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Hochfrequenz-Leistungsmesser zur Bestimmung der Wirkleistung-Die bekannten
Hochfrequenz-Wirkleistungsmesser beruhen teils auf thermischen und teils auf optischen
Meßverfahren. Die Thermoinstrumente haben den Nachteil, daß sie für die Betriebsüberwachung
wegen ihres Aufwandes wenig geeignet sind bzw. wegen ihrer geringen tlberlastbarkeit
leicht beschädigt werden können. Die optischen MeBgeräte arbeiten meist mit Hilfe
von Sofittenlampen, deren ungewendelter, gerade ausgespann#-ter Leuchtdraht einen
geringeren Radius haben muB als die durch den Skirneffekt bedingte Eindringtiefe
der Hochfrequenzenergie. Diese dünnen Drähte sind kaum überlastbar, weshalb sie,
abgesehen vom komplizierten Aufbau der Optik, für den rauhen Betrieb in der Praxis
nicht geeignet sind.
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Es sind ferner Quadranbenelektrometer bekannt, die jedoch in jedem
Fall das Vorhandensein mindestens zweier auf entgegengesetztem elektrischem Potential
liegender Elektroden und eines gegenüber diesen Elektroden aufgeladenen, drehbaren
Körpers voraussetzen.
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Zum Teil werden bei derartigen Geräten als bewegliche Körper auch
schon ein oder mehrere Metallstreifen, vorzugsweise aus Aluminium, drehbar aufgehängt
oder gelagert und einpolig mit der
gegenpoligen Hochfnequenzverbraucherleitung
über eine Kurzschlußleitung verbunden. Die bisher bekannten Geräte sind zwar für
Laboratoriumszwecke brauchbar, nicht dagegen im praktischen Betrieb zur Messung
der Wirkleistung von Industrie-Hochfrequenzgeneratoren. Der Grund dafür liegt einmal
in ihrem stoßempfindlichen und komplizierten Aufbau und zum anderen in der wesentlich
größeren Beeinflußbarkeit durch benachbarte elektrische Felder, die zu beachtlichen
Fehlmessungen führen kann.
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Im Gegensatz hierzu bezieht sich die Erfindung auf einen Hochfrequenz-Leistungsmesser
zur Bestimmung der Wirkleistung, vorzugsweise in einem Hochfrequenzverbraucherkreis
für industrielle Zwecke, bei dem in einem elektrischen Feld ein oder mehrere Metallstreifen,
vorzugsweise eine Aluminiumnadel, drehbar aufgehängt oder gelagert und einpolig
mit der gegenpoligen Hochfrequenzleitung elektrisch leitend verbunden ist. Zur Behebung
der bei den bekannten Einrichtungen aufgezeigten Nachteile ist erfindungsgemäß das
elektrische Feld ein durch eine von der Hochfrequenzleitung gebildete Schleife erzeugtes
Ringfeld und die Verbindung mit der gege-ipoligen Hochfrequenzleitung erfolgt über
einen hochohmigen Widerstand.
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Die Wirkungsweise des Hochfrequenz-Leistungsmessers nach der Erfindung
ist folgende: Der kreisförmige Leiter, der von dem dem Verbraucher zufließenden
Strom durchflossen wird, erzeugt ein die Kreisfläche senkrecht durchstoßendes, pulsierendes
Magnetfeld.. Jede Änderung einer magnetischen Feldstärke hat die Entstehung einer
elektromotorischen. Kraft zur Folge. Die Untersuchung eines solchen elektrischen
Feldes hat ergeben, daß die Feldlinien konzentrische Kreise um den Soh.leifenmittelpunkt
darstellen und die elektrische Feldstärke im Mittelpunkt der Schleife gleich Null
ist, dann zunächst linear ansteigt, um dann in der Nähe der Leiterschleife sehr
steil (etwa nach einer Exponential.furnktion) anzuwachsen. In dieses elektrische
Wechselfeld wird ein sich um den Mittelpunkt drehbarer Leiter (z. B. eine Nadel)
gebracht, dessen Ladung der in jedem Augenblick am Verbraucher liegenden Spannung
proportional ist. Es wird also auf den Leiter ein Drehmoment ausgeübt, das einerseits
in jedem Augenblick proportional dem durch die Leiterschleife fließenden Strom und
andererseits der an dem Leiter liegenden Spannung- proportional ist. Addiert man
