DEP0039994DA

DEP0039994DA - Arrangement for point-by-point measurement of high-frequency fields

Info

Publication number: DEP0039994DA
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bayha Hellmuth
Original assignee: Dipl.-lng. Hellmuth Bayha, Borstel über Bad Oldesloe
Publication date: 1951-02-01

Description

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Stärke von Kurzwellen- und Ultrakurzwellenfeldern in der Weite zu ermitteln, daß Testkörper von im Vergleich zur Ausdehnung des Hochfrequenzfeldes kleinen Abmessungen, die aus einem verlustreichen Stoff hergestellt sind, in das Hochfrequenzfeld gebracht und ihr Temperaturgradient gemessen wird. Die vorliegende Erfindung ist eine weiter Ausgestaltung dieses älteren Verfahrens, die eine besondere zweckmässige Ausführung des Testkörpers und der Temperatureinrichtung ergibt.It has already been proposed to determine the strength of shortwave and ultra-shortwave fields in the width that test bodies of small dimensions compared to the expansion of the high-frequency field, which are made of a lossy substance, are brought into the high-frequency field and their temperature gradient is measured. The present invention is a further embodiment of this older method, which results in a particularly useful design of the test body and the temperature device.

Es hat isch gezeigt, daß die Messung des Temperaturanstiegs der Testkörper, die möglichst rasch und genau erfolgen muß, mit den üblichen Mitteln nicht ohne weiteres möglich ist. Das Einführen von Temperaturfühlern (Thermoelementen, Widerstandsthermometern, Flüssigkeitsthermometern usw.) in Bohrungen des Testkörpers nach Abschalten des Kurzwellenfeldes ist zeitraubend, so daß die Gefahr besteht, daß bis zur Ablegung der Temperatur diese bereits senkbar abgesunken ist. Andererseits ist es meist nicht möglich, während der Erwärmung des Testkörpers den Temperaturfühler im Testkörper zu belassen, da dadurch zusätzliche Erwärmungen und Messungenauigkeiten entstehen.It has been shown that the measurement of the temperature rise of the test bodies, which must be carried out as quickly and accurately as possible, is not easily possible with the usual means. The introduction of temperature sensors (thermocouples, resistance thermometers, liquid thermometers, etc.) into the bores of the test body after switching off the shortwave field is time-consuming, so that there is a risk that by the time the temperature is dropped, it will already have dropped. On the other hand, it is usually not possible to leave the temperature sensor in the test body while the test body is being heated, since this results in additional heating and measurement inaccuracies.

Erfindungsgemäss wird ein Temperaturfühler spezieller Form so ausgebildet und derart mit dem Testkörper zu einer Einheit vereinigt, daß die erwähnte Fehlermöglichkeit praktisch ausgeschaltet ist. Fig. 1 gibt ein Ausführungsbeispiel nach diesem Gedanken im Längsschnitt wieder. Als Temperaturfühler wird im Ausführungsbeispiel ein Flüssigkeitsthermometer üblicher Form verwendet, das jedoch für diesen Sonderzweck besonders kleine Abmessungen hat und gegebenenfalls aus besonderen Werkstoffen hergestellt ist. 1 ist der Testkörper, der entsprechend dem älteren Verfahren beispielsweise kugel- oder scheibenförmig ausgeführt ist. Er umschließt fest und unlösbar den kugelförmigen oder länglichen Gefäßteil 2 eines Flüssigkeitsthermometers, an dem sich wie üblich eine Kapillare 2 anschließt. Erfindungsgemäß ist das Gefäß 2 von dem Testkörper fest umschlossen, so daß ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen dem Testkörper 1 und dem Gefäßkörper 2 gesichert ist, dessen Wärmeübertragungswiderstand stets konstant ist. Z.B. kann man das Gefäß 2 in den Testkörper 1 um das Gefäß 2 herumpressen oder -gießen, so daß ein inniger, dauernder Kontakt entsteht.According to the invention, a temperature sensor of a special shape is designed and combined with the test body to form a unit in such a way that the mentioned possibility of error is practically eliminated. Fig. 1 shows an embodiment according to this idea in a longitudinal section. In the exemplary embodiment, a liquid thermometer of the usual form is used as the temperature sensor, which, however, has particularly small dimensions for this special purpose and is optionally made of special materials. 1 is the test body, which according to the older method, for example, spherical or is designed disc-shaped. It firmly and permanently encloses the spherical or elongated vessel part 2 of a liquid thermometer, to which a capillary 2 is connected as usual. According to the invention, the vessel 2 is firmly enclosed by the test body so that the best possible heat transfer is ensured between the test body 1 and the vessel body 2, the heat transfer resistance of which is always constant. For example, the vessel 2 can be pressed or poured into the test body 1 around the vessel 2, so that an intimate, permanent contact is created.

