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Anordnung zur photographischen Aufnahme eines Elektronenstrahloszillogramms
von in elektrisch darstellbaren Betriebsgrößen auftretenden Störungen
Gegenstand
der nachstehend beschriebenen Erfindung ist eine Anordnung zur photographischen
Aufnahme eines Elektronenstrahloszillogramms von in elektrisch darstellbaren Betriebsgrößen
auftretenden Störungen, bei der das Auftreten einer Störung unverzögert die Aufzeichnung
des' zeitabhängigen Verlaufs der Betriebsgröße durch einen Elektronenstrahloszillographen
auslöst, während die zu registrierende Betriebsgröße über einen Kettenleiter verzögert
an die Ablenkplatten der Elektronenstrahloszillographenröhre gelangt.
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Für die Aufzeichnung des Verlaufs von Störung gen in elektrischen
Anlagen, z. B. Rückzündungen in Stromrichteranlagen, in der Weise, daß auch ein
Teil des Verlaufs der aufzuzeichnenden Größe vor Eintritt der Störung noch mit erfaßt
wird, sind schon verschiedene Verfahren angegeben worden.
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So wurde z. B. vorgeschlagen, die Augenblickswerte einer Spannungskurve
über eine synchron umlaufende Kontaktvorrichtung einer großen Anzahl von Kondensatoren
zuzuführen und diese durch eine zweite Kontaktvorrichtung, die in einem bestimmten
räumlichen und damit auch zeitlichen Abstand hinter der ersten herläuft, auf die
Ablenkplatten eines Elektronenstrahloszillographen zu entladen, so daß man auf dem
Leuchtschirm ein zeitlich verzögertes, punktweise zusammengesetztes Abbild der Kurve
erhält. In einer anderen Anordnung wird durch Anwendung eines nachleuchtten,den
Schirmes am Elektronenstrahloszillographen eine
ähnliche Wirkung
erzielt. In. beiden Fällen ist nur eine unvollkommene Lösung der gestellten Aufgabe
möglich, da im ersten eine genügend feine Unterteilung der Periodendauer einen unerträglich
hoben. Aufwand erfordert und dieses Verfahren teilweise auch an; grundsätzlichen
Mängeln, wie z. B. dem Auftreten von störenden Schaltvorgängen bei der Ladung und
Entladung der zahlreichen Kondensatoren, scheitert, während im zweiten Fall wegen
der schnell abnehmenden Nachleuchthelligkeit des Schirmes nur eine mangelhafte Wiedergabe
der meist sehr schnell verlaufenden Störvorgänge möglich ist. Es ist auch bekannt,
wenn der Elektronenstrahl nicht ständig schreiben soll, ihn in den Zeiten, in denen
er in Bereitschaft steht, in einer besonderen Sperrkammer totlaufen zu lassen.
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Bei dem Einsetzen einer zu r.egistrierendein Störung muß er in diesem
Fall zunächst aus der Sperrkammer herausgeführt werden. Die Zeit, die für das Herausführen
benötigt wird, geht der Aufzeichnung verloren. Zur Vermeidung derartiger Veriustzeiten
verwendet man bei einer anderen bekannten Anordnung zur Uberwachung und Aufzeichnung
schnell veränderlicher Vorgänge, die mit Störungsschreibern arbeitet, zwischen Stromquelle
und Meßwerk des Schreibers ein Zusatzgerät, das ständig den zu messenden Vorgang
um einen Zeitbetrag verzögert, während unverzögert der Papiervorschub erhöht wird
Diese Anordnung ist ausschließlich auf mechanische Schreier abgestellt und gibt
zunächst noch keine Hinweise, wie die Aufgabe bei elektronischen Auf zeichnungen
gelöst werden kann. Die Verzögerung des zu messenden Vorganges geschieht dabei durch
geeignet bemessene Netzwerke, die aus einer Kette von Induktivitäten und Kapazitäten.
bestehen.
