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Indikatoranordnung mit magnetisch gesteuerten elektrischen Entladungsgefäßen
für die Regelung elektrischer Maschinen Bei elektrischen Entladungsgefäßen mit einer
Steuerelektrode führt man die das Entladungsgefäß steuernde Spannung in Gegenschaltung
mit einer konstanten Spannung der Steuerelektrode zu. Insbesondere erfordern die
Verfahren zur Regelung elektrischer Maschinen mittels Elektronenröhren eine konstante
physikalische Größe, an welcher der Betriebszustand (Spannung, Drehzahl usw.) der
zu regelnden Maschine gemessen wird. Von der Genauigkeit, mit der diese physikalische
Größe in ihrem Sollzustand erhalten wird, hängt die Genauigkeit des ganzen Regelverfahrens
ab. Die Abweichungen der dem zu regelnden Betriebszustand proportionalen Spannung
von der konstanten Gegenspannung geben dann infolge Beeinflussung der Steuerelektroden
an dem Entladungsgefäß die Ursache für das Einsetzen der Regelung. Die konstante
Gegenspannung wird meist mit Hilfe kleiner Batterien hergestellt, die jedoch sorgfältiger
Wartung bedürfen. Andere konstante physikalische Größen; z. B. konstante Federkräfte,
haben immer bei Änderung des Betriebszustandes Trägheiten oder erfordern hohen dauernden
Energieaufwand.
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Die Erfindung betrifft eine Indikatoranordnung mit magnetisch gesteuerten
elektrischen Entladungsgefäßen für die Regelung elektrischer Maschinen, bei der
die Vergleichsgröße, an der die zu regelnde Betriebsgröße gemessen wird, ein von
einem permanenten Magneten geliefertes Magnetfeld ist, dem ein in seiner Größe von
der zu regelnden Größe abhängiges, dauernd in gleicher Richtung wirkendes Magnetfeld
in Gegenschaltung überlagert ist. Durch die Wahl eines von einem permanenten Magneten
erzeugten Feldes als Vergleichsgröße werden die oben geschilderten Nachteile beseitigt;
insbesondere läßt sich ein solches Feld dauernd sehr genau konstant halten und erfordert
keinerlei Wartung oder Energieaufwand. Die beiden einander überlagerten Magnetfelder
werden im übrigen in ihrer Größe zweckmäßig derart eingestellt, daß das aus dem
permanenten und dem veränderlichen Magnetfeld resultierende Feld ein Arbeiten des
Entladungsrohres an der Stelle seiner größten Empfindlichkeit ermöglicht.
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An sich ist es bereits bekannt, an einem zur Steuerung von Maschinen
dienenden Entladungsgefäß zwei magnetische Felder zu überlagern, von denen das steuernde
Feld ein periodisch schwankendes Gleichstromfeld ist,
während das
zweite Feld von einer Batterie aus elektromagnetisch erzeugt wird. Die beiden Felder
sind aber nicht gegengeschaltet, so daß das von der Batterie erzeugte Feld nicht
als Vergleichsgröße dienen kann; außerdem benutzt die vorliegende Erfindung ein
von einem permanenten Magneten erzeugtes, dauernd unveränderliches Feld. Bei einer
zweiten bekannten Anordnung, bei der ebenfalls zwei magnetische Felder an einem
Entladungsgefäß überlagert. werden, ist das konstante gleichgerichtete Feld ein
Polarisationsfeld, das im übrigen wieder nur elektromagnetisch erzeugt ist. Dieses
Polarisationsfeld arbeitet mit einem der steuernden Größe proportionalen Wechselfeld
zusammen, so daß die Halbwellen dieses Wechselfeldes in abwechselnder Gleich- und
Gegenschaltung mit dem Polarisationsfeld arbeiten; das Polarisationsfeld kann also
wieder nicht als Vergleichsgröße dienen.
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Abb. i der Zeichnung zeigt die Abhängigkeit des Anodenstromes I eines
magnetisch gesteuerten Entladungsgefäßes. von -der Feldstärke H. Man sieht, daß
für eine Regelung des Anodenstromes das resultierende Magnetfeld eine derartige
Größe haben muß, bei der für den Anodenstrom der steil abfallende Teil der Kurve
dient. Geringe Schwankungen einer beispielsweise zu regelnden Generatorspannung
geben dann geringe Schwankungen an dem veränderlichen Magnetfeld; _ diese Schwankungen
rufen infolge des entgegenwirkenden permanenten Magnetfeldes prozentual wesentlich
stärkere .Schwankungen an dem resultierenden Feld in der Elektronenröhre hervor,
und dieses Feld verursacht infolge-der Charakteristik noch stärkere Schwankungen
des Anodenstromes. Die Änderungen des Anodenstromes können dann zur Steuerung des
Erregerstromes am Generator und damit zur Konstanthaltung der Spannung benutzt werden.
