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Brückenschaltung zum Messen der Leistung von Hochfrequenzströmen Dynamometrische
Leistungsmesser haben den Nachteil, daß sie bei höheren Frequenzen erhebliche Meßfehler
zeigen. Es ist jedoch bereits bekannt, für Hochfrequenzströme thermische Leistungsmesser
zu benutzen, die auf der Erkenntnis beruhen, daß die Differenz c . (u+f)²-c.(u-l)²=4cui
ist, wobei a der Augenblickswert der zu messenden Wechselspannung und i der Augenblickswert
des zu messenden Wechselstromes ist. Infolgedessen erhält man die Leistung eines
Wechselstromes durch Differcnzbildullg zwischen den Quadraten der Summe und der
Differenz der Augenblickswerte von zwei dem zu messenden Strom bzw. der zu messenden
Spannung entsprechenden Meßgroßen. Es sind z. B. Hitzdrahtinstrumente gebaut worden,
die nach diesem Verfahren arbeiten, und auch Thermoumformer sind für diesen Zweck
bereits in Gebrauch.
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So ist eine Meßanordnung bekanntgeworden, bei der der zu messende
Wechselstrom einen Ohmschen Widerstand durchfließt, an dessen Enden über Vorwiderstände
die Heizdrähte von zwei Thermokreuzen hfnterdnander angeschlossen sind. Der Verbindungspunkt
der beiden Heizdrähte steht über einen hochohmigen Widerstand mit dem anderen Spannungspol
in Verbindung. Die Thermodrähte sind in gegensinniger Reihenschaltung einerseits
durch eine Driosselspule und andererseits durch ein Gleichstrominstrument miteinander
verbunden. Dabei ist der Ausschlag an dem Instrument proportional der Leistung in
einem angeschlossenen Verbraucher, wermehrt um den halben Verbrauch in dem von dem
Strom durchflossenen Widerstand.
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Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß sie nicht symmetrisch
aufgelnut ist und daß die Stromverzweigung über die Heizdrähte nur dann eindeutig
gegeben ist, wenn sämtliche Widerstände keine induktiven oder
kapazitiven
Komponenten aufweisen. Diese Bedingung ist aber um so weniger zu erfüllen, je höher
die Frequenz ist. Den Anordnungen dieser Art fehlt überdies die Möglichkeit, die
dem Strom- und dem Spannungsfeld entsprechenden Ströme auf die gleiche Größenordnung
zu bringen. Dies ist aber - und besonders bei der Leistungsmessung an stark belasteten
\erbraucherkreisen - notwendig. um eine zufriedenstellende Anzeigeempfindlichkeit
zu erhalten.
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Andererseits sind Hinzdrahtleistungsmesser bekanntgeworden, bei denen
sowohl im Stromkreis als auch im Spannungskreis AIeßw2ndler benutzt werden. Dabei
ist die Sekundärwicklung des Spannungswandlers in der Mitte angezapft und mit der
Sekundärwicklung des Stromwandlers verbunden. Infolgedessen teilt sich der Sekundärstrom
des Stromwandlers und durchfließt die beiden Hälften des Spannungwandlers in entgegengesetzter
Richtung, so daß in der einen Hälfte der Sekundärwicklung des Spannungswandlers
die Summe, in der anderen Hälfte die Differenz der Sekundärströme des Strom- bzm.
Spannungswandlers fließen. Der Summen- bzw. Diffarenzstrom wird nun je einem Hitzdraht
zugeleitet, wobei diese so angeordnet sind, daß die Differenz ihrer Ausdehnungen
auf das iLeßwerk einx irkt, dessen Ausschlag demnach der zu messenden Leistung entspricht.
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Diese Anordnung weist, abgesehen von den bekannten Nachteilen der
Hitzdrahtinstrumente, den tbelstand auf, daß die Sekundärwicklung des Spannungswandlers
nicht nur von dem eigenen Sekundärstrom, sondern auch von dem Sekundärstrom des
Stromwandlers durchdossen wird, wodurch bei der praktischen Ausführung verschiedene
Schwierigkeiten entstehen. Es kommt hinzu, daß Spannungswandler zum wesentlichen
Unterschied gegen Stromwandler einen Fehlwinkel aufweisen, der verhältnismäßig groß
und zudem bei Hochfrequenz außerordentlich stark frequenzabhängig ist. Die Meßgenauigkeit
geht hier also auf Kosten des ül>erstreichbaren Frequenzbereiches.