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Will man: zur Vermeidung der Nachteile bei den bekannten elektronischen
Störungsschreibern bei diesen einen ähnlichen Weg gehen wie bei dem bekannten mechanischen
Störungsschreiber, so läßt sich dies mit einer Anordnung zur photographischen Aufnahme
eines Elektronenstrahloszillogramms von in elektrisch darstellbaren Betriebsgrößen
auftretenden Störungen, bei der das Auftreten einer Störung unverzögert die Aufzeichnung
des zeitabhängigen Verlaufs der Betriebsgröße durch einen Elektronenstrahloszillographen
auslöst, während die zu registrierende Betriebsgröße über einen Kettenfleiter verzögert
an die Ablenkplatten der Elektronenstrahloszillographenröhre gelangt, erreichen,
deren erfin,dierisches Ken nzeichen darin besteht, daß ein sich im Störungsfall
aus der Gegeneinanderschaltung der Eingangs. und Ausgangsspannung des Kettenleiters
ergebender Impuls die Auslösung der Aufzeichnung bewirkt und den vor Beginn der
Aufzeichnung durch eine Hilfsspannung auf eine Seite des Leuchtschirmes abgelenkten
und durch eine weitere Hilfsspannung dunkeilgesteuerten Elektronenstrahl zur Aufzeichnung
freigibt und hellsteuert. Eine störende Rückwirkung der Auslösevorrichtung auf den
laufzuzeichnenden Vorgang läßt sich dabei vermeiden, wenn der Auslöseimpuls über
einen lose angekoppelten Verstärker an. die Auslösevorrichtung gelangt. Die Auslösung
selbst kann man durch gleichrichtende Elemente vom Vorzeichen des Auslöser impulses
unabhängig machen. Als gleichrichtende Elemente können dabei Dampf- oder Gasentladnngsstrecken
dienen, die durch. das Fortbestehen der Entladung zugleich das Vorzeichen. des Auslöseimpulses
erkennen lassen. Zur Angleichung des Wellenwiderstandes des Kettenleiters an eine
beliebige Eingangs- oder Ausgangsimpedanz ist es zweckmäßig, am Eingang und/oder
am Ausgang des Kettenleiters eine gesteuerte Elektronenröhre vorzusehen.
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Ist die Aufzeichnung beendet, d. h., hat der Elektronenstrahl den
Leuchtschirm einmal, in Rich.-tung der Zeitachse mit wählbarer Geschwindigkeit überstrichen,
so wirdl er wieder dunkelgesteuert.
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Will man darüber hinaus auf dem Oszillogramm noch Zeitmarken anbringen,
so kann man dies durch einen auf die Hellsteuereinrichtung des Elektronenstrahloszillographen
einwirkenden, selbst--ei regten Schwingungskreis erreichen. Eine derartige Anordnung
ist zur Erfassung von Störungen auch bei nicht elektrischen Anlagen anwendbar, wenn
deren zu überwachende Betriebsgrößen in elektrische Größen umwandelbar sind.
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Die Abb. I zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es soll z.
B. eine Anode des dreiphasiegen Stromrichtgefäßes I überwacht werden. Zwischen Anode
und Kathode dieses Gefäßes liegt ein Spannungsteiler 2, von dem eine Teilspannung
abgegriffen und dem Gitter der Elektronenröhre; 3 zugeführt wird. Das Gitter erhält
durch den Kathodenwiderstand 4, der auch mit einer Kapazität überbrückt sein kann,
eine geeignete Vorspannung, während die Anodenspannung aus einer nur angedeuteten
Gleichspannungsquelle 5 entnommen wird.
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Im Anodenkreis der Elektronenröhre 3 liegt der Widerstand 6, der ebenso
wie der Widerstand 7 gleich dem Wellenwiderstand des zwischen. beiden Widerständen
einges.chalteten Ketten leiters ist.