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Abb.2 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Es soll die Spannung eines Gleichstromgenerators i konstant gehalten
werden. Seine Kommutatorspannung ist dazu an eine Spule 2 angeschlossen, die an
einem elektrischen Entladungsgefäß mit der Glühkathode 3 und der Anode q. ein magnetisches
Feld erzeugt. Diesem magnetischen Feld ist nun in entgegengesetzter Richtung das
Feld eines permanenten Magneten 5 überlagert. In dem Anodenstromkreis des Entladungsgefäßes
liegt noch die Batterie 6 und ein Ohmscher Widerstand 7. Bei einer Änderung der
Spannung des Generators i ändert sich auch der Strom in der Spule :2 und damit in
verstärktem Maße der Anodenstrom des Entladungsgefäßes. Die an dem Ohmschen Widerstand
7 dadurch verursachte Änderung des Spannungsabfalles wirkt über weitere Verstärkerröhren
auf die Erregerwicklung 8 des Generators im Sinne einer Rückgängigmachung der Spannungsänderung
ein.
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Die Anordnung nach Abb. 2 hat ebenso wie die bisherige Speisung des
Gitters eines Steuerrohres von einer konstanten und einer veränderlichen Spannung
den Nachteil, daß ein eindeutiger quantitativer Zusammenhang zwischen dem durch
das Rohr fließenden Strom und der steuernden Größe nur gewahrt ist, -wenn die übrigen
Betriebsgrößen des Entladungsgefäßes, also der Heizstrom der Kathode und die Anodenspannung,
während der Benutzung konstant bleiben. Die Schwankungen des Heizstromes kann man
durch Einschalten eines Eisenwasserstoffwiderstandes in den Heizstromkreis ausgleichen,
die Schwankungen der Anodenspannung durch Anordnung eines Raumladegitters (io) in
Abb. 2 in der Umgebung der Glühkathode. Noch besser kann man aber die Schwankungen
des Heizstromes und der Anodenspannung durch Kompensationsschaltungen ausgleichen.
Abb. 3 der Zeichnung zeigt eine solche Anordnung. Es sind zwei Entladeräume mit
den Anodenzylindern i i und 12 und mit den Glühkathoden 13 und 14 vorgesehen. Die
beiden Entladungsvorrichtungen können in einem Gefäß untergebracht sein; man kann
aber auch vollständig selbständige Elektronenröhren verwenden. Für die Erzeugung
der veränderlichen Magnetfelder dienen die Spulen 15 und 16, die in Hintereinanderschaltung
von der Spannung des Gleichstromgenerators 17 gespeist werden. Außerdem sind noch
permanente Magnete 18 und 19 angeordnet, deren Felder in den beiden Entladungsräumen
sich den durch die Spulen 15 und 16 erzeugten veränderlichen Feldern überlagern.
Die Anordnung ist derart, daß an dem oberen Entladungsgefäß das Feld des permanenten
Magneten und das veränderliche Feld entgegengesetzte Richtung besitzen, an dem unteren
Entladungsgefäß die gleiche Richtung. Außerdem sind die Felder in ihrer Stärke derart
eingestellt, daß beide Entladungsvorrichtungen an der Stelle ihrer größten Empfindlichkeit
(gemäß dem Diagramm der Abb. i) arbeiten. An die beiden Anoden 1i und 12 ist noch
ein aus den Teilen 2o und 21 bestehender Ohrnscher Widerstand angeschlossen, dessen
mittlerer Potentialpunkt mit den Kathoden 13 und 14 verbunden ist. In die Verbindungsleitung
ist die Batterie 22 für die Speisung der beiden Entladungsvorrichtungen eingeschaltet.
An die beiden äußeren Enden der Ohmschen Widerstände ist der von dem Entladungsgefäß
gesteuerte Stromkreis 23 angeschlossen, der auf die Erregung 2q. des Generators
17
einwirkt. Für die Heizung der Glühkathoden dient die Batterie 25, die in Parallelschaltung
die beiden Kathoden speist.
