DE2716833A1 - Verfahren und einrichtung zur pruefung der eigenschaften von material in einem behaelter - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur pruefung der eigenschaften von material in einem behaelterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der automatischen Kontrolle und Überwachung von technologischen
Parametern in Produktionsprozessen verschiedener Industriezweige mittels akustischer Schwingungen, insbesondere betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Kontrolle der Eigenschaften von in einem Behalter eingeschlossenem Stoff sowie
eine Einrichtung zur Verwirklichung dieses Verfahrens.
Die Erfindung kann in automatischen Steuerungssysterner
für hydrometallurgische und Aufbereitungsprozesse in der Eisen- und Nichteisenmetallurgie, in der chemischen, Erdöl-
und Nahrungsmittelindustrie sowie in anderen Industriezweigen zur automatischen kontaktlosen Kontrolle
der Eigenschaften von Stoffen in Behältern benutzt werden.
530-0802/1 P.68271-E-61
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Die zu überwachenden Produktionsprozesse können durch verschiedene Faktoren gekennzeichnet sein, welche die Eigenschaften
von Medien destabilisieren und bestimmte Störungen und Schwierigkeiten beim Einsatz von Mitteln zur
Kontrolle der Stoffeigenschaften verursachen. Bei mehreren Produktionsprozessen gehören zu solchen Faktoren die inkonstante
oder erhöhte Dämpfung akustischer Schwingungen in dem zu kontrollierenden Stoff, unstabile Dielektrizitäts
konstante, die Vermengung der zu kontrollierenden Flüssigkeit mit Luftbläschen, instabile Konzentration von schwebenden
festen Teilchen in der Flüssigkeit.
Die wichtigste Forderung, die an die Verfahren und
Einrichtungen zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern befindlichen Stoffen, z.B. zur Kontrolle der Konzentration
von flüssigen Lösungen gestellt wird, ist die möglichst große Reduzierung des Einflusses solcher destabilisierenden
Faktoren auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Kontrolle. Weiterhin werden eine ausreichende
Empfindlichkeit der Kontrolle, ihre Sicherheit für das Bedienungspersonal, einfacher Aufbau der Kontrolleinrichtung
sowie ihr geringer Handelspreis gefordert.
Für die Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen, die sich in Behältern befinden, können verschiedene Verfahren
und Einrichtungen zu ihrer Realisierung benutzt werden, die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen
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und nach ihren technologischen Merkmalen in zwei Gruppen eingeteilt werden: Sonden- und kontaktlose Verfahren und
Geräte. Bei der ersten Gruppe werden die zur Aufnahme der Information über den zu kontrollierenden Stoff bestimmten
Fühlorgane in das Innere des den Stoff enthaltenden technologischen Behälters eingeführt und treten mit diesem Stoff
in Kontakt. Bei der zweiten Gruppe befinden sich die Pühlorgane außerhalb des Behälters und sind der Einwirkung des
zu kontrollierenden Stoffes nicht ausgesetzt.
Bekannt sind z.B ein zur ersten Gruppe gehörendes fiese
nanzverfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen nach der
JA-PS 2600/66. Bei diesem Verfahren werden im Behälter ein Ultraschallstrahler und ein Reflektor in einem bestimmten
Abstand vom Strahler angeordnet. Zwischen dem Strahler und dem fieflektor bildet sich eine stehende
Ultraschallwelle, deren Frequenz von den Eigenschaften des Stoffes abhängt, in dem sich der Ultraschallstrahler
und der Reflektor befinden. Außer dem Ultraschallstrahler und dem Reflektor gehören zur Einrichtung, die dieses Verfahren
realisiert, ein mit dem Ultraschallstrahler elektrisch verbundener breitbandiger elektrischer Generator
und ein Registriergerät, das die Frequenzänderungen bei der akustischen Selbsterregung der zwischen dem Ultraschallstrahler
und dem Reflektor liegenden Stoffschicht registriert.
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Bei der Kontrolle der Eigenschaften von zähflüssigen
Medien mit schwebenden festen Teilchen weisen aber dieses Verfahren und diese Einrichtung infolge der am Ultraschallstrahler
und Reflektor anhaftenden Teilchen eine niedrige Zuverlässigkeit und Genauigkeit auf.
Bei einem bekannten, zur ersten Gruppe gehörenden kapazitiven Verfahren und einer entsprechenden Einrichtung
(vgl. z.B. die Zeitschrift "Automatisierungsgeräte und -mittel", Moskau, 1962, Nr. 7, S. 439...440) wird im Behälter
ein aus zwei Platten (oder Stäben) mit freiem Zwischenraum bestehendes Fühlorgan angeordnet und die Kapazität
dieses Fühlorgans gemessen, die von der Dielektrizitätskonstante des den Zwischenraum füllenden Mediums abhängig
ist. Nach dem gemessenen Kapazitätswert bestimmt man die zu kontrollierenden Eigenschaften des Stoffes im
Behälter. Neben dem kapazitiven Ii'hl organ e-ithält die zur
Eealisierung dieses Verfahrens dienende Einrichtung noch ein Gerät zur Registrierung von Änderungen der Fühlerkapazität,
die sich bei Änderungen der.zu kontrollierenden Stoffeigenschaft ergeben.
Nachteilig bei diesem Verfahren und dieser Einrichtung zur Kontrolle der Stoffeigenschaften ist ihre niedrige
Zuverlässigkeit, die durch Instabilität der Dielektrizitätskonstante von Medien und Änderung des Zwischenraumes
im Fühler, d.h. seine Kapazitätsänderung infolge anhaftender Teilchen bedingt ist.
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Es ist auch ein zur ersten Gruppe gehörendes Impedanzmeßverfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Kontrolle
von Stoffeigenschaften (z.B. nach dem US-PS
3246546, Klasse 73-290) bekannt.
Bei diesem Verfahren wird die elektrische Impedanz eines im Behälter angeordneten Ultraschallstrahlers gemessen,
deren Größe sich je nach den Eigenschaften des den Strahler umschließenden Stoffes ändert. Die zur Verwirklichung
dieses Verfahrens bestimmte Einrichtung enthält einen Ultraschallstrahler, einen mit diesem Strahler
verbundenen elektrischen Schwingungsgenerator und ein Gerät zur Registrierung der elektrischen Strahlerimpedanz.
Diese Verfahren und die Einrichtung sind aber durch geringe Genauigkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften
sowie durch ungenügende Zuverlässigkeit der Kontrolle gekennzeichnet. Diese Mängel ergeben sich infolge geringer
Änderungen der elektrischen Strahlerimpedanz, die durch unterschiedliche Bedämpfung des Strahlers durch das Medium
bei Änderungen der Eigenschaften dieses Mediums hervorgerufen werden.
Ein gemeinsamer Mangel aller drei beschriebenen Verfahren
und Einrichtungen der ersten Gruppe besteht außerdem darin, daß die Fühlorgane im Inneren des Behälters
angeordnet werden müssen, uobei der technologische Prozeß für Montage, Wartung und Reparatur der Einrichtung unter-
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brochen werden muß,Außerdem sinken die Lebensdauer und die
Zuverlässigkeit solcher Einrichtungen rapide in den Fällen, wenn die Behälter chemisch aggressive Flüssigkeiten enthalten.
Von diesen Mangeln sind die Verfahren und die Einrichtungen
der erwähnten zweiten Gruppe frei.
Bekannt sind ein zur erwähnten zweiten Gruppe gehörendes Isotopenverfahren und eine entsprechende Einrichtung
zur Kontrolle von Stoffeigenschaften, z.B. der Konzentration
von wäßrigen Lösungen (beschrieben z.B. im Buch von I.W. Butassow "Automatische Meß-, Kontroll- und Regelgeräte"
, Verlag für erdöl- und erdbrennstofftechnische Literatur, Leningrad, 1958)·
Bei diesem Verfahren wird die sich bei Änderungen der Eigenschaften von Stoffen in Behältern ergebende unterschiedliche
Absorption der radioaktiven Strahlung bestimmt, die den technologischen Behälter quer zu seiner
Achse durchdringt. Die zur Realisierung dieses Verfahrens bestimmte Einrichtung enthält eine Strahlungsquelle und
einen Strahlungsempfänger, die an verschiedenen Seiten der Beh^älteraußenflache angeordnet werden, sowie ein mit
dem Empfänger verbundenes Registriergerät.
Die Mängel dieses Verfahrens und dieser Einrichtung, die zur Bestimmung von Trennflächen der Medien benutzt
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werden, bestehen in ihrer ungenügenden Genauigkeit, ihrem komplizierten Aufbau, in hohen Kosten der Einrichtung sowie
in der eventuellen Bestrahlungsgefahr für das Bedienungspersonal .
Bei einem anderen Verfahren zur Kontrolle von Eigenschaften der in Behältern befindlichen Stoffe (vgl. z.B.
das US-PS 3213438, Klasse 340-244) werden impulsförmige
akustische Schwingungen formiert, die in den zu kontrollierenden Stoff durch die Wand des diesen Stoff
enthaltenden Behälters in der Normalenrichtung zu dieser
Wand periodisch eingeführt werden. Die durch die Behälterwand eindringenden akustischen Signale werden empfangen unc
zum elektrischen Signal umgeformt, das die Information übei
die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes trägt.
Beim zuletzt beschriebenen Verfahren beurteilt man die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes nach
der Amplitude des elektrischen Signals, deren Änderungen in diesem Falle durch Unterschiede beim Durchgang der
akustischen Welle durch den im Inneren des Behälters eingeschlossenen zu kontrollierenden Stoff bedingt sind.
Es ist eine Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen z.B. nach
dem SU-Erfinderschein 207459 bekannt, die
einen an einen Impulsgenerator angeschlossenen akusti-
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sehen Wandler enthält, der unmittelbar an die Außenfläche
der Behälterwand angebracht wird und akustische Schwingung's
impulse formiert, die in den zu kontrollierenden Stoff durch die Behälterwand eingeführt und dann empfangen sowie
in elektrische Signale umgewandelt werden. Die letzteren gelangen zum Signaleingang einer Formierungsschaltung, die
ein elektrisches Signal mit der Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes liefert. Der Ausgang
dieser Schaltung ist mit dem Eingang einer Meßeinheit verbunden, die an ein Gerät zur Registrierung der Amplitude
dieses elektrischen Signals angeschlossen ist. Nach der Amplitude erkennt man die Änderungen der zu kontrollierenden
Stoffeigenschaft.
Bei der Anwendung des letzteren Verfahrens zur Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen in Behältern sowie
der zur Realisierung des Verfahrens bestimmten Einrichtung in vielen industriellen Prozessen wie bei der bergbautechnischen
Aufbereitung, bei hydrometallurgischen und mehreren chemischen Prozessen läßt sich aber die Kontrolle
nicht mit erforderlicher Genauigkeit durchführen, wobei sich bedeutende Fehler sowie ein komplizierter Aufbau der
Einrichtung und ihre hohen Kosten ergeben.
Dies ist dadurch bedingt, daß die in Frage kommenden Behälter große Querschnittsabmessungen von 8 bis 10 m
aufweisen, wobei eine starke Beugungsdispersion der
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akustischen Welle und eine starke Abschwächung ihrer Amplitude in der Empfangssone auftreten. Die Verringerung
des Beugungseffekts ist durch Vergrößerung der Strahlerabmessungen und der Frequenz der auszustrahlenden Welle möglich,
wobei dies wiederum eine große Erhöhung der Leistung des elektrischen Schwingungsgenerators mit entsprechend
komplizierterem Aufbau und mit Erhöhung der Kosten dieser Einrichtung erfordert.
Das Vorhandensein von Gasbläschen und festen Teilchen in flüssigen Medien der Behälter führt außerdem zu einer
bedeutenden Streuung der sich darin ausbreitenden akustischen Welle und zur Abschwächung der Amplitude der empfangenen
Yfelle wobei diese Abschwächung mit Vergrößerung der
Behälterabmessungen exponentiell ansteigt. Dadurch ergeben sich große Fehler, in mehreren Fällen wird die praktische
Benutzung des Verfahrens und der Einrichtung deswegen unmöglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen zu entwickeln sowie eine Einrichtung
zur Verwirklichung dieses Verfahrens zu schaffen, bei denen die Benutzung eines Behälterwandabschnitts als Quelle
der Information über die Stoffeigenschaften sowie die Ausnutzung
des zwischen der Außenfläche der Behälterwand und dem zu kontrollierenden L'iedium entstehenden akustischen
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Impulsnachhalls die Durchführung der Kontrolle von Stoffeigenschaften
mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit ermöglichen und eine Vereinfachung des Auibaus der Einrichtung
und ihrer Bedienung mit Senkung der Kosten der zu bedienenden Ausrüstung ergeben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen
Stoffen, bei dem die geformten akustischen Schwingungsimpulse in den zu kontrollierenden Stoff durch
die Wand des diesen Stoff enthaltenden Behälters in der Normalenrichtung zu dieser Wand periodisch eingeführt
werden und die durch die Behälterwand eindringenden akustischen Signale empfangen und zum elektrischen Signal umgeformt
werden, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes trägt, eriindungsgemäß
akustische Signale in Form von verschiedenpoligen Umhüllenden des zwischen der Außenfläche der Behälterwand und dem
zu kontrollierenden Stoff Entstehenden akustischen Impulsnachhalls
benutzt werden und diese Umhüllenden in der Zone der Einführung der akustischen Schwingungsimpulse empfangen
werden.
Die Formierung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden
Stoffes trägt, erfolgt zweckmäßigerweise durch Erfassung der Flache, die zwischen einer Umhüllenden des akusti-
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sehen Irapulsnachhalls und ihrem Nullpegel eingeschlossen
ist, sowie durch Ermittlung des Verhältnisses dieser Fläche zum Zeitintervall vorgenommen werden, das dem Zeitabschnitt
zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen proportional ist.
Vorteilhaft wird die L'laxima lamp litude der erwähnten Umhüllenden zusätzlich gemessen und sie mit dem Verhältnis
der durch diese Umhüllende und ihren Nullpegel begrenzten Fläche zum Zeitintervall verglichen, das dem Zeitabschnitt
zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen proportional ist.
Die Formierung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden
Stoffes beinhaltet, erfolgt auch vorteilhaft, indem man an der Vorder- und Hinterflanke einer der Umhüllenden
des akustischen Impulsnachhalls Abschnitte herauslöst, deren entsprechende Enden auf zwei gegenüber der Maximalamplitude
dieser Umhüllenden wenigstens um eine Größenordnung kleineren Aiaplituconriiveaus liegen, und indem man
das Zeitintervall zwischc . diesen Abschnitten bestimmt.
Zweckmäßig wird das untere dieser zwei Amplitudenniveaus
so eingestellt, d..„ ^3 sich proportional den Änderungen
der Maximalamplitude der erwähnten Umhüllenden des
akustischen Impulsnachhalls ändert.
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Die Formierung des die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes tragenden elektrischen
Signals wird zweckentsprechend durch die Herauslösung aus der Hinteri'lanke einer der Umhüllenden des
akustischen Impulsnachhalls eines Abschnitts, dessen Enden auf zwei gegenüber der Maximalamplitude dieser Umhüllen
den wenigstens um eine Größenordnung kleineren Amplitudenniveaus liegen, die Formierung eines dem herausgelösten
Abschnitt entsprechenden elektrischen Impulses, die Formierung elektrischen Referenzimpulses im Zeitpunkt, der
einer der Lagen des gebildeten elektrischen Impulses im Betriebsbereich der Kontrolle entspricht, und Kessung
des Zeitintervalls zwischen diesen Impulsen vorgenommen.
Die Formierung des erwähnten Eeferenzimpulses wird zweckmäßigerweise mit zeitlicher Verzögerung durchgeführt,
die der Änderung der Maximalamplitude der genannten Umhüllenden proportional ist.
Von Vorteil ist außerdem die Bildung des die Information
über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes tragenden elektrischen Signals,.bei der aus der Hinterflanke
einer Umhüllenden des akustischen Impulsnuchhalls
ein Abschnitt herausgelöst wird, dessen Länge ungefähr der doppelten Durchlaufzeit des akustischen Schwingungsimpulses
bei seinem Durchgang durch die Behälterwand entspricht und der von der Vorderflanke dieser Umhüllenden um einen
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Abstand entfernt ist, der wenigstens ein um eine Größenordnung längeres Vielfaches der doppelten Durchlauf zeit
des akustischen Schwingungsimpulses bei seinem Durchgang durch die Behälterwand darstellt, und bei der die Maximalamplitude der Umhüllenden im erwähnten Abschnitt ermittelt
wird.
Dabei wird auch zweckmäßig ein zusätzlicher Abschnitt der erwähnten Umhüllenden zwischen ihrem Hauptabschnitt und
der Vorderflanke herausgelöst, der von dem Hauptabschnitt dieser Umhüllenden um eine Größe entfernt ist, die ein
Vielfaches der doppelten Behälterwand-Durchlaufzeit des
akustischen Schwingungsimpulses ist, und die Maximalamplituden
der Umhüllenden im erwähnten Hauptabschnitt und Zusazabschnitt verglichen.
Die Formierung des elektrischen Signals mit der Information
über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes .wird auch vorteilhaft durch Ermittlung des Vorzeichens
des zwischen den Vorderflanken der zwei verschiedenpoligen
Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls liegenden Zeit Intervalls durchgeführt.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß in der Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von in
Behältern eingeschlossenen Stoffen mit einem an einen Impulsgenerator angeschlossenen akustischen WA
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der unmittelbar an der Außenfläche der Behälterwand angeordnet wird und akustische Schwingungsimpulse erzeugt, die
in den zu kontrollierenden Stoff durch die Behälterwand eindringen und dann empfangen und in akustische Signale umge- ·
wandelt werden, die dem Signaleingang eines Informationssignalformers
zugeführt werden, der das Signal mit der Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden
Stoffes formiert und dessen Ausgang mit dem Eingang einer Meßeinheit elektrisch verbunden ist, und die letztere an
ein Registriergerät angeschlossen ist, - erfindungsgemäß eine Reihenschaltung von Baueinheiten verwendet wird, die
eine Zeitverzögrungseinheit zur Verzögerung elektrischer Impulse enthält, deren Eingang am Ausgang des Impulsgenerators
liegt, und einen Selektorimpulsgenerator sowie einen Selektorverstärker zur Verstärkung akustischer Signale aufweist,
dessen Signaleingang mit dem akustischen Wandler verbunden ist, und diese Reihenschaltung den Empfang und
die Umwandlung akustischer Signale mit Hilfe des erwähnten akustischen Wandlers ermöglicht, wobei für die Demodulation
der Umhüllenden des zwischen der Außenfläche der Behälterwand und dem zu kontrollierenden Stoff entstehenden akustischen
Impulsnachhalls ein Hüllkurvendemodulator verwendet
wird, bei dem der Eingang an den Ausgang des Selektorverstärkers angeschlossen wird, der Ausgang mit
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dem Signaleingang des Informationssignalformers elektrisch
verbunden wird und der die Benutzung der erwähnten Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls ermöglicht.
Zweckmäßig wird der Informationssignalformer auf der
Basis eines Integrators für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls (eines Hüllkurvenintegrators) ausgeführt.
In der Einrichtung ist die Benutzung eines Spitzendetek
tors für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls zweckmäßig, dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators
des akustischen Impulsnachhalls angeschlossen wird und dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang der Meßeinheit
elektrisch verbunden wird, wobei die Meßeinheit nach einer Differentialschaltung aufgebaut wird.