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Durch die Elektronenröhre 3 wird eine beliebige Eingangsimpedanz dem
Wellenwiderstand des Kettenleiters angepaßt. Gleichzeitig kann, falls erforderlich,
eine Verstärkung der Eingangsspannung erreicht werden. Der Kettenleiter besteht
aus in Reihe geschalteten, vorzugsweise gleich großen Induktivitäten 8 und ebenfalls
vorzugsweise gleich großen Kapazitäten 9, die jeweils am Anfang und Ende der Induktivitäten
8 angeschlossen. sind. und paraLlel zu den Widerständen 6 und 7 liegen Ein in dieser
Weise geschalteter Kettenleiter läßt alle Frequenzen von der Frequenz o, wie sie
in. diesem Beispiel in der Brennspannung des Stromrichtergefäßes auftritt, bis zu
einer durch Induktivität und Kapazität der Einzeiglieder gegebenen Grenzfrequenz
unbehindert durch, wobei zwischen den Vorgängen am Beginn und Ende des Ketten leiters
eine der Gliedzahl proportionale Verzögerung, die als Laufzeit bezeichnet wird,
entsteht. Die Gliedzahl ist in vorstehendem Beispiel mit drei augekommen, sie kann
aber je nach der erforderlichen Verzögerung größer oder kleiner vorgesehen wer-
den.
Bei Überwachungsaufgaben, bei denen in den aufzuzeichnenden Vorgängen keine Gleichstromglieder
auftreten oder deren: Ausschaltung erforderlich ist, kann es zweckmäßig sein, die
Lage von Induktivität und Kapazität zu vertauschen, wodurch ein Kettenleiter entsteht,
der erst von einer bestimmten Frequenz an in Richtung auf höhere Frequenzen durchlässig
wird.
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Um beim Aufbau des Kettenleiters mit wenigen Gliedern und deswegen
geringem Aufwand auszukommen, ist es wegen der auf diese Weise erzielten nur geringen
Verzögerung des aufzuzeichnenden Vorganges erforderlich, die früher beschriebene
Auslösung der Aufnahmeanordnung beim Eib tritt einer Störung mit geringstmöglicher
Verzögerung vorzunehmen, damit der Gesamtablauf der Störung noch erfaßt wird. Man
kann in; bekannter Weise den bei einer Störung z. B. infolge einer Rückzündung des
Stromgefäßes auftretenden Überstrom zur Auslösung der Anordnung benutzen.
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Der Stromanstieg wird jedoch wegen der stets vorhandenen Induktivitäten
in vielen Fällen zu langsam erfolgen, um eine rechtzeitige Auslösung zu gewährleisten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher eine plötzliche Spannungsänderung,
im vorliegenden Beispiel der Zusammenbruch der Sperrspannung des Stromrichtgefäßes
infolge Rückzündung, zur Auslösung benutzt. Zu diesem Zweck ist über eine Kapazität
10, die die Anodengleichspannung abriegelt, ein Widerstand 11 mit dem anderen Ende
des Widerstandes 7 verhunden. An der gleichen Stelle ist der Widerstand I2 angeschlossen,
der über die Kapazität 13, die ebenfalls die Anodenspannung abriegelt, mit der Anode
der Elektronenröhre 3 und damit mit dem Eingang des Kettenleiters verbunden ist.
Es entsteht so am Widerstand 11 das kurvengleiche, um die Laufzeit des Kettenleiters
verzögerte Abbild der Eingangsspannung, am Widerstand 12 die Eingangsspannung selbst
mit umgekehrten. Vorzeichen, an den einander abgwandten Enden der Widerstände ii
und I2 demnach die Differenz beider Spannungen.
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Die Vorgänge sind in Ahb. 2 unter Zugrundelegung der Sperrspannung
eines etwa 200 gesperrten, dreiphas igen Gleichrichters dargestellt.
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In Abb. 2 a ist mit I die am Eingang, mit II die am Ausgang des Kettenleiters
vorhandene Spannungskurve bezeichnet. Beide Kurven haben denselben Verlauf, die
Kurve II ist jedoch um die Zeit tv gegenüber der Kurve I verzögert und wurde mit
entgegengesetzten Vorzeichen aufgezeichnet. Ihre Gegeneinanderschaltung ergibt den
in Abb. 2b gezeigten Spannungsverlauf. Ereignet sich z. B. im Zeitpunkt t1 eine
Rückzündung, so fällt die Spannung 1 plötzlich fort, und es entsteht infolge der
im Kettenleiter noch enthaltenen Energie der in Abb. 2b dargestellte steile Impuls,
der die Auslösung der Anordnung mit größtmöglicher Geschwindigkeit bewirkt.
