung. Es
hat sich gezeigt, daß der Rückflankenfußpunkt bei Amplitudenänderungen der Echosignale
nicht verschoben wird. Nur bei sehr großer Übersteuerung des Eingangsverstärkers
kann eine Verschiebung des Rückflankenfußpunkts auftreten. Durch Verstärker mit
entsprechender Bandbreite oder Schutzmaßnahmen, z.B. D iodenbrücken, lassen sich
solche Übersteuerungen leicht vermeiden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform beginnt das Meßtor mit
dem Fußpunkt der Vorderflanke eines aus dem auslösenden Impuls durch Zeitverzögerung
erhaltenen Impulses und wird mit der Vorderflanke eines aus dem folgenden Impuls
durch die gleiche Zeitverzögerung erhaltenen Impulses beendet. Diese Art der Messung
geht von einer Vorderflankenfußpunktbewertung aus. Durch die Zeitverzögerung ist
es unter Anpassung an den Zeitpunkt der Echosignalerkennung mittels des Schwellenwerts
möglich, die echten Fußpunkte für die Messung festzustellen und andere Nulldurchgänge
der Echosignale nicht zu berücksichtigen.
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Vorzugsweise ist die Zeitverzögerung etwa ein Viertel der Periode
der Impulse.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 besteht
erfindungsgemäß darin, daß ein Verstärker, der von den elektrischen Impulsen beaufschlagt
ist, einerseits mit einem Schwellenwertkomparator und andererseits mit einem Nullspannungsdetektor
verbunden ist und daß dem Schwellenwertkomparator und dem Nullspannung sdetektor
jeweils monostabile Multivibratoren nachgeschaltet sind, deren Ansprechzeiten an
die Dauer der ersten Halbperiode der Impulse angepaßt sind und deren Ausgänge an
ein Verknüpfungsglied gelegt sind, an die eine Meßtorerzeugungsschaltung angeschlossen
ist.
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Bei dieser Anordnung sind zwei verschiedene Signalwege für die Signalbewertung
und Signalerkennung vorhanden. In einem Signalweg findet die Signalerkennung mit
Hilfe des Schwellenwerts statt. In den anderen Signalweg wird der Flankenfußpunkt
bewertet.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß zwischen dem Nullspannungsdetektor
und dem monostabilen Multivibrator eine Zeitverzögerungsschaltung angeordnet ist
und daß die beiden monostabilen Multivibratoren jeweils von den Vorderflanken der
Ausgangssignale des Schwellenwertkomparators bzw. der Zeitverzögerungsschaltung
anstoßbar sind-.
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Mit dieser Anordnung läßt sich auf einfache Weise die Vorderflankenfußpunktbewertung
durchführen. Die Verzögerung wird mit digitalen Signalen vorgenommen. Dies hat den
Vorteil, daß der Aufwand gering ist und kein zusätzliches Rauschen hervorgerufen
wird.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus den in den Zeichnungen dargestellten
Ausführung sbeispielen.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Impuls-Zeitdiagramm von bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung
auftretenden Echosignalen,
Fig. 2 ein Schaltbild einer Anordnung
zur Messung des zeitlichen Abstands von zwei elektrischen Impulsen, Fig. 3 ein Zeitdiagramm
von an verschiedenen Stellen der Anordnung gemäß Fig. 1 auftretenden Signalen.
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In Fig. 1 sind in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung
die Größe des Stroms bzw. der Spannung von zwei Echosignalen 1, 2 dargestellt, die
auch als Impulse bezeichnet sind. Die beiden Echosignale 1, 2 müssen einen Schwellenwert
3 überschreiten, um als Echosignale erkannt zu werden. Die Fig. 1 zeigt für zwei
aufeinanderfolgende Echosignale 1, 2 einen gleichbleibenden Schwellenwert 3. Im
allgemeinen wird der Schwellenwert 3 den verschiedenen Größen der Echosignale in
einer Signalfolge angepaßt, indem er mit jedem neuen Echosignal verkleinert wird.
Für das die Zeitmessung auslösende Signal ist der Schwellenwert 3 am größten.
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Die in Fig. 1 dargestellte Form der Echosignale 1, 2 ist typisch für
Rückwandechos. Für die Zeitmessung eignet sich eine solche Form sehr gut. Um eine
solche Form zu erzielen, wird zweckmäßigerweise die Sendefrequenz für die Prüfköpfe
und die Amplitude der Sendeimpulse unter Anpassung an das zu prüfende Werkstück
eingestellt.
