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Einrichtung mit einer elektrischen Entladungsröhre zum genauen Schalten
bzw. Messen einer physikalischen Größe, in der die Zeit als Faktor enthalten ist
Es ist bekannt, für li:urzzeitige Schaltvorgänge eine gittergesteuerte Gas- oder
Dampfentladungsröhre als Relais zu verwenden. Bei einem derartigen, :zum Schalten
eines Röntgenapparates verwendeten Relais ist in den Gitterkreis der Entladungsröhre
eine negative Vorspannung und ein zugleich in den Röntgenröhrenstromkreis eingebauter
Meßkondensator geschaltet. Bei der Herstellung einer Röntgenaufnahme wird der Meßlondensator
durch den. Röhrenstrom aufgeladen. Wenn die Spannung an dem Meßkondensator einen
bestimmten Wert, der dem zu schaltenden mAs-Produkt entspricht, erreicht hat, wird
die gittergesteuerte Gas- oder Dampfentladungsröhre stromdurchlässig und schaltet
den Röntgenapparat aus. Verwendet man hierbei für das Ausschalten des Röntgenapparates
ein elektromagnetisches Schütz, dann treten Schaltfehler auf, die durch die Abschaltverzögerung
des Schützes bedingt sind. Weitere Schaltfehler können bei einer derartigen Einrichtung
auch dann auftreten, wenn die Änderung der Spannung an dem Meßkondensator aus irgendeinem
Grunde nicht genau proportional der Änderung des zu schaltenden mAs-Produktes ist.
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Benutzt man ein solches durch die an einem Meß'kondensator auftretende
Spannung gesteuertes Relais nicht zum Abschalten eines Röntgenappärates,
;sondern
zum Abschalten eines beliebigen Apparates nach Erreichen eines bestimmten Integralwertes
einer physikalischen Größe, in der die Zeit als Faktor enthalten ist, dann können
die benannten Fehler ebenfalls auftreten. Wird das Relais anstatt zum Abschalten
eines Apparates in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe zum Messen dieser
Größe verwendet, dann können die gleichen Fehler auftreten.
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Es ist zwar eine Schaltungsanordnung für einen schutzgesteuerte? Röntgenapparat
mit trägheitslos arbeitendem mAs-Relais bekannt, bei der der durch die Abschaltverzögerung
des Schützes bedingte; vom Röhrenstrom abhängige Fehler beim Abschalten des Röhrenstromes
dadurch ausgeglichen wird, daß in den Gitterkreis der Entladungsröhre des mAs-Relais
ein in Serie reit dem Meßkondensator geschalteter und damit ebenfalls vom Röhrenstrom
durchflossener, entsprechend bemessener Ohmscher Widerstand eingebaut ist. Dieser
Ausgleich des durch die Verzögerung der Abschaltorgane verursachten Schaltfehlers
ist aber nur bei konstantem Meßstrom (Röntgenröhrenström) brauchbar, da bei pulsierendem
Strom die Spannung an. dem Ohmschen Widerstand nicht mehr proportional zu dem Mittelwert
des Röhrenstromes ist.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einer elektrischen Entladungsröhre,
die durch eine an einem in den. Gitterkreis der Entladungsröhre geschalteten Meßkondensator
auftretende Ladespannung gesteuert wird, zum Abschalten eines elektrischen Apparates
in Abhängigkeit von einer p'hysi'kalischen Größe, in der die Zeit als Faktor enthalten
ist, bzw. zum Messen dieser physikalischen Größe, wobei für das Abschalten mit Zeitverzögerung
arbeitende Abschaltorgane verwendet werden und/oder die Änderung der an dem Meßkondensator
auftretenden Ladespannung nicht genau proportional der Änderung der betreffenden
physikalischen Größe ist. Durch die Erfindung wird hier ein großer Fortschritt dadurch
erzielt, daß zum Ausgleich .der durch die Verzögerung der Abschaltorgane bzw. der
durch die nicht pro-. pörtionale Änderung der an dem Meßkondensator auftretenden
Ladespannung verursachten Schalt-bzw. Meßfe'hler bei Betrieb der Einrichtung in
den Gitterkreis,der Entladungsröhre mindestens eine in entsprechender Weise zeitlich
veränderliche Korrektionsspannung eingeschaltet ist. Der zeitliche Verlauf dieser
Korrektionsspannungkann aus der graphischen oder mathematischen Analyse der Fehler
ermittelt werden.
