-
Aus einem Schwingungskreis bestehende Anordnung zur Untersuchung
von Material Es ist bekannt, daß sich die Güte eines Schwingungskreises ändert,
wenn ein Gegenstand in ein von dem Schwingungskreis erzeugtes magnetisches oder
elektrisches Feld gebracht wird, und daß der Grad der Änderung abhängig von dem
Werkstoff des Gegenstandes ist. Es ist weiter bekannt, diese Erscheinung zur Herstellung
von Metalldetektoren, Anordnungen für Erz- und Kohiensortierung u. dgl. auszunutzen.
Wenn eine solche Anordnung praktisch verwendbar sein soll, muß sie aber eine sehr
hohe Empfindlichkeit für Änderungen der Güte des Schwingungskreises haben.
-
Bei einer bekannten Anordnung mit hoher Empfindlichkeit besteht der
Schwingungskreis aus einem Parallel resonanzkreis, der den Gitterkreis eines sogenannten
»Franklinoszillators« bildet. Der Franklinoszillator besteht aus zwei widerstandsgeko,
ppelten Elektronenröhren in Kaskade mit einer Rückkopplungsverbindung von der Anode
der zweiten Röhre zum Gitter der ersten Röhre. Der Rückkopplungskreis enthält einen
großen Reihenwiderstand, der zusammen mit der Resonanzimpedanz für den Parallel
resonanzkreis zwischen Gitter und Kathode der ersten Röhre einen Spannungsteiler
bildet, welcher den Rückkopplungsgrad des Oszillators bestimmt. Da die Resonanzimpedanz
des Schwingungskreises proportional zu dlessen Gütefaktor ist, wird der Rückkopplungsgrad
abhängig von dem Gütefaktor, und wenn der Oszillator in der Nähe des kritischen
Rückkopplungsgrades und auf einem geraden Teil der Röhrenkurven arbeitet, wird die
Schwingungsamplitudee sehr stark abhängig von dem Gütefaktor. Indem man die Änderung
der Schwingungsamplitude mißt, kann man auf diese Weise z. B. ein Metallteilchen
entdecken, das in die Spule des Schwingungskreises gebracht wird, auch wenn der
Durchmesser des Teilchens kleiner als ein Tansendstel des Durchmessers der Spule
ist.
-
Die bel. annte Meßanordnung ist jedoch stark abhängig von den Röhrendaten,
und eine Empfindlichkeit, wie die oben angedeutete, läßt sich nur verwirklichen,
wenn der Oszillator mit einer Anordnung für selbsttätige Amplitudenregelung versehen
wird; sie wirkt aber mit einer Verzögerung, so daß vorübergehende Änderungen der
Amplitude sich geltend machen können. Die Amplitudenregelung muß sehr stark sein,
deshalb erfordert der Regelkreis eine oder mehrere Verstärkerstufen außer den bei
den Stufen im Oszillator.
-
Die Erfindung bezweckt die Ausbildung einer Anordnung für Materialuntersuchungen
der genannten Art, die eine so gute Stabilität aufweist, daß bei kurzfristigen Messungen
ein Amplitudenregelungskreis nicht mehr erforderlich ist, und die, falls sie mit
einem
Amplitudenregelungskreis verbunden wird, eine Empfindlichkeit erhält, die die bisher
erreichte übersteigt, und trotzdem mit einer einzigen Elektronenröhre ausführbar
ist, die gemeinsam für den Oszillatorteil und den Amplitudenregelungsteil ist. Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskreis des Ozillators aus
einem Reihenresonanzkreis besteht und der Rückkopplungsgrad des Oszillators durch
das Verhältnis der Spannung über einem induktiven oder kapazitiven Element des Schwingungskreises
zu seiner Speisespannung bestimmt ist.
-
Da bei Resonanz das Verhältnis der Spannung an der Spule oder am
Kondensator eines Reihenresonanzkreises zu der Speisespannung des Kreises gleich
dem Gütefaktor des Kreises ist, ist in einer solchen Schaltung der Rückkopplungsgrad
immer proportional zum Giitefaktor, und der Rückkopplungsgrad kann sehr leicht größer
als Eins gemacht werden. Der im Oszillator r enthaltene Verstärker braucht deshalb
keine hohe Spannungsverstärkung zu haben, sondern nur als Leistungsverstärker zu
arbeiten Die sich aus der Unlinearität und der Abhängigkeit von den Röhrendaten
bisher ergebenden Schwierigkeiten entfallen bzw. sind unbedeutend.
-
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung einer kathodengekoppelten
Elektronenröhre als Oszillator zusammen mit dem Schwingungskreis.
-
Die Wirkungsweise der Erfindung ist an Hand der Zeichnung erläutert,
in der Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsformen zeigen. Der prinzipielle Aufbau u des
Oszillators
ist der gleiche in den beiden Ausführungsformen, aber die Elektronenröhre in Fig.
2 ist sowohl als Oszillatorröhre wie auch als Verstärker für die Ausgangsspannung
verwendet. Die Anordnung in Fig. 2 ist außerdem mit einem Kreis für Amplitudenregelung
versehen.
