DE836972C - Selbstregelnde Bolometerbruecke - Google Patents

Selbstregelnde Bolometerbruecke

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DE836972C
DE836972C DEL1398A DEL0001398A DE836972C DE 836972 C DE836972 C DE 836972C DE L1398 A DEL1398 A DE L1398A DE L0001398 A DEL0001398 A DE L0001398A DE 836972 C DE836972 C DE 836972C
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bridge
bolometer
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oscillator
power
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DEL1398A
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Dipl-Ing Hubert Martin Schmidt
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Alcatel Lucent Deutschland AG
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Standard Elektrik Lorenz AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J5/22Electrical features thereof

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Description

  • Selbstregelnde Bolometerbrücke Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Leistungsmessung mittels temperaturabhängiger Widerstände (Bolometer oder Thermistore). l) ie 1 >olometrische Leistungsmessung ist seit iangem bel;allllt. I)er temperaturabhängige Widerstand wird in einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke gelegt und die Brücke abgeglichen. Die an den Bolometerwiderstand angelegte zu messende Leistung bewirkt eine Änderung seines Widerstandswertes und somit einen Fehlabgleich der Brücke. Dieser Fehlabgleich wird durch ein Instrument im Null zweig der Brücke entweder direkt angezeigt und als Maß für die Leistung verwendet oder durch Ändern des Brückenverhältnisses lyeseitigt, wobei das neue Brückenverhältnis das Leistungsmaß angibt.
  • Ein anderes bekanntes Meßverfahren besteht darin, den Bolometerwiderstand mit einer bestimmten Ersatzleistung zu speisen und die Brücke dann abzugleichen. Der durch die sodann angelegte Meßleistung gestörte Brückenabgleich wird wiederhergestellt, indem die Ersatzleistung so weit zurückgeregelt wird, bis wieder Brückenabgleich vorhanden ist. Die Abnahme der Ersatzleistung ist dann gleich der zu messenden Leistung.
  • Diese Methode ist deshalb besonders vorteilhaft, weil dadurch der Betrag des Bolometerwiderstandes immer auf einem konstanten Wert gehalten wird.
  • Diese Unabhängigkeit des Widerstandes vom Betrag der gemessenen Leistung wird bei den meisten praktischen Anwendungen gefordert. Um eine direkte Leistungsanzeige zu erhalten, ist es bekannt, die Ersatzleistung mittels einer selbsttätigen Regelschaltung vom Brückenabgleich steuern zu lassen. Zu diesem Zweck wird z. B. ein zur stärker über die Bolometerbrücke rückgekoppelt.
  • Dabei ist die Phase der Verstärkung so gewählt, daß die Rückkopplungsbedingung erfiillt ist, wenn der Bolometerwiderstand kälter ist als es der Bräckenabgleich erfordert. Die Amplitude der durch die Riickkopplung erregten Schwingung schaukelt sich dann bis zu einem Arerte auf, der durch die Erhitzung des Bolometerwiderstandes durch die vom Verstärker in die Brücke eingespeiste Leistung gegeben und zur Aufrechterhaltung der Schwingung bei abgeglichener Brücke hinreichend ist. Eine zusätzliche Aufheizung des Bolometerwiderstandes durch eine zu messende Leistung bewirkt, daß die Amplitude, auf der sich die selbsterregte Schlvingung stabilisiert hat, abnimmt, da diese dann nicht mehr die volle Aufheizung des Bolometers auf den stabilen Ahgleichpunkt der Brücke aufzubringen hat.
  • Eine Messung der vom Verstärker in die Brücke eingespeisten Leistung gestattet hierbei eine direkte anzeige der dem Bolometerwiderstand zugeführten zu messenden Leistung, da die vom Verstärker eingespeiste Leistung um den Betrag der zu messenden Leistung zurückgeht. Diese Anordnung liesitzt alter u. a. zwei wesentliche Nachteile, nämlich: 1. Die Bestimmung der Amplitude der Rückkopplungsschwingung und damit der zu messenden Leistung muß durch eine Wechselstrom- oder Wechselspannungsmessung erfolgen. Derartige Alessungen sind aber bekanntlich durch die Inkonstanz der Gleichrichter .(Röhrenvoltmeter) bzw. durch ihre Abhängigkeit von Kennlinienformen wenig genau.
