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Einrichtung zum Fernanzeigen von Winkelwerten mittels Braunscher Röhren
Bei der Übertragung von Kommandos, Meßwerten od. dgl., die durch einen Winkel oder
eine Zeigerstellung wiedergegeben werden können, hat man bereits die Verwendung
von Braunschen Röhren zur Anzeige des übertragenen Wertes am Empfangsort vorgeschlagen.
Zu diesem Zweck wird durch ein Drehfeld der Elektronenstrahl der Braunschen Röhre
zum Umlaufgebracht, und der Leuchtfleck des Elektronenstrahls beschreibt demzufolge
auf dem Schirm der Röhre eine geschlossene Bahn, die Zeitlinie genannt wird. Häufig
verwendet man ein symmetrisches Drehfeld, so daß die Zeitlinie ein Kreis wsrd. Der
zu übertragende Wert wird durch Aussenden eines Wechselfeldes übertragen, welches
den Elektronenstrahl für einen Brizchteil des Strählumlaufs quer zur Spurbahn auslenkt,
also eine Zacke schreibt. Damit das Zackenbild möglichst lichtstark und deutlich
erkennbar auf dem Schirm erscheint, wählt man zweckmäßig die Frequenz des Feldes
für die Querablenkung gleich der Frequenz des Drehfeldes für den. Elektronenstrahlumlauf.
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Durch Verändern der Phasenlage des Qüerablenkfeldes gegenüber der
Phase des Drehfeldes läßt sich die Lage des Zackenbildes längs des Umfangs der Zeitlinie
verschieben
und damit der übertragene Wert verändern. Damit jedoch
Eindeutigkeit zwischen der Lage des Zackenbildes und dem Übertragungswert erhalten
bleibt, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Frequenz und die Phase des Drehfeldes
ihren einmal eingestellten Wert beibehalten. Dies kann in einfacher Weise dadurch
geschehen, daß eine weitere Zacke als Null- oder Synchronisiermarke gesendet wird,
welche stets an einer festgelegten Stelle der Zeitlinie auftreten muß.
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Dies Verfahren verlangt jedoch, daß die Frequenz des Drehfeldes und
der Querablenkfelder zur Erzeugung der Null- und Meßmarke zwangsläufig gleichbleiben,
also z. B. derselben Tonfrequenzmaschine entnommen werden. Diese Bedingung läßt
sich zwar erfüllen. wenn das Drehfeld und die Ouerablenkfelder von der Geberstation
ausgesandt werden.
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Die Aufrechterhaltung des Isochronismus bereitet jedoch Schwierigkeiten,
wenn die Synclironisierung des Elektronenstrahlumlaufs am Empfangsort vorgenommen
werden soll, also nur die Querablenkfelder vom Sender nach dem Empfänger übertragen
werden. Ist zu Beginn der Übertragung der Isochronismus hergestellt, so bleibt er
für eine bestimmte Zeit erhalten, deren Dauer von der Güte der zur Erzeugung des
Drehfeldes verwendeten Schwingkreise abhängt. Schließlich wird sich nach einer mehr
oder minder langen Zeitspanne die Frequenz des Drebfeldes etwas ändern. Infolgedessen
beginnt bei konstant gehaltener Zackenfrequenz das Zackenbild längs der Zeitlinie
zu wandern, und zwar bei Erhöhung der Umlauffrequenz des Elektronenstrahls in der
einen Richtung, bei Erniedrigung der Frequenz in der entgegengesetzten Richtung.
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U m die Anzeige des zu übertragenden Wertes eindeutig zu gestalten,
muß, wie bereits gesagt, die als Nullmarke gesendete Zacke ständig ihre festgelegte
Lage beibehalten. Das erfordert also, daß ein Bedienungsmann ständig die Lage der
Nullmarke übermacht und bei Auswanderung der Nullmarke sofort die Frequenz des Drehfeldes
im richtigen Sinn von Hand aus nachsteuert. Für das Ablesen der als Meßmarke übertragenen
Zacke wird ein zweiter Beobachter erforderlich, sofern man Beobachtungsfehler mit
Sicherheit ausschließen will.
