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Anordnung zur Kurzzeitmessung Es sind Kurzzeitmesser bekannt, bei
denen ,die Zeitmessung auf die Messung der Spannungsänderung an einem während der
zu ermittelnden Zeitspanne über einen Widerstand geladenen oder entladenen Kondensator
zurückgeführt wird. Die Feststellung des der zu messenden Zeitspanne entsprechenden
Spannungswertes .am Kondensator erfolgt unmittelbar idurch einen Spannungsmesser.
Für extrem kurze Zeiten, wie sie beispielsweise in oder Ballistik zur Ermittlung
vier Mündungsgeschwindigkeit von Geschützen oder -wie sie bei :der Echolotung auf
ganz geringe Entfernungen in Frage kommen, genügt aber .die Genauigkeit derartiger
Meßgeräte nicht. Für .die Kurzzeitmessung ist es ferner bekannt, den einen Kreis
als Zeitlinie auf dem Leuchtschirm einer Braunschen Röhre beschreibenden Elektronenstrahl
durch einen Impuls bei Beendigung der zu messenden Zeitspanne zackenförmig auszulenken.
Die Lage dieser Auslenkung (Meßmarke) gegenüber einer Nullmarke, die gegebenenfalls
durch :eine weitere zu Beginn der Zeitspanne vorgenommene Strahlauslenkung (Nullmarke)
kenntlich gemacht sein kann, gibt unter Berücksichtigung der Umlauffrequenz des
Elektronenstrahles ein Maß für die zu messende Zeitspanne. Meßanordnungen dieser
Art arbeiten mit außerordentlich hoher Genauigkeit. Da bei einem einmaligen Impuls
die
Meßmarke auf dem Schirm aber nur eine beringe Helligkeit aufweist, bereitet die
Ablesung .der -',wIeßmarl-ze Schwierigkeiten, sofern man nicht ihr Bild photographisch
festhält. Für fortlaufende Messungen ist ein solches Verfahren jedoch vielfach zu
umständlich und zeitraubend.
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Die Erfindung beseitigt diese Mängel und schafft eine 'Maßanordnung
mit sichtbarer, also ohne weiteres ablesbarer Darstellung -des Zeitabstandes zweier
kurz aufeinanderfolgender Impulse auf der Zeitlinie einer Braunschen Polarkoordinatenröhre
durch die Lage einer zackenförmigen Strahlauslenkungegenüber einer zu Beginn der
Messung fest-# t> Ore l -ten Z, - e b Nullmarke. Sie benutzt dabei
einen sich während der zu messenden Zeitspanne aufladenden Kondensator und besteht
darin, daß der umlaufende Elektronenstrahldauernd durch eine zu seiner Umlauffrequenz
in einem ganzzahligen Verhältnis stehende Frequenz zackenförmig ausgelenkt wird
und daß die an dem Kondensator liegende Spannung auf das Gitter einer Röhre wirkt,
die als phasenschiebender Widerstand in einem die Auslenkfrequenz beeinflussendenWechselstromkreis
liegt, so daß während der Ladungsänderung des Kondensators eine dieser entsprechende,
bleibende Phasenverschiebung zwischen der Umlauffrequenz und der Auslenlzfrequenz
eintritt, die eine Auswanderung der Auslenkzacke aus der Nullage zur Folge hat.
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Damit die Ladung des phasenschiebenden Kondensators um einen der zwischen
den beiden lleßimpulsen liegende Zeitspanne entsprechenden Betrag änderbar ist,
ist eine in bestimmter Weise ausgebildete Schaltvorrichtung erforderlich. Hierfür
könnte an sich eine bereits in einem anderen Zusammenhang zur Durchführung von Kurzzeitmessungen
vorgeschlagene Anordnung von gas- oder dampfgefüllten Entladungsgefäßen mit gemeinsamer
Anodengleichspannung benutzt werden, welche anodenseitig :durch einen K=ondensator
so verbunden sind, daß stets nur das eine Entladungsgefäß stromdurchflossen, das
andere dagegen stromlos ist und bei welcher Anordnung zwischen die Anoden und die
einzelnen Gitter den Betriebszustand ändernde, zu Anfang und am Ende des zu messenden
Zeitabstandes Spannungsimpulse liefernde Photozellen derart geschaltet sind, daß
der Betriebszustand der beiden Entladungsgefäße durch den ersten lichtelektrischen
Impuls umgekehrt und durch den zweiten -,,niederhergestellt wird.
