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Verfahren und Vorrichtung zur Messung kleinster Spannungen und Ströme
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: Das Auftreten.king.
Das Quadrat der mittleren Rauschspannung u# hängt von der Grösse des Widerstandes Re des Me#- geräteeinganges, der absoluten Temperatur T (in Grad Kelvin) sowie der Bandbreite B des Verstärkers ab.
Mit k = 1, 372. 10" Ws/OK ist u# = 4. k. T. Re. B (Re in Ohm, B in Hz).
Der Elektronenaustritt aus den Kathoden der Verstärkerröhcen ist, ebenso wie deren Geschwindigkeitsverteilung, statistischen Gesetzen unterworfen. Auch dies liefert einen Störpegel und ist als Schtotteffekt bekannt. Durch einen äquivalenten Rauschwiderstand Rae am Verstärkereingang kam diese Stsrspammng erfasst werden. Das Rauschen besteht aus einer grossen Zahl unregelmässiger, sich überlappender Impulse.
Gleichspannungen und-ströme sind daher nur messbar, wenn sie grösser sind als der Störhintergmnd.
Sehr kleine Fotozellenströme werden meistens in Sekundärelektronen-Vervielfachem verstärkt, da sie in die Grössenordnung der durch das Wärmerauschen hervorgerufenen Stromschwankungen kommen. Da eine Emission von Elektronen aus der Fotokathode nicht nur durch die zu messende Strahlung, sondern
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die Empfindlichkeit einer Fotozelle.
In vielen Fällen wäre aber die Messmöglichkeit noch kleinerer Spannungen und Ströme von besonderem Vorteil und wünschenswert. Auch als Nullindikatoren werden Anzeigegeräte mit höchster Empfindlichkeit gebraucht.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der man nicht die Grösse eines unbekannten Wertes direkt misst, sondern mit ihm in regelmä#iger Folge gedämpfte Schwingungen und aus diesen Impulse erzeugt. Dies-Schwingungen werden in einer geeigneten Vefttärkerein- richtung verstärkt, in ihrer Amplitude begrenzt mid die entstehenden Impulse zar Helltasomg einer Katho- denstrahlrbbre an deren Wehneltzylinder gelegt. Wird der Elektronenstrahl durch entsprechende Sägezahn-Spannungen an den Ablenkplatten zu einem Zeilenraster abgelenkt, so wird bei jedem Impuls ein kurzes Stück der Zeile sichtbar.
Die Einrichtung. die durch periodisches Abschalten des unbekanntes Strom- oder Spannungswertes die gedämpften Schwingungen in einem Schwiug@reis anslöst, steuert gleich-
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Zeitablenkung so,fang, da sie gänzlich unregelmässig entstehen und ihr Auftreten nur durch Wahrscheinlichkeitsgesetze geregelt wird.
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Die Messimpulse werden sich daher auch dann, wenn sie nicht grösser als die Störimpulse sind, durch ihre regelmässige Anordnung auf dem Bildscn m abheben und ein erkennbares Mutter bilden. Infolge der
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Wird die zu messende Grösse am Eingang der Messvorrichtung durch einen gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Wert in bekannter Weise kompensiert, so entstehen keine Messimpu1se mehr und das regelmässige Muster amLeuchtschirm verschwindet. Die Grösse der Kompensationsspannung (oder des Stromes) entspricht dann dem gesuchten Messwert.
Es sind zwar Schaltungen bekannt, welche die Anzeige periodischer elektromagnetischer Schwingun-
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Helltastungindikatoren ist bekannt, wobei aber die Ablenkung des Elektronenstrahls zur Nullanzeige verwendet wird. Die Vorteile einer Hell-Dunkel-Tastung mit Impulsen mit möglichst konstanter Amplitude sind bei dem. erfindungsgemä#en Verfahren von entscheidender Bedeutung. WerdenRauschspannungen hoch verstärkt und zur Ablenkung eines Elektronenstrahls verwendet, so zeigt der Leuchtschirm ein zweidimensionales, sich
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der grossen Zahl der Formen und Zacken die regelmässigen Ansätze der Me#impulse nicht herausfinden. Das Auge kann aber Helligkeitsunterschiede viel besser als Formen unterscheiden.
Wird eine Stelle auch
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das statistisch öftere Auftreten der Messimpulse an der gleichen Stelle ausgenützt. Durch die Wahl einer geeigneten Nachleuchtdauer des Leuehtschirmes kann dieser Effekt noch verstärkt werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch dargestellt. Die zu messende Grösse wird mittels einer Induktivität Lt und einem geeigneten Schalter s1, der den Strom durch L1 regelmässig in konstanten Zeitabständen unterbricht, in Impulse mit gleichen Abständen umgewandelt.
