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Vakuumröhre zur Messung und Anzeige elektrischer Spannungen, bei der
auf einem Leuchtschirm ein Leuchtsektor erzeugt wird Für die Messung elektrischer
Spannungen werden die bekannten elektrostatischen und elektromagnetischen Meßünstrumente,
ferner Kathodenstrahloszililographen oder nach deren Art arbeitende Abstimmanzeigeröhren
verwendet. Die elektrostatischen und elektromagnetischen Instrumente haben den Nachteil
der Trägheit und der mechanischen Reibung. Elektrodynarnische Instrumente erfordern
außerdem eine erhebliche Leistung im Meßkreis. Die Kathodens,trahloszillegraphen
sind zwar weitgehend von diesen Fehlern frei, sind jedoch teuer und erfordern einen
erheblichen Aufwand an Schaltmitteln und Hilfsspannungen. Die nach Art eines Kathodenstrahloszillographen
arbeitenden bisher bekannten Anzeigeröhren sind zur Spannungsmessung ungeeignet,
vor allem durch die, fehlende Eindeutigkeit der Ablesung des Meßwertes.
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Man hat nun zurr Spannungsmessung schon elektrische Spannungsanzeigeröhren
herangezogen, bei denen auf einem Leuchtschirm durch El@ektronenaufpra11 ein Leuchtsektor
erzeugt wird, dessen Größe ein Maß für die anzuzeigende Spannung ist. Um die Ableseungenauigkeit
beim Vorhandensein der beiden Leuchtkanten zu vermeiden, ist es bekannt, eine Maske
mit einer Gradeinteilung über dem Schirm anzuordnen, mit deren Hilfe die Winkeländerung
einer Leuchtkante auf dem Leuchtschirm gemessen werden kann. Es ist hierbei aber
nur ein Viertel ,des Leuchtschirmes und eine Leuchtkante des Leuchtsektors der Beobachtung
zugänglich, weil die anderen drei Viertel des Leuchtschirmes
und
die zweite Leuchtsektorenkante durch die Maske abgedeckt sind. Der Vorteil der Eindeutigkeit
der Ablesung des Meßwertes ist dergestalt, daß sich nur eine Sektorkante über den
sichtbaren Teil des Schirmes bewegt, ist also damit erkauft, daß drei Viertel des
Leuchtschirmes wegen der Abdeckung nicht zur Messtufig herangezogen werden,. Der
Leuchtschirm könnte sogar um die abgedeckten Teile verringert werden, so daß er
mit der Mittellinie des Leuchtschirmes abschneiden würde.
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Es sind weiterhin Anzeigeröhren bekanntgeworden, bei denen die Anzeige
theirmometerartig erfolgt, d. h., bei Änderung der Steuerspannung dehnt sich die
Leuchtfläche nur in einer Richtung aus. Diese Röhren arbeiten jedoch nicht mit Elektro:nenstrahlbündeln,
die durch Änderung der Steuerspannung gespreizt werden, und da der übergang vom
Leucht- zum Schattenberes:ch verhältnismäßig sanft ist, kann diese Art der Anzeige
zur Spannungs:mes.sung nicht verwendet werden.
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Zur Spannungsmiessung sind also nur die bereits erwähnten Anzeigeröhren
geeignet, bei denen auf einem Leuchtschirm durch Elektronenaufprall ein Leuchtsektor
erzeugt wird, dessen Größe ein. Maß für die anzuzeigende Spannung ist; denn nur
bei diesen Röhren mit sektorförmigem Leuchtbild ist eine scharfe Leuchtkante, d.
h. eine eindeutige Trennung zwischen Leucht- und Schattenbereich, zu erreichen.
Bei. solchen Röhren ist es auch schon bekannt, zur Vergrößerung des Anzeigewinkels
das aus Kathode, Anzeigegitter und Steuerelektrode bestehende Anzeigesystem exzentrisch
anzuordnen.
