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Anordnung zur Hochfrequenzleistungsmessung bei Röhrengeneratoren
Es
sind mehrere. speziell für die Leistungsmessung bei höheren Frequenzen brauchbare
Verfahren angegeben worden, so die Leistungsmessung mit der Braunschen Röhre, das
Röhrenwattmeter unter die thermischen Wattmeter, Alle diese Verfahren erfordern
einen größern Aufwand an Mittel ii und sind für die Praxis umständlich zu gebrauchen,
Besonders schwierig ist es, die von einer Röhre an dell angesclllossenen Schwingkreis
bei einen Röhrengenerator abgegebend Leistung zu bestimmen. Dies ist l) esotl (lers
darum so schwierig, weil zu diesem Zweck zunächst die am Schwingkreis auftretende
Anodenswechselspannung, bei Leistungssen (lertl oft mehrere 1000 Volt, gemessen
werden muß unter dazu noch der Strom, der von der Röhre ,<n den Schwindgkreis
abgegeben wird. Sobald der Sender nicht in A-Betrieb, sondern B- bzw.
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C-Betriel) arbeitet, was aus Gründen eines besseren Wirkungsgrades
fast immer der Fall ist, so ist der Anodenwechselstrom nicht mehr sinusförmig und
besteht aus Stromspitzen, nh. er ist sehr stark oberwellendhaltig.
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Zur Ermittlung der Wirkleistung kann jedoch nur die Grundwelle des
Anodenwechselstromes herangezogen werden, womit, die Forderung verbunden ist, daß
in die Zuleitung zum Schwingkreis ein Stromwandler eingebaut werden muß mit einem
auf die Grundwelle abgestimmten Sekundärkreis. Die Leistungsmessung stimmt dann
nur für eine bestimmte Frequenz. Wird diese geändert, müssen auch alle Stromwandler
nachgestimmt werden. Das von Pungs und R i e c h e gefundene Verfahren ermittelt
die abgegebene Leistung aus der Differenz der an den Generator gelieferten Gleichstrom-
leistung
und der am Anodenkolben der Röhre vernichteten Anodenverlustleistung. Letztere wird
pyrometrisch aus der Temperatur der Anodenbleche oder aus der Temperatur des Glaskolbens
der Röhre bestimmt. Auch dieses Verfahren ist für Betriebsmessungen zu umständlich.
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Für den Betrieb von Industriegeneratoren, wie sie für das induktive
oder kapazitive Erwärmen oder für die Elektrodiathermie oder Ultraschallbehandlung
verwandt werden, wird seit langem ein einfaches Leistungsmeßverfahren gesucht, das,
unabhängig von Frequenzänderungen, die an den zu behandelnden Körper abgegebene
Hochfrequenzwirkleistung ermittelt.
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Die Erfindung hat ein solches einfaches Verfahren zum Ziel und beruht
auf der Erkenntnis, daß die Leistung, genau wie in der Gleichstromtechnik, mit üblichen
Leistungsmeßgeräten, vornehmlich Dynamometern, ermittelt werden kann, so daß das
gesamte Meßverfahren und die benötigte Schaltung besonders einfach werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung besteht darin, Leistungsmeßgeräte
üblicher Bauart so anzuschließen, daß Anodengleichstrom und Gittervorspannung bzw.
Gitterstrom als Meßgrößen herangezogen werden. Am zweckmäßigsten werden Dynamometer
üblicher Form verwendet, d. h. also ein Produktenmeßgerät mit je einem Strom- und
Spannungspfad oder zwei Strom- oder zwei Spannungspfaden.
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Die Hochfrequenzwirkleistung eines selbsterregten Röhrengenerators,
die an den zu behandelnden Körper abgegeben wird, sei dies nun ein Werkstück oder
ein Patient oder ein Schwingkristall bei einem Ultraschallsender, setzt sich zusammen
aus der von der Senderöhre tatsächlich abgegebenen Leistung, vermindert um die Verlustleistung
des Schwingkreises einschließlich der Gitterleistung. Um diese Größen zu erfassen,
wird in Ausgestaltung des Erfindungsgedankens so vorgegangen, daß zunächst die von
der Senderöhre an die anschließende Schaltung abgegebene Leistung gemessen wird
und zum anderen die Verlustleistung, die sich aus Gitterleistung und Schwingkreisverlustleistung
zusammen-'setzt.
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Zum Zweck der Skaleneichung der genannten Meßinstrumente ist der
Proportionalitätsfaktor zu ermitteln, der, multipliziert mit den genannten Gleichstromgrößen,
die zu ermittelnde Leistung ergibt. Seine Größe wie auch die allgemeinen Grundlagen
des Verfahrens ergeben sich aus den physikaI isch - maematischen Gesetzmäßigkeiten,
die nachfolgend zusammengestellt sind.