Es ist möglich, als Füllung für das Thermometer Quecksilber zu verwenden. Allerdings erzeugt Quecksilber wie jedes Metall auch bei kleinen Abmessungen eine oft nicht zu vernachlässigende Feldverzerrung, die insbesondere auch dadurch Messfehler verursachen kann, dass während der Messung der Quecksilberfaden steigt und somit die Feldverzerrung nicht konstant ist, sondern sich während der Messung ändert. Man wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig Thermometer mit einer Flüssigkeit kleiner Dielektrizitätskonstante verwenden, wie z.B. Tetrachlorkohlenstoff ((Epsilon) = 2,2), Petroleum ((Epsilon) = 2,1), Terpentinöl ((Epsilon) = 2,3), Toluol ((Epsilon) = 2,4), Xylol ((Epsilon) = 2,4), Benzol ((Epsilon) = 2,28) oder dergl., durch die das Feld erheblich weniger beeinflußt wird als duch eine Quecksilberfüllung.It is possible to use mercury as a filling for the thermometer. However, like any metal, even with small dimensions, mercury often creates a field distortion that cannot be neglected, which can also cause measurement errors in particular because the mercury thread increases during the measurement and thus the field distortion is not constant, but changes during the measurement. According to a further development of the invention, it is expedient to use thermometers with a liquid with a low dielectric constant, such as carbon tetrachloride ((epsilon) = 2.2), petroleum ((epsilon) = 2.1), turpentine oil ((epsilon) = 2.3) , Toluene ((epsilon) = 2.4), xylene ((epsilon) = 2.4), benzene ((epsilon) = 2.28) or the like, by which the field is significantly less influenced than by a mercury filling.

Die dielektrischen Verluste entstehen in erster Linie in dem Testkörper 1. Aber auch im Thermometer und seiner Flüssigkeit entstehen Verluste, die unter Umständen die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen können. Um den Fehler gering zu halten, verwendet man zweckmäßig Stoffe mit niedrigem Verlustwinkel. Für das Thermometer selbst kommt z.B. Quarzglas in Betracht, das mit einem Verlustwinkel von 0,1 . 10(exp)-3 erheblich günstiger ist als das üblicherweise verwendete Glas mit einem Verlustwinkel von 0,5 . 10(exp)-3 bis 13 . 10(exp)-3. Quarzglas ist auch wegen seiner kleinen Dielektrizitätskonstante von 3,7 günstiger als Glas, dessen Dielektrizitätskonstante zwischen 5 und 16 angegeben wird. Als Füllflüssigkeiten sind am günstigsten solche ohne Dipolelement, wie z.B. Benzol, das sich auch, wie aus den obigen Zahlen hervorgeht, im Bezug auf die Dielektrizitätskonstante sehr günstig verhält.The dielectric losses arise primarily in the test body 1. However, losses also arise in the thermometer and its liquid, which under certain circumstances can impair the accuracy of the measurement. In order to keep the error small, it is expedient to use materials with a low loss angle. For the thermometer itself, e.g. quartz glass comes into consideration, which has a loss angle of 0.1. 10 (exp) -3 is considerably cheaper than the commonly used glass with a loss angle of 0.5. 10 (exp) -3 to 13. 10 (exp) -3. Because of its low dielectric constant of 3.7, quartz glass is cheaper than glass, whose dielectric constant is given between 5 and 16. The most favorable filling liquids are those without a dipole element, such as benzene, which, as can be seen from the above figures, also behaves very favorably with regard to the dielectric constant.

