DE740617C - Process for the measurement of high frequency currents, voltages and powers by optical means - Google Patents

Process for the measurement of high frequency currents, voltages and powers by optical means

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DE740617C
DE740617C DEM139208D DEM0139208D DE740617C DE 740617 C DE740617 C DE 740617C DE M139208 D DEM139208 D DE M139208D DE M0139208 D DEM0139208 D DE M0139208D DE 740617 C DE740617 C DE 740617C
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Germany
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high frequency
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Dr Johannes Malsch
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JOHANNES MALSCH DR
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JOHANNES MALSCH DR
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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)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

Verfahren zur Messung von Hochfrequenzströmen, -spannungen und -leistungen auf optischem Wege Zur Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung für kurze und ultrakurze Wellen gibt es bisher kaum ein Meßinstrument, das gleichzeitig den folgenden, für genaue Messungen notwendig zu erfüllenden Bedingungen genügt: I. Es muß klein gegenüber der zu messenden Wellenlänge sein; 2. es muß mit Zuleitungen, die klein gegenüber der betreffenden Wellenlänge sind, in die zu untersuchende Apparatur eingebaut werden können; 3. Ablesungseinrichtungen und bei indirekter Messung die dazu .erforderlichen Meßinstrumente müssen so angebracht sein, daß eine Beeinflussung der Messung nicht möglich ist; 4. es muß frequenzunabhängig sein, oder seine Frequenzabhängigkeit muß durch Messung bzw. durch Rechnung jederzeit ermittelt werden können; 5. es darf nur geringen Energieverbrauch haben.Method for measuring high frequency currents, voltages and powers optically For current, voltage and power measurement for short and ultra-short So far there is hardly a measuring instrument that simultaneously has the following, for waves exact measurements necessary to meet the conditions: I. It must be small compared to the wavelength to be measured; 2. It must be compared with leads that are small of the wavelength in question must be built into the apparatus to be examined can; 3. Reading devices and, in the case of indirect measurement, the necessary Measuring instruments must be attached in such a way that the measurement is not influenced is possible; 4. It must be frequency independent, or its frequency dependence must be able to be determined at any time by measurement or calculation; 5. it may only have low energy consumption.

Die, Erfindung betrifft ein solches Verfahren, mit dem alle genannten Bedingungen weitgehend erfüllt werden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein fester, i3üssiger oder gasförmiger Körper oder dessen Umgebung, der von infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Strahlen getroffen wird, durch direkte oder indirekte Wirkung der zu messenden Hochfrequenzgröße (Strom, Spannung, Leistung) in seinen Strahlenbrechungs- oder -ablenkungseigenschaften unabhängig vom Polarisationszustand verändert wird und daß die dadurch bewirkte Änderung im Strahlengang zur Bestimmung der zu messenden Größe benutzt wird. Dabei können als optisches Anzeigeorgan eine oder mehrere Photozellen mit angeschlossenem Galvanometer, Elektrometer oder Verstärker verwendet werden. Die Anderung der Brechkraft des optischen Meßkörpers kann in einfacher Weise dadurch hervorgerufen werden, daß durch die Einwirkung der Hochfrequenz eine ungleichförmige Temperaturverteilung im optischen Körper erzeugt wird z. B. durch Erwärmung infolge Ohmscher oder dielektrischer Verluste oder durch Wirbelstromwärme im optischen Körper oder in seiner Umgebung. Durch geeignete Formgebung des optisch veränderlichen Körpers bzw. der mit Hochfrequenz betriebenen zusätzlichen Beeinflussungselemente können verschiedene optische Wirkungen erzielt werden. Die praktisch wichtigsten sind Linsen- oder Prismenwirkung. An sich ist ein Verfahren zur Messung hochfrequenter Wechselspannungen auf optischem Wege bereits bekannt; hierbei wird indessen eine Kerrzelle verwendet und der ihr eigene Effekt der Doppelbrechung zur Messung ausgenutzt. Bei der hier benutzten Erfindung handelt es sich nicht um den Effekt der Doppelbrechung durch Verwendung von Kerrzellen. The invention relates to such a method with which all of the above Conditions are largely met. The essence of the invention is that a solid, liquid or gaseous body or its environment, which is affected by infrared, visible or ultraviolet rays are hit, by direct or indirect Effect of the high frequency variable to be measured (current, voltage, power) in its Refraction or deflection properties independent of the polarization state is changed and that the resulting change in the beam path for determination the size to be measured is used. It can be used as an optical display organ or several photocells with a connected galvanometer, electrometer or amplifier be used. The change in refractive power of the optical measuring body can be caused in a simple manner that by the action of the High frequency generates a non-uniform temperature distribution in the optical body is z. B. by heating due to ohmic or dielectric losses or by Eddy current heat in the optical body or in its surroundings. By suitable shaping of the optically variable body or the additional operated with high frequency Influencing elements, various optical effects can be achieved. the the most important in practice are lens or prism effects. In itself is a procedure already known for measuring high-frequency alternating voltages by optical means; here, however, a Kerr cell is used and its own birefringence effect used for measurement. The invention used here is not the effect of birefringence through the use of Kerr cells.

