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Elektrisches Messgerät zur Messung des Zeitintegrales kurzzeitiger einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechenden Impulsen
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Messgerät zur Messung des Zeitintegrals kurzzeitiger einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechenden Impulsen.
Zum Messen kurzzeitiger Stromstösse werden elektromechanische Geräte, sogenannte ballistische Galvanometer, verwendet.
Die bekannten ballistischen Galvanometer sind im wesentlichen Drehspulinstrumente, die mit einer verhältnismässig grossen Trägheitsmasse gebaut werden, um eine genügend lange Schwingungsdauer zu erzielen. Das drehbare System wird durch einen kurzen Stromstoss, der praktisch endet, bevor das Galvanometer seine Gleichgewichtslage verlässt, in Bewegung gesetzt. Bei. geeigneter Dämpfung entsteht ein aperiodischer Schwingungsverlauf, dessen maximaler Ausschlag dem Zeitintegral des Stromimpulses proportional ist. Es ist klar, dass die Form des erregenden Stromimpulses eine beliebige sein kann, denn sie hat keinerlei Einfluss auf das Verhalten des Systems. Es muss natürlich die Bedingung, dass die Dauer des Stromimpulses gegenüber der Sohwingungsdauer sehr kurz ist, erfüllt werden.
Die Verwendung von ballistischen Galvanometern kann auch auf das Messen von beliebigen andern Grössen erweitert werden, die durch das Zeitintegral eines Stromstosses darstellbar sind. So können auf diese Weise Kapazitäten, Selbstinduktivitäten und Gegeninduktivitäten gemessen werden. Vorzugsweise können mit der ballistischen Methode auch sehr kurze Zeitintervalle gemessen werden.
Schliesslich kann auch das Messen von sehr kleinen Strömen (wie z. B. in der Kernphysik erforderlich) mit der ballistischen Methode erfolgreich ausgeführt werden, u. zw. derart, dass mit, dem zu messenden Strom ein Kondensator von genau bestimmter Kapa- zität geladen und nach einer bestimmten Zeit mittels des ballistischen Galvanometers seine Ladung gemessen wird.
Trotz der angeführten Vorteile weisen jedoch die ballistischen Messgeräte gewisse Nachteile auf. Ballistische Galvanometer sind sehr empfindliche In- strumente, so dass zur Bedienung eine geschulte Person erforderlich ist. Aus diesem Grunde sind diese Instrumente ihrer Anwendung nach ausschliesslich Laboratoriumsgeräte und für die Ver- wendung in Betrieb und Prüffeld nicht geeignet Ein weiterer Nachteil der bestehenden ballistischer Galvanometer ist der Umstand, dass die Verbindung eines ballistischen Galvanometers mit elektronischer Apparaten besondere Vorsicht bei der Bedienung erfordert.
Diese Nachteile beseitigt die vorliegende Erfin dung, die eine Durchführung der ballistischer Messmethode mittels rein elektrischer Elemente er möglicht. Gemäss der Erfindung ist ein elektrische : Messgerät zur Messung des Zeitintegrals kurzzeiti ger, einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechen. den elektrischen Impulsen dadurch gekennzeichnet dass einem Parallelresonanzkreis, bestehend au@ Spule, Kondensator und Widerstand, welchem Kreise ein Vorschaltwiderstand vorgeschaltet ist, über der die zu messenden bzw.
dem Vorgang entsprechen den elektrischen Impulse zugeführt werden, unc einer Messeinrichtung zum Messen des die Spule durchfliessenden Stromes vorgesehen sind, wobei di ( Schaltelemente des Resonanzkreises so dimensionierl sind, dass der Wert des Ohmschen Widerstandes des Parallelreson'anzkreises gegenüber dem Werl des Vorschaltwiderstandes vernachlässigbar ist unc der Wert der Induktivität der Spule, ausgedrückt ir Henry, gegenüber dem Zahlenwert des Produkte aus der Kapazität des Kondensators, ausgedrückt ir Farad, und den beiden Widerständen, ausgedrückt in Ohm, vernachlässigbar klein ist, ferner dass dit Dauer des zu messenden Vorganges, ausgedrückt in Sekunden, kleiner ist als ein Zehntel des Zahlen.
wertes des Quotienten aus dem Wert der Indukti vität der Spule, ausgedrückt in Henry, und dem Wert des Ohmschen Widerstandes des Parallel resonanz kreises, ausgedrückt in Ohm, und dabe gleichzeitig die Dimensionierungbedingung für diE aperiodische Grenzdämpfung erfüllt ist, welche dit Gleichheit des Kapazitätswentes des Kondensators ausgedrückt in Farad, mit dem vierfachen Wert de Quotienten aus Induktivität der Spule, ausgedrückt in Henry, und des Quadrates des Ohmschen Wi derstandes des Parallelresonanzkreises,-awc"edrücki in Ohm zum Quadrat, fordert.
