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Einrichtung zur Erzeugung von elektrischen Meßimpulsen mittels critterqesteuerter
Elektronenröhren Bei elektrischen Meßverfahren, z. B. bei der Kurzzeitmessung an
sich oder bei der Messung der Laufzeit einer Echowelle zur Entfernungsbestimmung,
bei der Phasenmessung und in manchen anderen Fällen werden periodische Impulse benötigt,
die den Meßvorgang auslösen oder einen bestimmten Zeitpunkt kenntlich machen sollen.
Mit Rücksicht auf die Genauigkeit und die Schärfe der Ablesung soll der Impuls,
der in der Regel aus einer plötzlichen Schwingungsentladung eines elektrischen Stromkreises
gewonnen wird, möglichst ruckartig entstehen und genau definiert sein. Die Phasenlage
des Impulses in bezüg auf die erzeugende Wechselspannung soll konstant und unabhängig
von der Amplitude sein.
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Bisher benutzte man für die Erzeugung elektrischer Impulse vielfach
Kippschaltun= gen mit gasgefüllten Entladungsröhren, bei. denen z. B. aus jeder
positiven Halbwelle einer Wechselspannung, deren Frequenz die Impulsfolge bestimmt,
eine Impulsspitze ge-'bildet wird, während der übrige Kurvenzug unterdrückt wird.
Solche Schaltungen erfordern einen großen apparativen Aufwand, und die gasgefüllten
Entladungsröhren versagen bei der Erzeugung von Impulsen sehr hoher Frequenz.
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Es ist ferner unter anderem bekannt, elek-
Irische
Meßimpulse bestimmter Frequenz mittels gittergesteuerter Elektronenröhren zu erzeugen,
deren Gitterwechselspannung ein Vielfaches des Aussteuerbereiches beträgt und in
deren Anodenleitungen Drosseln angeordnet sind, denen ein dämpfend wirkendes Schaltelement
parallel liegt. Derart erzeugte Impulse besitzen jedoch immer noch eine gewisse
Breite, die die Genauigkeit der Ablesung bei Verwendung Braunseher Röhren beeinträchtigt.
Wesentlich vorteilhafter ist daher eine strich- oder punktförmige Markierung auf
der Leuchtbahn. Dies wird bei derartigen Einrichtungen erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß der durch eine Röhre mit einer stark gedämpften Drossel erzeugte Impuls eine
zweite, gleich aufgebaute Röhrenanordnung derart steuert, daß sich der entstehende
Impuls aus einer positiven Impulsspitze und einer gleich großen negativen Impulsspitze
zusammensetzt, wobei die Röhren vorzugsweise beim Nulldurchgang der Gitterwechselspannung
geöffnet werden. Diese Anordnung zeichnet sich durch eine einfache, übersichtliche
Schaltung aus und isst auch für Impulsfolgen höchster Frequenz geeignet.
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Ein bevorzugtes Anzeigeorgan für elektrische Meßverfahren, die mittels
periodischer elektrischer Impulse arbeiten, ist bekanntlich die Braunsche Röhre
in der Ausbildung als Polarkoordinatenröhre. Durch ein Ablenkst' stem wird auf dem
Leuchtschirm der Braunsehen Röhre eine in sich geschlossene Bahn, z. B. von der
Gestalt eines Kreises oder einer Ellipse, des Elektronenstrahles hervorgerufen;
die Meßimpulse werden in ebenfalls bekannter Weise einem in den Strahlengang eingeschalteten
Ablenkzylinder zugeführt und bewirken eine zackenförmige Auslenkung des Elektronenstrahles
von der kreis- oder ellipsenförmigen Bahn. Stimmt die Umlauffrequenz des Elektronenstrahles
mit der Frequenz der Impulsfolge überein, so bildet sich eine stehende Lichtzacke.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem soll zunächst an Hand
der Fig. i entwickelt werden, während die Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Form von Schaltbildern zeigen. Die Fig. 4. bis 6 sind Diagramme
des Strom- oder Spannungsverlaufen, die zur besseren Erläuterung des Wirkungsweise
dienen sollen, in Fig. 7 und 8 sind Leuchtbahnen des Elektronenstrahles auf dem
Auffangschirm der Braunsehen Röhre dargestellt.
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Im Anodenkreis der Röhre I (Fig. i) ist in an sich bekannter Weise
eine Drossel L, angeordnet. Die Elektronenröhre I ist von der üblichen Bauart,
sie enthält eine Anode q., eine Kathode 5 und ein- Gitter 6. An den Klemmen -I-
A und -.q liegt die Anodenspannun-, von z. B. 22o Volt. Dem Gitter 6 wird eine Wechselspannung
zugeführt, deren Frequenz die Impulsfolge bestimmt und die daher als Steuerspannung
bezeichnet werden soll. Die Amplitude dieser Steuerspannung beträgt ein Vielfaches
des Aussteuerbereiches der Röhre I, und die Gittergleichspannung ist durch die Batterie
7 so einzustellen, daß die Röhre vorzugsweise beim Nulldurchgang der Gitterwechselspannung
geöffnet wird. Die Drossel Li besitzt durch den parallel geschalteten Widerstand
Ri eine starke Dämpfung.
