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Einrichtung zum Messen einer elektrischen Leistung, insbesondere bei
hohen Frequenzen, mit einer durch einen temperaturabhängigen Widerstand stabilisierten
Schwingschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen einer
elektrischen Leistung, insbesondere bei hohen Frequenzen, mit einer durch einen
temperaturabhängigen Widerstand stabilisierten Schwingschaltung, der die zu messende
Leistung zugeführt wird.
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Es sind Einrichtungen mit Bolometern zum Dessen der elektrischen
Leistung bekannt, bei denen der einen hohen negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten
aufweisende Bolometerwiderstand in einer Wheatstoneschen Brücke liegt, deren Stromquelle
an eine Diagonale angeschlossen ist und die sich zunächst im Gleichgewicht befindet.
Durch die Zufuhr der Hochfrequenzenergie zu dem Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten
wird das Brückengleichgewicht gestört. Es sind Mittel vorgesehen, um durch Verringerung
des Brückenstroms im Bolometerwiderstand das Gleichgewicht wieder herzustellen,
sowie eine Vorrichtung, mit der die Änderung des Brückenstroms im Bolometerwiderstand
gemessen wird, die ein Maß für die dem Widerstand zugeführte Hoch-
frequenzenergie
darstellt. Die Brücke kann hierbei mit Gleichstrom oder Wechselstrom gespeist werden.
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Weiter sind solche Einrichtungen als eine durch einen temperaturabhängigen
Widerstand stabilisierte Schwingschaltung ausgebildet worden, wobei sich die Energiezufuhr
unmittelbar aus einer zusätzlichen Wechselstromquelle erübrigt. Dabei kann ein Verstärker
benutzt werden, dessen Eingang an die eine- Brückendiagonale angeschlossen ist und
dessen Ausgang die Brücke über die andere Diagonale mit dem erzeugten Wechselstrom
speist.
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Fig. I stellt eine solche Einrichtung dar.
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Darin bezeichnet I einen Widerstand mit hohem positivem oder negativem
Temperaturkoeffizienten, der gegebenenfalls in einer Hülle untergebracht sein kann.
Er bildet einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke, deren andere Zweige aus Ohmschen
Widerständen 2, 3 und 4 bestehen, die praktisch nicht temperaturabhängig sind. Eine
Diagonale der Brücke ist an den Eingangskreis des Verstärkers 5 angeschlossen, dessen
Ausgangsspannung an den anderen Diagonalpunkten liegt. Bei einer bestimmten Temperatur,
z. B. Zimmertemperatur, ist die Brücke nahezu im Gleichgewicht. Die Brücke bildet
einen Rückkopplungsweg vom Ausgangskreis zum Eingangskreis des Verstärkers 5. Nimmt
man an, daß die Brücke nicht ganz genau abgeglichen ist, so ist die Rückkopplung
positiv, und im Verstärker werden Schwingungen erzeugt, deren Frequenz im wesentlichen
durch die Induktivitäten und Kapazitäten der im Verstärker vorhandenen Kopplungsglieder
bedingt wird. Die hierbei erzeugte Schwingung treibt einen Strom durch den Widerstand
1., so daX er bei positivem Temperaturkoeffizienten einen höheren Wert als bei Zimmertemperatur
annimmt. Die Einrichtung ist derart getroffen, daß der Strom das Brückengleichgewicht
wieder herzustellen sucht, wodurch die Amplitude der erzeugten Schwingungen auf
einem nahezu konstanten Wert stabilisiert wird.
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Wenn dem Widerstand I von außen her Energie, z. B. Hochfrequenzenergie,
zugeführt wird, so wird die stets vorhandene geringe Gleichgewichtsstörung der Brücke
noch geringer, so daß auch die Rückkoppelspannung abnimmt. Die Amplitude der erzeugten
Schwingungen nimmt infolgedessen dermaßen ab, daß die Temperatur des Widerstands
I wieder nahezu gleich der ursprünglichen ist. Es darf angenommen werden, daß dabei
stets die infolge der Stromwärme im Widerstand I verlorene Energie zuzüglich der
von außen her zugeführten Hochfrequenzenergie konstant ist. Die Verringerung der
Amplitude der erzeugten. Schwingung, deren Frequenz im allgemeinen verhältnismäßig
niedrig gewählt wird, ist also ein Maß für die von außen her zugeführte Hochfrequenzenergie.
