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Verfahren und Einrichtung zur Registrierung eines elektrischen Spannungsverlaufs
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Registrierung eines elektrischen
Spannungsverlaufs, der mit Hilfe eines Kathodenstrabloszillographen und einer Kamera
in Form von Linien, deren Längen Augenblicliswerten des Spannungsverlaufs entsprechen,
auf einem Film aufgezeichnet wird.
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Es sind Verfahren bekannt, bei denen ein Vorgang mit Hilfe eines
Kathodenoszillographen gemessen und das Meßergebnis sichtbar gemacht wird.
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Bei einem bekannten Verfahren werden bis zu fünfzig Einzelwerte,
und zwar Temperaturwerte, meßtechnisch erfaßt und auf dem Schirm einer Braunschen
Röhre zur Anzeige gebracht. Im Verein mit einer Eichskala ermöglicht dies die Ablesung
der Einzelwerte.
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Es ist ferner bekannt, die Anzeige eines Kathodenstrahloszillographen
durch Aufnahme auf einem in Bewegung befindlichen Film oder lichtempfindlichem Papier
zu registrieren. Eine Auswertung solcher Diagramme erfolgt dann durch Messung. Bei
einer be-Kannen Ausbildung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
ist es möglich, bis zu drei Einzelwerten gleichzeitig zu registrieren.
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Bei allen derartigen Verfahren ist das Vermessen und Auswerten der
Diagramme aber umständlich und zeitraubend, und das gleichzeitige Registrieren einer
größeren Anzahl von Einzelwerten ist aus diesem Grunde bisher nicht ins Auge gefaßt
worden.
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Dieser Nachteil bei der Vermessung und Auswertung wird bei dem eingangs
genannten Verfahren dadurch vermieden, daß das Positiv der Filmaufzeichnung mit
konstanter Vorschubgeschwindigkeit abgetastet und die dem jeweiligen Meßwert entsprechende
Abtastzeit gemessen wird.
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In den Zeichnungen sind eine beispielsweise Ausführungsform einer
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sowie einzelne der
dabei auftretenden Spannungsverläufe schematisch dargestellt.
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Fig. 1 zeigt die Einrichtung zur Aufzeichnung der Augenblickswerte
auf einem Film; Fig. 2 zeigt das der Einrichtung gemäß Fig. 1 entsprechende Blockschaltbild;
Fig. 3 bis 9 zeigen Spannungsverläufe, die an verschiedenen Meßstellen der Einrichtung
gemäß Fig. 2 auftreten; Fig. 10 zeigt eine Einrichtung, mit welcher die auf dem
Film registrierten Spannungsverläufe zu Ziffernwerten ausgewertet werden; Fig. 11
zeigt ein der Fig. 10 entsprechendes Blockschaltbild; Fig. 12 bis 29 zeigen Spannungsverläufe,
die an verschiedenen Meßstellen der Einrichtung gemäß Fig. 11 auftreten.
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Bevor eine Einzelbeschreibung vorgenommen wird, werden die wesentlichen,
im Schaltbild am häufigsten vorkommenden Einheiten, nämlich Kathodenmischstufe,
nachstehend als Mischstufe bezeichnet, Schmidtscher Triggergenerator und Integratoren,
beschrieben.
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Eine Mischstufe besteht aus zwei oder mehr Trioden, für jeden Eingang
eine, wobei die Röhren einen gemeinsamen Kathodenwiderstand aufweisen. Die Anoden
sind an geeignete Speisespannungen angeschlossen.
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Jeder Eingang der Mischstufe ist an sein Gitter und der Ausgang an
die gemeinsamen Kathoden angekoppelt. Von einer solchen Mischstufe kann in den hier
vorkommenden Fällen hinsichtlich der Wirkungsweise prinzipiell gesagt werden, daß
die Ausgangsspannung den gleichen Wert wie die höchste Eingangs spannung hat. Der
Schmidtsche Triggergenerator ist ein Multivibrator mit zwei stabilen Stellungen.
Welche Stellung der Triggergenerator einnimmt, hängt von dem Eingangsniveau ab.
Liegt dieses über dem oberen Umschlagsniveau, so nimmt der Triggergenerator die
eine Stellung, nachstehend erste Stellung genannt, ein.
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Liegt das Eingangsniveau unter dem unteren Umschlagsniveau, nimmt
der Trigger die andere Stellung, im folgenden als andere Stellung bezeichnet, ein.
