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Einrichtung zur Frequenzanzeige von Wechselspannungen mittels Kondensatorladung
und-entladung unter Verwendung gittergesteuerter Gasentladungsgefäße In dem Hauptpatent
ist eine Einrichtung zur Frequenzanzeige mittels Kondensatorladung und -entladung
durch die zu messenden Ströme, insbesondere zur Anzeige von Frequenzen, die nach
dem Impulshäufigkeitsverfahren fernübertragen werden, beschrieben, bei der die Umschaltung
des Kondensators von Laden auf Entladen mit Hilfe von zwei unmittelbar im Lade-
bzw. Entladekreis des Kondensators liegenden gittergesteuerten Entladungsröhren
bewirkt wird, denen die zu messenden Ströme verschiedener Richtungen getrennt durch
einen Transformator mit geteilter Sekundärwicklung so zugeführt werden, daß die
Ströme der einen Richtung die Ladung, die Ströme der entgegengesetzten Richtung
die Entladung des Kondensators steuern.
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Ferner ist ein Fernmeßverfahren bekanntgeworden, bei dem jede Halbwelle
eines Wechselstromes einen Kondensator über eine gittergesteuerte Gasentladungsstrecke
auf- bzw. entlädt. Bei einer weiteren Anordnung werden die zur Steuerung des Lade-
bzw. Entladevorgangs dienenden gittergesteuerten Gasentladungsröhren mittels eines
zerhackten Gleichstromes gesteuert. Bei diesen bekannten Anordnungen ist aber der
Lade- bzw. Entladestrom nicht eindeutig von der steuernden Frequenz abhängig; denn
die steuernde Gitterspannung bestimmt bei den gittergesteuerten Gasentladungsgefäßen
nur den Zündzeitpunkt, nicht aber eindeutig die Ladehöhe des I Kondensators. Diese
ist u. a. von der Höhe der Anodenspannung, von der Heizung und der Größe der Gitterspannung
während der Entladung und im Augenblick der Stromunterbrechung im Anodenkreis des
Gasentladungsgefäßes abhängig. Die Abhängigkeit von der Gitterspannung während des
Entladevorgangs ist darauf zurückzuführen, daß je nach dem Ionisierungszustand der
Röhre die Spannung, bei der der Strom abreißt, etwas verschieden ist. Durch Verwendung
von Gleichstromquellen kann man zwar sowohl die Anodenspannung als auch die Heizung
in ausreichendem Maße konstant halten; indessen bleibt für genaue Messungen ein
nicht mehr zu vernachlässigender Einfluß von der Höhe der Gitterspannung bestehen.
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Bei einer Einrichtung zur Frequenzanzeige von Wechselspannungen nach
dem Hauptpatent werden diese Schwierigkeiten gemäß der Erfindung dadurch beseitigt,
daß die Zündung der Gasentladungsgefäße über einen im Ausgang eines Vorverstärkers
liegenden ge,-sättigten Transformators erfolgt, welcher bei-: der Ummagnetisierung
Spannungsstöße erzeugt, deren Dauer klein ist im Verhältnis zur Dauer der Kondensatorladung
und die einer konstanten Gittervorspannung überlagert werden, die kleiner als die
Sperrspannung der Röhren ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat gegenüber dem bisher Bekannten
den Vorteil, daß die Messung von der Form der Meßspannung in weitgehendem Maße unabhängig
ist und daß man auch durch Verwendung von Röhren mit leichten Gasen sehr hohe Frequenzen
in eindeutiger Weise messen kann. Die Wechselspannung, deren Frequenz man messen
will, wird mittels Elelçtronenröhren, die sie beliebig hoch verstärken, und mit
Hilfe eines im Sättigungsgebiet arbeitenden Transformators in Spannungsstöße verwandelt,
deren Größe und Verlauf vollkommen unabhängig von der Größe der Meßspannung ist,
so daß exakte Messungen einwandfrei durchgeführt werden können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Mit 1 und 2 sind zwei Gasentladungsröhren z. B. mit Wasserstoffüllung
bezeichnet, deren Entionisierungszeiten klein sind im Verhältnis zur Halbperiode
der höchsten zu messenden Frequenz. Mit 3 ist ein Kondensator bezeichnet, mit 4
ein Drehspulinstrument. Mit 5, 6, 7 und S sind Teilspannungen einer Glimmstrecke
bezeichnet. Der Kondensator 3 ist einerseits in Reihe mit der Röhre I und dem Instrument
4 unter Zwischenschaltung eines Vonviderstandes 9 an die Spannung 5 und 6 und anderseits
in Reihe mit der Röhre 2 und einem Widerstand 10 an die Spannung 7 angeschlossen.
Der Kondensator 3 wird abwechselnd über die eine Röhre I aufgeladen und die andere
Röhre 2 entladen. Die die Ladung des Kondensators 3 steuernde Meßspannung wird den
Gittern der Röhren I und 2 nicht direkt, sondern unter Zwischenschaltung der Verstärkerröhren
1 1 und 12 zugeführt.