Ein einfaches Beispiel einer Meßanordnung soll die Erfindung erläutern und ist in Bild I schematisch gezeichnet. Von der Lichtquelle I wird ein Lichtstrahlenbündel 2 aus natürlichem, nicht polarisiertem Licht durch die Blende 3 auf den in seinen optischen Eigenschaften veränderlichen Körper 4 geworfen und in diesem, je nach der Größe der ihn beeinflussenden Hochfrequenz mehr oder weniger stark abgelenkt, 2', oder deformiert (verbreitert oder verengt), auf einem Schirmt 5 aufgefangen und beobachtet. An Stelle des Schirmes können auch eine oder mehrere Photozellen oder Photoelemente 6 benutzt werden. A simple example of a measuring arrangement is intended to explain the invention and is shown schematically in picture I. From the light source I is a light beam 2 of natural, non-polarized light through the aperture 3 on the in his optical properties changeable body 4 thrown and in this, depending on distracted to a greater or lesser extent by the size of the high frequency influencing it, 2 ', or deformed (widened or narrowed), captured on a screen 5 and watched. Instead of the screen, one or more photocells can also be used or photo elements 6 are used.

Eine derartige einfache Anordnung ist nur zur Messung größerer Spannungen, Ströme oder Leistungen geeignet. Zur Messung kleiner Größen ist eine Steigerung der Empfindlichkeit erwünscht. Dies wird durch Hinzufügen weiterer optischer Mittel erreicht. Eine gewisse Steigerung läßt sich z. B. schon dadurch erzielen, daß in unmittelbarer Nähe von 4 eine Linse angebracht wird, die den Spalt 3 auf dem Schirm 5 abbildet, oder daß dem Körper 4 selbst eine solche den Strahl konzentrierende Eigenschaft erteilt wird. Ein anderes Beispiel für eine sehr empfindliche Anordnung zeigt Bild 2. Ein Strichraster 7 wird durch die Linse 8 auf ein zweites Rasterg abgebildet. Unmittelbar hinter g befindet sich das Photoelement bzw. die Photozelle 10, das mit Galvanometer, Elektrometer oder Verstärker verbunden ist. Unmittelbar hinter oder vor der Linse 8 ist der eigentliche Meßkörper, ein optische Brechung oder Ablenkung erzeugender Körper, z. B. Hitzdraht, der die umgebenden Gase ungleichförmig erwärmt, isoliert aufgestellt. Er kann starr mit 8 verbunden werden. Auf diese Stelle wird das Licht der Lichtquelle 12 durch die Linse 13 konzentriert. Der Vergleich von Bild I mit Bild 2 zeigt die sehr große über legenheit der zweiten Anordnung. Es ist eine sehr gute Ausnutzung der Lichtquelle möglich, ohne daß dadurch eine Vergrößerung des Meßkörpers notwendig ist, da gleichzeitig eine Konzentration des Lichtstrahlenbündels an dieser Stelle erreicht wird. Das Raster 7 hat den Zweck, das Strahlenbündel in feine Teilbündel zu zerlegen. Treten nun geringe Lichtablenkungen bzw. Strahlverformungen auf, so kann die Summe aller Ablenkungen der Teilbündel beobachtet werden. Wird z. B. das Raster 7 so auf dem Raster 9 abgebildet, daß die undurchlässigen Teile sich decken, so trifft bei Fehlen eines zu messenden hochfrequenten Stromes das das Raster 7 passierende Licht voll auf das Photo element. da es auch 9 ungehindert passieren kann. Falls nun bei 1 1 Ablenkungen erzeugt werden. so tritt durch Änderung der Bildlage des Rasters 7 gegenüber dem Rasterg eine Verdunkelung in 10 ein. Liegt dagegen umgekehrt die Abbildung des Rasters 7 auf Raster 9 so, daß die durchlässigen Stellen des Rasters 7 normalerweise von 9 abgedeckt werden, so erfolgt bei der Erzeugung von Ablenkungen infolge der Verschiebung der Abbildung von 7 eine Aufhellung hinter dem Raster 9. Da es sich in der Hauptsache um Intensitätsänderungen handelt, können mit Vorteil Differentialphotoelemente verwendet werden, so daß man von Lichtschwankungen der Lichtquellen selbst weitgehend unabhängig wird.Such a simple arrangement is only for measuring larger voltages, Suitable for currents or services. To measure small sizes is an increase the sensitivity is desirable. This is done by adding more optical means achieved. A certain increase can be z. B. achieve that in In the immediate vicinity of 4 a lens is attached which makes the gap 3 on the screen 5 maps, or that the body 4 itself such a concentrating the beam Property is granted. Another example of a very delicate arrangement is shown in Figure 2. A line grid 7 is through the lens 8 on a second grid pictured. Immediately behind g is the photo element or the photo cell 10 connected to galvanometer, electrometer, or amplifier. Direct behind or in front of the lens 8 is the actual measuring body, an optical refraction or distraction generating bodies, e.g. B. hot wire, which makes the surrounding gases non-uniform heated, insulated. It can be rigidly connected to 8. At this point the light from the light source 12 is concentrated by the lens 13. The comparison from picture I with picture 2 shows the very great superiority of the second arrangement. A very good utilization of the light source is possible without this causing a Enlargement of the measuring body is necessary because at the same time a concentration of the Light beam is reached at this point. The purpose of grid 7 is to split the beam into fine sub-bundles. There are now minor light deflections or beam deformations, then the sum of all deflections of the partial bundles to be observed. Is z. B. the grid 7 so mapped on the grid 9 that the impermeable parts coincide, in the absence of a high-frequency one to be measured Stromes the light passing through the grid 7 fully on the photo element. there it too 9 can pass unhindered. If now at 1 1 distractions are generated. so occurs by changing the image position of the grid 7 compared to the grid a darkening in 10 a. Conversely, if the mapping of grid 7 to grid 9 is so, that the permeable areas of the grid 7 are normally covered by 9, this takes place in the creation of deflections as a result of the shift in the image from 7 a lightening behind the grid 9. Since it is mainly a matter of changes in intensity acts, differential photo elements can be used with advantage, so that one is largely independent of light fluctuations of the light sources themselves.