die auftretenden Drehmomente während einer Periode des Hochfrequenzstromes, so ergibt
sich, daß das mittlere Drehmoment der Wirkleistung des Verbrauchers verhältnisgleich
ist. Auch die Ausschläge des so aufgebauten Hochfrequenz-Wirkleistungsmessers sind
der Wirkleistung verhältnisgleich. Die Eigenschaft des Instrumentes kann zuweilen
als nachteilig empfunden werden, vor allem dann, wenn der Meßbereich des Wirkleistungsmessers
vergrößert werden soll und innerhalb eines bestimmten Meßbereiches keine allzu hohen
Anforderungen an -die Meßgenauigkeit gestellt werden. In diesem Fall kann der Querschnitt
der hochfrequenzstromdurchflossenen Leiterschleife längst des Umfanges ungleichmäßig
gestaltet werden. Die Stromdichte ist dabei an den Stellen größeren Leiterquerschnittes
klein, an den Stellen kleinen Leiterquerschnittes groß. Dies hat zur Folge, daß
das elektrische Feld in der Nähe der breiten Leiterschleife einen etwas größeren
Raum erfüllt als an Stellen kleinen Leiterquerschnittes. Je größer also der Leiterquerschnitt
ist, desto kleiner ist die von dem drehbaren Leiter (z. B. Nadel) zur Wirkung kommende
elektrische Feldstärke.
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An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele und Einzelheiten
eines Leistungsmessers gemäß der Erfindung beschrieben.
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Die Fig. z zeigt die Gesamtanordnung eines Wirkleistungsmessers nach
der Erfindung, in der zur Veranschaulichung außer den Bauelementen für das Meßgerät
auch ein kapazitiver Verbraucher eingezeichnet ist. Der kapazitiv e Verbraucher
besteht aus den beiden Kondensatorelektroden z und a und dem zu behandelnden Gut
3. Die Hochfrequenzzuleitung q. führt vom Hochfrequenzgenerator zu der Elektrode
r.* In die Zuleitung 5 zur Elektrode z ist die das elektrodenlose Ringfeld bildende
kreisförmige Schleife 6 eingeschaltet. Damit das Feld innerhalb der Schleife nicht
von der Leitung 5 gestört wird, sind die Zuleitungen 7 zur Schleife so weit auf
engem Abstand parallel geführt, daß keine Feldbeeinflussung stattfinden kann. Innerhalb
der Leiterschleife 6 ist die Nadel 8, die vorzugsweise aus einem Aluminiumstreifen
besteht, drehbar aufgehängt oder gelagert. Die Aufhängung kann etwa an einem Faden
oder dünnen Draht, ähnlich wie bei einem Galvanometer, erfolgen. Die Nadel 8 ist
über einen sehr hohen ohmschen Widerstand 9 mit der Hochfrequenzzuleitung q. verbunden.
Dieser ohmsche Widerstand muß wesentlich größer sein als der durch die Nadel und
die Leiterschleife gebildete kapazitive Widerstand.
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Fließt Hochfrequenzstrom über den Verbraucher 3, so wird die Nadel
8 entsprechend dem verbrauchten Wirkstrom ausgelenkt. Die Rückstellkraft übernimmt
bei einer Aufhängung an: einem Faden oder dünnen Draht die Torsionskraft der Aufhängung,
bei einer Lagerung der Nadel eine Rückstellfeder. Da der Widerstand 9 nicht unendlich
groß gewählt werden kann, muß mit einem kleinen Fehlwinkel bei der Anzeige gerechnet
werden; dieser liegt aber entsprechend der Hochohmigkeit des Widerstandes weit außerhalb
der notwendigen Meßgenauigkeit und auch außerhalb der Meßgenauigkeit der eingangs
erwähnten bekannten Meßeinrichtungen.
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Die Einrichtung nach Fig. a enthält die gleichen Teile wie die in
Fig. r, doch mit dem Unterschied, daß die Leiterschleife 6 gegenüber der Zuleitung
5 um 9o° verdreht ist, wie es die perspektivische Darstellung und die hiermit sichtbare
Nadelaufhängung zo :erkennen läßt. Durch das Verdrehen der Schleife 6 wird erreicht,
daß von der Zuleitung kein Störfeld in der Schleife erzeugt werden kann.
Die
in Fig. i gezeigte Parallelschaltung 7 der Zu-und Ableitung der Schleife entfällt
bei dieser Anordnung.
