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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.
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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.
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Diese Methode ist deshalb besonders vorteilhaft, weil dadurch der
Betrag des Bolometerwiderstandes immer auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.