Die Verwendungsmöglichkeiten von rein elektri sehen ballistischen Geräten gemäss der Erfindung is
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mindestens ebenso umfangreich wie die der bekann- ten ballistischen Galvanometer. Dabei sind die Apparate gemäss der Erfindung sehr einfach, mechanisch widerstandsfähig, leicht beherrschbar und erfordern zur Bedienung kein geschultes Personal.
Ihr weiterer Vorteil beruht darin, dass sie nicht nur zum Messen von starken Stromstössen, die ein übliches ballistisches Galvanometer beschädigen könnten, sondern auch zum Messen von sehr kurzen, sonst schwer messbaren Impulsen verwendet werden können.
Die Erfindung geht von den folgenden theoretischen Erwägungen. aus :
Für die Bewegung des Systems eines elektromechanischen ballistischen Gerätes gilt die Gleichung : J#"+W#'+D#=F (t) (1) worin bedeutet : #...Winkelausschlag des drehbaren Systems des Gerätes (als Funktion der Zeit t) und cp''bzw. cp", dessen ersten und zweiten Differentialquotient.
F (t)...diedurchdenerregendenStromimpuls auf das Messsystem hervorgerufene Kraft (auch eine Funktion der Zeit t).
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Trägheitsmomenttische Dämpfung) und die Richtkraft, d. h. die durch das Drehmoment der Aufhängung hervorge- rufene Kraft, dem Ausschlag proportional'sind.
Ferner sind die Anfangswerte der Lösung der Gleichung (1) gleich Null vorausgesetzt, d. h. dass vor dem Eintreffen des Impulses F (t) sich das ganze System im Ruhezustand befindet. Damit dieses Gerät als ballistisches Galvanometer arbeitet, müssen die Konstanten J, W und D derart gewählt werden, dass die Bedingung des aperiodischen Grenzfalles erfüllt ist. Diese Voraussetzung wird erfüllt, wenn z. B. die Konstanten der folgenden Bedingung entsprechen :
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tivität 2, Kapazität 3 und Ohmschen Widerstand 4.
Unter Verwendung der Laplaceschen Transformation gilt für die dargestellte Schaltung das folgende System von Gleichungen Í1 (p) +ic (p) -i (p) (3a) p.2.il (p)+Ril(p)=uc(p)(3b)
1/pC.ic (p)=uc(p)(3c) Ri. i (p) +uc (p) =u (p) (3d) wo die folgenden konstanten Werte
L... Induktivität der Spule 2 " -
R... Wert des Widerstandes 4
C... Kapazität des Kondensators 3
Ri... Vert des Widerstandes 1 und die veränderlichen Werte u...Eintrittspannung des Systems i... Eintrittstrom des Systems Uc"'Spannung am Kondensator 3 ic... durch den Kondensator 3 fliessender Strom ie.. Strom in der Spule 2 (bzw. im Widerstand 4) p... komplexe Veränderliche der Laplaceschen Transformation vorkommen.
Aus den Gleichungen (3a), (3b), (3c) und (3d) kann die Laplace-Transfonnierte der Differentialgleichung des Stromkreises abgeleitet werden il(p) < p2CLRi+p(CRRi+L)+(Ri+R) > =u(p) (3) oder nach Rücktransformation in den t-Bereich
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quotienten des Stromes il nach der Zeit bedeuten.
Da die Gleichung (4) denselben Charakter wie die Gleichung (l) hat, kann der Stromkreis gemäss Fig. l als eine elektrische Analogie des ballistischen Galvanometers betrachtet werden. Ebenso wie für das mechanische System gemäss der Gleichung (l) die Bedingung (2) erfüllt werden muss, ist es notwendig auch der analogen Bedingung für die Konstanten in der Gleichung (4) zu entsprechen, damit das System gemäss Fig. 1 wirklich ballistischen Cha- raktsr aufweist.
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zieht, was bisher bei einem elektromechanischen ballistischen Apparat nicht der Fall war.
In Fig. 2 ist eine übliche Form eines Impulses dargestellt, dessen Gesamtdauer t1 Sekunden beträgt. In diesem Falle muss den folgenden Voraussetzungen entsprochen werden :
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wobei t,... die Dauer des Impulses bedeutet
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Durch Lösung der Gleichungen'für den Fal einer aperiodischen Grenzdämpfung ergibt sich die folgende Bedingung :
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Die Gleichungen (5), (6), (7) und (8) sind sehr wichtig und ermöglichen das Bemessen von balii stischen Stromkreisen gemäss der Erfindung.