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Die Anordnung ist derart eingestellt, daß bei einer Übereinstimmung
der Spannung des Generators 17 mit dem Sollwert die Anodenströme an den beiden Entladungsvorrichtungen
gleich -groß sind. Die mit dem Stromkreis 23 verbundenen Enden der Ohmschen Widerstände
2o und 2z besitzen dann dasselbe Potential, und der Stromkreis 23 ist von Seiten
der Entladungsgefäße unerregt. Sobald eine Abweichung der Spannung des Generators
17 vom Sollwert auftritt, z. B. eine Vergrößerung, werden die veränderlichen Magnetfelder
in den beiden Entladungsvorrichtungen stärker. An der oberen Entladungsvorrichtung
bedeutet diese Vergrößerung eine Verkleinerung des resultierenden Feldes und damit
eine Vergrößerung des Anodenstromes gemäß dem Diagramm der Abb. r. An der unteren
Entladungsvorrichtung, an der sich das permanente und das veränderliche Feld addieren,
ergibt sich eine Vergrößerung des resultierenden Feldes und damit eine Verkleinerung
des zur Anode 12 übertretenden Stromes. Infolgedessen ändern sich die Spannungsabfälle
in den Ohxnschen Widerständen 2o und 21 derart, daß die Potentiale der mit dem Stromkreis
23 verbundenen Enden der Ohmschen Widerstände in entgegengesetzter Richtung voneinander
abweichen, so daß sich die gegensinnigen Änderungen der Anodenströme in ihrer Wirkung
auf den Strom im Kreise 23 summieren. Sobald die Spannung des Generators 17 kleiner
wird als der Sollwert, tritt das umgekehrte Verhältnis der Stromänderungen ein,
und der Spannungsabfall über die beiden Widerstände kehrt sich um.
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Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß erstens Schwankungen
der Heizströme sich in ihrer Wirkung auf die Anodenströme kompensieren, da bei=de
Heizstromkreise von einer gemeinsamen Stromquelle 25 gespeist werden. Außerdem kompensieren
sich auch Schwankungen der Anodenspannung. Allerdings ist diese Kompensation nur
in dem Fall exakt, falls gleiche Ströme durch die Rohre fließen, d. h. gleiche Spannungsabfälle
an den Widerständen 2o, 2x entstehen. Da im Verlauf des Betriebes diese Gleichheit
. der Spannungsabfälle nicht eingehalten wird, so erscheint an dem Röhr, das den
größeren Strom führt, eine kleinere Anodenspannung, d. h. es wird ein Teil der Steuerwirkung
des Gesamtfeldes ebenso wie bei einem Gittersteuerrohr ein Teil der Steuerwirkung
der Gitterspannung durch einen Abfall der Anodenspannung aufgehoben. Dieser Nachteil
haftet aber allen Elektronensteuerrohren an, er bedeutet also für die Schaltung
der Abb. 3 keinen charakteristischen Fehler. Man kann ihn aber außerdem weitgehend
durch Verwendung von Raumladegittern (1o in Abb. r) beseitigen.
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Die Anordnung nach Abb. 3 kann man auch dann verwenden, wenn sowohl
die Glühfäden als auch die Rohre selbst mit Wechselstrom gespeist werden. In diesem
Fall werden die Ohmschen Widerstände 2o und 21 durch Transformatorwicklungen bzw.
durch Drosselspulen ersetzt.
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Bei den konstruktiven Anordnungen der Abb. 2 und 3 verlaufen die Felder
des permanenten und des veränderlichen Magneten parallel zum Glühfaden der Kathode.
Dabei läßt sich jedoch schwer eine genügende Stärke des permanenten Magnetfeldes
erzielen, da mit Rücksicht auf die große Länge des Glühfadens ein sehr langer Luftraum
von den magnetischen Kraftlinien durchsetzt - werden muß. Abb. ¢ der Zeichnung zeigt
eine Anordnung, die diesen Nachteil vermeidet. Das Ent.-@ ladüngsgefäß besitzt wieder
eine langgestreckte Glühkathode, die beiden Magnetfelder verlaufen jedoch senkrecht
zur Längsrichtung der Glühkathode, und die Anoden sind derart angeordnet, daß die
elektrostatischen Kraftliniere zwischenKathode undAnodemindestens teilweise senkrecht
zur Längserstreckung der Kathode und senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes
verlaufen. 26 ist der senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Glühfaden der Kathode,
der von einem Raumladegitter 27 umgeben ist. Als Anoden dienen die Teile 28, 29,
30 und 31. Diese Teile umgeben die Glühkathode und bilden annähernd die Mantelfläche
eines Prismas oder, wie dargestellt, eines Zylinders. Die einander gegenüberlie-
j genden Teile 28, 29 bzw. 30, 3r sind unmittelbar miteinander leitend verbunden
und bilden so eine Anode. Dieser aus zwei einander gegenüberliegenden Teilen bestehenden
Anode ist nun je ein von einem permanenten und einem veränderlichen Magneten erzeugtes
Magnetfeld zugeordnet, dessen Kraftlinien senkrecht zur Richtung der elektrostatischen
Kraftlinien zwischen der Kathode und der aus zwei Teilen bestehenden Anoden verlaufen.
