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Selbsttätig auf einen Glleichgewidhtszustanxd einregelnde D opp elbrücken-Röhrens
chaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine in Form einer Doppelbrücke ausgeführte
Röhrenschaltung, die sich selbsttätig auf ihren Gleichgewichtszustand einregelt
und für die Verwendung bei sogenannten Metalldetektoren u. dgl. bestimmt ist, um
den sogenannten Meßteil solcher Detektorschaltungen im abgeglichenen Zustand zu
erhalten.
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Derartige selbsttätig einregelnde Röhren;sehaltungen existieren bereits
seit vielen Jahren. Eine solche Schaltung für die Verwendung bei einem sogenannten
Metalldetektor ist in der USA.-Patentschrift 2 480 920 (Michel) beschrieben. Die
bekannten Schaltungen und die in dieser Patentschrift beschriebenen Schaltungen
haben jedoch wegen der Schwierigkeiten bei ihrem Entwurf und wegen ihres hohen Preises
nicht voll befriedigt. Ferner vermögen diese bekannten Schaltungen ihr Gleichgewicht
auch nicht stets vollständig aufrechtzuerhalten, da viele Einflüsse vorliegen, welche
dieses Gleichgewicht stören können.
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Ein Zweck der Erfindung besteht daher darin, eine Röhrens.haltung
anzugeben, welche das
Gleichgewicht während einer langen Betriebsdauer
selbsttätig stets wiederherstellt, und zwar auch dann, wenn gewisse Schaltelemente
Alterungserscheinungen zeigen, wenn die Umgebungstemp e ratur schwankt usw.
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Die Erfindung betrifft eine selbsttätig auf einen Gleichgewichtszustand
einregelnde Doppelbrucken-Röhrenschaltung mit einer ersten Brücke, welche in jedem
Brückenzweig einen Scheinwiderstand und in ihrem einen Diagonalzweig einen ohmschen
Widerstand enthält. Erfindfungsgemäß werden die Mängel der bekannten Röhrenschaltungen
dadurch vermieden, daß eine gittergesteuerte Elektronenröhre parallel zu wenilgstens
einem Teil des Scheinr widerstandes im einen Brückenzweig vorhanden ist, daß eine
zweite Brücke aus zwei aneinandergrenzenden Zweigen der ersten Brücke und zwei weiteren
Zweigen gebildet ist, von denen jeder einen Scheinwiderstand. enthält, und daß eine
weitere gittergesteuerte Elektronenröhre parallel zu wenigstens einem Teil des Scheinwidersitandes
in einem nicht zur ersten Drücke gehörigen Zweig der zweiten Brücke sowie ein Blindwiderstand
zwischen zwei Eckpunkten der zweiten Brücke vorhanden sind.
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In allen Figuren der Zeichnung sind gleichartige Schaltelemente mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Fig. I ist ein Schaltbild einer Röhrenschaltung gemäß der Erfindung,
Fig 2 eine teilweise in Blockdarstel.lung gehaltene Schaltung eines Metalldetektors
unter Verwendung der Schaltung nach Fig. I und Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten
Ausführungsform gemäß der Erfindung, Die Röhrenschaltung in Fig. 1 ist eine abgeglichene
Doppelbrücke, welche eine erste Brücke mit einer Spule ii und einer Spule I2 enthält.
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Diese beiden Spulen können die Wicklun.gen eines Meßteils eines Metalldetektors
sein und bilden zwei Zweige der ersten Brücke. Ein konstanter ohmscher Widerstand
13 zusammen mit einem kleinen festen ohmschen Widerstand I4 und einem einstellbaren
Widerstand 15 bilden den dritten und vierten Zweig der ersten Brücke, die zwischen
ihrem rechten und linken Eckpunkt einen ohlmschen Widerstand I6 enthält. Parallel
zu wenigstens einem Teil des einstellbaren Widerstandes I5 ist über einen Kopplungskondensator
I8 eine gittergesteuerte Elektronenröhre 17 geschaltet, deren Anode über einen Widerstand
21 und ein Meßinstrument 19 an einer positiven Gleichspannung B+ liegt. Die Katode
der Röhre I7 liegt am unteren Eckpunkt der ersten Brücke.