Die Einrichtung kann auch einen Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls enthalten,
dessen Eingang an den Ausgang des erwähnten Hüllkurvendemodulators
des akustischen Impulsnachhalls angeschlossen wird, sowie eine Divisionseinheit für elektrische Signale
haben, bei der die Eingänge an die Ausgänge des erwähnten Spitzendetektors für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls
sowie des Hüllkurvenintegrators dieses Nachhalls und der Ausgang an den genannten Eingang der
Meßeinheit angeschlossen werden, und mit einem Referenzsignalformer ausgestattet sein, dessen Ausgang am zweiten
Eingang der Meßeinheit liugt, wobei die Meßeinheit nach
einer Differentialschaltung aufgebaut wird.
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In der Einrichtung ist dio Anwendung einer Schaltung zur Begrenzung der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls
auf zwei Amplitudenpegeln zweckmäßig, die einen elektrischen Impuls formiert, bei dem die Vorder- und die Hinterflanke
den zwei Abschnitten der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls entsprechen, deren Enden auf zwei
Amplitudenniveaus liegen, wobei der Eingang der erwähnten Begrenzerschaltung an den Ausgang des genannten Hüllkurvendemodulators
des akustischen Impulsnachhalls und der Ausgang an den Eingang des Informationssignalformers ange schlossen
werden, dessen Funktion eine Einheit zur Messung der Dauer elektrischer Impulse erfüllt.
Die Einrichtung kann auch einen Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls (einen
Hüllkurven-Spitzendetektor) zur Einstellung des unteren Amplitudenniveaus der erwähnten herausgelösten Hüllkurvenabschnitte
des akustischen Impulsnachhalls enthalten, wobei der Eingang des Spitzendetektors an den Ausgang des erwähnten
Hüllkurvendemodulators des akustischen Impulsnachhalls angeschlossen wird und der Ausgang mit dem gesteuerten
Eingang der Schaltung zur Begrenzung der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln
elektrisch verbunden wird.
In der Einrichtung kann der Informationssignalformer
eine Schaltung zur Begrenzung der Umhüllenden des akusti-
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sehen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln zur Herauslösung
eines Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls sowie eine mit dieser
Begrenzerschaltung in Koiho geschaltete Differenzierschaltung
enthalten, die einen dem erwähnten herausgelösten Abschnitt der Hüllkurvenhinterflanke entsprechenden elektrischen
Impila formiert, wobei der Eingang der Begrenzerschaltung als Eingang des Informationssignalformers und der Ausgang
der Differenzierschaltung als Ausgang dieses Informations signalforme rs dienen, und wird eine Einheit zur zeitlichen
Verzögerung elektrischer Impulse (Zeitverzögerungs— einheit) benutzt, die zur Formierung eines elektrischen
Referenzimpulses bestimmt ist und mit ihrem Eingang an den Ausgang des erwähnten Impulsgenerators, mit ihrem Ausgang
aber an den zweiten Eingang der Meßeinheit angeschlossen wird, wobei als Meßeinheit eine Schaltungsanordnung zur
Messung von Zeitintervallen benutzt wird.
Zweckmäßig ist die Ausstattung der Einrichtung mit einem Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen
Impulsnachhalls (Hüllkurven-Spitzendetektor), dessen Eingang
an den Ausgang des erwähnten Ilüllkurvendeuiodulators angeschlossen
vdrd, sowie mit einer Einheit zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse, deren Eingang mit
dem Ausgang des Spitzendetektors elektrisch verbunden wird
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und deren Ausgang an den Steuereingang der Zeitverzügerungseinheit
angeschlossen wird.
In der Einrichtung kann der InformationssignaIfcrmer
zwecks Herauslösung eines Abschnitts der Hinterflanke einer Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls eine Reihenschaltung
enthalten, die eine zweite Zeitverzögerungseinheit zur Verzögerung elektrischer Impulse, einen zweiten
Selekt/orimpulsgenerator und einen SelektxOrverstärker zur
Verstärkung der Amplitude der erwähnten Umhüllenden umfaßt,
und kann mit einem Spitzendetektor für den herausgelösten Abschnitt der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls
ausgestattet sein, dessen Eingang an den Ausgang des Selektroverstärkers
angeschlossen wird, wobei der Eingang der zweiten Zeitverzögerungseinheit mit dem Ausgang des
Impulsgenerators verbunden wird und als Steuereingang des InformationssignaIfonners dient, bei dem der Signaleingang
durch den Signaleingang des Selektorverstärkers zur Verstärkung
der Hüllkurvenamplitude des akustischen Irapulsnachhalls
und der Ausgang durch den Ausgang des Spitzendetektors gebildet werden.
Zweckmäßig ist die Ausstattung der Einrichtung mit einer Reihenschaltung, die eine dritte Zeitverzögerungseinheit
zur Verzögerung elektrischer Impulse, einen dritten Selektorimpulsgenerator, einen zweiten Selektorverstärker
zur Verstärkung der Hüllkurvenamplitude des akustischen
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Inipulsnachhalls zwecks Ii,.-'auslösung eines zusätzlichen
Abschnitts der Hinterflc:.V.:e der erwähnten Umhüllenden
umfaßt, der zwischen dem genannten Hauptabschnitt der Umhüllenden
und ihrer Vorderflanlce liegt, sowie einen zweiten
Spitzendetektor für den herausgelösten zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls
enthält, wobei der Eingang der dritten Zeitverzügerungseinheit an den Ausgang des Impulsgenerators geschaltet ist,
der Signaleingang des zweiten Selektroverstärkers am Ausgant
des Hüllkurvendemodulators liegt und der Ausgang des zweiten
Spitzendetektors mit dem zweiten Eingang der nach der
Differentialschaltung aufgebauten Meßeinheit verbunden ist.
Die Einrichtung kann auch eine Reihenschaltung von Bausteinen enthalten, <ti· eine dritte Zeitverzögerungseinheit
zur Verzögerung elektrischer Impulse, einen dritten Selektorimpulsgenirator, einen zweiten Selektorverstärker
für die Hüllkurv.aamplitude des akustischen Impulsnachhalls
umfaßt, der zur Heraualb'sung eines zwischen den erwähnten
Hauptabschnitt ior Umhüllenden u. 1 ihrer Hinterflanke liegenden
zusätzlichen Abschnitts aiM der Hinterflanke dieser
Umhüllenden bestimmt ist, sowie inen zweiten Spitzendetektor
für den aerauegelösten zusatz leben HUllkurvenabachnitt
des akustik nen Impulsnachhalle t ..'weist, wobei der Hingang
der dritten Zeitverzögerungseinbeit an den Ausgang de* Impulsgenerators
und der SignaIeingang des aweiten Selektoiverstärkers
an den Ausgang des HUllkurvendeaodulators ange-
schlossen werden, und außei-dem kann die Einrichtung eine
Divisionseinheit für elektrische Signale enthalten, deren Eingänge mit den Ausgängen des ersten und des zweiten
Spitzendetektors für die erwähnten herausgelösten Hüllkurvenabschnitte des akustischen Impulsnachhalls verbunden
werden und deren Ausgang an den erwähnten Eingang der Meßeinheit angeschlossen wird, sowie einen Eeferenzsignalformer
haben, dessen Ausgang an den zweiten Eingang der nach einer Differentialschaltung ausgeführten Meßeinheit geschaltet
wird.
In der Einrichtung wird zweckentsprechend ein Nonninpulsformer
als Informationssignalformer benutzt, in den die Formierung eines der Vorderflanke der Umhüllenden dos
akustischen Impulsnachhalls entsprechenden genormten elektrischen Impulses erfolgt, sowie eine Reihenschaltung von
Baueinheiten vorgesehen, die einen zweiten Hüllkurvendemodulator
für die zweite Umhüllende des akustischen Impul3nachhalls
enthält, dessen Eingang an den Ausgang des erwähnten Se lektorverstärkers geschaltet wird, sowie einen zweiten
Normimulsformer zur Formierung eines der Vorderflanke der
zweiten Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls entsprechenden genormten elektrischen Impulses aufweist,
wobei der Ausgang des zweiten Normimpulsformer3 an den zweiten Eingang der Meßeinheit angeschlossen wird, die
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hierbei als Baueinheit zur Messung der Zeitdifferenz bei
der Formierung von genci-uten elektrischen Impulsen ausgeführt
wird, die den Vorderflanken der beiden verschiedenpoligen
Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls entsprechen.
Das beschriebene Verfahren und die vorgeschlagene Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen in Behältern
ergeben gegenüber den bekannten Verfahren und Einrichtungen eine Reihe von Vorteilen.
Das Verfahren und die Einrichtung ermöglichen eine bedeutende Verringerung von Fehlern bei der Kontrolle der
Eigenschaften von Stoffen in Behältern und führen somit zur Erhöhung der Genauigkeit und der Glaubwürdigkeit der Kontrolle.
Erstens schließt dieses Verfahren bei der Kontrolle der
Eigenschaften von in Behältern befindlichen Stoffen vollkommen die Fehler aus, die durch die Beugungsdispersion der
akustischen Welle in den zu kontrollierenden Stoffen in Behältern
hervorgerufen werden, da die Registrierung der sich in diesen Stoffen fortpflanzenden Welle entfällt. Bei den
akustischen Schwingungen aber, die sich in der Behälterwand fortpflanzen und gemäß der Erfindung registriert werden,
tritt der Beugungseffekt bedeutend schwächer in Erscheinung und übt praktisch keinen Sinfluß auf die Genauigkeit der
Kontrolle aus.
Τ0ΙΘ43/0···
Zweitens beseitigt das Vorgeschlagene Verfahren vollkommen die Fehler, die sich durch starke Dämpfung der akustischen
Welle in den zu kontrollierenden Stoffen ergeben. Dies wird dadurch erreicht, daß bei diesem Verfahren als
akustisches Signal für die Beurteilung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls
benutzt wird, der zwischen der Außenfläche der Behälterwand und dem zu kontrollierenden Stoff entsteht,
wobei die Kennwerte dieser Umhüllenden von der Dispersion der akustischen Welle in den in Behältern eingeschlossenen
Stoffen, z.B. in flüssigen Lösungen unabhängig sind.
Der Aufbau der zur Realisierung des vorgeschlagenen Verfahrens bestimmten Einrichtung wird wesentlich vereinfacht
, da sich die Möglichkeit ergibt, einen kleineren akustischen Wandler zu verwenden, die Leistung des elektrischen
Schwingungsgenerators bedeutend herabzusetzen und akustische Schwingungen mit Hilfe desselben akustischen
Wandlers zu empfangen. Dies wird dadurch möglich, daß die Notwendigkeit entfällt, die Leistung der akustischen Welle
für ihren Durchgang von großen industriellen Behältern stark zu erhöhen, wie dies bei den bekannten Einrichtungen der
Fall ist. Dieser Vorteil ergibt sich auch daraus, daß der Empfang der akustischen Signale mit dem gleichen zur Erzeugung
von akustischen Schwingungen bestimmten akustischen Wandler und in der gleichen Zone erfolgt, in der die
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akustischen Impulsschwingungen in die Wand des Behälters mit dem zu kontrollierenden Stoff eingeführt werden.
Weitere Ziele und Vorteile des Verfahrens zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen
Stoffen und der zur Verwirklichung dieses Verfahrens bestimmten Einrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen und aus den beigefügter Zeichnungen. Hierbei zeigen
Fig. 1 die vorgeschlagene Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen
gemäß der Erfindung;
Fig. 2 Diagramme at b, c, d, e, in denen auf der Abszissenachse
die Zeit und auf der Ordinatenachse die Amplituden des vom Impulsgenerator erzeugten elektrischen
Schwingungsimpulses, der Selektorimpulse, der Umhüllenden
des akustischen Impulsnachhalls und des elektrischen Informationssignals abgetragen sind;
Fig· 3 die Einrichtung nach Fig. 1 mit einem Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls
in der elektrischen Schaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 4 die Einrichtung nach Fig. 1 mit einem Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls,
einer Divisionseinheit für elektrische Signale und einem ReferenzslenaIformer in der elektrischen Schaltung der
Einrichtung, gemäß der Erfindung;
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Fig. 5 die Einrichtung nach Fig. 1 mit einer Begrenzerschaltung
zur Begrenzung der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln, einem
Informationssignalformer und einem Referenzsignalformer in der elektrischen Schaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 6 die Einrichtung nach Fig. 5 mit einem Spitzendetektor
für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls zur Steuerung des unteren Amplitudenpegels in der erwähnten
Hüllkurven-Begrenzerschaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 7 die Einrichtung nach Fig. 1 mit der Hüllkurven-Begrenzerschaltung
zur Begrenzung der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls, mit einer Differenzierschaltung,
einer Zeitverzögerungseinheit zur Verzögerung elektrischer Impulse und einer Zeitintervall-Meßschaltung in der elektrischer
Schaltung der Einrichtung, gemäß der Erfindung.
Fig. 8 die Einrichtung nach Fig. 7 mit dem Spitzendetektor
für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls und einer Einheit zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung
elektrischer Impulse in der elektrischen Schaltung der Einrichtung, gemäß der Erfindung;
Fig. 9 die Einrichtung nach Fig. 1 mit elektronischem
Kanal zur Herauslösung eines Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls und
einem Spitzendetektor für diesen Abschnitt im Informationssigna If ormer der elektrischen Schaltung der Einrichtung,
gemäß der Erfindung;
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Fig. 10 die Einrichtung nach Fig. 9 mit einem zusätzlichen elektronischen Kanal zur Herauslösung eines zweiten Abschnitts
aus der Hinterflanke der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalle, mit einem Detektor für diesen Abschnitt
und einem Differential-Meßkanal in der elektrischen Schaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung;
Fig. 11 die Einrichtung nach Fig. 9 niit dem zusätzlichen
elektronischen Kanal zur Herauslösung des zweiten Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden des akustischen
Impulsnachhalls, mit dem Spitzendetektor für diesen Abschnitt, der Divisionseinheit für elektrische Signale und .
dem Differential-Meßkanal in der elektrischen Schaltung der Einrichtung, gemäß der Erfindung;
Fig. 12 die Einrichtung nach Fig. 1 mit zwei Normimpuls formern zur Formierung genormter elektrischer Impulse aus
den Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls und mit einer Baueinheit zur Messung der Zeitdifferenz bei der Formierung
von genormten elektrischen Impulsen in der elektrischen Schaltung der Einrichtung, gemäß der Erfindung;
Fig. 13 Diagramme a, b, c, d, e, f, in denen auf der
Abszissenachse die Zeit und auf der Ordinatenachse die Amplituden des vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungsimpulses,
der Umhüllenden des akustischen Impulenachhalls mit zwei Amplituden-Begrenzungsniveaus, eines beiderseitig
begrenzten Impulses, eines Signals am Ausgang dee
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Spitzendetektors für diese Umhüllende, des Informationssignals
und des registrierten Signals abgetragen sind;
Fig. 14 Diagramme a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k
mit dem vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungsimpuls, der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls
mit zwei Amplituden-Begrenzungsniveaus, dem beiderseitig begrenzten Impuls, den in der Differenzierschaltung entstehenden
Spannungs-Nadelimpulsen, dem Ausgangsimpuls der
Diriorunziorochaltun^, dom oi^nul um Auußan^; dou Upltzondotektors,
dem Impuls mit vorgegebener Dauer, den Spannungs- -Nadelimpulsen, die in der Differenzierschaltung formiert
werden, dem elektrischen Referenzimpuls, dem die Information tragenden Impuls und dem elektrischen Informationssignal;
Fig. 15 Diagramme a, b, c, d, e, f, g, h, i mit dem
vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungsimpuls, der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls, dem ersten
Selektorimpuls, einem Impuls, der dem ersten herausgelösten
Abschnitt der Hinterflanke der erwähnten Umhüllenden entspricht, dem elektrischen Informationssignals am Ausgang
des Spitzendetektors, dem elektrischen Referenzsignal mit der Amplitude, die der MaximalampIitude der Umhüllenden
proportional ist, dem zweiten Selektorimpuls, dem Impuls, der dem zweiten herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke
der Umhüllenden entspricht, der Gleichspannung am Ausgang des Spitzendetektors;
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Fig. 16 Diagramme a, b, c, d, e, f, g mit dom vom Generator
erzeugten elektrischen Schwingungsimpuls, der ersten Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls und dem dieser
Umhüllenden entsprechenden genormten elektrischen Impuls, der zweiten Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls und
dem dieser Hüllkurve entsprechenden genormten elektrischen Impuls und den Rechteckimpulsen, deren Dauer durch die
Zeitdifferenz bei der Formierung von genormten Impulsen bestimmt wird.
Die vorgeschlagene Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen enthält ·
einen an den Impulsgenerator 1 angeschlossenen akustischen Wandler 2 (Fig. 1), der unmittelbar an der Außenfläche der
Behälterwand 3 angeordnet ist.
In der Ausführungsvariante der Einrichtung, die nachstehend
beschrieben wird, dient als akustischer Wandler ein piezoelektrischer Wandler (vgl. z.B. das USA-Patent
Nr. 2931233). Der Impulsgenerator 1 ist nach einer Stoßerregung
sschaltung aufgebaut, die z.B. im Buch von N.I. Brashnikow
"Ultraschallverfahren", Moskau, Verlag "Energie", 1965, S. 146...149 beschrieben ist.
Unter Einwirkung der vom Generator 1 erzeugten elektrischen Schwingungsimpulse 4 formiert der akustische Wandler
2 akustische Schwingungsimpulse 5» die in den zu kontrollierenden Stoff 6 durch die Behälterwand 3 eingeführt und dann
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empfangen und in akustische Signale 7» 8 umgewandelt
werden.
Zur näheren Erläuterung des vorgeschlagenen Verfahrens der Kontrolle von Eigenschaften der in Behältern eingeschlossenen
Stoffe sind in Fig. 2 Zeitdiagramme a, b, c, d, e dargestellt.
Das Diagramm "a" (Fig. 2) mit der auf der Ordinatenachse
abgetragenen Amplitude des elektrischen Schwingungsimpulses 4 zeigt das durch mehrfache Reflexion der akustischen
Schwingungsimpulse 9 (Fig. 1) bedingte Signal 7· Infolge der mehrfach reflektierten akustischen Schwingungsimpulse 9 (Fig. 1) entsteht zwischen der Außenfläche der
Behälterwand 3 und dem zu kontrollierenden Medium 6 der
akustische Impulsnachhall. Das Signal 8 (Fig. 2) ist durch den von der gegenüberliegenden Seite der Innenfläche der
Behälterwand 3 reflektierten akustischen Schwingungsimpuls 10 bedingt, welcher den zu kontrollierenden Stoff 7 zweimal
durchläuft. Die erwähnten Signale 7 und 8 liegen im zeitlichen Abstand T (Fig. 2, Diagramm "a") bzw. T-*T1 vom Beginn
der Einführung des akustischen Schwingungsimpulses 5 in die
Wand 3.
In der Einrichtung ist eine Reihenschaltung 11 (Fig. 1
vorgesehen, die im allgemeinen zum Empfang und zur Umwandlung der akustischen Signale 7 bestimmt ist, in denen die
Information über den zu kontrollierenden Stoff 6 enthalten
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to
ist. Lie Reihenschaltung 11 enthält eine Zeitverzögerungseinheit
12 zur zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse um die Zeit i-^- L (Fig. 2, Diagramm "b") , deren Eingang
am Ausgang des Impulsgenerators 1 (Fig. 1) liegt, einen Selektorimpulsgenerator 13, dessen Selektorimpulse 14 die
Dauer T-} £ M 1TK, haben (Fig. 2, Diagramm "b" mit der auf
der Ordinatenachse abgetragenen Amplitude des Impulses 14) sowie einen Selektorverstärker 15 (Fig. 1) für akustische
Signale, dessen Signaleingang an den akustischen Wandler 2 angeschlossen ist. Bei dieser schaltungstechnischen
Lösung gewährleistet die Reihenschaltung 11 die Trennung der akustischen Signale 7 vom akustischen Signal
8 und von den Impulsen 4 des Generators 1.