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Die Erfindung betrifft nun eine Einrichtung, welche die Aufrechterhaltung
des Isochronismus zwischen der Frequenz des Drehfeldes und der Frequenz des Querablenkfeldes
für die Erzeugung der als Nullmarke geschriebenen Zacke völlig selbsttätig vornimmt,
so daß die Bedienung des Empfangs- bzw. Anzeigegeräts erheblich vereinfacht und
jede Fehlermöglichkeit bei einer Frequenzregeltng von Hand ausgeschaltet wird, und
bezweckt, eine solche Einrichtung zu schaffen, die sich vor den an sich ohne weiteres
möglichen anderen Einrichtungen dieser Art durch besondere Einfachheit und Betriebssicherheit
auszeichnet. Dieser Zweck wird bei einer solchen Einrichtung dadurch erreicht, daß
gemäß der Erfindung vom Geber außer der die Zeigermarke erzeugenden Auslenkfrequenz
noch eine die Nullmarke bildende Synchronisierungsfrequenz gesendet wird und daß
eine die Nullmnarke abtastende, zweiteilige fotoelektrische Steuereinrichtungvorgesehen
und so geschaltet ist, daß die Differenz der von ihr abgeleiteten Ströme nach Verstärkung
an einer Modulatorbrücke ein die Frequenzregelinittel beeinflussendes, richtungsabhängiges
Maß für die Istlage der Nullmarke zu ihrer Sollage liefert.
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Die fotoelektrische Einrichtung kann dabei entweder eine Differentialfotozelle
sein oder aus zwei Fotozellen bestehen. An sich ist die Verwendung von fotoelektrischen
Steuereinrichtungen bei Braunschen Röhren bereits bekannt. Bei diesen bekannten
Anordnungen handelt es sich darum, die Zeilen- und die Bildfrequenz bei Fernseheinrichtungen
in Übereinstimmung mit der Abtastgeschwindigkeit des Senders zu bringen. Hierzu
wird an jedem Zeilen- und Bildende ein Steuerimpuls übertragen. der von außerhalb
der Bildebene liegenden Anoden aufgenommen wird und an diese angeschlossene -Neonröhren
zur - Zündung bringt. Dadurch werden die Strahlabltnkfelder steuernde Kondensatoren
über die Neonröhren entladen, so daß der Zeilen- und Bildwechsel von dem vorherigen
Eintreffen eines entsprechenden Steuerimpulses abhängig ist. Eine derartige Anordnung
ist aber nicht brauchbar bei einer Einrichtung zum Aufrechterhalten des Isochronismus
zwischen der Frequenz des örtlich erzeugten Drehfeldes für den Umlauf des Elektronenstrahls
und der Frequenz der als -Nullmarke dienenden zackenförmigen Auslenkung des Elektronenstrahls
bei Einrichtungen zum Fernanzeigen von Winkelwerten mittels Braunscher Röhren durch
die Lage einer nackenförmigen Auslenkung des auf einer geschlossenen Bahn umlaufenden
Elektronenstrahls zur Nullmarke, da noch besondere Vorkehrungen zu treffen sind,
damit die Verschiebungen der Nullzacke zu Regelungszwecken ausgenutzt «-erden können
und dabei eine genügend hohe Genauigkeit und Betri°bssiclierlieit erreicht wird.
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Die Erfindung, die diese Aufgabe vorteilhaft löst, wird an Hand zweier
Ausführungsbeispiele beschrieben und durch die Zeichnung erläutert. In der letzteren
stellt dar: Fig. i das Beispiel einer auf dem Leuchtschirm der Braunschen Röhre
wahrnehmbaren Leuchtspur einer kreisförmigen Zeitlinie und
Nullmarke,
welche durch geeignete radiale Auslenkung des Elektronenstrahls erhalten wird, Fig.
