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Verfahren zum Vergleich der Anzahl der Perioden zweier Wechselspannungsquellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vergleich der Anzahl der Perioden
zweier Wechselspannungsquellen, vorzugsweise zum Zweck der Frequenzeinstellung einer
der beiden Quellen. In Weiterbildung der Erfindung findet das Verfahren Anwendung
bei einer Einrichtung zur Gangregelung von Uhren, nachstehend kurz Uhrzeitwaage
genannt. Es wird hierbei davon ausgegangen, daß die Frequenz derjenigen Quelle,
deren Frequenz auf einen bestimmten Wert einjustiert werden soll, in einer Vergleichsanordnung
mit der Frequenz einer Standardquelle, die als Frequenznormal zur Verfügung steht,
verglichen werden kann.
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Es ist bekannt, zwei z. B. annähernd frequenzgleiclie Schwingungen
in nielitlinearen Anordnungen zur Schwebung zu bringen und aus der Schwebefrequenz
den Gangunterschied abzuleiten. Es ist auch nicht neu, die Kippspannung einer Oszillographenröhre
mit einer Normalfrequenz zu steuern und die zu messende Frequenz über die Phase
dieser Kippfrequenz itn Oszillogramm in die Senkrechte abgelenkt anzuzeigen.
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Das erstgenannte Verfahren hat den Nachteil, daß bei der Annäherung
an die angestrebte Frequenzgleichheit beider Schwingungsquellen die Nullanzeige
schwierig wird. Außerdem wird über das Vorzeichen des Frequenz- bzw. Gangunterschiedes
nichts ausgesagt.
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Das zweitgenannte Verfahren hingegen erfordert infolge der Anwendung
einer Oszillographenröhre einen relativ hohen Aufwand.
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Die Erfindung zielt auf ein neues einfaches Verfahren zum Vergleich
der Anzahl der Perioden zweier Wechselstromquellen ab, das insbesondere der Frequenzeinstellung
einer der beiden Wechselstromquellen dienen soll. Es ist bekannt, die Frequenz einer
Wechselspannung mit Hilfe elektronischer Zählanordnungen zu messen. Es ist auch
nicht neu, mittels elektronischer Zählanordnungen zu addieren, zu subtrahieren und
Differenzen zweier Zählarten zu ermitteln. Ebenso sind vor- und rückwärts zählende
Zähleinrichtungen bereits bekannt, die beim Durchschreiten ihrer Grenzen zurückgestellt
werden.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend, besteht das Verfahren nach
der Erfindung darin, daß die Wechselspannungen der beiden Spannungsquellen, von
denen die Anzahl ihrer Perioden miteinander verglichen werden sollen, über eine
gemeinsame Leitung einer vor- und rückwärts zählenden Zählanordnung in der Weise
zugeleitet werden, daß von der einen Wechselspannung lediglich die positiven und
von der anderen lediglich die negativen Halbwellen der Zählanordnung zugeführt werden,
und daß mit Hilfe einer Vorwahleinrichtung die Zählanzeige in Abhängigkeit vom Durchschreiten
der Grenzen der Zählanordnung wahlweise einmal oder jedesmal auf einen vorzugsweise
in der Bereichsmitte liegenden voreingestellten Ziffernwert zurückgestellt wird.
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Hierbei können beispielsweise die Spannungsimpulse positiven Vorzeichens
ein Vorwärtszählen und die Spannungsimpulse negativen Vorzeichens ein Rückwärtszählen
bewirken. Ist völlige oder fast völlige Frequenzgleichheit vorhanden, dann liefert
die Zählanordnung eine praktisch gleichbleibende Anzeige. Unterscheiden sich dagegen
die Frequenzen der beiden Quellen voneinander, so wirkt sich das in einer positiven
oder negativen Änderung des Zählzustandes der Zählanordnung aus. Die Änderungsgeschwindigkeit
des Zählzustandes der Zählanordnung ist dann ein Maß für den Frequenzunterschied
der beiden Quellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist verhältnismäßig einfach durchzuführen,
und es bietet insbesondere beim Einstellen der Frequenz einer der beiden Spannungsquellen
sehr erhebliche Vorteile. Es zeigt dem Bedienenden sofort an, ob die einzustellende
Frequenz niedriger oder höher liegt, als dem Sollwert entspricht. Das ist bei dekadischen
Zählanordnungen im einzelnen daraus ersichtlich, ob der rechte Bereich von 6 bis
9 oder der linke Bereich von 0 bis 4 dunkel bleibt. Sofern die Frequenz geringer
als die Normalfrequenz ist, wandert der Elektronenstrahl lediglich zwischen 5 und
0. Bei sehr großen Frequenzunterschieden, bei denen man die Strahlensprünge und
auch die Richtung, in der der Strahl sich fortbewegt, nicht verfolgen kann, erscheint
z. B. bei einer wesentlich geringeren Frequenz der Bildteil 0 bis 5 des Anzeigebereiches
hell, der Rest-Bildteil 6 bis 9 dunkel. Der Bedienende erkennt hieraus sofort, daß
er zur Angleichung der Frequenz diese steigern muß. Bei vollem Durchlauf des Strahles
von 0 bis 9 oder von 9
bis 0, wie dies bei bisher bekannten Einrichtungen
üblich war, kann das menschliche Auge nicht erkennen, in welcher Richtung sich der
Strahl bewegt, so daß nicht ersichtlich ist, ob die Frequenz zu hoch oder zu niedrig
liegt.