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Der von der stark gedämpften Drossel L, erzeugte Impuls bewirkt bei
der oben angegebenen Zuführungsart eine radiale Auslenkung von einer Kreisbahn,
längs der der Elektronenstrahl eines Braunsehen Rohrs von einem Ablenksvstem io
auf dem Leuchtschirm zum Umlauf gebracht wird (Fig.7). Fig. q.a zeigt den Verlauf
der sinusförmigen Gitterwechselspannung L',, (Steuerspannung), die am Gitter 6 liegt
und der eine negative Gleichspannung überlagert ist. Die Gittergleichspannung ist
auf einen derartigen Betrag l, eingestellt, daß die Röhre I beim Nulldurchgang der
Steuerspannung geöffnet wird. Da die Spannungsänderung einer sinusförmigen Spannung
im Nulldurchgang am größten ist und da weiter die Amplitude der Gitterwechselspannung
den Aussteuerbereich der Röhre um ein Vielfaches übersteigt, wird der Anodenstrom
der Röhre schnell auf den vollen Wert gesteuert. Der Anodenstrom Ja, verläuft etwa
nach dem Diagramm der Fig. q.b. Es sei zunächst angenommen, daß der Widerstand R,
nicht vorhanden sei, die Drossel L, also nur eine geringe Dämpfung besitze. Durch
den beim Nulldurchgang der Steuerspannung plötzlich einsetzenden Stromstoß «-ird
die Drossel angestoßen und, da sie mit ihrer Eigenkapazität und mit der Kapazität
der sich anschließenden Leiterstücke ein schwingungsfähiges Gebilde darstellt, zu
Schwingungen in ihrer Eigenfrequenz erregt. Während dieses Schwingungsvorganges
hat die an der Röhre liegende Anodenspannung cl a,, d. h. die Spannung zwischen
den Punkten B und -A=1, etwa den Verlauf nach dem Diagramm der Fig..Ic. Die
Spannung schwankt entsprechend den Drosselschwingungen um den Wert 220 Volt und
klingt langsam auf den stationären Wert 220 Volt ab.
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Die durch Para.llelschalten des Widerstandes R, erzielte Dämpfung
wird so stark bemessen, daß der Schwingvorgang in der Drossel Li beim Anstoßen der
Röhre möglichst aperiodisch erfolgt, also etwa so, wie es das Diagramm der Fig.
4d zeigt. Die so in der Anodenspannung erzeugten Impulsspitzen i i, r2 usf. werden
auf den Ablenkzylinder 8 der Braunsehen Röhre in Fig. i
gegeben
und erzeugen hier Ablenkungen des Elektronenstrahles von der Kreisbahn. Beim Nulldurchgang
der Steuerspannung von der negativen zur positiven Halbwelle wird ein negativer
Impuls i i erzeugt, der Nulldurchgang in umgekehrter Richtung, also von der positiven
zur negativen Halbwelle, ergibt den positiven Impuls 12. Von einer Mindestgröße
der Steuerspannung an bleibt die Phasenlage des Impulses, bezogen auf die Steuerspannung,
bei Spannungsänderungen konstant.
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Der negative Impuls i i bewirkt z. B. eine radiale Ablenkung nach
außen, der positive Impuls 12 eine Ablenkung nach innen (Fig. 7). Die beiden Impulse
i i und 12 weisen 18o'°' Phasenunterschü,ed auf, wobei vorausgesetzt ist, daß die
Umlauffrequenz des Elektronenstrahles mit- der Frequenz der Steuerpannung übereinstimmt.
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Die eben beschriebene Anzeige- und Ablesevorrichtung auf dem Leuchtschirm
der Braunschen Röhre hat jedoch folgenden grundsätzlichen Nachteil. Das Ablenksys.tern
der B.raunschen Röhre besteht aus zwei konzentrisch ineinanderliegenden Hohlzylindern
oder Kegeln, die natürlich irgendwie innerhalb der Röhre gehaltert werden müssen.