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Bei einem weiteren auf der obigen Differenzbildung beruhenden Gerät
werden die Strommeßgrößen in Ohmschen Widerständen abgegriffen, die im Verbraucherkreise
gelegen und demzufolge stark belastet sind.
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Da es praktisch keinen Ohmschen Widerstand gibt, der nicht bei hoher
Frequenz, und zwar mit seiner Belastung schnell ansteigend von diesen abhängig wäre,
ist dieses Gerät notwendig mit einem frequenzbedillgten Amplitudenfehler behaftet.
Er setzt dessen WIeßgenauigkeit in einem Maße herab, der seine gewerbliche Verwertbarkeit
nahezu ausschließt.
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Schließlich ist bei einer bekannten Anordnung die Spannung an einem
Widerstand abgenommen, der mit der Sekundärwicklung eines der Zuführung der Strommeßgröße
dienenden Wandlers in Reihe geschaltet liegt.
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Diese Reihenschaltung nimmt dem Wandler den Charakter des Strcmwandlers.
Es ist also auch diese Anordnung mit cinem frequenzbedingten Phasenfehler behaftet.
Darüber hinaus wird der Wandler durch den Strom des Spannungsfeldes zusätzlich belastet,
d. h. nicht voll ausgenutzt, was gleichbedeutend damit ist, daß man in seiner Dimensionierung
nicht mehr frei ist.
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Die vorerwähnten Sachteile der bekannten Geräte norden durch die
Erfindung vermieden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Brückenschaltung zum Dessen der
Leistung von Hochfrequenzströmen nach dem Verfahren der Differenzbildung zwischen
den Quadraten der Summe und der D-ifferenz der AUgenblickswerte von zwei dem zu
messenden Strom bzw. der zu messenden Spannung entsprechenden LIeßgrößen, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß in der einen Diagonale der Brückenschaltung die Sekundäwicklung
eines Stromwandlers für den zu messenden Strom liegt und der anderen Diagonale ein
von der zu messenden Spannung abhängiger Strom zugeführt ist und daß von ihrcn Zweigen
zwei einander benachbarte aus hochohmigen Widerständen bestehen und die beiden anderen
niederohmigen Widerstände mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers einen Wechsel
stromkreis bilden und mit je einem Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer ausgerüstet
bzw. verbunden sind, dessen Gleichstrom dem Quadrat des ihm zugeordneten Brückenzweigweschselstromes-
entspricht. Die Widerstände der ersten beiden Zweige müssen hochohmig gewählt werden,
damit der Sekundärstrom des Stromwandlers möglichst vollständig in denjenigen Brückenzweigen
fließt, in welchen die für die Leistungsmessung wirksamcn Organe liegen; dementsprechend
müssen die Widerstände der beiden anderen Zweige vergleichsweise niederohmig gewählt
werden.
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Wesentlich für die Leistungsmessung nach der Erfindung ist also der
Abgriff der Strommeßgrößen an Widerständen, die nicht im Verbraucherkreise, sondern
auf der Sekundär seite des Stromwandlers gelegen und demzufolge gering belastet
sind. Damit ist der Tatsache Rechnung getragen, dazu cs praktisch keinen Ohmschen
Widerstand gibt, der nicht bei hohen Frequenzen, und zwar mit seiner Belastung schnell
ansteigend, von diesen abhängig wäre. Von gleicher wesentliclier Bedeutung ist aber
auch die Verwendung des Stromwandlers an sich. Er stellt ein Schaltelement dar,
das hinsichtlich seiner
phasenmäßigen Übertragungseigenschaft auch
im Gebiete hoher und höchster Frequenzen weitgehend frequenzunabhängig ist. Zudem
liegt in seiner Verwendung die Möglichkeit, die Ströme des Spannungs- und des Strompfades
größcmnäßig gleich zu machen. Das bedeutet aber eine wesentliche Steigerung der
Anzeigeempfindlichkeit.
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Die außerordentlich große praktische Bedeutung eines solchen Hochfrequenzleistungsmessers
liegt auf der Hand. Er besitzt den Vorzug. über ein weites Hochfrequenzgebiet von
frequenzbedingten Amplituden- und Phasenfehlern frei zu sein.
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Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer, die einen Gleichstrom liefern,
der dem Quadrat des ihnen zugeführten Wechselstromes proportional ist, sind bekanntlich
z. B. Thermoumformer. Demgemäß kann man in den betreffenden Brückenzweigen der Schaltung
je einen Heizleiter eines Thermoumformers anordnen, dessen Thermodrähte in an sich
bekannter Weise mit einem Gleichstrommeßgerät gegensinnig in Reihe geschaltet sind.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Thermodrähte von den Heizleitern
isoliert sind, um eine galvanische Kopplung der Stromkreise zu vermeiden.