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Das erfinderische Verfahren ist besonders für die Gangregelung von
Uhren geeignet, da es eine sehr sinnfällige Anzeige bietet und daher eine überaus
rasche Regelung ermöglicht. Bei der Verwendung einer nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitenden Vorrichtung als sogenannte Uhrzeitwaage wird die Schwingungszahl
der in ihrer Ganggenauigkeit zu messenden und zu justierenden Uhr in einer Zählanordnung
mit einem Vergleichsnormal, vorzugs-,veise mit der Schwingungszahl einer Normaluhr
oder eines Quarzschwingers, verglichen. Zweckmäßig geht man dabei so vor, daß die
Schwingfrequenz der zu messenden Uhr über einen Mikrophonverstärker verstärkt, mittels
Frequenzv erv ielfacher ganzzahlig vervielfacht und zusammen mit der Schwingfrequenz
der Vergleichsquelle, beispielsweise der Quarzfrequenz oder eines bestimmt ganzzahligen
Teilers derselben, der Zählanordnung zugeleitet wird.
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Die Gangunterschiede der zu regelnden Uhr werden dabei in einfacher
Weise mit Hilfe einer die Rückstellimpulse aufnehmenden und zählenden Zählanordnung
gemessen.
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'Nachstehend wird die Erfindung an Hand einer AusführungsformalsUhrzeitwaagebeschrieben.
Hierbei zeigt Abb. 1 ein Blockschaltbild der Uhrzeitwaage, Abb. 2 einen Ouarzoszillator
und Pulsformer, Abb.3 einen dazugehörigenFrequenzteiler in Form einerDezimalzählstufe
mitRückstellmonovibrator und Abb. 4 einen Summen-Differenzzähler mit Zahlenvorwahl
zur Anzeige des Vergleichsergebnisses.
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'Mit Bezug auf Abb. 1 sei die Funktion der erfindungsgemäßen elektronischen
Uhrzeitwaage beschrieben Die akustischen Schwingungen einer zu messenden und zu
justierenden Uhr 101 werden von einem Mikrophon 102 aufgenommen und über einen Verstärker
103 einem Impulsformer 104 zugeführt. Gleichzeitig werden die akustischen Schwingungen
elektrisch umgeformt und verstärkt einem Lautsprecher 105 zum Zweck einer
akustischen Kontrolle zugeführt. Die Schwingungszahl der Uhr wird in einem genau
ganzzahlig, vorzugsweise stufenweise vervielfachenden Frequenzvervielfacher 106
mit einem Faktor, z. B. 200, vervielfacht und danach einer Zählanordnung 107, vorzugsweise
einer Dezimalzählanordnung, zugeführt.
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Der gleichen Zählanordnung wird auf einem ähnlichen Wege die ebenso
vervielfachte Schwingungszahl einer 'Normaluhr, einer Standardfrequenz oder die
beispielsweise geteilte Frequenz eines Quarzschwingers zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. 1 ist ein Quarzschwinger 108 vorhanden, dessen Schwingungen über einen
Impulsformer 109, vorzugsweise mittels eines Frequenzteilers 110 untersetzt, ebenfalls
der Vergleichszählanordnung 107 zugeführt werden.
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Hat z. B. die zu messende Uhr eine Taktfrequenz von etwa 5/sec und
der Quarzschwinger eine konstante Normalfrequenz von 10 kHz, so werden zweckmäßig
die Schwingungen der Uhr im Frequenzvervielfacher 106 mit dem Faktor 200 auf etwa
1000 Hz vervielfacht und die Schwingungen des Quarzschwingers in einem Dezimaluntersetzer
mit dem Faktor 10 auf eine Frequenz von 1000 Hz reduziert. Am Eingang der Zählanordnung
107 erscheinen somit zwei angenähert frequenzgleiche Impulszüge, von denen der eine,
vom Quarzschwinger herkommende Impulszug eine Frequenz von, eng toleriert, 1 kHz
und der andere eine Frequenz von etwa 1 kHz aufweist.