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Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, die bereits geschilderten
Nachteile der bisher be-
kannten Röhren. dieser Art, nämlich das Abdecken
oderAbsclmeiden des Leuchtschirmes, zu vermeiden und zu gewährleisten, daß ein wesentlich.
größerer Winkel zur Anzeige der zu messenden Spannung verfügbar ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß das Anzeigesystem, bestehend aus
Kathode, Anzeigegitter und Steuerelektrode, exzentrisch zum Leuchtschi-rrn angeordnet
ist und daß die Steuerelektrode auf der einen und eine positiv vorgespannte Gegenelektrode
auf der anderem. Seite der Mittellinie des Systems zwischen der Kathode und den
Schirmenden liegt. Bei Änderung der Steuerspannung erfolgt die Spreizung des Elektronenstrahlbündels
derart, daß nur die eine Kante des Leuchtsektors bewegt wird. Mit dieser Maßnahme
wird das angestrebte Ziel erreicht, daß eine wesentlich größere Leuchtfläche von
nur einer einzigen Leuchtkante überstrichen wird, wodurch die Anzeigeempfindlichkeit
und damit die Ablesegenaui,gkeit wesentlich vergrößert wird. Weiterhin haben die
Anzeigeröhren gemäß der Erfindung den Vorteil, daß sie sich. einfacher und wirtschaftlicher
herstellen lassen, @-,veil die Abdeckung und ihre Ausrichtung oder die Ausrichtung
des Leuchtschirmes zur Leuchtkante wegfällt.
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Mit einer Vorrichtung nach der Erfindung können Gleich- und Wechselspannungen
sehr verschiedener Größe gemessen, werden. Bei der Messung von Wechselspannungen
wird die Meßspannung vorzugswneise in, einem vorgeschalteten, eventuell mit dem
Anzeigesystem im gleichen Kolben untergebrachten: Gleichrichter gleichgerichtet,
so daß das Steuergitter des mit dem Anzeigesystem in einem Kolben untergebrachten
Verstärkerteils mit Gleichspannung betrieben wird. Wechselspannungen sehr kleiner
Amplituden werden, vorzugsweise als Wechselspannung vorverstärkt, dann gleichgerichtet
und als Gleichspannung ebenfalls dein Steuergitter der Meß.röhre zugeführt. Sehr
kleine Gleichspannungen können beispielsweise in einem Gleichstromverstärker vorverstärkt
werden. Auf diese Weise erhält das Steuergitter der Meßröhre immer eine Gleichspannung
in den, Größenordnungen. i bis foo Volt. In besonderen Fällen, z. B. wenn die Meßspannung
eine positive oder negative Gleichspannung in der Größenordnung der Leuchtschirmspannung
gegen Kathode ist, kann die Meßspannung auch der Ablenkelektrode im Anzeigesystem,
die in der Regel mit der Anode des Verstärkerteils verbunden ist, zugeführt werden.
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Der Meßbereich der Meßeinrichtung kann entsprechend den verschiedenen
Aufgaben in sehr weiten Grenzen frei gewählt werden. Für die Auswahl, des Meßbereiches
stehen folgende Mittel zur Verfügung: i. Vorverstärker bzw. Spaunu,ngsteiler oder
Spannungswandler im Meßbeireich, a. Veränderung der Leuchtschirmspannung, der Anzeige
gitterspannung und Änderung der Spannungen im Verstärkerteil der Meßröhre.
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Bildet man diesen Verstärkerteil. als Mehrgitterröhre aus, so bestehen
sehr viele Variationsmöglichkeiten für die Auswahl der für die Verstärlierröh@re
charakteristischen Größen., wieAnodenstrom, Steilheit, Aussteuerbereich. Änderung
der Spannungen an diesem Verstärkerteil und Änderung des Außenwiderstandes im Anodenkreis
oder im Schi.rmgitterkreis geben auch die Möglichkeit, den, Nullpunkt des Instrumentes
zu ändern, so daß eine Nullpunktskorrektur ähnlich wie bei elektromagnetischen Instrumenten
möglich ist.