-
In Fig. 1 bedeutet 10 eine Elektronenröhre mit Kathode 11, Gitter
12 und Anodel3. Die Anodel3 der Röhre ist am Pluspol einer Batterie 16 und die Kathode
11 ist in Reihe mit zwei Kathodenwiderständen 17 und 18 am Minuspol der Batterie
16 angeschlossen, der mit der Erdungsklemme 15 verbunden ist. Zwischen Gitter 12
und Erde ist eine Spule 20 geschaltet und parallel zu dieser zwei in Reihe geschaltete
Kondensatoren 21 und 22. Der Verbindungspunkt der Kondensatoren 21 und 22 ist am
Verbindungspunkt der Kathoden widerstände 17 und 18 angeschlossen. Eine Ausgangsklemme
25 ist über einen Sperrkondensator 26 mit der Kathode 11 der Röhre verbunden. Der
Kondensator22, der parallel zum Kathodenwiderstand 17 liegt, ist groß im Vergleich
zum Kondensator 21 und sein Blindwiderstand bei der Arbeitsfrequenz der Anordnung
niedrig im Vergleich mit dem Widerstand 17. Die Röhre 10 zusammen mit der Batterie
16 und der Kathodenimpedanz, die aus dem Widerstand 18, dem Widerstand 17 und dem
Kondensator 22 besteht, die unter sich parallel und mit dem Widerstand 18 in Reihe
geschaltet sind, kann als ein kathodengekoppelter Verstärker betrachtet werden,
der mit einem Reihenresonanzkreis belastet ist, bestehend ans Spule 20 und Kondensator
21. Auf Grund der Rückkopplung des Schwingungskreises zum Gitter der Röhre wird
die gezeigte Anordnung als Oszillator arbeiten, obwohl die Spannungsverstärkung
vom Gitter 12 zum Ausgang über den Kondensator 22 kleiner als Eins ist. Dies beruht
darauf, daß die erforderliche Spannungsverstärkung durch den Reihenresonanzkreis
erreicht wird.
-
Wie bekannt, ist das Verhältnis der Spannung über der Spule eines
Reihenresonanzkreises zur Erregerspannung des Kreises gleich dem Gütefaktor des
Kreises bei Resonanz, und der Reihenresonanzkreis kann deshalb leicht eine Spannungserhöhung
bewirken, die größer als Eins ist, in gewissen Fällen mehrere hundertmal. Die Spannung
an der Spule liegt jedoch 900 phasenverschoben im Verhältnis zur Erregerspannung
des Resonanzkreises, und der Kondensator 22 in der gezeigten Schaltung hat die Aufgabe,
eine so große Phasendrehung der Ausgangsspannung des Verstärkers zu bewirken, daß
die rücL-gekoppelte Spannung die richtige Phasenlage erhält.
-
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Anordnung ihre größte Empfindlichkeit
erreicht, wenn die Phasendrehung im Kondensator 22 etwas unvollständig ist, so daß
der Oszillator mit einer Frequenz arbeitet, die ein klein wenig von der Resonanzfrequenz
des Resonanzkreises abweicht. Der Widerstand 18 hat die Aufgabe, zusammen mit dem
inneren Widerstand der Röhre den Reihenwiderstand zu bilden, der notwendig ist,
um die Phasendrehung der Ausgangsspannung zu erreichen. Der Widerstand 18 vermindert
auch die Spannungsverstärkung, so daß die gesamte Kreisverstärkung im Oszillator
gleich Eins wird, ohne daß Sättigungserscheinungen von Bedeutung aufzutreten brauchen.
Der Widerstand 17 hat lediglich die Aufgabe, Gleichstrom der Röhre zuzuführen, so
daß der richtige Arbeitspunkt erhalten wird; er kann z. B. durch eine große Selbstinduktion
ersetzt werden.
-
Versuche haben gezeigt, daß die Schaltung in Fig. 1 trotz ihrer Einfachheit
eine außerordentliche
Empfindlichkeit für die Änderungen im Gütefaktor des Sclhwingungskreises
aufweist, die entstehen, wenn ein zu untersuchendes Material in das Magnetfeld der
Spule 20 oder das elektrische Feld des Kondensators 21 gebracht wird. Dieses beruht
darauf, daß der Rückkopplungsgrad des Oszillators direkt proportional dem Gütefaktor
des Kreises ist, während gleichzeitig die außerordentliche Stabilität des kathodengekoppelten
Verstärkers es möglich macht, den Oszillator nahe an dem kritischen Rückkopplungsgrad
arbeiten zu lassen.
-
Obwohl die Schaltung in Fig. 1 eine sehr gute Stabilität aufweist,
ist es oft wünschenswert, die Amplitude zu stabilisieren, so daß langsame Änderungen
in den Daten des Oszillators nicht die Funktion der Anordnung stören. Dadurch kann
man unter anderem erreichen, daß die Anordnung nicht erneut eingestellt zu werden
braucht, wenn die Lage der Meßorgane, d. h. der Spule 20 oder des Kondensators 21
im Verhältnis zur Umgebung verändert wird.