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Die Zählanzeige wird von den Schwingungsimpulsen der einen Quelle
jeweils um einen Schritt vorgestellt und von den Schwingungen der anderen Quelle
um einen Schritt zurückgestellt. Bei völliger Frequenzgleichheit beider Quellen
führt demnach die Zählanzeige abwechselnd nacheinander positive und negative Zählschritte
aus und beharrt somit im Mittel auf dem ursprünglichen Zählzustand. Besitzt die
Uhr 101 gegenüber dem Quarzschwinger 108 einen positiven Gangunterschied, so wirkt
sich dieser in der Zählanordnung in einem Vorwärtszahlen aus. Ein negativer Gangunterschied
der zu messenden Uhr be-@virkt hingegen ein Rückwärtszählen in der Zählanordnung.
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Eine Rückstelleinrichtung mit Zahlenvorwahl kann nun so eingerichtet
sein, daß sie in Abhängigkeit vom Durchschreiten der Grenzen der Zählanordnung entweder
einmal oder jedesmal die Zählanzeige in einer Zählanordnung 107 auf Zählbereichmitte
einstellt. Erfolgt diese Einstellung nur einmal, so kommt bei positivem Gangunterschied
der Uhr die Zählanzeige nach einiger Zeit am oberen Ende des Zählbereiches an und
bleibt dort stehen. Dementsprechend bleibt bei negativem Gangunterschied der Uhr
die Zählanzeige an der unteren Zählbereichsgrenze stehen. Diese Anordnung zeigt
also nur an, ob die Uhr einen positiven oder einen negativen Gangunterschied aufweist.
Die Größe des Gangunterschiedes ist nur bis zum ersten Herauslaufen der Zählanzeige
aus der Zählbereichsmitte zu erkennen.
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Um nun fortlaufend die Größe des Frequenzunterschiedes zu ermitteln,
wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mittels der Rückstelleinrichtung 111
mit Zahlenvorwahl die Zählanzeige jedesmal bei Durchschreiten der Zählbereichsgrenzen
zur Zählbereichsmitte automatisch zurückgestellt. Dieses Rückstellen wird durch
bei Über- bzw. Unterschreiten der oberen oder der unteren Zählbereichsgrenze erfolgende
Rückstellimpulse bewirkt. Mit Hilfe der Zahlenvorwahl kann diejenige Ziffer der
Zählanordnung, beispielsweise in der Zählbereichsmitte, genau vorgegeben werden,
bis zu der die Zählanzeige zurückgestellt werden soll. Aus dem Fortschreiten der
Zählung in der oberen oder in der unteren Zählbereichshälfte ist somit zu erkennen,
ob der gemessene Gangunterschied positiv oder negativ ist, und aus der Frequenz
der Rückstellungen kann die Größe dieses Gangunterschiedes absolut genau bestimmt
werden.
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Zweckmäßig werden bei der gewählten Grundfrequenz von 1 kHz der Zählanordnung
107 aus den beiden Vergleichszweigen Impulse mit einer Impulsdauer von je höchstens
einigen sec zugeführt. Dadurch wird nach Möglichkeit verhindert, daß Impulse aus
beiden Vergleichszweigen am Eingang oder an den beiden Eingängen der Zählanordnung
gleichzeitig eintreffen oder sich in störender Weise gegenseitig überlappen. Tritt
dies dennoch einmal ein, so wird im allgemeinen trotzdem kein Fehler entstehen,
da die beiden sich überlappenden Impulse die Zählanzeige ebensowenig betätigen,
wie wenn sie wechselseitig zeitlich nacheinander auftreten. Tritt jedoch der seltene
Fall ein, daß beide Impulsfolgen in ihrer Frequenz und in ihrer Phase langzeitig
synchron bleiben, so kann es zweckmäßig sein, die Wechselimpulsfolge am Eingang
der Zählanordnung mittels einer einstellbaren
Phasenverstellung,
vorzugsweise in der Standardfrequenzquelle zu verschieben.
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Eine quantitative Betrachtung der im Beispiel genannten Impulsfrequenzen
zeigt, daß bei der Erfindung bereits einige Sekunden Meßzeit genügen, um einen Gangunterschied
von nur wenigen Sekunden pro Tag deutlich anzuzeigen.
