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Verfahren und Einrichtung zur diskontinuierlichen Registrierung elektrischer
Signalspannungen beim Laufzeit-Meßverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
unid eine Einrichtung zur diskontinuierlichen Registrierung elektrischer Signalspannungen
beim Laufseit-Meßverfahren, bei dem der Bildinhalt ein- oder zweifach periodisch
mit einer im Vergleich zur Bildwechselfrequenz niedrigen Frequenz abgetastet wird,
mit einer Registriereinrichtung mit Ansprech-Schwellenwert und einer Anzahl fester
Schreibstellen in einer Zeile.
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Für die Registrierung eines bewegten Vorganges ist das fotografische
Verfahren bekannt. Wenn es sich z. B. daram handel, ein Oszillogramm auf dem Leuchtschirm
einer Braunschen Röhre zu registrieren, so kaim man verschiedene fotografische Me
thoden anwenden.
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Handelt es sich um einen Vorgang, der zweidimensional veränderlich
ist, so kann dieser durch hinreichend rasch aufeinanderfolgende Filmaufnahmen festgehalten
werden. Das wäre ein diskontinuierliches Verfahren.
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Handelt es sich ,darum, speziell beim Impuls.-laufzeitverfahren die
Zackenausleuchtung senkrecht zu einer Zeitlinie zu registrieren, so kann ein kontinuierliohes,
fotografisches Verfahren angewandt werden, bei dem, wie in Abb. 1 dargestellt, der
Registrierträger senkrecht zur Zeitlinie kontinuier-
lich bewegt
und eine optische Abbildung verwendet wird. In Abb. I ist links der Leuchtschirm
einer Braunschen Röhre angedeutet, mit einer Zeitlinie und zwei Zacken darauf. Ein
fotografisches Objektiv bildet nun nicht das gesamte Bild auf das fotografische
Papier ab, sondern nur einen von einer Blende frei gelassenen rechteckigen Ausschnitt,
so daß die stehenbleibenden Teile der Nulllinie das Fotopapier schwärzen und an
den Stellen der ausgelenkten Zacken unbelichtete Streifen bleiben.
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Handelt es sich darum, zugleich die Höhe der Zacken zu registrieren
und nicht nur ihre Lage auf der Zeitlinie, so wird besser die in Abb. 2 dargestellte
H elligkeitsmodulation der iZLeitlinie verwendet, bei der auf der Zeitlinie an Stelle
der Zacke ein leuchtender Punkt erscheint, währen;d die ZeitlinBe selbst unsichtbar
bleibt. Die Helligkeit des Punktes kann in etwa proportional der Höhe der Signalspannung
gewählt werden. so daß auf dem fotografischen Papier Streifen geschrieben werden,
deren Schwärzung der Stärke der impulsförmigen Signalspannungen proportional entspricht.
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Diese fotografische Registrierung hat die Nachteile, daß das Bild
erst nach einer Entwicklung sichtbar wird und daß sie in vielen Fällen untragbare
I(osten und auch Abmessungen der Einrichtung mit sich bringt.
