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Einrichtung zur Anzeige oder Regelung einer Frequenz Es ist bereits
eine Einrichtung zur Frequenzmessung bekannt, bei der ein in einem Gleichstromkreis
liegender Kondensator durch einen synchron mit der zu messenden Frequenz bewegten
Schalthebel aufgeladen und entladen wird, und bei der der Entladestrom mit einem
Gleichstromi.nstrunient gemessen wird und als Maß für die zu messende Frequenz dient.
Die bekannte Einrichtung ist nur für sehr niedrige Frequenzen zu gebrauchen, da
die synchronen Schwingungen des Schalthebels infolge der Trägheit der zu bewegenden
Masse nur bei niedrigen zu messenden Frequenzen gewährleistet sind.
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Es ist weiterhin auch bekannt, höhere Frequenzen dadurch zu messen,
daß die Ladung oder Entladung des Kondensators oder beide durch gittergesteuerte
Entladungsröhren gesteuert und der Lade- oder Entladestrom oder beide gemessen -werden.
Diese Meßeinrichtungen sind jedoch hinsichtlich der Höhe der zu messenden Frequenz
insofern in ihrer Verwendbarkeit begrenzt, als die Kondensatoraufladung innerhalb
einer Halbperiode vollständig erfolgen muß. Würde der Kondensator nur unvollständig
aufgeladen, so hätte dies Meßfehler zur Folge, da die einzelnen Entladestromstöße
bei der Messung summiert werden.
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Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß
die Kondensatorladung bzw. Umladung vor Erreichen der vollen Ladespannung unterbrochen
wird. Diese Begrenzung erfolgt vorzugsweise dadurch, daß dem Gitter der Röhren eine
Hilfsspannung zugeführt wird, die sich über einen Widerstand mit der Kondensatorspannung
ändert und dadurch den Ladestromkreis sperrt. Man kann dadurch erreichen, daß der
Kondensator in. einer irn Verhältnis zur Zeitdauer einer Halbperiode kurzen Zeit
bis zu einem durch die Begrenzung festgelegten Betrag aufgeladen wird. Die Entladung
kann bei dieser Anordnung "entweder eine natürliche oder eine durch eine gegensätzliche
Spannung erzwungene sein. Die weiteren Merkmale der Erfindung sollen an Hand der
in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden.
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In Abb. i und z sind Anordnungen dargestellt, bei denen der Kondensator
von der Spannung, deren Frequenz zu messen ist, über Ventile geladen und entladen
wird. Dabei wird die Höhe der Kondensatorspannung nach beiden Richtungen durch am
Gitter der Röhren wirkende Hilfsspannungen begrenzt.
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In Abb. 3 und q. sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen
der Kondensator -von einer Hilfsspannungsquelle aufgeladen wird und bei denen die
Spannung der zu messenden Frequenz nur zur Gittersteuerung dient.
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In Abb. i ist mit Tr die Primärwicklung eines an der Meßspannung liegenden
Transformators
-bezeichnet, dessen Sekundärwicklungen mit 6 und
9 bezeichnet sind und im Anodenkreis der Laderöhren i und 2 liegen. Mit io ist der
aufzuladende Kondensator bezeichnet, der einem Lade- und einem Entl.adekreis angehört,
in denen mindestens je eine gittergesteuerte Röhre eingeschaltet ist und die für
je eine Stromrichtung gesperrt sind. An dem Gitter der Röhre i liegt eine Hilfsgleichspannung
7; an dem Gitter'2 könnte ebenfalls eine Gleichstromhilfsspannung direkt liegen.
Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel wird jedoch die dem Gitter der Röhre 2
zugeführte Spannung von einer besonderen Röhre 3 gesteuert, deren Gitter von der
konstanten Gleichspannungsquelle 8 beeinflußt wird. Die Spannungsquellen 7 und 8
können Gleichstrombatterien sein. Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. i wird die
konstante Spannung durch Serienschaltung von Glimmstrecken 7 und 8 und einem normalen
Widerstand 22 von der Spannungsquelle 15 .erhalten. Mit 21, 19, 23 und 24 sind Ohmsche
Widerstände bezeichnet. Von den Klemmen des Ohmschen Widerstandes 24 wird die Gitterspannung
einer Röhre 4 abgenommen, deren Anodenspannung von einer Hilfswicklung 5 des Transformators
Tr geliefert wird.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Während
der einen Halbwelle soll die Meßspannung die durch den ausgezogenen Pfeil angegebene
Richtung haben. Bei dieser Spannungsrichtung ist die Anode der Röhre i negativ,
und infolgedessen fließt kein Strom im Kreise. Der Kondensator io wird dabei über
die Röhre 2 in Richtung des ausgezogenen Pfeiles aufgeladen; der Ladestrom kann
durch das Instrument 16 gemessen werden. Sobald die Spannung des Kondensators i
o eine bestimmte Höhe erreicht hat, wird durch das Gitter der Röhre 3, das ursprünglich
negativ war, diese Röhre leitend gemacht, da die dem Gitter der Röhre 3 zugeführte
Spannung sich aus der Spannung der Gleichstromquelle 8 und der Kondensatorspannung
i o zusammensetzt. Dabei fließt ein Strom über den Widerstand-i9, dessen Spannungsabfall
die Laderöhre 2 sperrt. Bei dieser Anordnung wird die Sperrung der Laderöhre durch
eine Spannung vorgenommen, die sich schneller ändert als die Kondensatorspannung
selbst. Die Anordnung hat außerdem den Vorteil, daß die Ladehöhe des Kondensators
10 unabhängig von' der - Größe der Anodenspannung 9 ist.
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Während der -anderen Halbperiode ist der Stromverlauf durch die gestrichelten
Pfeile angedeutet. Die Röhre 2 ist dann gesperrt, und der Kondensator wird in anderer
Richtung über die Röhre i von der Spannung der Sekundärwicklung 6 aufgeladen, bis
durch Änderung der Gitterspannung der Röhre i der Ladestrom geschwächt wird. Zugleich
wird auch der Spannungsabfall am Widerstand 2,1 herabgesetzt, und die Röhre 4 wird
leitend. Der Spannungsabfall am Widerstand 23 infolge des jetzt fließenden Anodenstromes
sperrt die Röhre i vollständig.
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Durch die Anordnung der Röhren 3 und 4 wird erreicht, daß der Kondensator
seine Endspannung in möglichst kurzer Zeit, bezogen auf die Dauer der Halbperiode,
erhält. Die Auf- bzw. Umladung des Kondensators io findet in der beschriebenen Weise
während jeder Halbperiode statt. Da die Endspannung des Kondensators bei der beschriebenen
Anordnung in sehr kurzer Zeit erreicht wird, können sehr hohe Frequenzen gemessen
werden. Die.obere Frequenzgrenze isi dadurch gegeben, daß die Kondensatorendspannung
erreicht sein muß, bevor die Spannungsrichtung sich ändert. Als Ventile für die
beschriebene Einrichtung können Elektronenröhren oder andere gittergesteuerte Entladungsröhren
dienen.
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Die Anordnung nach Abb.2 unterscheidet sich von der Einrichtung nach
Abb. i im uresentlichen durch die Art der Steuerung der Röhre i. Der Widerstand
24 liegt dabei nicht mehr im Anodenkreis der Röhre i, sondern im Anodenkreis der
Röhre 4 und zugleich im Gitterkreis der Röhre i. Der Widerstand 23 ist bei dieser
Anordnung nicht erforderlich. Sobald der Kondensator io eine bestimmte Spannungshöhe
erreicht hat, wird die Röhre 4 leitend. Dadurch fließt ein Anodenstrom im Kreise
5, 4, 24, und der durch diesen hervorgerufene Spannungsabfall am Widerstand 24 sperrt
die Röhre i. Die Anordnung nach Abb.2 hat gegenüber der Anordnung nach Abb. i den
Vorteil, daß durch den Fortfall des Widerstandes '24 im Anodenkreis der Röhre i
die Ladezeit des Kondensators i o weiter herabgesetzt und dadurch der Meßbereich
der Anordnung erhöht wird. Der in Abb. z parallel zu der Glimmlampe 8 geschaltete
Spannungsteiler 17 dient dazu, unter Umständen eine Korrektion der durch Änderung
der Röhrenkonstanten bedingten Abweichungen vornehmen zu können.
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In Abb. 3 und 4 ist eine weitere Verbesserung der beschriebenen Anordnung
schematisch dargestellt. Die Anordnungen nach Abb. 3 und 4 unterscheiden sich von
den Anordnungen nach Abb. i und 2 dadurch, daß die für die Kondensatorladung benötigte
Energie von einer Hilfsstromquelle geliefert wird, und daß die Spannung der zu messenden
Frequenz nur zur Gittersteuerung der die Ladung und Entladung steuernden Röhren
dient.
