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Hochfrequenz-Leistungsmesser
Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur
Bestimmung der Wirkleistung einer über eine Energieleitung übertragenen hochfrequenten
elektromagnetischen Schwingung. Es ist bereits ein für ortsfeste Funksendeanlagen
entwickeltes Hochfrequenzwattmeter und Fehlanpassungsmeßgerät mit direkter Anzeige
bekannt, das diese Aufgabe für einen Sonderfall, nämlich unter der Voraussetzung
einer nicht allzu mangelhaften Anpassung, löst (vgl. Hochfrequenztechnik und Elektroakustik,
Band 61 [1943], S. 93 bis 100). Dort werden die Summe und die Differenz zweier im
Anpassungsfalle gleich großer N\echselspannungen gebildet, deren eine der Eingangsspannung
und deren andere dem Eingangsstrom prol)ortional ist. Durch Gleichrichtung dieser
beiden resultierenden NVechselspannungen werden Gleichströme gewonnen, deren durch
Überlagerung in einer Gleichstrombrückenschaltung gebildete Summen- und Differenzwerte
als Produkt einen der Wirkleistung verhältnisgrleicllen Gleichstrombetrag liefern.
In vielen Fällen, die insbesondere in der Hochfrequenzwärmetechnik und Kurzwellentherapie
vorkommen, muß eine Hochfrequenzleistungsmessung unter erschaverenden 13edingungen
durchgeführt werden Der Leistungsmesser muß an Leitungen angeschlossen werden können
von denen weder die Hin- noch die Rückleitung ein bestimmtes Potential gegen Erde
hat; eine Gleichtakterregung der beiden Leiter darf die Anzeige des Leistungsmessers
nicht fälschen; schließlich muß die Wirkleistung auch dann richtig angezeigt werden,
wenn sie in Begleitung einer vielfach größeren Blindleistung auftritt, und dazu
erscheint ein Verfahren, bei dem sich die Wirkleistung als Unterschied anderer Größen
ergibt, weniger gut geeignet. Die Erfindung zielt darauf ab, die Leistungsmessung
auf eine solche Weise durchzuführen, daß sie durch die er-
wähnten
erschwerenden Umstände nicht beeinträchtigt wird.
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Zu diesem Zwecke wird gemäß der Erfindung an einem Waagebalken des
Leistungsmessers ein mechanisches Drehmoment, welches dem skalaren Produkt aus dem
Spannungs- und dem auf denselben Punkt bezogenen Stromvektor der über eine Leitung
übertragenen Schwingung verhältni sgleich ist, dadurch hervorgerufen, daß an den
beiden lenden des Waagehalkens Ladungen von gleicher, der Stromstärke proportionaler
Größe, aber entgegengesetztem Vorzeichen erzeugt werden und ein elektrisches Feld,
dessen Stärke der an der Leitung wirksamen W echselspannung proportional ist. auf
diese Ladungen einwirkt.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung
schematisch angedeutet. Al4. I zeigt eine Ansicht der für das Verständnis des Erfindungsgedankens
wesentlichen Gedanken einer solchen Leistungsmeßeinrichtung. Die zur Fortleitung
der Schwingungen dienende Energieleitung ist zumindest im Bereich der Meßeinrichtung
als Bandleitung ausgebildet, deren Leiter I und 2 parallel zueinander verlaufen
und in waagerechten Ebenen liegen. Zwischen den beiden Leitern bildet sich das durch
den Vektor E angedeutete elektrische Wechselfeld aus, welches im Zwischenraum zwischen
den beiden Leitern auf deren Ebenen senkrecht steht. In diesem Zwischenraum ist
der Waagebalken 3 um eine zur Längsrichtung der Leiter parallele Achse 4 drehbar
angeordnet. Über die Bandleitung fließt der Hochirecluenzstrom i, der in dem Zwischenraum
zwischen den beiden Leitern das durch den auf den Vektor E und die Längsrichtung
der Bandleitung senkrecht stehenden Vektor H gekennzeichnete ;Llagnetfeld erzeugt.
Dieses Ntagnetfeld induziert in einer Spule 5, deren Achse parallel zum Magnetfeld
verläuft, eine Wechselspannung, welche dem induzierenden Leitungsstrom i verhältnisgleich
ist. Mittels dieser Spannung werden an den beiden Enden des \NTaagebalkens ungleichnamige
Ladungen gleicher Größe influenziert. Zu diesem Zwecke können beispielsweise an
den Balkenenden kleine Kapazitätsflächen 6 angebracht werden, denen feste Influenzelektroden
7, welche an einer dem Leitungsstrom proportionalen Spannung liegen, gegenüberstehen.