-
Eine Anordnung, die diese Forderung erfüllt, ist in Fig. 2 gezeigt,
wo die Ziffernhinweise von Fig. 1 an äquivalenten Elementen wiederholt sind. Die
RöhrelO zusammen mit dem Kathodenwiderstand 17 und dem Kondensator 22 arbeitet als
Kathodenfolger und speist den Reihenresonanzkreis mit der Spule 20 und dem Kondensator
21. Das Gitter 12 der Röhre ist an der Spule 20 über einen Sperrkondensator 23 angeschlossen,
der die Aufgabe hat, das Gitter gleichstrommäßig von Erde zu trennen. Der Kathodenwiderstand
8 in Fig. 1 ist in Fig. 2 durch einen Anodenwiderstand 19 ersetzt, von weichem eine
Wechselspannung über einen Sperrkondensator 27 einem Gleichrichter in Spannungsverdopplerschaltung
zugeführt wird. Diese enthält die Ventilelemente 31 und 32 sowie einen Kondensator33,
der mit einem Widerstand 34 belastet ist. Der Spannung am Kondensator 33, die negativ
ist, wird eine positive Spannung überlagert, die an einem Potentiometer abgegriffen
wird, das in Reihe mit einem Widerstand 37 an der Batteriel6 angeschlossen ist.
Die Differenzspannung wird dem Gitter 12 der Elektronenröhre über ein Verzögerungsglied
zugeführt, das aus einem Reihenwiderstand 38 und einem Parallelkondensator 39 besteht.
Ein Widerstand 40 ist zwischen Gitter 12 und Kondensator 39 eingeschaltet, damit
der Kondensator nicht den Schwingungskreis kurzschließt. Die Gleichspannung, die
dem Gitter zugeführt wird, ist negativ, und ihre Größe hängt von der Schwingungsamplitude
des Oszillators ab. Ein Zunehmen der Schwingungsamplitude bewirkt eine höhere negative
Gitterspannung, wodurch seinerseits die Spannungsverstärkung in der Röhre abnimmt.
Einem Zunehmen oder Abnehmen der Schwingungsamplitude wird daher entgegengewirkt;
durch eine geeignete Einstellung der Vorspannung vom Potentiometer 36 kann man erreichen,
daß der Oszillator immer sehr nahe an seinem Empfindlichkeitsma,uimum arbeitet.
Der Verzögerungskreis 38, 39 macht jedoch den Regelungskreis unwirksam gegen schnelle
Amplitude änderungen. Wenn ein zu untersuchendes Material durch die elektrischen
oder magnetischen Felder vom Schwingungskreis geführt wird, wird der Ausgangsklemme
25 ein Spannungsstoß iiber den Kondensator 26 zugeführt, sobald eine Inhomogenität
mit anderen Dämpfungseigenschaften als denen des Grundmaterials die Meßanordnung
passiert. Dieser Spannungsstoß kann auf jede beliebige bekannte Weise gemessen oder
angezeigt werden, wodurch eine Messung oder Anzeige der Inhomogenität erhalten wird.
-
Da die Elektronenröhre als Kathodenfolger arbeitet, ist der Einfluß
der Anodenspannung der Röhre auf die Schwingungsamplitude im Oszillatorkreis sehr
gering und wird im gleichen Grad reduziert, wie der Verstärkungsfaktor F zunimmt.
Am Anodenwiderstand 19 kann man deshalb einen verstärkten Impuls erhalten. Falls
die Röhre aus einer Pentode besteht statt der in der Figur gezeichneten Triode,
kann diese Verstärkung sehr groß gemacht werden. Der gewünschte Grad der Amplitudenregelung
kann deshalb erreicht werden, ohne daß zusätzliche Verstärkerstufen eingeführt zu
werden brauchen, und der Ausgangsimpuls an der Klemme 25 wird auch so stark, daß
er direkt einer Meß- oder Anzeigeanordnung zugeführt werden kann, z. B. einem empfindlichen
Relais.
-
Die Erfindung ist in den Ausführungsformen gezeigt, wie sie zur Zeit
als die geeignetsten angesehen werden, aber die Ausführung g des Oszillators kann
selbstverständlich im Rahmen der Erfindung verändert werden. Zum Beispiel kann ein
Transistor sehr wohl die gezeigte Elektronenröhre ersetzen..
-
PATENTANSPROCHE: 1. Anordnung zur Untersuchung von Material, bei
der diese ein elektrisches oder magnetisches Feld beeinflußt, das vom Schwingungskreis
eines Oszillators erzeugt wird, dessen Rückkopplungsgrad von der Gütezahl des Schwingungskreises
abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskreis des Oszillators durch
einen Reihenresonanzkreis gebildet und der Rüclclcopplungsgrad des Oszillators durch
das Verhältnis der
Spannung an einem induktiven oder kapazitiven Element des Resonanzkreises
zu seiner Erregerspannung bestimmt ist.