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Verfahren und Einrichtung zur Aufzeichnung von Impulsfolgen
Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Aufzeichnung von Primärimpulsfolgen und der von diesen
Primärimpuisfolgen n ausgelösten Sekundärimpuisfolgen mittels eines Kathodenstrahloszillographen..
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Derartige Einrichtungen werden z. B. bei der Ultraschallimpulsecholotung
zum Ermitteln von Meerestiefen und zum Auffinden von Fischschwärmen, aber auch.
zur Fehlersuche in. Werkstücken verwandt.
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Von einer Impuls-Sende- und -Empfangseinrichtung wird eine Impulsfolge
ausgesandt (Primärimpulsfolge), und die Folgen der einfachen oder mehrfachen Impulsechos
(Sekundärimpulsfolgen) zusammen mit der Primärimpuisfolge mittels eines Kathodenstrahloszillographen
aufgenommen. Die Zeitablenkung des Kathodenstrahloszillographen ist auf die Frequenz
der Primärimpulsfolge (Impulsfolgefrequenz) synchronisiert, so daß die Impulse der
Primärimpulsfolge sich in einem sichtbaren Impulszacken darstellen. Ebenso werden
die Impulsechos der einfachen oder mehrfachen Sekundärimpulsfolgen in je einem Echoimpulszacken
gezeigt. Die Zeitablenkung wird dabei in. der Regel so vorgenommen, daß nach dem
Primärimpuls nur die ersten Echoimpulse auf dem Bildschirm des Kathodenstrahloszillographen
erscheinen, während die restlichen Echoimpulse unterdrückt werden.
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Dies wird dadurch erreicht, daß die Kippzeit der Zeitahlenkung (das
Reziproke der Kippfrequenz) klein gegen den zeitlichen Abstand zweier Primärimpulse
gehalten ist. Bei den bekannten Einrich-
tungen muß der zeitliche
Abstand zwischen zwei Primärimpulsen der Primärimpulsfolge so groß gewählt werden,
daß alle Echoimpulse eines Primärimpulses - sofern. sie den Rauschpegel des Verstärkers
in der Empfangseinrichtung überschreiten - eingetroffen sind, bevor der folgende
Primärimpuls ausgesandt wird; andernfalls würde die räumliche Reihenfolge der Echoimpulse
auf dem Bildschirm des Kathodenstrahloszillographen, die sonst genau der Reihenfolge
ihres zeitlichen Eintreffens entspricht, durchein, andergeworfen. Häufig treffen
nun die letzten Echoimpulse eines Primärimpulses verhältnismäßig spät ein. Aus den
erwähnten Gründen ist dann die Impulsfolgefrequenz niedrig zu halten, und da diese
Impulsfolgefrequenz gleich der Anzahl der Überschreibungen des Bildschirms des Kathodenstrahloszillographen
pro Zeiteinheit ist, wird demgemäß das Bild der Impulse auf dem Bildschirm lichtschwach.
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Es ist bekannt, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß man in.
der ungenutzten Zeit, die zwischen dem letzten aufzuzeichnenden Echo und dem folgenden
Sendeimpuls liegt, das gerade aufgezeichnete Bild zu wiederholten Malen aufzeichnet.
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Es wird hierzu jedes Bild von Primärimpuls und Impulsechos (Hauptbild)
auf einen Speicher gegeben und von diesem Speicher wieder abgenommen (Speicherbilder).
Dieses Verfahren ist umständlich, schwer zu justieren und störanfällig, da Amplituden
und Phasen von Hauptbild und Speicherbildern genau übereinstimmen müssen.