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Die ganze Doppelbrückenanordnung enthält ferner noch eine zweite
Brückenschaltung, welche aus den (bereits erwähnten und ebenfalls zur ersten Brücke
gehörigen) Brückenzweigen mit den Spulen II und 12 besteht und ferner noch aus zwei
weiteren BrückenzwXeigen, nämlich aus einem konstanten ohmschen Widerstand 22 einerseits
und einem festen Widerstand 23 sowie einstellbaren Widerstand 24 andererseits. Zwischen
dem rechten und linken Eckpunkt dieser zweiten Brücke liegt ein Bllinfdwiderstand,
vorzugsweise ein Kondensator 25. Parallel zu wenigstens einem Teil des einstellbaren
ohmschen Widerstandes 24 ist über einen Kopplungskondensator 27 eine gittergesteuerte
Elektronenröhre 26 geschaltet, deren Kathode am unteren Eckpunkt der zweiten Brücke
liegt und deren Anode über einen Widerstand 29 und ein Meßinstrument 28 wieder mit
der Gleichspannung B + verbunden ist. Bei der beschriebenen Schaltung der Röhren
17 und 26 stellen die Anoden-Kathoden-Strecken dieser beiden Röhren Hochfrequenzwiderstände
dar, die zu den ohmschen Widerständen 15 und 24 parallel liegen und deren Größe
durch die Höhe der Gitterspannung beeinflußt werden kann. Da der Anodengleichstrom
der beiden Röhren, der an den Instrumenten 19 und 28 abgelesen werden kann, ebenfalls
von den Gitterspannungen abhängt, gibt der Anodengleichstrom ein Maß für den wirksamen
Hochfrequenzwiderstand der Kathoden-Anoden-Strecken.
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Im Betrieb werden in den Spulen II und I2 Signalspannungen erzeugt,
und die Doppelbrücke wird anfänglich durch Einstellung der Widerstände I5 und 24
abgeglichen, so daß anfänglich der Strom durch die Röhren 17 und 26 in der Mitte
zwischen dem min.imalen und maximalen teriebsmäßig auftretenden Wert liegt. Wenn
sodann durch Anderung der Verhältnisse in der Nähe der Spulen II und 12 oder durch
Änderung der Eigenschaften der Schaltelemente der Brücke die Spannungsverteilung
verschoben wird, so wird das Brückengleichgewicht gestört. Wenn diese Störung in
einer Phasenverschiebung der in einer der beiden Spulen erzeugten Spannungen besteht,
so wird diese Phasenverschiebung durch einen (nicht dargestellten) Phasendetektor
angegeben, welcher ein Steuersignal an das Gitter der Röhre 26 zurückliefert, so
daß deren Hochfrequenzwiderstand je nach der Richtung der Gleichgewichtsstörung
zunimmt oder abnimmt. Die Widerstands änderung der Röhre 26 beeinflußt dann den
über den Kondensator 25 fließenden Hochfrequenzstrom, so daß dieser entweder zunimmt
oder abnimmt und die aufgetretene Phasenänderung wieder rückgängig macht. Wenn die
Änderung der Spannungsverteilung durch eine Amplitudenänderung der in den Spulen
11 und 12 induzierten Spannungen hervorgerufen wird, so wird die Amplitudenänderung
durch den Phasendetektor angezeigt, welcher ein Steuersignal an das Gitter der Röhre
I7 zurückliefert, so daß diese je nach dem Vorzeichen der Amplitudenänderung ihren
Hochfrequenzwiderstand erhöht oder vermindert. Die Röhre liefert dann einen größeren
oder kleineren Strom durch den Widerstand I6 und kompensiert dadurch die Amplitudeuschwankung
der in den Spulen II und 12 induzierten Spannung. Es wird somit, wenn das Gleichgewicht
der Dopelbrücke d.urch eine Amplituden- oder Phasenänderung der Spannungen in den
Spulen II und 12 gestört wird, diese Gleichgewichtsstörung durch einen (nicht mit
dargestellten) Phasendetektor an-gezeigt, der ein Steuersignal
liefert,
welches an die Röhren I7 oder 26 zurückgeliefert wird, so daß diese das 13rückengieichgewicht
wiederherstellen.