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Zum Zweck einer möglichst großen Ableseg<nauigkeit ist es nötig,
den Ablenkwinkel im Anzeigesystem möglichst groß zu machen. Dies wird dadurch erreicht,
daß die Steuerstegspannung in möglichst breiten Grenzen veränderlich ist, etwa vom
Kathodenpotential bis auf Leuchtschirmpotential oder sogar darüber hinaus. Bei hohem
Potential, d. h. in der Nähe des Leechtschirmpotentials oder darüber, nimmt die
Steuerelektrode einen verhältnismäßig hohen Strom auf. Deshalb. soll. der Anodenaußenwiderstand
tunlichst klein sein, und es ist daher zweckmäßig, den Verstärkerteil so zu bauen,
daß auch bei kleiner Anodenspannung ein hoher Anodenstrom fließt. Besonders geeignet
ist die Verwendung eines Mehrgitte@rsystems, mit dem dies besonders leicht erreichbar
ist. Auch. in. Fällen, in denen die Steuerelektrodenspannung über der Leuchtschirrnspannung
liegt, ist es angebracht, den Anodenstrom so groß zu wählen, daß die maßgebliehen
Kenngrößen.
der Verstärker durch den Steue:relektrodenstrom nicht wesentlich gestört werden.
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In Fig. i isit ein Ausführungsbeispiel für den Anzeigeteil einer gemäß
der Erfindung ausgeführten optischen Anzeige- und Meßvorrichtung für elektrische
Spannungen wiedergegeben.
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Die Kathode i ist von einem Anzeigegitter 2 umgeben, welches in, der
Regel auf Kathodenpotential liegt, aber auch an eine andere Spannung gelegt werden
kann. Zwischen der Ablenkelektrode 3 und der Gegenelektrode 4 besteht ein starkes
Ablenkfeld, wenn beispielsweise die Gegenelektrode 4 an Leuchtschirmpotentfal und
die Ablenkelektrode an einem zwischen Kathodeapotentia,l und Leuchtschirmpotential
liegenden Potential liegt. Die Ablenkelektro-de ist möglichst nahe an die Gegenelektrode
herangerückt und hat eine, große Flächie, so daß sich ein ausgedehntes Ablenkfeld
zwischen 3 und 4 ausbilden kann. Liegen die beiden Elektroden 3 und 4 auf gleichem
Potential, so .entsteht ein großer, leuchtender Sektor mit den Begrenzungslinien
5 und 6 auf dem Leuchtschirm 7. Ist dagegen die Ablenkelektrode 3 negativ gegenüber
der Gegenelektrode 4., so wird der Leuchtsektor wesentlich kleiner und wird beispielsweise
durch die Linien 5 und 8 begrenzt. Die Änderung des Leuchtsektors von der Begrenzungslinie
6 zur Begrenzungslinie 8 wird zur Messung der Spannungsänderung verwendet. Gegenüber
den bisher bekannten magischen Augen und magischen Fächern hat diese Anordnung den
Vorteil, daß nur eine einzige veränderliche Begrenzungslinde beobachtet wird und
der Ausschlag dieser Begrenzungslinie wesentlich größer gemacht werden kann als
bei den bisherigen Systemen. Bei der Anordnung nach der Erfindung ist es jedoch
möglich, einen Schattenwinkel von go° und mehr zu erreichen, der von einer einzigen
Begrenzungslinie überstrichen wird. Das Strahlerzeugungs- und Ablenksystem wird
durch ein Blech q so abgedeckt, daß die leuchtende Fläche bei Anlegung des Kathodenpotentials
an die Ablenkelektrode ganz oder nahezu ganz verschwindet und daß die Schattenfläche
bei Anlegung des Leuchtschirmp.otentials an -die Ablenkelektrode 3 klein ist. Es
wird also nur ein einziger Schattenwinkel für die Spannungsanzeige bzw. Messung
verwendet. Dabei ist es zweckmäßig, die aus der Kathode austretenden Elektronen
auf der nicht, verwendeten Seite der Kathode durch eine Elektrode io aufzufangen
oder zurückzuwerfen. Die Elektrode io kann dementsprechend auf positivem Potential,
z. B. Leuehtschirmpotential, Kathodenpotential oder einem gegen Kathode negativen
Potential liegen. Es ist .aber auch möglich, den rückwärtigen Teil der Kathode für
andere elektronische Zwecke zu verwenden, wobei der hintere Teil des Gitters 2 weggeschnitten
sein kann.