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Um den zeitlichen Abstand t zwischen zwei aufeinanderfolgenden x Echosignalen
1, 2 zu bestimmen, werden folgende Schritte ausgeführt: Die Echosignale 1, 2 werden
daraufhin überprüft, ob ihre Amplituden den Schwellenwert 3 übersteigen. Trifft
dies zu, dann werden die Echosignale 1, 2 für die Zeitmessung verwendet. Es wird
durch eine Bewertung der Echosignale 1, 2 festgestellt, wann die Fußpunkte 4, 5
der Rückflanken 6, 6' der Echosignale 1, 2 auftreten. Wenn der Fußpunkt 4 des Echosignals
1 erreicht ist, beginnt die Zeitmessung, indem ein Meßtor erzeugt wird. Während
das Meßtor vorhanden ist, wird die Zeit zum Beispiel nach dem Integrationsverfahren
oder nach
dem Auszählverfahren ermittelt. Das Meßtor ist in Fig.
1 mit 7 bezeichnet und unterhalb der Echosignale 1, 2 im Diagramm dargestellt. Das
Meßtor 7 endet, wenn die Rückflanke 6 des Echosignals 2 den Fußpunkt 5 erreicht
hat. Das Meßtor 7 hat demnach die Dauer t . Während der Dauer t des Meßtors 7 wird
nach der Integrationsx methode eine Spannung erzeugt, deren Höhe am Ende des Meßtors
7 derZeit t entspricht. Nach dem Auszählverfahren werden die mit x konstanter Frequenz
erzeugten Taktimpulse eines Taktgenerators während der Dauer des Meßtors 7 aufsummiert.
Die am Ende des Meßtors 7 vorhandene Summe der Zählimpulse entspricht der Zeit t
x Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Messung des zeitlichen Abstands zweier
Echosignale 1, 2 nutzt die Rückflankenfußpunktbewertung aus. Es hat sich gezeigt,
daß die Fußpunkte 4, 5 der Rückflanken 6,6' in ihrer Lage nicht von Amplitudenschwankungen
der Echosignale 1, 2 beeinflußt werden. Die Signaldynamik der Echosignale 1, 2 ruft
im zulässigen Dynamikbereich demnach keinen Meßfehler hervor. Die Zeitmessung ist
auch davon unabhängig, ob die Echosignale 1, 2 eine symmetrische oder asymmetrische
Form haben, solange der Abstand zweier Fußpunkte 4, 8 eines Signals (Echos) mit
dem des nächsten Signals 5, 9 übereinstimmt.
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Statt die Fußpunkte 4, 5 der Rückflanken 6, 6' der Echosignale 1,
2 für den Beginn und das Ende der Zeitmessung auszunutzen, können auch die Fußpunkte
8, 9 der Forderflanken 10, 11 verwendet werden.
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Es handelt sich dann um eine Vorderflankenfußpunktbewertung der Echosignale
1, 2. Die Zeit zwischen den beiden Fußpunkten 8, 9 entspricht wiederum der zu messenden
Zeit tx Die Schritte für die Zeitmessung enthalten bei der Vorderflankenfußpunktbewertung
einerseits die Bewertung des Flankenfußpunkts und andererseits die Erkennung eines
Echosignals anhand des Schwellenwerts 3. zu D Damit nur die richtigen Fußpunkte
8, 9 für die Messung der Zeit t heranx gezogen werden, ist eine Auswahl der Fußpunkte
durch eine Zeitverzögerung erforderlich. Der vordere Flankenfußpunkt 8, 9 wird mittels
der Zeitverzögerung erst dann ausgewertet, wenn ein Echosignal 1, 2 über den Schwellenwert
3 festgestellt worden ist. Dies
bedeutet, daß die Bewertung der
Fußpunkte 8, 9 erst dann erfolgt, wenn ein Echosignal 1, 2 anhand des Schwellenwerts
3 erkannt worden ist. Die Fußpunkte 8, 9 müssen deshalb in die Verzögerungszeit
fallen. Liegen Fußpunkte außerhalb der Verzögerungszeit, dann findet keine Messung
statt. In Fig. 1 ist der vorstehend erläuterte Sachverhalt dargestellt, indem das
bei der Vorderflankenfußpunktbewertung gesetzte Meßtor 12 erst nach dem Zeitpunkt
t3 beginnt, an dem die Vorderflanke 10 den Schwellenwert 3 überschreitet. In entsprechender
Weise endet das Meßtor 12 erst nach dem Zeitpunkt t4, an dem die Vorderflanke 11
den Schwellenwert 3 überschreitet. Die Dauer des Meßtors 12 stimmt mit dem zeitlichen
Abstand zwischen den Fußpunkten 8, 9 überein. Lediglich Beginn und Ende des Meßtors
12 sind zeitlich gegen die Zeitpunkte verschoben, an denen die Fußpunkte 8, 9 auftreten.
