DE839386C - Anordnung zur Hochfrequenzleistungsmessung bei Roehrengeneratoren - Google Patents

Anordnung zur Hochfrequenzleistungsmessung bei Roehrengeneratoren

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DE839386C
DE839386C DED7408A DED0007408A DE839386C DE 839386 C DE839386 C DE 839386C DE D7408 A DED7408 A DE D7408A DE D0007408 A DED0007408 A DE D0007408A DE 839386 C DE839386 C DE 839386C
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DED7408A
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Fritz Dipl-Ing Alf
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Deutsche Edelstahlwerke AG
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Deutsche Edelstahlwerke AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R21/00Arrangements for measuring electric power or power factor

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die von einer Röhre an die nachfolgende Schaltung abgegebene Leistung ergibt sich zu Üa Amplitude der Anodenwechselspannung, a Amplitude des Anodenwechselstromes.
  • Nun läßt sich die Anodenwechselspannung #a durch die G itterwechselspannung ausdrücken, wobei der Rückkopplungsfaktor # den Proportonalitäts faktor bildet.
  • Es ergibt sich somit log Amplitude der Gitterwechselspannung.
  • 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.
  • Es ist iao Anodengleichstrom, O Stromflußwinkel.
  • Der Stromflußwinkel 0 kann aus folgender Formel berechnet werden: D Durchgriff der Röhre, Uao Anodengleichspannung.
  • 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.
  • 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.
  • Die Schwingkreisverluste, die im Leerlauf ermittelt werden, ergeben sich zu: Re Resonanzwiderstand des Schwingkreises im Leerlauf.
  • Somit werden die gesamten Verluste Um Leistungsmesser üblicher Bauart wählen zu können, teilt man zweckmäßig zfgo2 auf in ugo2=ugo#igo#Rg.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung wiedergegeben, die in Verbindung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung benutzt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das beschriebene Leistungsmeßverfahren kann angewendet werden beim induktiven oder kapazitiven Erwärmen unter Benutzung selbsterregter Röhrensender sowie bei Ulteraschallgeneratoren und Generatoren für medizinische Zwecke.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Anordnung zum Messen der Hochfrequenzwirkleistung in einem selbsterregten Röhrengenerator mit Begrenzung der Schwingungsamplitude durch Audionschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß Leistungsmeßgeräte üblicher Bauart, vorzugsweise Dynamometer, so angeschlossen werden daß Anodengleichstrom und Gittervorspannung bzw. Gitterstrom als Meßgrößen herangezogen werden; 2. Anordnung nach Anspruch I zur Messung der von einer Senderöhre an die anschließende Schaltung abgegebene Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsmeßgerät den Anodengleichstrom und die Gittervorspannung bzw. den Gittergleichstrom mißt, nachdem zum Zweck der Skaleneichung der Proportionalitätsfaktor zwischen Gitterwechselspannung und Gittergleichstrom bzw. Gittergleichspannung sowie der Rückkopplungsfaktor und der Stromflußwinkel, bei dem der Sender arbeitet, einmälig bestimmt worden sind.
    3. Anordnung nach Anspruch I zur Messung der Schwingkreisverluste einschließlich Gitterleistung, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsmeßgerät den Gittergleichstrom und die Gittervorspannung bzw. das Quadrat der Gittervorspannung oder das Quadrat des Gittergleichstromes mißt, nachdem zum Zweck der Skaleneinchung gemäß Anspruch 2 verfahren worden ist.
    4. Anordnung nach Anspruch I bis 3 zum Messen der von einem Röhrengenerator an einen zu behandelnden Körper abgegebene Wirkleistung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leistungsmeßgeräte, insl) esondere zwei Dynamokneter, in an sich bekannter Weise einachsig angeordnet werden, wobei das erste mit positivem J)r&imoment gemäß Anspruch 2 die von der Röhre abgegebene Hochfrequenzwi rkleistung und das zweite mit negativem Drehmoment gemäß Anspruch 3 die Schwingkreisverluste einschließlichGitterleistung mißt und die Skala des Gesamtgerätes unter Berücksichtigung der Proportionalitätsfaktoren gemäß Anspruch 2 und 3 so geeicht ist, daß die Differenz beider Leistungen angezeigt wird.
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