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Die von einer Röhre an die nachfolgende Schaltung abgegebene Leistung
ergibt sich zu
Üa Amplitude der Anodenwechselspannung, a Amplitude des Anodenwechselstromes.
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Nun läßt sich die Anodenwechselspannung #a durch die G itterwechselspannung
ausdrücken, wobei der Rückkopplungsfaktor # den Proportonalitäts faktor bildet.
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Es ergibt sich somit
log Amplitude der Gitterwechselspannung.
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Bei Oszillatoren mit Widerstandskondensatorglied am Gitter (Audionschaltung)
zur Begrenzung der Schwingungsamplitude ergibt sich aus dem Gleichrichterkennlinienfeld
für das Gitter der Röhre ein linearer Zusammenhang zwischen der Gitterwechselspannung
und dem durch diese bedingten Gitterstrom bzw. der am Gitterwiderstand sich einstellenden
Gitterspannung. Es ist
ugO Gittergleichspannung. m bildet praktisch eine Konstante, solange der Generator
nicht im überspannten Zustand arbeitet, was in den praktischen Fällen nicht vorkommt.
Somit läßt sich die Anodenwechselspannung durch die Gittergleichspannung ausdrücken.
Es ist
Nach der Theorie der Senderverstärker ergibt sich, daß die Grundwelle des Anodenwechselstromes
sich aus dem Anodengleichstrom bestimmen läßt, wenn der Stromflußwinkel bekannt
ist, bei dem der Sender arbeitet.
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Es ist
iao Anodengleichstrom, O Stromflußwinkel.
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Der Stromflußwinkel 0 kann aus folgender Formel berechnet werden:
D Durchgriff der Röhre, Uao Anodengleichspannung.
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Setzt man die schon gefundenen Größen ein, so ergibt sich schließlich:
Es hat sich nun in der Praxis ergeben, daß sich der Stromflußwinkel in Abhängigkeit
von der Last nur wenig ändert, was ja auch aus Formel 7 ersicht-
lich
ist. Bei konstanter Anodengleichspannung ändert sich in Abhängigkeit von der Last
nur ugO.
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Eine Änderuiig von ugo wirkt sich auf cos (#) nur wenig aus. f(#)
Nun kann die Funktion durch folgende #(#) Gleichung wiedergegeben werden:
Bei den heutigen Industriegeneratoren arbeitet man, um einen günstigen Wirkungsgrad
zu erhalten, mit Stromflußwinkeln im Bereich # = 50 bis 70°, d. h. stark im C-Gebiet.
Stellt man Funktion 8 graf(#) phishc dar, so ersieht man, daß sich innerhalb #(#)
des Gebietes bei 0 = 50 bis 700 nur geringfügig ändert. Wenn also, und das ist auch
ein Bestandteil der erfindungsgemäßen Erkenntnis, der Stromflußwinkel sich in Abhängigkeit
von der Last nur wenig ändert, so kann fw also praktisch als Konstante angesehen
werden. Damit wird al = (1,5 + 0,5 cos #) iao- (9) Die von der Generatorröhre abgegebene
Hf-Wirkleistung ist
Die von dem Generator an das Objekt abgegebene Hochfrequenzwirkleistung ist aber
nun die mit Gleichung 10 angegebene Röhrenleistung, vermindert um den Betrag der
Gitterleistung bei selbsterregten Sendern und um die Schwingkreisverlustleistung.
l)ie Gitterleistung ist
Rg Gitterwiderstand.
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Die Schwingkreisverluste, die im Leerlauf ermittelt werden, ergeben
sich zu:
Re Resonanzwiderstand des Schwingkreises im Leerlauf.
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Somit werden die gesamten Verluste
Um Leistungsmesser üblicher Bauart wählen zu können, teilt man zweckmäßig zfgo2
auf in ugo2=ugo#igo#Rg.
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Somit wird
Wie oben schon beschrieben, wird also zunächst die Leistung gemäß Formel 10 gemessen.
Dazu wird Ciii normales Leistungsmeßgerät so geschaltet, daß dem Strompfad der Anodengleichstrom
und dem Spannungspfad die Gittervorspannung zugeführt wird. Zum Zweck der Skaleneichung
wird der Proportionalitätsfaktor P1 gemäß Formel 11 berücksichtigt.
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Mit einem weiteren Leistungsmeßgerät wird nunmehr die Verlustleistung,
betstehend aus Gitterleistung und Schwingkreisverlustleistung, gemäß Formel 14 gemessen,
wobei zur Skaleneichung der Proportionalitätsfaktor P2 gemäß Formel 15 berücksichtigt
wird. Das Meßgerät wind mit dem Strompfad an den Gitterstromkreis und mit dem Spannungspfad
an die Gittervorspannung angeschlossen.