  • 2. Die Empfindlichkeit der Brücke bei Annäherung an den Al)gleichpunkt nimmt immer mehr ab, weil sie der in die Brücke eingespeisten Leistung proportional ist, die bei Annäherung an den lArückenabgleich zurückgeht.
  • Die Erfindung vermeidet nun diese Nachteile dadadurch, daß die Amplitude des die Bolometerbrücke speisenden Oszillator konstant gehalten und die im Nullzweig auftretende Wechselspannung verstärkt, gleichgerichtet und dem Bolomete rwiderstand zusätzlich zugeführt wird. Hierbei wird im Gleichrichter durch einen mit bekannten Mitteln durchgeführten Phasenvergleich mit der Oszillatorschwingung erreicht, daß nur dann ein Strom in die Brücke fließt, wenn der Bolometerwiderstand kälter ist, als es der Brückenabgleich erfordert.
  • Eine Riickfiihrung der verstärkten und gleichgerichteten Spannung des Nullzweiges ohne den genannten Phasenvergleich ist nicht angängig, da bei einem zu heißen Bolometerwiderstand ebenfalls eine Regelspannung am Brückenspeisepunkt auftreten würde. Der Phasenvergleich kann z.U. in bekannter Weise durch eine gasgefüllte Triode erfolgen, an deren Anode die Oszillatorwechselspannung und an deren Gitter die verstärkte Spannung des Nullzweiges gelegt wird. Ein Zünden der Röhre erfolgt dann nur, wenn Gitter- und Anodenwechselspannung in Phase sind. Durch die Polung des Verstärkers kann erreicht werden, daß diese Phasengleichheit nur bei einem zu kalten Bolometerwiderstand auftritt. Da die Phase der Spannung am Nullzweig das Vorzeichen wechselt, je nachdem, ob die Brücke über- oder unterabgeglichen ist, tritt bei zu heißem Bolometerwiderstand kein Zünden der gasgefüllten Triode ein.
  • Eine ähnlich wirkende Anordnung erzielt man bei Verwendung einer Hochvakuumröhre, bei der die Gleichrichtung im oberen oder unteren Knick der Steuerspannungs-Anodenstromkennlinie erfolgt, während durch Beaufschlagen des gleichen Gitters oder besser einer anderen steuerbaren Elektrode mit der Oszillatorschwingung die Abgabe eines Richtstroms in die Brücke für einen Teil der Periode der Oszillatorschwingung verhindert wird. Die Zuführung der Oszillatorspannung geschieht vorteilhaft auf ein Gitter, das von der Kathode durch mindestens ein positives Schirmgitter getrennt ist, also z. B. auf das Bremsgitter einer Pentode, weil dadurch die Steuerung der Röhre unabhängig von der, Oszillatoramplitude wird, wenn diese einen bestimmten, durch die Röhre gegebenen Betrag überschreitet. Die Gleichrichtung erfolgt zweckmäßig am steilsten verfügbaren Gitter, also meist am kathodennahen Steuergitter der Röhre.
  • Ähnlich wirkende Anordnungen können durch die bekannten Koinzidenzschaltungen der Impulstechnik hergestellt werden (vgl. Review of stientific instruments, vol. I9, I948, 5. 424 bis 427 und S. 6I7 bis 620). Ebenso können die bekannten phasenempfindl ichen Gl eichrichterbrücken dazu verwendet werden, die die Polarität der abgegebenen Gleichspannung umpolen, wenn die Phase der gleichgerichteten Wechsel spannung das Vorzeichen wechselt. Durch einen in Serie mit dem Brückenspuisepunkt gelegten Einweggleichrichter ist dann sicherzustellen, daß die Brücke für die bei zu heißem Bolometerwiderstand entstehende Gleichspannung gesperrt wird.
  • In Ausführung des Erfindungsgedankens wird die von der erwähnten Gleichrichteranordnung in die Brücke eingespeiste Leistung gemessen. Ihre Abnahme bei zusätzlicher Heizung des Bolometers durch eine zu messende Leistung zeigt unmittelbar deren Betrag an. Diese Leistungsmessung kann auch auf dem Umweg über eine Strom- oder Spannungsmessung am Bolometerwiderstand vorgenommen werden.
  • Die Zeichnung zeigt beispielsweise schematisch eine Ausführungsform der Erfindung. Der Bolometerwiderstand RB und der Vergleichswiderstand RN bilden mit dem Symmetrierübertrager Ü eine Brückenschaltung, die vom Generator G gespeist wird. Im Nullzweig der Brücke liegt der Verstärker V, dessen Ausgang das Gitter der gasgefüllten Triode T steuert. Deren Anodenspannung wird vom Generator G unmittelbar geliefert. Der Anodenstrom fließt nach Siebung durch die Kondensatoren C, und die Drosseln L über die Brücke und damit über den Bolometerwiderstand nach Erde ab.