Da L1 mit der Parallelkapazität Ct (die zum grössten Teil aus derEigenkapazität von LI und den Schaltkapazitäten besteht) einen Schwingkreis bildet, wird jeder Abschaltimpuls einen gedämpften Schwingungszug auslösen. Wenn die Stromstärke durch L1 im Augenblick der Unterbrechung mit Ix bezeichnet wird, so ist der Verlauf des Schwingungszuges gegeben durch
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RL = ohmscher Widerstand der Spule L, ex = RL/2L, # = 1/#
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dassGlied der Gleichung bestimmt werden.
Indem nian RI. und damit auch αgleich Null setzt, erhält man die vereinfachte und Sir die erste Spannun, gsspitze geliügend zenaue Formel
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Der Gütefaktor des Schwingungskreises aus L1 und C1 kann kleiu sein.Bei Q = ist die erste Spän-
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und die Güte Q ungefähr 100. Bei einer Bandbreite des Verstärkers von zirka 200 Hz, einer Temperatur von 270 C = 300 K, wird eine Rauschspannung von zirka
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Die Induktivität L und der Kondensator C ; bilden einen Sperrkreis mit den gleichen Eigenschaften wie der Kreis aus L., und Cl. Dieser Sperrkreis dient als Vor widerstand fur den Messkreis und soll einen plötzlichen Zusammenbruch der Rauschspannungsamplituden beim Anschluss eines niederohmigen Messobjektes verhindern. Es würde sonst bei den vorgesehenen Abschaltungen während des Messens die Rauschspannung jedesmal plötzlich ansteigen und regelmässige Störimpulse in das Bild bringen.
Die Schwingungen und Impulse werden im Verstärker 1 bzw. in den Impuls-Verstärkerstufen des Be- grenzers 2 viel höher verstärkt als zur Helltastung der Kathodenstrahlröhre 3 notwendig wäre. Im Begrenzer 2 werden die Amplituden aber weitestgehend unabhängig von der Eingangsspannung auf einen konstanten Wert begrenzt, entsprechend geformt und als positive Impulse dem Wehneltzylinder w zugeführt Auf dem Leuchtschirm 1 entsteht ein unregelmässig unterbrochener Zeilenraster aus vielen kurzen Lichtstrichen m. Die von den Messimpulsen hervorgerufenen Impulse bilden aber ein unterscheidbares Muster von regelmässigen vertikalen Streifen (m±, m2, m3), Die Anzahl der vertikalen hellen Streifen hängt von der Gtite des Messkreises ab.
Bei starker Dämpfung ist die Eigenschwingung schon nach wenigen Perioden so stark geschwächt, dass das Muster undeutlich wird.
Wird die Eingangsspannung kompensiert, so ist kein Muster erkennbar. Am geeichten Spannungsteiler P, wird die Kompensationsspannung abgegrlffen, nachdem mit dem Potentiometer P und dem Strommesser A der richtige Strom durch P, eingestellt worden ist. P hat einen grossen, P. einen kleinen Widerstand, so dass die notwendigen unmessbar kleinen Kompensationsspannungen genau eingestellt werden können.
Werden Fotozellenströme gemessen, so ist es vorteilhaft, statt mit dem Schalter 51 mittels rotierender Blenden oder auf eine andere geeignete Art die Fotozellenströme impulsartig zu verändern. Denn durch die Unterbrechung des Lichtstromes wird auch mittelbar eine Veränderung bzw. Schwächung des Anteiles des Fotozellenstromes hervorgerufen, der durch die zu messende Strahlung ausgelöst wird. Nach dem Verstärker, der in diesem Falle auch ein Sekundärelektronen-Vervielfacher sein kann, bleibt der Rauschstrom dann immer gleich gross, es kann daher der Sperrkreis ebenfalls weggelassen werden, und auch störende Kontaktpotentiale entfallen.
Die plötzliche Unterbrechung des Lichtstromes löst daher ebenfalls im Schwingkreis gedämpfte Schwingungen aus, die verstärkt und in Impulse verwandelt, wie beschrieben gemessen werden. Ihre Lage auf der Zeitlinie ist ebenfalls regelmässig, wenn die Einrichtung zur Unterbrechung des Lichtstromes die Zeilenablenkspannung gleichzeitig synchronisiert.
Wird auf dem Leuchtschirmbild nur durch das Betrachten einer einzigen Zeile und Abdecken der anderen, z. B. jener mit z bezeichneten, ein normaler Messvorgang ersatzweise dargestellt, so ist deutlich zu sehen, dass ein Erkennen oder Messen von Werten, die nicht viel grösser als der Rauschpegel sind, unmöglich ist.