DE2503538C2 - Gerät zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals aus einem Impuls von elektrischen Signalschwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die US-PS 35 05 537 beschreibt ein Gerät zur Überprüfung von Digitalimpulsen, die magnetisch aufgezeichnet wurden. Dabei überprüft das Gerät, ob ein besonderer Signalausschlag, der den Betrieb eines Nulldurchgangsdetektors verursacht, eine über einen vorbestimmten Pegel hinausgehende Amplitude hat. Dies sagt jedoch nichts über die Gesamtamplitude des kompletten Impulses aus. Dies kann dazu führen, daß das Gerät den Betrieb des Nulldurchgangsdetektors zurückweist, aber den nächstfolgenden Nulldurchgang akzeptiert, der eine ganze Wellenlänge später erscheint.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Gerät der eingangs genannten Gattung eine Schaltungsanordnung anzugeben, die prüft, ob die Amplitude *>o eines empfangenen Signals innerhalb vorgegebener Grenzen liegt, und die anzeigt, daß die Amplitude des empfangenen Signals für die weitere Prüfung ausreichend ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die μ Kennzeichnungsmerkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Gerätes sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeiger, die F i g. l(A) und l(B) Signalwellenformen, die

Fig. 2(A) und 2(B) Schaitungsanordnungen eines Teils des Gerätes,

F i g. 3 weitere Wellenformen und

F i g. 4 ein Blockschaltbild eines Teils eines Gerätes, in welches das Gerät nach den Fig.2(A) und 2(B) eingebaut ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung in eine Einrichtung zum Messen der Geschwindigkeit oder einer Geschwindigkeitskomponente einer Strömungsmittelströmung eingebaut Diese Einrichtung, die in der DE-OS 23 16 437 beschrieben ist, arbeitet nach dem Prinzip, bei dem gleichzeitig die Übertragung eines Ultraschallimpulses durch das Strömungsmittel hindurch sowie das Zählen von Impulsen oder Schwingungen aus einem spannungsgeregelten Oszillator eingeleitet werden. Die Ankunftszeit des empfangenen Impulses oder Ultraschalls wird verglichen mit der Ankunfszeit des N-ten Impulses oder der /V-ten Schwingung aus dem spannungsgesteuerten Oszillator, und Einregelungen werden an der Schwingfrequenz des spannungsgeregelten Oszillators durchgeführt, mit dem Bestreben, diese jeweiligen Ankunftszeiten in Übereinstimmung zu bringen. Dadurch, daß auf diese Weise eine vorbestimmte Anzahl (N) von Impulsen oder Schwingungen in die Flugzeit der Ultraschailimpulse durch das Strömungsmittel hindurch auf dem gleichen Weg, aber in entgegengesetzten Richtungen eingebracht wird, ist es möglich, die Komponente der Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit entlang diesem Weg aus der Differenz in der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators entsprechend den beiden entgegengesetzten Übertragungsrichtungen der Ultraschallimpulse zu errechnen.

Die Genauigkeit der Einrichtung hängt unter anderem von der Genauigkeit ab, mit welcher ein Zeitbezug auf den empfangenen Ultraschallimpuls ain aufgebaut werden kann.

Ein Wandler wandelt den empfangenen Ultraschallimpuls in ein elektrisches Signal um, und die Wellenform dieses Signals ist in den Fig. l(A) und l(B) dargestellt, wobei die Abszisse die Zeit und die Ordinate die Signalamplitude am Ausgang eines Verstärkers 22 (siehe F i g. 2(A)) darstellt

Nach Fig.2(A) wird das Signal vom Wandler bei 21 dem Verstärker 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem Grenzwertdetektor 23 und einem Nulldurchgangsdetektor 24 übermittelt wird. Der Betrieb wird durch einen Abtaster 25 gesteuert, der die Detektorschaltung nur während einer vorbestimmten Periode in Betrieb setzt, welche die erwartete Ankunftszeit eines Impulses umfaßt. Der Zweck des Abtasters besteht darin, einen unerwünschten Betrieb aus ungewollten Signalen zu verhindern.

