a cathode-ray oscillograph with rotating-drum camera

A Cathode-Ray Oscil lograph W i t h

Rotat ing-Drum Camera

E. G . D O W N I E ASSOCIATE AIEE

TH E e q u i p m e n t a n d m e t h o d s t o b e d e ­s c r i b e d h a v e b e e n d e v e l o p e d t o m e e t a

n e e d for a s i m p l e a n d ef fec t ive m e a n s of p h o t o g r a p h i n g r e c u r r i n g or n o n - r e c u r r i n g w a v e s v i e w e d o n t h e s c r e e n of t h e c a t h o d e r a y o s c i l l o g r a p h . T h e r e c o r d i n g c a m e r a is s i m p l e a n d e a s y t o o p e r a t e a n d v e r y e c o n o m i c a l of fi lm. T h e r e c o r d i n g m e t h o d a l so p r o v i d e s for p h o t o g r a p h i n g a n y n u m ­b e r of v o l t a g e o r c u r r e n t w a v e s , a n d l a t e r c o m p a r i n g t h e p h a s e a n g l e s of a l l t h e w a v e s . T h i s o s c i l l o g r a p h is d e s i g n e d p r i ­m a r i l y for s low s p e e d w o r k , p a r t i c u l a r l y o n w a v e s of 60 c y c l e f u n d a m e n t a l fre­q u e n c y , a n d i n t h i s f e a t u r e i s e n t i r e l y dif­f e r e n t f r o m t h e h i g h s p e e d c a t h o d e r a y o s c i l l o g r a p h d e s c r i b e d b y K u e h n i a n d R a m o . 1

T h e c a t h o d e r a y t u b e u s e d i s a h i g h v a c u u m , s e v e n i n c h s c r e e n t u b e . T h e s c r e e n is of t h e " f a s t " t y p e w i t h a h i g h l y a c t i n i c s p o t of s h o r t p e r s i s t e n c e . A s u i t ­a b l e e n c l o s i n g s h e e t s t e e l c a s e a n d a s e p a r a t e l y b o x e d 3 ,000 v o l t d -c p o w e r s u p p l y u n i t w e r e c o n s t r u c t e d . W h e n t h e e q u i p m e n t is u s e d for v i s u a l w o r k , s w e e p

F i g u r e 1 . C a m e r a a r r a n g e d f o r s p r i n g o p e r a ­t i o n o f d r u m

v o l t a g e is a p p l i e d t o o n e p a i r of de f l e c t i ng p l a t e s f r o m a n i n d e p e n d e n t s w e e p c i r c u i t .

P e r m a n e n t r e c o r d s of t h e s c r e e n i m a g e s a r e o b t a i n e d w i t h a r e v o l v i n g d r u m c a m e r a f o c u s e d o n t h e s c r e e n . N o s w e e p v o l t a g e i s u s e d so t h a t t h e w a v e t o b e p h o t o g r a p h e d a p p e a r s a s a s i ng l e s t r a i g h t l i n e o n t h e s c r e e n ; w i t h t h e m o v i n g fi lm p r o v i d i n g t h e t i m e a x i s . T h e c a m e r a c o n ­s i s t s of a n 8V2 i n . b y 6V2 i n . b y 3 i n . s h e e t s t e e l b o x w i t h l i g h t t i g h t c o v e r , a 51/2 i n . d i a m e t e r d r u m ( t a k i n g 35 m m . fi lm) m o u n t e d o n a s i ng l e b a l l b e a r i n g w i t h s h a f t a n d c o n t r o l a r m e x t e n d i n g o u t of b o x ; a n d a B i o t a r l e n s of 5 0 m m . foca l l e n g t h , F1A a p e r t u r e . I n u s e , t h e c a m e r a is s p a c e d a p p r o x i m a t e l y 15 i n . f r o m t h e t u b e s c r e e n b y a l i g h t t i g h t t a p e r e d s h e e t s t e e l sh i e ld . T h i s s p a c i n g i s s u c h t h a t t h e i m a g e of t h e s c r e e n a p p r o x i m a t e l y fills t h e u s a b l e w i d t h of t h e p e r f o r a t e d 35 m m . film.