In der betreffenden AusführungsVariante der Erfindung
ist dem Selektorimpulsgenerator die Schaltung eines Rechteckimpulsformers und dem Selektorverstärker eine bekannte
Schaltung (z.B. nach dem Buch von N.I. Brashnikow "Ultraschall-Phasenmessung",
Moskau, Verlag "Energie", 1968, S. 163...164, Bild 4, 5) zugrunde gelegt.
Die Einrichtung enthält auch einen Hüllkurvendemodulator
16 für eine der Umhüllenden 1? oder 18 des akustischen Impulsnachhalls (Fig. 2, Diagramm "c" bzw. "d", auf deren
Ordinatenachsen die Amplituden dieser Umhüllenden 17 bzw.
18 abgetragen sind). Der Eingang des Hüllkurvendemodulators 16 ist an den Ausgang des Selektorverstärkers 15 angeschlos-
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sen, während sein Ausgang am Signaleingang des Informationssigna If ormers 19 liegt, der das elektrische Informationssignal
20 liefert. Der Hüllkurvendemodulator ermöglicht die Benutzung der erwähnten Umhüllenden 17 oder 18
als akustisches Signal.
Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung nur eine der Umhüllenden, und zwar die Umhüllende 17
des akustischen Impulsnachhalls benutzt. In der betreffenden Ausführungsvariante der Einrichtung ist der Hüllkurvendemodulator
16 als Dioden-Demodulatorschaltung aufgebaut (vgl. z.B. das Buch von N.I. Brashnikow "Ultraschall-Phasenmessung",
Moskau, Verlag "Energie", 1968, S. 179, Bild 4.10).
Die Formierung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes
trägt, erfolgt auf verschiedene Weise.
Einer der Wege hierzu ist die Bestimmung der Fläche,
die durch eine der Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls und den Nullpegel dieser Umhüllenden begrenzt ibt,
und dann die Ermittlung des Verhältnisses dieser Fläche zum Zeitintervall, das dem Zeitabschnitt T (Fig. 2, Diagramm
"a") zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist. Hierbei
wird der Signalformer I9 für das elektrische Informationssignal 20 (Fig. 2, Diagramm "e" mit der auf der Ordinatenachse
abgetragenen Amplitude des Signals 20) als Hüllkur-
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venintegrator 21 (Fig. 1) für die Umhüllende 17 des akustischen
Impulsnachhalls ausgeführt, dessen Eingang mit Hilfe < des Emitterfolgers 22 mit dem Ausgang des Hüllkurvendemodulators
16 für diese Umhüllende 17 elektrisch verbunden wird und dessen Ausgang an den Eingang der Meßeinheit 23 göschaltet
wird, die ihrerseits an ein Registriergerät 24 angeschlossen ist.
In der vorliegenden Ausführungsvariante der Einrichtung
ist der Integrator 21 nach einer bekannten resistiv- -kapazitiven Schaltung aufgebaut (vgl. z.B. das franzüsischc
Patent Nr. 2087703, Fig. 1).
Je nach der gewünschten Form der Information über den zu kontrollierenden Stoff kann das Registriergerät 24 als
Digitalzähler, Schreiber oder Relais ausgeführt werden. In dieser Ausführungsvariante wird ein bekanntes Schreibgerät
(vgl. z.B. das USA-Patent Nr. 3345861) benutzt, und der Meßeinheit 23 liegt eine Schaltung zugrunde, die das Informationssignal
in eine Gleichspannung mit größerer Amplitude umsetzt.
Zur Verringerung der Fehler, die bei der Kontrolle der Stoffeigenschaften infolge der Instabilität der Amplitude
des durch die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungimpulses 5 entstehen, mißt man zusätzlich die
Maximalamplitude U (Fig. 2, Diagramm "c") der Umhüllenden
17 des akustischen Impulsnachhalls und vergleicht man diese
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♦J
Amplitude mit dem Verhältnis der durch die Umhüllende 17 und ihren Nullpegel begrenzten Fläche zum Zeitintervall,
das dem Zoitabsohnitt T (Diagramm "a") awl3Chen zwei
nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen
5 (Fig. 1) proportional ist. Zu diesem Zweck ist in der Einrichtung ein Spitzendetektor 25 (Fig. 3) für die Umhüllende
17 des akustischen Impulsnachhalls vorgesehen, der ein der Maximalamplitude U dieser Umhüllenden 17 spannungsmäßig
entsprechendes elektrisches Signal 26 formiert. In der vorliegenden Ausführungsvariante der Einrichtung ist
der Spitzendetektor 25 nach einer bekannten resistiv-kapazitiven
Schaltung aufgebaut (vgl. z.B. das Buch von N.I. Brashnikow "Ultraschall-Phasenmessung", Moskau, Verlag
"Energia", 1968, S. 17...19» Bild 2,4).
Der Eingang dieses Spitzendetektors 25 liegt am Ausgang
des Hullkurvendemodulators 16, während sein Ausgang mit dem zweiten Eingang der Meßeinheit 23 über einen zur Formierung
dee elektrischen Referenzsignals 28 dienenden Emitterfolger
27 mit geregeltem Ausgang elektrisch verbunden ist, wobei die Meßeinheit 23 nach einer Differentialschaltung aufgebaut
ist.
Die beschriebene Einrichtung ermöglicht die Beseitigung
der Nulldrift beim Registriergerät 24, die durch die erwähnte Instabilität der Amplitude des in die Behälterwand
3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5 hervorgerufen wird.
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Kleinere Änderungen der Empfindlichkeit der Messung von Stoffeigenschaften, die durch die erwähnte Amplitudeninstabilität
des Impulses 5 bedingt sind, erreicht man in einer anderen Variante der Einrichtung, die in der Hauptsache
dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ähnlich aufgebaut ist.
Der Unterschied liegt nur darin, daß außer dem erwähnten Spitzendetektor für die Umhüllende 17 des akustischen
Impulsnachhalls mit dem am Ausgang des Hüllkurvendemodulators
16 für diese Umhüllende 17 liegende Eingang in" der Einrichtung eine Divisionseinheit 29 (Fig. 4) für elektrische
Signale verwendet wird, deren Eingänge an die Ausgänge des Spitzendetektors 25 für die Umhüllende 17 und des
Hüllkurvenintergrators für diese Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls angeschlossen sind und deren Ausgang
am ersten Eingang der Meßeinheit 23 liegt. Die Einrichtung weist auch einen Referenzsignalformer 30 auf, dessen Ausgang
mit dem zweiten Eingang der Meßeinheit 23 verbunden ist, wobei die Meßeinheit 23 eine Differentialschaltung
darstellt.
In dieser Ausführungsvariante der Einrichtung ist die Divisionseinheit 29 nach einer bekannten Synchron-Folgeschaltung
aufgebaut (vgl. z.B. das Buch von N.I. Brashnikow •'Ultraschallverfahren", Verlag "Energia", Moskau, 1965, S.
223, 224, Bild 5.11).
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Die Formierung des die Information über die Eigenschaften
des zu kontrollierenden Stoffes tragenden elektrischen Signals kann auch vorgenommen werden, indem man aus
der Hinterflanke einer Umhüllenden (17) des akustischen Im.-pulsnachhalls
Abschnitte herauslöst, deren entsprechende Enden auf zwei gegenüber der Maximalamplitude dieser Umhül-i
lenden 17 wenigstens um eine Größenordnung kleineren Amplitudenniveaus
liegen, und indem man das Zeitintervall ^ zwischen diesen Abschnitten bestimmt.
Dieses Prinzip wird in einer anderen Variante der Einrichtung realisiert, die ähnlich der Ausführung nach Fig. 1
aufgebaut ist.
Der Unterschied dieser Variante der Einrichtung liegt nur darin, daß sie eine Schaltung 31 (Fig· 5) zur Begrenzung
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln enthält. Diese Hüllkurven-
-Begrenzerschaltung 31 formiert einen elektrischen Impuls
32 mit der Dauer £ und der Amplitude U,.. Die Vorderflanke
und die Hinterflanke dieses Impulses 32 entsprechen den
zwei Abschnitten der Umhüllenden 17 des akustischen Impulcnachhalls,
deren Enden auf den erwähnten zwei Amplitudenpegeln liegen, sowie den Zeitpunkten t,- und tp. In dieser
Variante der Einrichtung ist die Hüllkurvenbegrenzerschaltung 31 in bekannter Weise aufgebaut (vgl. z.B. das Buch
von L.M. Goldenberg "Theorie und Berechnung von halbleiter-
Mi
bestückten Impulsschaltungen", Moskau, Verlag "Swjaz",
1969, S. 170, 171, Bild 3.7).
Der Eingang der Hüllkurven-Beßrenzerschaltung 31
liegt am Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16, und ihr Ausgang ist an den Eingang des Infonnationssignalformers
19 angeschlossen, der das elektrische Informationssignal 20
formiert. Die Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 besteht in
dieser Variante der Erfindung aus in Reihe liegenden und weitgehend bekannten Schaltungsanordnungen, und zwar aus
einer Begrenzungsschaltung 33 zum Beschneiden der Umhüllen-i
den auf dem unteren Amplitudenpegel und aus einem Begrenzerverstärker 34» der die Umhüllende 17 auf dem oberen Amplitudenniveau
begrenzt. In der Funktion des erwähnten Informationssigna If orme rs 19 wird ein Baustein zur Messung der
Dauer elektrischer Impulse benutzt, der gemäß Fig. 5 au3
einem Emitterfolger 22 und einem mit diesem in Reihe liegenden
Integrator 21 besteht, dessen Ausgang als Ausgang des Informationsaignalformers I9 für das Informationssignal
20 dient.
Zur Erfassung von Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von ihrem Anfangswert wird das elektrische
Informatioassignal in der nach einer Differentialschaltunr;
aufgebauten Meßeinheit 23 fcit dem elektrischen Referenzsignal des Signalformers 30 verglichen. Die Amplitude dieses
elektrischen Referen^öi^nals stimmt mit der Amplitude des
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Informationssignals 20 überein. Das letztere entspricht der Dauer V^ des Impulses 32, die sich beim Anfangswert der zu
kontrollierenden Stoffeigenschaft einstellt.
Zu dem Zweck, die Beeinflussung der Genauigkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften durch die Instabilität der
Amplitude der in die Behälterwand 3 eingeführten akustische. Schwingungsimpulse 5 klein zu halten, wird der untere Amplitudenpegel
von den zwei erwähnten Begrenzungsniveaus der Umhüllenden 17 proportional den Änderungen der Maximalamplitude
dieser Umhüllenden verschoben. Dies wird durch die zusätzliche Ausstattung der Einrichtung mit einem Spitzendetektor
25 (Fig. 6) für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls erreicht, der zur Regelung des unteren
Amplitudenpegels der erwähnten herausgelösten Abschnitte der Umhüllenden 17 des akustischan Impulsnachhalls besti\ .
ist. Der Eingang des Spitzendetektors 25 ist an den Aus^on^
des Hüllkurvendemodulators 16 für diese Umhüllende 17 angeschlossen,
während sein Ausgang über einen Emitterfolger 27 mit dem gesteuerten Eingang der Hüllkurven-Begrenzerschaltung
31 elektrisch verbunden ist, die zur Eegrenzun^
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf zv.'tri Amplitudenniveaus dient.
Die Bildung des elektrischen Signals, das die Information
über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes trägt, kann auch dadurch erfolgen, daß man aus der H int ο r-
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flanke einer der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls
einen Abschnitt herauslöst, dessen Enden auf zwei Α?:ρ· litudenniveaus liefen, die γ/enigstens um eine Größenordnung
kleiner als die Maximalamplitude dieser Umhüllenden sind,
und einen dem herausgelösten Abschnitt entsprechenden elektrischen Impuls formiert sowie einen elektrischen Referenz-Impuls
im Zeitpunkt bildet, der einer Lage des formierten elektrischen Impulses im Arbeitsbereich der Kontrolle entspricht,
und das Zeitintervall zwischen diesen Impulsen mißt.
Dieses Prinzip wird in einer weiteren Variante der Einrichtung realisiert, die ähnlich der in Fig. 1 dargestelltes
Ausführungsvariante aufgebaut ist.
Ihr Unterschied liegt nur darin, daß der Informaticnssignalformer
die Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 (Fig. 7) zur Begrenzung der Umhüllenden 17 auf zwei Amplitudenpegöln
zwecks Herauslösung eines Abschnitts aus der Hinterflanks
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls enthalt
sowie eine mit dieser Begrenzerschaltung 31 in Reihe liegende
Differenzierschaltung 35 zur Formierung eines elektrischen Impulses 36 aufweist, der dem erwähnten herausgelösten
Abschnitt der Hinterflanke der Umhüllenden 17 entspricht und vom Beginn der Einführung des akustischen
Schwingungsimpulses 5 in die Behälterwand 3 im zeitlichen
Abstand t2 liegt. Der Eingang der Begrenzerschaltung 31 und
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der Ausgang der Differenzierschaltung 35 dienen hierbei als Eingang bzw. Ausgang des Signalformers 19» der das
elektrische Informationssignal 36 formiert. Die Einrichtung
hat in diesem Falle auch eine Zeitverzügerungseinheit 37 t
zur zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse um die Zeit % „, die zur Formierung eines elektrischen Referenzimpulses
38 bestimmt ist und mit dem Eingang am Ausgang des Impuls-Generators
1, mit dem Ausgang aber am zweiten Eingang der Meßeinheit
23 liegt. Als Meßeinheit 23 dient hierbei eine Schaltung zur Messung der Zeitintervalle T^ - T- - t * ,
die bei dieser Variante der Einrichtung auf der Basis einer T rigger schaltung aufgebaut ist (vgl. z.B. das Buch von II.I.
Brashnikow "Ultraschallverfahren", Moskau, Verlag "Energia",
1965, S. 166, 167, Bild 3.14). Die Zeitverzögerungseinheit
37 ist auf der Basis eines Impulsformars 39 für Impulse 40 mit vorgegebener Dauer aufgebaut, die gleich der erforderlichen
zeitlichen Verzögerung T^eingestellt wird. Die Zeitverzögerungseinheit
37 enthält auch eine zweite Differenzierschaltuns 41, die mit dem Impulsformer 39 in Reihe lio^t
und zur Formierung des der Hinterflanke des Impulses 40 cai,-sprechenden
elektrischen Referenzimpulses 38 bestimmt ist.
Die Verminderung des Einflusses der, Aitplitudeninstabilität
der durch die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5 auf die Genauigkeit der Kontrolle
von Stoffeigenschaften kann auch erreicht werden,
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indem man den Referenzimpuls 38 mit einer Zeitverzögerung
formiert, die der Änderung der Maximalamplitude U der erwähnten Umhüllenden 17 proportional ist.
Zu diesem Zweck verwendet man in der Einrichtung zusätzlich den für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls
vorgesehenen Spitzendetektor 25 (Fig. 8), dessen Eingang an den Ausgang des genannten Hüllkurvendemodulators
16 geschaltet ist, sowie eine Einheit 42 zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse, deren Eingang
mit dem Ausgang des Spitzendetektors 25 über einen Emitterfolger 27 elektrisch verbunden ist und deren Ausgang am gesteuerten
Eingang der ZeitVerzögerungseinheit 37 für elektrische
Impulse liegt. Als solcher Eingang dient bei Benutzung des Impulsformers 39 für Impulse 40 in der Zeitver-Zügerungseinheit
37 der gesteuerte Eingang dieses Impulsformers
39«
Die Bildung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes
beinhaltet, kann auch vorgenommen werden, indem man aus der Hinterflanke einer der Umhüllenden (17) des akustischen Iüipulsnachhalls
einen Abschnitt mit der Dauer "C herauslöst, die ungefähr der doppelten Laufzeit T des akustischen Schwin
gungsimpulses 5 durch die Behälterwand 3 entspricht, wobei
dieser Abschnitt von der Vorderflanke dieser Umhüllenden 17 um einen Abstand entfernt ist, der wenigstens ein um eine
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Größenordnung höheres Vielfaches der doppelten Durchlaufzei1
V des akustischen Schwingungsiiapulses 5 bei seinem Durchgang
durch die Behälterwand 3 darstellt, und indem man die Maximalamplitude der Umhüllenden 17 in diesem Abschnitt bestimmt.
Zu diesem Zweck wird eine Variante der Einrichtung vorgeschlagen, die der Einrichtung nach Fig. 1 im wesentlichen
ähnlich aufgebaut ist.
Ihr Unterschied liegt nur darin, daß der Informationssignalformer 19 für das Informationssignal 20 eine Reihenschaltung
43 (Fig. 9) enthält, die eine zweite Zeitverzüge- · rungseinheit 44 für elektrische Impulse, einen zweiten Selektorimpulsgenerator
45 zur Erzeugung von Selektrorimpulsen 46 und einen Selektorverstärker 47 für die Amplitude der
Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls umfaßt. Diese Reihenschaltung 43 ist zur Herauslösung eines Abschnitts
aus der Hinterflanke der Umhüllenden 17 in Form eines Einzelimpulses
48 bestimmt. Der Signalformer 19 enthält auch einen Spitzendetektor 49 für den herausgelösten Abschnitt
der Umhüllenden 17, dessen Eingang an den Ausgang des Selektorverstärkers 47 angeschlossen ist. Der Eingang der
zweiten Zeitverzögerungseinheit 44 liegt am Ausgang des Impulsgenerators 1 und dient als gesteuerter Eingang des
Informationssignalformers 19* dessen Signaleingang durch
den Signaleingang des Selektorverstärkers H7 für die Ampli-
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tude der Umhüllenden 1? des akustischen Impulsnachhalls gebildet
wird. Als Ausgang des Informationssignalformers 19 dient der Ausgang des Spitzendetektors 49·
Die Verringerung des Einflusses der Amplitudeninstabilität der in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse
5 auf die Genauigkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften
kann außerdem erreicht werden, indem man zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt der Umhüllenden 17 und
ihrer Vorderflanke einen zusätzlichen Abschnitt herauslöst, der von dem Hauptabschnitt dieser Umhüllenden 17 um eine
Größe entfernt ist, die ein Vielfaches der doppelten Behälterwand-Durchlaufzeit
T des akustischen Schwingungsimpulses
ist und indem man die Maximalamplituden der Umhüllenden 17 im erwähnten Hauptabschnitt und im Zusatzabschnitt vergleicht
Die Ausführungsvariante der Einrichtung, in der durch diese
Vorgänge die Nulldrift des Itegistriergeräts 24 bei der Amplitudeninstabilität
der in die Behälterwand 3 eingeführten Impulse 5 beseitigt wird, ist ähnlich der Variante nach Fig. 9 auf gebaut.
Ihre Besonderheit liegt aber darin, daß sie eine Reihenschaltung 50 (Fig. 10) von Baueinheiten enthält. Die !Reihenschaltung
50 umfaßt eine dritte Zeitverzögerungseinheit 51
Verzögerung elektrischer Impulse, einen dritten Selektorimpulsgenerator
52 zur Erzeugung von Selektorimpulsen 53»
sowie einen zweiten Selektorverstärker 54 für die Amplitude
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- AT-
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, in dem
die Herauslösung eines zusätzlichen Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden 17 erfolgt, wobei diesem Abschnitt
der Impuls 55 entspricht. Der zusätzliche Abschnitt liegt zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt der Umhüllenden 17 und
ihrer Vorderflanke. Zur Reihenschaltung 50 gehört auch ein
zweiter Spitzendetektor 56 für den herausgelösten zusätzlichen
Abschnitt der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls. Der Eingang der dritten Zeitverzögerungseinheit
51 ist an den Ausgang des Impulsgenerators 1 angeschlossen,
der Signaleingang des zweiten Selektorverstärkers 54 liegt
am Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 und der Ausgang des zweiten Spitzendetektors 56 ist über einen Emitterfolger 57
mit regelbarem Ausgang mit dem zweiten Eingang der Meßeinheit 23 elektrisch verbunden, die nach einer Differentialschaltung
aufgebaut ist.
