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Kurzzeitmeßvorrichtung zum Messen von Zeitdifferenzen bei langsam
wiederholbaren Vorgängen Seit vielen Jahren haben die Methoden der Radartechnik
Eingang gefunden in die physikalische Kurzzeitphysik und unter anderem zur Bestimmung
von Fehlerorten in Kabeln und auf Freileitungen. Bei dieser Anwendung, aber auch
bei vielen meßtechnischen Aufgaben der Kurzzeitphysik, sind zwei Forderungen gleichzeitig
zu erfüllen, die nicht ohne weiteres miteinander in Einklang zu bringen sind.
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In der Regel kann der Auslöseimpuls bei der Messung kurzzeitiger physikalischer
Vorgänge bzw. der Primärimpuls bei der Messung von Fehlerorten in Kabeln und auf
Freileitungen nur mit relativ niedriger Impulsfolge erzeugt werden, weil häufig
die zu untersuchenden Vorgänge nicht schnell wiederholbar sind und bei den Fehlerortgeräten
die Wiederholungsfrequenz der Primärimpulse in Beziehung steht zu der Weite der
Kabelstrecken, die zu messen sind.
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Eine niedere Impulsfolgefrequenz bereitet für eine genaue Zeitmessung
besondere Schwierigkeiten. Die bekannten Verfahren sehen vor, daß bei der niederen
Impulsfolgefrequenz ein frequenzkonstanter Generator gleich der Impulsfolgefrequenz
verwendet wird, mit dem einerseits die Primärimpulsfolge synchronisiert wird und
andererseits über Phasenschieber die Ablenkspannung. Da in der Regel die verwendeten
Impulsfolgefrequenzen bei etwa 500 bis 1000 Hz liegen und die erforderliche Zeitmeßgenauigkeit
etwa 1 - 10-a Sekunden betragen muß. werden außerordentlich hohe Forderungen an
den Phasenschieber gestellt.
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Diese Geräte sind auch kompliziert: es werden zwanzig und mehr Röhren
für sie benötigt. Ein Fortschritt für derartige Meßgeräte ist daher daraus zu sehen,
daß ein genauere Zeitmessungen zulassender Weg gefunden und Einsparung an Röhren
erzielt wird.
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Die Erfüllung dieser Forderungen erfolgt erfindungsgemäß dadurch,
daß eine Wechselspannung der Frequenz vh auf zwei Kanäle aufgeteilt und zeitstarr
auf zwei Impulsfolgen einer tiefen Folgefrequenz vb heruntergeteilt wird, von deren
die eine gegenüber der anderen mittels ähnlich oder analog einem Goniometer gebauten
Phasenschiebers und mit der Wechselspannung der Frequenz rh zeitlich um streng meßbare
Beträge zum Zwecke von Zeitdifferenzmessungen hoher Genauigkeit bis zum Vielfacher,
der Periodendauer der Frequenz vh verschiebbar ist.
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Die eine Impulsfolge dient zur Auslösung eines Sendesignals für Echomessungen.
und die andere zur Auslösung einer Abienkspannung und eines Helltastimpulses für
eine Kathodenstrahlröhre. Zum Zwecke der Zeitmessung kann die eine Impulsfolge mittels
eines Goniometers oder ähnlicher. Phasenschieberanordnung zum Zwecke der Ausmessung
von Signallaufzeiten in der Zeit meßbar verschoben werden. Der Phasenschieber wird
zum Zwecke ausreichender Entkopplung durch zwei räumlich getrennte Feldspulenpaare
gebildet, deren eines Spulenpaar von dem Schor ingstrom des einen Kreises und deren
anderes von dem des anderen Kreises durchflossen wird und in deren hochfrequenten
Magnetfeldern je eine Spule auf ein Ferromagnetikum aufgewickelt ist und die Spulen
gegeneinander um 90` auf der Achse verdreht und hintereinandergeschaltet sind und
die Achse der Spulen, mit einem Zeiger versehen ist, der über einen geeichten Vollkreisteilen
um beliebige Vielfache von 360 drehbar ist, wobei die additiv in den Spulen entstehende
Wechselspannung über bekannte schleifende Abnehmer herausgeführt wird und die in
der Phase meßbar verschiebbare hochfrequente Wechselspannung darstellt.
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lt. den Zeichnungen sind in den Fig. 1 bis 4 Schaltbilder für die
Kurzzeitmeßvorrichtung nach der Erfindung dargestellt.
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Für die Zeitmessung wird von eitler hochfrequenten Wechselspannung
rh', vh" Röl (Fig. 1), z. B. 100 kHz oder mehr, ausgegangen und aus
dieser über einen Phasenschieber Ph eine phasenverschobene Wechselspannung erzeugt.
die willkürlich einstellbar ist und beliebige Vielfache von 360' betragen kann.
Dieser Phasenschieber wird aus zwei hochfrequenten Feldspulenpaaren E,. E= gebildet,
die von zwei in der Phase um 90- gegeneinander verschobenen Wechselspannungen v,,',
rh" des Muttergenerators Qu gespeist werden und in deren magnetischem Wechselfeld,
ähnlich wie
in einem Drehspulinstrument bzw. Goniometer, je eine
vorzugsweise auf ferromagnetischem Material aufgewickelte Induktionsspule sitzt.