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Die Erfindung ermöglicht, kurzzeitige Schaltungen mit verhältnismäßig
einfachenMitteln exakt durchzuführen. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht
darin, daßdurch die zeitlich veränderliche Korrektionsspannung mehrere Fehler gleichzeitig
ausgeglichen werden können.
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Es ist zweckmäßig als Korrektionsspannung eine passend gewählte, nach
einer e-Funktion verlaufende Spannung zu verwenden., die bei der Ladung bzw. Um-
oder Entladung eines oder mehrerer in den Gitterkreis der Entladungsröhre geschalteten
Kondensatoren über Ohmsche Widerstände erhalten wird.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung erläutert werden.
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Fig. i zeigt das Schaltbild eines bekannten mAs-Relais für einen Röntgenapparat.
Der in den Röhrenstromkreis i des Röntgenapparates eingebaute Meßkondensator 2 befindet
sich zugleich in dem Gitterkreis 3 der gittergesteuerten Gas- oder Dampfentladungsröhre
4, in deren Ano,denstromkreis 5 die Wicklung 6 eines elektromagnetischen Schützes
zum Abschalten des Röntgenapparates vom Netz eingeschaltet ist. Der Meßkondensator
2 ist ferner über einen Ruhekontakt 7 mit einem Spannungsteiler 8 verbunden, der
mit den Widerständen 9, io in Serie geschaltet und zusammen mit ,diesen Widerständen
an die Stromquelle i i angeschlossen ist. Das für eine Röntgenaufnahme gewünschte
mAs-Produkt kann vor der Aufnahme an dem Spannungsteiler 8 eingestellt werden. An
dem Gitter der Entladungsröhre 4 liegt somit vor einer Aufnahme eine negative Spannung,
die sich aus der Summe der an dem Widerstand io und der an dem Spannungsteiler 8
abgenommenen Spannung ergibt. Bei Beginn der Aufnahme wird der Ruhekontakt zwangsläufig
geöffnet und der Meßkondensator 2 durch den Röhrenstrom so lange in entgegengesetzter
Richtung aufgeladen, bis die Entladungsröhre 4 anspricht und damit der Röntgenapparat
durch das Netzschütz abgeschaltet wird. Dabei erhält man bei konstanter Abschaltverzögerung
des Apparateschützes und bei einer bestimmten Einstellung für das mAs-Produkt einen
Schaltfehler, der je nach dem gewählten Röhrenstrom verschieden groß ist.
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In Fig. 2 ist der Spannungsverlauf an dem Meßkondensator für zwei
Aufnahmen bei der gleichen mAs-Einstellung, aber verschiedenen Röhrenströmen .durch
die Geraden 1a, 13 dargestellt. Wenn diese Spannungen den Wert ödes Punktes 14 erreicht
haben, bei dem die gesamte negative Gittervorspannung der Entladungsröhre 4 ausgeglichen
ist und die Entladungsröhre 4 und damit das Netzschütz anspricht, lädt sich der
Meßkondensator 2 mit der jeweiligen Stromstärke weiterhin auf, bis .die Verzögerungszeit
.des Netzschützes beendet ist. Die Fehler für die geschalteten mAs-Prodtikte sind
bei den beiden Röhrenstromstärken den Strecken 15, 16 (s. Fig. 2) proportional.