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I>ie an den Enden des Waagebalkens sitzenden Ladungen sind somit
ebenfalls der Stärke des I,eitungsstromes verhältnisgleich, und infolge der Wechselwirkung
zwischen dem elektrischen Feld E und diesen Ladungen wird auf den Waagebalken ein
Drehmoment ausgeübt, das dem zeitlichen WIittelwert des Produktes aus Strom und
Spannung, also der über die Leitung übertragenen Wirkleistung, verhältnisgleich
ist. Beispielsweise entsteht bei einer elektrischen Feldstärke von IOOO Volt/cm
und einer Ladung, welche auf jedem Ende des Waagebalkens von einer Spannung von
IOO Volt über eine Kapazität von I pF influenziert wird, ein Drehmoment von der
Größenordnung I mglcm. Die Sullage des Waagebalkens wird zweckmäßig durch eine elastische
Rückstellkraft, z. B. mittels einer Feder oder eines Torsionsfadens, festgelegt.
Um eine bequeme Ablesung des Ausschlages des Waagebalkens zu ermöglichen, kann auf
der Drehachse ein kleiner Spiegel 8 befestigt werden, der einen von einer Lichtquelle
g kommenden Lichtstrahl Ic gegen eine Skala 1 1 richtet. Die Skala wird zweckmäßig
in Einheiten der zu messenden Wirkleistung geeicht. Wenn die Spule 5 und der Waagebalken
in der Symmetrieebene zwischen den beiden Leitern 1 und 2 angebracht werden, hat
eine etwa über die Energieleitung sich fortpflanzende Gleichtaktwelle keinen Einfluß
auf den Ausschlag des Waagebalkens.
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DieGleichphasigkeit des zwischen den beidenLeitern I und 2 sich ausbildenden
und im Beispielsfalle unmittelbar auf die Ladungen des Waagebalkens einwirkenden
elektrischen Feldes E mit der zwischen den beiden Leitern wirksamen Spannung ist
ohne weiteres gewährleistet. Es muß nun darauf geachtet werden, daß die Ladungen
dem Leitungsstrom nicht bloß dem Betrage nach, sondern auch der Phase nach entsprechen
bzw. daß die Phasenverschiebung zwischen den Ladungen und dem auf sie einwirkenden
elektrischen Feld stets ebenso groß ist wie zwischen Strom und Spannung auf der
Leitung. Das Magnetfeld H hat dieselbe Phase wie der es erzeugende Leitungsstrom
i, während die in der Spule 5 induzierte elektromotorische Kraft gegen den induzierenden
Strom i um go0 in der Phase nacheilt. Belastet man die Spule 5 mit einem Widerstand
I2, an dessen Enden die Influenzelektroden 7 angeschlossen sind, und wählt man die
Größe dieses Widerstandes so, daß er gegenüber dem induktiven Widerstand der Spule
vernachlässigbar ist, so eilt der im Spulenstromkreis fließende Wechselstrom gegen
die in der Spule induzierte Spannung um go° nach, d. h. er befindet sich in Gegenphase
zumLeitungsstrom. Der Phasenunterschied zwischen dem elektrischen Feld E und den
Ladungen auf dem Waagebalken unterscheidet sich somit um 1800 von dem Phasenunterschied
zwischen Strom und Spannung auf der Leitung, und dies ist für den Betrag des die
Wirkleistung darstellenden Produktes ohne Bedeutung.
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Bei dem in Abb. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die richtige
Phasenbeziehung zwischen den beiden das am Waagebalken angreifende Drehmoment bestimmenden
Größen allein durch einen Eingriff in den Stromzweig, nämlich durch die entsprechende
Bemessung des Widerstandes I2, sichergestellt worden. Es ist aber auch möglich,
sowohl den zeitlichen Verlauf der Ladungen als auch die Phasenlage der auf die Ladungen
einwirkenden Spannung zu beeinflussen, um die richtige Phasenbeziehung zwischen
diesen beiden Größen herzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, auch große Phasenverschiebungen
genau einzustellen. In den Abb. 2 und 3 sind Beispiele für geeignete Schaltungsanordnungen
schematisch dargestellt. Diese zeigen einen Querschnitt durch die Bandleitung I,
2, zwischen deren Leitern wie in Abb. I der Waagebalken 3 mit der Drehachse 4 und
den Kapazitätsflächen 6 sowie die Spule 5. der diese überbrückende
Widerstand
12 und die an seine Enden angeschlossenen Influenzelektroden, 7 angeordnet sind.