Die Ausführungsvariante der Einrichtung, in der nicht nur die Nulldrift des Registriergeräts 24 beseitigt wird, sondern
auch die durch die erwähnte Instabilität der in die Behälterwand 3 eindringenden akustischen Schwingungsimpulse 5
hervorgerufenen Änderungen der Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften vermieden werden, weist zusätzlich zur
Variante nach Fig. 9 eine Reihenschaltung 50 (Fig. 11) mit folgenden Baueinheiten auf: der dritten Zeitverzögerungseinheit
51 für elektrische Impulse, dem dritten Selektorimpulsge-
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nerator 52 für Selektorimpulse 53» dem zweiten Selektorverstärker
54 für die Amplitude der Umhüllenden 17» der zur Herauslösung eines zusätzlichen Abschnitts der Hinterflanke
der Umhüllenden 17 zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt dieser Umhüllenden 17 und ihrer Vorderflanke bestimmt ist,
sowie mit dem zweiten Spitzendetektor 56 für den herausgelösten
zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls. Der Eingang der dritten Zeitverzogerungseinheit
51 ist hierbei an den Ausgang; des Impulsgenerators
1 angeschlossen, während der Signaleingang des zweiten Se lektorverstärke rs 54 ist mit dem Ausgang des Hüllkurvendemodulators
16 für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls verbunden. Diese Variante der Einrichtung enthält
auch eine Divisionseinheit 58 für elektrische Signale, bei
welcher die Eingänge mit den Ausgängen des ersten und des zweiten Spitzendetektors 49 bzw. 56 für die erwähnten Abschnitte
der Umhüllenden 17 und der Ausgang mit dem Eingang der Meßeinheit 23 verbunden sind, sowie einen Referenzsignalformer
30, der einen elektrischen Referenzsignal liefert und
mit seinem Ausgang am zweiten Eingang der Meßeinheit 23 liegt. Dabei ist die Meßeinheit 23 nach der Differentialschaltung
aufgebaut, und die Verbindung des zweiten Spitzendetektors 56 mit der Divisionseinheit 58 erfolgt über den Emitterfolger
57.
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Für eine Reihe der zu kontrollierenden Stoffe, deren akustische Impedanz nahe der akustischen Impedanzgröße der
Behälterwand 3 oder höher als diese liegt, erfolgt die Formierung des elektrischen Signals mit der Information über
die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes durch Ermittlung
des Vorzeichens des Zeitintervalls zwischen den Vorderflanken der zwei verschiedenpoligen Umhüllenden 17,
des akustischen Impulsnachhalls. Die zu diesem Zweck dienende Variante der Einrichtung ist im wesentlichen ähnlich der
Einrichtung nach Fig. 1 aufgebaut.
Ihr Unterschied liegt nur darin, daß in der Funktion des
Informationssignalformers 19 ein Normimpulsformer 59 (Fig. 12)
zur Formierung von genormten elektrischen Impulsen 60 benutzt wird, die der Vorderflanke der Umhüllenden 17 des akustischen
Impulsnachhalls entsprechen. In dieser Einrichtung ist der Normimpulsformer 59 nach der bekannten Schaltung des Formierungsverstärkers
mit einem resistiv-kapazitiven Glied am Eingang ausgeführt (vgl. z.B. das Buch von L.U. Goldenberg
"Theorie und Berechnung von halbleiterbestückten Impulsschaltungen",
Moskau, Verlag "Swjaz", 1969, S. 181...183, Bild
3.16). Außerdem enthält diese Einrichtung eine Reihenschaltung von Baueinheiten, die einen zweiten Hüllkurvendemodulator
61 für die zweite Umhüllende 18 des akustischen Impulsnachhalls einschließt, dessen Eingang an den Ausgang des
Seloktorverstärkers 15 geschaltet ist, sowie einen zweiten
709843/Ό389
Normimpulformer 62 zur Formierung eines der Vorderflanke der
zweiten Umhüllenden 18 des akustischen Impulsnachhalls entsprechenden
genormten elektrischen Impulses 63 aufweist. Dabei .ist der Ausgang des zweiten Normimpulsformers 62 an
den zweiten Eingang der Meßeinheit 23 angeschlossen, deren Funktion in diesem Falle eine Baueinheit zur Messung der
Zeitdifferenz bei der Formierung der genormten elektrischen Impulse 60 und 63 erfüllt, die den Vorderflanken der beiden
Umhüllenden 17 und 18 des akustischen Impulsnachhalls entsprechen.
Alle vorstehend beschriebenen Ausführungsvarienten der Einrichtung können mit Erfolg für die Kontrolle der Eigenschaften
von Stoffen in Behältern benutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle der Eigenschaften von in
Behältern eingeschlossenen Stoffen wird mittels der beschriebenen Ausführungsvarianten der Einrichtung wie folgt realisiert.
Mit Hilfe des akustischen Wandlers 2 (Fig. 1) werden akustische Schwingungsimpulse 5 erzeugt, die in den zu kontrollierenden
Stoff 6 durch die diesen Stoff 6 umschließende Behälterwand 3 in der Normalenrichtung zu dieser Wand 3 periodisch
eingeführt werden.
Diese Impulse 5 werden an der Grenze der Innenfläche der
Wand 3 mit dem zu kontrollierenden Stoff 6 zur Außenfläche der Wand 3 hinreflektiert, an der ebenfalls ihre Reflexion er-
7O9843/09S9
folgt. Infolge der Bildung von in der Wand 3 mehrfach reflektierten
Impulsen 9 entsteht der akustische Impulsnachhall, also das akustische Summensignal 7 (Fig. 2, Diagramm "a"),
das von demselben Wandler 2 (Fig. 1) empfangen wird. Der Zeitpunkt der Entstehung des Signals 7 liegt gegenüber dem Moment
der Einführung der akustischen Schwingungsimpulse 5 in die
Behälterwand 3 in einem zeitlichen Abstand t (Fig. 2, Diagramm
"a"), der durch die Beziehung
gegeben ist. Hierbei bedeuten
d die Dicke der Behälterwand 31
C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Schwingungen in der Behälterwand 3·
Neben dem erwähnten Signal 7 gelangt zum akustischen wandler 2 aus der Behälterwand 3 auch ein akustisches Signal
8, welches durch den an der gegenüberliegenden Seite der Innenfläche der Behälterwand 3 reflektierten akustischen Schwingungsimpuls
10 bedingt ist, der den Stoff 6 zweimal durchläuft. Die Vorderflanken der erwähnten Signale 7 und Ö liegen voneinander
in einem zeitlichen Abstand 7 (Fig. 2, Diagramm "a"),
dessen Dauer vom Querschnitt D des Behälters und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
C. der akustischen Schwingungen in dem zu kontrollierenden Stoff 6 abhängig ist:
*7" 2D
Der akustische Wandler 2 (Fig. 1) erzeugt akustische Schwingungsimpulse 5 unter Einwirkung der elektrischen Schwingungsimpulse
4, die mit der Folgeperiode T (Fig. 2, Diagramm "a") vom Impulsgenerator 1 (Flg. 1) geliefert werden.
Neben der Anlegung der erwähnten Impulse 4 des Generators 1 an den akustischen Wandler 2, werden sie zusammen mit
den Signalen 7 und 8 dem Signaleingang des Selektorverstärkers
15 zugeführt. Auf den Steuereingang dieses Selektorverstärkers 15 werden Selektorimpulse 14 (Fig. 2, Diagramm "b")
mit der Dauer £1 vom Generator 13 (Fig. 1) gegeben, der diese
ο
Impulse aus den Impulsen 4 des Generators 1 mit einer Zeitverzögerung
1T (Fig. 2, Diagramm "b") erzeugt. Die Verzögerungszeit
T„ ist länger als die Dauer des Impulses 4 (Diagramm "a"), aber kleiner als die Zeit 1V oder gleich dieser
Zeit gewählt, in der die akustischen Schwingungen zweimal die Behälterwand 3 durchlaufen. Die Dauer T des Selektorimpulses
14 ist so eingestellt, daß seine Erzeugung im Generator 13 vor dem Beginn der Einführung des akustischen Signals
8 in den akustischen Wandler 2 beendet wird. Hierbei gilt folgende Ungleichung:
r < τ + T1 - ^ (3)
Bei solcher Betriebsarteinstellung in der Reihenschaltung 11, zu der neben dem Selcktorverstarker 15 auch der Se-
709843/0989
lektoriiapulbgenerator 13 und die Zeitverzögerungseinheit 12
gehören, wird die Trennung der akustischen Signale 7 vom akustischen Signal 8 und von den Impulsen 4 des Generators 1
gewährleistet.
Vom Ausgang des Selektorverstarkers 15 gelangt das herausgelöste
Signal 7 zum Eingang des Hüllkurvendemodulators 16, der
für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls vorgesehen ist. Dieser Demodulator 16 trennt die Hüllkurven 17 oder 18
(Fig. 2, Diagramme "cM bzw. "d") des akustischen Signals 7»
welche die Umhüllenden des zwischen der Außenfläche der Wand 2 (Fig. 1) und dem zu kontrollierenden Stoff 6 im Behälter entstehenden
akustischen Impulsnachhalls darstellen. In den vorgeschlagenen und in Fig. 1, 3···11 gezeigten Ausführungsvarianten
der Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen
Stoffen wird eine der Umhüllenden, und zwar die Umhüllende 17 (Fig. 2, Diagramm "c") des akustischen Impulsnachhalls benutzt.
Die Umhüllende 17 des in der Zone des akustischen Wandlers 2 zwischen der Außenfläche der Behälterwand 3 und dem
Stoff 6 im Behälter entstehenden akustischen Impulsnachhalls
trägt die Information über die Eigenschaften dieses Stoffes 6.
Als Beispiel soll hier eine der Stoffeigenschaften - die
Konzentration q einer binären Lösung von flüssigen Medien
oder eine Lösung von Feststoff in Flüssigkeit betrachtet werden. Wie z.B. aus dem Buch von N.I. Brashnikow "Ultraschall-
7098A 3/09Θ9
verfahren", Moskau, Verlag "Energia", 1965, S. 56...73 bekannt
ist, sind die Fortpflanzungsgeschwindigkeit C, der akustischen Schwingungen in einer flüssigen Lösung und die
Konzentration q dieser Lösung durch funktionale Abhängigkeit verknüpft, die in allgemeiner Form wie folßt geschrieben wird:
Gleichzeitig weisen die Konzentration q der Lösung und ihre Dichte ß. in den meisten Fällen die direkt proportionale
Abhängigkeit auf:
Hierbei ist Ry. die Dichte des Lösungsmittels.
Somit besteht zwischen der akustischen Impedanz z,- der
flüssigen Lösung, die gleich P^C. ist, und der Konzentration
q dieser Losung die Abhängigkeit:
Z1 =
In einem für die industrielle Kontrolle von Stoffeigenschaften
ausreichend breiten Bereich der Konzentrationswerte q vieler flüssigen Lösungen weist die Abhängigkeit (6) der
akustischen Impedanz z^ von der Konzentration q einen hinreichend
linearen Verlauf auf:
21 s Vl(1 + k2q)
709ΘΑ3/0ΘΘΘ
Dabei ist z^ die akustische Impedanz des Lösungsmittels.
Die Werte des Koeffizienten kp der proportionalen Abhängigkeit
der Impedanz z^. von der Konzentration q (in g/D
sind für mehrere wäßrige Lösungen (mit
—1 \
sec Jin der Tabelle 1 aufgeführt.
sec Jin der Tabelle 1 aufgeführt.
C.
_
= 1,48*1Cr g.cm
Wäßrige Aluminium- Magnesium- Zinksulfat- Kaliumchlorid-Lösungen:
sulfat-Lö- sulfat-Lö- Lösung Lösung sung sung
°»00°5/l 0,00061
0,00039 0,00037
V/aßrige | Natrium | Kalium- | Lithiuinhyd- | Natiiumhydro |
Lösungen | chlorid | hydro- | rooxid | oxid |
von: | oxid |
0,00069 0,00011
0,00025 0,00017
Wäßrige
Lösungen
Ammoniak Salpeter- Schwefel- Salzsäure säure säure
k2[g~1.l] 0,00005 0,00007 -0,00007 0,00035
709843/0989
Die Abhängigkeit der Maximalamplitude U der Umhüllenden
(Fig· 2, Diagramm Mc") vom Verhältnis der akustischen Impedanzwerte
z* und ζ = Pc der flüssigen Lösung bzw. der Behälterwand
3 ist durch die Beziehung
)(I+ f)
(8)
gegeben. Hierbei sind
B die Maximalamplitude des in die Behälterwand 3 eingeführten
akustischen Schwingungsimpulses 5; k~ ein Koeffizient, in dem der Einfluß der zwischen der
Behälterwand 3 (Fig. 1) und dem akustischen Wandler 2 liegenden Kontaktschicht auf den Übergang der an der
Innenfläche der Behälterwand 3 reflektierten akustischen Schwingungsimpulse 9 in diesen 'Wandler 2 sowie
die Eigenschaften des akustischen Wandlers 2 beim Empfang berücksichtigt werden;
t ein Koeeffizient (kleiner als Eins), in dem die Abschwächung
des akustischen Schwingungsimpulses 5 beim zweimaligen Durchgang der Behälterwand 3 berücksichtigt
wird.
Die im Diagramm "c" (Fig. 2) mit Strichlinie gezeigte Maxixalamplitude
U. der Umhüllenden I7 des akustischen Impulsnachhalls
wird in jeder Periode T der eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5 mit der Zeit t kleiner. Diese Abnahme
wird mit ausreichendem Approximationsgrad durch folgende Beziehung beschrieben:
709843/098Θ
Hier bedeuten:
B den Reflexionsfaktor bei der Reflexion des akustischen
Schwingungsimpulses 9 an der Grenze der Innenfläche der Behälterwand 3 mit dem akustischen Wandler 2;
£, die Dauer der Vorderflanke der Umhüllenden 17 des akustischen
Impulsnachhalls.
Die angeführte Beziehung gilt für die Zeit t, die der Ungleichung
T* T' ^ +
< t + T^
(10)
entspricht.
Die Zeit t = T-* T entspricht dem Maximum U der Umhüllenden
17 des akustischen Impulsnachhalls, da au3 den Beziehungen (8) und (9) folgt, daß bei solchem Zeitwert
ut =r-,r' = uo (11)
Da die akustische Impedanz z^ einer flüssigen Lösung nach
der Gleichung (6) eine Funktion f^io) von ^er Konzentration
q dieser Lösung ist, stellt die Amplitude U. der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls gemäß der erhaltenen Beziehung
(10) ebenfalls eine Funktion der erwähnten Konzentration q dar: v
709843/0989
(12)
Somit trägt die am Ausgang des Hullkurvendemodulators 16
(Fig. 1) erhaltene Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls
die Information über die zu kontrollierende Stoffeigenschaft, im vorliegenden Beispiel der industriellen Anwendung
des vorgeschlagenen Verfahrens und der Einrichtung zu seiner Realisierung also - die Information über die Konzentration q
der zu kontrollierenden flüssigen Lösung.
Vom Ausgang des Hullkurvendemodulators 16 gelangt die Umhüllende
17 des akustischen Impulsnachhalls zum Eingang das Informationssignalformers 19» der das Informationssignal 20
(Fig. 2, Diagramm "e") liefert und dessen elektrischer Parameter
dem Wert der zu kontrollierenden Stoifeigenschaft proportional ist. Dieses elektrische Informationssignal 20 wird
dem Eingang der Meßeinheit 23 zugeführt, in der es in das elektrische Standard signal umgewandelt wird, das dem Wert
der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft proportional ist. Das Ausgangssignal der Meßeinheit 23 wird auf das Registriergerät 24 gegeben. Je nach den Bedingungen der Kontrolle werden
ihre Ergebnisse auf zwei verschiedenen Wegen dargestellt. Erstens können die Ergebnisse der Kontrolle auf einer Skale
angezeigt werden, die in den Maßeinheiten der zu kontrollierenden
Stoffeigenschaft geeicht ist. Beispielsweise erfolgt die Anzeige bei der Kontrolle der Konzentration von flüssigen
709843/0989
Lösungen in g/l (Gramm des gelösten Stoffes pro ein Liter lösung). Wenn das Registriergerät 24 auf der Basis eines
Relais ausgeführt ist, wird das Ergebnis der Kontrolle als Vorhandensein oder Fehlen von Abweichungen der zu kontrollierenden
Stoffeigenschaft von ihrem Nennwert dargestellt.
Die Formierung des elektrischen Informationssignals aus der vom Demodulator 16 gelieferten Umhüllenden 17 des akustischen
Impulsnachhalls (Fig. 2, Diagramm "c") kann auf verschiedenen
Wegen vorgenommen werden.
Einer dieser Wege ist die Bestimmung der durch die Umhüllende 17 und ihren Nullpegel begrenzten Fläche S und dann
die Ermittlung des Verhältnisses dieser Fläche S zum Zeitintervall,
das dem Zeitabschnitt T (Diagramm "a") zwischen zwei
nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist.