R o t a t i o n of t h e film d r u m is a c c o m ­p l i s h e d b y t w o m e t h o d s . T h e first m e t h o d , i n v o l v i n g o n l y a s i ng l e r e v o l u t i o n of t h e d r u m , is u s e d for l o w film s p e e d , a n d h a s b e e n f o u n d e s p e c i a l l y use fu l for r e c o r d i n g 60 c y c l e w a v e f o r m s . A s s h o w n i n figure 1, t h e d r u m c o n t r o l l e v e r is l o c k e d a t t h e b e g i n n i n g a n d e n d of a r e v o l u t i o n b y s p r i n g c a t c h e s . A t t h e s t a r t , t h e l e v e r is g i v e n a s h o r t i m p u l s e b y a s p r i n g t e n -s i o n e d l eve r , w h e n r e l e a s e d f r o m t h e first s p r i n g c a t c h . T h e b a l l b e a r i n g m o u n t e d d r u m h a s suff ic ient i n e r t i a t o m a k e t h e r e v o l u t i o n a t p r a c t i c a l l y c o n s t a n t s p e e d , a n d a t t h e e n d is s t o p p e d b y t h e r u b b e r p a d d e d b o l t a n d h e l d b y t h e s e c o n d s p r i n g c a t c h . D r u m s p e e d is c o n t r o l l e d b y c h a n g i n g t h e i m p u l s e l e v e r s p r i n g t e n s i o n

a n d i s f a i r l y c o n s t a n t a t a fixed s e t t i n g d u r i n g s u c c e s s i v e e x p o s u r e s . T h e film e x p o s u r e i s m a d e b y o p e n i n g a s i m p l e s h u t t e r a t t h e s t a r t of t h e r e v o l u t i o n a n d c l o s i n g i t a t t h e e n d . T r a n s i e n t s m a y b e i n i t i a t e d a t a b o u t o n e t h i r d of t h e d r u m r e v o l u t i o n b y t h e s m a l l t o g g l e s w i t c h o p e r a t e d b y t h e d r u m c o n t r o l l eve r . T h e s w i t c h is d o u b l e t h r o w , so i t m a y b e u s e d t o o p e n o r c lose a c i r c u i t , a s m a y b e r e ­q u i r e d .

T h e s e c o n d m e t h o d of d r u m o p e r a t i o n is b y s y n c h r o n o u s m o t o r d r i v e . C o n t i n u o u s r o t a t i o n is p e r m i t t e d b y r e m o v i n g t h e s t o p a n d s p r i n g c a t c h a s s e m b l y . T h e m o t o r m o s t f r e q u e n t l y u s e d w a s m a d e f r o m a s y n c h r o n o u s p h o n o g r a p h m o t o r b y s p e c i a l g e a r i n g , t o g i v e a s p e e d of 550 r p m . T h e r e s u l t i n g film s p e e d i s 13.6 ft . p e r sec . a n d t h e s p a n of o n e c y c l e of a 60 c y c l e w a v e is 2 .72 in . T h i s i s a c o n v e n i e n t s p e e d for 60 c y c l e p h a s e a n g l e m e a s u r e ­m e n t s t o b e l a t e r d e s c r i b e d . E x p o s u r e of t h e film i n t h i s c a s e i s m a d e b y o p e n i n g of t h e s h u t t e r d u r i n g a s i n g l e r e v o l u t i o n , o r V10 s e c o n d . S y n c h r o n i z a t i o n of t h e s h u t t e r w i t h t h e d r u m i s d e s i r a b l e b u t n o t a b s o l u t e l y n e c e s s a r y . T h e m o t o r a n d c a m e r a a s s e m b l y a r e s h o w n i n figure 2 a n d t h e c o m p l e t e a s s e m b l y w i t h osc i l lo­g r a p h i n figure 3 . I n u s e , of c o u r s e t h e t a p e r e d s h i e l d fits t i g h t l y i n t h e e n d of t h e o s c i l l o g r a p h c a s e . A v a i l a b l e m a t e r i a l s m a d e i t m o r e c o n v e n i e n t t o m o u n t t h e V10 s e c o n d s h u t t e r i n t h e s h i e l d , i n s t e a d of o n t h e c a m e r a p r o p e r , a s w o u l d b e m o r e d e s i r a b l e .