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Da die Stromhöhe in den Röhren I7 oder 26 beschränkt ist und daher
auch der Hochfrequenzwiderstand dieser Röhren sich nur innerhalb gewisser Grenzen
ändern kann, muß die Schaltung gemäß der Erfindung innerhalb eines. gewissen beschränkten
Bereiches betrieben werden. Wenn daher durch irgendwelche äußeren Einflüsse die
Wirkungsweise der Schaltung derart beeinflußt. wird, daß eine extrem große Gleichgewichtsstörung
auftritt und daß der Strom in der Röhre I7 oder 26 entweder jeden Sättigungswert
annimmt oder verschwindet, so wird durch eine Alarmvorrichtung dieser Zustand dem
die Schaltung überwachenden Arbeiter angezeigt, so daß dieser die ursprünglichen
Betriebsbedingungen wiederherstellen kann. Die Alarmschaltung enthält vorzugsweise
zwei gasgefüllte Röhren 31 und 32. Die Röhre 3I ist mit ihrer einen Elektrode über
einen Hochohniwiderstand 33 an die Anode der Röhre I7 und mit ihrer anderen Elektrode
über einen Widerstand 39 an eine Spannungsquelle 41 angeschlossen. Ebenso ist die
Röhre 32 über einen Widerstand 36 mit der Anode der Röhre 26 und über den bereits
erwähnten Widerstand 39 an dieselbe Spannungsquelle 41 angeschlossen. Bei dieser
Schaltung liegen an den Röhren 31 und 32 von der Spannung B+ her und von der Spannungsquelle
41 her gewisse Vorspannungen. Durch geeignete Wahl der über dije Widerstände 33
und 36 und über den Widerstand 39 zugeführten Vorspannungen kann der Zündpunkt dieser
Gasentladungsröhren beeinflußt werden, so daß sie dann Strom zu führen beginnen,
wenn der Anodenstrom in den Widerständen 21 und 29 einen bestimmten festen Wert
überschreitet oder einen anderen bestimmten festen Wert unterschreitet. Bei einem
zu starken Anstieg oder Abfall des Anodenstromes der Röhren I7 oder 26 ruft daher
der entsprechende Anstieg oder Abfall der Anodenspannung einen Stromdurchgang durch
die Röhren 3I und 32 hervor. Wenn der Strom in einer dieser beiden Röhren zu fließen
beginnt, tritt eine Spannungsänderung an der Verhindungsklemme dieser Röhre mit
dem Widerstand 33 bzw. 36 auf, und zwar in dem Sinne, daß diese Klemme sich dem
Potentialwert der Spannu,ngsquelle 41 annähert. Dieser Potentialsprung wird über
den Kondensator 34 bzw. 37 auf das Steuergitter einer weiteren, einen Gitterableitwiderstand
42 aufweisenden Röhre 35 übertragen, deren Anode über die Wicklung 43 eines Ein-
und Ausschaltrelais und über den Widerstand 44 an der Spannung B+ liegt. Der Widerstand
44 wird so gewählt, daß das Relais von Hand auf geeignete Weise bei der Spannung
Null am Gitter der Röhre 35 in den angezogenen Zu.stand gebracht werden kann. Wenn
der Spannungssprung an der gemeinsamen Klemme der Röhre 32 und des Widerstandes
36 oder der Spannungssprung an der gemeinsamen Klemme der Röhre 3I und des Widerstandes
33 negativ ist, so nimmt der Strom wider Röhre 35 ab, und das Relais fällt ab, so
daß akustisch, optisch oder anderweitig wahrnehmbarer Alarm gegeben wird und somit
der Eintritt einer übermäßigen Gleichgewichtsstörung oder eine bevorstehende Gleichgewichtsstörung
angezeigt wird. Wenn der erwähnte Spannungssprung dagegen positiv ist, so nimmt
der Relaisstrom zu, und es wird kein Alarm gegeben. Jedoch nimmt das Potential an
den oberen Klemmen der Röhren 31 und 32 im Ipositiven Sinne eu, und es fließt ein
so großer Strom durch den Widerstand 39, daß die Gasentladungsröhre erlischt, so
daß das Potential an der oberen Klemme der Gasentladungsröhre stärker negativ wird.
Dieser Vorgang wiederholt sich dann, so daß eine Art von Kippschwingung entsteht.
Der Kondensator 38 liegt der Spannung quelle 41 und dem Widerstand 39 parallel,
so daß eine genügend lange Periodendauer der Kippschwingung erzeugt wird, um die
negativen Halbwellen der Kippspannung über die Kondensatoren 34 und 37 an das Steuergitter
der Röhre 35 zu übertragen und somit das Relais zum Abfallen zu bringen und daher
Alarm zu gehen. Auf diese Weise tritt also sowohl bei einer übermäßig hohen wie
bei einer übermäßig tiefen Anodenspannung der Röhren I7 und 26 eine Auslösespannung
am Gitter der Röhre 35 auf, und der dann gegebene Alarm zeigt eine unzuläs.sig starke
Gleichgewichtsstörung der Schaltung an.