Liegt das Eingangsniveau zwischen den Umschlagsniveaus, wird die erste Stellung
eingenommen, wenn das obere Umschlagsniveau zuletzt passiert worden ist, und die
andere Stellung, wenn das untere Umschlagsniveau
zuletzt passiert
worden ist. Der Triggergenerator hat also auf die gleiche Weise Hysterese wie ein
Relais. (Hinsichtlich des Schmidtschen Triggergenerators vgl. beispielsweise Puckle,
O. S., Time Bases, Chapman 8: Hall Ltd., 1944.) Nachstehend wird die Bezeichnung
Triggergenerator angewendet. Die vorkommenden Integratoren werden so von Triggergeneratoren
gesteuert, daß der Triggergenerator in der ersten Stellung über Dioden die Spannungen
an dem Eingangsgitter des Integrators und an dessen Ausgang fixiert.
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Wenn der Triggergenerator in die andere Stellung umgeschlagen ist,
werden diese Spannungen freigegeben, und der Integrator fängt an, eine konstante
negative Spannung zu integrieren, wobei man am Ausgang eine zeitlich linear ansteigende
Spannung erhält. Geht der Triggergenerator in die erste Stellung zurück, geht auch
der Integrator schnell auf seine Sperrstellung zurück. Was auf diese Weise gesteuerte
Integratoren betrifft (vgl. Kapitel 7 in Teil 19 der Radiation Laboratories Series,
McGraw-Hill Book Company, Inc..
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1949).
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In Fig. 1 bezeichnet K eine Kathodenstrahlröhre, die von den Aufzeichnungskreisen
IK gesteuert wird, denen der Meßverlauf in Form einer elektrischen Spannung zugeführt
wird. 0 ist ein Objektiv, das den Kathodenstrahl auf einen Film F abbildet. Die
Bewegungsrichtung des Films ist mit dem Pfeil X bezeichnet, dessen Querrichtung
mit dem Pfeil Y. Der Elektronenstrahl wird in der Querrichtung abgelenkt, aber die
Linien, die sich auf dem Film abzeichnen und die als eine Reihe paralleler, gerader
Linien gezeigt sind, weichen auf Grund der Bewegung des Films einen kleinen Winkel
von der Querrichtung ab. Die genannten Winkel werden nachstehend a genannt. Die
gestrichelte Linie, von der die auf dem Film gezeichneten Linien ausgehen, werden
nachstehend mit y=O in dem von der x- und y-Richtung gebildeten Koordinatensystem
bezeichnet.
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Während der Aufzeichnungszeit wird ein negativer Rechteckimpuls 1
zu einer Mischstufe Bl 1 gesandt, die schematisch zusammen mit allen anderen in
den Aufzeichnungskreisen IK enthaltenen Einheiten in Fig. 2 gezeigt ist. Die Form
des Impulses ist in Fig. 3 gezeigt. Der Impuls wird der Mischstufe bei dem Eingang
zugeführt, der in Fig. 2 mit 1 bezeichnet ist. Der Mischstufe werden außerdem ununterbrochen
negative Spannungsimpulse zugeführt (s. die Kurve 2 in Fig. 4 beim Eingang 2). Die
Bezugsniveaus für die Spannungskurven sind, wenn sie nicht mit den wirklichen Niveaus
zusammenfallen, im Spannungsdiagramm als gestrichelte Linien gezeichnet. Der Spannungsimpuls
2 wird mit genau bestimmter Folgefrequenz von einem ImpulsgeneratorPG erzeugt. Jeder
Impuls auf der Kurve 2 startet über die Mischstufe Bil, einen Triggergenerator Tr
1, einen Integrator Itgl, eine Mischstufe B13 und einen y-Verstärker a,-F eine Auslenkung
auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre K. Gleichzeitig wird die Intensität des Elektronenstrahls
der Röhre K vom Triggergenerator Trl gesteuert. Die Ausgangsspannung 6 des Integrators
(s. Fig. 5) wird einem Komparator Kp zugeführt, dessen anderer Eingang an die Spannung
5 angeschlossen ist, die gemessen werden soll. Die Komparatoren sind auf S. 340
in Teil 19 der Radiation Laboratories Series beschrieben, und der Komparator Kp
ist so ausgeführt, daß er einen positiven Spannungsimpuls auf seiner Spannungskurve
3 (s. Fig. 6) jedesmal dann abgibt, wenn die Spannung 6 die Meßspannung 5 erreicht.