T h e film d r u m is r e m o v e d f r o m t h e c a s e for c o n v e n i e n t l o a d i n g of t h e film. T h e 3 5 m m . film ( e i t h e r u n p e r f o r a t e d o r t h e s t a n d a r d p e r f o r a t e d m o t i o n p i c t u r e film) is c u t t o p r o p e r l e n g t h , w r a p p e d t i g h t l y a r o u n d t h e d r u m , a n d f a s t e n e d a t t h e e n d s w i t h a s m a l l p i e c e of a d h e s i v e t a p e . L o a d i n g m u s t of c o u r s e b e d o n e i n a d a r k r o o m . F i l m u s e d i s t h e m o s t s e n s i ­t i v e o b t a i n a b l e , E a s t m a n S u p e r - X X , o r Agfa U l t r a - S p e e d P a n c h r o m a t i c ; a n d is d e v e l o p e d t o h i g h c o n t r a s t i n a " m a x i ­m u m e n e r g y " d e v e l o p e r s u c h a s f o r m u l a D - 8 2 . S u c h e x t r e m e s e n s i t i v i t y i s n o t n e e d e d for l o w f r e q u e n c y w a v e s , b u t i s r e q u i r e d w h e n h i g h f r e q u e n c y s u r g e s a r e t o b e r e c o r d e d . I n p r a c t i c e t h e i n t e n s i t y of t h e o s c i l l o g r a p h b e a m is t h e o n l y fac ­t o r c h a n g e d t o p r o v i d e p r o p e r e x p o s u r e a t d i f f e ren t f r e q u e n c i e s . T o o h i g h i n -

Paper 41-155, recommended by the AIEE com­mittee on instruments and measurements, and pre­sented at the AIEE South West District meeting, St. Louis, Mo., October 8-10, 1941. Manuscript submitted March 23, 1938; made available for preprinting August 11, 1941. E. G. DOWNIE is with the General Electric Com­pany, Fort Wayne, Ind. 1. For all numbered references, see list at end of paper.

F i g u r e 2 . C a m e r a w i t h s y n ­c h r o n o u s m o t o r d r i v e

9 8 4 TRANSACTIONS Downie—Cathode-Ray Oscillograph ELECTRICAL ENGINEERING

F i g u r e 3 . C a m e r a a n d o s c i l l o g r a p h a s s e m b l y

t e n s i t y b e a m a t l o w f r e q u e n c i e s wi l l c a u s e s c r e e n r e t e n t i o n a n d b l u r r i n g o n t h e r e ­c o r d i n g film. T h e film m a y c o n v e n i e n t l y b e d e v e l o p e d , f o u r l e n g t h s a t a t i m e , i n a s m a l l t a n k s u c h a s u s e d for 36 e x p o s u r e m i n i a t u r e c a m e r a film.

T h e s y n c h r o n o u s m o t o r d r i v e p r o v i d e s a u n i f o r m t i m e a x i s , for c o m p a r i s o n of s u c c e s s i v e films. A r e f e r e n c e p o i n t of p h a s e p o s i t i o n o n e a c h film t h e n , w o u l d a l so p e r m i t c o m p a r i s o n of p h a s e a n g l e of w a v e s o n s u c c e s s i v e films. T h i s r e f e r e n c e