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Die Röhren liegt in Reihe mit dem einen Widerstand 14 an der Spannung
6,7 und 8.
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Das Gitter dieser Röhre wird durch die Meßspannung gesteuert, und
zwar liegt im Gitterkreis der Röhre 1 1 eine negative Vorspannung, die durch einen
in Reihe mit den Glimmstrecken 5, 6, 7 und 8 liegenden Widerstand 8 erzeugt wird.
Um auch bei verhältnismäßig großen Meßspannungen einen geringen Eigenverbrauch der
Meßeinrichtungen zu erhalten, ist dem Gitter der Röhre 1 1 ein Widerstand 17 vorgeschaltet.
Die Röhre 12 ist an die Spannung der Glimmstrecken 6 und 7 angeschlossen. Im Anodenkreis
dieser Röhre liegt außer einem Widerstand 19 die Primärwicklung I eines Transformators
I5. dessen Sekundärwicklungen I 5111 und 1 51V im Gitterkreis der Röhren I und 2
liegen. Die Gitterspannung der Röhre 1 setzt sich zusammen aus der Spannung des
Kondensators 3 und der konstanten Spannung der Glimmstrecke 7. Das Gitter der Röhre
2 ist an die gegenüber der Kathode negative Spannung 8 angeschlossen. Außer den
Transformatorsekundärwicklungen liegen in dem Gitterkreis der Röhren I und 2 noch
Strombegrenzungswiderstände 13 bzw. 16. Die Gitterspannung der Röhre 12 wird durch
den Anodenstrom der Röhre 1 1 gesteuert. Die Größe der Gitterspannung für die Röhre
12 wird vorzugsweise so gewählt, daß der Arbeitspunkt der Röhre 12 im geradlinigen
Teil der Röhrencharakteristik liegt. Um die Amperewindungen des Anodenstromes der
Röhre 12 in bezug auf den Transformator 15 zu kompensieren, ist noch eine Kompensationswicklung
I511 vorgesehen, die an der konstanten Spannung 6 in Reihe mit einem Widerstand
20 liegt. Wird die an der Röhre 12 liegende Gitterspannung größer, so wächst auch
der Anodenstrom der Röhre 12, und der resultierende Primärstrom des Transformators
1 5 wird positiv. Wird die Gitterspannung der Röhre f2 kleiner, so wird der resultierende
Primärstrom des Transformators negativ. Bei Stromzunahme wird in den Transformatorellwicklungen
I 511 und 151V eine negative Spannung induziert, bei Stromabnahme eine positive.
Der magnetische Kreis des Transformators 15 ist erfindungsgemäß derart dimensioniert,
daß bei Zunahme des resultierenden Transformatorenstromes der die Wicklungen 15111
und I51V durchsetzende Fluß bei einer bestimmten Größe der primären Amperewindungen
gesättigt ist, so daß die Sekundärspannung bei weiterer Zunahme des primären Stromes
bzw. des Gitterstromes der Röhre I2 annähernd Null bleibt. Bei Umkehr der Größe
des Anodenstromes bzw. bei Nulldurchgang des resultierenden Transformatoren stromes
werden in den Wicklungen 15111 und ItIV Spannungsspitzen kurzer Dauer induziert,
während ein weiteres Anwadisen des Primärstromes praktisch auf die Selcundärwicklungen
keine Einwirkung hat. Vorzugsweise soll der mit hoher Sättigung ausgeführte Transformator
aus einem Material hoher Anfangspermeabilität hergestellt werden, dessen Permeabilität
sich bis zu einer bestimmten Amperewindungszahl wenig, bei größerer Amperewindungszahl
jedoch plötzlich
ändert. Infolgedessen verläuft die Magnetisierungskurve
zuerst fast geradlinig und biegt dann rasch ab. Für die Erzeugung eines kurzen Spannungsstoßes
ist es auch vorteilhaft, wenn man die Wicklungen I 5111 und I 5IV auf dem einen
Schenkel, die Wicklungen und 1511 auf dem anderen Schenkel des Transformators anordnet
(Abb. 4) und dabei die Anordnung so trifft, daß infolge der großen Streuung zwischen
Primär- und Sekundärwiclilung von einem bestimmten Wert der erregenden Amperewindungen
ab der Fluß durch die sekundärwicklungen I5III und I5IV nicht weiter ansteigt.