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Die von dem Elektronenstrahloszillographen aufzuzeichnende Spannung
wird von den Klemmen I4 und I5 (Abbl. I), die Impulsspannung zur Auslösung des.
Oszillographen an den Klemmen 14 und I6 abgenommen. Bei unmittelbarem Anschluß der
übrigen, der Strahlsteuerung und Ablenkung dienenden Teile der Gesamtanordnung an
die Klemmen 14 und I6 besteht die Gefahr, daß z. B. infolge Aufladung von Erdkapazitäten
durch die Impulsspannung eine störende Rückwirkung auf die Vorgangsspannung an die
Klemmen 14 und 15 erfolgt. Es ist deswegen zweckmäßig, den Impuls nicht unmittelbar,
sondern über einen lose augekoppelten und deswegen rückwirkungsfreien Verstärker
zu entnehmen. Zu diesem Zweck ist der kleine Koppelkondensator 17 in Reihe mit einem
hochohmigen Widerstand 18 an die Klemmen 14 und 16 gelegt. Der Widerstand 18 ist
mit Gitter und Kathode des Verstärkerrohrers 19 verbunden, wobei die Gittervorspannung
wieder durch einen Kathodenwiderstand 20 erzeugt wird, der mit einem Kondensator
21 überbrückt sein kann. Die Anodenspannung wird aus der nicht dargestellten Spannungsquelle
22 entaummen. Die durch das Verstärkerrohr 19 hinreichend verstärkte Impulsspannung
entsteht an den Klemmen 23 und 24 des Anodenwiderstandes 25.
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In manchen Fällen muß in Stromrichteranlagen damit gerechnet werden,
daß die Sperrspannung des. zu überwachenden Gefäßes wesentliche positive Anteile
enthält, während deren Verlauf Störungen auftreten können und aufgezeichnet werden
müssen.
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Dies ist z. B. der Fall bei starker Sperrung eines Gleichrichtergefäßes
und im Wechselrichterbetrieb.
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Ebenso kann z. B. bei unsicherer Zündung statt eines Spannungszusammenbruches
eine Spannungserhöhung auftreten. In diesen Fällen hat, wie aus Abb. gb ersichtlich
ist, der Impuls das umgekehrte Vorzeichen wie dort angegeben. Darum ist es zweckmäßig,
durch Anwendung gleichrichtender Elemente die Auslösung unabhängig vom Vorzeichen
des Impulses zu machen.
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Ein weiteres. Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Strtahlste.uerung
und -ablenkung, bei dem die Auslösung von der Polarität des Auslöseimpulses unabhängig
ist, zeigt die Abb. 3. Der Elektronenstrahloszillograph 26 ist mit den Klemmen 14a
und 15a seiner Vorgangsplatten an die entsprechenden Klemmen 14 und 15 des Kettenleiters
in Abb. 1 angeschlossen. Die Zeitplatten erhalten z. B. aus einer Spannnngsquelle
27 die zur Strahlvorablenkung erforderliche Hilfsspannung. Aus einer weiteren Spannungsquelle
28 wird dem Steuergitter des Oszillographen eine' solche Vorspannung erteilt, daß
der Strahl im Ruhezustand gesperrt, auf dem Leuchtschirm also keinerlei Lichterscheinung
sitchtbar ist. Die Klemmen 23a und 24a sind mit den entsprechenden Klemmen 23 und
24 des Impulsverstärkers (Abb'. 1) verbunden. Die Sperrkondensatoren 29 riegeln
die hohe Anodenspannung des Elektronenstrahloszillographen nach außen ab. Von jedem
der Kondensatoren führt eine Verbindens zu einem Gitter der vorzugsweise dampf-
oder gasgefüllten Entladungsgefäße 30, das jeweils unter Zwischenschaltung des Widerstandes
31 und der Spannungsquelle 32 mit der gemeinsamen Ka-
thodenleitung
der Entl.adungsgefäße 30 verbunden ist. Vor dem Vereinigungspunkt der Kathodenleitungen
liegen in diesen die Signallampen 33 und nach dem Vereinigungpunkt, jedoch vor dem
Abschlußpunkt der Gitterleitung, der Widerstand 34.