Als Beispiel einer praktischen Ausführung des eigentlichen Meßkörpers ist Bild 3 beigegeben. Ein Metalldraht 14 ist in einem kreis runden Isolierstoffrahmen 15 ausgespannt, auf dessen einer Seite die Linse 16 und auf dessen anderer Seite die lichtdurchlässige Platte I7 aufgekittet ist. Mit einer solchen Anordnung konnten z. B. bei Verwendung eines Platin-Iridium-Drahtes von 14 mm Länge und 0,021 mm Durchmesser und einer 3o-Watt-Glühlampe zur Beleuchtung noch Bruchteile von Milliwatt gemessen werden. As an example of a practical implementation of the actual measuring body is attached to picture 3. A metal wire 14 is in a circular insulating frame 15 stretched, on one side of the lens 16 and on the other side the translucent plate I7 is cemented on. With such an arrangement could z. B. when using a platinum-iridium wire 14 mm long and 0.021 mm in diameter and a 30 watt incandescent lamp for lighting still measured fractions of milliwatts will.

Claims (6)

PATENTANSPRCHE: I. Verfahren zur Messung von Hochfrequenzströmen, -spannungen und -leistungen auf optischem Wege, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester, flüssiger oder gasförmiger Körper oder dessen Umgebung, der von infraroten, sic'htbaren oder ultravioletten Strahlen getroffen wird., durch direkte oder indirekte Wirkung der zu messenden Hochfrequenzgröße in seinen Strahlenbrechungs- oder Ablenkungseigenschaften unabhängig vom Polarisationszustand verändert wird und daß die dadurch bewirkte Änderung im Strahlengang zur Bestimmung der zu messenden Größe benutzt wird. PATENT CLAIMS: I. Method for measuring high-frequency currents, voltages and powers by optical means, characterized in that a solid, liquid or gaseous body or its environment, which is affected by infrared, Visible or ultraviolet rays are hit., by direct or indirect Effect of the high-frequency variable to be measured in terms of its refraction or deflection properties independent is changed by the polarization state and that the resulting change in Beam path is used to determine the size to be measured. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Meßkörper, der insbesondere Linsen- oder Prismenwirkung aufweist, derart von Hochfreqiienzleitungs oder -verschiebungsstrom durchflossen wird, daß er über seinen Querschnitt ungleichförmig erwärmt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the optical Measuring body, which in particular has a lens or prism effect, of such a high frequency line or displacement current flows through that it is non-uniform over its cross-section is heated. 3. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von Hochfrequenzstrom erhitzter Körper in der Nähe des Meßkörpers angeordnet wird. 3. Modification of the method according to claim 2, characterized in that that a body heated by high frequency current is arranged in the vicinity of the measuring body will. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Strahlenbrechung oder -ablenkung im oder am Meßkörper Strahlenintensitätsschwankungen auf einem Strahlenauffänger erzeugt und dort gemessen werden. 4. The method according to claim 1 or the following, characterized in that that due to radiation refraction or deflection in or on the measuring body, radiation intensity fluctuations generated on a beam interceptor and measured there. 5. Verfahren nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsschwankungen -durch Konzentrierung der Strahlung auf den Meßkörper vergrößert werden. 5. The method according to claim I to 4, characterized in that the Intensity fluctuations - increased by concentrating the radiation on the measuring body will. 6. Verfahren nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Meßempfindlichkeit optische Raster im Strahlengang derart angeordnet werden, daß die Überdeckung der Raster linien auf dem im Strahlengang hinter dem Meßkörper liegenden Raster und damit dessen Durchlässigkeit abhängig von der Ablenkung im oder am Meßkörper gesteuert wird. 6. The method according to claim I to 5, characterized in that for Increase in the measurement sensitivity optical grid arranged in the beam path in this way be that the overlap of the grid lines on the in the beam path behind the Measuring body lying grid and thus its permeability depending on the deflection is controlled in or on the measuring body.
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