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Die Zeitverzögerung ist zweckmäßigerweise ein Viertel der Periode
der Echosignale 1, 2. Die maximale Zeitdifferenz zwischen dem Fußpunkt 8, 9 und
dem Echoerkennungssignal entspricht einer Phasenverschiebung T /4, wenn das Echoerkennungssignal
die Signalamplitude ist. Die Zeitverzögerung t ergibt sich daher nach folgender
v Gleichung: t = 1/4. f, wobei mit f die vom Prüfkopf erzeugte Frequenz v bezeichnet
wird. Noch genauer läßt sich die Zeitdifferenz bestimmen, wenn berücksichtigt wird,
daß die für das Auftreten eines Meßfehlers maßgebende Frequenz der ersten Halbwelle
der jeweiligen Echosignale 1, 2 nicht mit der Frequenz f übereinstimmt. Es ist ein
Korrekturfaktor einführbar, der das Verhältnis zwischen der Frequenz der ersten
Halbwelle und der Prüfkopffrequenz beinhaltet. Die Prüfkopffrequenz läßt sich über
die Feststellung der Zeit zwischen dem ersten und zweiten Maximum der Echosignale
1, 2 ermitteln. Die Frequenz der Halbwelle wird über die Zeit zwischen den beiden
Nulldurchgängen erfaßt. Hierbei wird unterstellt, daß die Schwingung sinusförmig
ist.
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Diese Annahme ist aufgrund der Form der ersten Halbwelle zulässig.
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Unter Berücksichtigung des Korrekturfaktors k ergibt sich folgende
Zeitverzögerung: tv = 1/4.f.k
Eine Vorrichtung zur Durchführung
der Messung des zeitlichen Abstands zweier elektrischer impulsartiger Signale, von
denen das erste auch als auslösendes Signal bezeichnet wird, ist in Fig. 2 dargestellt.
Ein Verstärker 13, der an den Ausgang eines nicht dargestellten Prüfkopfs für den
Empfang von Ultraschallschwingungen angeschlossen ist, speist einerseits einen Schwellenwertkomparator
14 und andererseits einen Nullsp annung 5 detektor 15. Dem Schwellenwertkomparator
14, z. B. einem entsprechend beschalteten Differenzverstärker, ist ein monostabiler
Multivibrator 16 nachgeschaltet, dessen Ausgang an ein Verknüpfungsglied 17 angeschlossen
ist. Die Ansprechzeit des monostabilen Multivibrators ist so hoch eingestellt, daß
sie die erste Halbperiode der Echosignale 1,2 übersteigt.
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An den Nullspannungsdetektor 15 ist eine Zeitverzögerungsschaltung
18 angeschlossen. Die Schaltung 18 verzögert das Ausgangssignal des Nullspannungsdetektors
um die Zeit tVs die oben erläutert ist. Mit dem Ausgang der Zeitverzögerungsschaltung
18 ist ein monostabiler Multivibrator 19 verbunden, dessen Ansprechzeit in etwa
so groß ist, wie die Ansprechzeit des monostabilen Multivibrators 16. Die Ansprechzeit
des monostabilen Multivibrators 19 kann auch etwas kleiner sein als diejenige des
Multivibrators 16. Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 19 ist an den zweiten
Eingang der Verknüpfungsschaltung 17 gelegt, der ein weiterer monostabiler Multivibrator
20 nachgeschaltet ist. An den monostabilen Multivibrator 20 ist eine Meßtorerzeugungsschaltung
21 angeschlossen, an deren Ausgang 22 das Meßtor 12 verfügbar ist, wenn die Echosignale
1, 2 vom Verstärker 13 erfaßt werden. Bei der Meßtorerzeugungsschaltung 21 handelt
es sich vorzugsweise um ein Flipflop, z.B. ein T-Flipflop, das mit den positiven
Flanken der Ausgangssignale des monostabilen Multivibrators 20 abwechselnd gesetzt
und zurückgesetzt wird Die Ansprechzeit des monostabilen Multivibrators 20 kann
lang sein, um zum Beispiel Fehlmessungen zu verhindern.