Bei Variation des Röhrenstromes erhält man für die verschiedenen Gesamtschaltzeiten,
die jedoch in der Regel im voraus nicht bekannt sind, Schaltfehler, die sich durch
die Kurve 17 veranschaulichen lassen. Um diese Fehler auszugleichen, muß die Entladungsröhre
q. jeweils um die Verzögerungszeit 18 früher zum Ansprechen gebracht werden. Bei
dem in der bekannten Schaltungsanordnung benutzten Ausgleich derAbschaltverzögerung
wird in dem Gitterkreis 3 an einem vom Röhrenstrom durchflossenen Widerstand eine
konstante Gleichspannung erzeugt. Im Diagramm kann dies jeweils durch eine durch
den Schnittpunkt i9 .der beiden Geraden 12, 2o gelegte Parallele 21 zur Zeitachse
dargestellt
werden. Es ist ersichtlich, @daß diese Art des Ausgleiches
nur bei konstantem Röhrenstrom möglich ist. Für pulsierenden Röhrenstrom wäre die
Parallele 21 durch eine den Röhrenstromschwankungen entsprechende Kurve zu ersetzen.
Dabei erhielte man je nach dem Einschaltmoment einen den Rö!hrenstromschwankungen
entsprechenden positiven oder negativen Schaltfehler.
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Gemäß der Erfindung wird zum Fehlerausgleich in den Gitterkreis 3
der Entladungsröhre 4 eine zeitlich veränderliche Korrektionsspannung eingeschaltet.
Für den Ausgleich :des durch die Abschaltverzögerung des Netzschützes bedingten
Fehlers muß diese Korrektionsspannung den zeitlichen Verlauf der Kurve 22 aufweisen,
die den geometrischen Ort der Schnittpunkte i9 bei Variation des Röhrenstromes darstellt.
Die Gleichung der Kurve 22 läßt sich aus der Fig. 2 ableiten. Es ist
wobei ek die jeweilige Korrektionsspannung (23, 23a . . .), E die negative
Vorspannung 24 am Widerstand io, eao die negative Vorspannung 25 am Meßhondensator
2, (E + e,() somit die gesamte negative Gittervorspannung und T, die konstante
Verzögerungszeit 18 des Netzschützes bedeuten.
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Die Gleichung (i) stellt eine Hyperbel dar, deren Asymptoten in dem
durch die beiden Geraden mit dem Schnittpunkt 14 gebildeten Koordinatensystem die
Gleichungen t = T" und el, = o haben. Die Hyperbe122 läßt sich mit
praktisch genügender Genauigkeit :durch eine nach einer e-Fufflction verlaufende
Kurve ersetzen, die zweckmäßig bei der Ladung bzw. Um- oder Entladung eines oder
mehrerer in :den Gitterkreis der Entladungsröhre geschalteten Kondensatoren über
Ohmsche Widerstände erhalten wird. Praktisch genügt ein solcher Zusatzkondensator.
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In Fig. 3, die das Schaltbild des gleichen mAs-Relais wie Fig. i,
jedoch mit dem erfindun:gsgemäßenFehlerausgleich darstellt, ist dieserZusatzkondensator
mit 26 bezeichnet. Parallel zu dem Kondensator 26 liegt ein Ohmscher Widerstand
27. Für Röntgenaufnahmen mit einem bestimmten mAs-Produkt bei verschiedenen Röhrenstromstärken
ist der Kondensator 26 vor jeder Aufnahme auf eine bestimmte Spannung aufzuladen
und während der betreffenden Aufnahme über den Widerstand 27 zu entladen. Dabei
erhält man an den Klemmen des Kondensators 26 eine Korrektionsspannung, die ungefähr
den zeitlichen Verlauf der Kurve 22 aufweist.
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Zeichnet man die den verschiedenen Zeiten entsprechenden Korrektionsspannungen
auf einer Zeitachse auf und addiert die so erhaltene Kurve 28 zu den die Spannungen
an dem Meßkondensa:tor bei den zwei im Diagramm der Fi:g.2 gewählten Röhrenstromstärken
darstellenden Geraden 12, 13,
dann erhält man für :die die Entladungsröhre
4 steuernden Spannungen die in Fig. 4 wiedergegel°nen Kurven 29, 3o. Die Zündspannung
31
der Entladungsröhre 4 wird dabei um die Verzögerungszeit 18 des Netzschützes
früher erreicht, als dies ohne die Korrektionsspannungen der Fall wäre. Es ist wichtig,
dafür zu sorgen, daß die Korrektionsspannung erst eine bestimmte Zeit 32 nach :dem
Einschalten voll zur Wirkung kommt, da sonst die Zündspannung schon zu Beginn einer
Aufnahme vorhanden ist und die betreffende Aufnahme überhaupt nicht zustande kommen
kann. Verwendet man für die Erzeugung der Korrektionsspannung die Entladung eines
Kondensators und wählt dabei die Werte für die Kapazität und für die Ladespannung
des Kondensators sowie für den Entladewiderstand so, :daß die Hyperbel 28 in dem
Arbeitsbereich durch die Entladespannungs#kurv:e3j des Kondensators .ersetzt werden
kann, dann tritt die eben geschilderte Schwierigkeit nicht auf, da die e-Kurve 33
am Anfang flacher verläuft als die Hyperbel 28.