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Da man infolge der Vormagnetisierung in der Wicklung 1511 auf dem
steilsten Teil der Charakteristik der Röhre 1 2 arbeiten kann, ist die Empfindlichkeit
der Anordnungwesentlich vergrößert, und man erreicht dadurch, daß der Sättigungspunkt
bei größeren und kleineren Werten des Anodenstromes sehr schnell überschritten wird,
wodurch man praktisch unabhängig von der Höhe der Meßspannung ist. Da die Röhre
Ii mit dem Widerstand 14 in Reihe geschaltet ist, wird die Empfindlichkeit der Anordnung
nach Verstärkerart nochmals erhöht, so daß die Anordnung zur Messung der Frequenz
kleiner Spannungen schon bei insgesamt vier Röhren in- einwandfreier Weise möglich
ist. Auch die Röhre II ist zweckmäßig durch entsprechende Wahl des Widerstandes
I8 so ausgebildet, daß tuch ihr Arbeitspunkt auf dem steilsten Teil der Charakteristik
liegt. Bereits bei kleinen Änderungen der dem Gitter der Röhre 1 1 zugeführten Spannungen
wird die Röhre 12 so rveit übersteuert, daß die Sättigungsgrenze für den Transformator
überschritten wird und die induzierte Spannung in Form kurzdauernder starker Spannungsspitzen
auftritt, die den negativen Vorspannungen der Röhren I und 2 überlagert sind, so
daß sich die gewünschte Steuerung ergibt. Die Glimmstrecken 5, 6, 7, 8 können an
eine Gleichstrombatterie zweck mäßig in Reihe mit einem Widerstand 21 oder bei Netzanschluß
an entsprechende Gleichrichter angeschlossen werden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: In der
einen Halbperiode der Meßspannung, die an das Gitter der Röhre 1 1 gelegt wird,
wird der Kondensator 3 über die Röhre 1 und das Instrument 4 aufgeladen. Bei dieser
Halbperiode ist die Röhre 2 gesperrt. Während der folgenden Halbperiode ist die
Röhre I gesperrt, und der Kondensator wird über die Röhre 2 in umgekehrter Richtung
aufgeladen. Da die Röhren und 2 Gasfüllung besitzen, läßt sich eine Begrenzung der
Kondensatorspannung nicht durch die dem Gitter der Röhren I und 2 zugeführten.
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Spannungen erreichen, sonden die Aufladung des Kondensators 3 erfolgt
so lange, bis durch die zunehmende Kondensatorspannung die Differenz aus AnodengleichspannungundKondensatorspannung
so klein wird, daß der Strom selbst unterbricht.
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In Abb. 2 ist die Stromspannungscharakteristik einer gasgefüllten
röhre angegeben.
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Daraus geht hervor, daß die Spannung an der Röhre bei kleiner werdendem
Strom von einer gewissen Grenze des Stromes an wieder steigt. All dieser Stelle
reißt also der Ladestrom ab. Die Größe der Anodenspannung in diesem Augenblick ist
bestimmend für die Höhe der Kondensatorladespannung. Um die Anodenspannung im Augenblick
der Stromunterbrechung unabhängig von der Gitterspannung zu machen, soll die Gitterspannung
der Laderöhren I und 2 während des größten Teiles des Ladevorganges konstant negativ
sein, und nur während einer kurzen Zeit, die für den Zündvorgang nötig ist, soll
eine kurz dauernde positive Spannungsspitze auftreten.
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Diese Spannungsspitze wird bei der dargestellten Anordnung durch
die entsprechende Ausbildung des Transformators 15, dessen Sekundärwicklungen in
dem Gitterkreis der Röhren 1 und 2 eingeschaltet sind, in der beschriebenen Weise
erzeugt.
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In Abb. 3 ist noch ein Zeitdiagramm dargestellt, das die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Anordnung erkennen läßt. Es sei dabei mit 2 T die Periodendauer
der zu messenden Frequenz bezeichnet. Um eine vollständige Aufladung des Kondensators
zu erhalten, muß die Zeit t bis zum vollständigen Erlöschen des Anodenstromes kleiner
sein als die Dauer einer Halbperiode T für die höchste zu messende Frequenz. Erfolgt
zur Zeit t1 die Zündung der Röhre durch die in diesem Augenblick positive Gitterspannung,
so muß weiterhin die Gitterspannung nach der Zündung wieder auf einen konstanten
negativen Wert gesunken sein innerhalb einer Zeit t3, die wiederum kleiner ist als
die Zeit t2, so daß der letzte Teil der Ladung durch den Anodenstrom der Röhre I
während einer Zeit tal bei konstanter negativer Gitterspannung erfolgt. Nur wenn
diese Verhältnisse über den ganzen Meßbereich konstant verlaufen, bleiben die Entladungsbedingungen
für jede zu messende Frequenz gleich. Die Zeiten t2, t3, t1 sind bei der erfindungsgemäßen
Anordnung durch - die entsprechende Ausbildung der Schaltung konstant und unabhangig
von der Frequenz, und nur die Zeit 2 T - t.2, in der die Laderöhren stromlos sind,
verändert sich mit der Frequenz. Da, von der Unterbrechung des Stromes ab gerechnet,
die Laderöhren noch eine gewisse Zeit t5 benötigen bis der Entladungsraum durch
die
negative Gitterspannung vollständig entionisiert ist, soll die
Zeit t2 + t5 kleiner sein als T für die höchste zu messende Frequenz. Um die Zeit
t2+tó möglichst herabzusetzen und damit besonders hohe Frequenzen messen zu können,
verwendet man Röhren, deren ionisierbares Medium ein leichtes Gas mit entsprechend
kurzen Entionisierungszeiten ist, z. B. Wasserstoff, wodurch die Zeitdauer t5 herabgesetzt
wird.