Die Abmessungen des Testkörpers und des Temperaturfühlers sollen im Vergleich zu den Abmessungen des Feldes möglichst klein sein. Es ist möglich, den Außendurchmesser des Testkörpers beispielsweise 5 mm oder noch kleiner zu bemessen. Die Länge des Thermometers soll man so kurz wie möglich halten. Im allgemeinen ist die zunächst zu bestimmende Anfangstemperatur T(sub)1 des Testkörpers durch die Raumtemperatur gegeben, sie liegt demnach bei 18 - 20°. Die Endtemeperatur T(sub)2, die der Testkörper bei der Messung erreicht, hängt ab von der Frequenz f des auszumessenden Feldes, der Feldstärke t an dem zu messenden Punkt und der Zeit t, während der im Temperaturanstieg beobachtet wird. Soweit man die Wärmeabgabe des Testkörpers an die Umgebung vernachlässigen kann, ist der Temperaturanstieg (T(sub)2 - T(sub)1) proportional den Wert t 2 . f . t. Die Zeit t kann man willkürlich wählen. Man hat es in der Hand den Wert t jeweils so zu wählen, daß der Messbereich des Thermometers von beispielsweise 20 Celsius-Graden eben ausgenutzt wird, d.h. dem Wert (T(sub)2 - T(sub)1) entspricht, so daß man eine bestmögliche Messungsgenauigkeit erhält.The dimensions of the test body and the temperature sensor should be as small as possible compared to the dimensions of the field. It is possible to dimension the outside diameter of the test body, for example 5 mm or even smaller. The length of the thermometer should be kept as short as possible. In general, the first is too determining initial temperature T (sub) 1 of the test body given by the room temperature, it is therefore 18-20 °. The final temperature T (sub) 2 that the test body reaches during the measurement depends on the frequency f of the field to be measured, the field strength t at the point to be measured and the time t during which the temperature rise is observed. As far as the heat dissipation of the test body to the environment can be neglected, the temperature rise (T (sub) 2 - T (sub) 1) is proportional to the value t 2. f. t. The time t can be chosen arbitrarily. It is up to you to choose the value t in such a way that the measuring range of the thermometer of, for example, 20 degrees Celsius is used, ie corresponds to the value (T (sub) 2 - T (sub) 1), so that one receives the best possible measurement accuracy.

Obwohl man bereits auf Grund einer solchen Beschränkung des Messbereiches auf einen Bereich von beispielsweise 18° bis 38° sehr kurze Thermometer verwenden kann, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung noch eine weitere Verkürzung erreicht auf Grund folgender Überlegung:Although very short thermometers can already be used due to such a limitation of the measuring range to a range of, for example, 18 ° to 38 °, according to a further development of the invention, a further shortening is achieved due to the following consideration:

