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Widerstandsnormal für Hochfrequenz
Es ist bekannt, daß die üblichen
dekadisch gestaffelten Stufenwiderstände bei Messungen mit höchsten Frequenzen den
Nachteil besitzen, daß ihre Eigenkapazität das Meßergebnis fälscht und durch komplizierte
Rechen- und Annäherungsmethoden eliminiert werden muß. Infolge ihrer Bauart läßt
sich die Eigenkapazität bei derartigen Widerständen nicht beseitigen und die Aufgabe,
einen phasenarmen HF-Meßwiderstand für Frequenzen bis 20 mHz zu bauen, war bisher
nicht lösbar. Welchen Betrag die Schaltkapazität eines HF-Meßwiderstandes haben
müßte, wenn der Phasen- bzw. Betragsfelder 1 # 1% nicht überschreiten darf, soll
im folgenden an einem Beispiel gezeigt werden. Für die günstigste Wahl des Widerstandsbereiches
bei einer dekadischen Regelung von 50 bis 500 Q beträgt die Schaltinduktivität:
L =< 0,5/# H und die Schaltkapazität: = 2#105 C< F # oder für f = 20 mHz und
#=1,25 @ I08 beträgt dann L=<4µ H , C=<0,16 pF.
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Die gegenwärtig gebräuchlichen Meßwiderstände haben dagegen eine
Schaltinduktivität von L 200 µ H und eine Schaltkapazität von C 4 pF.
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Wie hieraus ersichtlich, sind diese Werte um eine mehrfache Größenordnung
größer als sie eigentlich sein dürften, und es gelingt auch nicht, selbst bei einem
gedrängteren Aufbau und besonderen Maßnahmen diese Werte noch wesentlich zu verringern.
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Als Widerstandsnormal für Hochfrequenz soll gemäß der Erfindung ein
Widerstand mit veränderbarem spezifischem Leitwert (Heiß oder Kaltleiter, wie Metalloxyd-
oder Urandioxydwiderstände, Eisenwasserstoffwiderstände, Metalle, Kohle) verwendet
werden, dessen spezifischer Leitwert durch einstellbare Steuergrößen verändert und
durch Messung mittels Gleichstrom oder Niederfrequenz festgestellt werden.
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Die heutige Technik kennt eine Reihe von Materialien oder Elementen,
deren spezifischer Leitwert leicht in außerordentlich weiten Grenzen verändert werden
kann.
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Im vorliegenden Fall sind besonders vorteilhaft sogenannte Heißleiter
zu verwenden, da ihr spezifischer Leitwert mit steigender Temperatur stark zunimmt.
Solche Heißleiter in Spezialausführung werden aus gepreßten oder gebrannten Metalloxyden
hergestellt, am bekanntesten sind solche aus Urandioxyd. Der spezifische Leitwert
eines solchen Widerstandes kann daher durch Änderung seiner Temperatur, die wiederum
durch eine elektrische Steuergröße beherrscht wird, verändert werden.
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Prinzipiell können jedoch auch noch andere Heißleiter, wie Kohlewiderstände
u. dgl., oder auch Kaltleiter, wie z. B. Eisenwasserstoffwiderstände, mit großem
Temperaturkoeffizienten verwendet werden.
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Bevor ein Meßverfahren zur Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Meßwiderstandes
angegeben wird, soll noch an Hand der Zeichnung auf die Eigenschaften z. B. eines
Urandioxydwiderstandes eingegangen werden. In der Fig. I ist die Stromspannungskennlinie
U und die Widerstandskennlinie R eines solchen Widerstandes im Schaubild eingetragen,
und es ist daraus ersichtlich, daß der Widerstandswert ungefähr zwischen 20 und
I500 Q in einigermaßen linearen Stufen veränderbar ist, so daß man also eine dekadische
Regelung zwischen 50 und 500 Q leicht durchführen kann.
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Aus der Widerstandskurve ist aber auch ersichtlich, daß man in der
Abstufung noch um eine Größenordnung weiter gehen kann, ja man hat versuchsweise
schon Messungen ausgeführt, in denen der Widerstand im Verhältnis 1 : 1000 geregelt
wurde.
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Die Einstellung eines derartigen Widerstandes an Hand einer durch
Messung des Heizstromes ermittelten Eichkurve, wie sie z. B. in Fig. I dargestellt
ist, wird für genaue Messungen nicht geeignet sein, da der Widerstand auch noch
von der Raumtemperatur usw. abhängig ist. Man muß also einen gewünschten Widerstandswert
vorher oder einen eingestellten Widerstandswert nachher mit Gleichstrom oder Niederfrequenz
nachmessen oder besser noch, wie gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen wird,
man wird die Hoch- und Niederfrequenzmessung gleichzeitig durchführen. Hierdurch
werden Fehler durch zeitliche Inkonstanz ausgeschaltet. Um das zu ermöglichen, ist
es notwendig, den Ilochfrequenzkreis vom Heiz- bzw. vom Meßkreis zu trennen. In
den Fig. 2 bis 4 werden einige derartige Schaltmöglichkeiten vorgeschlagen.