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Ein elektronischer Metalldetektor unter Verwendung der in Fig. I
dargestellten Schaltung ist in Fig. 2 Idargestellt und enthält einen Meßkopf, der
aus zwei Primärwicklungen 45 und 46 besteht.
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Diese Wicklungen sind über die eine Wicklung eines Transformators
51 an eine Hochfrequenzquelle 47 angeschlossen, welche ihrerseits an dem 6o-Hertz-Netz
liegt. Die Wicklungen 45 und 46 sind ferner mit den Spulen II und I2 in zwei Btückenzweigen
der Doppelbrücke gekoppelt. Im übrigen ist die Doppelbrücke in Fig. 2 ebenso aufgebaut
wie diejenige nach Fig. I.
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Ein Ausgangssignal, das infolge einer Gleich gewichtsstörung an der
Doppelbrücke entsteht, wird über einen Verstärker 48 auf die Eingangsseite des Phasendetektors
49 übertragen. Dieser selbst kann ebenso ausgebildet sein wie der Phasendetektor
nach der obenerwähnten USA.-P atentschrift und kann zwei gittergesteuerte Röhren
enthalten. Den Steuergittern dieser Röhren werden Spannungen über die Sekundärwicklung
des Transformators 51 von der Hochfrequenzspannungsquelle 47 aus zugeführt. Die
Sekundärwicklung des Tran.sformators 51 ist mit ihrer einen Klemme unmittelbar mit
dem Steuergitter der einen Röhre des Phasendetektors verbunden und ist mit ihrer
anderen Klemme über einen Phasendrehkondensator 52 mit dem Steuergitter der anderen
Röhre des Phasendetektors verbunden. An der einen Röhre des Phasendetektors liegt
daher eine Hochfrequenzspannung, die gleichphasig mit der an den Wicklungen 45 und
46 der Anzeigespule liegenden Spannung ist, während an der anderen Röhre des Phasendetektors
eine um gc-rO verschobene Span nung liegt. Der Phasendetektor 49 liefert also zwei
Gleichspannungen,
von denen die eine dem gleichphasigen Signal proportional ist und die andere einem
ihm gegenüber um go0 gedrehten Signal proportional ist. Eine oder beide Gleichspannungen
werden einem Störungsanzeiger 53 zugeführt, der an den Phasendetektor 49 angeschlossen
ist. Die Ausgangsspannungen des Phasendetektors werden außerdem über zwei Zwischenglieder
54 mit langer Zeitkonstante den Steuergitternader Röhren I7 und 26 zugeführt.
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Die Anzeigespulenanordnung, die aus den Wicklungen 45, 46, II und
I2 besteht, läßt sich an ein Förderband anbauen, um laufend zu untersuchen, ob die
auf diesem Förderband liegenden Metallteile magnetisch oder unmagnetisch sind. Der
Einfluß, den ein Fremdkörper auf ein zur Prüfung dienendes magneti.sches Wechselfeld
ausübt, hängt von der Leitfähigkeit, von der Permeabilität und von der Größe sowie
von der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes ab. Wenn der Fremdkörper vorwiegend
die Größen der in den Spulen ii und I2 induzierten Spannungen beeinflußt und nur
einen geringen oder gar keinen Einfluß auf die Phasenlage des induzierten Signals
ausübt, so wird nur die Amplitude der in den Spulen II und I2 induzierten Spannungen
beeinflußt. Der Gleichgewichtszustand der D.oppelbrücke wird also gestört und ein
Störungssignal an den Ausgangsklemmen der Doppelbrücke erzeugt. Dieses durchläuft
den Verstärker 48 und erreicht den Phasendetektor 49. Da das Störungssignal in Phase
mit dem in den Primärwicklungen 45 und 46 fließenden Strom ist, so ist es auch in
Phase mit dem über den Tranformator 5I übertragenen Vergleichssignal, welches unmittelbar
an der einen Phasendetektorröhre liegt. Diese Röhre beginnt daher Strom zu führen
und liefert ein Ausgangssignal, dessen Größe die von dem magnetischen Fremdkö. per
erzeugte Gleichgewichtsstörung anzeigt, die an dem Störungsanzeiger 53 dann abgelesen
werden kann.