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Abb. 2 zeigt eine an sich bekannte Ausführungsart für einen Quarzschwinger
108 mit einem aus zwei Doppeltrioden 201, 202 bestehenden Impulsformer 109 und dem
Ausgang 203. Auch für die Frequenzteilerstufe 110 können bekannte Dezimaluntersetzerstufen
verwendet werden.
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Das Ausführungsbeispiel eines Frequenzteilers nach Abb. 3 besitzt
eine Dezimalzählstufe 301, einen Rückstellmultivibrator 302 mit seinem Ausgang 303,
einer Diode 304 und deren Ausgang 305. Die Verstärker-und V ervielfacheranordnungen
auf dem Wege von der Uhr 101 bis zum Frequenzvervielfacher 106 werden in an sich
bekannter Weise ausgebildet.
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An den Frequenzteiler nach Abb. 3 schließt sich die in Abb.4 dargestellte
erfindungsgemäße Summen-Differenzzählstufe 107 mit der Rückstelleinrichtung 111
mit Zahlenvorwahl an.
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Die Stufe 107, 111 besitzt eine Zählröhre 401 mit der linken Ablenkplatte
402, der rechten Ablenkplatte 403, dem Gitter 404, dem Schlitzgitter 405 und einer
mit der rechten Ablenkplatte 403 leitend verbundenen Elektrode 406. Weiterhin ist
ein Rückstellmonovibrator 407 vorhanden, dessen linkes Triodensystem I an einem
Spannungsteiler 408, 409 liegt. Der zwischen den Widerständen 408, 409 liegende
Anschlußpunkt 410 ist über eine Diode 411 an die mit der rechten Ablenkplatte 403
verbundene Elektrode 406 angeschlossen. Zwischen dem Gitter 404 und dem Ausgang
der Diode 411 liegt ein Kondensator 412.
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Während dem vorbeschriebenen System 107, 111 die Impulse vom Quarzschwinger
108 bzw. dem Impulsformer 109 und dem Frequenzteiler 110 über die schon genannte
Diode 304 zugeführt werden, gelangen die Impulse von der Uhr 101, dem Mikrophon
102, dem Verstärker 103, dem Impulsformer 104 und dem Frequenzvervielfacher 106
über einen Ausgang 413 und eine Diode 414 zur Stufe 107, 111.
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Am Ausgang 303 des Rückstellmonovibrators 302 (vgl. Abb. 3) treten
beispielsweise negative Impulse einer Impulsfolgefrequenz von 1 kHz der konstanten
Standardfrequenz des Quarzschwingers 108 auf. Die Diode 304 ist im Dauerbetrieb
gesperrt. Die am Ausgang 303 auftretenden negativen Impulse besitzen eine Amplitude,
die es ihnen erlaubt, die Sperrung der Diode 304 zu überwinden und zur linken Ablenkplatte
402 der Dezimalröhre 401 zu gelangen.
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Die von der zu messenden Uhr 101 über den Frequenzvervielfacher 106
am Ausgang 413 eintreffenden positiven Impulse können über die normalerweise gesperrte
Diode 414 ebenfalls zur linken Ablenkplatte 402 der Röhre 401 gelangen. Jedoch können
die negativen Impulse vom Ausgang 303 bzw. von der Diode 304 nicht rückwärts durch
die Diode 414 zum Ausgang gelangen, da die Diode 414 bei Fehlen eines positiven
Impulses am Ausgang 413 für die von oben kommenden negativen Impulse gesperrt ist.
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Ebenso können vom Ausgang 413 über die Diode 414 eintreffende positive
Impulse die Diode 304 nicht passieren, wenn nicht gleichzeitig am Ausgang 303 ein
negativer Impuls eintrifft. Die Impulsserien vom Quarzschwinger 108 und von der
zu messenden Uhr 101 treffen demnach mit verschiedener Polarität und zeitlich abwechselnd
an der Zählröhre 401 ein. Treffen sie nicht wechselweise, sondern gleichzeitig ein,
so schließen sich beide Zuleitungswege bereits vor der Zählröhre 401 gegenseitig
kurz, so daß diese von den Impulsen nicht betätigt werden kann.
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Die Zählröhre 401 zählt infolge der sie abwechselnd beaufschlagenden
positiven und negativen Impulse jeweils je einen Schritt vor- und rückwärts. Treffen
die positiven Impulse vom Meßweg 101 bis 106 schneller oder langsamer als die negativen
Impulse vom Vergleichsweg 108 bis 110 ein, so wird die Zählanzeige in der Zählröhre
401 mehr oder weniger rasch nach rechts oder links, d. h. zu höheren oder niederen
Ziffern verstellt.