Diese Fläche S wird mit praktisch ausreichender Genauigkeit für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls
durch den folgenden Ausdruck beschrieben:
-- O1SZ1II0 + I Ut dir
(13)
Es wird nun die in die Beziehungen (8) und (9) für ^ und U4. eingehende Funktion
O O
als Funktion der veränderlichen Große
709843/0989
44
zQ1 betrachtet. (15)
Diese Größe ist ihror^gits, wie dies aus der Gloichunu"
(6) folgt, die Funktion von der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft, gegebenenfalls von der Konzentration q der
flüssigen Lösung:
flüssigen Lösung:
Δ Z1 = k2zQ1q (16)
Aus den Beziehungen (14) und (15) folgt, daß
2Δ ζ
IL = Rn„(1 - ! « ) ist . (17)
IL = Rn„(1 - ! « ) ist . (17)
2
zo1
zo1
In diesem Ausdruck stellt die Größe R 1 den Wert der
Funktion R1 bei der akustischen Impedanz Z1, die gleich dem
Anfangswert zQ1 der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden
Stoffes 6 (Fig. 1) ist. Irn vorliegenden Beispiel der Kontrolle
der Konzentration q einer flüssigen Lösung ist die
Größe R01 gleich der Funktion R1 bei der akustischen Impedanz Z1, die gleich der akustischen Impedanz zß1 des Lösungsmittels ist. Hierbei ist
Größe R01 gleich der Funktion R1 bei der akustischen Impedanz Z1, die gleich der akustischen Impedanz zß1 des Lösungsmittels ist. Hierbei ist
Roi = <1 - ~ )(1 + Ψ^
709843/0989
In den meisten praktisch vorkommenden Fällen liegt die akustische Impedanz der Behälterwand 3 mehr als eine Größenordnung
höher als die akustische Impedanz Z1 des zu kontrollierenden
Stoffes 6 und ihre Abweichungen Λ ζ,.:
zQ1 << ζ und Uz1 -£<
ζ (19)
Deswegen kann die Beziehung (17) mit genügender Genauigkeit in vereinfachter Form dargestellt werden:
1= R01(1 "
Für die Kontrolle der Konzentration q von flüssigen Löungen
erhält man gemäß den Gleichungen (16) und (20):
R1 = R01(I - 2 k2q -^i- ) (21)
Die Maximalamplitude U der Umhüllenden 17 de^s akustischen
Impulsnachhalls und der jweilige Wert U. dieser Um-
XJ
nullenden 17 sind also gemäß den Beziehungen (8), (9), (14)
und (20) durch folgende Gleichungen gegeben
(22)
._ (23)
7098A3 / 0989
Das Einsetzen der Ausdrücke (22) und (23) für die liaximalamplitude
UQ der Umhüllenden 17 (Fig· 2, Diugramm "c") und
die Amplitude Ut dieser Umhüllenden 17 in die Gleichung (13)
für die durch die Umhüllende 17 und ihren Nullpegel begrenzte
Fläche S ergibt
s = 0,5'£ <5Ic3BR01(I 1- ) +
tRR01(1-2 —ί- ) J Γ dt
und nach der Integration:
S s £ Ic3BTR01(I - 2£fi_ ) χ
(25)
η ^RR01 |1 - Δζ1 ) I 2 T
Das für die Beurteilung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft dienende Verhältnis A der erwähnten Fläche S zum
Zeitintervall At, das dem Zeitabschnitt T (Fig. 2, Diagramm
"a") zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen
Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist, beträgt gemäß der Beziehung (25):
Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist, beträgt gemäß der Beziehung (25):
709843/0989
Hierbei sind k. ein konstanter Proportionalitätsfaktor und
(27)
Die vorstehend beschriebenen Operationen, und zwar die Bestimmung der durch die Umhüllende 17 (Fig. 2, Diagramm "c")
des akustischen Impulsnachhalls und ihren Nullpegel begrenzten Fläche S sowie die Ermittlung des Verhältnisses A dieser
Flache S zum Zeitintervall, das dem Zeitabschnitt T zwischen zvjei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen
•5 (Fig. 1) proportional ist, erfolgen im Informationssignalformer 19» der das elektrische Informationssignal 20 liefert. In
diesem Informationssignalforiner I9 gelangt die Umhüllende 17
des akustischen Impulsnachhalls vom Ausgang des Hüllkurvendemodulators
16 über den Emitterfolger 22 zum Eingang des Hüllkurvenintegrators 21. Im Integrator 21 wird das elektrische Inforaa
tionssignal 20 mit der Amplitude E (Fig. 2, Diagramm "e") gebildet,
die sich aus der folgenden Gleichung ergibt:
709843/0989
±. χ
+ — j ^ + fnd-2 -jjl ) _
Darin sind k,-i kg die Proportionalitätsfaktoren:
und T - —7Γ (30)
Das elektrische Informationssignal 20 wird vom Ausgang des
Hüllkurvenintegrators 21 (Fig. 1) dem Eingang der Meßeinheit 23 zugeführt. Aus dem zugeführten elektrischen Informationssignal 20 mit der Amplitude E , die dem Wert der zu kontrollierenden
Stoffeigenschaft proportional ist, formiert die Meßeinheit 23 ie nach den Bedingungen der Kontrolle das elektrische
Standardsignal in der erforderlichen Form. Dieses elektrische Standardsignal wird vom Ausgang der Meßeinheit
23 in ein Registriergerät eingegeben, welches die Ausgangsinformation
über die zu kontrollierende Stoffeigenschaft in der gewünschten Form darstellt.
709843/098·
Wenn beispielsweise die Konzentration q einer flüssigen Lösung kontrolliert wird, bildet man das Standardsignal aus
der Differenz des jeweiligen Informationssignals mit der
Amplitude E und eines Referenzsignals mit der Amplitude E . Dieses Referenzsignal wird in der Meßeinheit 23 selbst erzeugt
und größenmäßig gleich der Amplitude E des Informationssignals eingestellt, wenn der Behälter ein Lösungsmittel
mit der akustischen Impedanz von zQ/. enthält, d.h. wenn die
Konzentration q gleich Null ist und dementsprechend keine Zunahme Λ z*i der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden
Mediums vorliegt:
In dieser Gleichung stellt kQ^ die Größe des Koeffizienten
k^ bei Anfangswerten der Amplitude des akustischen Schwingun6simpulses
5 und des Koeffizienten Bq~ dar, in dem die Änderungen
der zwischen der Behälterwand 3 und dem akustischen
Wandler 2 liegenden Kontaktschicht und der V.'andlereigenschaften
ües letzteren beim Empfang berücksichtigt werden.
Im Falle einer derartigen Kontrolle der Konzentration q der flüssigen Lösung soll die Meßeinheit 23 nach einer
DifferentialschaItung aufgebaut sein. Die Größe des Standardsignals
Eu = Eoo - Eo
709843/0989
hän^t dabei von der Änderung /iz. der akustischen Impedanz des
zu kontrollierenden Mediums 6 und folglich von der Konzentration q der flüssigen Lösung ab:
= ßEee
Eu = ßk2
wobei ß der Empfindlichkeitsfaktor der Kontrolle der betreffenden Stoffeigenschaft ist.
Falls die durch Änderungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft
hervorgerufenen Abweichungen Λ z^ der akustischen
Stoffimpedanz klein sind, was meist in der Praxix der Fall ist, wird der Empfindlichkeitsfaktor ß der Kontrolle von Stoffeigenschaften
durch die Beziehung
dEy
β = _£
. y^ (35)
dE
bestimmt, in der 2Tz ^^e ers*e Ableitung von der Größe
bestimmt, in der 2Tz ^^e ers*e Ableitung von der Größe
des Standardsignals darstellt, welche die Funktion der ver-
Az1
änderlichen Größe ——— nach dieser Veränderlichen ist,
änderlichen Größe ——— nach dieser Veränderlichen ist,
Δ ζλ
Die Differentiation von Eu nach gibt die Möglichkeit, den folgenden Ausdruck für den Erapfindlichkeitsfaktor ß
der Kontrolle der betreffenden Stoffeigenschafte zu erhalten:
709843/0ΘΒΙ
β = 2
- 1
k7
T'
+ 1
(36)
Darin ist
(37)
Die Werte des Koeffizienten k,-, für mehrere Größen von oC
und (Jc^ k„ - 1) IvToC bei ^f gleich 10 sind in der Tabelle 2
aufgeführt.
0,99 0,98
0,97
0,96
k,
7 0,1
-Λ)ίτΤ\<
5
0,1051 0,1104 0,1159 0,1218
4,93 4,86 4,78 4,70
Das beschriebene Verfahren zur Kontrolle von Stoffeigenschaften kann leicht realisiert werden. Bei konstanter Amplitude
B der in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen
üchwinGungsimpulse 5» bei konstanter Kontaktschicht und konstanten
piezoelektrischen Wandlereigenschaften des akustischen Wandlers 2 beim Empfangsbetrieb ermöglicht dieses Verfahren
die Durchführung einer effektiven Kontrolle.
709843/0989
Bei einer Inkonstanz der erwähnten Parameter ändert sich die von ihnen abhängige Größe des Produkts aus dem Koeffizienten
k und der Amplitude 3 der akustischen Schwingungsimpulse 5· Dieo führt zur Nulldrift Δίγ. bei dor Measung der
zu kontrollierenden Stoffeigenschaft. Diese Nulldrift ergibt sich als Differenz des Wertes E des elektrischen Informationssignals 20 bei Δ ζ, = O und der Größe des elektrischen Referenzsignals.
Diese sich bei der Messung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft in Bezug auf den meßbaren Bereich der Stoffeigenschaft
ergebende Nulldrift beträgt:
B0 ko3 1W
Hierbei sind
α B Λ ko
—if-, —rf- relative Änderungen der Amplitude B des
—if-, —rf- relative Änderungen der Amplitude B des
üo K03
akustischen Schwingungsimpulses 5 und des Koeffizienten
k, in dem die Änderungen der zwischen der Behälterwand 3 und dem akustischen Wandler 2 liegenden Kontaktschicht sowie die Änderungen der V.'andlereigenschaften
dieses Wandlers beim Empfang berücksichtigt werden; E die Größe des Standardsignals E , die der oberen
Grenze des Meßbereichs für den zu kontrollierenden Stoff entspricht.
Die erwähnten Änderungen ^B und ^L betragen:
Die erwähnten Änderungen ^B und ^L betragen:
709843/0989
ΔΒ = B - B0, (39)
Δ*3= k3"kO3
Zur Beseitigung dieser Nulldrift AEU, die bei der Kontrolle
von Stof!eigenschaften durch die Instabilität der
Amplitude des in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5 (Flg. 1) hervorgerufen wird, mißt man
zusätzlich die Maximalamplitude UQ (Fig. 2, Diagramm "c")
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls und vergleicht sie mit dem Verhältnis A der von dieser Umhüllenden
und ihrem Nullpegel begrenzten Fläche S zum Zeitintervall, das dem Zeitabschnitt T (Diagramm "a") zwischen zwei nacheinander
in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 proportional ist.
Der zu diesem Zweck in der zweiten Ausführungsvariante
der Einrichtung vorgesehene Spitzendetektor 25 (Fig. 3) für
die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls formiert ein elektrisches Signal 26, das der Maximalamplitude U dieser
Umhüllenden 17 spannungsmäßig gleich ist. Dieses Signal gelangt zum Eingang des Emitterfolgere 27» an dessen Ausgang
das elektrische Referenzsignal 28 mit der Amplitude
Eoo * Vo
erscheint, wobei
709843/0983
Die Amplitude E des Referenzsignals folgt hierbei be
liebigen Änderungen Δ k~ und ΔB des Koeffizienten k^ bzw.
der Amplitude B dee in dio Behälterwand 3 eingeführten akus
tischen Schwingungsimpulses 5. Bei der Messung von Werten der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft wird die Nulldrift
infolgedessen beseitigt, da die Größen E und E
Δζ—*Ό
gleich sind.
Bei derartigem Ausschluß der Nulldrift ist der Empfindlichkeit sfaktor der Messung von Werten der zu kontrollierenden
Stoffeigenschaft durch die Beziehung
- 2
gegeben.
Infolge der effektiven Beseitigung der Nulldrift im
Registriergerät 24, die durch die erwähnte Instabilität des
in die Wand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5
bedingt ist, wird die beschriebene Einrichtung nach Fig. 3 vorwiegend in industriellen Prozessen benutzt, bei denen die
Registrierung von vorkommenden Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von vorgegebenem Nennwert, wie z.B.
bei Systemen zur Optimierung von technologischen Prozessen gefordert wird.
709843/0989
Sollen bei der Kontrolle nicht nur die vorkommenden Abweichungen der betreffenden Stoffeigenschaft, sondern auch
die Größen dieser Abweichungen bestimmt werden, so muß eine Korrektion von Empfindlichkeitsänderungen des Kontrollvorganges
vorgenommen werden.
Eine derartige Korektion der durch die erwähnte Amplitude ninstabilität des Impulses 5 hervorgerufenen Empfindlichkeitsänderungen
der Messung von Werten der betreffenden Stoffeigenschaft ist in einer anderen Variante der Einrichtung vorgesehen,
die in Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Ausführungsvariante gelangt das Ausgangssignal 26 des Spitzendetektors 25 zum
Eingang der Divisionseinheit 29· Die Amplitude dieses Signals 26 entspricht der Amplitude U (Fig. 2, Diagramm "c") der
Umhüllenden 1? des akustischen Impulsnachhalls. Auf den anderen Eingang der Divisionseinheib 29 (Fig. 4) wird das Informationssignal
20 mit der Amplitude E vom Ausgang des Informationssigna
If ormers 19 gegeben. Das Ausgangssignal g0—
der Divisionseinheit 29 läßt sich in seiner Größe wie folgt
darstellen:
(44)
709843/0989
Hierbei ist k„ ein konstanter Koeffizient, der sich aus den
Ausgangskennwerten der Divisionseinheit 29 ergibt.
Vom Ausgang der Diviaionseinheit 29 wird das Signal E der nach einer Differentialschaltung aufgebauten Meßeinheit
23 zugeführt, in der es mit dem vom Signalformer 30 gelieferten
Referenzsignal E verglichen wird. Dieses Referenzsignal wird vorher ainplitudenmäßig gleich dem Ausgangssignal
der Divisionseinheit 29 beim Anfangswert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft eingestellt. Die Größe des Referenzsignals
wird durch den Ausdruck beschrieben:
Eoo = -^2 ( T- + —7Γ
> <45>
00 k4T In^ 2^
Das Ausgangssignal der Meßeinheit 23 mit der Amplitude
ti
E = EQ0 - EQ ist der Änderung der akustischen Impedanz des
zu untersuchenden Stoffes 6 und dementsprechend der Kenngröße
seiner zu kontrollierenden Eigenschaft, z.B. der Konzentration q der flüssigen Lösung proportional:
Eu = ß2Eoo "Τ-
Der Empfindlichkeitsfaktor ß^ der Kontrolle der zu untersuchenden
Stoffeigenschaft ergibt sich hierbei aus dem Ausdruck:
1 dEö
B2 ■ Π— · -77
E00 d(__
E00 d(__
7098Α3/098Θ
und seine Größe beträgt bei kleinen Werten von ^z,.:
TcL K - 1
ß2 = 2 2 _., (4ö)
ß2 = 2 2 _., (4ö)
(1 + k„ -i— ) incL
t 2 f
Die Formierung des elektrischen Signals 20, das die Information
über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes 6 enthält, kann auch vorgenommen werden, indem man
aus der Vorder- und Hinterflanke einer der Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls Abschnitte herauslöst, deren
entsprechende Enden auf zwei Amplitudenniveaus liegen, die wenigstens eine Größenordnung kleiner als die Maximalamplitude
U dieser Umhüllenden sind, und indem man das Zeitintervall ^
zwischen diesen Abschnitten bestimmt.
Zur Erläuterung des in den beschriebenen Varianten der Einrichtung realisierten Verfahrens zur Kontrolle von Stoffeigenschaften
sind in Fig. 13» 14, 15 und 16 Zeitdiagramme
dargestellt.
In Fig. 13 sind in den Zeitdiagrammen a, b, c, d, e, f
auf der Ordintitenachse dio Amplituden folgender Signale abgetragen:
des elektrischen Schwingungsimpulses 4 des Generators
1, der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls mit zwei Amplitudenpegeln E^ und E^ der Begrenzung, des beiderseitig
begrenzten Impulses 32, des Signals 26 am Ausgang des Spitzendetektors
25 für die Umhüllende 17, des Informationssignals
und des registrierten Signals.
709843/0989
In Fig. 14 sind in den Zeitdiagrammen a, b, c, d, e, f,
g, h, i, j, k die Amplituden folgender Signale dargestellt:
des elektrischen Schwingung! ir.pulses 4 des Generators 1, der
Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls mit zwei Amplituden-Begrenzung sniveaus E^ und E^, des beiderseitig begrenzten
Impulses 32, der Spannungs-Nadelimpulse, die in der Differenzierschaltung 35 formiert werden, des Impulses 36 am
Ausgang der Differenzierschaltung 35, des Signals 26 am Ausgang des Spitzendetektors 25, des Impulses 40 mit vorgegebener
Dauer, der Spannungs-Nadelimpulse, die in der Differenzierschaltung
41 formiert werden, des elektrischen Referenzimpulses
38, des Inforraationsimpulses und des elektrischen
Informationssignals 20.
In Fig. 15 sind in den Zeitdiagrammen a, b, c, d, e, f,
g, h, i in entsprechender Folge die Amplituden folgender Signale gezeigt: des elektrischen Schwingungsimpulses 4 des
Generators 1, der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, des ersten Selektorimpulses 46, des Impulses 48, der
dem ersten herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke der erwähnten Umhüllenden 17 entspricht, des Informationssignals
20 am Ausgang des Spitzendotektors 49, des elektrischen Referenzsignals
mit der Amplitude E^,, die der Maximalamplitude
der Umhüllenden 17 proportional ist, des zweiten Selektorimpulses 53» des Impulses 55» der dem zweiten herausgelösten
Abschnitt der Hinterflanke der Umhüllenden 17 entspricht
709843/0989
ti
der Gleichspannungsamplitude E,- am Ausgang des für den zweiten
herausgelösten Abschnitt vorgesehenen Spitzendetektors 56.
In Piß. 16 sind in don Zcitdiagrammen a, b, c, d, o, f, g
in entsprechender Folge die Amplituden folgender Signale dargestellt: des elektrischen üchwingungsimpulses 4 des Generators
1, der ersten Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, des der Umhüllenden 17 entsprechenden elektrischen
Normimpulses 60, der zweiten Umhüllenden 18 des akustischen Impulsnachhalls, des der Umhüllenden 18 entsprechenden elektrischen
Normxmpulses 63, der Rechteckimpulse, deren Dauer durch die sich bei der Formierung der genormten Impulse 60,
63 bzv;. 60f , 63' ergebende Zeitdifferenz bestimmt wird.
Die zur Begrenzung der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls vorgesehene Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31
(Fig. 5) formiert aus dieser Umhüllenden 17 einen elektrischen Impuls 32 mit der Dauer Z (Fig. 13, Diagramm "c") und mit der
Amplitude U7.. Die Vorderflanke und die Hinterflanke des gebildeten
Impulses 32 entsprechen den zwei Abschnitten der Umhüllenden 17, deren Enden auf zwei Amplitudenniveaus E,, und
E2 (Fig. 13, Diagramm "b") liegen.
Hierbei erfolgt die Formierung der Vorderflanke dieses
Impulses im Zeitpunkt t,., com Beginn der Einführung der akustischen
Schwingungsimpulse 5 (Fig. 5) in die Behälterwand 3 gerechnet. Der Zeitpunkt t^ ergibt sich aus der Beziehung:
709843/0989
Die Formierung der Hinterflanke des erwähnten Impulses erfolgt
in ähnlich gezähltem Zeitpunkt t^:
J ■
Hierbei ist UQO = k^ RQ1 (51)
- die Maximalamplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls
beim Anfangswert zQ/. der akustischen Impedanz
des zu kontrollierenden Mediums 6 im Behälter, d.h. bei Z1 = 0.
Die Dauer 1T' - t~ - t. des erzeugten elektrischen Impulses
32 hängt von den Änderungen Azx. der akustischen Impedanz
des zu kontrollierenden Stoffes 6 und dementsprechend von den
Änderungen der Eigenschaften dieses Stoffes ab:
-1
E.
(52)
Die Änderung ^f^ der Dauer dieses Impulses, die durch Abweichungen
Δz^ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden
Stoffes 6 hervorgerufen wird und wie folgt beschrieben wird
709843/0989
(53)
beträgt*^ =
Dabei ist
die partielle Ableitung von L1. nach
und ß^ der Empfindlichkeitafaktor der Kontrolle von Stoffeigenschaften,
der sich aus dem folgenden Ausdruck ergibt:
β, =
=2-
- 2
Δ ζ- 2
(55)
Der anfängliche Einpfindlichkeitsfaktor ßQ_ der Kontrolle,
d.h. der Wert des Faktors ß-, bei geringen Abweichungen der akustischen Impedanz Z1. von ihrem Anfangswert, kann wie folgt
ausgedrückt werden:
7098A3/0989
Der Empfindlichkeitsfaktor ß., der Kontrolle der betreffenden
Stoff eigenschaft, ebenso wie sein Anfangswert ßo-ii sind
negative Größen, da die Dauer T1^ des elektrischen Impulses
32, der in der zur Begrenzung der Umhüllenden 17 vorgesehenen Begrenzerschaltung 31 (Fig. 5) geformt wird, mit Erhöhung
der akustischen Impedanz ζ^ abnimmt.