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Gemäß der Erfindung wird jedoch mit Vorteil die Ladungsänderung des
Kondensators mittels zweier in einer Differentialschaltung liegender einfacher Glimmrelais
gesteuert, deren eines durch den ersten der die zu messende Zeitspanne begrenzenden
Impulse gezündet wird und den Gleichgewichtszustand der Differentialschaltung stört
und .deren anderes durch den zweiten Impuls gezündet wird und den Gleichgewichtszustand
wiederherstellt. Die während der Gleichgewichtsstörung auftretende Difterenzspannung
kann dann -die Sperrung einer Röhre aufheben, in deren Anodenkreis der phasenschiebende
Kondensator liegt.
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Der Erfindungsgegenstand jvird an Hand des in den Fig. i und z dargestellten
Ausführungsbeispiels nachstehend erläutert.
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Fig. i zeigt ein Beispiel für den schaltungsmäßigen Aufbau der als
Ausführungsbeispiel gewählten Kurzzeitmeßanordnung: Fig.2 zeigt die auf ,dem Schirm
der als Anzeigevorrichtung dienenden Braunschen Röhre (Palarl-zoordinatenröhre)
geschriebene Leuchtspur des Elektronenstrahles bei verschiedenen Lagen der Maßzacke.
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Ein Sender i erzeuge eine Frequenz von beispielsweise iooo Hz. Sie
wird durch Ankoppeln einer Spulen an die Spule i auf einen Frequenzwandler 3 gegeben
und in diesem vervielfacht, beispielsweise verzehnfacht. Über eine -weitere Ankopplung
.4 wird diese Wechselspannung an das Gitter eines Verstärkerrohres 5 gelegt und
gelangt über eine Ankopplung 6 an das Ablenksvstem B. 9 ,der Polarkoordinatenröhre
7, deren Elektronenstrahl io auf dem Leuchtschirm i i einen Kreis beschreibt. Man
kann für das übersetzungsverhältnis am Frequenzwandler natürlich auch einen anderen
Wert wählen. und zwar richtet sich dieser hauptsächlich nach der Genauigkeit, mit
welcher die durch zwei Impulse markierte Zeitspanne zu messen ist. In der Zeichnung
sind die einzelnen Kreise der Schaltung mit römischen Ziffern bezeichnet, und zwar
ist I der Senderkreis, II .der Frequenzwandlerkreis, III der Verstärkerkreis, welcher
die Spannungen für die Zeitablenkung erzeugt, und IX der zur Polarkoordinatenröhre
7 gehörende Kreis.
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Der im gewählten Beispiel mit io ooo Hz umlaufende Elektronenstrahl
wird nun dauernd durch eine zur Umlauffrequenz in einem ganzzahligen Verhältnis
stehende Frequenz quer zur Bahn zackenförmig ausgelenkt. Dadurch entsteht ein stehendes
Zackenbild an einer bestimmten Stelle des Zeitkreises, «-elches als Nullmarke zur
Festlegung des Nullpunktes für die nachfolgende Zeitmessung dient, während der diese
zackenförmige Auslenkung auf dem Zeitkreis um einen der zu messenden Zeitspanne
entsprechenden Betrag verschoben wird und in dieser neuen Lage wiederum stehenbleibt.
Dadurch wird ohne Zuhilfenahme besonderer
Hilfsmittel eine unmittdb
are Ablesung der gesuchten Zeit auf dem Leuchtschirm möglich. Im folgenden wird
diedazugehörige Anordnung beschrieben.