. Ausführungsbeispiele von ballistischen Strom kreisen gemäss der vorliegenden Erfindung sind ir Fig. 3 und 4 der beigefügten Zeichnungen schema tisch. dargestellt, wobei dieselben Bezugszeicher analoge Elemente bezeichnen.
In Fig. 3 ist der aus Elementen 2, 3 und 4 be stehende ballistische Stromkreis in den Anodenlrei der- Elektronenröhre 5 geschältet, deren innerer Widerstand dem Widerstand I' (in Fig. I) mit den Wert Ri entspricht. Dem Signal u(t) (in Fig. 1
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35entspricht dann eine Spannung p,. ug (t), wo u=g (t) die Steuerspannung auf dem ersten Gitter der Elektronenröhre 5 und j. t deren Verstätkungsfaiktor ibe- deutet. Der Strom ii (t) wird mittels der Oszillographenschleife 6 gemessen, deren Widerstand zu dem Wert des Widerstandes 4 addiert werden muss. Der Anodenruhestrom icao wird durch einen Kompensationsstrom i. komp kompenisert.
Eine andere Schaltungsvariante ist in Fig. 4 dargestellt, wobei der Spannungsabfall ua (t) am Widerstand 4 gemessen wird. Dieses Signal wird über einen Kondensator 7 dem Verstärker 8 zugeführt und nach Verstärkung durch das Oszilloskop 9 angezeigt.
Ausser diesen angeführten Schaltungen ist eine ganze Reihe von weiteren Modifikationen möglich, von welchen keine aus dem Rahmen der Erfindung fällt, insofern ein elektrischer (ballistischer) Stromkreis gebildet wird, dessen charakteristische Gleichung der Gleichung (l) analog ist und wenn die Information bezüglich der Grösse des gemessenen Impulses durch Messen des maximalen Ausschlages des Stromverlaufes in einem Element der Schaltung erhalten wird.
Die Erfindung bietet daher eine bedeutende Vervollkommnung der ballistischen Messmethode. Dadurch, dass die Apparate gemäss der Erfindung wesentlich einfacher und leichter bedienbar sind als die bestehenden Apparate und dass auch, die Verwendbarkeit bedeutend erweitert ist, kann man deren intensive wirtschaftliche Ausnützung voraussetzen. Insbesondere werden die Apparate gemäss der Erfindung einen'erwünschten Beitrag zur Technik der Kernforschung beim Messen sehr schwacher elektrischer Ströme und auf andern Gebieten, wo sehr kurze Zeitintervalle gemessen werden müssen, bilden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Messgerät zur Messung des Zeitintegrals kurzzeitiger, einmaliger Vorgänge bzw. diesen entsprechenden elektrischen Impulsen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parallelresonanzkreis, bestehend aus Spule (2), Kondensator (3) und Widerstand (4), welchem Kreis ein Vorschaltwiderstand vorgeschaltet ist, über den die zu messenden bzw.
dem Vorgang entsprechenden elektrischen Im- pulse (M) zugeführt werden, und eine Messeinrich- tung zum Messen des die Spule (2) durchHiessen- den Stromes (ij vorgesehen sind, wobei die Schalt elemente des Resonanzkreises so dimensioniert sind dass der Wert (R) des Ohmschen Widerstandes (4 des Parallelresonanzkreises gegenüber dem Wer (RJ des Vorschaltwiderstandes (1) vernachlässigba ist und der Wert der Induktivität (L) der Spule (2) ausgedrückt in Henry, gegenüber dem Zahlenwer des Produktes (C. R.
R ) aus der Kapazität (C, des Kondensators (3), ausgedrückt in farad, une den beiden Widerständen (R und RJ (1 und 4) ausgedrückt in Ohm, vernacMässigbar klein ist ferner dass die Dauer des zu messenden Vorgänge : (tj, ausgedrückt in Sekunden, kleiner ist als eir
Zehntel des Zahlenwertes des Quotienten aus den :
Wert der Induktivität (L) der Spule (2), ausge- drückt in Henry, und dem Wert (R) des Ohmschen
Widerstandes (4) des Paralleliesonanzkreises, aus- gedrückt in Ohm, und dabei gleichzeitig die Di- mensionierungsbedingung für die periodische Grenzdämpfung erfüllt ist, welche die Gleichheit des Kapazitätswertes (C) des Kondensators (3), aus- gedrückt in Farad, mit dem vierfachen Wert des
Quotienten aus Induktivität (L) der Spule (2), aus- gedrückt in Henry, und des Quadrates (R2) des Ohmschen Widerstandes des Parallelresonanzkreises (4), ausgedrückt in Ohm zum Quadrat fordert (Fig. l und 2).