F i g u r e 4 . P h a s e - a n g l e m e a s u r e m e n t o f l u m i ­n o u s t u b e t r a n s f o r m e r v o l t a g e s

p o i n t i n e a c h ha l f c y c l e i s o b t a i n e d b y s u p e r i m p o s i n g a s m a l l p e a k e d v o l t a g e o n t h e w a v e b e i n g s t u d i e d . T h i s i s p r o v i d e d b y a co i l m o u n t e d o u t s i d e t h e t u b e c a r r y ­i n g c u r r e n t f r o m a s p e c i a l t r a n s f o r m e r 2

w h i c h p r o d u c e s a s m a l l p e a k e d v o l t a g e of a p p r o x i m a t e l y 5 d e g r e e s d u r a t i o n i n e a c h ha l f c y c l e . T h e m a g n e t i c field f r o m t h e coi l de f l ec t s t h e c a t h o d e b e a m i n c o n ­j u n c t i o n w i t h t h e e l e c t r o s t a t i c field f r o m t h e i n t e r n a l p l a t e s . T h i s t r a n s f o r m e r m u s t b e e x c i t e d f r o m t h e s a m e s o u r c e a s t h e w a v e s b e i n g r e c o r d e d . T h e v o l t a g e s h o w s u p o n t h e film a s a p e a k o r r i p p l e s u p e r i m p o s e d o n t h e o r i g i n a l w a v e . I t c a n b e e a s i l y i d e n t i f i e d o n a n y e x c e p t v e r y i r r e g u l a r h i g h f r e q u e n c y w a v e s .

A d j u s t m e n t of t h e p h a s e p o s i t i o n of t h e p e a k e d v o l t a g e is o f t en d e s i r a b l e t o p l a c e t h e p e a k w h e r e i t wi l l l e a s t i n t e r f e r e a n d b e e a s i e s t d i s t i n g u i s h e d o n t h e t e s t w a v e . S o m e m o d e l s of t h e p e a k e d v o l t a g e t r a n s ­f o r m e r p r o v i d e a l i m i t e d p h a s e sh i f t b y a v a r i a b l e r e s i s t a n c e i n o n e p a r t of a d i ­v i d e d p r i m a r y w i n d i n g . A t h r e e - p h a s e o r i g i n a l v o l t a g e s o u r c e c a n a l so b e u t i l i z e d t o p r o v i d e a s u i t a b l e p h a s e p o s i t i o n .

A se r ies of films t a k e n b y t h e a b o v e m e t h o d m a y b e a n a l y z e d a s s h o w n i n figure 4 . T h e films a r e first a r r a n g e d i n ca re fu l r e g i s t e r , w i t h r e s p e c t t o t h e p e a k e d v o l t a g e , o n a p r i n t i n g f r a m e a n d a n e g a ­t i v e film c o p y m a d e f r o m t h e m . E n ­l a r g e d p r i n t s a r e t h e n m a d e f r o m t h i s n e g a t i v e , g i v i n g b l a c k l ines o n a w h i t e b a c k g r o u n d . T h e v e r t i c a l l i ne d r a w n t h r o u g h t h e p e a k s is t h e p h a s e r e f e r ence , f r o m w h i c h m e a s u r e m e n t s m a y b e m a d e o n t h e v a r i o u s w a v e s . F i g u r e 4 s h o w s o s c i l l o g r a m s t a k e n of l u m i n o u s t u b e t r a n s ­f o r m e r s e c o n d a r y v o l t a g e s , t o s h o w t h e p h a s e r e l a t i o n b e t w e e n n o l o a d a n d v a r i ­o u s t u b i n g l o a d c o n d i t i o n s . T h i s i s n o t c o n v e n i e n t l y d o n e w i t h a m e c h a n i c a l o s c i l l o g r a p h , s i n c e o n l y t h e c a t h o d e r a y o s c i l l o g r a p h , t h r o u g h a c a p a c i t a n c e v o l t ­a g e d i v i d e r , g i v e s a t r u e i n d i c a t i o n of l u m i n o u s t u b e v o l t a g e s .

I n r e c o r d i n g a n u n k n o w n o r m i x e d f r e q u e n c y w a v e , s u c h a s p r o d u c e d b y

F i g u r e 5 . O s c i l l o g r a m s t a k e n w i t h s p r i n g o p e r a t i o n o f d r u m

' ;:V|3^1sip^life -

NOVEMBER 1 9 4 1 , VOL. 6 0 Downie—Cathode-Ray Oscillograph TRANSACTIONS 9 8 5