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Statt der Thermoumformer kann man aber auch Gleichrichter venvenden,
sofern dafür gesorgt ist, daß ihre Kennlinie in dem betreffenden Arbeitsbereich
quadratisch ver-Ifluft. Bei geeigneter Anordnung und Schaltung lassen sich für diesen
Zweck Röhrengleichrichter, und zwar sowohl in Form von Gitterröhren als auch in
Form von Dioden, sowie Trockengleichrichter verwenden. Die Tliermoumformer haben
zwar den Vorteil, daß der Verlauf der Kennlinie in dem ganzen Umfang genau quadratisch
ist. Dem steht jedoch der Nachteil einer verhältnismäßig hohen thermischen Trägheit
gegenüber sowie ein erheblicher Leistungsverbrauch. Von diesen Nachteilen sind die
genannten Gleichrichter frei; dafür ist aber die Bedingung, daß die Kennlinie quadratisch
verlaufen soll, nur in einem gewissen Bereich und auch da meist nur angenähert erfüllt.
Trotzdem hat es sich gezeigt, daß die dadurch bedingten Meßfehler bei einer geeigneten
Bemessung und Anordnung in den zulässigen Grenzell gellalten werden können. in der
Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung in Schaltbildern dargestellt.
Dabei bezeichnet 1 die Anschlußklemmen einer Wechselstromquelle beliebig hoher Frequenz,
2 einen beliebigen Verbrauchter und 3 einen Stromwandler, dessen Primärwicklung
von dem zu messenden Strom J durchflossen wird. Die zugehörige Wechselspannung ist
mit U bezeichnet.
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Fig. I stellt eine Ausführung mit Thermoumformern dar. Die Heizleiter
4, 4' der Thermoumformer liegen in zwei Brückenzweigen einer Brückenschaltung, deren
andere Brückeuzweige hochohmige Widerstände 5, 5' enthalten. Die Sekundärwicklung
des Stromwandlers 3 liegt in dem einen Diagonalzweig, während der andere Diagonalzweig
an die Spannung angeschlossen ist. Die Thel-modrähte 6, 6' sind, z. B. durch Schmelzperlen,
von den Heizleitern 4,4' isoliert und gegensinnig mit einem Drehspulinstrument 7
in Reihe geschaltet.
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In einem beliebigen Augenblick möge der Strom in der Sekundärwicklung
des Stromwandlers 3 den Wert l' sowie die in der Zeichnung angegebene Richtung und
der von der Spannung U abgezweigte Strom den Wert i@ sowie die gezeichnete Richtung
haben. Da die Widerstände 5, 5' sehr groß sind im Vergleich zu den Widerständen
der H.eizleiter 4,4', so schließt sich der Sekundärstrom i' im wesentlichen nur
über die Heizleiter 4,4'. Es fließt dann in dem Heizleiter 4 die Summe i' + ½ iu
und in dem Heizleiter ' die Differenz i'-½ iu. Infolgedessen entsteht in dem Thermoelement
6 eine EMK e1 = a (i' + 1/2 iu)² und in dem Tllermoelement 6' eine EMK e> = c.(i'-½
iu)².
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Der das Drehspulinstrument 7 durchfließende Gleichstrom ist demnach
infolge der Gegenschaltung proportional der Differenz #1-#2=c.(i'+)²-c.(i'-iu)²
= c.2i'.iu.
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Infolgedessen entspricht der Ausschlag am Instrument 7 der zu messenden
Leistung J.U.cos#.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung mit gittergesteuerten Gleicherichterröhren
dargestellt.
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Die Brückenschaltung besteht wieder aus hochohmigen Widerständen 5,
5' und enthält in den anderen beiden Brückenzweigen ebenfalls niederohmige Widerstände
8, 8', die in dem Gitterkreis je einer Röhre 9, 9' liegen.
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Dabei sind noch Kondensatoren 11, 11' vorgeseben, um Wechselströme
von der Batterie fernzuhalten. Eine gemeinsame Anoden batterie 12 ist über Widerstände
13,13' an die Anoden der Röhreng, g' angeschlossen.
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Im übrigen sind die Anoden durch ein Drehspulinstrument 14 miteinander
verbunden. Die Gittervorspannung der Röhren durch eine gemeinsame Batterie 10 wird
so bemessen, daß diese in dem quadratisch verlaufenden Teile der Kennlinie arbeiten.
