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Kalorimeter zum Messen von elektrischen Leistungen
Elektrische Leistung von hoher Frequenz wird oft durch thermische Methoden gemessen. Es wird z. B. die Leistung von Sendestationen zur Kontrolle einer sogenannten künstlichen Antenne zugeführt, wo die
Hochfrequenzenergie in Wärme umgewandelt wird. Dieses Verfahren findet besonders häufige Verwendung in der Technik der Mikrowellen und Kurzwellen (z. B. Montgomery, C. G."Technique of Microwave Measurements"). Die zu messende Mikrowellenleistung wird in Warme umgewandelt und die Wärmewirkung zur Bestimmung der Leistung herangezogen.
Geringere Leistungen (in der Regel unter 10 mW) werden bolometrisch gemessen. Da das Bolometer durch die Messleistung erwärmt wird, ändert sich sein Widerstand. Die zur Messleistung proportionale Widerstandsänderung kann mittels Niederfrequenzmethoden genau und bequem gemessen werden.
Zum Messen höherer Leistungen können keine frequenzunabhängige Bolometer gebaut werden. Zum Messen höherer Leistungen werden Kalorimeter verwendet, die zum bequemen Messen von Leistungen über 100 W geeignet sind. In diesen Fällen verursachen nämlich die Wärmeverluste, die bei den üblichen einfachen Wärmeisolationen auftreten, keine wesentlichen Messfehler. Man baut auch Kalorimeter, die zum Messen geringer Leistungen geeignet sind (Mikrokalorimeter), die aber wegen ihrer komplizierten Bauart und insbesondere infolge ihrer grossen Zeitkonstante zu Betriebsmessungen nicht geeignet sind.
(Die Bezeichnung "mikro" weist hier auf den geringen Wert der zu messenden Wärmeleistung und nicht auf den Frequenzbereich hin.)
Mittels Messinstrumenten mit grosser Zeitkonstante können nur auf eine längere Zeitdauer bezogene Durchschnittswerte gemessen werden. Plötzliche Leistungsänderungen können durch Geräte dieser Art nicht nachgewiesen werden. Es vergeht während der Messung eine ziemlich lange Zeit, bis der endgültige Wert durch das Instrument angezeigt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein trockenes, zum Messen von vor allem mittleren (1 - 100 W) Leistungen geeignetes Kalorimeter, dessen Zeitkonstante klein ist und dessen Messgenauigkeit durch Temperaturschwankungen der Umgebung praktisch nicht beeinflusst wird.
Ein gemäss der Erfindung aufgebautes Kalorimeter zur Messung von elektrischen Leistungen weist einen Abschnitt zum Absorbieren der elektrischen Leistung und zur Umwandlung derselben in Wärme sowie einen Abschnitt zum Abgeben von Wärmeleistung an die Umgebung auf und ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der die elektrische Leistung absorbierende Abschnitt eine mit Widerstandsmaterial überzogene Isolierplatte enthält, dass der die Kalorimeteranschlussleitung bildende Wellenleiter als Wärmeabgabeabschnitt dient und dass zwischen diesen beiden Abschnitten ein Abschnitt mit bestimmtem Warmewiderstand eingefügt ist, an den ein zum Messen des längs dieses Abschnittes oder eines Teiles davon auftretenden Temperaturgefälles geeignetes Temperaturmessgerät angeschlossen ist.