Das mit den auf den Enden des Waagebalkens sitzenden Ladungen multiplikativ zusammenwirkende
elektrische Feld ist hier nicht das zwischen den beiden Leitern I und 2 aufgerichtete
Feld, sondern es wird durch je ein Paar von Kapazitätsflächen 13 erzeugt, die an
verschiedene Punkte eines die beiden Leiter 1, 2 miteinander verbindenden Spannungsteilers
angeschlossen sind. Ein solcher Spannungsteiler besteht gemäß Ahl). 2 aus zwei Widerständen
14 und I4' und einer diese miteinander verbindenden Spule 15, mit deren Enden die
Kapazitätsflächen I3 verbunden sind. Bezeichnet man die Selbstinduktion der Spule
15 mit Lu, den Wert der Widerstände 14 und I4' mit R"l2 und die Kreisfrequenz der
Schwingung mit to,so ist das auf die an den Enden des Waagehalkens sitzenden Ladungen
einxvirkende Feld proportional jwL,l(R, + ioJLu) . An die Stelle von zwei getrennten
Spannungsteilern 14, I5, I4' kann natürlich auch ein einziger Spannungsteiler treten,
an den sämtliche Kapazitätsflächen angeschlossen sind. Ferner können Kapazitätsflächen,
welche dasselhe Potential führen, zu einer einzigen Fläche vereinigt werden. Bezeichnet
man ferner die Induktivität der Spule 5 mit Li, den Betrag des Widerstandes 12 mit
Ri und die Gegeninduktivität zwischen der Energieleitung und der Spule 5 mit dl,
so sind die auf dem Waagebalken influenzierten Ladungen proportional j#M/(Ri + j#Li).
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Es ist nun nicht mehr erforderlich, daß Ri < jwLi wie im Falle
der Ahh. 1 ist, da es durch geeignete \stahl von R und jctlL, möglich ist, einen
Teil der Phasenkorrektur im Spannungszweig vorzunehmen.
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WIacht man die Werte von Ri und Ru einerseits und von Li und Lu andererseits
gleich groß, so ist die jeweils eingestellte Phasenverschiebung zwischen dem zeitlichen
Ladungsverlauf und dem auf die Ladungen einwirkenden elektrischen Feld unabhängig
von der Frequenz der Schwingung. In den angezeigten Leistungsbetrag geht allerdings
auch dann noch ein frequenzabhängiger Faktor von der Form co2/(k + w2) ein, in welchem
k eine Konstante bedeutet; dieser kann aber leicht in einer Eichkurve berücksichtigt
werden. Der frequenzabhängige Amplitudengang läßt sich jedoch auch völlig beseitigen.
Zu diesem Zwecke wird in den Strom- und in den Spannungszweig je eine frequenzabhängige
Impedanz gleicher Größe eingeschaltet, welche so gewählt ist, daß sie den vorerwähnten
frequenzabhängigen Faktor aufhebt.
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Der Spannungsteiler kann, wie Abb. 3 zeigt, auch aus Kondensatoren
und Widerständen zusammengesetzt sein. Diese Ahxvandlung hat den vor allem im Ultrakurzwellenbereich
beachtlichen Vorteil, daß sich Kapazitäten mit einem bestimmten Blindwiderstand
leichter darstellen lassen als gleichwertige Induktivitäten. Ein solcher Spannungsteiler
besteht beispielsweise aus zwei festen oder einstellbaren Kondensatoren t6, I6',
die über einen Wirkwiderstand 17 in Reihe geschaltet sind. Die zur Erzeugung des
auf die Ladungen des Waagebalkens einwirkenden elektrischen Feldes dienende Spannung
wird von den beiden Enden des Wirkividerstandes abgegriffen. Dies geschieht im Beispielsfalle
in der Weise, daß die Kapazitätsflächen I3 an diese Punkte angeschlossen sind. I)ie
Spannungsteiler sind in Abb. 2 und 3 symmetrisdi aufgebaut. Wenn auf Symmetrie kein
Gewicht gelegt wird, kann ein solcher Spannungsteiler auch aus je einem Wirk- und
Blindwiderstand zusammengesetzt werden.