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Die Korrektionsspannung ek ist nach Gleichung (i) proportional .zu
der Summe der Spannung E und e", diese Summenspannung ist aber proportional zu dem
zu schaltenden mAs-Produkt; daraus folgt, .daß die Korrektionsspannung und damit
auch die Spannung, mit der der Zusatzkondensator 26 vor einer Röntgenaufnahme aufzuladen
ist, proportional zu dem zu schaltenden mAs-Produkt sein muß. Es ist zweckmäßig,
die Spannung zum Aufladen des Zusatzkondensators 26 an einem aus den Widerständen
27, 34 gebildeten Spannungsteiler abzunehmen, der den Meß'kondensator 2 und einenTeil
des damit in Serie geschalteten Widerstandes io, an dem die Gittervorspannung E
liegt, überbrückt. Bei Beginn einer Röntgenaufnahme wird der Ruhekontakt 35 in der
Verbindungsleitung 36 des aus den Widerständen 27, 34 gebildeten Spannungsteilers
mit :dem Abgriff 37 an dem Widerstand io zwangsläufig geöffnet. An dem Spannungsteiler
27, 34 liegt somit nicht die ganze Summenspannung (e,o + E), sondern nur
:eine etwas kleinere Spannung. Die an den Zusatzkondensator 26 geführte Spannung
ist in dem Ausführungsbeispiel nicht proportional zu (e.o+E), sondern zu (e"+kE),
wobei (e"+kE) die von der Summe der negativen Gittervorsp.annungen etwas unterschiedliche
Zündspannung 38 (s. Fig. 4.) der Entladungsröhre 4. :darstellt. Bei der Bemessung
der Widerstände 27, 34 ist zu beachten, daß durch das Verhältnis dieser Widerstände
die von der Zündspannung der Entladungsröhre 4 unterschiedliche Ladespannung für
den Zusatzkondensator 26 bestimmt ist und daß der Widerstand ,--,7 zusammen mit
dem Zusatzkondensator 26 für die Entladung dieses Kondensators eine bestimmte Zeitkonstante
ergeben muß.
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Bei einem mAs-Relais für einen Röntgenapparat ist es in mancherlei
Hinsicht vorteilhaft, den Meßk ondensator in einen Neb:enschluß'hreis zu .einem
in den Röhrenstromkreis geschalteten Widerstand zu legen. Eine solche Anordnung
ist in Fig. 5 dargestellt. Der in den Gitterkreis 3 der Entladungsröhre des mAs-R.lais
geschaltete Meßkondensator-2 befindet sich zugleich in einem der beiden in den
Röhrenstromkreis
i eingebauten parallelen Stromzweige mit den Widerständen 39, 40. Diese Schaltungsanordnung
erlaubt die Verwendung eines verhältnismäßig kleinen Meßkondensators bei großen
Röhrenströmen. Sie ist auch dann mit Vorteil zu verwenden, wenn das Arbeiten mit
größeren Ansprechspannungen erforderlich ist. Ein großer Nachteil :dieser Schaltung
ist jedoch, daß bei ihr die Änderung der an:demMeßkondensator auftretenden Ladespannung
nicht proportional der Änderung des mAs-Produktes ist.