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Der Leistungsmesser nach der Erfindung wird vorteilhaft mit einer
Dämpfungsvorrichtung versehen, wie sie bei Drehspul- oder Dreheisenmeßgeräten an
sich bekannt ist.
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An Stelle einer einzigen kreisringförmigen Leiterschleife kann auch
eine mehrwindige Ring-oder Zylinderspule gesetzt werden. Ferner ist es möglich,
an Stelle eines einzelnen Streifens zur Erhöhung des Drehmomentes mehrere zu verwenden,
die alle zentrisch innerhalb der Schleife oder Spule gelagert sind..
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Die Fig.3 zeigt eine Ausbildung der Einrichtung nach der Erfindung,
bei der zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßgerätes innerhalb der Schleife 6
zusätzlich zwei Kreisscheiben- oder Zylindersegmente i i und 12 koaxial angeordnet
sind. Diese Segmente können z. B. aus Blechstreifen aufgebaut sein, die voneinander
isoliert sind. -Bei Verwendung von isolierten Blechstreifen ist darauf zu achten,
daß deren Breite etwa der Höhe des kreisförmig gebogenen Leiters 6 entspricht.
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Die Fig.4 zeigt eine Leiterschleife mit längs ihres Umfanges ungleichmäßiger
Leiterstärke. Diese wird mit Vorteil dann angewandt, wenn auf eine nichtlineare
Anzeigeskala Wert gelegt wird.
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Die Ausbildung nach Fig.5 unterscheidet sich von den in den Fig. i
und z gezeigten Einrichtungen dadurch, daß zur Erhöhung des kapazitiven Nebenschlusses
an den Enden der Nadel 8 Querstreifen 13 parallel zur Leiterschleife 6 angebracht
sind. Diese Querstreifen 13 werden vorzugsweise aus gleichem Material wie die Nadel
8 gefertigt und dienen zur Herabsetzung des kapazitiven Widerstandes zwischen Nadel
und Schleife-. An Stelle eines kapazitiven Nebenschlusses kann auch ein ohmscher
oder induktiver Widerstand zwischen Nadel und Schleife zusätzlich eingeschaltet
werden. Der galvanische Anschluß erfolgt dann vorteilhaft an dem Punkt der Schleife
oder Spule, der der Zuleitung gegenüberliegt.
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Die Fig. 6 zeigt eine Einrichtung ähnlich Fig. 5. An Stelle einer
ringförmigen ist hier eine zylinderförmige einwindige Spule verwendet. Der Streifen
8 besteht hier aus der rechteckigen Blechfahne 14, und die Querstreifen 13 der Fig.
5 sind durch die rechtwinklig angesetzten Bleche 15 ersetzt.
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Zur Ausschlaganzeige des beschriebenen Wirkleistungsmessers kann auf
die Leiterschleife eine geeichte Skala aufgesetzt werden. Vorteilhafter wird jedoch
das gesamte Meßgerät in einem Gehäuse, z. B. aus Isolierstoff mit kleiner Dielektrizitätskonstante,
untergebracht und zur Anzeige ähnlich wie bei einem Spiegelgalvanometer ein Licht-
. zeiger vorgesehen. Das Meßgerät kann- auch in dem Schutzgehäuse eines Hochfrequenzgenerators
untergebracht sein, wobei die Anzeige mittels Lichtzeiger an der Instrumentenwand
des Generators erfolgen kann.
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Die wesentlichen Vorteile des Hochfrequenz-Leistungsmessers gemäß
der Erfindung liegen in seiner geringen Anfälligkeit gegen Überlastung und im Vergleich
zu anderen Geräten in dem geringen Aufwand an Bauelementen. Gegenüber anderen auf
elektrodynamischem Prinzip beruhenden Geräten weist er den Vorteil auf, daß auch
bei größeren Ausschlägen der Nadel der Ausschlag verhältnisgleich zu der vom Dielektrikum
aufgenommenen Wirkleistung ist. Die Anzeige ist unabhängig von der Betriebsfrequenz,
wenn man berücksichtigt, daß das Meßgerät in einem Frequenzbereich betrieben wird,
in dem die Wellenlänge noch nicht in der Größenordnung der Leiterschleife liegt.
Das Meßgerät eignet sich also besonders im Bereich der Kurzwellen und der längeren
Ultrakurzwellen.