Die Anfangstemperatur T(sub)1 bei Beginn der Messung wird immer gleich der Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) sein, denn man wird den Testkörper und damit auch das Thermometer vor Beginn der Messung sich bis zum völligen Temperaturgleichgewicht abkühlen lassen. Es ist daher nicht unbedingt erforderlich, daß man die Anfangstemperatur T(sub)1 mit dem Thermometer des Testkörpers selbst bestimmt, sondern man kann sie mit jeden beliebigen Thermometer messen, das die Temperatur der Umgebung anzeigt. Man kann demnach beim Testthermometer den Anfangsteil der Skala völlig unterdrücken, ähnlich wie es z.B. bei Fieberthermometern üblich ist, und nur eine sehr kurze Skale verwenden, die im Grenzfall auf einen einzigen Messpunkt, beispielsweise bei T(sub)2 = 50° zusammenschrumpfen kann. Wie Fig. 2 zeigt, ragt dann die Kapillare 5 nur um wenige mm um aus dem Testkörper 4 hervor und die gesamte Messanordnung bekommt Abmessungen, die die Abmessung des eigentlichen Testkörpers nur wenig überschreiten. Die Messung geht nun fogendermaßen vor sich:The starting temperature T (sub) 1 at the beginning of the measurement will always be the same as the ambient temperature (room temperature), because the test body and thus also the thermometer will be allowed to cool down to complete temperature equilibrium before starting the measurement. It is therefore not absolutely necessary to determine the initial temperature T (sub) 1 with the thermometer of the test body itself, but can be measured with any thermometer that shows the temperature of the environment. You can therefore completely suppress the initial part of the scale with the test thermometer, similar to e.g. clinical thermometers, and only use a very short scale, which in the borderline case can shrink to a single measuring point, for example at T (sub) 2 = 50 °. As FIG. 2 shows, the capillary 5 then protrudes from the test body 4 by only a few mm and the entire measuring arrangement has dimensions which only slightly exceed the dimensions of the actual test body. The measurement now proceeds as follows:

Man bringt bei ausgeschaltetem HF-Feld eine Vorrichtung nach Fig.2 an den Messpunkt und bestimmt durch ein beliebiges Thermometer die Umgebungstemperatur und damit die Temperatur T(sub)1, z-B- zu 20°C- Dann wird in einem bestimmten Zeitpunkt t(sub)1 das HF-Feld eingeschaltet und im Zeitpunkt t(sub)2, in dem ds Thermometer 5 die Marke 6 für T(sub)2 (z.B: 50°C) eben erreicht hat, wieder abgeschaltet. Man hat damit den Temperaturanstieg T(sub)2 - T(sub)1 in der Zeit t(sub)2 - t(sub)1 bestimmt und kann hieraus die Feldstärle m Messpunkt ermitteln.With the HF field switched off, a device according to Fig. 2 is brought to the measuring point and the ambient temperature and thus the temperature T (sub) 1, e.g. to 20 ° C, is determined by any thermometer, then at a certain point in time t (sub ) 1 the HF field switched on and switched off again at time t (sub) 2, in which the thermometer 5 has just reached mark 6 for T (sub) 2 (e.g. 50 ° C). The temperature rise T (sub) 2 - T (sub) 1 in the time t (sub) 2 - t (sub) 1 has thus been determined and the field strengths at the measuring point can be determined from this.

In manchen Fällen kann es unbequem und unsicher sein, die Ausgangstemperatur T(sub)1 durch ein anderes Thermometer zu messen. Um dies zu vermeiden und trotzdem kleine Thermometer für den Testkörper zu erhalten, kann man eine Anordnung nach Fig. 3 verwenden. Das hier skizzierte Thermometer hat ebenfalls eine sehr kurze Skala, auf der jedoch 2 Temperaturen markiert sind, nämlich eine untere (Anfangs-) Temperatur T(sub) 2 und eine obere (End-) Temperatur T(sub)2- Für T(sub)1 wählt man zweckmäßig eine Temperatur, die eben noch über der höchst vorkommenden Raumtemperatur liegt, beispielsweise 25°C. Für T(sub)2 wählt man eine Temperatur von beispielsweise 50° wie im obigen Beispiel. Den räumlichen Abstand der beiden Marken macht man zweckmäßig so klein wie möglich, z.B. dadurch, daß man, wie in Fig. 3 angedeutet, die Kapillare zwischen diesen beiden Meßpunkten erweitert. 7 bedeutet den Testkörper, S die Kapillare des Thermometers, 9 und 10 die beiden Marken für die Temperaturen T(sub)1 und T(sub)2 und 11 die Erweiterung der Kapillare zwischen den Marken.In some cases it can be inconvenient and unsafe to use another thermometer to measure the initial temperature T (sub) 1. In order to avoid this and still obtain small thermometers for the test body, an arrangement according to FIG. 3 can be used. The thermometer sketched here also has a very short scale, but 2 temperatures are marked on it, namely a lower (initial) temperature T (sub) 2 and an upper (final) temperature T (sub) 2- for T (sub ) 1 it is advisable to choose a temperature that is just above the highest room temperature, for example 25 ° C. For T (sub) 2, a temperature of 50 °, for example, is chosen as in the above example. The spatial distance between the two marks is expediently made as small as possible, e.g. by widening the capillary between these two measuring points, as indicated in Fig. 3. 7 denotes the test body, S the capillary of the thermometer, 9 and 10 the two marks for the temperatures T (sub) 1 and T (sub) 2 and 11 the widening of the capillary between the marks.