2 die bandförmig verbreiterte Leuchtspur nach Fig. I, welche man erhält, wenn man
der Frequenz des Drehfeldes eine höhere, zu ihr nicht harmonische Frequenz überlagert,
Fig. 3 eine grundsätzliche Anordnung der fotoelektrischen Überwachungsvorrichtung
im Strahlengang des Zackenbildes, Fig. 4 den beispielsweisen Verlauf der beiden
Fotozellenströme bei richtiger Lage des zu überwachenden Zackenbildes, Fig. 5 den
beispielsweisen Verlauf der beiden Fotozellenströme bei einer Auswanderung des Zackenbildes
aus der Sollage in der einen Richtung, Fig. 6 den beispielsweisen Verlauf der beiden
Fotozellenströme bei einer Auswanderung des Zackenbildes aus der Sollage in der
entgegengesetzten Richtung, Fig.7 ein Ausführungsbeispiel der fotoelektrischen Steuereinrichtung
im grundsätzlichen Aufbau, Fig. 8 den beispielsweisen Verlauf der beiden Fotozellenströme
bei richtiger Lage des Zackenbildes unter Verwendung eines nachleuchtenden Schirms,
Fig. 9 den beispielsweisen Verlauf der beiden Fotozellenströme bei erfolgter Auswanderung
des Zackenbildes aus der Sollage in der einen Richtung unter Verwendung eines nachleuchtenden
Schirms, Fig. Io den beispielsweisen Verlauf der beiden. Fotozellenströme bei erfolgter
Auswanderung des Zackenbildes aus der Sollage in der entgegengesetzten Richtung
unter Verwendung eines nachleuchtenden Schirms, Fig. I I ein weiteres Ausführungsbeispiel
der fotoelektrischen Steüereinrichtung im grundsätzlichen Aufbau, bei Verwendung
eines nachleuchtenden Schirms.
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Die zur Synchronisierung verwendete Zacke sei der Einfachheit wegen
annähernd als eine Rechteckzacke ausgebildet. Die Zeitlinie sei ein Kreis. Auf dem
Schirm der Röhre erscheine die Leuchtspur des Elektronenstrahls gemäß dem Bild der
Fig. I. Wird der Frequenz des Drehfeldes eine zweite, zu ihr nicht harmonische,
höhere Frequenz überlagert, so erscheint die Leuchtspur bandförmig verbreitert,
wie in Fig. 2 dargestellt. Das zuletzt genannte Verfahren hat man vorgeschlagen,
am die Lage der Zacke auch bei auftretenden atmosphärischen Störimpulsen od. dgl.
noch sicher beobachten zu können. Durch die punktiert eingezeichnete Symmetrielinie
mm soll die Sollage des Zackenbildes gekennzeichnet sein.
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Die Frequenz des Drehfeldes für den Elektronenstrahlumlauf sei f1
= Iooo Hz. Die Trägheit des Phosphoreszenzleuchtens des Schirms werde zunächst vernachlässigt.
Das Bild der Zacke, welche vorteilhaft mit der gleichen Frequenz, also z1 = f1,
auf den Schirm I der Braunschen Röhre geschrieben werde, wird mit Hilfe eines lichtstarken
Objektivs 2 auf eine Differentialfotozelle 3 geworfen, wie dies Fig. 3 zeigt. Das
Verhältnis von Zackenbreite zum Gesamtumfang des Kreises der Zeitlinie sei I : Io,
so daß die einzelne Zacke eine Dauer von 1/1o m/s hat. Sorgt man dafür, daß die
Symmetrielinie mm
genau auf die Halbierungslinie der Differentialfotozelle
fällt, so haben die von den beiden Zellenhälften I, II erhaltenen Ströme beispielsweise
den in Fig. 4 gezeigten Verlauf. 3 ist von der Zellenhälfte I, 3' der von der Zellenhälfte
II herrührende Strom. Die Zellenströme werden zweckmäßig über Verstärker 4, 4 auf
den Steuerungsteil der fotoelektrischen Einrichtung gegeben. Die Frequenz der ZellenstroMimpulse
ist gleich der Zackenfrequenz z1. Der Abszissenabstand zwischen zwei punktiert gezeichneten
Vertikalen, welche der Symmetrielinie mm. entsprechen, stellt im Zeitmaßstab
einen Umlauf des: Elektronenstrahls dar und beträgt also für das gewählte Beispiel
i m/s.
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Ändert sich aus irgendeinem Grunde die Frequenz f des Elektronenstrahlumlaufs,
während die Frequenz z der Zackenfolge konstant 21 bleibt, so verschiebt
sich die Zacke auf dem Umfang der im Beispielsfall als Kreis geschriebenen Zeitlinie.
Wandert die Zacke im Uhrzeigersinn aus der Sollage aus, so wird die Zellenhälfte
II länger, die Zellenhälfte I kürzer belichtet. Der Stromverlauf der von den Zellenhälften
I, II gelieferten Stromimpulse ist in Fig. 5 dargestellt, und zwar für den Fall,
daß die Zacke um die Hälfte, ihrer Breite nach rechts bzw. im Uhrzeigersinn ausgewandert
ist.
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Wandert dagegen die Zacke im umgekehrten Sinn aus der Sollage heraus,
so ergibt sich für den Stromverlauf der beiden Zellenströme in entsprechender Weise
das: Bild der Fig. 6.