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Nach der Fig. 2 werden zwei annähernd gleiche Widerstände 2R vom
Betrag je 2R für die Hochfrequenz LIF parallel geschaltet, so daß sie für diese
einen Widerstand d vom Betrag R ergeben, während sie für die Heizleitung Hz in Reihe
liegen und dadurch den Betrag von qR ergeben. Hierbei sind dann Abweichungen der
beiden Widerstände um + IoO/o ohne weiteres zulässig, denn die Reihenschaltung gibt
dann noch auf + 1/40/0 genau den vierfachen Wert der Parallelschaltung. In Fig.
3 ist ein weiteres Beispiel dargestellt, das dem in Fig. 2 dargestellten im Prinzip
ähnelt, jedoch mit der Abweichung, daß hier vier Einzelwider stände vom Betrag R
verwendet werden. Die Trennung des Hochfrequenzkreises HF vom Heizkreis HZ erfolgt
in beiden Fällen durch einen Kondensator C. Die beiden eben beschriebenen Beispiele
haben jedoch den Nachteil, daß die beiden, die Widerstände enthaltenden Zweige in
bezug auf die Hochfrequenzmessung nicht symmetrisch sind.
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Eine symmetrische Anordnung der Hochfrequenzwiderstände ist dagegen
in Fig. 4 dargestellt, bei der wieder zwei Widerstände vom Betrag 2 R in zwei Zweigen
liegen, die jedoch über zwei Kondensatoren von der Größe 2C an Erde liegen.
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Die einfachste, für einen Meßwiderstand brauchbare Schaltung ist
in Fig. 5 dargestellt. Demgemäß wird der HF-Meßwiderstand HFR in eine Niederfrequenzhilfsmeßbrücke
gelegt und es wird daml, um einen gewünschten Widerstandswert herzustellen, das
Widerstandsnormal X auf diesen Wert eingestellt und der Heizstrom durch einen Widerstand
ru so lange eingeregelt, bis Brückengleichgewicht herrscht. Beim Abgleich einer
HF-Brücke wird umgekehrt zunächst die Heizung eingeregelt und dann das Widerstandsnormal
so eingestellt, daß die Hilfsbrücke abgeglichen ist. Die Heizspannung dient gleichzeitig
als Meßspannung für die Hilfsbrücke.
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Gemäß weiterer Erfindung kann die getrennte Einstellung von Regel-
und Normalwiderstand vermieden und die Bedienung dadurch besonders vereinfacht werden,
daß man die Heizenergie vom Ausgang eines Verstärkers bezieht, dessen Eingang an
der Hilfsbrücke liegt, d. h. es wird die am Nullzweig der Hilfsbrücke herrschende
Spannung zur Steuerung der Heizung in der einen oder anderen Richtung benutzt. Dadurch
wird erreicht, daß sich der Meßwiderstand je nach der Regelsteilheit der Anordnung
automatisch bis zu + I 0/ovo oder auf einen noch geringeren Wert des Normalwiderstandes
selbsttätig nachregelt.
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Eine solche Schaltung ist in Fig. 6 dargestellt.
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Der HF-Meßwiderstand HFR liegt, wie eben beschrieben, in der Hilfsbrücke,
während an den Nullzweig I, 2 der Eingang eines Verstärkers, der aus mehreren Verstärkerröhren
Vor 1, T7R2, 4D 1
und AD2 sowie aus den zugehörien Übertragern Ü1,
Ü2, Ü3 sowie den dazugehörigen Kapazitäten und Widerständen besteht, angeschlossen
ist. Hierbei ist es zweckmäßig, die Hilfsbrücke mit Wechselstrom, insbesondere mit
Netzwechselstrom, zu betreiben. Am Ausgang des Verstäkers liegt der Übertrager Ü1,
der den Heizstrom für die Meßbrücke liefert, der sich aus der aus dem Netz und der
aus den Anoden der AD I und AD 2-Röhren entnommenen Spannung zusammensetzt. Es findet
demnach eine Modulation dieser beiden Spannungen statt, die sich dann je nach der
Phasenlage am Nullzweig der Hilfsbrücke addieren oder subtrahieren und dadurch bei
einer Änderung des Normal widerstandes N in der einen oder anderen Richtung die
Aufheizung oder Abkühlung des HF-Widerstandes und damit seine Nachregelung auf den
Wert des Normals automatisch bewirken. Die Röhren AD I und AD2 wirken daher hei
dieser Schaltung wie ein von der Aussteuerung abhängiger Regelwiderstand zwischen
Netz und Verbraucher (Brücke). Im Falle genauen Brückengleichgewichts sind also
diese Röhren gitterseitig nicht oder nur sehr schwach ausgesteuert und der Hilfsbrücke
bzw. dem HF-NIeßwiderstand wird eine mittlere Heizleistung zugeführt. Wird dagegen
die Brücke verstimmt, so werden die Röhren gesteuert, wobei es nun auf die Phase
der Steuerspannung zur Netzspannung ankommt, ob dabei ihr Widerstand wächst oder
abnimmt. Wenn die Steuerspannung z. B. gleichphasig mit der Anodenspannung (Netzspannung)
ist, so nimmt der Widerstand ab und die Heizung des Meßwiderstandes steigt und umgekehrt.
