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.