Angenommen sei, die Raumtemperatur bei der Messung betrage etwa 20°C. (Ihre genaue Bestimmung ist nicht erforderlich) Die Messung wird nun folgendermaßen durchgeführt. Das Thermometer wird an dem Meßpunkt gebracht, das Feld wird eingeschaltet und in einiger Zeit, nämlich in dem zu bestimmenden Zeitpunkt t(sub)1, wird die Marke T(sub)1 erreicht. In diesem Zeitpunkt t(sub)1 wird eine Stoppuhr in Tätigkeit gesetzt. Das Thermometer steigt weiter und erreicht in dem Zeitpunkt t(sub)2 die Marke T(sub)2. Im Zeitpunkt t(sub)2 wird die Stoppuhr stillgesetzt. Der Temperaturanstieg in der Zeit t = (t(sub)2 - t(sub)1), die von der Stoppuht angezeigt wird, beträgt demnach T(sub)2 - T(sub)1, woraus wiederum die Feldstärke ermittelt werden kann.Let us assume that the room temperature during the measurement is around 20 ° C. (It is not necessary to determine it precisely) The measurement is now carried out as follows. The thermometer is brought to the measuring point, the field is switched on and in some time, namely at the point in time t (sub) 1 to be determined, the mark T (sub) 1 is reached. At this point in time t (sub) 1, a stop watch is activated. The thermometer continues to rise and at time t (sub) 2 it reaches the mark T (sub) 2. The stopwatch is stopped at time t (sub) 2. The temperature rise in the time t = (t (sub) 2 - t (sub) 1), which is indicated by the stop, is accordingly T (sub) 2 - T (sub) 1, from which the field strength can be determined.

Eine besonders günstige und genau arbeitende Anordnung erhält man, wenn man den Testkörper aus durchsichtigen Material ausführt und das ganze Thermometer im Innern des Testkörpers unterbringt, so daß auch die Kapillare nicht aus dem Testkörper herausragt. Es ist hierbei möglich, nach Fig.4 den Testkörper so auszuführen, daß das Gefäß und die Kapillare des Thermometers in dem Testkörper eingearbeitet sind, so daß Testkörper und Thermometer völlig zu einer Einheit verschmelzen und der Wärmeübergang vom Testkörper auf die Flüssigkeit ein Optimus wird. 12 ist der Testkörper, 13 das im Testkörper ausgesparte Thermometergefäß, 14 die Kapillare und 15 die Marke für T(sub)2 (entsprechend Fig.2,Teil 6).A particularly favorable and precisely working arrangement is obtained if the test body is made of transparent material and the entire thermometer is housed inside the test body so that the capillary does not protrude from the test body either. It is possible here to design the test body according to FIG. 4 in such a way that the vessel and the capillary of the thermometer are incorporated into the test body so that the test body and thermometer completely fuse into one unit and the heat transfer from the test body to the liquid becomes an optimus. 12 is the test body, 13 the thermometer vessel cut out in the test body, 14 the capillary and 15 the mark for T (sub) 2 (corresponding to FIG. 2, part 6).