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Die von dem Sender erzeugte Wechselspannung von iooo Hz wird über
die Kopplung i, 12 auch von Odem Schwingungskreis IV aufgenommen und durch eine
Röhre 13, soweit es erforderlich isst, verstärkt. Im Anodenkreis dieser Röhre liegt
der Kreis V, der aus einer Selbstinduktion 14 und einem durch eine Röhre 15 @dargestellten
veränderlichen Widerstand besteht. Die an diesem Kreis V liegende Wechselspannung
von iooo Hz,,die ,der durch den Anodenstrom der Röhre 13 im Kreis IV erzeugten Gleichspannung
an 14 überlagert ist, ist gegenüber dem im Kreis V fließenden Wechselstrom phasenverschoben,
und zwar nach Maßgabe der für eine Parallelschaltung von Selbstinduktion L (mit
verschwindend kleinem ohrnschem Widerstand) und Widerstand R geltenden Formel tg
p =
. Es sei angenommen, daß vor Beginn der Messung R gegenüber co L sehr klein
ünd somit die Phasenverschiebung sehr gering ist. Dieser Wechselstrom wird anschließend
in an sich bekannter Weise so umgeformt, @daß scharfe Gleichspannungsimpulse entstehen,
die zur Erzeugung steil ansteigender, zackenförmiger Querauslenkungen des Elektronenstrahles
aus seiner Kreisbahn geeignet sind. Zu (diesem Zweck ist das Gitter der Röhre 16
einmal ,durch eine Batterie 17, die auch wegfallen kann, zum anderen durch
den Gleichstromspannungsabfall an 14 so stark negativ vorgespannt, daß von der am
Gitter dieser Röhre 16 liegenden Wechselspannung des Kreises V nur die oberen positiven
Spitzen durchgelassen werden und am Widerstand 18 und damit am Gitter einer Röhre
i9 Gleichspannungsimpulse liegen. Durch geeignete Bemessung der Gittervorspannun@g
dieser Röhre i9 läßt sich eine weitere Erhöhung und Verkürzung der Gleichspannungsimpulse
erreichen, so @daß vom Anodenwiderstand 2o scharfe, zeitlich. in genau 1/106o Sekunde
aufeinanderfolgende Spannungsimpulse ausgehen, die am Zylinderkondensator 22 der
Braunischen Röhre 7 wohldefinierte-. scharfe Ablenkungen hervorrufen. Da das Frequenzverhältnis
von iooo : io ooo Hz konstant ist, erscheinen diese Auslenkun@gen ein für allemal
an dergleichen Stelle .auf dem Zeitkreis des Leuchtschirms i i der Braunischen Röhre
gut sichtbar. Sie bilden vor Beginn der Messung die Nullmarke. Durch Hintereinanderschalten
von noch mehr Stufen können die den Kreis VI verlassenden Impulse immer kürzer und
schärfer gemacht werden. In Fig. 2 ist der Leuchtschirm i i der Braunschen Röhre
7 vom Beobachter aus gesehen dargestellt. 2z ist der durch den umlaufenden Elektronenstrahl
erzeugte Zeitkreis und 23 die vorstehend -beschriebene, ohne Änderung des Widerstandes
im Kreis V ein für allemal feststehende Nullmarke.
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Wird jedoch der innere Widerstand der Röhre 15 erhöht, indem die am
Gitter liegende Spannung negativer wird (innerer Widerstand = Anodenspannung : Anodenstrom),
so wird in Bier Formel tg (p = WL der Widerstand R größer; damitwächst auch der
tg p und der Phasenwinkel cp. Die jetzt am Gitter der Röhre 16 liegende Wechselspannung
des Kreises V ist gegenüber ihrer früherenLage verschoben. DieAuslenkungen, die
bisher die Nullmarke 23 bildeten, verschieben sich daher um einen der Phasenverschiebung
entsprechenden Betrag an eine neue Steile des Zeitknei.se@s 2i.