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Bei der angegebenen Schaltung wird das Instrument 14 von einem Gleichstrom
durchflossen, der der Differenz der Anodenströme der Röhren 9 und g' proportional
ist. Die Anodenströme sind innerhalb des angegebenen
Bereiches
der Röhrenkennlinien aber eine Funktion des Quadrates der Gitterspannung, die dem
Spannungsabfall an den Widerständen 8 bzw. S' entspricht. Diese werden von der Summe
i' + ½ bzw. der Differenz i' - ½ iu durchflossen. Infolgendessen sind die Anodenströme
(i'+ ½ iu)² bzw. (i'-½iu)² proportional, und der Ausschlag am Instrument 14 entspricht
ebenfalls der zu messenden Leistung.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung sind die beiden Gitterröhren
durch eine Doppeldiode 15 ersetzt, was eine wesentliche Vereinfachung bedeutet.
Im übrigen besteht die Brückenschaltung wieder im wesentlichen aus den hochohmigen
Widerständen 5, 5' und den in den beiden anderen Brückenzweigen liegensden niederohmigen
Widerständen 8, 8', denen jedoch Kondensatoren 16, 16' vorgeschaltet sind. Diese
haben den Zweck, die entstehenden Gleichströme auf die wirksamen Brückenzweige zu
bescheänken. Ferner liegt in jedem dieser Brückenzweige noch je eine Drehspule 17
bzw. 17' eines Doppelspulinstruments, das hier zur Anzeige der Leistung dienen soll.
Die beiden Drehspulen 17 und 17' sind untereinander und mit dem zum Zuführen des
der Spannung U entsprechenden Stromes iu dienenden Diagonalpunkt verbunden und an
die Kathode 18 der Doppeldiode 15 angeschlossen, wobei die Kathode mittelbar durch
eine Stromquelle 19 geheizt wird.
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Die Anoden 19, I9 sind an die Verbindungspunkte zwischen 8 und I6
bzw. 8' und 16' angeschlossen. Ferner sind Kondensatoren 20, 20' vorgesehen zum
Überbrücken der Drehspulen 17 bzw. 17'.
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Die in Fig. 3 eingezeichnete Stromverteilung bezieht sich auf die
zu messenden Wechselströme. Infolge der bekannten Gleichrichtereigenschaften der
Dioden fließen nun in den Anodenkreisen, die durch die Widerständen und 17 bzw.
8' und 17' geschlossen sind, Gleichströme, deren Beträge dem Quadrat der Ströme
i'+ ½ iu bzw. 1' - 1/2 itt entsprechen, vorausgesetzt, daß die Diode in einem Teile
der Kennlinie arbeitet, der einen quadratischen Verlauf aufweist. Wenn die beiden
Drehspulen 17 und 17' gegensinnig von den betreffenden Gleichströmen durchflossen
werden, so wirkt auf das Meßwerk des Doppelspulinstruments ein Drehmoment, das der
Differenz (i' + ½)²-(i' - ½iu)² entspricht, so daß die Leistung an dem Instrument
17, 17 gemessen werden kann.
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In Fig. 4 ist der Fall dargestellt, daß die Dioden durch Trockengleichrichter
21, 21' ersetzt sind. Im übrigen ist die Schaltung und damit auch die Wirkungsweise
im wesentlichen die gleiche wie bei der Anordnung nach Fig. 3. Auch hier könnte
die Leistung durch ein Doppelspulinstrument gemessen werden, dessen Drelispulen
in den durch die Reihenschaltung der Gleichrichter 21, 21' mit den zugehörigen Widerständen
8 bzw. S' gebildeten Gleichstromkreisen anzuordnen wären.
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In diesem Falle ist jedoch eine andere Ateßanordnung dargestellt,
wobei ein einfaches Drehspulinstrument 22 unter Vorschaltung von Drosselspulen 23,
23' an die Verbindungspunkte zwischen S und 16 bzw. S' und 16' angeschlossen ist.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung ergibt sich daraus, daß die Spannungsabfälle
lt bzw. u' an den Widerständen 8 bzw. S' durch die entsprechenden Gleichströme diesen
und somit (i' ' 12 iu)² bzw.
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(i' - ½iu)² proportional sind. Infolgendessen entspricht der Potentialunterschied
an den Endpunkten der Widerstände 8, S' und somit auch der das Meßinstrument 22
diirchfließende Gleichstrom der Differenz (i + ½iu)²-(i'-½iu)².
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Die Drosselspulen 23, 23' haben den Zweck, den Übertritt von Wechselstrom
zu verhindern.