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Bekannt ist ferner ein Verfahren, eine Registrierung mit Hilfe elektrischer
Funken zu erreichen, die von einer Schreibelektrode durch einen papierförmigen Registrierträger
hindurchschlagen, der entweder eine leitfähige Schicht auf der Rückseite aufweist
oder über eine Metalleiektrode hinweggezogen wird. Dieses Verfahren wird im folgenden
als Funkenregistrierung bezeichnet. Es wird bei der weiter unten beschriebenen Erfindung
verwendet. Man könnte somit seiner Hilfe zu einer Registrierung des Bildinhaltes
von Abb. I oder 2 kommen, indem man eine Anzahl kleiner Fotozellen vor dem Leuchtschirm
anordnet und ihre Signalströme über Verstärker den einzelnen Schrelbstellen einer
Funkenregistrierung zuführt. Durch entsprechende Anordnung der einzelnen Schreibstellen,
entsprechend der Anordnung der Fotozellen, erreicht man auch eine ähnliche Abbildung
etwa wie in Abb. 2, jedoch diskontinuierlich.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 659 650 ist ein Registrierverfahren
bekanntgeworden, das ein solalles Verfahren anwendet. Die zu registnerenide Signalspannung
wird gleichzeitig einer Anzahl von Schwellwertverstärkern zugeführt, die auf zugeordnete
Schreibstellen arbeiten. Die Schwell'vertverstärker geben nur dann an die Schreib
stellen eine Schreibspannung ab, wenn die Signalspannung !den für jeden Verstärker
fest eingestellten Schwellwert überschreitet. Nimmt z. B. der Schwellw.ert vom ersten
bis zum letzten Verstärker linear von von o bis zu einem gegebenen Wert - zu, zu,
so schreiben alle die Schreibstellen beim Eintreffen einer-Signalspannung gleichzeitig,
deren zugeordnete Verstärker einen Schwellwert unter der gerade eintreffenden Spannung
aufweisen. Für die gestellte Aufgabe ist das Verfahren nicht brauchbar, weil in
erster Ünie nicht die Höhe der Impulszacken in Abb. I interessiert, sondern ihre
Lage auf der Zeitlinie. Auch würde eine eim.geiinaßen dichte Registrierung mit z.
B. zwanzig Schreibstellen einen relativ hohen Aufwand an Verstärkern erfordern.
Der gleiche Nachteil haftet auch der oben beschriebenen Einrichtung mit einer Anzahl
kleiner Foto zellen an.
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Bei der kostspieligen Anordnung zahlreicher Verstärker bringt ferner
die Unzuverlässigkeit der Elektronenröhren bei längerem Betrieb erhebliche Nachteile
mit sich.
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Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß die
durch die Abtastung erhaltenen Impulse, die niedriger als die Anpreß-Schwellenwerte
der Schreibstelle gehalten werden, allen Schreibstellen einer Zeile gleichzeitig
zugeführt werden und eine zeitlich aufeinanderfolgende Zuordnung der verschiedenen
Schreibstellen zu diskreten Zeitpunkten der Abtastperiode dadurch erfolgt, daß den
Schreibstellen zusätzlich zu den Meßspannungen ein- oder zweifach periodische, synchron
mit dem Abtastvorgang laufende Hilfsspannungen zugeführt werden, die durch Phasenschieber
oder Laufzeitglieder von einer Schreibstelle zur nächsten verschoben werden und
die von ihnen gerade beaufschlagten Schreibstellen dann zum Ansprechen bringen,
wenn zusätzlich zu den beaufschlagten Schreib stellen Impulsspannungen zur Verfügung
stehen. Als Beispiel für eine solche Abtasteinrichtung wird irn folgenden eine periodisch
verschiebbare sogenannte elektrische Blende zugrunde gelegt. Die elektrische Blende
ist eine bekannte Einrichtung, die aus einer periodischen elektrischen Spannung,
die sich auch im Vergleich zur Periode langsam verändern kann, einen kurzen Zeitabschnitt
herausbienden und die darin jeweils vorhandene elektrische Signalspannung für sich
allein weiter verwenden kann. Eine mechanische Lösung einer solchen Abtastung ist
z. B. der AEG-Vektormesser.
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In Abb. 3 ist diese Einrichtung schematisch bei der Leuchtschirmanzeige
eines Laufzeit-Meßverfahrens angedeutet. Die gezeichnete Zeitlinie wird im Takt
der Impulsfolgefrequenz überschrieben und enthält zwei verschieden große Impulssignalspannungen.
Sie erscheint dem Auge als stehendes Bild z. B. bei der Bildwechselzahl I000 Sekunden.
Außer den beiden Impulsspannungen ist auf der Zeitlinie der Bereich der elektrischen
Blende angedeutet. Es ist bekannt, diese Blende über dem Bildinhalt zu verschieben.
In Abb. 3 fällt gerade das kleinere der beiden Impulssignale in die Blende. Man
hat mit dieser Einrichtung also nun diese Signalspannung für sich allein zur Verfügung,
unabhängig von dem zweiten gezeichneten Impuls. Diese Ein richtung wird praktisch
schon verwendet, um z. B. beim Laufzeit-Meßverfahren ein Signal zu erzeugen, wenn
an einer bestimmten Stelle der Zeitlinie ein Impulssignal erscheint.