Die für die Umladung des Kondensators erforderliche Energie und die Verluste der
Transformatoren brauchen also nicht mehr von der Meßspannung selbst geliefert zu
werden. Die Einrichtung ist also besonders dann zu empfehlen, wenn es sich um die
Messung besonders -energiearmer periodischer Vorgänge handelt, z. B. um die genaue
Messung bei akustischen Vorgängen oder um die Messung bestimmter Oberwellen.
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Bei der Anordnung nach Abb. 3 ist mit 15 der Eingangstransformator
bezeichnet, der an ein beliebiges Wechselstromnetz angeschlossen ist. Die Sekundärspannung
des Transformators 15 wird durch die Röhre 5 gleichgerichtet. Diese Gleichspannung
wird in bekannter Weise, z. B. durch Kondensator 14, geglättet. Parallel zu dem
Kondensator i q. liegen in Reihe mit einem Widerstand 20 und 22 vier Glimmstrecken
6, 7, 8 und g. Parallel zu diesen Glimmstrecken liegen weitere Kondensatoren 11,
12, 13, deren Aufgabe es ist, die für die Ladung des Kondensators stoßweise entnommene
Energie zu verteilen. Der Kondensator ist wiederum mit io bezeichnet und liegt einmal
über Röhre i an der Spannung 6, 7 und ferner über Röhre 2 und q. an der Spannung
8, g. Röhre 3 liegt in Reihe mit einem Widerstand i9 an der Spannung 6, 7, -8. Der
über die Röhre 2 fließende Strom wird mit dem Amperemeter 16 gemessen. Die Spannung,
deren Frequenz gemessen werden soll, wird dem Gitter der Röhren i und 3 zugeführt.
2 i sind Strombegrenzungswiderstände. Widerstand 2o schafft durch den an ihm entstehenden
Spannungsabfall eine negative Gittervorspannung. Im Gitterkreis der Röhre 2 liegt
der Kondensator i o, Spannungsquelle 8 und Widerstand ig. Der Gitterkreis der Röhre
q. verläuft über den. Spannungsteiler 17, den Kondensator io zur Kathode. ai,
a2, b1, b2, b3 sind die Kontakte eines Umschalters. Die Spannung der
zu messenden Frequenz liegt an den Klemmen b, Für die Messung der Frequenz sind
die Schalter b1, b2 und b3 geschlossen, die Schalter a1, a2 geöffnet.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Bei der einen Halbwelle,
für die die ausgezogenen Pfeile gelten, sind die Röhren i und 3 gesperrt. Ebenso
ist die Röhre q. gesperrt, da die Gitterspannung dieser Röhre, die sich aus der
vorhandenen Spannung des Kondensators i o und der Spannung des Spannungsteilers
17 zusammensetzt, negativ ist. Die Röhre 2 ist durchlässig, so daß der Kondensator
i o im umgekehrten Sinne aufgeladen wird. Der Ladestrom wird dabei durch das Instrument
16 gemessen. Sobald die Spannung am Kondensator io eine bestimmte Höhe erreicht
hat, wird die Gitterspannung der Röhre 2, die sich aus der Spannung am Kondensator
io und der Spannung der Spannungsquelle 8 zusammensetzt, negativ. Dadurch wird der
Anodenstrom unterbrochen und die Ladung des Kondensators i o begrenzt. Die Röhre
q. bleibt hierbei wirkungslos, da durch die Ladung des Kondensators i o im angegebenen
Sinne die am Gitter der Röhre 4 liegende negative Spannung nur erhöht wird. Sobald
die Spannung während der nächsten Halbwelle ihr Vorzeichen ändert und den durch
die gestrichelten Pfeile angedeuteten Verlauf nimmt, ist die Röhre 2 gesperrt. Die
Röhren i und 3 sind für diese Halbwellen durchlässig, und da die Röhre 3 zweckmäßig
so ausgebildet ist, daß sie früher anspricht als die Röhre i, wird zunächst durch
den einsetzenden Anodenstrom der Röhre 3 am Widerstand ig ein Spannungsabfall hervorgerufen,
der das Gitter der Röhre 2 stark negativ macht. Diese weitere Sperrung der Röhre
2 ist erforderlich, damit die wachsende Spannung am Kondensator io keinen Stromfluß
über die Röhre 2 zur Folge hat. Der Kondensator i o wird über die Röhre i im entgegengesetzten
Sinne aufgeladen. Durch die zunehmende Kondensatorspannung wird die Gitterspannung
der Röhre q. so geändert, daß der Widerstand dieser Röhre mit zunehmender Konden@atorspannung
sinkt, derart, daß durch den'über die Röhre ¢ fließenden Strom dem Kondensator eine
Gegenspannung aufgedrückt wird. Während bei diesem Vorgang die Durchlässigkeit und
Anodenspannung der Röhre q. steigt, nimmt die Anodenspannung der Röhre i ab. Dadurch
stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, derart, daß die Spannung des Kondensators
io auf einer bestimmten Höhe gehalten wird. Die angegebenen Vorgänge wiederholen
sich bei jeder Periode.