Die Halterung des äußeren Zylinders bereitet keine Schwierigkeiten und ruft keine
Störungen hervor. Die Halterung des inneren Zylinders geht jedoch durch. - den Hohlraum
zwischen den beiden Zylindern, der von dem Elektronenstrahl durchlaufen wird. Dadurch
tritt eine Feldverzerrung auf, die eine tangentiale Ablenkung des Impulses am dieser
Stelle zur Folge hat. In Fig. 7 ist ein weiterer Impuls 13 dargestellt-; der sich
an der Stelle der Halterung des Innenzylinders. befindet und daher, wie gezeichnet,
tangential verzerrt ist. Dar nach 18o° einsetzende positive Impuls 14 kommt natürlich
unverzerrt zur Darstellung, wenn der Innenzylinder lediglich an der Stelle des Impulses
13 gehaltert ist. Durch solche Verzerrung wie im Fwl!le des Impulses 13 tritt eine
Verschlechterung der Ablesung ein.
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Zur Vermeidung dieses Nachteiles setzt sich der Impuls bei: der erfindungsgemäßen
Einrichtung aus einer negativen Impulsspitze und einer sich daran anschließenden
gleich großen positiven Impulsspitze zusammen, so daß man den Nulldurchgang dieses,
wie eine vollständige Schwingung verlaufenden Impulses für die Ablesung benutzen
kann. Natürlich tritt auch in diesem Falle -an der Stelle der Halterung des Innenzylinders
eine tangentiale Verzerrung der beiden Impulsspitzen ein, aber da die positive und
die negative Hälfte des Impulses nach entgegengesetzten Seiten verzerrt werden.
und .der Nulldurchgang zur Ablesung dient, wird die Genauigkeit der Ables.ung nicht
beeinträchtiigt. Die erfindungsgemäße Schaltung sei an Hand von Fig. a erläutert.
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Gemäß Fig. 2 liegt parallel zur Röhre I die zweite gleich ausgebildete
Röhre II mit der Drossel L2 und dem Widerstand R2. Durch den von der Drossel L1
in der oben beschriebenen Weise erzeugten positiven Impuls (Impuls 12 in Fsg. q.d)
wird die Röhre II, deren Gittergleichspannung auf den unteren Knick der Kennlinie
eingestellt ist, geöffnet.
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Die Drossel L2 erzeugt dadurch beim Ansteigen des Anodenstromes in.
der Röhre II einen negativen und beim Aufhören einen positiven Impuls. Die in der
Röhre I erzeugten Impulse, deren Entstehung genau so wie im Falle der Schaltung
nach Fig. i durch die Diagramme in Fig. q.a bis q.d zu erklären ist, werden über
den Kondensator C2 auf das Gitter der Röhre II gegeben, und mit diesen Impulsen
wilrd jetzt die Röhre II gesteuert. Die Vorgänge in der Röhre II sind diagrammmäßig
aus den Fig. 5 a und 5 b ersichtlich. Durch den negativen Impuls i i der Röhre I
wird der Anodenstrom Ja,, plötzlich geschwächt, durch den positiven Impuls 12 erfährt
er einen, steilen Anstieg (i i" und 12" in Fig. 5 a). Da die Röhre II auf den unteren
Teil der Kennlinie eingestellt ist, wird allerdings der negative Impuls mehr oder
weniger unterdrückt. In beiden Fällen hat jedoch das sofortige Öffnen und Schließen
der Röhre II (Stromabfall bzw. -anstieg ii,und ig.Q) einen positiven bzw. negativen
Impuls durch die Drossel. L2 zur Folge, an den sich nach Aufhören der Anodenstromänderung
ein Impuls in entgegengesetzter Richtung anschließt, so daß die an der Röhre II
liegende Anodenpannung UQ2, das ist gleichzeitig die Impulsspannung, nach Fig. 5
b verläuft.
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Fig. 8 zeigt wiederum den Leuchtschirm dler B:raunschen Röhre, auf
dem die sm Fig. 5 b. Mit llb und 12b bezeichneten Impulse sich in entsprechender
Weise abbilden. Sollte der Impuls etwa an der Stelle der Halterung des inneren Ablenkzylinders
entstehen, so hat er infolge der tangentialen Ablenkung etwa die mit 13b bezeichnete
Gestalt. Da jedoch der Nulldurchgang des Impulses zur Ablesung dient, ist die Ablenkung
des Impulses 13b ebenso genau und zuverlässig wie etwa die Ablesung des Impulses
i2b.
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Es war bereits erwähnt worden, daß bei der Schaltung nach Fig. 2 mit
jeder Periode der Steuerspannung nur ein einziger voll ausgebildeter Impuls erzeugt
wird, während der zweite Impuls mehr oder weniger unterdrückt wird. Diesels Ergebnis
kann für die Mehrzahl der Anwendungsfälle als Vorteil bezeichnet werden, da der
zweite Impuls überflüssig ist, die Ables,ung stört oder mehrdeutig macht. Vielfach
besteht sogar die Forderung, daß mit
jeder Periode der Steuerspannung
nur ein einziger Impuls erzeugt und der störende zweite Impuls vollständig unterdrückt
wird. Fig. 3 zeigt eine dieser Forderung genügende Schaltung, bei der sich der erzeugte
Impuls ebenfalls aus einer positiven und negativen Hälfte zusammensetzt, so daß
der Nulldurchgang des Impulses zur Ablesung benutzt werden kann. Ferner hat diese
Schaltung noch den Vorteil, daß man mit einer viel geringeren Steuerspannung auskommt.