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Die Zählröhre 401 ist erfindungsgemäß so mit einem Monovibrator 407
zusammengeschaltet, daß dieser mit Zahlenvorwahl die Zählröhre 401 in dem Augenblick
auf Zählbereichmitte zurückstellt, in dem der Zählzustand der Zählröhre 401 die
obere oder untere Grenze ihres Zählbereichs überschreitet. Bei bekannten Dezimalzählröhren
mit zehn stabilen Elektronen -strahlstellungen wird unter Ausnutzung des Schlitzgitters
405 das Erreichen der unteren oder oberen Zählbereichsgrenze durch einen beispielsweise
positiven Signalimpuls an diesem Gitter 405 angezeigt. Die Stellung des den Zählzustand
dieser Röhre anzeigenden Elektronenstrahls E wird im wesentlichen durch das Potential
der rechten Ablenkplatte 403 beeinflußt.
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Den Strahlstellungen 0 bzw. 4 bzw. 9, die die entsprechenden Ziffernwerte
des Zählzustandes der Röhre anzeigen, mögen die Potentiale 100 bzw. 170 bzw. 240
Volt der rechten Ablenkplatte 403 entsprechen. Die Rückstellsignale vom Schlitzgitter
405 müssen also die Rückstellung des Elektronenstrahles E aus den Stellungen g oder
0 auf die Stellung 4 dadurch bewirken, daß sie die am Ende des Zählbereiches an
den Ablenkplatten 402/403 erreichten Potentiale 240 bzw. 100 Volt (Ziffer 0 bzw.
Ziffer 9) auf das Mittelpotential 170 Volt einstellen.
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Zu diesem Zweck wird der jeweilige positive Signalimpuls vom Gitter
405 dem linken Triodensystem I des Rückstellmonovibrators 407 zugeführt. Dieses
linke Triodensystem ist normalerweise gesperrt. Im Augenblick des Eintreffens des
Signalimpulses vom Schlitzgitter 405 wird dieses Triodensystem leitend und erniedrigt
das Potential am Punkt 410 von dem ursprünglich hohen Dauerpotential von beispielsweise
300 Volt auf ein mittels des Spannungsteilers 408/409 voreingestelltes vorübergehendes
Potential von 170 Volt, entsprechend dem Potential an der rechten Ablenkplatte 403
der Röhre 401 für die mittlere Zählbereichsziffer. Infolge des Absinkens des Potentials
am Punkt 410 wird das Gitter 404 der Zählröhre 401 vorübergehend so
negativ, daß der Elektronenstrahl E gelöscht wird. Die miteinander verbundenen Elektroden
403 und 406 führen dann keinen Strom aus dem Elektronenstrahl E mehr und sind bestrebt,
das hohe Dauerpotential der Betriebsspannung anzunehmen.
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Entsprach der Ausgangszustand der Zählröhre 401 der Ziffer 0 mit einem
Potential von 240 Volt an den Elektroden 403/406, so wurde die Diode 411 im Augenblick
des Absinkens des Potentials am Punkt 410 bereits leitend, und die Elektroden 403/406
würden spontan das Potential (170 Volt) des Punktes 410 annehmen. Wäre jedoch das
Ausgangspotential an den Elektroden 403/406 entsprechend der Ziffer 9 ursprünglich
100 Volt und würde nach Dunkeltastung des Elektronenstrahles E die Spannung des
Elektrodenpaares 403/406, von dem Wert von 100 Volt ausgehend,
sich
rasch auf das Potential der Betriebsspannung erhöhen, so würde die Diode 411 in
dem Augenblick leitend werden, in dem die Elektroden 403l406 das Potential des Punktes
410 erreichen.
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Von beiden Seiten her, d. h. sowohl von der Ziffer 9 als auch von
der Ziffer 0 her, wird somit eine voreingestellte Mittelbereichsziffer, im vorliegenden
Falle die Ziffer 4 (1.70 Volt), wieder erreicht und zur Anzeige gebracht, sobald
nach Entladung des Kondensators 412 das Gitter 404 der Röhre 401 wieder so positiv
wird, daß der Elektronenstrahl E wieder erscheint. Nach Rückkippen des Rückstellmonovibrators
407 wird die Diode 411 wieder gesperrt, und die Zählung kann von neuem beginnen.
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Um nicht nur an der mehr oder weniger raschen Aufeinanderfolge der
Rückstellungen die Größe der Frequenzdifferenz, im vorliegenden Falle des Gangfehlers,
erkennen, sondern ihn messen zu können, empfiehlt es sich, in an sich bekannter
Weise die Rückstellimpulse des Monovibrators 407 dahintergeschalteten Zählröhren
zuzuführen.