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Wenn der Fremdkörper in dem laufend untersuchten Material so beschaffen
ist, daß in den Spulen II und I2 eine gegenüber der Spannung an den Spulen 45 und
46 phasenverschobene Spannung erzeugt wird, so ruft diese phasenverschobene Spannung
gleichfalls eine Gleichgewichtsstörung der Brücke und somit ein Störungssignal hervor.
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Dieses wird nach Durchlaufen des Verstärkers 48 ebenfalls dem Phasendetektor
49 zugeleitet. Da es nicht in Phase mit der dem Transformator 51 zugfüihrten Signalspannung
ist, ist es annähernd in Phase mit dem über den Phasendrehkondensator 52 übertragenen
Signal, so daß die andere Röhre des Phasendetektors Strom zu führen beginnt und
ein Ausgangssignal, welches die Größe des nichtmagnetischen Fremdkörpers kennzeichnet,
erzeugt wird. Dieses wird wieder dem Störungsanzeiger 53 zugeleitet.
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Wenn die Gleichgewichtsstörung der Doppelbrücke nur vorübergehender
Natur ist, wie es beim Auftreten von Metallteilchen in .der Untersuchungszone zu
erwarten ist, so wird das Ausgangssignal des Phasendetektors im Störungsanzeiger
53 angezeigt und ferner den Zeitkonstantengliedern 54 zugeleitet. Ein vorübergehendes
Signal durchläuft jedoch diese Zeitkonstantenkreise nicht und erreicht daher nicht
die Gitter der Röhren I7 und 26.
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Wenn jedoch das Störungssignal lange genug anhält, werden die Zeitkonstantenkreise
54 durchlaufen, und es tritt je nach der Art der Störung eine Spannung am Gitter
der Röhre I7 oder 26 auf. In beiden Fällen wird durch die etreffende Röhre der Gleichgewichtszustand
wiederhergestellt.
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Man sieht, daß die beschriebene Doppelbrückenanordnung als Anzeigeeinrichtung
für das Auftreten von Metallteilen sehr nützlich sein kann und sich auch für andere
Arten von Uberwachungseinrichtungen verwenden läßt.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt
ist, unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Ein. 1 dadurch, daß eine andere
Art von Meßelement verwendet wird.
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An Stelle der in Fig. I dargestellten veränderbaren Induktivität
in zwei aneinandergrenzenden Brückenzweigen zeigt Fig. 3 einen verstellbaren Kondensator
56 in Reihe mit einer kleinen festen Spule 57 und einem verstellbaren ohmschen Widerstand
58 im einen Brückenzweig und im anderen Birückenzweig einen verstellbaren Kondensator
59 in Reihe mit einer kleinen Spule 6I und einem verstellbaren ohmschen Widerstand
62. An Stelle des Kondensators 25 in Fig. I ist ferner in Fig. 3 eine Spule 63 vorhanden.
Die Kodensatoren 56 und 59 werden in ihrer Kapazität durch die zu überwachenden
Eigenschaften der geförderten Materialien beeinflußt und beeinflussen daher auch
wiederum den Gleichgewichtszustand der Doppelbrücke. Mit Ausnahme der erwähnten
Unterschiede stimmt der Rest der Schaltung nach Fig. 3 mit derjenigen nach Fig.
I überein.
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Die Schaltung nach Fig. 3 arbeitet in gleicher Weise wie die Schaltung
-nach Fig. 1 mit dem bemerkenswerten Unterschied, daß an Stelle der Zunahme oder
Abnahme der nacheilenden Spannung an der Spule 63 die nacheilende Spannung in der
Doppelbrücke entweder zunimmt oder ababnimmt, um Änderungen der voreilenden Spannung
in den Meßkondensatoren 56 und 59 zu kompensieren. Auf diese Weise werden Phasenänderungen
in jedem der beiden kapazitiven Brückenzweige durch Beeinflussung der Leitfähigkeit
der Röhre 26 kompensiert und dadurch die Brücke phasenmäßig wieder abgeglichen.
Amplitudenänderungen der in beiden Brückeneingangszweigen induzierten Spannungen
können durch Beeinflussung des Leitwertes der Röhre I7 ausgeglichen werden. Die
Schaltung nach Fig. 3 arbeitet daher weitgehend gleichartig wie diejenige gemäß
der Fig. I.