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Man sieht, daß in dem einen Fall die Stromstöße der Zellenhälfte I,
im anderen Fall diejenigen der Zellenhälfte II von längerer Dauer werden. Diese
Unsymmetrie wird nun dazu verwendet, um die Frequenz f des Drehfeldes. so zu steuern,
daß die Stromzeitintegrale für beide Zellenhälften wieder gleich werden, womit dann
tatsächlich derIsochronismus.wiederhergestellt ist.
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Dabei ist es grundsätzlich gleichgültig, welche der beiden Frequenzen
nachgeregelt wird. Es kann: also entweder die Frequenz f des Drehfeldes an die Frequenz
z des Querab enkfeldes. angepaßt werden oder auch umgekehrt z an
f. Durch eine solche Frequenzangleichung wird zwischen dem Drehfeld und
dem
Querablenkfeld wieder die ursprüngliche Phasenlage hergestellt, so daß die ausgewanderte
Nullzacke an ihre festgelegte Stelle zurückkehrt und somit auch der durch die Lage
der Meßzacke wilederzugebende Wert eindeutig wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der zur Steuerung des Frequenzregelmittels
erforderlichen Schaltung ist in Fig. 7 wiedergegeben. Die Ströme der Differentialfotozelle
D werden durch geeignete Bemessung des Ohnmschen Widerstandes R und der Kapazität
C in dieselbe Phasenlage gebracht. Die Schwingkreise L l. C 1 und L2. C, sind auf
die geiche Grundfrequenz, welche im Beispielsfall die Umlauffrequenz f des Elektronenstrahls
sei abgestimmt, so dar praktisch nur diese Frequenz von den Übertragern L'1 und
LU2, auf das Gitter der Verstärkerröhre IV übertragen wird. RR ist der Gitterableitwiderstand
dieser Röhre.
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Im Symmetriefall sind die Spannungen am Gitter dann Null, wennt die
Ühertrager so angeschlossen sind, daß die Spannungsvektoren sich in der Phase um
I8O° unterscheiden.
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Wird nun einle Zellenhälfte länger belichtet. so wird die Amplitude
der Grundfrequenz in dem zugeordneten Zellenstromkreis zunehmen.
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Zerlegt man nämlich die Rechteckkurve des Zellenstromimpulses in eine
Fouriersche Reihe, so werden die Fourier-Koeffizienten folgendermaßen dargestellt:
wobei γ die halbe Breite des Rechtecks und a die Höhe desselben ist. Die Amplitude
der Grundfrequenz nimmt also sinusförmig mnit der halben Breite zu; für kleine Änderungen
erfolgt die Zunahme linear mit der Breite.
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Indem Maße, wie sich die Amplituden der beiden Grundfrequenzen in
den Zellenstromkreisen unterscheiden, tritt eine Wechselspannung am Gitter der Verstärkerröhre
t@ auf. Ihre Phasenlage ist um I8O° verschieden, je nachdem welche Zellenhälfte
die längeren Impulse bekommt. Wird nun eine Ringmodulatoranordnung MT mit einer
Wechselspannung der Frequenz f durclhgesteuert, so tritt an den Klemmen A, B des
Ringmodulators, je nach der Lage des Vektors der Eingangswechselspannung, eine Gleichspannung
verschiedener Polarität auf, die zum Steuern eines stromrichtungsempfindlichen Schaltorgans,
z. B. eines polarisierten Relais, dient. Mit einem solchen Relais wird über geeignet
Schaltmittel an sich bekannter Art die zu überwachende Frequenz, nach der Annahme
also die Frequenz f des Drehfeldes, im richtigen Sinn nachgeregelt, z. B. durch
Änderung der Motorerregtung einer Tonfrequenzmaschine oder durch Verstimmen eines
Schwingkreises. Bei dem weiteren in den Fig. 8 hi i s s i r behandelten Beispiel
wird die Umsetzung der verschieden langen t Lichtimpulse auf die Fotozelle in eine
Intensitätsgröße unter Zuhilfenahme eines nachleuchtenden Schirms der Braunschen
Röhre bewerkstelligt. Das Nachleuchten der Spurlinie des Elektronenstrahls und damit
auch der einzelnen Zacke kann durch auf den Leuchtschirm gebrachtes Phosphoreszenzmaterial
erreicht werden. Die Umlauffrequenz des Elektronenstrahls betrage wileder f1=IoooHz.