Bei der erfindungsgemässen Bauart wird die zu messende elektrische Leistung durch ein Verlustelement absorbiert und in Wärme umgewandelt. Diese Wärmemenge wird teils in der Wärmekapazität des Kalorimeters bei gleichzeitiger Erhöhung seiner Temperatur aufgespeichert, teils gelangt sie durch Wärmeleitung an die Wärmeabgabeflächen des Kalorimeters. Der Wärmewiderstand des wärmeleitenden Abschnittes zwischen den leistungsabsorbierenden und wärmeabgebenden Abschnitten muss derart bemessen werden, dass das Temperaturgefälle, das hier unter Wirkung der gegebenen Heizleistung auftritt, noch
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gut messbar ist. Dieses Temperaturgefälle ist der Messleistung proportional.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass es nicht notwendig ist, am Kalorimeter eine besonders sorgfäl- tige Wärmeisolation anzubringen. Die Wärmeverluste beeinträchtigen nur die Empfindlichkeit, haben aber keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit, wenn die Änderung der übertragenen Wärmemenge mit dem ) Temperaturunterschied linear verläuft. Das Gerät ist besonders einfach. Seine Stabilität ist ausschliesslich vom Wärmewiderstand des wärmeleitenden Abschnittes abhängig, der einen im Bereich der Mikrowellen verwendbaren Aufbau hat.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung im Schnitt gezeigt. Es handelt sich dabei um ein an einen rechteckigen Wellenleiter angesetztes Gerät. Die Schnittebene geht durch die Symmetrieachse des Wellenleiters. Der aussen gerippte Abschnitt 1 des Wellenleiters dient dazu, die im
Kalorimeter erzeugte Wärmeleistung an die Umgebung abzugeben. An den wärmeabgebenden Abschnitt 1 schliesst sich ein wärmeleitender Abschnitt 2 bestimmten Wärmewiderstandes an ; durch ein mit einem
Thermoelement 6 in Reihe geschaltetes Millivoltmeter 7 wird das Temperaturgefälle an diesem Abschnitt gemessen. Die Wärmemenge, die in dem leistungsabsorbierenden Abschnitt 3 entsteht, wird über den ! wärmeleitenden Abschnitt 2 übertragen.
Im leistungsabsorbierenden Abschnitt ist eine mit Widerstands- material überzogeneIsolierplatte 4 eingebaut, die durch die Mikrowellenleistung erwärmt wird. EinFüll- körper 5 aus verlustarmem porösem (schaumartigem) Isoliermaterial verhindert eine Luftbewegung zwi- schen dem leistungsabsorbierenden Abschnitt 3 und dem Wellenleiter, um die Konvektionsverlustezu ver- ringern. Die Wärmeverluste im leistungsabsorbierenden Abschnitt 3, die neben den Leitungsverlusten im wärmeleitenden Abschnitt 2, auftreten, können als zum wärmeleitenden Abschnitt 2 parallelgeschalte- te Wärmeverluste betrachtet werden. Durch diese werden nur dann Messfehler hervorgerufen, wenn die Änderung der übertragenen Wärmemenge mit der Temperatur nicht linear ist (bei Strahlung z.
B. ist die übertragene Wärmemenge der vierten Potenz der Temperatur proportional).
Die durch Strahlung übertragene Wärmemenge ist im Verhältnis zur durchLeitung übertragenen Wär-
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de und auch der wärmeleitende Abschnitt zur Verminderung der Wärmestrahlung von einem innen und aussen polierten Kolben 8 umgeben.
Das Gerät kann mit Niederfrequenzstrom kalibriert werden. Der Kalibrierstrom wird über Leitungen 9,10 dem Gerät zugeführt. An die Endfläche der Widerstandsschicht 4 wird in Mittellage die Leitung 9 für den Kalibrierstrom angeschlossen. Der Kalibrierstromkreis wird durch das Gehäuse des Gerätes ge- schlossen, wobei die Leitung 10 die Rückleitung bildet.
Ein weiterer Vorteil bietet sich dadurch, dass die Zeitkonstante des Apparates beliebig klein gewählt werden kann.
Zwischen der jeweiligen Temperatur J während der Heizung eines Körpers und den thermischen Parametern besteht bekannterweise der folgende Zusammenhang :
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wobei
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P die Heizleistung (eingeschaltet im Zeitpunkt t = 0) ; K die Wärmekapazität des Körpers, d. h. der Energieaufwand, durch welchen die Temperatur des
Körpers um 1 C erhöht wird ; A die Wärmeübergangszahl, d. h. die durch den Körper an die um 1 C kühlere Umgebung abge- gebene Leistung, bedeutet. Wie. aus der Formel hervorgeht, ist die Zeitkonstante T des Körpers
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Durch Erhöhung der Wärmeübergangszahl kann somit die Zeitkonstante beliebig herabgesetzt werden.
Ein Leiter des Thermoelementes kann auch aus dem Abschnitt 2 mit bestimmtem Wärmewiderstand gebildet werden. Der Wellenleiterabschnitt 1 und der wärmeabsorbierende Abschnitt 3 können z. B. aus Kupfer und der Abschnitt 2 aus Konstanten verfertigt werden. Die zwischen den Abschnitten 1 und 3 messbare thermoelektromotorische Kraft ist dann dem Temperaturgefälle im Abschnitt 2 mitbestimmtemWär- widerstand proportional.