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Diese bekannte. elektrische Blende kann als Abtasteinrichtung der
im folgenden näher beschriebSenen erfindung verwendet werden, wenn sie peri-
odisch
über den ganzen Bildinhalt der geschriebenen Zeitlinie hinweg bewegt wird. Die Frequenz,
mit der die Blende über dem Bildinhalt verschoben wird, soll Verschiebefrequenz
heißen. Gegeben ist also eine Bildwechselfrequenz von beispielsweise 1000 Sekunden,
die Verschiebefrequenz sie z. B.
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50 Sekunden. Dann wird nacheinander der ganze Bildinhalt von der Blende
erfaßt. Man erkennt, daß ein nahezu kontinuierliches Erfassen des ganzen Bildinhaltes
erreicht wird, wenn die Verschieblefrequenz verhältnismäßig klein im Verhältnis
zur Bildwechselfrequenz ist. Die Spannung, welche mit der Verschiebefrequenz die
Abtastung des Bildinhaltes bewirkt, sei Verschiebespannung genannt.
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Sie braucht nicht unbedingt zeitproportional zu sein wie etwa die
Zeitabienkspannung eines Oszillographen, sondern kann in einem einfachen Fall sinusförmig
sein.
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Mit Hilfe der Abb. 4 soll nun der Gedanke der Erfindung an einem
einfachen Beispiel beschrieben werden. Oben in Abb. 4 ist der Bildinhalt mit zwei
verschiedenen Impulssignalen auf der Zeitlinie angedeutet und in sechs gleiche Zeitbereiche
1 bis 6 aufgeteilt, welche sechs verschiedenen nebeneinanker angeordneten Schreib
stellen einer Funkenregistrierung zugeordnet werden. Im Bereich I liegt gerade das
große Impulssignal, im Bereich 5 das kleinere. Darunter ist über der Zeitlinie eine
sinusförmige Verschiebespannung angedeutet, die gerade zu Beginn des Zeitabschnittes
1 ihr positives Maximum hat. Es werden nun Schreibstellen einer Funlenregistrierung
verwendet, die einen Ansprech-Schwellwert aufweisen. Ferner wird verlangt, daß die
Signalspannungen, welche durch die elektrische Abtasteinrichtung geliefert werden,
stets unterhalb dieses Schwellwertes bleiben, der z. B. 100 Volt betragen kann und
etwa gegeben ist durch die Durchschlagsspannung des Metallpapiers, das zur Funkenregistrierung
verwendet wird. Werden nunmehr die Signalspannungen der Abtasteinrichtung an sechs
neheneinander angeordnete Schreibstellen gegeben, so wird offenbar nichts registriert,
weil der Schwellwert in keinem Fall überschritten wird. Nun wird aber der Schreib
stelle außer der Signalspannung aus der Abtasteinrichtung eine Hilfsspannung zugeführt,
deren Amplitude auch unterhalb der Schwellspannung der Schreib stelle bleibt. Für
sich allein kann die Hilfsspannung also auch keine Schreibstelle zum Ansprechen
bringen. Trifft ein genügend hoher Spannungswert der Hilfsspannung jedoch mit einer
Signalspannung zusammen, so schreibt die Registrierstelle. Würde die Hilfsspannung
gleichzeitig allen Schreibstellen in gleicher Höhe zugeführt, die ja bereits gleichzeitig
die Signalspannungen der Abtasteinrichtung erhalten, so würden alle Schreibstellen
gleichzeitig immer dann schreiben, wenn überhaupt irgendwie im Bild ein Impuissignal
auftaucht. Es soll aber eine Zuordnung der Bildbereiche I bis 6 zu den Schreibstellen
I bis 6 erreicht werden. Darin besteht nun der Hauptgedanke der Erfindung.
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Aus der Verschiebespannung für die elektrische Blende wird eine Hilfsspannung
gewonnen, deren Höchstwert sich zeitlich nacheinander von der ersten bis zur letzten
Schreibstelle bewegt, im gleichen Takt, wie sich die elektrische Blende über den
Bildinhalt bewegt.