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Die Größe dieser Phasenverschiebung wird nun nach der Erfindung durch
die zu messende Kurzzeit gesteuert, und demzufollige .stellt der an der Braunschen
Röhre durch die neue Lage der Meßmarke gegenüber oder ursprünglichen Lage (Nullmarke)
zum Ausdruck gebrachte Phasenwinkel ein genaues Maß für die zu messende Zeitspanne
dar. Die Steuerung des Phasenwinkels p erfolgt im Ausführungsbeispiel in der nachstehenden
Weise.
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24 und 25 sind zwei hochempfindliche Glimmrelais. Die Kathoden 24k
und 25k stehen über die Widerstände 34 39 mit dem negativen, die stiftförmigen Anoden
24" und 25a mit dem positiven Pol einer Batterie 26 in Verbindung. An den Zündelektroden
24k und 251, liegt von der Batterie 26 her über die beiden Spannungsteiler 27, 27'
eine dem Zündwert sehr nahe liegen@de S p annunig. Die W iderstände 28, 28' und
,die Kondensatoren 29, 29' ,dienen nur zur Erhöhung der Betriebssicherheit .der
Glimmrelais 24, 25. Kommt nun aus der Leitung A ,der erste die Zeitspanne beginnende
Spannungsstoß an, so wird er von einem Transformator 30 stark hochtransformiert
und bewirkt eine augenblickliche starke Steigerung der Spannung an der Zündelektrode
25a. Als unmittelbare Folge zündet das Relais 25 und ruft am Widerstand
31 einen Spannungsabfall hervor. Es wird also während der zu messenden Zeitspanne
das Gleichgewicht des Differentialkreises VII gestört.
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Bis dahin war durch die Batterie 32 (das Gitter der Röhre 33 so stark
negativ vorgespannt, ,daß im. Kreis VIII kelim@ Strom fließen und sich der Kondensator
34 daher nicht aufladen konnte. Mit der Zündung der Röhre 25 wird nun durch den
Spannungsabfall
am Widerstand 31 die Gitterspannung in positiver
Richtung so weit verschoben, daß der Kondensator 3.1. sich aufzuladen beginnt.
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Im Anodenkreis der Röhre 35 War bis dahin ein Strom geflossen. .der
an dem Widerstand 36 einen Spannungsabfall erzeugte, der mit dem entgegengesetzten
der Batterie 3; zusammen an dem Gitter der Röhre 15 eine solche Spannung liegen
ließ, daß bei der gegebenen Anodenspannung von 1.3 im Kreis ein gewisser maximaler
Stram floß. Diese Anodenspannung :dividiert durch diesen Anodenstrom stellte ja
den inneren Widerstand der Röhre 15 dar.
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In dem Augenblick nun, wo der Kondensator 34 sich zu laden beginnt,
wo also seine Spannung steigt, wird der Schaltung gemäß die Spannung des Gitters
der Röhre 35 sich in negativer Richtung verlagern, den Anodenstrom dieser Röhre
entsprechend schwächen und somit den Spannungsabfall am Widerstand 36 kleiner werden
lassen. Dadurch beginnt die Spannung der Batterie 37 in immer stärkerem -Maße
die am Widerstand 36 erzeugte zu überviegen, .das Gitter der Röhre i ; wird also
negativer und ihr Anodenstrom geringer. Das bedeutet aber eine Erhöhung des inneren
Widerstandes der Röhre 15. Hand in Hand mit dieser Erhöhung des Widerstandes wächst
nun entsprechend der Formel t5 ,r =
der t- 99 und damit auch die Phasenverscliiebun5, die in der beschriebenen Weise
eine Auswanderung der Auslenkzacke aus der Nullage zur Folge hat.
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Kommt nun durch die Leitung B der zweite die Zeitspanne beendende
Spannungsstoß an, so wird er durch einen Transformator 38
hochtransformiert,
Mäht das Glimmrelais 2.l zünden und ruft am Widerstand 39 einen Spannungsabfall
hervor, Tier den am Widerstand 31 liegenden gerade wieder aufhebt. Die Gittervorspannung
von 33 ist dann wieder lediglich durch die Batterie 32 bestimmt und stark negativ.