Die Anordnung nach Fig. 2 hat wegen des erforderlichen großen Aussteuerbereiches
eine relativ hohe Steuerspannung zur Voraussetzung.
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Bei der Anordnung nach Fig.3 wird der beim Nulldurchgang der Steuerspannung
von der positiven zur negativen Hälfte auftretende Impuls unterdrückt, und es gelangt
nur der beim Nulldurchgang der negativen zur positiven Halbwelle einsetzende Impuls
voll zur Anzeige, und zwar wird dies. dadurch erreicht, daß mittels einer vorgeschalteten
Röhre V in Kippschaltung, deren Anodenerdkapazität Ca, und Anodenwiderstand R,,
entsprechend bemessen sind, der Impuls jeweils beim zweiten Nulldurchgang der Steuerwechselspannung
unterdrückt wird.
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Am Gitter dieser Röhre V liegt also die Steuerspannung. Beim Nulldurchgang
der Steuerspannung von der negativen zur positiven Halbwelle wird die Röhre geöffnet;
dabei entlädt sich die Anodenkapazität Cae, die während der negativen Halbwelle
über den Anodenwiderstand R,, auf die Anodenspannung von 22o Volt aufgeladen war,
und sperrt über den Kondensator C,, die Röhre I. Die Drossel L1 der Röhre I erzeugt
einen positiven Impuls; die Arbeitsweise der sich daran anschließenden Schaltelemente
ist die gleiche, wie sie an Hand der Fig. 2 beschrieben wurde. Die Zeitkonstante
R" - Cae während des Ladevorganges ist wesentlich größer als die Zeitkonstante bei
der Entladung Ri - CQ, (Ri = innerer Widerstand der Röhre V). Dadurch wird
auch der Anodenstrom der Röhre I bei der Aufladung der Anodenerdkapazität Ca, langsam
geändert, und die Drossel L1 erzeugt keinen Impuls, denn hierzu wird eine schnelle
Spannungs- bzw. Stromänderung gebraucht.
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Der Vorgang in den drei Röhren soll an Hand der Diagramme der Fig.
6a his 6g näher beschrieben «>erden. Am Gitter der Röhre V liegt die sinusförmige
Steuerspannung, der eine Gleichspannung 1e überlagert ist (Fig. 6a). Unmittelbar
nach dem Null- . durchgang der Steuerspannung von der negativen zur positiven Halbwelle
wird die Röhre I geöffnet. Gleichzeitig entlädt sich der Kondensator Ca, über die
Röhre, so daß der Anodenstrom Ja,. der V orröhre V den in Fig. 6 b gezeichneten
Verlauf nimmt. Der Stromanstieg 15 ist auf die Kondensatorentladung zurückzuführen.
Die an der Röhre V liegende Anodenspannung U",, wird durch das Diagramm der Fig.6c
wiedergegeben. Während des langsamen Spannungsanstieges entlang der Kurve 17 erfolgt
Aufladung des Kondensators Cae, während der steile Spannungsabfall 16 zur Impulserzeugung
ausgenutzt wird. Da die steuernde Gitterspannung der Röhre I ebenso verläuft wie
die an der Röhre V liegende Anodenspannung, hat der Anodenstrom Jal der Röhre I
etwa den Verlauf nach Fig.6d. Das langsame Wachsen der Stromstärke entlang Kurve
i8 genügt nicht, um die Drossel L1 anzustoßen, bzw. es wird nur ein ganz kleiner
Impulsstoß erzeugt; das plötzliche Abfallen des Stromes entlang der Kurve i9 stößt
dagegen die Drossel L1 kräftig an. Demgemäß verläuft die an der Röhre I liegende
Anodenspannung Ual (zwischen B und -A) etwa nach Fig. 6e; 2o ist der
durch den langsamen Stromanstieg eventuell noch erzeugte schwache Impuls, 21 ist
der eigentliche Meßimpuls. Die Gitterspannung der Röhre 1I verläuft wiederum entsprechend
der Anodenspannung der Röhre I, so daß sich für Anodenstrom Ja, der Röhre II der
in Fig.6f gezeigte Verlauf ergibt. Beim Ansteigen des Anodenstromes JQ2 erzeugt
die Drossel L2 einen negativen und beim Aufhören einen positiven Impuls (s. den
Verlauf der Anodenspannung UQ2 in Fig.6g). Die so erzeugten Impulse werden auf den
Ablenkzylinder der Braunschen Röhre geleitet.