Diese kann also z. B. mittels eines Meßwerk 7 angezeigt werden, das über einen gegebenenfalls
mit einem Gleichrichter kombinierten Verstärker 6 an den Ausgangskreis des Verstärkers
5 angeschlossen ist.
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Fig. 2 zeigt eine etwas abgeänderte Ausführungsform, wobei der Widerstand
mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten in einem Schwingkreis g liegt,
der zwischen dem Steuergitter und der Kathode einer Verstärkerröhre 8 eingeschaltet
ist. Über die Rückkopplungsspule 10 im Anodenkreis wird die Energie zum Kreis g
zurückgeführt, so daß Schwingungen entstehen, die durch den Widerstand I hinsichtlich
ihrer Amplitude stabilisiert werden. Es ist dabei auch möglich, den Widerstand I
parallel zum Kreis zu schalten, in welchem Fall ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten
verwendet werden muß. Die Wirkungsweise der Schaltung ist im übrigen gleich der
der Schaltung nach Fig. I, d. h. bei Zufuhr von Hochfrequenzenergie an den Widerstand
I tritt anfangs eine Gleichgewichtsstörung ein, worauf die Amplitude der erzeugten
Schwingungen sich derart ändert, daß wieder ein stationärer Zustand eintritt.
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Es darf hierbei angenommen werden, daß die Summe der Hochfrequenz-
und der durch die Röhre 8 erzeugten Niederfrequenzenergie im Widerstand I bei Bestehen
eines stationären Zustands stets konstant ist.
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Die geschilderten Schaltungen haben den Nachteil, daß bei zunehmender
Hochfrequenzleistung der Ausschlag des Niederfrequenzvoltmeters 7 kleiner wird.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beheben, und besteht darin, daß bei einer
Einrichtung vorstehend geschilderter Art dem Kreis eine Spannung entnommen und einer
zweiten Bolometerschaltung zugeführt wird, die eine ein Maß für die dem ersten Bolometerwiderstand
zugeführte Energie darstellende Meßspannung liefert.
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Dabei kann die Ausgangsspannung der ersten BolometerschaltuXng, gegebenenfalls
nach Verstärkung, unmittelbar dem zweiten Bolometerwiderstand zugeführt werden,
der in den Rückkopplungskreis eines zweiten Verstärkers eingefügt ist. Bei einer
vorteilhaften Ausführungsform jedoch wird nur ein einziger Verstärker verwendet,
und die zwei Bolometerschaltungen schwingen in verschiedenen Frequenzen, wobei die
Schwingungen beider Frequenzen in dem erwähnten Verstärker verstärkt werden. Hierbei
werden nicht nur Verstärkerröhren eingespart, sondern die Schaltung ergibt auch
den Vorteil, daß die Anzeige weniger von Steilheitsänderungen der Röhren während
des Betriebs abhängig ist und daß beim Ersatz der Röhren durch andere mit etWas
abweichenden Eigenschaften sich die Eigenschaften der Einrichtung nahezu nicht ändern.
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Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Schaltung nach der
Erfindung, wobei entsprechende Einzelteile mit den gleichen Bezugsziffern wie in
Fig. 2 bezeichnet sind. Der Widerstand I ist dabei auf gleiche Weise geschaltet
wie in Fig. 2, und der Kreis kann auf verhältnismäßig niedrige Frequenz, z. B. 20000
Hz, abgestimmt sein. Die an einer der Elektroden, in diesem Fall am Gitter der Röhre
8, auftretende Spannung wird über eine Kopplungsspule 15 dem Steuergitter einer
zweiten Röhre II zugeführt, deren Anodenkreis zwei Kreise 12 und I3 enthält, von
denen der erstere auch auf die Fre- -quenz von 20 000 Hz und der zweite auf eine
andere
Frequenz, z. B. 2000 Hz, abgestimmt ist. Letzterer ist mit
der Spule 15 gekoppelt. Ein zweiter Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten
14 bildet einen beiden Kreisen gemeinsamen Teil.