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Zur Erläuterung des hierdurch bedingten Schaltfehlers .dienen die
in Fig. 6 dargestellten Kurven. Da bei der Schaltung nach Fig. 5 die Spannung an
dem Meßkondensator nach einer e-Funktion 41 verläuft, wird die Ansprechspännung
4.2 der Entladungsröhre :des mAs Relais erst später erreicht, als dies bei linearem
Spannungsverlauf nach der Geraden 43 der Fall sein müßte. Wenn man voraussetzt,
daß die Abschaltung des Röntgenapparates in dem Augenblick, in dem die Spannung
am Meßkondensator die Ansprechspannung 42 erreicht hat, trägheitslos erfolgt, dann
ergibt sich bei der gewählten Stromstärke für das geschaltete mAs-Produ'let ein
der Strecke 44 proportionaler positiver Schaltfehler. Bei Variation des Röhrenstromes
erhält man für die verschiedenen, in der Regel im voraus nicht bekannten Schaltzeiten
Schaltfehler, die sich :durch dieKurve45 veranschaulichen lassen. Gemäß der Erfindung
können auch diese Schaltfehler :durch eine in den Gitterkreis 3 geschaltete; zeitlich
veränderliche Korrektionsspannung ausgeglichen werden. Die Korrektionsspannung 46
für die gewählte Röhrenstromstärke ergibt sich in dem Diagramm der
[email protected] aus der
Differenz der Ansprechspannung42 und der in demAnsprechm-oment vorhandenen Spannung
47 am Meßkondensator 2. Ihr zeitlicher Verlauf ist in dem Diagramm durch die Kurve
48.veranschaulicht. Sie kann durch die während einer Röntgenaufnahme stattfindende
Ladung eines in .den Gitterkreis 3 geschalteten Zusatzkondensators 49 über einen
Widerstand 5o erzeugt werden.
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Der in den Gitterkreis einer elektrischen Entladungsröhre geschaltete
Meßkondensator kann auch durch den. Ionisationsstrom einer Ionisationskammer aufgeladen
werden, wie es beispielsweise bei einem in Fig.7 im Prinzip schematisch dargestellten
und in der Röntgentechnik verwendeten Dosisrelais der Fall ist. Hierbei wird der
in. den Gitterkreis 3 der Entladungsröhre 4 geschaltete Meßkondensator 2 vor der
Bestrahlung der Ionisationskammer 5 i auf eine bestimmte Spannung aufgeladen. Die
weitere Aufladung des Meßkondensators bis zum Erreichen der Ansprechspannüng der
Entladungsröhre erfolgt nach der Öffnung ,des Ruhekontaktes 52 durch den Ionisationsstrom
einer auf die Ionisationskammer 5 i auftreffenden bestimmten Röntgenstrahlendosis.
Bei einem derartigen Dosisrelais 'können unter Umständen verschiedene Schaltfehler
auftreten, die durch Ableitströme bedingt sind. Es ist möglich, daß sich der Meßkondensator
2 bei einer Bestrahlung der Ionisationskammer 51 auf eine zu niedrige oder auf eine
zu hohe Spannung auflädt, je nachdem ein Teil des Ionisationsstromes nach der gestrichelten
Linie 53 über den zum Meßkondensator parallel liegenden Ableitwi.derstand der Entladungsröhre
4 oder ein Teildes von der Anodenstromquelle 54 gelieferten Stromes nach der gestrichelten
Linie 55 über den zwischen Anode und Gitter liegenden Ableitwiderstand der Entladungsröhre
und über den Meßkondensator 2 fließt. Auch die hierdurch bedingten Schaltfehler
können gemäß derErfindung :durch eine in den Gitterkreis 3 geschaltete, zeitlich
veränderliche Korrektionsspannung ausgeglichen werden. Diese I,,orrektionsspannung
wird zweckmäßig ähnlich wie bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung mit Hilfe
eines in den Gitterkreis 3 geschalteten Zusatzkondensators 56 erzeugt, der während
der Bestrahlung der Ionisationskammer 5 i über einen Widerstand 57 durch eine positive
oder negative Spannung aufgeladen wird. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung
bei einem in der Röntgentechnik benutzten mAs- oder Dosisrelais beschränkt. Sie
kann mit Vorteil auch bei einer Einrichtung mit einer elektrischen Entladungsröhre
zum genauen Schalten bzw. Messen einer physikalischen Größe, in der die Zeit als
Faktor enthalten ist, Anwendung finden.