Die beiden Elektromagneten werden so angeordnet, daß die in den Wechselfeldern angeordneten
Induktionsspulen Sp,, Spe auf einer Achse, zweckmäßig in getrennten Räumen,
hintereinanderliegen. Werden die Spulen gegeneinander um 90° versetzt bzw. die magnetischen
Felder und die Spulen hintereinandergeschaltet und für hochohmige Belastung gesorgt,
dann entsteht als Additionsspannung über den Spulen am hochohmigen Belastungswiderstand
eine in der Phase beliebig verschiebbare Wechselspannung. Wegen der Durchdrehbarkeit
des Spulensystems wird die Wechselspannung je nach Drehung um das Vielfache von
360° verschoben. Die Phasenverschiebung ist an einem Teilkreis mit einer hohen Genauigkeit
mit Sicherheit bei 100 kHz Mutterfrequenz entsprechend einer Zeitverschiebung von
I - 10-8 Sekunden noch ablesbar. Die Eichung muß gegebenenfalls empirisch erfolgen.
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Die Speisespannungen für den Phasenschieber Ph werden zweckmäßig durch
ein Trioden-Pentoden-System gewonnen, in dem mit dem Triodensystem der Generator,
etwa ein Quarzgenerator Qu, erregt wird, mit dessen Wechselspannungen das Pentodensystem
gesteuert wird, in dessen Anodenkreis die Speisespulen Sp,, Spa der beiden Feldspulenpaare
El, EZ hintereinandergeschaltet und durch Parallelkapazitäten gegenüber der Frequenz
des Generators Qu bezüglich der einen Spule um +45°, bezüglich der anderen um -45°
verstimmt werden.
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Aus der in der Phase um genau meßbare Beträge verschobenen Wechselspannung
wird zweckmäßig in einfacher Weise über bekannte Diodenabschneideschaltungen D und
Differenzierglieder, im Beispiel eine 100-kHz-Impulsfolge, gewonnen, die in einem
oder mehreren nachfolgenden Frequenzteilern in zwei Kanäle I und 11 R62 bis R65
(Fig. 1) auf die Impulsfolgefrequenz heruntergeteilt wird, mit der der Auslöseimpuls
betrieben werden soll. In der Fig. 1 bilden zwei Frequenzteiler n : 1 und
m : 2 als Beispiel diese Frequenzteiler. Das Tellerverhältnis oder die Tellerstufen
können beliebig sein.
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Von dem Frequenzteiler der Rö4 und Rö5 im Kanal II wird gegebenenfalls
über eine Vorröhre ein Auslöseimpulsgeber Imp. Rö7 betrieben. Dieser Impuls wird
zur Auslösung des zu messenden Vorganges verwendet oder in bekannter Weise über
eine Symmetrierschaltung einerseits an ein Kabel K und andererseits an einen Verstärker
Rö8, Rö9 geleitet, dessen Ausgang an den senkrecht ablenkenden Plattenpaaren einer
Braunschen Röhre B, liegt. Diese Röhre dient zur zeitlichen Ausmessung des erregten
Vorganges und benötigt daher eine Ablenkspannung für die horizontal ablenkenden
Plattenpaare. Sie wird über einen vom Hochfrequenzgenerator Qu direkt gespeisten
Frequenzteiler Rö2 und Rö3 im Kanal l beschafft, der die gleiche Unterteilung wie
R64 und R65 liefert.
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Die Gewinnung der Ablenkspannung erfolgt durch Synchronisation eines
Multivibrators Rö6 für die Helltastung und eines Kippspannungserzeugersin der Röhre
Rö6, indem diese Schalteinheit vom Ausgang der Frequenzteilung R63 synchronisiert
wird. Die Ablenkspannung für die höchste Zeitauflösung kann gegebenenfalls über
einen Resonanzverstärker Rö 10
(Fig. 2) aus der hochfrequenten Wechselspannung
des Muttergenerators Rö10 (Fig.2) gewonnen werden, wobei gleichzeitig durch den
Helltastmultivibrator Rö6 in der mit einer dem Auslöseimpuls entsprechenden Folgefrequenz
derjenige Teil der hochfrequenten Wechselspannung durch Helltastung des Kathodenstrahls
der Braunschen Röhre B, für die Zeitachsenschreibung sichtbar gemacht wird, indem
die Sinuswechselspannung nahezu zeitlinear verläuft.
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Mit einer solchen Anordnung ist mit acht bis elf Röhren das Gerät
vollständig und funktionstüchtig. Die Frequenzteilungen können praktisch genügend
zeitstarr gemacht werden, und der Phasenschieber läßt eine Zeitauflösung bis zu
1 - 10-8 Sekunden zu. Sie kann durch Wahl einer höheren Generatorfrequenz praktisch
beliebig erhöht werden. Auch kann die Auslöseimpulsfolgefrequenz durch Änderung
des Tellerverhältnisses beliebig weit herabgesetzt werden.