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Die Elektrode io kann natürlich auch mit der Elektrode 3 zu einer
Einheit vereinigt werden, wie dies aus dem Ausführungsbeispiel @deT Fig. 2 hervorgeht.
Die Kathode i ist wieder vom Anzeigegitter 2 umgeben. Die Steuerelektrode 3 und
Gegenelektrode 4 sind als Winkel ausgebildet. Das Feld zwischen i, 2, 3, 4 ist so
beschaffen, daß der fächerförmige Elektronenstrahl im Maximum von 5 bis 6 reicht
und bei stärkster negativer Spannung der Steuerelektrode 3 gegen die der Gegenelektrode4
von 5 bis B.
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Die Erzeugung der Spannung für die Ablenkelektrode 3 kann in der bisher
üblichen Weise über einen Widerstandsverstärker erfolgen, dessen Verstärkerröhre
in dem gleichen Vakuumraum eingebaut sein kann. Zur Erhöhung des Ablenkwinkels können
nach einer Weiterbildung der Erfindung dabei auch Schaltungen verwendet werden,
bei denen die Anodenspei@sespannung höher liegt als die Leuchtschirmspannung, so
daß die Ablenkelektrode, die mit der Anode oder auch dem Gitter der Triode verbunden
ist, die Leuchtschirmspannung vollständig erreicht oder gar noch übertrifft. Dadurch
kann man Ablenkwinkel erreichen, die wesentlich größer sind als go°.
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Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung mit einer optischen
Meß- und Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung wird in Fig. 3 wiedergegeben. 21
ist die Kathode, 22 beispielsweise das Steuergitter; das Gitter 23 liegt über einem
Widerstand 24 an positiver Spannung gegenüber 2i. 25 ist als Bremsgitter geschaltet
und liegt an Kathode. Die Anode 26 liegt über einem Regelwiderstand 27 an positiver
Spannung. 22 erhält die Meßspannung beispielsweise aus einem Gleichrichter 28, ider
eine Wechselspannung aus dem Verstärker 29 erhält. Der Meßvorgang spielt sich wie
folgt ab: Die Meßspannung von beispielsweise o bis io mV wird dem Verstärker 2g
zugeführt und auf o bis 2 V verstärkt, in 28 gleichgerichtet und dem Steuergitter
22 zugeführt. Das Schirmgitter 23 liegt über dem im Beispiel kleinen Widerstand
24 an positiver Spannung und sorgt dafür, daß ein kräftiger Strom zur Anode fließt.
Die Anode liegt über dem einstellbaren Widerstand 27 ebenfalls an positiver Spannung.
Der Leuchtschirm 30 liegt ebenfalls an positiver Spannung, welche größer, gleich
oder kleiner als die Anodenspannung ist, im vorliegenden Beispiel an einer Spannung
kleiner als Leuchtschirmspannung.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel für die Schaltung der Meßröhre ist
in Fi.g.4 dargestellt. Die Kathode 32 im Anzeigeteil .ist mit dem Schirmgitter 33
im Verstärkerteil verbunden, die Kathode 34 im Verstärkerteil ist gegen 32, 33 stark
negativ. Dadurch wird erreicht, daß die Spannung an der Anode 35 und damit auch
an der Ablenkelektrode sowohl stark positiv als auch stark negativ gegenüber der
Kathode 32 werden kann. Dadurch erzielt man einen sehr großen Ablenkwinkel, ohne
einen hohen Ablenkelektrodenstrom in Kauf nehmen zu müssen.