Bei den typischen Größen der Parameter
1
τ
= 0,95; ~-L- = 0,1; ^= 0,3 (57)
U £
00
betragen die genauen Werte der Empfindlichkeitsfaktoren
<■■&
ß03 = - 1829,
1829,7 O,OS (58)
- 19,502 [η (1 - 2-^L-) (u2~-Y
Der sich aus den Beziehungen (7) und (54) ergebende nachstehende
Ausdruck bestimmt den relativen Empfindlichkeitsfaktor
ß_ der Kontrolle der Konzentration von flüssigen Lösungen, welcher der Zunahme Δ'ί^ entspricht, die auf eine Einheit der
Lösungskonzentration q und auf die Zeit 1T bezogen wird, in der
die akustischen Schwingungen die Wand 3 des Behälters mit der zu kontrollierenden Lösung doppelt durchlaufen:
709843/0989
ß3q = "^ = ß3k2 "T^ ' (59)
Dio V.'orte das I'uktoro ß~ und der Änderung ^f der Dauer
des Impulses 32 am Ausgang der zur Begrenzung der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen Begrenzerschaltung
31 bei einer Änderung der Konzentration q einiger schwacher wäßriger Lösungen um 1 g/l in einem Stahlbehälter
mit der Wanddicke von d = 12 mm sind für die typischen Parameterwerte nach (57) in der Tabelle 3 aufgeführt.
Wäßrige Lo- Aluminium- Lithiumhyd- Ammoniak- Salzsäuresungen:
sulfatlö- rooxidlö- lösung lösung sung sung
0,0302 0,0148 0,00296 0,0207
0,124 0,0607 0,0121 0,0849
LJ
Vom Ausgang der Begrenzerschaltung 3I gelangt der Impuls
32 mit der Dauer T^ und der Amplitude U,. zum Informationssignalformer
19, der eine Schaltung zur Messung der Dauer
elektrischer Impulse darstellt. In der Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig. 5 liegt dieser Schaltung zur Im-
709843/0989
?4
pulsdauermessung ein Integrator 21 zugrunde. Dem Eingang
dieses Integrators 21 wird der Impuls 32 mit der Folgeperiode T (Fiß. 13» Diagramm "α") über oinon Emittorfolßor 22 (Fig. 5)
vom Ausgang der für die Umhüllende 17 des akustischen ImpulsnacE halls vorgesehenen Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 zugeführt.
Im Integrator 21 werden die elektrischen Impulse 32 in
elektrische Gleichspannung mit der Amplitude E^ (Fig. 13»
Diagramm "e") umgewandelt, die der Dauer ^ und der konstanten
Amplitude U,. proportional ist:
E « γ (60)
wobei k.Q ein Proportionalitätsfaktor ist.
Das Informationssignal 20 (Fig. 5)» dessen Amplitude E^
dem Wert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft proportional
ist, gelangt zur Meßeinheit 23. In der Meßeinheit 23
wird das Informationssignal 20 amplitudenmäßig mit dem Ausgangssignal des Referenzsignalformers 30 verglichen, wobei
die Amplitude EQ^ (Fig. 13» Diagramm "f") des in diesem Signalformer
30 erzeugten elektrischen Referenzsignals wie folgt
eingestellt wird:
wobei gemäß der Gleichung (52)
709843/0989
3Ii
L1
ι —
E1
Das Differenzsignal Eu = EQ^ - E3 wird dem Registriergerät
24 zugeführt, das die vorhandene Abweichung der betreffenden Eigenschaft des im Behälter befindlichen Stoffes
6 oder die Größe dieser Abweichung vom Anfangswert in gewünschter Form registriert.
Die beschriebene Ausführungsvariante der Einrichtung
wird bevorzugt zur Kontrolle des Zustande und der Eigenschaft von Stoffen in Systemen zur Optimierung von technologischen
Prozessen sowie zur Kontrolle der Trenngrenze von Medien (Gas - Flüssigkeit oder Flüssigkeit - Flüssigkeit) angewandt.
Eine Änderung des Anfangswertes U der Maximalamplitude
der Umhüllenden 17 bei gewissen Verhält.niswerten der Parameter des zu kontrollierenden Stoffes 6 und des in die Behälterwand
3 eindringenden akustischen Schwingungsimpulses 5 kann zur Änderung der Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften,
z.B. der Konzentration q flüssiger Lösungen führen. Das Verhältnis Q^ der Größe aß- der durch eine
709643/0989
Abweichung vom Anfangswert U der Maximalamplitude der Umhüller
den 17 hervorgerufenen relativen Änderung von ß~ zur Größe
der relativen Änderung des Maximalamplitudenwertes
U dieser Umhüllenden 17 kann durch folgenden Ausdruck dargestellt
werden
00
TU
(63)
00
in dem-
die partielle Ableitung vom Empfindlichkeits-
OO
faktor ßo der Kontrolle von Stoffeigenschaften nach dem
Anfangswert U der Maximalamplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachalls ist.
Die partielle Ableitung von ß^ nach U beträgt:
O00(I-* Af-.)
1-2 Δα^)
Bei Berücksichtigung dieser Größe nimmt der Ausdruck (62) für das Verhältnis Θ,. der relativen Änderungen des Empfindlichkeitsfaktors
ß., der Kontrolle von Stoffeigenschaften und der Größe U. die Form an:
709643/0983
1 - a„
(65)
Uoo
Hierbei ist
Az1 ,
T~ > J (66)
f U ft(1 - 2
Da bei den typischen Werten von <?( ,"^L und E/UQOi Ζ·Β.
nach (57),
E-a.4^1
und a.2^1n (0^-U ) (67)
ist, kann der Ausdruck (65) für das Verhältnis Θ,. von relativen
Änderungen des Empfindlichkeitsfaktors ß- der Kontrolle von Stoffeigenschaften und der Größe U vereinfacht werden
θ. = -1η"η( ÖL -J- ) (68)
1 U
oo
Aus diesem Ausdruck (68) folgt, daß falls das untere
Amplitudenniveau E„ für die Begrenzung der Umhüllenden 17
1 U
des akustischen Impulsnachhalls kleiner als -~ (mit e als
Basis des natürlichen Logarithmus) gewählt wird, die relative Änderung der Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften
nicht höher als die relative Änderung des An-
709843/0989
fangswertes U der Maximalamplitude der Umhüllenden 17 liegen
wird. Für die im Ausdruck (57) angegebenen typischen Werte der Parameter cL und E/U ergibt sich beispielsweise
bei fünfprozentiger Änderung der Größe UQ0 eine Änderung der
Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften um
Zur Beseitigung von Fehlern, die durch die erwähnte Änderung der Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften
infolge der Inkonstanz der Größe U hervorgerufen werden,
wird der untere Pegel der zwei Begrenzungsniveaus der Umhüllenden 17 in seiner Amplitude E^. den Änderungen der Kaximalamplitude
U der Umhüllenden 17 proportional veränderlich eingestellt. Die Einrichtung zur Kontrolle von Stoffeigenschaften
erhält dazu den Spitzendetektor 25 (Fig. 6) für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls, der zur Regelung
des unteren Amplitudenpegels der erwähnten herausgelösten Abschnitte der Umhüllenden 17 dient. Am Ausgang des Spitzendetektors
25 entsteht ein Gleichstromsignal 26 (Fig. 131 Dia-
A2M
granim "d") mit der Amplitude U Λ(1 - 2 —--=— ). Dieses Signal
26 gelangt zum Emitterfolger 27 (Fig. 6), an dessen Ausgang
man ein Steuersignal mit der Amplitude
E1 = a2 Uoo<1 - 2 "Τ1")
erhält, wobei a2 ein Proportionalitätsfaktor ist.
erhält, wobei a2 ein Proportionalitätsfaktor ist.
709843/0989
Weiterhin gelangt das Steuersignal E^ zur Begrenzungsschaltung 33» die zum Beschneiden der Umhüllenden 17 auf dem
unteren Amplitudenniveau diont, und wird in dioser Schaltung
33 zu diesem Beschneiden der Umhüllenden 17 des akustischen
Impulsnachhalls auf dem unteren Pegel benutzt. Die Dauer ^ (Fig. 13» Diagramm "c") des von der Begrenzungsschaltung 33
(Fig. 6) geformten Impulses 32 ergibt sich dabei aus dem Ausdruck:
(70)
Die Größe des in der Meßeinheit 23 erzeugten Differenzsignals
E = Eq-J - E- beträgt gemäß den Beziehungen (60) und
(61):
- k10 U/>
( T Γ Ϊ (O'W
oder mit Berücksichtigung der sich aus dem Ausdruck (70)
Tin a2 /
ergebenden Gleichung tni, = =— +"T (1 - ap):
Bei der beschriebenen Variante des Verfahrens und der entsprechenden Ausführung der Einrichtung zur Kontrolle der
709843/098«
Eigenschaften eines im Behälter befindlichen Stoffes 6 weist die Größe des Empfindlichkeitsfaktors ß^ dieser Kontrolle
keine Abhängigkeit vom Anfangswert UQO der Maximalamplitude
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf:
- 2
Die Formierung eines elektrischen Signals mit der Information
über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes kann auch durchgeführt werden, indem man aus der
Hinterflanke einer der Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls einen Abschnitt herauslöst, dessen Enden auf
zwei Amplitudenniveaus E^ und Ep (Fig. 14, Diagramm "b") liegen,
die wenigstens eine Größenordnung kleiner als die Maximalamplitude U dieser Umhüllenden 17 sind, indem man einen
dem herausgelösten Abschnitt entsprechenden elektrischen Impuls 36 (Diagramm "e") formiert, einen elektrischen Referenzimpuls
38 (Diagramm "i") im Zeitpunkt bildet, der einer
Lage des geformten elektrischen Impulses 36 im Arbeitsbereich
der Kontrolle entspricht, und indem man das Zeitintervall zwischen diesen Impulsen mißt.
Hierbei wird mit Hilfe der zur Begrenzung der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln
bestimmten Begrenzerschaltung 31 ein elektrischer
709843/0989
Impuls 32 formiert. Die Hinterflanke des Impulses 32 (Fig.
14, Diagramm "c") entspricht dem auf der Hinterflanke der erwähnten Umhüllenden 17 liegenden Abschnitt, dessen Enden
auf zwei Amplitudenniveaus E^. und E2 (Diagramm "b") liegen.
Die Formierung dieser Hinterflanke erfolgt im Zeitpunkt tp»
der sich aus der Beziehung (50) ergibt. Der geformte Impuls 32 gelangt zur Differenzierschaltung 35 (Fig. 7) und wird
nach der Differenzierung in zwei Spannungs-Nadelimpulse (Diagramm "d") umgewandelt, die der Vorderflanke und der
Hinterflanke dieses Impulses entsprechen. Aus dem hinteren Nadelimpuls wird am Ausgang der Differenzierschaltung 35 ein
Impuls 36 (Fig. 14, Diagramm "e") erzeugt, der im zeitlichen
Abstand tp vom Beginn der Einführung des akustischen
Schwingungsimpulses 5 (Fig. 7) in die Behälterwand 3 liegt. Weiterhin gelangt der Impuls 36 zum Eingang der Meßeinheit
Dabei wird dem anderen Eingang der Meßeinheit 23 ein elektrischer Referenzimpuls 38 (Fig. 14, Diagramm "i") zugeführt, der
mit einer zeitlichen Verzögerung von T1. am Ausgang der zur
Verzögerung der elektrischen Impulse des Generators 1 vorgesehenen ZeitVerzögerungseinheit 37 (Fig. 7) erzeugt wird. Auf
den Eingang des zur Zeitverzögerungseinheit 37 gehörenden Impulsformers 39 für Impulse mit vorgegebener Dauer werden
hierbei elektrische Impulse 4 des Generators 1 gegeben. Der Impulsformer 39 erzeugt Impulse 40 (Fig. 14, Diagramm "g"),
deren Dauer T^ gleich einem Wert tQ2 der Zeit t2 eingestellt
70*143/011*
wird, in der die Formierung des elektrischen Impulses 36
(Diagramm "e") im Arbeitsbereich der Kontrolle der betreffenden Eigenschaft des im Behälter befindlichen Stoffes 6 erfolgt.
Als solcher Zeitwert kann die Zeit t~ beim Anfangswert zQ*
der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes, dienen, also
f _ t _ lis-ifLlfil? + tX (74)
I5- t02. ^ + r (74)
Vom Ausgang des Impulsformers 39 (Fig· 7) gelangen die
Impulse 40 zu einer Differenzierschaltung 41. Nach der Differenzierung
jedes Impulses 40 entstehen Spannungs-Nadelimpulse (Fig. 14, Diagramm "h11), die der Vorderflanke und der Hinterflanke
des Impulses 40 entsprechen. Aus dem hinteren Nadelimpuls wird in der Differenzierschaltung 41 (Fig. 7) der Referenzimpuls
38 (Fig· 14, Diagramm "i") geformt, der in Bezug auf
den Zeitpunkt der Einführung des akustischen Schwingungsimpulses 5 (Fig· 7) in die Behälterwand 3 um die Zeit £V
verzogert ist.
Unter Einwirkung des elektrischen Impulses 36 und des
elektrischen Referenzimpulses 38, die den Eingängen der Meßeinheit
23 zugeführt werden, formiert die Meßeinheit 23 einen
elektrischen Rechteckimpuls (Fig. 1 4, Diagramm "1") mit der Amplitude U2 und mit der Dauer Tg, die dem Zeitintervall
zwischen dem elektrischen Impuls 36 und dem elektrischen Referenzimpuls 38 entspricht:
709843/0989
*02
Aus der Gleichung (75) folgt, daß die Dauer t des geformten
Rechteckimpulses eine proportionale Abhängigkeit von den Änderungen Ä;L der akustischen Impedanz des zu untersuchenden
Stoffes 6 und dementsprechend von dem Wert der zu kontrollierenden Eigenschaft dieses Stoffes aufweist. Dabei
ergibt sich der Empfindlichkeitsfaktor ßc der Kontrolle von
Stoff eigenschaften aus der Gleichung
U
B,=J ^ , 2 fn -^f- (76)
B,=J ^ , 2 fn -^f- (76)
5 T 3(-*H_) (1-2 Λΐι_)^.μ(1.2 ±11 ) ]
Nach dem Betrag unterscheidet sich der Faktor ß,- vom
Empfindlichkeitsfaktor ß^ der Kontrolle von Stoffeigenschaften
nur unbedeutend. Allgemeine Werte des letzteren für typische Größen der Parameter oL und Im/U sind im Ausdruck
(57) angegeben, und seine Werte bei der Kontrolle der Konzentration einiger Lösungen sind in der Tabelle 2 aufgeführt
Im Falle der Anwendung eines Digital&eräts in der Funktion
des Registriergeräts 24 wird der erwähnte Rechteckimpuls (Fig. 14, Diagramm 11J") unmittelbar als elektrisches
Standardsignal verwendet. Dabei liefert das Registriergerät 24 (Fig. 7) an seiner Anzeigetafel und auf einer Lochkarte
709843/0909
die digitale Information über die Dauer T^ des angekommenen
Impulses und folglich über den Wert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft, z.B. der Konzentration q.
Wird ein Registriergerät 24 mit analoger Informationsausgabe verwendet, so werden die elektrischen Rechteckimpulse
in der Meßeinheit 23 in das Glcichstrom-Standardsignal umgewandelt, dessen Spannung E^ der Dauer T- der Rechteckimpulse
proportional ist. Bei der Umwandlung mittels der Integration beträgt die Spannung E3 (Fig. 14, Diagramm MeM):
E3 = Ic11U2 -^f- (77)
Die beschriebene und in Fig. 7 dargestellte Ausführungsvariante der Einrichtung wird vorzugsweise zur Feststellung
von Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft
von ihrem Anfangswert und zur Bestimmung der Richtung (des Vorzeichens) dieser Abweichungen sowie zur diskreten Niveauangabe
bei flüssigen Medien angewandt.
Diese Variante der Einrichtung kann außerdem zur wertmäßigen
Beurteilung der Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von ihrem Anfangßwert bei geringen zeitlichen
Änderungen des Anfangswerten U der Maximalamplitude bei der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls benutzt
werden. Bei größeren Änderungen der Größe U in der Zeit und bei einigen Zusammenhängen der Parameter dieser Ein-
709843/0989
richtung kann sich bei der Messung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft eine Mulldrift ergeben. Diese Nulldrift kann
bei einer Inkonstanz der Größe tQp entstehen, die durch Änderungen
der Amplitude B u~r in die Behälterwand 3 eingeführten
akustischen Schwingungsimpulse und durch entsprechende Änderungen der Größe U hervorgerufen werden kann.
Das Verhältnis θρ der sich bei der Messung ergebenden
Nulldrift zum Bereich der kontrollierbaren Änderungen
der akustischen Impedanz bei dem zu untersuchenden Stoff pro
Einheit der relativen Änderung des Anfangswertes U der Umhüllenden
17 des akustischen Impulsnachhalls wird durch den
Ausdruck
2 fe02 3 t02
Q2- °^ ■- U°° *°° (78)
beschrieben, in dem ßQI- der Anfangswert des Empfindlichkeitsfaktors ßc der Kontrolle von Stoffeigenschaften ist;
Da gemäß der Gleichung (74)
(80)
709843/0989
ist, so führt das Einsetzen des Wertes von ßQt- aus der Glei-
Ti t chung (79) und des erhaltenen Wertes von 02 in die BeZiehung
(78) zum Ergebnis:
O2._ UfL
(81)
oo
Aus der erhaltenen Beziehung folgt, daß die Nulldrift bis zu einer vernachlässigbar kleinen Größe reduziert werden
kann, wenn der Parameter odgenügend nahe der Eins gewählt
wird. So ist die Größe G2 bei oi= 0,98 und E1AJ00 =0,1
gleich 0,00428. Hierbei führt eine relative Änderung der Größe U um 5% zu einer Nulldrift, die einer Änderung des
Verhältnisses der akustischen Impedanz z2 des zu kontrollierenden
Stoffes zur akustischen Impedanz der Behälterwand 3
—4 um eine kleine Größe von 2,14 · 10 entspricht. Z.B. im Falle der Kontrolle der Konzentration q einer wäßrigen Aluminiumsulfatlösung
liegt die Größe -^r— der Nulldrift Δ q
bei einer Änderung von U um 5% unter 0,5 ß/1.
Die praktisch vollständige Beseitigung der Kulidrift bei
der Messung von Stoffeigenschaften wird erreicht, indem man die Formierung des elektrischen Referenzimpulses 33 (Fig. 14,
Diagramm "i") mit einer Zeitverzögerung von Tx. durchführt,
die der Änderung der Maximalamplitude U der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls proportional ist.
709843/0989
Zu diesem Zweck wird im Spitzendetektor 25 (Fig. 8) aus
der vom Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 gelieferten Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls das elektrische
Gleichstromsignal 26 (Fig. 14, Diagramm "f") geformt.
Dieses elektrische Signal 26 mit der Amplitude UQ = UQO(1 -
2 ■—■— ) gelangt über den Emitterfolger 27 (Fig. 8) zum
Eingang der Einheit 42, die zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung
T,- der elektrischen Impulse dient. Das Ausgangssignal
der Einheit 42 wird dem Gesteuerten Eingang des Impulsformers 39 zugeführt. Der letztere liefert die Impulse 40,
deren Dauer 'Vx- wie folgt mit dem elektrischen Signal 26 verknüpft
ist:
(82)
Hierbei sind Τ1Γ die Gleichkomponente der zeitlichen Verzögerung
und
a., der Proportionalitätsfaktor der Zeitverzögerungsregelung.