Im Kreis VIII fließt kein Strom mehr, und die Aufladung und Spannung des Kondensators
34 wächst nicht mehr weiter.
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Der von der Röhre 35 herrührende Spannungsabfall am Widerstand 36
bleibt konstant, und damit verbleibt auch der innere Widerstand der Röhre 15 auf
dem so erhaltenen Wert. Die im Kreis -" auf diese Weise erreichte und von der zwischen
den beiden Impulsen verflossenen Zeitspanne abhängige Phasenverschiebung ändert
sich nicht mehr. Die -Ießmarke bIeibt also in ihrer neuen Lage stehen. Der Betrag
ihrer Auswanderung aus der ursprünglichen Nullage bei 23 ist ein genaues -Maß für
die Länge der gemessenen Zeitspanne. War die Zeitspanne gerade genau lizooo Sekunde
lang, so möge die Auslenkung jetzt am Ort -10 erscheinen.
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Zwischen der (ursprünglich konstanten) Auslenkung bei 23 und der nuninelir:ben
bei 4o hat der Elektronenstrahl natürlich den Zeitkreis dem Übersetzungsverlic7atn:s
der Frequenzen entsprechend mehrmals beschrieben. Sollen z. B. sämtliche Geschol3geSchwindigkeiten
gegenüber einem Kornialwert von iooo m/Sek. (dann durchfliegt das Geschoß zwei -Marken
von i m Abstand in der Kanone gerade in lhooo Sekunde) gemessen werden. so kann
die Stellung der Auslenkung .Mo als punht einer Zählung bzw. Skala gelten. Null
Kommen vom zweiten oder x-ten Schuß des Geschützes die Innpulse der Zeitspanne in
das Meßgerät, so ist inzwischen durch die Abnutzung des Geschützrohres die Geschoßgeschwindigkeit
langsamer und die Zeitspanne größer geworden. Die Meßmarke verschiebt sich dann
beispielsweise von der Lage bei .4o bis zur Stellung 41, und man kann l:e :Uderung
der Gesciioß-esch-,vindi-iZeit oder diese selbst in Meter pro Sekunde sofort an
einer am Leuchtschirm angebrachten Skala .l2 mit entsprechender Eichung ablesen.
-Man kann es durch entsprechende Wahl der Umlauffrequenz des Elektronenstrahles
und der phasenverschiebenden Grölen der Schaltung leicht so einrichten, da? die
Lichtmarke die Skala 42 oder den Zeitkreis 21 einmal durchwandert, wenn die Geschoßgeschwind:glceit
vom höchsten zum kleinsten noch vorkommenden oder interessierenden Wert abnimmt.
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Der Kondensator 3.l wird von vornherein durch die in seinen Zuführungen
liegenden Batterien eine gewisse, wenn auch geringe Ladung und Spannung haben. Dadurch
wird vor Beginn der Messung der fintiere Widerstand der Röhre 15 neben der an 36
liegenden. von 35 herrührenden Spannung und der Spannung 37 mit festgelegt. Der
Kapazitätswert des Kondensators 34 ist so zu bemessen. daß bei den in Frage kommenden
Zeitdifferenzen eine volle Aufladung noch lange nicht stattfindet und nur im praktisch
linearen Teil seiner Aufladekurve gearbeitet wird.
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Die von .-I und B kommenden gleic1iiaeformten, das Zeitintervall Ix,grenzenden
Spannungsstöße sollen eine möglichst steile Stirnfront haben. Das kann einmal durch
geeignete schaltungstechnische -Maßnahmen in den Leitungen r- und B erreicht
werden, zurn anderen aber und auch einfacher durch ein hohes Übersetzungsverhältnis
der Transformatoren 30 und 38. Die darin sehr steil ansteigende Spannung
wird für einen bestimmten Augenblick fast augenblicklich hochgehen und die Zündung
der beiden Glimmrelais sehr genau an zeitlich einander entsprechenden Punkte der
Impulse bewirken. Diese Steuerang
der Kondensatorladung mittels
Glimmrelais arbeitet praktisch trägheitslos und erheblich ,genauer, als es .mittels
mechanischer Schaltmittel möglich ist.