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In der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist eine weitere Einsparung
dadurch bewerkstelligt worden, daß der Frequenzteiler im Kanal I, aus dem die Ablenkspannung
mit einer Frequenz gleich der Folgefrequenz der Auslöseimpulse gewonnen wird, um
mindestens eine Stufe vermindert werden kann auf Rö3. Diese Verminderung wird dadurch
ermöglicht, daß der Muttergenerator Röl* auf einer tieferen Frequenz vh beispielsweise
gleich
läuft und aus ihm nach Frequenzvervielfachung durch eine Steuerung mittels der Verbindungen
B-B' und A-,4'
schließlich eine hochfrequente, ±45° phasenverschobene Wechselspannung
vh', vh" gleich 100 kHz gewonnen wird, mit der der Phasenschieber Ph zu
speisen
ist.
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Eine weitere Einsparung an Röhren ergibt sich, wenn von dem Triodenteil
einer Röhre Rö 1 b* ein Quarzgenerator Qu (Fig. 3) betrieben wird,
der auf einer Frequenz v, arbeitet, die der zulässigen Impulsfolgefrequenz des Auslöseimpulses
entspricht. Aus ihm wird dann gemäß Schaltbild Fig. 3 durch drei- bzw. viermalige
Vervielfachung die hochfrequente Speisespannung f ür den Phasenschieber gewonnen,
aus dessen phasenverschobener Wechselspannung durch Frequenzteilung über Rö4 und
Rö5 im Kanal II eine Auslöseimpulsfolge der Frequenz v, gewonnen wird. Die Ablenkspannung
für die Zeitbasis kann entweder aus einer von dem Quarzgenerator synchronisierten
Helltast- und Ablenkeinheit R66 (Fig. 1, 2) gewonnen werden oder direkt aus den
Wechselspannungen der einzelnen Tellerstufen selber über eine Verstärkerstufe Rö
10 mit abgestimmten Kreisen in der Anodenleitung. Die Helltastung kann entweder
über einen Multivibrator Rö6 oder unmittelbar unter Ausnutzung des Impulsstromes
im Quarzgenerator gewonnen werden, indem dieser z. B. in der Kathodenzuleitung oder
im Anodenkreis H einen so abgestimmten Kreis anstößt, daß seine Halbwelle direkt
oder in bekannter Weise nach Abschneiden mit einer Diode zur Helltastung herangezogen
werden kann. Um zu vermeiden, daß der Kreis H gedämpft weiterschwingt, wird die
Energie der nicht benutzten Halbwelle mit einem Gleichrichter D* vernichtet.
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Ein eventuell erforderlicher Phasenausgleich bei den einzelnen Wechselspannungen
der Vervielfacherstufen gegenüber dem Helltastimpuls kann durch Verstimmung der
Anodenkreise im Ablenkverstärker Rö 10
erfolgen.
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Mit der für die Messung erforderlichen hochfrequenten Wechselspannung
kann eine kombinierte Frequenzvervielfachungs- und Wechselspannungsüberlagerung
vorgenommen werden (Fig.4). Es wird von
einer Frequenz ausgegangen,
die in der Röhre Rö 16* mit einem Quarz Qu und mit der Frequenz
erzeugt und im Anodenkreis zu einer Wechselspannung der Frequenz cal = 3 coo verdreifacht
wird (Kanal la). Aus ihr wird eine Steuerspannung an das Gitter des Triodenteils
von Röhre Rölb* geführt und in der Anode dieser Triode eine Wechselspannung der
Frequenz co2=3co1=9-(oo=2z-30kHz gewonnen (Kanal lb). Mit dieser Wechselspannung
wird weiter über das Gitter des Triodenteils der Röhre Röla* eine Wechselspannung
der Frequenz cv3=3-co2=2n-90kHz erhalten. Diese Wechselspannung wird im Pentodenteil
der Röhre Röla* mit der Wechselspannung der Frequenz «)l = 2 :t - 10 kHz
gemischt und aus dieser Überlagerung im Anodenteil der Pentode von Röla* eine Wechselspannung
einer Frequenz von wa + wo entsprechend einer Frequenz von 100 kHz entnommen. Diese
wird durch die Frequenzteiler Rö4 und Rö5 auf
geteilt, womit für diesen Kanal II eine Impulsfolge der gleichen Frequenz erhalten
wird, wie sie die Wechselspannung aus der Quarzstufe Qu besitzt. Diese Wechselspannung
wird über eine Helltaströhre Rö6 für die Auftastung der Kathodenstrahlröhre B,.
verwendet. An Stelle der im Beispiel gewählten Frequenzen lassen sich auch andere
wählen.
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Zur Erzielung einer Phasenverschiebung wird in den Anodenkreis von
Röla* oder von Rölb* der für die Phasenverschiebung erforderliche Phasenverschieber
Ph zweckmäßig in der Form eines Goniometers eingeschaltet. In Fig. 4 ist der Phasenschieber
Ph in den Anodenkreis von Rölb* gesetzt worden.