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In Fig. 8 ist das Schaltbild eines mit einer Verstärkerstufe versehenen
Dosisrelais schematisch dargestellt, bei dem die Erfindung mehrfach angewendet ist.
Dieses Relais soll den Röntgenapparat selbsttätig vom Netz abschalten, sobald die
auf die Ionisationskammer 58, die vor dem zu belichtenden fotografischen Film 59
angeordnet ist, auftreffende Röntgenstrahlendosis einen bestimmten, im voraus einstellbaren
Wert erreicht hat. In dem Gitterkreis 6o der Verstärkerröhre 61 dieses Relais befindet
sich der Meßkondensator 62 und ein Zusatzkondensator 63. In dem Gitterkreis 64 der
gittergesteuerten Gas- oder Dampfentladungsröhre 65 :befindet sich ein Spannungsteiler
66, an dem die negative Gittervorspannung liegt, ein Widerstand 67, an dem
die durch die Verstärkerröhre 61 verstärkte Meßspannung auftritt und ein Zusatzkondensator
68. Die zu schaltende Röntgenstrahlendosis kann an dem Widerstand 67 eingestellt
wenden. Die an diesem Widerstand abgegriffene Spannung ist über einen Ruhekontakt
69 an den Meßkondensator 62 geführt. In dem Primärstromkreis des .die Röntgenröhre
70 speisenden Hochspannungstransformators 71 befindet sich ein Schalter 72
und ein Ruhekontakt 73. Der Ruhekontakt 73 wird durch ein in den Anodenstromkreis
der gittergesteuerten Gas-oder Dampf entladungsröhre 65 geschaltetes. Schütz
74 betätigt.
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Bei einem Relais, das eine oder mehrere Verstärkerstufen besitzt,
kann die erfindungsgemäße Korrekt ionsspannung auf die einzelnen Gitterkreise .des
Relais beliebig verteilt sein. Bei dem Relais nach Fig. 8 tritt an dem Zusatzkondensator
63 eine Korrektionsspannung auf, die nur zum Ausgleich des durch Ableitströme im
Gitterkreis 6o bedingten Schaltfehlers bestimmt ist., Die an dem Zusatzkondensator
68
wirksame Korrektionsspannung dient dagegen nur für den Ausgleich .des durch die
Abschaltverzögerung des Schützes 74 bedingten Schaltfehlers. Die über einen Ruhekontakt
75 geführte Ladespannung für den Zusatzkondensator 63 wird an einem an die Anodenspannung
76 des Relais gelegten Spannungsteiler 77 abgenommen. Die Ladespannung für den Zusatzkondensator
68 wird an einem Spannungsteiler 78 abgenommen, der unter Zwischenschaltung
eines Ruhekontaktes 79 den Widerstand 67 und einen Teil des damit in Serie geschalteten
Widerstandes 66 überbrückt.
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Vor Beginn einer Röntgenaufnahme sind die Kondensatoren 62, 63, 68
auf bestimmte Spannungen geladen. Bei Beginn einer Röntgenaufnahme wird der Schalter
72 geschlossen, gleichzeitig werden die Ruhekontakte 69, 75 und 79 zwangsläufig
geöffnet. Die Abschaltung des Röntgenapparates von der Netzspannung 8o erfolgt durch
Offnen des Ruhekontaktes 73 in dem Augenblick, in dem die auf den Film 59 auftreffende
Röntgenstrahlendosis den vorbestimmten Wert erreicht hat. Durch die während einer
Röntgenaufnahme an den Zusatzkondensator 63, 68 wirksamen, zeitlich veränderlichen
Korrektionsspannungen ist es möglich, mit dem Relais nach Fig. 8 sehr kurzzeitige
Schaltungen exakt auszuführen. Zur Verstärkung der Meßspannung kann dabei eine einfache
Verstärkerröhre verwendet werden-. Ohne den erfindungsgemäßen Ausgleich der durch
.die Ableitströme verursachten Schaltfehler wäre an Stelle der Verstärkerröhre 61
zum genauen Schalten eine teuere Meßröhre erforderlich. Eine solche Meßröhre ist
aber nur für kleinere Leistungen bestimmt.