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Die beschriebenen Anordnungen und Maßnahmen reichen aus, um das gesteckte
Ziel, nämlich die Messung der von einer Energieleitung fortgeleitcten Schwingleistung,
zu erreichen. Die WIeßeinrichtung kann jedoch noch in der Richtung vervollkommnet
werden, daß auch schädliche Einflüsse zweiter Ordnung, welche die Meßgenauigkeit
beeinträchtigen können, ausgeschaltet werden. So kann z. ß. darauf eingewirkt werden.
daß die Größe der auf dem Waagebalken influenzierteu Ladungen von der jeweiligen
Lage des Waagebalkens unal>hängig ist. Da bei Verwendung eines Lichtzeigers der
größte Ausschlag des Waagebalkens auf wenige NVinkelgrade beschränkt werden kann,
ist die Abhängigkeit der Größe der Influenzladung von der Lage des Waagebalkens
selbst nur gering, wenn die Influenzelektroden 7 eben ausgebildet sind. alter auch
diese Abhängigkeit läßt sich l)eseitigen, indem man gemäß Abb. 4 den Influenzelektroden
18 einen gekrümmten, gegen den Waagebalken 3 hohlen Querschnitt gibt, dessen Wölbung
sich durch Versuche so bestimmen läßt, daß die Größe der von einer gegebenen Spannung
der Influenzelektroden auf dem Waagebalken hervorgerufenen Ladung von dem Ausschlag
des \Vaagebalkens unabhängig ist.
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Es ist bekannt, daß ein in einem elektrischen Feld frei beweglicher
stabförmiger Leiter, der mit den Feldlinien einen von o und go0 abweichenden Winkel
einschließt, einer stabilen Endlage zustrebt, in welcher er parallel zu den Feldlinien
gerichtet ist. Um diesem Bestreben des Waagebalkens zu begegnen, können gemäß Abb.
5 an dem Drehpunkt des Waagebalkens 3 zwei auf ihm senkrecht stehende metallische
Arme 19 angebracht werden.
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Wenn der Waagel)alken unter dem Einfluß der über die Leitung I, 2
fließenden Schwingungsleistung die mit 3' bezeichnete Lage erreicht hat, so zeigt
er das Bestreben, sich in Richtung des Pfeiles 20 weiterzubewegen. Auf die Kreuzarme
19 wird ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles 21 ausgeübt, welches diese Arme in
ihre zu den Ebenen der Leiter 1, 2 senkrechte Ruhelage zurückzuführen bestrebt ist.
Da die beiden Drehmomente einander entgegenwirken, läßt sich durch geeignete Bemessung
der Kreuzarme 19 erreichen, daß sie einander gerade aufheben.
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Um den Höchstausschlag des Waagebalkens auf wenige Winkelgrade begrenzen
zu können, ist es zweckmäßig, mit einem langen Lichtzeiger zu arbeiten. Dies läßt
sich mit der Einhaltung bequemer räumlicher Abmessungen des Gerätes dadurch in Einklang
bringen, daß der Lichtzeiger mehrfach gebrochen wird. Hierbei können auch die
einander
zugekehrten Flächen der Bandleiter spiegelnd ausgebildet und zum Umlenken des Lichtstrahles
verwendet werden, wie Abb. 6 schematisch andeutet. Auf der Drehachse 4 des Waagebalkens
ist ein Umlenkprisma 22 oder ein Al>lenkspiegel befestigt, auf das der von der
Lichtquelle 9 kommende Lichtstrahl IO fällt. Die einander zugekehrten Flächen der
Leiter I, 2 sind im Bereiche der Meßeinrichtung verspiegelt, so daß der vom Prisma
22 umgelenkte Lichtstrahl 23 unter einem vom Ausschlag des Waagebalkens abhängigen
M'iIlkel gegen die spiegelnde Innenseite des Leiters I, von diesem gegen die spiegelnde
Innenseite des Leiters 2 gerichtet wird usf., bis er schließlich den Zwischenraum
zwischen den Leitern verläßt und auf eine Skala fällt.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, den Waagebalken in dem Zwischenraum
der Energieleitung anzuordnen, da es möglich ist, die zur Erzeugung der Ladungen
und des diese beeinflussenden elektrischen Feldes dienenden Spannungen auch an eine
andere Stelle im Bereiche der Energieleitung zu übertragen.