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Mit den Klemmen 35 und 36 ist die Anordnung an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen. Wird den im Ruhezustand gesperrten En,tladungsgefäßen 30 ein Impuls
beliebigen Vorzeichens zugeführt, so wird je nach dessen Polarität eines der beiden
Gefäße gezündet und das Vorzeichen des Impulses durch das Aufleuchten der rechten
oder linken Signallampe 33 angezeigt. Eine Zündung auch des zweiten Gefäßes wird
durch des Spannungsabfall des Anodenstromes am Widerstand 34 verhindert, der sich
als hohe negative Gitterspannung für das noch nicht gezündete Gefäß auswirkt. Mit
der Zündung eines der beiden Gefäße 30 erhält der Spannungsteiler 37 Spannung, von
der ein bestimmter Anteil an das Gitter des Elektronenstrahloszillographen 26 gelangt
und den Strahl hellsteuert. Ein anderer Anteil gelangt über den regelbaren Widerstand
38 und die Spannungsquelle 39 an das Gitter des Entladungsgefäßes 40, das unter
dem Einfluß der Vorspannung aus der Spannungsquelle 39 gesperrt ist. Die nach Zündung
eines Gefäßes 30 auftretende positive Spannung kann jedoch wegen der Zeitkonstante,
die sich aus dem Widerstand 38 und dem Kondensator 4I ergibt, das Gefäß 40 nur mit
einer einstellbaren Verzögerung zünden. Erfolgt dies, so wird der Spannungsteiler
37 nahezu kurzgeschlossen und der Elektronenstrahl unter dem Einfluß der Spannungsquelle
28 wieder gesperrt. Durch Betätigung des Unterbrecherkontaktes 42 mit dem Druckknopf
43 wird die Entladung in den Gefäßen 30 und 40 gelöscht und die Anordnung wieder
betriebsbereit gemacht.
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Gleichzeitig mit der Zündung eines Gefäßes 30 gelangt über die Sperrkondensatoren
44, die wieder zur Abriegellung der Anodenspannung des Elektronenstrahloszillographen
dienen, und den Widerstand 45 ein steiler, positiver Impuls an das Gitter des im
Ruhezustand durch die Spannungsquelle 46 gesperrten Gas- oder Dampfentladungsgefäßes
47 und bewirkt dessen Zündung. Hierdurch wird die an den Klemmen48 und 49 liegende
Gleichspannung an den Spannungsteiler 50 gelegt, und es wird auch der Kondensator
51 über die Schirmgitterröhre 52 und den Kathodenwiderstand 53 in bekannter Weise
mit konstantem Strom, also zeitproportional, aufgeladen. Infolgedessen erfolgt auch
eine zeitproportionale Ablenkung des Elektronenstrahles wegen der zwischen dem Kondensator
51 und den Zeitplsatten des. Elektronenstrahloszillographen 26 bestehenden Verb,i,ndung.
Der Widerstand 54 parallel zum Kondensator 5I dient zur Festlegung des Ruhepotentials
der Zeitplatten.
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Die Änderung des Ladestromes und diamit der Ablenkgeschwindigkeit
erfolgt mit dem Abgriff 55.
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Zweckmäßig wird die Betätigung des Regelwiderstandes 38 mechanisch
mit dem Regler 55 vereint.
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Legt man Wert auf absolute Zeitproportionalität der Ablenkspannung,
die mit einer Schirmgitte.rröhre allein nicht vollkommen erreicht wird, so kann
eine vorzugsweise m.it gesteuerten Elektronenröhren arbeitende, nicht in Einzelheiten
gezeichnete Kompensationseinrichtung 56 zum Ausgleich der Fehler der Schirmgitterröhre
vorgesehen werden.
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Die Löschung der Entladung des Gefäßes 47 und damit die Wiederherstellung
der Betriebsbereitschaft erfolgt durch Öffnung des Kontaktes 57, der zweckmäßig
ebenfalls mit dem Druckknopf 43 betätigt wird. Zur Vereinfachung der Gesamtanordnung
ist es möglich, unter Hinweglassung der Bauteile 44 bis 49 und 57 den Spannungsteiler
50 parallel zu dem Spannungsteiler 37 zu legen. Die zu den Zeitpiatten des Elektronens
trahloszil'lographen 26 führenden Verbindungen werden in diesem Fall vorteilhaft
durch Sperrkondensatoren ähnlich den Kondensatoren 29 gegen den Übertritt der Anodenspannung
des Osz iilographen geschützt.