Die Spannung 4, die von der Mischstufe Bil bis vor zum Triggergenerator Trl reicht,
ist in Fig. 7 gezeigt. In der
Figur sind das obere und das untere Umschlagsniveau
des Triggergenerators mit strichpunktierten Linien gezeigt. Es geht daraus hervor,
daß diese von Spannungsimpulsen überschritten werden, die teils vom Impulsgenerator
und teils vom Komparator erzeugt werden. Die vom Triggergenerator zur Kathodenstrahlenröhre
K ausgesandte Spannung ist in Fig. 8 als Kurve 7 und die zum Integrator ausgesandte
Spannung in Fig. 9 als Kurve 8 gezeigt.
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Die Registrierung geschieht auf folgende Weise: Die von der Mischstufe
Bl 1 auf den TriggergeneratorTrl. übertragene Spannung 4 ist aus den Spannungskurven
1, 2 und 3 durch Auswahl der jeweils höchsten der Spannungen zusammengesetzt. Beim
ersten Teil der Kurve 4 befindet sich die Spannung oberhalb der oberen strichpunktierten
Linie, die das obere Umschlagniveau des Triggergenerators angibt.
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Der Triggergenerator nimmt also seine erste Stellung ein. Die Spannung
4 passiert das untere Umschlagniveau des Triggergenerators zum ersten Mal, wenn
ein Impuls der Spannung 2 erzeugt wird, nachdem die Spannung 1 ihr unteres Niveau
eingenommen hat. Der Triggergenerator schlägt dann in seine zweite Stellung um.
Der Integrator ltg 1 beginnt nun eine konstante Spannung zu integrieren, wobei eine
zeitlich linear steigende Spannung entsteht. Diese ist in Fig. 5 mit 6 bezeichnet.
Die Spannung 6 wird dem Komparator Kp zugeführt, der, wenn die Spannung den gleichen
Wert hat wie die Meßspannung 5, einen Spannungsimpuls gemäß Kurve 3 in Fig. 6 erzeugt.
Der Spannungsimpuls auf der Kurve3 gibt den Anlaß dazu, daß der Triggergenerator
Tr 1 in die erste Stellung zurückkehrt, und der Integrator hört zu integrieren auf
und nimmt schnell seine Sperrstellung ein. Dies wiederholt sich bei jedem vom Impulsgenerator
PG ankommenden Impuls. Die linear ansteigenden Spannungen 6 durchlaufen den y-Verstärker
y-F und kommen von da zur Kathodenstrahlenröhre, auf der Ablenkbewegungen mit Längen,
die den Linien 6 entsprechen, erzeugt werden.
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Zwischen dem Integrator Itg 1 und dem y-Verstärker y-F ist eine Mischstufe
B13 eingeschaltet, an deren zweiten Eingang eine solche konstante niedrige Spannung
gelegt wird, die keinen Einfluß hat. Die Mischstufe B13 wird nur beim Abspielen
angewendet. ist aber auch beim Aufzeichnen im Kreis, um in beiden Fällen gleiche
Linearitätsverhältnisse zu erreichen.
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Die auf der Kathodenstrahlröhre erhaltenen Linien werden auf dem
in Fig. 1 gezeigten Film F abgebildet.
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Nach dem Entwickeln und Kopieren des Films erhält man einen schwarzen
Filmstreifen, auf dem die registrierten Augenblickswerte in Form durchsichtiger
Striche aufgezeichnet sind. Um eine Zifferregistrierung des Verlaufes zu erhalten,
kann der Film auf folgende Weise abgespielt werden: Die zur Anwendung kommende Einrichtung
ist in Fig. 10 und deren Blockschaltbild in Fig. 11 gezeigt.
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In Fig. 10 ist F der Film mit Linien, die vermessen werden sollen,
0 ist ein Objektiv, K eine Kathodenstrahlenröhre und FAl ein mit einer lichtempfindlichen
Kathode FK versehener Fotomultiplikator. An der dem Fotomultiplikator entgegengesetzten
Filmseite ist eine Blende B angeordnet, die mit einem Schlitz versehen ist. Die
Einrichtung umfaßt Abspielungskreise AK, ein Rechenwerk RV und eine Zifferregistriereinrichtung
Sif.
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Im Blockschaltbild in Fig. 11 sieht man, daß folgende Einheiten aus
Fig. 2 wiederzufinden sind: Mischstufe Bl 1, Triggergenerator Tr 1, Integrator Itgl,
Mischstufe B13, y-Verstärker y-F, Kathodenstrahlenröhre
K und Kamera
Kam. Ein Impulsgenerator PC erzeugt eine Reihe schneller negativer Spannungsimpulse
(s. Kurve 11 in Fig. 12). Diese Impulse werden einer Mischstufe B12, der zusätzlich
eine sägezahnförmige Spannung 12 zugeführt wird, die in Fig. 13 gezeigt wird, zugeführt.