Der in der Differenzierschaltung 41 aus dem Impuls 40 geformte elektrische Eeferonzimpuls 38 ist in Bezug auf den
Zeitpunkt der Einführung des akustischen Schwingungsimpulses 5 in die Behälterwand 3 um die Zeit verzögert, die der Dauer
T1- des Impulses 40 (Fig. 14, Diagramm "g") entspricht.
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Unter Einwirkung der auf die Eingänge der Meßeinheit (Fig. 8) gegebenen elektrischen Impulse 36 (Fig. 1 4, Diagramm
"e") und der elektrischen Refe r-enzimpulse 38 (Diagramm "i")
entsteht in der Meßeinheit 23 (Fig. 8) ein Rechteckimpuls mit
der Dauer:
τ = r, -1? = τ + a-uQ ^ — (83)
(1-2
1 J
Diese Dauer weist wie bei der vorher beschriebenen Variante der Einrichtung eine proportionale Abhängigkeit von den
Änderungen der akustischen Impedanz Δ ζ* des zu untersuchenden
Stoffes 6 und dementsprechend von den Änderungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft, z.B. der Konzentration q
der flüssigen Lösung auf.
Die Werte der Gleichkomponente Tqc- der zeitlichen Verzögerung
und des Koeffizienten a^ der proportionalen Zeitverzögerungsregelung
lassen sich durch Lösung des folgenden Gleichungssystems ermitteln:
(04)
709843/0989
Da die Größe U in gewissen Grenzen (gewöhnlich nur um
einige Prozent) veränderlich vorausgesetzt wird, benutzt man anstelle von UQ0 den Wert
entspricht. Hierbei sind
entspricht. Hierbei sind
anstelle von U den Wert U , der dem Anfangswert von U
T
a , (86)
a , (86)
3 υ^Λ
E1
O OO
Unter Berücksichtigung der erhaltenen Werte von a^, TqC
und des Wertes U von der Gleichung (22) ergibt sich die Dauer ^6 des in der Meßeinheit 23 (Fig. 8) geformten Hechteckimpulses
(Fig. 14, Diagramm 11J") gemäß der Gleichung (83)
zu
00
922
(88)
Dabei ist der Empfindlichkeitsfaktor ß. der Kontrolle von
Stoffeigenschaften durch den Ausdruck gegeben:
709843/0989
Uoo
+ PiL (S9)
Der sich beiAz^. = 0 und U = U ergebende Anfangswert
des Empfindlichkeitsfaktora ßQg beträgt:
ο / -2 , P U°°
B06 = 2 in aC- Cn (90)
B06 = 2 in aC- Cn (90)
L1
Aus diesen Beziehungen folgt, daß die Empfindlichkeit
der Kontrolle von Stoffeigenschaften in diesem Falle sich ebenfalls nur unwesentlich von der Empfindlichkeit der Kontrole
bei der vorher beschriebenen Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig. 5 unterscheidet. So ändeii; sich die
Größe de3 Empfindlichkeitsfaktors ß0-, der Kontrolle mittül3
der zuletzt beschriebenen Variante der Einrichtung bei den Parameternd= 0,95 und E1ZU00 = 0,1 von 1829,8 bis 1791,2,
d.h. nur um 2,1%.
Bei praktisch gleichbleibender Empfindlichkeit der Kontrolle wird hier eine bedeutende, mehr als um eine Größen-
709843/0989
Ordnung stärker Abschwächung der Nulldrift erreicht. Das
Verhältnis θα der Nulldrift zum Bereich — der kontrollier-
j
z
baren Änderungen der akuaticclion Impedanz dos betreffenden
Stoffes 6 pro eine Einheit der relativen Änderung des Anfangswertes U der Hüllkurvenamplitude des akustischen Impulsnachhalls
(der Umhüllenden 17) beträgt:-
Q - U ß ~ l ^6
y3 " οο^οβ L S
oo
Die partielle Ableitung nach dem Parameter U von der
Dauer 1^6 des in der Meßeinheit 23 geformten Impulses wird bei
einem der Null zustrebenden Wert von Δζ. gemäß der Gleichung
(88) wie folgt definiert:
Λ—Τ - : Γ (92)
Auf Grund der erhaltenen Beziehung (92) und des Wertes des Koeffizienten ßQ6 nach der Gleichung (90) kann deswegen
die Größe des Verhältnisses θ^ folgenderwei3O dargestellt werden:
oL U
— (1 - η22-)
τλ 0OO
14I
709843/0989
Der Vergleich der Beziehungen (81) und (93) für die Größen θρ und Θ-3 ergibt, daß die Nulldrift beim Einsatz der
Zeitverzögerung3regelung in der Ausfürungsvariante der Einrichtung
nach Fig. 8 und bei sonst gleichen Bedingungen um
(1 _ «ο )-\ (1 _ ^nüC-1 ~^-)"1 kleiner wird. Bei einer
uooo Λ1
fünfprozentigen Änderung von U wird die Nulldrift beispielsweise etwa 20 mal kleiner und stellt eine geringe Größe dar,
die keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Messung ausübt.
Die Formierung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes
trägt, kann auch dadurch erfolgen, daß aus der Hinterilanke
einer der Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls
ein Abschnitt mit der Dauer T„ (Fig. 15» Diagramm "b") herausgelöst
wird, die ungefähr der doppelten Laufzeit 'Vdes
akustischen Schwingungsimpulses 5 (FlG· 8) beim Durchlauf
der Behälterwand 3 entspricht, wobei dieser Abschnitt von der Vorderfront dieser Umhüllenden 17 in einem zeitlichen
Abstand liegt, der wenigstens eine Größenordnung langer als die Zeit L des doppelten Durchlaufs der Behalterwand 3 durch
den akustischen Schwingungsimpuls 5 ist, und daß die Maximalamplitude Uo der Umhüllenden 17 in diesem Abschnitt ermittelt
wird.
Diese Art der Formierung des elektrischen Signals mit
der Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden
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Stoffes wird in der Variante der Einrichtung realisiert, deren Blockschaltbild in Fig. 9 gezeigt ist.
In dieser Auaführuncavarianto wird quo der Ilintcrf lunko
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls mit Hilfe des durch einen Selektrorimpuls 46 (Fig. 151 Diagramm "c") gesteuerten
Selektorverstärkers 47 ein Abschnitt in Form eines einzelnen Impulses 48 (Diagramm "d") herausgelöst.
Der Selektorimpuls 46 wird vom zweiten Generator 45 (Fig.
9) erzeugt, der durch den liupuls 4 (Fig. 15i Diagramm "a")
des Generators 1 (Fig. 9) niit einer zeitlichen Verzögerung Γη
(Fig. 15i Diagramm "c") angestoßen wird, die in der zweiten
Zeitverzögerungseinheit 44 (Fig. 9) festgelegt wird. Der Wert 1Zq der Zeitverzögerung wird als Vielfaches der Zeit f eingestellt,
in der der akustische Schwingungsimpuls 5 die Behälterwand
3 zweimal durchläuft:
?8 =
Hierbei ist b^ ein Multiplizitücsfaktor, der einer vorgegebenen
ganzen Zahl entspricht.
Die Dauer'TI des Selektorimpulses 46 (Fig. 15, Diagramm
"c") wird dabei annähernd gleich der erwähnten Zeit 'T eingestellt,
in der der akustische Schwingungsimpuls 5 die Behälterwand 3 zweimal durchläuft.
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Beim Impuls 48 (Diagramm "d"), der dem herausgelösten
Abschnitt der Umhüllende: 17 des akustischen Impulsnachhalls
entcpricht, iot die Dauer gleich der Dauer 1T7 des Selektorimpulses
46 (Diagramm "c") und die Amplitude U4 der Amplitude
Ut des herausgelösten Abschnitts der erwähnten Umhüllenden 17
proportional.
Hierbei ist
(95)
wobei k^p einen Multiplizitätsfaktor bedeutet.
Die Maximalamplitud.? U, des Impulses 48, der dem herausgelösten
Abschnitt der Hinterflanke dieser Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls entspricht, weist folgende Abhängigkeit
von den Änderungen Δ ζ,, der akustischen Impedanz des zu
kontrollierenden Stoffes auf:
U4 = K12U00*V · C1-2^1.) i (96)
Der Impuls 48, dessen Amplitude U^ eine Funktion von der
betreffenden Eigenschaft des zu kontrollierenden Stoffes 6 darstellt, gelangt vom Ausgang des Selektrorverstärkers 47
(Fig. 9) zum Eingang des Gpitzendetektors 49. Dieser formiert
aus dem angekommenen Impuls 48 das elektrische Informationssignal 20 in Form einer Gleichspannung (Fig. 15, Diagramm "e")
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Die Amplitude dieser Spannung E-, entspricht der Amplitude UL
des erwähnten Impulses 48.
Vom Ausgang des SpitzendetukUors 49 (Flg. 9) wird das Informationssignal
20 der Meßeinheit 23 zugeführt, in der seine Amplitude mit der Amplitude E. (Fig. 15» Diagramm "f") des
vom Signalformer 30 gelieferton elektrischen Referenzsignal
verglichen wird. Das Differenzsignal E = E„ - E^ gelangt vom
Ausgang der Meßeinheit 23 zum Kegistriergerät 24, dessen
Anzeige die zu kontrollierende Eigenschaft des im Behälter eingeschlossenen Stoffes 6 charakterisiert.
Der Einpfindlichkeitsfaktor S>„ der Kontrolle der betreffenden
Stoffe ig enschaft ergibt sich hierbei aus dem folgenden
Ausdruck:
V— (97)
Dabei bezeichnet UQ04 die Werte von U„ bei iz, = 0 und
Berücksichtigt man, daß
(93)
und
U004 = k12U00CP^ (99)
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sind, so läßt sich die Beziehung (97) für den Faktor ß„ wie
folgt umformen:
„ = 2 b >_ (1 - 2^fL ) i (100)
' ooo
Die Anwendung der beschriebenen Ausführungsvariante der
Einrichtung ermöglich die Durchführung einer effektiven Kontrolle von Trennflächen zweier unmischbarer Flüssigkeiten sowie
eine diskrete Anzeige des Niveaus von Flüssigkeiten und die Lösung anderer technischer Aufgaben.
Die Feststellung von vorhandenen Änderungen der zu kontrollierenden
Eigenschaft des betreffenden Stoffes 6 von ihrem Anfangswert und die Messung der Größe dieser Änderungen z.B.
bei der Konzentration q von flüssigen Lösungen können mit der zuletzt beschriebenen Variante der Einrichtung ebenfalls vorgenommen
werden, wenn der Anfan^swert U der Maximalamplitude
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls konstant ist.
Eine Inkonstanz der Größe UQ0 führt bei der Messung von Werten
der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft zur Nulldrift, die
- beträgt, wobei ' die relative Änderung der Größe
u oo oo
Die durch eine Inkonstanz der Größe U z.B. infolge
einer Amplitudeninstabilität der in die Behälterwand 3 eingeführten
akustischen Gchvvingungsimpulse 5 hervorgerufene NuIl-
70980/09«·
drift der Messung der zu kontrollierenden Eigenschaft eines Stoffes 6 kann in diesem Falle vollständig beseitigt werden,
indem mua zwischen dem Hauptabschnitt der Umhüllenden 17 und
ihrer Vorderflanke einen zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 1.7 herauslöst, der vom Hauptabschnitt dieser Umhüllenden
17 in einer Entfernung liegt, die ein Vielfaches der Zeit f
des doppelten Durchlaufs der Behälterwand 3 durch den akustischen Schwingungsimpuls 5 ist, und indem man aus dem herausgelösten
zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 ein elektrisches Referenzsignal formiert.
Eine derartige Formierung des elektrischen Referenzsignals,
die bei der Messung von Werten der zu kontrollierenden
Eigenschaft des Stoffes 6 die Beseitigung der Nulldrift ermöglicht, wird in der Ausführung:^ a riant e der Einrichtung
nach Fig. 10 wie folgt realisiert.
Mit Hilfe des durch Selektorimpulse 53 gesteuerten zweiten Selektorverstärkers 54 für die Amplitude der Umhüllenden
17 des akustischen Impultmachhalls wird aus der Hinter —
flanke dieser Umhüllenden 17 ein zusätzlicher Abschnitt herausgelöst, dem ein Impuls 55 (Fig. 15» Diagramm "h") entspricht.
Dieser Abschnitt befindet sich zwischen dem im Zeitintervall T„ - (£1 + T„) liegenden Hauptabschnitt der
Umhüllenden 17 und ihrer Vorderflanke. Der Impuls 53 wird von
einem dritten Selektorinipuljgenerator 52 (Fig. 10) erzeugt,
der durch die vom Generator 1 gelieferten elektrischen Impulse
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4 angestoßen wird, welche über eine dritte Zeitverzögerungseinheit
51 zur Verzögerung der elektrischen Impulse um die Zeit 'Γ1
zugeführt werden. Dicao Vorzugorungazcib wird als Vielfaches
der Zeit ΐ eingestellt, in der die akustischen Schwingungen
die Behälterwand 3 zweimal durch/laufen:
(iod
wobei bp = 1; 2 ... ein Multiplizitätsfaktor ist.
Die Dauer T^0 des Selektorimpulses 53 (Fig· 15t Diagramm
"g") wird annähernd gleich der Zeit Γ eingestellt, in der die
akustischen Schwingungsimpulse 5 die Wand 3 des Behälters mit
dem zu kontrollierenden Stoff 6 zweimal durchlaufen.
Im herausgelösten zusätzlichen Abschnitt der Hinterflanke der Umhüllenden 17 ist die Maximalamplitude Ur (Diagramm "b")
der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls durch den
folgenden Ausdruck gegeben:
Die Amplitude Ug des Impulses 55 (Diagramm "h")» der dem
zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 entspricht, ist der Maxima lampIitude Ur dieser Umhüllende» 17 (Diagramm "b") im zu
satzlichen Abschnitt proportional:
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woboi k-^ oin Proportionalitätafaktor iot.
Der erwähnte Impuls 55 wird vom Ausgang des zweiten Selektorverstärkers
54 (Fig. 10) dem Eingang des für den herausgelösten Abschnitt der Umhüllenden 17 vorgesehenen zweiten
Spitzendetektor 56 zugeführt, in dem er in eine Gleichspannung
Ec (Fig. 15» Diagramm "i") umgewandelt wird, deren Amplitude
der Maximalamplitude U,- des Impulses 55 (Diagramm "h")
gleich ist. Die erzeugte Spannung wird zum Emitterfolger 57 (Fig. 10) übertragen, der aus dieser Spannung ein elektrisches
Heferenzsignal mit der Amplitude E„ (Fig. 15 t Diagramm
"f") formiert, die der Amplitude Ug des Impulses 55 (Diagramm
"h"J proportional ist:
"HF- } 2 (104)
wobei k^4 ein Proportionalitätsfaktor ist.
Die Proportionalitätsfaktoren k..-, k,.^ werden hierbei so
eingestellt, daß die am Ausgang der Meßeinheit 23 (Fig. 10)
erhaltene Differenz E aus dem elektrischen fieferenzsignal
(Fig. 15t Diagramm f") und dem elektrischen Informationssignal 20 (Diagramm "β") beim Anfangswert zQ^ der akustischen
Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6 (d.h. bei Uz1 =
gleich Null ist:
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Das elektrische Referenzsignal (Diagramm "f") wird also
rait der Amplitude
(106)
geformt.
Das dem Registriergerät 24 (Fig. 10) zugeführte Differenzsignal E weist folgende Abhängigkeit von den Änderungen Δ ζ,
der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6 auf:
h = k12Uoo<* L (Ι-* "Τ4 2 - <1-2~ } J (107)
Der Empfindlichkeitsfaktor ßg der Kontrolle der betreffenden
Stoffeigenschaft i3t hierbei durch die Beziehung gegeben:
ß8 = Unnyi νΔζ1 \ Λ Uooo
"M
(106)
Dank der Beseitigung der Kulldrift bei der Messung kann
die beschriebene Ausführungsvariante der Einrichtung mit Erfolg
nicht nur für die Kontrolle der Trenngrenze zwischen zwei unmischbaren Flüssigkeiten und zur diskreten Anzeige
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von Flüssigkeitsniveaus in Behältern benutzt werden, sondern auch zur Feststellung von Abweichungen der zu kontrollierenden
Stoffeißenschaft von ihrem Anfangswert sowie zur Ermittlung
der Größe dieser Abweichungen z.B. bei der Kontrolle von Abweichungen der Konzentration q flüssiger Lösungen unabhängig
von den Änderungen der Größe U verwendet werden. Hierbei wird der Einfluß von Änderungen der Bedingungen der Einführung
von akustischen Schwingungsimpulsen 5 in die Behälterwand 3
sowie der Einfluß der Amplitudenänderungen dieser Impulse auf
die erwähnten Arten der Kontrolle von Eigenschaften des betreifenden Stoffes 6 beseitigt.
Der Einfluß solcher Änderungen von Bedingungen der Einführung der Impulse 5 in die Wand 3 und . . ihrer Amplitude
auf die Empfindlichkeit der Kontrolle von Eigenschaften de5
Stoffes 6 wird bei gleichzeitigem Ausschluß der Nulldrift bei der Messung der betreffenden Stoffeigenschaft durch Teilung
von Spannungen mit den Amplituden E^ und E1- (Diagramme "e",
"i") erreicht, die aus den bei der Selektrion dos Hauptabschnitt
und des zusätzlichen Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden
17 erhaltenen Impulsen 48 und 55 (Diagramme "d",
"h") geformt werden.
In der zur Lösung dieser Aufgabe bestimmten Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig. 11 erfolgen die Herauslösung
des dem zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 entsprechenden Impulses 55 und die Formierung eines Spannungs-
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signals mit der Amplitude E1- (Fig. 15t Diagramm "i") aus die
sem Impuls, die der Amplitude U^ des Impulses 55 gleich ist,
mit Hilfe der Reihenschaltung 50 ähnlich der vorher beschrie
benen Einrichtung nach Fig. 10. Das erwähnte elektrische Signal gelangt vom Ausgang des zweiten Spitzendetektore 56
zu einem Eingang der Divisionseinheit 58, auf deren zweiten
Eingang vom Ausgang des Spitzendetektors 49 das elektrische
Informationssignal 20 (Fig. 15» Diagramm Meu) gegeben wird.
Am Ausgang der Divisionseinheit 58 (Fig. 11) erscheint das
elektrische Signal mit der Amplitude E&, die dem Quotient
von der Division der dieser Einheit 58 zugeführten elektrischen
Signale gleich ist:
E3 k12 ' k14Uooo b1~b2 χ
Eß = k Uooo ' K = "<*
6 14 ooo Ji5 k13
χ (1-2 —-!-) 1 2 (109)
k^4 ist hierbei ein Proportionalitätsfaktor.