Die Zacke wird ebenfalls wieder auf einer Differentialfotozelle abgebildet, wie
in Fig.3 gezeigt. Das Verhältnis von Zackenbre2ite zum Gesamtumfang der als Kreis
geschriebenen Zeitlinie betrage I : Io. so daß die einzelne Zacke eine Dauer voll
1/'1o m/s hat. Zum Unterschied gegenüber der im ersten Ausführungsbeispiel getroffenen
Annahme habe der Phosplioreszenzscliirm eine gewisse Nachleuchtdauer, beispielsweise
von etwa I mn/s. dabei sei vorausgesetzt, daß nach I mn/s noch etwa 9oo%o der Lichtintensität
vorhanden ist. Phosphore mit derartigen Eigenschaften sind an sich bekannt und im
Handel erhältlich.
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Werden die Fotozelleilströme wileder in Abhängigkeit von der Zeit
aufgetragen, so ergibt sich bei symmetrischer Belichtung der Zellenhälftenl ein
Stromverlauf nach Fig. 8, bei unsymnmetrischer Belichtung nach den Fig. 9 und Io.
je nach dem Sinn der Zackenauswanderung.
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Bei Verwendung eines nachleuchtenden Schirms wird in den Fotozellen
nicht mehr ein mit der Zackenfrequenz pulsierender Strom, sondern ein Gleichstrom
erzeugt, dessen Amplitude entsprechend der Nachleuchtcharakteristik des Schirms
bis zum Auftreten der nächstfolgenden Zacke abnimmt. Ist die Beliclhttung der Zellenhälften
symnetrisch, nimmt also das Zackenbild die Sollage ein, so sind die Ströme in den
beiden Zellenstromkreisen deich: sobald Unsynmmetrie in der Belichtung heim Auswandern
des Zackenbildes auftritt, wird die Stromstärke der einen Zelle größer, in der anderen
kleiner bzw. umgekehrt, und zwar ändert sich die Stromstärke linear mit der Verschiebung
des Zackenbildes aus der Sollage.
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Die bei unsymmetrischer Belichtung verscliie(leiie Stromstärken aufweisenden
Fotozellenströnie «-erden zur Steuerung des Frequenzregelmittels ini Sinneiner Zurückführung
des Zackenl)flds in die Sollage verwendet. Zu dieseln Zweck sind nach dem Ausführungsbeispiel
der Fig. i i die Zellenströme über Spannungsabfall erzeugende Mittel Ri und R, so
gegeneinandergeschaltet. daß je nach der Lage der U nsymmetrie Spannungsabfälle
verschiedener Polarität ziviscüen den Klemmen Al rin -1 hl auftreten. Zwecks Verstärkung
der
Steuergröße wird die Gleichspannung durch den Ringmodulator
M zerhackt und einer Zweiröhrenverstärkerschaltung V1, h2 zugeführt. Die einem zweiten
Ringmodulator M2, der mit einer Wechselspannung derselben Frequenz wie für Ml durchgesteuert
wird, aus dem Ringmodulator M1 zugeführte Wechselspannung hat je nach den an den
KlemmenAi, B1 vorhandenen Vorzeichen eine um I86° verschobene Phasenlage, so daß
an den Klemmen A2, B2 des zweiten Ringmodulators wiederum eine Gleichspannung verschiedener
Polarität, ähnlich wie an den Klemmen A, B
in Fig. 7, auftritt. Letztere reicht
nach der Verstärkung aus, um mittels an sich bekannter Schaltmittel und Frequenzregelmittel
die zu überwachende Frequenz zu steuern. Nach der Annahme war dies die Frequenz
f des Drehfeldes für den Elektronenstrahlumlauf.
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Will man die Zackenfrequenz z überwachen, so müßte den beiden Ringmodulatoren
M1, M2 Wechselspannung der Frequenz z statt f zu-
geführt werden.
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An Stelle einer Differentialfotozelle, welche der Einfachheit wegen
in dem Ausführungsbeispiel angegeben wurde, lassen sich natürlich zwei lichtempfindliche
Zellen verwenden, gegebenenfalls unter Teilung des vom Zackenbild ausgehenden Strahlengangs.
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Ebenso liegt es im Rahmen des Erfindungsgedankens, die in den Ausführungsbeispielen
für die Modulation und Verstärkung der Fotozellenströme verwendeten Einrichtungen
durch ähnliche oder gleichwertige zu ersetzen.