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Erfindungsgemäß werden zur Aufhellung eines Teils der Sekundärimpulse,
die den sie auslösenden Primärimpulsen unmittelbar folgen, dann, wenn der zeitliche
Abstand zweier Primärimpulse innerhalb der Primärimpulsfolge kleiner ist als die
Zeit bis zur Ankunft auch des oder der letzten der Impulse einer von einem Primärimpuls
ausgelösten und von dem Kathodenstrahloszillographen aufgezeichneten Sekundärimpulsfolge,
die Primärimpulse in sich laufend ändernden zeitlichen Ab ständen erzeugt, und synchron
dazu die Ablenkung des Kathodenstrahls bewirkt. In der Fig. I ist das Ergebnis der
bisherigen Verfahrensweise, in Fig. 2 das Ergebnis der zeitlichen Abstandsände rung
der Primärimpulse veranschaulicht.
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In Fig. I bezeichnet P die Primärimpulse, die innerhalb der Primärimpulsfolge
einen stets gleichbleibenden zeitlichen Abstand aufweisen. Die Zeit ist als Abszisse
von links nach rechts und die Impulshöhe als Ordinate aufgezeichnet. S1, 52 und
S3 stellen Impulse der Sekundärimpulsfolgen dar.
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T, ist die Kippzeit des Kathodenstrahloszillographen, Tp der zeitliche
Abstand zwischen zwei Primärimpulsen. Auf dem Bildschirm erscheinen neben dem Primärimpuls
P die SekundärimpulseS' und S2, während der Sekundärimpuls 53 unterdrückt wird.
In der Fig. 2 stimmen die Bezeichnungen mit den entsprechenden Bezeichnungen in
Fig. I überein. Während jedoch in der Fig. I der zeitliche Abstand zwischen zwei
Primärimpulsen Tp stets konstant ist, ist dieser Abstand nach Fig. 2 im Laufe der
Zeit veränderlich. Wieder werden del Primärimpuls und die Sekundärimpulse 51 und
S2 an festen Orten auf dem Bildschirm abgebildet.
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Der Sekundärimpuls Si erscheint auch dann und wann auf dem Bildschirm,
aber stets an einer anderen Stelle. (Schneidet man in Fig. 2 einen Abschnitt PS1S2
aus und legt ihn auf die anderen mit P beginnenden Abschnitte, so erkennt man. besonders
sinnfällig, daß S3 stets an einer anderen Stelle relativ zum Bild steht.) Der Beobachter
hat hierdurch den Eindruck, daß der Impuls 53 einen leichten Schleier auf dem Bildschirm
hervorruft, während das zu beobachtende Bild ruhig stehenbleibt.
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Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung kann daher die
mittlere Impulsfolgefrequenz größer gewählt werden als die Impulsfolgefrequenz bei
den bekannten Einrichtungen.
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Die Bildhelligkeit der innerhalb des Zeitintervalls Tk eintreffenden
Sekundärimpulse - im angeführten Beispiel der Sekundärimpulse S1 und S2 -wird hierdurch,
entsprechend dem Verhältnis dieser Frequenzen, erhöht.
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Die zeitliche Abstandsänderung der Primärimpulse kann dadurch erreicht
werden, daß man von einer festen Impulsfolgefrequenz ausgeht und mit an sich bekannten
Einrichtungen diese Impulsfolge phasen- oder frequenzmoduliert. Da eine derartige
Verfahrensweise eine vollständige Periodizität in sich trägt, können, hierbei unerwünschte
Sekundärimpulse, wenn auch in größeren zeitlichen Ab ständen, auf der gleichen Stelle
des Bildschirmes auftreten. Diese unerwünschte Periodizität wird vermieden, wenn.
man von einer Impulsfolgefrequenz ausgeht, die statistisch unregelmäßig, aber im
zeitlichen Mittel gleichmäßig moduliert wird. Hierzu kann etwa ein in an sich bekannter
Weise rauschmodulierter Impulsgeber zur Modulation der Impulsabstände verwandt werden.