Der aus den Teilen 30 und 3 1 bestehenden Anode ist das Magnetfeld
zugeordnet, das von den permanenten Magneten 32 und 33 und von den von der Spannung
des Generators 17 gespeisten veränderlichen Magneten 34: und 35 erzeugt wird. Ebenso
ist der aus den Teilen 28 und 29 bestehenden Anode das Magnetfeld zugeordnet, das
von den permanenten Magneten 36 und 37 und von den ebenfalls von dem Gleichstromgenerator
17 gespeisten veränderlichen Magneten 38 und 39 erzeugt wird. Man sieht, daß das
beispielsweise
von den Magneten 32 bis 35 erzeugte Feld die von
der Glühkathode zu den Anoden 30 und 31 übertretenden Elektronen ebenfalls derart
ablenken kann, daß sich für den Anodenstrom eine Charakteristik ergibt, die der
Abb. i der Zeichnung entspricht. Dasselbe gilt auch für das Feld der Magnete 36'
bis 39 und für die Anoden 28 und 29. Ähnlich wie in Abb. 3 sind nun die Kraftlinien
der permanenten Magnete 32 und 33 mit denen der veränderlichen Magnete 34 und 35
gleichgerichtet, während die Kraftlinien der permanenten Magnete 36 und 37 die entgegengesetzte
Richtung besitzen, wie die der veränderlichen Magnete 38 und 39. Außerdem ist das
Anodenpaar 30, 31 wieder mit dem einen Pol des von dem Entladungsgefäß gesteuerten
Stromkreises 23 verbunden und das Anodenpaar 28, 29 mit dem zweiten Pol dieses Stromkreises.
Zwischen den beiden Polen liegen wieder die hintereinandergeschalteten Widerstände
2o, 2i, deren mittlerer Potentialpunkt über die das Entladungsgefäß speisende Batterie
22 mit der Glühkathode 26 verbunderk ist. Es ergibt sich daher dieselbe Wirkungsweise,
wie an der Anordnung der Abb. 3 geschildert wurde, wobei die Anode i i der Abb,
3 durch die beiden Anoden 28, 29 und die Anode 12 durch die Anoden 30, 31 ersetzt
ist. Die durch die Magnete 32 bis 35 und 36 bis 39 erzeugten Felder sind wieder
derart bemessen, daß die entsprechenden Anodenströme auf dem steilen Ast der Charakteristik
der Abb. i liegen.
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Die Anordnung nach Abb. q. hat verschiedene Vorteile. Einerseits ergibt
sich eine symmetrische Anordnung, anderseits ist nur ein: Heizfaden erforderlich.
Als Hauptvorteil ergibt sich jedoch, daß die Magnetfelder nur eine geringe Ausdehnung
in Luft besitzen, weil das Rohr sehr langgestreckt werden kann und dann nur eine
geringe radiale Ausdehnung notwendig ist. Der Ausgleich der Wirksamkeit der senkrecht
aufeinanderstehenden Magnetfelder läßt sich auch sehr leicht bewerkstelligen nicht
nur dadurch, daß man die Magnetfelder durch magnetische . Nebenschlüsse in ihrer
Größe verändern, sondern auch dadurch, daß man durch Drehung ihrer Achsen gewisse
Unsymmetrien, die bei Vakuumröhrenherstellung unvermeidlich sind, leicht ausgleichen
kann. Ebenso wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen kann man die
Einstellung auf den gewünschten Sollwert der zu regelnden Maschinenspannung dadurch
vornehmen, daß man das Verhältnis der magnetischen Kräfte, herrührend aus dem permanenten
Anteil, gegenüber dem der Maschine verändert.- Nachdem man die Stärke des permanenten
Magnetfeldes durch die Anordnung 'von Nebenschlüssen leicht beeinflussen kann, so
-ergeben sich bei der beschriebenen Einrichtung genügend Möglichkeiten, eine genaue
ünd konstante Betriebsgröße der zu regelnden Maschine auf einen gewünschten Wert
zu bringen.
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Selbstverständlich ist diese gesamte Einrichtung auch zur Regelung
der Drehzahl von Maschinen zu verwenden, falls man eine der Drehzahl proportionale
Spannung oder einer dieser proportionalen Strom zur Verfügung hat.