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Diese Hilfsspannung kann aus der Verschiiebespannung in einem einfachen
Fall durch Phasenschieber gewonnen werden. In Abb. 4 sind unter der sinusförmigen
Verschiebespannung an den Schreibstellen I bis 6 die dort zeitlich nacheinander
auftretenden Spannungsverhältnisse angedeutet, wenn die Hilfsspannung aus der Verschiebespannung
durch einfache Phasenschiebung gewonnen wird.
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Es wird gemäß Abb. 4 die Spannung an der Schreibstelle 1 beschrieben.
Die elektrische Blende befinde sich im Bereich 1 der Zeitlinie, der Phasenschieber
ist so gut eingestellt, daß die s;inusförmige Hilfsspannung ihr Maximum gerade in
diesem Bereich aufweist. Weil sich im Bereich I ein Impuissignal befindet, liefert
die elektrische Blende eine Signalspannung, die sich mit der maximalen Amplitude
der Hilfsspannung zusammensetzt, so daß die Schreibstelle I schreibt. Nun wandert
die elektrische Blende weiter in den Bereich 2, erzeugt dort keine Signalspannung,
Schreibstelle 1 schreibt nicht, ebenso bleibt auch Schreibstelle 2 in Ruhe, obwohl
die Phasenschieber so eingestellt sind, daß in diesem Augenblick in Schreibstelle
z das Maximum der Hilfsspannung liegt. Ebenso bleiben die Schreibstellen 3 bis 6
in Ruhe. Das gleiche gilt für die weiteren Bereiche 3 und 4, in welche die Blende
nun hineinwandert. Im Bereich 5 gibt die Blende wieder eine Signalspannung ab. Schreibstellen
@ bis 4 haben jedoch nicht die nötigt Hilfsspannung, deren Maximum sich gerade auf
Schreibstelle 5 be findet. Es schreibt die Schreibstelle 5. Dieser Voi gang wiederholt
sich im Takt der Verschiebefrequenz, also z.B. Hz. Man erkennt, daß die Schreibstellen
I und 5 in jeder Periode einmal ansprechen, die übrigen bleiben dauernd in Ruhe.
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Besser als ein einfacher Phasenschieber wird eine Einrichtung arbeiten,
welche aus der Verschiebespannung nicht einfach eine phasenverschobene, sinusförmige
Hilfsspannung gewiImt, sondern einen Hilfsimpuls formt, der über Laufzeitgl.:eder
den einzelnen Schreibstellen, synchron mit dem Abtastvorgang, nacheinander zugeführt
wird. In Abb. 5 ist eine einfache schematische Schaltung gezeigt, in der den Schreibstellen
I bis 6 die Signalspannung sowie die aus der sinusförmigen Verschilebespannung gewonnenen,
ebenfalls sinusförmigen Hilfsspannungen über Phasenschieber zugeführt werden.
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Die Signalspannung selbst wird noch über einen Generator in eine geeignete
Schreibspannung umg@formt, z. B. verstärkt.
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Der wesentliche technische Fortschritt der Erfindung gegenüber den
oben beschriebenen Methoden besteht darin, daß die Anzahl der erforderlichten Verstärkerröhren
sehr gering ist und daß die Anlage keine mechanisch bewegten Teile enthält außer
dem Transport des Registrierpapiers. Sie kann auf eine große Zahl diskreter Schreibstellen
erweitert werden, einfach durch Vermehrung der Anzahl Phasenschieber bzw. Laufzeitglieder,
die
wenig Aufwand erfordern und sehr betriebssicher arbeiten.
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Falls die Bildanzeige auf dem Leuchtschirm nicht nur in eindimensionaler
Richtung erfolgt wie bei dem angegebenen Laufzeit- Meßverfahren, sondern zweidimensional,
also auch in der dazu senkrechten Richtung, z.B. mit Helligkeitsmodulation, so läßt
sich die beschriebene Erfindung dadurch anwenden, daß die Abtastung nicht einfach
periodisch, sondern zweifach periodisch erfolgt. Dann stehen für die Zuordnung einer
bestimmten Schreibstelle zu einem bestimmten Flächenelement des Bildes 2 verschledenke
Hilfsspannungen zur Verfügung, und die richtige Schreibstelle wird dadurch richtig
zugeordnet, daß sich an ihr die beiden Hilfsspannungen zu einem Maximum addieren,
so daß diese beim Eintreffen einer Signalspannung ansprechen kann.