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'Bei der Anordnung nach Abb. 3 sind neben dem Kondensator i o noch
weitere Kondensatoren i o', i o" usw. vorgesehen, die mit Hilfe des Umschalters
d an Stelle des Kondensators i o in den Kreis eingeschaltet werden können. Diese
Umschaltung der Kondensatoren hat den Zweck, den Meßbereich der Einrichtung zu verändern.
Vor der Röhre i liegt noch ein Widerstand 1-8, der vorzugsweise nur bei kleinen
Frequenzen eingeschaltet ist und bei höheren Frequenzen zugleich mit der Einschaltung
-des entsprechenden Meßkondensators kurzgeschlossen wird.
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Werden die Kontakte b1, b2, b3 geöffnet und die Kontakte ai, a2 geschlossen,
so kann man durch Anschluß einer Frequenz bekannter Größe an die Klemme a1 eine
Nacheichung der Meßeinrichtung in bequemer Weise vornehmen.
In-
Abb. -¢' ist - eine-, Änderung der Anordnung nach` Abb. 3 dargestellt, bei der die
Schaltung und. Steuerung der Röhren i und 3 geändert ist. Der Anodenkreis der Röhre
3 liegt in Reihe mit einem Widerstand 23 und ig an der Spannung 2o, 6, 7 und 8,
wobei zweckmäßig der Widerstand 2o eine fallende Widerstandscharakteristik hat.
Der' Anodenkreis der Röhre i und die Schaltung der übrigen Röhren ist die gleiche
wie bei der Anordnung nach Abb. 3. Das Gitter der Röhre i ist über einen Widerstand
2 i mit der Kathode der Röhre 3 verbunden. Die Spannung, deren Frequenz gemessen
werden soll, wird nur dem Gitter der Röhre 3 zugeführt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Abb. q. während der ersten Halbwelle
ist die gleiche wie bei der Anordnung nach Abb. 3, und zwar sind auch hier die Röhren
i und 3 gesperrt. Die Sperrung der Röhre i ist dadurch bedingt, daß das Gitter dieser
Röhre durch den Spannungsabfall am Widerstand 20 negativ ist. Während der anderen
Halbperiode wird zunächst die- Röhre-3 leitend, und durch den über die Röhre 3 fließenden
Anodenstrom wird ein Spannungsabfall am Widerstand 23 .erzeugt. Die aus dem Spannungsabfall
am Widerstand 2o und 23 resultierende Gitterspannung der Röhre i wird dabei positiv,
und die Umladung des -Kondensators i o kann über die Röhre i erfolgen- .
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Die Abänderung nach Abb. ¢ hat gegenüber der Anordnung nach Abb.3
den -Vorteil, daß man, bezüglich der Charakteristiken der Röhren i und 3 unabhängig
ist, und> daß auch die Steuerleistung der Röhre i nicht mehr von der zu messenden
Spannung geliefert zu werden braucht. Die Steuerung der Röhren 2 und q. nach Abb.3
kann auch in der bei Abb. i und 2 erläuterten Weise vorgenommen werden. Ebenso ist
es möglich, bei den in Abb. i und 2 dargestellten Anordnungen eine Begrenzung der
Ladehöhe in ähnlicher Weise vorzusehen, wie es bei der Abb.3 durch die Röhre q.
vorgenommen wird.
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Als Ableseinstrument kann jedes beliebige Gleichstrominstrument Verwendüng
finden.