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Dies sind nur Ausführungsbeispiele der sehr mannigfaltigen Schaltmöglichkeiten.
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Die Meßgenauigkeit der vorbeschriebenen Anzeige- und Meßeinrichtung
für elektrische Spannungen hängt natürlich im wesentlichen von der Genauigkeit der
verwendeten Skala ab.
Die Schärfe der Schattenwinkelkanten erlaubt
eine sehr genaue Ablesung. Der Übergang vom Schattensektor zum Leuchtsektor erfolgt
in einem Bereich, der schmaler sein kann als o, i mm. Die Ablesegenanigkeit hängt
deshalb sehr wesentlich ab von der Beschaffenheit der Skala, die von der Schattensektorkante
überstrichen wird. Die Skala kann in an sich bekannter Weise auf dem Leuchtschirm
aufgebracht werden, z. B. kann sie aufgestempelt, eingestanzt oder eingeritzt sein.
Die Skala kann jedoch auch nach einer Weiterbildung -der Erfindung als durchsichtige
Skala auf die Röhre aufgesetzt werden. Bei dieser Anordnung muß darauf geachtet
werden, daß die Ablesung paradlaktisch erfolgt. Dies kann in erster Näherung geschehen
durch einen großen Abstand des betrachtenden Auges oder durch besondere optische
Hilfsmittel. Das einfachste optische Mittel soll hier beschrieben werden. Auf die
Röhre ist ein System von zwei vollkommen gleichen, in einem nicht zu kleinen Abstand
voneinander angeordneten, genrau justierten Skalen aufgesetzt. Man erhält auf diese
Weise eine parallaktische Ablesevorrichtung, die der Genauigkeit einer Spiegelablesung
nicht nachsteht. In Fig. 5 ist eine derartig aufgesetzte Skala gezeichnet. Die zwei,
Skalen i i und 12 sind fotografisch auf zwei Glasplatten aufgebracht, die genau
zentrisch in eine Fassung 13 eingesetzt sind. Der Abstand zwischen den beiden Skalen
hat die Länge 14. Diese Länge ist klein gegenüber dem Abstand zwischen dem beobachtenden.
Auge und der oberen Skala, so daß das Auge die beiden Skalen gleichzeitig scharf
abgebildet sieht. Bei der Abl.esung werden die der Schattenwinkelkante benachbarten
Skalenstriche der beiden Skalen optisch genau zur Deckung gebracht, ähnlich wie
es bei .einer Spiegelablesung mit dem Zeiger und dem Spiegelbild des Zeigers geschieht.
Eine genaue Ablesung kann auch durch Anwendung einer Spiegelanordnung erfolgen,
die einen achsienparallelen Einblick in die Röhre bewirkt.
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Der Nullpunkt des Meßinstrumentes liegt entsprechend Fig. i im Schnittpunkt
:8 der Schattenwinkelkante mit dem Leuchtschirmrand. Die Lage des Punktes 8 ist
in geringem Maße abhängig von den Betriebsbedingungen der Röhre. Es kann deshalb
zweckmäßig sein, die Skala so einzurichten, daß der Nullpunkt der Skala um einen
kleinen Winkelbetrag geändert werden kann. Dies kann erfolgen durch eine Drehung
der Aufsteckskala; handelt es sich um eine Meßröhre geringerer Genauigkeit, so genügt
es, wenn die Skala um die Röhrenachse gedreht wird, d. h. wenn man den Skalen.trägerring
13 auf dem Röhrenkolben .dreht.
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Handelt es sich jedoch um eine Meßröhre sehr hoher Ablesegenauigkeit,
so muß die Skala um den geometrischen Mittelpunkt der Skala gedreht werden. Der
Mittelpunkt der Skala wird ermittelt, indem .die äußersten Schattenwinkelkanten
ausgehend von den Punkten 6 und 8 bis zu ihrem Schnittpunkt 15 (Fig. i) verlängert
werden.