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Die tatsächlich an den zu behandelnden Körper abgegebene Leistung
bestimmt sich als Differenz der beiden Meßwerte, die an den beiden Geräten abgelesen
werden. Rein mechanisch kann die Gesamtmessung auch derart erfolgen, daß die beiden
oben heschriebenen Meßgeräte zu einem Gerät vereinigt werden. Zu diesem Zweck werden
sie in an sich bekannter Weise einachsig angeordnet. Das erste Dynamometer wird
mit positivem Drehmoment versehen und das zweite Dynamometer wird mit negativem
Drehmoment auf die Achse aufgesetzt. Selbstverständlich kann die Skala, die auf
diese Weise den Differenzbetrag angibt, unter Berücksichtigung derProportionalitätsfaktoren
P1 und P2 geeicht werden, so daß unmittelbar die vom zu behandelnden Körper aufgenommene
Leistung angezeigt wird.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung
wiedergegeben, die in Verbindung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung benutzt wird.
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Bei I ist die Senderöhre des Generators angedeutet, bei 2 der Gitterkondensator
und bei 3 der Gitterwiderstand, an dem der Gitterstrom einen Spannungsabfall hervorruft,
so daß sich an diesem die negative Gittervorspannung einstellt. Beide Schaltelemente,
Kondensator und Widerstand, dienen dazu, die Stabilisation des Schwingungszustandes
zu begünstigen. Die Spule 4 bildet mit dem Kondensator 5 zusammen denSchwingkreis.
DasLeistungsmeßgerät 6 mißt die von der Röhre abgegebene
Hochfrequenzwirkleistung
und ist mit seinem Strompfad in den Anodengleichstromkreis eingeschaltet, während
der Spannungspfad die an dem Widerstand R1 3 abfallende Gittervorspannung mißt.
Zur Eichung dieses Leistungsmessers dienen der Slhunt, der als Widerstand R2 7 eingezeichnet
worden ist, sowie der Vorwiderstand im Spannungspfad R3 8. Diese Widerstände sind
gemäß dem Proportionalitätsfaktor P1 zu dimensionieren. Das zweite Leistungsmeßgerät
g mißt die Schwingkreisverluste einschließlich der von der Röhre verbrauchten Gitterleistung.
Zur Eichung dieses Gerätes dienen wiederum der Shunt R5 10 sowie der Vorwiderstand
R4 11, die ebenfalls gemäß dem angegebenen Proportionalitätsfaktor P2 zu bemessen
sind.
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Das Gerät ist in der gezeichneten Schaltung so eingebaut, daß der
Strompfad vom Gittergleichstrom durchflossen wird und der Spannungspfad wiederum
die Gittervorspannung mißt. Es ist selbstverständlich auch möglich, in beiden Pfaden
entweder den Gittergleichstrom oder in beiden i>faden die Gittervorspannung zu
messen. Vorteilhaft ist jedoch auf jeden Fall die Schaltung so zu verwenden, wie
sie dargestellt ist, da in diesem Fall ein Leistungsmeßgerät handelsüblicher Bauart
verwendet werden kann.
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Wenn beide Leistungsmeßgeräte auf eine Achse gesetzt werden, so kann
das gegensinnige Drehmoment des zweiten Leistungsmeßgerätes gegenüber dem ersten
Meßgerät dadurch erreicht werden, daß die I>olarität des Strom- oder Spannungspfades
vertauscht wird.
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Leistungsmeßgeräte, die mit zwei Meßsystemen auf einer Zeigerachse
arbeiten, stellen keine Sonderfertigung dar, sonden sind im Handel durchaus erhältlich.
Geräte dieser Art werden für die Drehstrom ei stungsmessung iii der bekannten Aronschaltung
verwendet.
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Das Verfahren gestattet mithin, mit einfachsten Mitteln und einer
für den 13etriel) ausreichenden Genauigkeit, d. h. mit einer meßungenauigkeit von
etwa 5 0/0, die von einem Röhrengenerator an einen zu behandelden Körper abgegebene
Hochfrequenzwirkleistung zu messen. Wegen der kurzen Zuleitungen zum Behandlungskrieis
können die Strahlungsverluste allgemein vernachlässigt werden.
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Das beschriebene Leistungsmeßverfahren kann angewendet werden beim
induktiven oder kapazitiven Erwärmen unter Benutzung selbsterregter Röhrensender
sowie bei Ulteraschallgeneratoren und Generatoren für medizinische Zwecke.