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Da die Phase der Spannungen im Brückenzweig sich umkehrt, je nachdem
ob der Meß'widerstand größer oder kleiner als der Normalwiderstand ist, so kann
durch geeignete Polung der Übertrager Ü erreicht werden, daß die Heizung zunimmt,
wenn der Meßwiderstand zu groß ist bzw. abnimmt, wenn er zu klein ist.
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Wählt man z. B. die Verstärkung so hoch, daß schon eine Verstimmung
von + I°/oo die Heizung von o auf Höchstwert regelt, und dieser Höchstwert ein Mehrfaches
des stationären Höchstwertes beträgt, so kann man erreichen, daß der Meßwiderstand
automatisch auf + I°/oo dem Normalwiderstand gleichgemacht wird. Wegen der Wärmeträgheit
des Heißleiters kann dies unter Umständen mehrere Sekunden dauern, andererseits
verhindert die große Wärmeträgheit Regelschwingungen des Verstärkers. Um die große
Wärmeträgheit des bekannen Widerstandsmaterials zu verringern, wird es daher zweckmäßig
sein, an Stelle der Stabwiderstände Röhrenwiderstände zu benutzen. Die . Aussteuerung
des Verstärkers, z. B. die Spannung an den Gittern der Endröhren AD I und 4D 2,
gibt ein Maß für die Güte des jeweilig bestehenden Brückenabgleichs. Man wird daher
nach einer Veränderung des Normalwiderstaudes so lange warten, liis die Heizleistung
nach einer vorübergehenden . Abweichung auf einen extrem großen oder kleinen Wert
wieder zu einem mittleren Wert zurückkehrt.
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Um das leicht überwachen zu können, wird in den Anodenkreis ein Gleichstrominstrument
Ja eingeschaltet, das dann die Heizleistung anzeigt, da der Anodenstrom dieser proportional
ist. Dadurch hat man die Sicherheit, daß der Meß- mit dem Normalwiderstand auf mindestens
# 1# übereinstimmt. Wegen der bereits erwähnten Wärmeträgheit des Heißleiters ist
man daher beim Abkühlen desselben auf seine Zeitkonstante angewiesen. Der Brückenfeinabgleich
geht aber trotzdem verhältnismäßig rasch vor sich, da schon bei einer Verstimmung
von IO/oo die Heizleistung abgestellt wird. Das Aufheizen des Widerstandes dagegen
läßt sich bei Anwendung einer größeren Heizleistung beliebig beschleunigen.
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Wenn man bei Hochfrequenzmessungen viele Meßreihen mit konstantem
Widerstands vert durchführen muß, kann es unter Umständen auch zweckmäßig sein,
den Widerstand in einem Thermostaten auf die dem gewünschten Widerstandswert entsprechende
Temperatur zu bringen und im Thermostaten konstant zu halten. Jedoch erfordert diese
Anordnung bereits einen größeren Aufwand von Mitteln.
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Konstruktiv wird man den Hochfrequenzmeßwiderstand zweckmäßig so
ausbilden, daß der eigentliche HF-Teil (vgl. Fig. 5 und 6) von der Regelschaltung
getrennt ist oder mit der HF-Meßbrücke unmittelbar zu einem Gerät vereinigt wird.
Das HF-Meßerät wird dann mit derVerstärkerregeleinrichtung mittels einer beweglichen
Leitung verbunden. Auch ist es zweckmäßig. das Widerstandsmaterial in einer Art
Stecker mit möglichst kapazitätsarmen Anschlußkontakten unterzubringen.
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Die Erfindung ist nicht nur auf die beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten
beschränkt, sondern umfaßt auch solche Schaltungen. bei denen mit anderen Mitteln
die selbsttätige Steuerung der Temperatur des Widerstandes in Abhängigkeit von dem
am Brückenzweig I, 2 herrschenden Potential bewirkt wird. Bei den beschriebenen
Regelmethoden erfolgte die Einregelung des Heizstromes in Abhängigkeit von einer
elektrischen Steuergröße, es ist aber durchaus möglich, bei Anwendung eines besonderen
Materials die Regelung auch durch eine andere, z. B. eine mechanische oder sonstige
physikalische Steuergröße, wie z. B. Druck. Zug.
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Vakuum od. dgl., zu bewirken.
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Gemäß der weiteren Erfindung kann ein derartiger HF-Widerstand mit
Vorteil auch in Fernsteuer- oder Fernmeßanlagen Verwendung finden. da er mittels
der über eine Fernleitung gegebenen Heizleistung mit dem an der Sendestelle angeordneten
Vergleichswiderstand in Übereinstimmung gebracht werden kann.