Die Temperatur T(sub)2 wählt man höher, je stärker das auszumessende Feld ist. Man wird sich demnach verschiedene Testkörper nach vorlie- gender Erfindung bereitlegen, mit verschieden hoher Temperatur T(sub)2 und die jeweils benutzten Körper entsprechend den jeweiligen Bedingungen auswählen. Bei der medizinischen Kurzwellentherapie, bei der mit schwachen Feldern gearbeitet wird, wählt man z.B. Testkörper, deren Thermometer eine Differenz der Temperaturmarken T(sub)2 - T(sub)1) von nur einigen Grad, z.B. ff5 Celsiusgraden, aufweist. Bei indurstrieller Anwendung von Hochfrequenzfeldern, z.B. für Heißverleimungen, Trocknungen usw. wird man dagegen auch Testkörper mit Termperaturdifferenzen (T(sub)2 - T(sub)1) von 50 Celsiusgraden und mehr benützen.The temperature T (sub) 2 is chosen to be higher, the stronger the field to be measured is. One will therefore look at different test specimens according to the gender invention, with different high temperatures T (sub) 2 and select the respective body used according to the respective conditions. In medical short-wave therapy, where weak fields are used, one chooses, for example, test bodies whose thermometer shows a difference in temperature marks T (sub) 2 - T (sub) 1) of only a few degrees, e.g. ff5 degrees Celsius. In the industrial application of high-frequency fields, e.g. for hot gluing, drying, etc., on the other hand, test specimens with temperature differences (T (sub) 2 - T (sub) 1) of 50 degrees Celsius and more will also be used.

Wenn größere Felder ausgenommen werden müssen, kann man jeweils gleichzeitig in einer größeren Anzahl von Messpunkten je einen Testkörper nach dieser Erfindung anordnen. Man kann nun entweder alle Thermometer gleichzeitig ablesen, nachdem das Feld eine bestimmte Zeit gewirkt hat; hierbei werden Thermometer mit ausgedehnter Skala nach Fig.1 verwendet. Die Thermometer können in diesem Fall ähnlich Fieberthermometern so gebaut werden, daß die Flüssigkeitssäule bei Temperaturrückgang nicht ohne weiteres wieder sinken kann. Bei Einrichtungen nach Fig. 2 - 4 werden die Thermometer nicht gleichzeitig abgelesen, sondern man bestimmt für jedes einzelne Thermometer die Zeitspanne, in denen der Flüssigkeitsfaden die Marke T(sub) 2 erreicht.If larger fields have to be excluded, a test body according to this invention can be arranged at the same time in a larger number of measuring points. You can now either read all the thermometers at the same time after the field has acted for a certain time; thermometers with an extended scale as shown in FIG. 1 are used here. In this case, the thermometers can be built similar to clinical thermometers in such a way that the liquid column cannot easily fall again when the temperature drops. In devices according to FIGS. 2-4, the thermometers are not read at the same time, but the period of time in which the liquid thread reaches the mark T (sub) 2 is determined for each individual thermometer.

Claims

1. Arrangement for point-by-point measurement of shortwave and ultra-shortwave fields, characterized by a hollow body (test body) made of a material with dielectric losses, which encloses the vessel of a liquid thermometer on all sides with good thermal contact.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that substances of low dielectric constant and low dielectric losses are used as the material for the thermometer and its liquid, for example quartz glass and benzene.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the thermometer is designed with a very short scale which protrudes only a few centimeters above the surface of the test body (Fig.1).

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the scale on a single temperature point of, for example, T (sub) 2 = 50 ° is reduced and accordingly designated and / or shaped. (Fig. 2)

5. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the scale indicates only 2 designations for limit temperatures T (sub) 1 and T (sub) 2, the distance between these two marks by widening the capillary between the marks as small as possible is held (Fig. 3).

6. Arrangement according to claim 1, 2, 4 or 5, characterized in that the test body consists of transparent material and that thermometer housed BEZW in its interior. is cut out (Fig. 4).