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Die Schaltung des Ausführungsbeispiels ist mit Eingitterröhren ausgeführt
worden. Selbstverständlich kann man zur Vereinfachung und besseren Ausnutzung der
Schaltung zu Mehrgitterröhren greifen.
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Zulr Phasenverschiebung ist im vorliegenden Beispiel idie Änderung
des Widerstandes in der Parallelschaltung von Selbstinduktion und Widerstand gewählt
worden. Man kann natürlich im Rahmen der 'Erfindung auch andere Kombinationen ausführen,
sei es durch Parallelschaltung von Kapazitäten und Widerständen oder durch Hintereinandersch:al.ten:
von Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen. Die vorliegend angewandte Schaltmethode
is.t nur eine besonders einfache und zweckmäßige. Westlich ist für die E.rfindung
nur, daß die Zeitmessung in eine Meissung von Phasenverschiebungen eines der vorgenannten
Wechselstromkreise übergeführt wird.
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Ein einmal ausgelöster Schuß wind in seiner Anfangsgeschwindigkeit
sofort aufgezeichnet, und die gemessene Zeitspanne kann in Ruhe abgelesen werden.
Soll Idas Gerät zur nächsten Messung betriebsbereit sein, so ist nur dafür zu sorgen,
daß durch einen Kurzschlußschalter 43 der Kondensator 34 einen Augenblick kurzgeschlossen
und entladen wird und die Glimmrelais durch Öffnen eines Schalters 44 zum Erlöschen
und durch anschließendes Schließen dieses Schalters wieder in betriebsbereiten Zustand
gebracht werden.
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Das Gerät läßt sich daher auch für laufende Messungen zur Entfernungsbestimmung
nach dem Imp.ulsechoverfahren verwenden. Es ist nur dafür zu sorgen, daß vor Beginn
jeder Messung die beiden Schalter 43'und 44 vorübergehend geöffnet bzw. geschlossen
werden. Da bei der Impulsecholotung meistens die Abgabe -der Lotungsimpulse periodisch
erfolgt, braucht nur eine im Gleichtakt arbeitende Schaltvorrichtung vorgesehen
zu werden, welche die Kontakte 43 und 44 zu den gegebenen Zeitpunkten steuert.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung läßt sich die Kurzzeitmessung
sehr einfach durchführen. Zur Bestimmung des Resultatwertes genügt die Beobachtung
einer ennzi; gen zackenförmigen Strahlauslenkung (Meßmarke),die über einer Skala
spielt und sofort nach Beendigung des zweiten, die Zeitspanne begrenzenden Impulses
am Schirm ablesbar ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß dem Anfangsimpuls stets
die gleiche Stelle des Leuchtschirmes als Nullmarke entspricht, unabhängig .davon,
in welchem Zeitpunkt in bezug auf die Zeitablenkung des Elektronenstrahles der Anfangsimpuls
ausgelöst wird.
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Ein weiterer Vorteil ist ,der, daß diie Schaltung der Kürzzeitmeßeinrichtung
keine Glieder enthält, deren Daten sich unter ungünstigen Verhältnissen während
des Betriebes oder mit der Zeit ändern können, wie es beispielsweise bei der vorgeschlagenen
Verwendung von Verzögerungsketten zur periodischen Impulswiederholung der Fall ist.
Die das Zeitintervall einschließenden Impulse .lösen nur rein elektrische Vorgänge
aus, die sämtlich von einem in seiner Frequenz konstanten und bequem kontrollierbaren
Schwingungskreis eines Senders gesteuert werden. Bislang waren es die Impulse selbst,
die in irgendeiner Form oder Verformung auf dem Schirm einer Braunschen Röhre sichtbar
gemacht wurden.