Fig. l(A) zeigt ein empfangenes Signal von einer Amplitude, die für Normalbetrieb ausreicht. Die gestrichelte Linie 26 stellt den Grenzpegel dar, der durch den Grenzwertdetektor 23 eingestellt wird. Die Anordnung dieses Ausführungsbeispiels ist so, daß der Nulldurchgangsdetektor ein Ausgangssignal beim nächsten positivgehenden Nulldurchgang des empfangenen Signals liefert, nachdem ein negativgehender Ausschlag des Signals den Grenzwertdetektorpegel 26 überschritten hat. Das Ausgangssignal des Nulldurchgangsdetektors wird somit der Stelle 27 in F i g. l(A) entsprechen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Amplitude des

empfangenen Ultraschalümpulses sich erwartungsgemäß ändert, insbesondere dann, wenn Gasbläschen oder Feststoffe im Strömungsmittel schweben. Die vorgenannte DE-OS 23 16 437 beschreibt, wie Vorkehrungen getroffen werden können, um Fehler in der Strömungsmessung zu vermeiden, die durch die Einrichtung als Folge einer völligen Behinderung von einigen der Ultraschallimpulse angezeigt werden. Die Einrichtung kann jedoch ein empfangenes Signal ermitteln und arbeiten, aber ein fehlerhaftes Ergebnis liefern, weil die Amplitude des ermittelten Signals zu klein ist. Dies ist in Fig. l(B) veranschaulicht, aus der hervorgeht, daß das empfangene Signal so geschwächt worden ist, daß der erste negativgehende Ausschlag den Grenzwertdetektor nicht in Betrieb setzt, daß dies aber der zweite negativgehende Ausschlag tut. Der Nulldurchgangsdetektor wird dann ein Ausgangssignal an der Stelle 28 in F i g. l.(B) erzeugen, das um die Periode eines vollständigen Zyklus der Hochfrequenzschwingung aus der gewünschten Position für den Zeitbezug verlagert ist.

Dieser Effekt kann durch Vorsehen einer automatischen Verstärkungsregelung für den Verstärker 22 reduziert werden. Dies ist in F i g. 2(A) angedeutet, in welcher eine Vorrichtung 29 die Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers, 22 ermittelt und ein Spannungssignal liefert, welches dieser Amplitude entspricht und mit einer Bezugsspannung VT? durch einen Komparator 31 verglichen wird. Das Ausgangssignal des !Comparators 31 steuert den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 22 und sucht die Amplitude des Ausgangssignals auf einem konstanten Pegel zu heften.

Die automatische Verstärkungsregelung arbeitet jedoch notwendigerweise mit einer relativ langen Zeitkonstante, die den Verstärkungsfaktor nur dann einregelt, wenn sich der empfangene Durchschnitts-Signalpegel ändert. Beispielsweise können daher, wenn nur ein kleiner Teil von stark abgeschwächten Signalen empfangen wird, diese abgeschwächten Signale den Grenzwertdetektor 23 in der Form erreichen, die durch F i g. l(B) dargestellt wird. F i g. 2(B) veranschaulicht ein Gerät zur Lieferung eines Ausgangssignals, um anzuzeigen, daß die dem Grenzwertdetektor 23 zugeführte Amplitude des empfangenen Signals zufriedenstellend ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 an der Leitung 32 wird über ein Lineartor 33, welches durch den Abtaster 25 gesteuert wird, einem integrierenden Verstärker 34 zugeführt. Der Ausgang des integrierenden Verstärkers 34 wird mit einer Bezugsspannung durch eine Triggerschaltung 35 verglichen, die eine Flipflop-Schaltung 36 in dem Falle einstellt, daß das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers 34 einen vorbestimmten Pegel überschreitet. Der Betrieb dieser Schaltung ist wie folgt:

Das Lineartor 33 wird durch den Abtastimpuls angesteuert, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers 22 nur mit dem integrierenden Verstärker 34 während der Abtast-Zeitspanne verbunden ist, d. h. während der Periode, welche die erwartete Ankunftszeit eines empfangenen Impulses umfaßt.

Der Eingang zum integrierenden Verstärker ist eine Niedrigimpedanz (eine »Summierungs«-Stelle) bei der Spannung, die durch den Regelwiderstand R 2 eingestellt ist. Die Diode D wird leiten, wenn das Signal mehr negativ ist als diese Spannung, und zwar um einen Betrag Vi. wobei V, die Spannung ist. die für die Diode D zum Leiten erforderlich ist. Der Widerstand R 2 wird so eingestellt, daß die Diode D sich einschaltet, wenn die Signalspannung ein wenig mehr negativ ist als das

Verstärker-Ausgangsgeräusch. Dies vermeidet jeglichen Beitrag für den integrierenden Verstärker aus diesem Geräusch.