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Um zu gewährleisten, daß alle innerhalb des Zeitintervalls Tk auftreten,
den Sekundärimpulse auf dem Bildschirm erscheinen, ist es erforderlich, den zeitlichen
Abstand zwischen zwei Primärimpulsen trotz der Modulation größer oder gleich der
Zeit Tk zu halten. Um weiterhin zu verhindern, daß sich unerwünschte Sekundärimpulse
nur langsam auf dem Bildschirm verschieben, wählt man zweckmäßig die Zeitdifferenz
zweier aufeinanderfolgender Primärimpulsabstände größer oder gleich der zeitlichen
Breite eines Primärimpulses.
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Wie bei Verwendung der bekannten Einrichtungen ist es auch bei Verwendung
der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht stets erforderlich, die Primärimpulse auf
dem Bildschirm aufzuzeichnen.
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Die Aufzeichnung der Primärimpulse kann z. B. entfallen, wenn nur
die Abstände der Sekundärimpulse untereinander interessieren oder der Abstand des
nicht sichtbaren Primärimpulses von der Nullmarke auf dem Bildschirm des Kathodenstrahloszillographen
auf Grund einer Eichung festliegt.
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In den Fig. 3 bis 6 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Einrichtung dargestellt.
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Fig. 3 a gibt einen periodisch frequenzmodulierten Impulsgeber wieder;
Fig.
31), 3 c urid 3 d zeigen den Spannungsverlauf an den Orten A B, C in der Einrichtung
nach Abb. 3a; Fig. 4 stellt einen rauschmodulierten Impulsgeber dar; Fig. 5 gibt
einen frequenzmodulierten Multivibrator wieder; Fig. 6 zeigt einen der Fig. 5 ähnlichen
frequenzmodulierten Multivibrator, der unter Verwendung einfacherer Schaltelemente
aufgebaut ist.
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In Fig. 3 a ist ein in bekannter Weise geschalteter Hochfrequenzgenerator
30 da.rgestellt, in dessen Schwingkreis ein von einem Motor 31 angetriebener veränderbarer
Kondensator 32 liegt. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises ändert sich damit periodisch,
und die von der Hochfrequenzgeneratorstufe 30 erzeugte Hochfrequenz ist daher frequenzmoduliert.
Die von dem Leitungszug A geführten frequenzmodulierten Hochfrequenzschwingungen
sind in Fig. 3b dargestellt. Diese frequenzmodulierten Hochfrequenzschwingungen
werden einer aus zwei Dioden 33 bestehenden Begrenzerstufe zugeführt : und hierdurch
in einen frequenzmodulierten Rechteckwellenzug umgewandelt. Dieser von dem Leitungszug
B geführte frequenzmodulierte Rechteckwellenzug ist in Fig. 3 c wiedergegeben. Dieser
Rechteckwellenzug wird einem Röhrenverstärker 34 zugeführt und an einer Widerstand-Kondensator-Kombination35
differenziert. Hierdurch ergeben sich steile kurze Impulse an den Sprungstellen
des Rechteckwellenzuges, die einem weiteren Röhrenverstärker 36 zugeleitet werden.
Während die positiven Impulse durch den in dem Röhrenverstärker 36 einsetzenden
Gitterstrom unterdrückt werden, werden die negativen Impulse verstärkt und erfindungsgemäß
zur Erzeugung von Impulsen in sich laufend ändernden zeitlichen Abständen verwendet.
Die Folge der an der Rölrenverstärkerstufe 36 verstärkten und durch den Leitungszug
C geführten Impulse ist in Fig. 3 d abgebildet.
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In Fig. 4 ist eine der Fig. 3 a ähnliche Schaltung dargestellt. Die
in Fig. 4 und 3 a gleichartigen Schaltelemente sind gleich bezeichnet und haben
die gleiche Funktion. An Stelle des mechanisch veränderbaren Kondensators 32 nach
Fig. 3 a sind in Fig. 4 Schaltmittel zur Pauschmodulation dargestellt. Die Anode
einer dem Schwingungskreis des Hochfrequenzgenerators parallel geschalteten Elektronenröhre
40 ist über die Widerstand-Kondensator-Kombination 4I auf ihr Gitter rückgekoppelt.