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Vielfach besteht die Notwendigkeit, das Oszillogramm einer Störung
mit einem Zeitmaßstab zu versehen. Hierzu dient in der vorbeschrie;benen Anordnung
eine Zusatzeinrichtung, die aus. einem selbsterregten Schwingungskreis besteht,
mit dem eine oder mehrere genzu bekannte Frequenzen erzeugt werden und der zur Anbringung
von Zeitmarken auf die Hellsteuerung des Elektronenstrahloszillographen einwirkt.
Im einzelnen enthält der Schwingungskreis eine Elektronenröhre 58, in deren Anodenkreis
der Kondensator 59 parallel zu der Spule 6o liegt, die mit der Gitterkreisspule
61 gekoppelt ist. Diese ist über den Widerstand 62 mit dem Gitter der Elektronenröhre
58 und unter Zwischenschaltung des Widerstandes 63 mit deren Kathode verbunden.
Mit dem Schließen. des Schalters 64 wird die Zusatzeinrichtung an Spannung gelegt
und gerät ins Schwingen. Betätigt man: nun den Druckknopf 65, der im übrigen noch
zur Überprüfung der Betriebsbereitschaft der Anordnung dient, so wird ein Entladungsgefäß
30 gezündet, und es laufen alle früher beschriebenen. Vorgänge der Strahlsteuerung
und -ablenkung ab. Bei unbeeinflußten Vorgangsplatten des Elektronenstrahloszillographen
wird dann eine Nullinie geschrieben, die durch Zeitmarken, entsprechen,d der je,veils'
gewählten Frequenz des Schwingungskreises., unterbrochen ist. Immer in der positiven
Halbwelle der Gitterspannung in Abb. 4 wird die Elektronenröhre 58 durchlässig,
es tritt am Spannungsteiler 37 eine periodische Absenkung der zur Hellsteuerung
erforderlichen Spannung uh verbunden mit Dunkelsteuerung des Elektronenstrahles
ein, und so entstehen infolge des steil einsetzenden Anodenstromes scharf begrenzte
Zeitmarken z.
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Die Abb. 5 zeigt ein mit der Gesamtanordnung gewonnenes Oszillogramm.
Es ist wieder die schon früher beschriebene Rückzündung eines dreiphasigen Gleichrichters
bei etwa 200 Sperrung als Beispiel gewählt Aus dem Oszillogramm der Sperrspannung
usp, dessen Nullinie mit Zeitmarken z versehen ist, geht hervor, daß im Zeitpunkt
t2 eine Rückzündung erfolgte, die im Zeitpunkt t3 verloschen ist, so daß von hier
an der normale Sperr-
spanungsverlauf vorhanden ist. Infolge der
vom Kettenieiter bewirkten Verzögerung tv und der sehr schnellen Auslösung der Anordnung
ist vom Zeitpunkt t1 bis t2 noch ein kleines Stuck der normalen Spannungskurve vor
Eintritt der Störung, deren weiterer Verlauf zur Verdeutlichung punktiert eingezeichnet
ist, sichtbar und damit der Gesamtablauf der Störung erfaßt. Wählt man den Zeitmaßstab,
wie in Abb. 5 angenommen, so, daß die nächste ungestörte Halbwelle mit aufgezeichnet
wird, so kann auf einfachste Art der Zeitpunkt der Rüekzündung bestimmt werden.
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Die vorstehend beschriebene Anordnung ist hauptsächlich für die Aufzeichnung
von Störungen ilr elektrischen Anlagen geeignet, sie kann jedoch überall da eingesetzt
werden, wo es möglich ist, chemische oder physikalische Vorgänge in elektrische
umzubilden. Ein Beispiel hierfür ist die Indizierung von Verbrennungsmotoren unter
BeW nutzung von Piezokristallen.