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Dieser Fall der zweidimensionalen Registrierung ist in Abb. 6 angedeutet,
wobei die Addition der Hilfsspannungen an den Schreib stellen dadurch erreicht wird,
daß die Schreibspannung zusammen mit der ersten Verschiebespannung über die Phasenschieber
wie in Abb. 5 den Schreibelektroden zugeführt wird, während die zweite Hilfsspannung
aus der zweiten Verschieb espannung über Phasenschieber gewonnen wird und der Gegenelektrode
zugeführt wird, die sich auf der anderen Seite des in diesem Fall nicht leitenden
Registrierpapiers befinden möge. In diesem Fall muß der Registrierträger nach jeder
vollen Abtastperiode um ein ganzes Bildfeld weitergeschoben werden, ähnlich wie
bei einer Filmaufnahme.
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Im Fall eines einfach periodischen Bildes, wie z. B. in Abb. 2 angedeutet,
beim Laufzeit-Meßverfahren bei Verwendung der Helligkeitsmodulation läßt sich ein
anderes als das bekannte elektrische Abtastverfahren anwenden. Gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung wird die Abtastung des Bildinhaltes dadurch erreicht, daß eine lange
schmale Fotozelle, wie in Abb. 7 angedeutet, über den Bildschirm gelegt wird und
die Zeitlinie mit den hell gesteuerten Anzeigen der Impulse senkrecht zu der Richtung
der Zeitlinie periodisch abgelenkt wird, wobei die Zeitlinie und die Fotozelle einen
spitzen Winkel bilden. Dadurch schneidet die Zeiflinle die Fotozelle in einer periodisch
verschobenen Stelle, so daß ein hellmodulierter Bildpunkt, wenn er gerade im Augenblick
des Schnittpunktes vorhanden ist, eine Fotospannung erzeugt, die, wie oben beschrieben,
als Signalspannung der Abtasteinrichtung dient Die periodische Ablenkung der Zeitlinie
senkrecht zu ihrer Richtung kann z.B. elektrostatisch mit dem zweiten Plattenpaar
der Braunschen Röhre erfolgen mit Hilfe einer Verscbiebespannung, welche, wie oben
beschrieben, über Phasenschieber die zur Registrierung erforderliche Hilfsspannung
liefert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erwindung kann das gleiche
Verfahren ohne Fotozelle verwendet werden, wenn eine Spezialausführung einer Braunschen
Röhre Anwendung findet, in welcher eine lange, schmale Fangelektrode, ähnlich wie
die FotozelLe in Abb. 7, im Innern der Röhre angeordnet ist. Die Signalspannung
w?rd dann direkt durch den auftreffenden Elektronenstrom des Kathoden strahls erzeugt.
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Bei der Funkenregistriermethode wird eine Schrift erzeugt, die mit
zunehmender Schreibenergie stärker geschwärzt ist. Man kann das Verfahren daher
so anwenden, daß die Stärke der gescbrie benen Linie auf dem Registrierträger der
Höhe des abgetasteten Impulssiagnals entspricht, wenn man dafür sorgt, daß die Signalspannung
in eine der Höhe des Echos proportionale Energie der Schreibspannung umgeformt wird.
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Die erwünschte Registrierung proportional der Höhe des Echos kann
auch auf die folgende Weise erzielt werden: Führt man der Schreibstelle beim Funkenregistrierverfahren
eine Folge von kurzen Spannungsimpulsen zu, so wird die Schwärzung durch die Frequenz
der entstehenden Funkenfolge beeinflußt (eine Folge von hoher Frequenz schwärzt
bei gleichmäßig bewegtem Träger stärker als eine Folge gleich starker Funken, jedoch
niedrigerer Frequenz). Es wird daher gemäß einer Weiterbildung der Erfindung durch
die Höhe der Signalspannung die Frequenz eines Impulsspannungsgenerators für die
Funkenfolge gesteuert.