Die von der Mischstufe B12 abgegebene Spannung ist als Kurve 13 in Fig. 14 gezeigt,
worin auch das obere und das untere Umschlagniveau des Triggergenerators Tr2 mit
strichpunktierten Linien gezeigt sind. Die Ausgangsseite der Mischstufe B12 ist
mit dem Triggergenerator Tr2 verbunden, der eine Spannungskurve 14 in Fig. 15 erzeugt.
Ein Integrator Itg2 integriert während der Zeit. während der sich der Triggergenerator
Tr 2 in der anderen Stellung befindet, d. h. von dem Zeitpunkt an. in dem ein Impuls
von PG kommt, bis zu demjenigen, in dem die von Itg2 nach B12 kommende Spannung
das obere Umschlagniveau von Tr2 erreicht. Hierbei wird die Spannungskurve 12 hervorgerufen.
Der Integrator Itg2 lenkt über die Mischstufe B13 und den y-Verstärker y-F den Elektronenstrahl
der Kathodenstrahlenröhre K in der Richtung ab, die der Querrichtung des Films F
entspricht, welche in Fig. 10 mit dem Pfeil y bezeichnet ist. Während dieser Ablenkbewegung
(Abtastkipp) wird die Intensität des Elektronenstrahls von der Rechteckspannung
14 gesteuert.
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Wenn eine Linie auf dem Film F in den Schlitz der Blende kommt, fällt
das Bild der Abtastbewegung auf die Linie, und der Fotomultiplikator FÄl wird von
immer kräftigeren Lichtimpulsen ausgesteuert. Diese Impulse werden in einem Verstärker
F verstärkt, und man findet sie als die drei rechteckigen Spannungsimpulse auf der
Kurve 15 in Fig. 16 wieder. Die Impulse treten in der Kurve 17 in Fig. 18 auf, welche
den Ausgang der Mischstufe Bil zeigt. Die Anzahl drei ist willkürlich gewählt, und
es wird weiter angenommen, daß der vierte Impuls so groß ist, daß das untere Umschlagsniveau
des nachfolgenden Triggergenerators Tr 1 gekreuzt wird. Die oberen und unteren Umschlagniveaus
des Triggergenerators sind in Fig. 18 mit strichpunktierter Linie wiedergegeben.
Der Triggergenerator Tr 1 löst dann über den Integrator ltg 1 durch die Mischstufe
B13 und den y-Verstärker y-F eine langsame Ablenkbewegung aus (den Abspielkipp).
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Der Triggergenerator Tr 1 verursacht zusätzlich einen negativen Spannungssprung
16 (s. Fig. 17) an einer Mischstufe B17, die vorher einen Triggergenerator Tr3 blockiert
hat, dessen Eingangsspannung 18 in Fig. 20 gezeigt ist. Der Triggergenerator Tor
3 kann nun von den vom Fotomultiplikator zu erwartenden Impulsen betätigt werden.
Der negative Spannungssprung in Kurve 16 (Fig. 17) wird mit der sägezahnförmigen
Spannung 21 in Fig. 22 gemischt, so daß die Spannung 22 in Fig. 23 entsteht, welche
das Niveau zur Mischstufe B13 hinunterzieht, so daß die Spannung 23 in Fig. 24 die
Kontrolle des Mischers B13 und dessen Ausgangsspannung 24 in Fig. 25 übernimmt.
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Das führt dazu, daß die Abtastbewegungen nicht länger am Schirm der
Kathodenstrahlenröhre auftreten. Die Abspielbewegung beginnt auf einem etwas niedrigeren
Niveau als die Abtastbewegung, was bedeutet, daß die Meßablenkung auf den Film F
von einem etwas negativeren y-Wert anfängt, d. h. links von der gestrichelten Linie
auf dem Film in Fig. 10. Vom Integrator Itg2 wird zusätzlich eine pulsierende Spannung
26 (s. Fig. 27) entnommen, die dazu bestimmt ist, den Elektronenstrahl in Richtung
während der Abspielablenkung zur Registrierung abzulenken. Im gezeigten Beispiel
werden diese Impulse der gleichen Quelle entnommen wie die Abtastkipps; die lassen
sich aber auch
ganz unabhängig von diesen erzeugen. Impulse werden durch eine Mischstufe
Bl5 und einen x-Differentialverstärker X-F auf die Kathodenstrahlenröhre K übergeführt.