Die Zeitkonstante der Kondensator-Widerstands-Kornbination QRf ist viel größer eingerichtet als die Abtastzeit und viel kleiner als die Verzögerung zwischen dem Empfang von aufeinanderfolgenden empfangenen Impulsen. Auf diese Weise kann eine echte Integration während der Abtastzeit stattfinden, doch besteht genügend Zeit, damit die Spannung am Kondensator Q vor dem nächsten Abtastimpuls auf Null abfallen kann.

Der augenblickliche Stromfluß durch den Widerstand R 1 und die Diode Din den integrierenden Kondensator C/hinein ist gegeben durch:

Darin ist

Vrx = Signalamplitude,

Vf = Diode-Vorwärtsspannungsabfall,

V_R2 = Bezugsspannung für den integrierenden Ver-

stärker 34.

Die Form des Stromes /ist im unteren Teil von F i g. 3 dargestellt. Der obere Teil der F i g. 3 zeigt die Wellenform des Ausgangssignals des Verstärkers 22 zum Vergleich.

Die Ausgangsspannung des integrierenden Verstärkers 34, die der Triggerschaltung 35 zugeführt wird, ist proportional der Gesamtladung, die im Kondensator Q während der Abtastzeit integriert ist, d. h. die Ausgangs-

s> spannung wird proportional der gesamten schraffierten Fläche in F i g. 3 sein.

Der Auslöse- oder Schaltpegel der Triggerschaltung 35 wird unter Verwendung eines Regelwiderstandes R 3 so eingeschaltet, daß ein empfangenes Signal, welches

·"> eine mittlere Amplitude aufweist, die ausreicht, um einen Spannungsausgang am integrierenden Verstärker zu erzeugen, der größer ist als dieser Auslösepegel, stark genug sein wird, um den Nulldurchgangsdetektor richtig zu betätigen.

4·"' Fig. 4 zeigt, wie das Gera nach Fig. 2(B) in die Strömungsmeßeinrichtung eingebaut ist, damit die Einstellung der spannungsgeregelten Oszillatoren für den Fall verhindert wird, daß die empfangene Impulsamplitude zu klein ist. um den Durchgangsdetek-

·" tor zufriedenstellend zu betätigen. Fig. 4 zeigt denjenigen Teil der Einrichtung, der der Fig. 3 der DE-OS 23 16 437 entspricht. Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 4 ist folgende:

Ein Startimpuls von einem Hauptoszillator (nicht

j > dargestellt) nimmt eine Rückstellung aller drei Flipflopschaltungen 45,46 und 47 vor. Jeder empfangene Impuls RX vom spannungsgeregelten Oszillator her kann die Flipflopschaltung 45 oder die Flipflopschaltung 46 einstellen, je nachdem, welcher Impuls zuerst ankommt.

Wenn somit der empfangene ÄX-Impu!s zuerst ankommt, wird Flipflop 45 eingestellt und verhindert nachfolgend da«: Einstellen des Flipflops 46. Wenn der A/-te Impuls vom spannungsgesteuerten Oszillator zuerst ankommt, dann wird Flipflop 46 zuerst eingestellt

fc5 und nachfolgend das Einstellen des Flipflops 45 verhindert.

Wenn der empfangene ßX-lmpuls zuerst ankommt, wird das Einregeln der spannungsgesteuerten Oszilla-

torfrequenz um einen Mehrbetrag durch eine monostabile Schaltung 50 bewirkt, die eine Pegelverschiebung betätigt, wie in der DE-OS 23 16 4.37 beschrieben. Es wird jedoch ein Ausgang vom eingestellten Flipflop 45 nach der monoslabilen Schaltung 50 über ein UND-Tor 48 übermittelt, welches die Betätigung der monostabilen Schaltung solange verhindert, bis die Flipflopschaltung 47 eingestellt ist.