Eine derartige Röhre verhält sich bekanntlich in ihren Widerstandseigenschaften
wie eine Induktivität. Die Größe der Induktivität ist gegeben durch die Gittervorspannung
der Elektronenröhre 40. Zur Erzeugung einer periodisch frequenzmodulierten Hochfrequenz
ist es daher z. B. möglich, eine periodische Wechselspannung an das Gitter der Elektronenröhre
40 zu legen.
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Nach Fig. 4 wird eine Rauschspannung an das Gitter der Elektronenröhre
40 gelegt und hierdurch eine statistisch schwankende Frequenzmodulation erzeugt.
Als Rauschqueile dient eine Glimmlampe 42, deren Spannungsschwankungen durch einen
Verstärker 43 auf eine solche Höhe gebracht werden, daß sie die Induktivität der
Röhre Ao wirksam beeinflussende Spannungsschwankungen am Gitter der Röhre 40 hervorrufen.
Die Umwandlung der frequenzmodulierten Hochfrequenz erfolgt in einer Begrenzerstufe
33 wie nach Fig. 3 a. Die Differentiation und Verstärkung der von der Begrenzerstufe
abgegebenen Rechteckimpulse ist nicht dargestellt; sie gleicht ebenfalls der Schaltung
nach Fig. 3 a.
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Durch die Schaltung nach Fig. 5 werden unmittelbar Rechteckwellenzüge
erzeugt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Multivibrator 50, dessen einer Rückkopplungswiderstand
veränderbar ist.
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Dieser veränderbare Widerstand besteht aus einer über eine große Kapazität
53 einem Gitterwiderstand des Multivibrators parallel geschalteten Elektronenröhre
5I, deren Innenwiderstand durch die an ihr liegende Gittervorspannung gegeben ist.
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Legt man etwa an die zum Gitter der Elektronenröhre führenden Anschlußklemme
52 eine periodische Wechsel spannung an, so ändert sich die unter anderem durch
den Innenwiderstand der Röhre 51 bestimmte Zeitkonstante des Multivibrators periodisch,
und der Multivibrator erzeugt daher Rechteckwellenzüge periodisch schwankender Frequenz,
die von dem Multivibrator in bekannter Weise abgenommen und daraufhin, wie in Fig.
3 a dargestellt, differenziert und verstärkt werden.
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In Fig. 6 ist eine vereinfachte Schaltung eines frequenzmodulierten
Multivibrators dargestellt.
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Der Gittervorspannung einer der Röhren des Multivibrators 60 werden
über einen Transformator 6I Spannungsschwankungen überlagert und derart die gewünschte
Frequenzmodulation durchgeführt.
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Die Anwendung der eründungsgeniäßen Einrichtung ist besonders vorteilhaft
bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Ultraschall-Impuls Reflexionsverfahren.
Da die Absorption von Ultraschall in vielen Werkstoffen äußerst gering ist und d
daher Sekundärimpulse - verursacht durch Reflexionen im Werkstoff - noch lange Zeit
nach dem sie auslösenden Primärimpuls auftreten, muß die Primärimpulsfolgefrequenz
bei den bekannten Einrichtungen sehr niedrig gehalten. werden; die Bildhelligkeit
der auf dem Kathodenstrahloszillographen sichtbaren Impulse ist dementsprechend
gering. Da eine große Bildhelligkeit der Impulse auf dem Kathodenstrahloszillographen
bei der vielfach gewünschten Werkstoffprüfung im Tageslicht erforderlich ist, bietet
die Erfindung hier einen besonderen Fortschritt. Es ist daher ebenfalls ein Verfahren
zur Prüfung von Werkstoffen mittels Ultraschallimpulsen Gegenstand der Erfindung,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß die zeitlichen Abstände der in den Werkstoff
gesandten Ultraschall impulse laufend geändert werden.