  • Die Sperrung des Verstärkers V gegen den Gleichstrom ist durch den Kondensator C2 angedeutet. Um die volle Gleichstromleistung dem Bolometer zuzuführen, kann der Vergleichswiderstand RN durch einen Kondensator C3 gegen Gleichstrom gesperrt werden. Die der Brücke zugeführte Leistung wird im l,eistungsmesser N gemessen, kann aber ebenso durch eine Gleichstrom- oder Spannungsmessung bestimmt werden, da der Boloineterwi<lerstaiid durch den Regelvorgang gleich RN gemacht wird, also bekannt ist.
  • Der Vorteil der bescbriebenen Anordnuiig besteht darin, daß eine dem Bolometerwiderstand zugeführte \Vechselstrom- oder Strahlungsleilstung durch den Regelvorgang in eine reine Gleichstromleistung umgewandelt wird, ohne daß eine Gleichrichterkeniil inie Einfluß auf die Äfeßgenauigkeit hat. Voraussetzung ist nur, daß die Regelsteilheit genügellel groß gemacht wird. I)ies kann erreicht werden, ohne daß die Gefahr von Regelschwiiigungen besteht, da die Zeitkonstante des Verstärkers leicht kleiner als die Wärmeträgheit des Bolometers gemacht werden kann.
  • Ferner wird der Nachteil vermieden, daß, wie bei den bekannten selbstschwingenden Bolometerbrücken, die Empfiiidlichkeit der Brücke abnimmt. je näher man dem Abgleichpunkt kommt. Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die Verwendung von gittergesteuerten Gleichrichtern auch leicht hohe Gleichstromleistungen aufgebracht werden können, wenn z. B. die lrückenspeisungswechselspannuiig aus dem Netz bezogen wird. Dies ist bei der höheren Wärmeträgheit hochbelastbarer Bolometerwiderstände ohne weiteres möglich. Man bekommt dann die NIöglichkeit, Leistungssender (UKW-Rundfunksender) direkt zu messen, ohne die bei dem hier üblichen Meßverfahren auftretenden Fehlerquellen (fehlerhafte nicht phasenreine Abschlußwiderstände, Fehler der Röhrenvoltmeter, Fehler von l)ämpfungsgliedern) in Kauf nehmen zu müssen. Da man bei einer selbstschwingenden Bolometerbrücke für hohe Leistungen in der Endstufe ohnehin zur Verringerung der Röhrenkosten gasgefüllte Röhren verwenden wird, ist es vorteilhafter, gleich zu dem hier vorgeschlagenen Verfahren der automatischen Substitution durch reine Gleichstromleistung überzugehen.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Messung einer elektrischen Leistung mit Hilfe einer Bolometerbrücke, in der dem Bolometerwiderstand die zu messende Leistung und die Schwingung eines Oszillators zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Oszillatorschwtingung konstant gehalten und die im Nullzweig der Brücke auftretende Wechselspannung nach Verstärkung und Gleichrichtung dem Bolometerwiderstand zusätzlich zugeführt und zur Messung der Leistung verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen mit bekannten Mitteln in einem gesteuerten Gleichrichter durchgeführten Phasenvergleich mit der Oszillatorschwingung das Einfließen des gleichgerichteten Stromes in die Brücke verhindert wird, solange der Bolometerwiderstand wärmer ist, als es der Brückenabgleich erfordert.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleich durch eine gasgefüllte Triode erfolgt, an deren Anode die Oszillatorwechselspannung und an deren Gitter die verstärkte Nullzweigspannung liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleich durch eine gittergesteuerte Elektronenröhre erfolgt, bei der die Gleichrichtung in einem Kennlinienknick erfolgt, während die Oszillatorwechselspannung an die gleiche oder eine andere Elektrode wie die gleichzurichtende Nullzweigspannung angelegt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Verstärkung kleiner als die Wärmeträgheit des Bolometers ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenspeisewechselspannung unmittelbar aus dem Netz genommen wird.
  7. 7. Die Verwendung des Verfahrens nach Anspruch I und folgenden zur Leistungsmessung bei UKW-Sendern.
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