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In Fig. 3 sind in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung
für einige Signale der Schaltung gemäß Fig. 2 die Signal-
spannungen
bzw. -ströme eingetragen. Vom Verstärker 13 werden die beiden Echosignale 1, 2 abgegeben,
wenn der nicht dargestellte Prüfkopf Ultraschallechosignale empfängt. Wenn der Schwellenwert
3 von den Echosignalen 1, 2 überschritten wird, gibt der Schwellenwertkomparator
14 jeweils einen Rechteckimpuls 23, 23' ab, der so lange ansteht, bis die Echosignale
1, 2 wieder unter den Schwellenwert 3 abgesunken sind. Die Rechteckimpulse 23, 23'
stoßen den monostabilen Multivibrator 16 an, der daraufhin ein Rechtecksignal 24
bzw. 24 ' erzeugt, das noch vorhanden ist, wenn die Echosignale 1, 2 die Fußpunkte
4 bzw. 5 erreicht haben. Danach gehen die Rechtecksignale 24, 24' wieder auf ihren
Ruhepegel zurück.
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Wenn die Echosignale 1, 2 die Fußpunkte 8, 9 erreichen, spricht der
Nullspannungsdetektor 15 an und erzeugt ein Rechtecksignal 25 bzw.
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25', das so lange ansteht, bis jeweils die ersten Halbwellen der Echosignale
an den Fußpunkten 4, 5 Nulldurchgänge erreicht haben.
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Mit der Vorderflanke des Rechtecksignals 25 bzw. 25' wird die Zeitverzögerungsschaltung
18 beaufschlagt, die nach der Zeitverzögerung t einen Impuls 26 bzw. 26' erzeugt.
Der Impuls 26, 26' v stößt den monostabilen Multivibrator 19 an, der einen Rechteckimpuls
27 bzw. 27' hervorruft, der neben dem Rechtecksignal 24 die Verknüpfungsschaltung
17, z.B. ein UND-Glied, beaufschlagt. Für die Dauer des gleichzeitigen Anstehens
des Rechtecksignals 24 bzw. 24' und des Rechteckimpulses 27 bzw. 27' gibt das Verknüpfungsglied
17 ein Rechtecksignal ab, dessen Vorderflanke den monostabilen Multivibrator 20
anstößt, der ein Ausgangssignal 28 bzw. 28' erzeugt. Mit der Vorderflanke des Ausgangssignals
28 wird über die Meßtorerzeugungsschaltung 21 das Meßtor 12 hervorgerufen, das mit
der Vorderflanke des Ausgangssignals 28' beendet wird.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird die Vorderflankenfußpunktbewertung
zur Erzeugung des Meßtors 12 benutzt. Für die Zeitverzögerung t werden digitale
Signale herangezogen. Die Zeitv verzögerung kann zweckmäßigerweise durch die Reihenschaltung
von Invertiergliedern hervorgerufen werden.
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Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung kann auf einfache Weise so geändert
werden, daß sie nach der Rückflankenfußpunktbewertung arbeitet. Die Ansprechzeit
des monostabilen Multivibrators 16 wird dann verlängert, um sicher nach dem Rückflankenfußpunkt
25 bzw.
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25' zu enden.Eine Zeitverzögerungschaltung 18 ist nicht erforderlich.
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Der monostabile Multivibrator 19 wird so abgewandelt, daß er auf die
Rückflanke der Rechtecksignale 25, 25' anspricht.
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Bei der Rückflankenfußpunktbewertung können starke Verzerrungen der
Echosignale 1, 2 die Meßgenauigkeit beeinträchtigen. Es ist deshalb zweckmäßig,
am Eingang des Verstärkers 13 Schutzmaßnahmen, z.B.
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gegensinnig parallel geschaltete Dioden zwischen Differenzverstärkereingängen,
vorzusehen.