Das elektrische Ausgangssignal der Divisionseinheit 58
gelangt zu einem Eingang der Meßeinheit 23, in der es mit
dem. vom. Referenz Signa !former 30 {Fig. 11) abgegebenen elektrischen
Heferenzsignal mit der Amplitude E^ verglichen wird*
Die Amplitude E^ des elektrischen Heferenzsignals vjixd. dabei
gleich der Amplitude des Ausgangssignals der Divisionseinheit 58 eingestellt, die dem Anfangswert zQ1 der akustischen
70*843/099*
ν* -US
Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6, also A z* = 0
entspricht:
k14 b1 "
Das Differenzsignal Eu = E^ - Eg mit der Amplitude
Vb2T Az1 Vb2"l
1 2I 1-(1-2-J-) J
(111)
gelangt vom Ausgang der Meßeinheit 23 zum Registriergerät 24,
dessen Skale in den Maßeinheiten der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft geeicht ist. Der Empfindlichkeitsfaktor
ßq der Kontrolle ergibt sich dabei aus dem Ausdruck:
Δζ, b.-b5-1
(1-2 --i ) Ί 2 (112)
(1-2 --i ) Ί 2 (112)
Bei einer Reihe von zu'kontrollerenden Stoffen, deren
akustische Impedanz annäherend gleich der akustischen Impedanz der Behälterwand 3 oder höher als diese Impedanz ist,
wird das elektrische Signal mit der Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes 6 geformt, indem
man das Vorzeichen des Zeitintervalls zwischen den Vor-
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derflanken zweier verschiodenpoliger Umhüllender 17ι 18 des
akustischen Impulsnachhallc onnittelt.
In der Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig. 12 wird diese Aufgabe folgenderweise gelöst. Ein Normimpulsformer
59 erzeugt einen genormten elektrischen Impuls 60 (Fig. 16, Diagramm "c") , welcher der Vorderflanke der Umhüllenden 17
des akustischen Impulsnachhalls entspricht. Über den Demodulator 61 (Fig. 12) gelangt die zweite Umhüllende 18 des akustischen
Impulsnachhalls zum zweiten Normimpulsformer 62, dessen
elektrischer Normimpuls 63 (Fig. 16, Diagramm "e") der
Vorderflanke der zweiten Umhüllenden 18 (Diagramm "d") des
akustischen Impulsnachhalls entspricht.
Die genormten Impulse 60 und 63 (Diagramme "c" und "e"),
die den Vorderflanken der Umhüllenden 17 und 18 des akustischer
Impulsnachhalls entsprechen, werden von den Ausgängen der Normimpulsformer 59 (Fig. 12) und 62 den Eingängen der Meßeinheit
23 zugeführt. Unter Einwirkung der auf die Eingänge der Meßeinheit
23 gegebenen Impulse 60, 63 erzeugt diese Meßeinheit 23
einen Rechteckimpuls (Fig. 16, Diagramm "f"), dessen Dauer &**
dem Zeitintervall zwischen zwei Normimpulsen 6.0 und 63 (Diagramme "c", "e") gleich ist. Das Vorzeichen (positiv oder negativ)
des ausgabeseitigen Rechteckimpulses der Meßeinheit 23
(Fig. 12) hängt vom Verhältnis der akustischen Impedanz z* des
im Behälter befindlichen Stoffes 6 und der akustischen Impedanz ζ der Behälterwand 3 ab. Wenn das Verhältnis z^/z kleiner als
1 ist, weist dieser Impuls (Fig. 16, Diagramm "f") die negative
Polarität auf. 709843/0989
Ist z^/z größer als Eins, so ändern sich die Form und
die Lage der beiden Umhüllenden 17* und 18·, die in den Diagrammen
"b" und "d" mit Strichlinien angegeben sind. Infolgedessen
erfolgt die zeitliche Verschiebung der Normimpulse in die Lagen 60' und 63* (Diagramme "c" und "e", gestrichelte
Linien). Unter Einwirkung der genormten Impulse 60* und 63'
mit veränderter zeitlicher Lage erzeugt die Meßeinheit 23 (Fig. 12) einen positiven Rechteckimpuls (Fig. 16, Diagramm"g")
Die Rechteckimpulse (Diagramm "f" bzw. Diagramm "g"), deren
Vorzeichen die Information über die zu kontrollierende Eigenschaft des Stoffes 6 (Fig. 12) trägt, gelangen vom Ausgang
der Meßeinheit 23 zum Registriergerät 24.
Das beschriebene Verfahren zur Kontrolle von Eigenschaften des im Behälter befindlichen Stoffes, welches in den Einrichtungen
nach Fig. 1, 3··«12 verwirklicht wird, ermöglicht
eine Überaus effektive kontaktlose automatische Kontrolle verschiedener Eigenschaften von Stoffen in. Behältern beim Ablauf
von technologischen Prozessen in der Hüttenindustrie, bei der Aufbereitung von Rohstoffen, in der chemischen, Erdöl- und
Nahrungsmittelindustrie sowie in anderen Industriezweigen.
44 t
Leerseite
Claims (1)
- Ansprüche1.j Verfahren zur Prüfung der Eigenschaften von in einem Behälter eingeschlossenem Material,bei dem aktustische Schwingungsimpulse in das Material durch die Behälterwand senkrecht zu dieser periodisch eingestrahlt werden und die Behälterwand durchsetzende akustische Signale empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das Information über die Materialeigenschaften trägt,dadurch gekennzeichnet, daß als die akustischen Signale verschiedenpolare Hüllkurven (17, 18) zwischen der Außenfläche der Behälterwand (3) und dem Material (6) entstehend-en akustischen Impulsnachhalls benutzt werden unddaß die Hüllkurven (17, l8) in der Einstrahlungszone der akustischen Schwingungsimpulse (5) empfangen werden (Fig. 1, 2).2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das elektrische Signal (20)gewonnen wird, indem die Fläche zwischen einer Hüllkurve (17, l8) des akustischen Impulsnachhalls und ihrem Nullpegel unddas Verhältnis dieser Fläche zum Zeitintervall ermittelt werden, das dem Zeitabschnitt zwischen zwei nacheinander eingestrahlten akustischen Schwingungsimpulsen (5) proportional ist.3. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet,daß zusätzlich die Maximalamplitude einer Hüllkuve (17; l8) gemessen und mit dem Verhältnis der durch709843/0989ORIGINAL INSPECTEDdiese Hüllkurve (17; l8) und ihren Nullpegel begrenzten Fläche zum Zeitintervall verglichen wird, das dem Zeitabschnitt zwischen zwei nacheinander eingestrahlten akustischen Schwingungsimpulsen (5) proportional ist.Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das elektrische Signal (20) gewonnen wird, indem an der Vorder- und der Hinterflanke einer der Hüllkurven (17. 18) des akustischen Impulsnachhalls Abschnitte abgetrennt werden, deren entsprechende Enden auf zwei gegenüber der Maximalamplitude dieser Hüllkurve (17 bzw. l8) wenigstens um eine Größenordnung kleineren Amplitudenniveaus liegen, unddas Zeitintervall zwischen diesen Abschnitten bestimmt wird.Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet,daß das untere der zwei Amplitudenniveaus veränderlich, und zwar proportional den Änderungen der Maximalamplitude der betreffenden Hüllkurve (17 bzw. 18) des akustischen Impulsnachhalls, eingestellt wird.Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das elektrische Signal gewonnen wird,indem nan:aus der Hinterflanke einer der Hüllkurven (17 bzw. l8) des akustischen Impulsnachhalls ein Abschnitt abtrennt, dessen Enden auf zwei gegenüber der Maximalamplitude dieser Hüllkurve (17 bzw. 18) wenigstens um eine709843/0981Größenordnung kleineren Amplitudenniveaus liegen,ein dem abgetrennten Abschnitt entsprechender elektrischer Impuls (36) erzeugt,einen elektrischen Referenzimpuls (38) im Zeitpunkt bildet, der einer Lage des erzeugten elektrischen Impulses (36) im Betriebsbereich der Prüfung entspricht, unddas Zeitintervall ( L^) zwischen diesen Impulsen (36,38) mißt (Fig. 4).7. Verfahren nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet,daß der elektrische Referenzimpuls (38) mit einer zeitlichen Verzögerung proportional der Änderung der Maximalamplitude der Hüllkurve (17; l8) des akustischen Impulsnachhalls erzeugt- wird.8. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das elektrische Signal (20) gewonnen wird, indem manaus der Hinterflanke einer Hüllkurve (17; 18) des akustischen Impulsnachhalls einen Abschnitt abtrennt, dessen Länge ungefähr der doppelten Behälterwand-Durchlaufzeit des akustischen Schwingungsimpulses (5) entspricht und der von der Vorderflanke dieser Hullkurve (17; 18) in einem Abstand wenigstens um eine Größenordnung langer als die doppelte Behälterwand-Durchlaufzeit des akustischen Schwingungsimpulses (5) liegt, unddie Maximalamplitude der Hüllkurve (17; l8) in diesem Abschnitt ermittelt.9· Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,709843/0989daß zwischen dem Hauptabschnitt und der Vorderflanke der betreffenden Hüllurve (17, 18) ein zusätzlicher Abschnitt abgetrennt wird, der von dem Hauptabschnitt dieser Hüllkurve (17; 18) um ein Vielfaches der doppelten Behälterwand-Durchlaufzelt des akustischen Schwingungsimpulses (5) entfernt ist, und die Maximalamplituden der HUllkurve (17; 18) im betreffenden Hauptabschnitt und im Zusatzabschnitt verglichen werden.10. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das elektrische Signal gewonnen wird, indem das Vorzeichen des zwischen den Vorderflanken der zwei verschiedenpolaren Hiillkurven (17, 18) des akustischen Impulsnachhalls liegenden Zeitintervalls ermittelt wird.11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Prüfung der Eigenschaften von in einem Behälter eingeschlossenem Material nach Anspruch 1,mit einem an einen Impulsgenerator angeschlossenen akustischen Wandler, der unmittelbar an der Außenfläche der Behälterwand angeordnet ist und akustische Schwingungsimpulse erzeugt, die in das Material durch die Behälterwand eingestrahlt, dann empfangen und in akustische Signale umgewandelt werden, die dem Signaleingangeines Informationssignalgenerators zugeführt werden, der ein Signal mit Information über die Eigenschaften des Materials erzeugt und dessen Ausgang mit dem Eingangeiner Meßeinheit elektrisch verbunden ist, die an ein Registriergerät angeschlossen ist, gekennzeichnetdurch eine Reihenschaltung (11) aus einer Zeitverzögerungseinheit (12) zur Verzögerung709843/0989elektrischer Impulse, deren Eingang am Ausgang des Impulsgenerators (1) liegt,aus einem Selektivimpulsgenerator (I)) sowieaus einem Selektivverstärker (I5) zur Verstärkung akustischer Signale, dessen Signaleingang mit dem akustischen Wandler (2^ verbunden ist,wobei die Reihenschaltung (11) den Empfang und die Umwandlung der akustischen Signale (7) mit Hilfe des akustischen Wandlers (2) ermöglicht, unddurch einen HUllkurvendemodutitor (16) fur die Demodulation der Hüllkurven (17, l8) des zwischen der Außenfläche der Behälterwand (3) und dem Material (6) entstehenden akustischen Impulsnachhalls, von dem der Eingang an den Ausgang des Selektivverstärkers (I5) und der Ausgang an den Signaleingang des Informationssignalgenerators (I9) elektrisch angeschlossen ist, und der die Benutzung der Hüllkurven (17; l8) des akustischen Impulsnachhalls als die akustischen Signale (7) ermöglicht (Fig. 1).12. Einrichtung nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet,daß der Informationssignalgenerator (19) auf der Grundlage eines Integrators (21) für die Hüllkurve (I7) des akustischen Impulsnachhalls ausgeführt ist (Fig. 1).13. Einrichtung nach Anspruch 12,gekennzeichnetdurch einen für die Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen Spitzendetektor (25), dessen Eingang an den Ausgang des HUllkurvendemodulators (l6) des akustischen Impulsnachhalls und dessen Ausgang an den zweiten Eingang der Meßeinheit (23) elektrisch angeschlossen ist,wobei die Meßeinheit (23) eine Differenzschaltung ist (Fig. 3).709843/0989ORIGINAL INSPECTEDlh. Einrichtung nach Anspruch 12,
gekennzeichnetdurch einen Spitzendetektor (25) für die Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls, dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (l6) angeschlossen ist,durch einen Dividierer (29) für elektrische Signale (26, 20), dessen Eingänge an den Ausgang des Spitzendetektors (25) für die Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls sowie des Hüllkurven-Integrators (21) und dessen Ausgang an den Eingang der Meßeinheit (23) angeschlossen sind, unddurch einen Referenzsignalgenerator (30) zur Erzeugung eines elektrischen Referenzsignals, dessen Ausgang am zweiten Eingang der Meßeinheit (23) liegt, die eine Differenzschaltung ist (Fig. 4).15· Einrichtung nach Anspruch 11,gekennzeichnetdurch einen Begrenzer (31) zur Begrenzung der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegel, der einen elektrischen Impuls (32) erzeugt, dessen Vorder- und Hinterflanke den zwei Abschnitten der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls entsprechen, deren Enden auf den zwei Amplitudenniveaus liegen,wobei vom Begrenzer (3I) der Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (l6) und der Ausgang an den Eingang des Informationssignalgenerators (19) angeschlossen sind, der zur Messung der Dauer elektrischer Impulse ausgebildet ist (Fig. 5).16. Einrichtung nach Anspruch 15,
gekennzeichnet709843/0989durch einen für die Hüllkurve (17) den akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen Spitzendetektor (25) zur Einstellung des unteren Amplitudenniveaus der abgetrennten Abschnitte der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls,dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (16) und dessen Ausgang an den gesteuerten Eingang des Begrenzers (31) elektrisch angeschlossen ist (Fig. 6).17. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,daß der Informationssignalgenerator (I9) einen Begrenzer (31) zur Begrenzung der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln zwecks Abtrennung eines Abschnitts aus der Hinterflanke der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls sowie einen mit dem Begrenzer (31) in Reihe geschalteten Differenzierer (35) enthält, die einen dem abgetrennten Abschnitt der Hüllkurvenhinterflanke entsprechenden elektrischen Impuls (36) erzeugt,wobei der Eingang des Begrenzers (31) als Eingang des Informationssignalgenerators (19) und der Ausgang des Differenzierers (35) als Ausgang des Informationssignalgenerators (19) dienen, unddaß eine Zeitverzögerungseinheit (37) zur Verzögerung elektrischer Impulse vorgesehen ist, die einen elektrischen Referenzimpuls (38) erzeugt und mit ihrem Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators (l) sowie mit ihrem Ausgang an den zweiten Eingang der Meßeinheit (23) angeschlossen ist,die zur Messung von Zeitintervallen ausgebildet ist (Fig. 7).709843/0989l8. Einrichtung nach Anspruch 17,
gekennzeichnetdurch einen für die Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen Spitzendetektor (25), dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (l6) angeschlossen ist, sowiedurch eine Einheit (42) zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse, deren Eingang an den Ausgang des Spitzendetektors (25) und deren Ausgang an den gesteuerten Eingang der Zeitverzögerungseinheit (37) angeschlossen ist (Fig. 8).19· Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,daß der Informationssignalgenerator (19) für das elektrische Informationssignal (20) zwecks Abtrennung eines Abschnitts der Hinterflanke bei der betreffenden Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls eine Reihenschaltung (43)aus einer zweiten Zeitverzögerungseinheit (44) zur Verzögerung elektrischer Impulse,aus einem zweiten Selektivimpulsgenerator (45) undaus einem Selektivverstärker (47) zur Verstärkung der Amplitude der betreffenden Hüllkurve (17) umfaßt,daß ein Spitzendetektor (49) für den abgetrennten Abschnitt der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls vorgesehen ist, dessen Eingang an den Ausgang des Selektivverstärkers (47) angeschlossen ist, unddaß der Eingang der zweiten Zeitverzögerungseinheit (44) mit dem.Ausgang des Impulsgenerators (1) verbunden ist und als gesteuerter Eingang des Informationssignalgenerators (19) des elektrischen Informationssignals (20) dient,709843/0989von dem der Signaleingang durch den Signaleingang des für die Verstärkung der Amplitude der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen SeLektivverstärkers (47) und der Ausgang durch den Ausgang des Spitzendetektors (49) gebildet werden (Fig. 9).20. Einrichtung nach Anspruch 19,
gekennzeichnetdurch eine Reihenschaltung (50)aus einer dritten Zeitverzögerungseinheit (51) zur Verzögerung elektrischer Impulse,aus einem dritten Selektivimpulsgenerator (52) zur Erzeugung von Selektivimpulsen (53),aus einem zweiten Selektivverstärker (54) zur Verstärkung der Amplitude der Hiillkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls und zur Abtrennung eines zusätzlichen Abschnitts der Hinterflanke der betreffenden Hüllkurve (17), der zwischen dem Hauptabschnitt der Hüllkurve (17) und ihrer Vorderflanke liegt, sowieaus einem zweiten Spitzendetektor (56) für den abgetrennten zusätzlichen Abschnitt der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls,wobei verbunden sind:der Eingang der dritten Zeitverzögerungseinheit (51) mit dem Ausgang des Impulsgenerators (l),der Signaleingang des zweiten Selektivverstärkers (54) mit dem Ausgang des Hüllkurvendemodulators (16) undder Ausgang des zweiten Spitzendetektors (56) mit dem zweiten Eingang der als Differenzschaltung aufgebauten Meßeinheit (2J>) (Fig. 10).21. Einrichtung nach Anspruch 19,
gekennzeichnet
durch eine Reihenschaltung (50)709843/0989aus einer dritten Zeitverzögerungseinheit (51) zur Verzögerung elektrischer Impulse,aus einem dritten Selektivimpulsgenerator (52),aus einem zweiten Selektivverstärker (54) fUr die Amplitude der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls, der zur Abtrennung eines zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt der Hüllkurve (17) und ihrer Hinterflanke liegenden zusätzlichen Abschnitts aus der Hinterflanke dieser Hüllkurve (17) bestimmt ist, sowieaus einem zweiten Spitzendetektor (56) für den abgetrennten zusätzlichen Hüllkurvenabschnitt,wobei der Eingang der dritten Zeitverzögerungseinheit (51) an den Ausgang des Impulsgenerators (1) und der Signaleingang des zweiten Selektivverstärkers (54) an den Ausgang des HUllkurvendemodulätors (l6) angeschlossen sind,durch einen Dividierer (58) für elektrische Signale, dessen Eingänge mit dem Ausgang des ersten und des zweiten Spitzendetektors (49, 56) für die abgetrennten Abschnitte der Hüllkurve (I7) und dessen Ausgang mit dem Eingang der Meßeinheit (23) verbunden sind, unddurch einen Referenzsignalgenerator (30), dessen Ausgang an den zweiten Eingang der als Differenzschaltung ausgeführten Meßeinheit (2j5) geschaltet ist (Fig. 11).22. Einrichtung nach Anspruch 11,
gekennzeichnet,durch einen Normimpulsformer (59) als Informationssignalgenerator (19) des elektrischen Imformationssignals (20),wobei Im Normimpulsformer (59) die Formung eines der Vorderflanke der Hüllkurve (I7) des akustischen Impulsnachhalls entsprechenden genormten elektrischen Impulses (60) erfolgt, sowie709843/0989durch eine Reihenschaltungaus einem zweiten Hüllkurvendemodulator (61) für die zweite Hüllkurve (18) des akustischen Impulsnachhalls, dessen Eingang an den Ausgang des Selektivverstärkers (I5) geschaltet ist, sowie aus einem zweiten Normimpulsformer (62) zur Formung eines der Vorderflanke der zweiten Hüllkurve (18) des akustischen Impulsnachhalls entsprechenden genormten elektrischen Impulses (63)*wobei der Ausgang des zweiten Normimpulsformers (62) an den zweiten Eingang der Meßeinheit (23) angeschlossen ist, die zur Messung der Zeitdifferenz bei der Formung von genormten elektrischen Impulsen (60, 63) ausgebildet ist, die den Vorderflanken der beiden verschiedenpolaren Hüllkurven (17» l8) des akustischen Impulsnachhalls entsprechen (Fig. 12).709843/0989
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