In ähnlicher Weise wird die entsprechende Reduzierung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators für den Fall, daß der N-te Impuls vom spannungsgesteuerten Oszillator her zuerst ankommt, durch eine monostabile Schaltung 51 und eine zugeordnete Pegelverschiebung bewirkt. Auch hier wiederum der Ausgang von einer eingestellten Flipflopschaltung 46 nach einer monoslabilen Schaltung 51 über ein UND-Tor 49 übermittelt, welches die Betätigung der monostabilen Schaltung 51 so lange verhindert, bis die Flipflopschaltung 47 eingestellt ist.

Die Flipflopschaltung 47 entspricht der Flipflopschaltung 36 in F i g. 2(B) und wird durch den Ausgang der Kombination aus integrierendem Verstärker 34 und Triggerschaltung 35 gesteuert, die durch das Kästchen 54 in F i g. 4 dargestellt ist und ihrerseits mit dem Signalausgang vom Verstärker 22 über das abgetastete Lineartor 33 beliefert wird. So kann weder die monostabile Schaltung 50 noch die monostabile Schaltung 5! arbeiten, es sei denn, daß ein empfangenes Signal eine Amplitude hat, die durch die Einrichtung nach Fig. 2(B) als ausreichend dafür befunden wurde, daß der Nulldurchgangsdetektor zufriedenstellend gearbeitet hat.

Die Einrichtung nach F i g. 4 enthält natürlich Vorkehrungen dafür, daß keine Einstellung im Falle einer Behinderung des Ultraschallimpulses stattfindet, denn in diesem Falle wird kein empfangener Impuls

ίο vorhanden sein, und die Flipflopschaltung 47 wird in ihrem rückgestellten Zustand verbleiben.

Setzt man voraus, daß ein bestimmter Mindestanteil (z. B. 10%) des empfangenen Signals normal ist, dann wird das Steuerspannungsgedächtnis des spannungsgesteuerten Oszillators einen korrekten Betrieb in einer Weise zulassen, die direkt derjenigen entspricht, die in der DE-OS 23 16 437 in bezug auf die Betätigung, wenn ein Teil der empfangenen Signale völlig fehlt, beschrieben ist.

Das in F i g. 2(B) dargestellte Gerät ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es in der in F i g. 4 dargestellten Weise in der Einrichtung verwendet wird, die in der DE-OS 23 16 437 für Strömungsmittel-Strömungsmessung beschrieben ist. Das Gerät nach Fig. 1(B) kann überall dort verwendet werden, wo es erwünscht ist, einen genauen Zeitbezug auf einen Signalimpuls von der in F i g. 1 dargestellten Form herzusteilen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals aus einem Impuls von elektrischen Signalschwingungen, bestehend aus einem Grenzwertdetektor und einem Nulldurchgangsdetektor, der mit dem Gren'.-wertdetektor gekoppelt ist und ein Ausgangssignal in dem Augenblick liefert, wenn die elektrische Signalschwingung den Nullpunkt passiert, nachdem der Grenzwertdetektor einen Signalausschlag mit einer einen vorbestimmten Pegel überschreitenden Amplitude ermittelt hat, aus einer Prüfeinrichtung mit einem Integrierverstärker, einer Komparatoreinrichtung zum Vergleichen des Ausgangs des Integnerverstärkers mit einem Bezugswert, sowie aus einer auf den Ausgang der Komparstoreinrichtung ansprechenden Einrichtung zur Steuerung des Betriebs des Gerätes entsprechend dem Ausgang des Nulldurchgangsdetektors, dadurch ge-20 kennzeichnet, daß der Integrierverstärker (34) so geschaltet ist, daß er den Impuls empfängt und ein Ausgangssignal liefert, welches der integrierten Amplitude der Signalschwingung, gemessen im einen Polaritätssinn, über die Gesamtdauer des Impulses hinweg entspricht.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf den Ausgang des Nulldurchgangsdetektors ansprechende Gerät eine logische Schaltung (45—51) aufweist, die eine Anzeige dafür liefert, ob ein empfangener Impuls von elektrischen Signaischwingungen oder ein elektrischer Bezugssignalimpuls zeitlich zuerst erscheint.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Ausgang der Komparatoreinrichtung (35) ansprechende Einrichtung (36) den Betrieb der logischen Schaltung (45—51) für den Fall unterbindet, daß der Ausgang des Integrierverstärkers (34) den durch den Bezugswert festgesetzten Bezugspegel nicht überschreitet. w