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Bei dieser Schaltung arbeitet die Röhre II zugleich als Oszillator
für Schwingungen der zweiten Frequenz. Außerdem verstärkt sie die Schwingungen der
ersten Frequenz, wobei die verstärkten Schwingungen im Kreis I2 auftreten, der an
den Widerstand 14 Energie mit dieser Frequenz abgibt.
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Je mehr Hochfrequenzenergie dem Widerstand I zugeführt wird, desto
geringer ist die am Widerstand 14 frei werdende Energie. Bei zunehmender zu messender
Hochfrequenzenergie wird also die Dämpfung des Kreises 13 geringer, und daher nimmt
die an diesem Kreis auftretende Spannung der zweiten Frequenz zu. Diese Spannung
kann wieder mittels eines Verstärkers 6 und eines Meßwerks 7 angezeigt werden.
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Eine zweite Ausführungsform wird in Fig. 4 gezeigt. Diese Schaltung
unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß für die beiden erzeugten Frequenzen
nur eine einzige Röhre 8 verwendet wird. Zu diesem Zweck ist ein auf die zweite
Frequenz abgestimmter Kreis I6, der mit dem auf die gleiche Frequenz abgestimmten
Kreis 1.3 gekoppelt ist, in den Gitterkreis der Röhre 8 eingefügt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird ein RC-Oszillator verwendet,
der zwei Röhren 17 und I8 enthält, wobei die Anode der ersten Röhre mit dem Gitter
der zweiten Röhre verbunden ist und außerdem eine Verbindung zwischen den Kathoden
vorhanden ist, die aus der Reihenschaltung eines zweiten Bolometerwiderstands 14
und eines Kondensators besteht. Da die Kathoden über Widerstände 20 und 2I mit dem
Minuspol der-Speisequelle verbunden sind, entsteht ein Oszillator, wobei die Amplitude
der erzeugten Schwingungen durch den Widerstand 14 stabilisiert wird. Der Gitterkreis
der Röhre I7 enthält die erste Bolometerschaltung, die der nach Fig. 2 entspricht.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Solange die erste Bolometerschaltung
keine Spannung mit der Frequenz fl liefert, schwingt die KC-Schaltung mit der Frequenz
J und liefert eine bestimmte Leistung an das Bolometer 14. Liefert jedoch der erste
Oszillator Energie mit der Frequenz ft, so verringert sich die Spannung mit der
Frequenz J2, da hierbei die im Bolometerwiderstand auftretende Gesamtverlustleistung
konstant bleiben muß, damit die Schwingbedingung der RC-Schaltung erfüllt wird.
An dem auf die zweite Frequenz abgestimmten Kreis 19 wird nun eine Spannung abgegriffen,
die nach Verstärkung dem Meßwerk 7 zugeführt werden kann.
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Es wird häufig eine Nullpunkteinstellung des Meßwerks gewünscht,
d. h. eine Anzeige Null oder nahezu Null, wenn keine Hochfrequenzenergie geliefert
wird. Dies kann bei der Einrichtung nach der Erfindung stets leicht bewerkstelligt
werden, indem z. B. gleichzeitig mit dem Niederfrequenzwechselstrom ein Gleichstrom
den ersten Bolometerwiderstand durchfließt. Der Gleichstrom wird dann geändert,
bis der Ausschlag des zur Anzeige benutzten Voltmeters sehr klein ist.
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- Ein großer Vorteil eines positiven Ausschlags ist der, daß die effektive
Hochfrequenzspannung am ersten Bolometer an einem üblichen Niederfrequenzvoltmeter
abgelesen werden kann. Man verfügt auf diese Weise über ein äußerst empfindliches,
unmittelbar ablesbares thermisches Voltmeter, das bis zu vielen tausend kHz brauchbar
ist. rATE-NTANSPRtCRE: I. Einrichtung zum Messen einer elektrischen Leistung, insbesondere
bei hohen Frequenzen, mit einer durch einen temperaturabhängigen Widerstand stabilisierten
Schwingschaltung, der die zu messende Leistung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Kreis eine Spannung entnommen und einer zweiten Bolometerschaltung zugeführt
wird, die eine ein Maß für die dem ersten Bolometerwiderstand zugeführte Energie
darstellgnde Meßspannung liefert.