Vor Auslösung der Meßablenkungen hatten die beiden Eingänge am x-Differentialverstärker
X-F über die MischstufeBl5 und eine MischstufeBl4 die Spannung 16. Irgendwelche
Spannungsdifferenz zwischen den vom Verstärker X-F gesteuerten x-Ablenkplatten in
der Kathodenstrahlenröhre K gab es nicht (s. die Kurve 28 in Fig. 29). Der Elektronenstrahl
war deshalb in Richtung nicht ausgesteuert. Durch den negativen Spannungssprung
in der Kurve 16 erhält die Spannungskurve 25 in Fig. 26 für den Ausgang der Mischstufe
Bl4 ein zu niedriges Niveau, das über den anderen Eingang 25' (s. Fig. 26) der Mischstufe
erhalten wird. Dieses niedrige Niveau ist das Durchschnittsniveau der Spannung 26,
das gleichzeitig die Steuerung der Ausgangsspannung 27 in Fig. 28 der Mischstufe
Bl5 übernimmt. Hierdurch wird das Bild des Elektronenstrahls während des Abspielkipps
symmetrisch um die vom Abtastkipp definierte Linie, die aus Kurve 28 hervorgeht,
ausgesteuert. Für jede Meßbewegung in Richtung bekommt man, wenn sich das Bild des
Elektronenstrahls innerhalb der aktuellen Linie befindet über den Fotomultiplikator
FM, den Verstärker F, die Mischstufe Bl7 und einen an diesen angeschlossenen Triggergenerator
Tr3 einen Impuls zu einem Rechenwerk R 1. Die Umschlagniveaus für den Triggergenerator
Tr 3 liegen dicht beieinander, weshalb die kurzen Spannungsimpulse vom Verstärker
F, die in den Kurven 15 und 18 in Form von Spannungsimpulsen gezeigt sind, Anlaß
zu gleich kurzen Spannungsimpulsen auf der Spannungskurve 19 in Fig. 21 des Triggergenerators
geben.
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Die Länge der Abspielbewegung ist länger als die längste Linie auf
dem Film F. Ein von einem Dämpfungsglied At gedämpfter Teil der Spannung 23 des
Integrators Itgl wird einer Mischstufe BI 6 zugeführt, bei der ein relativ großer
Kathodenwiderstand mit einem Kondensator parallel geschaltet ist. Der Mischstufe
BI 6 wird eine konstante Spannung 20' (s. Fig. 19) zugeführt. Die Spannung vom Abschwächer
wird größer (s. Kurve 20 in Fig. 19), und wenn sie das obere Umschlagniveau des
Triggergenerators Trl erreicht, schlägt der Triggergenerator um, die Abspielbewegung
wird abgebrochen, und die Spannung 23 geht vom Integrieren schnell auf den Ausgangswert
zurück. Die Spannung 20 geht langsam auf die Spannung 20' zurück und behält noch
die Kontrolle über die Ausgangsspannung 17 der Mischstufe Bl 1, weshalb eventuelle
Impulse vom Verstärker F erst dann eine neue Abspielbewegung starten können, wenn
die Spannung 20 unter das untere Umschlagniveau des Triggergenerators Tr 1 gesunken
ist. Während dieser Zeit sind alle übrigen Spannungen auf ihre Ruhestellungen zurückgelaufen.
Die Abspielbewegung wird erneut von der Abtastbewegung ausgelöst, wenn die nächste
Linie des Films F in den Schlitz der Blende B kommt. Die Spannung 16 wird einem
Rechenwerk R2 zugeführt, das für jeden negativen Spannungssprung der Spannung 16
eine Einheit registriert. Diese Spannung wird zusätzlich einer Zifferregistriereinrichtung
Reg zugeführt, die für jeden positiven Spannungssprung in der Spannung 16 die Einstellung
der beiden Rechenwerke R 1 und R 2 fortschaltet. Nach vorgenommener Registrierung
wird das Rechenwerk R 1 zurückgestellt.
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Zwischen den Augenblicksspannungswerten der Spannungsverläufe und
der Länge der entsprechenden Linie auf den Film F muß keine Proportionalität herrschen.
Dadurch, daß man die gleiche Kathodenstrahlenröhre
beim Aufzeichnen
und beim Abspielen verwendet, und auf Grund dessen, daß die Aufzeichnungskreise
in den Abspielkreisen enthalten sind, erhält man in allen Fällen Proportionalität
zwischen der registrierten Impulszahl und dem Spannungswert.