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Verfahren und Einrichtung zur Messung der Feldstärke in Kurzwellenfeldern
Bei
der in raschem Aufschwung begriffenen industriellen und medizinischen Anwendung
von Kurzwellen und Ultrakurzwellen (Erwärmung von Stoffen aller Art, Trocknung,
Heißverleimung von Holz, Vulkanisieren von Gummi, Töten von Kleinlebewesen, Kurzwellentherapie
usw.) wird es als ein zur Zeit unabstellbarer Mangel empfunden, daß es keine einfachen
Verfahren und Einrichtungen gibt, um die Stärke des Hochfrequenzfeldes und seine
räumliche Verteilung zu messen. Man begnügt sich deshalb notgedrungen damit, die
für die Höhe und die Verteilung des Feldes maßgebenden Faktoren, wie Elektrodenform,
Elektrodenabstand, Höhe der Spannung usw., mehr oder weniger gefühlsmäßig zu wählen
und dann auf Grund von Erfahrungen zu variieren. Wenn dann auf diese Weise für ein
bestimmtes Objekt die zweckmäßigste Anordnung und die optimalen elektrischen Daten
ermittelt sind, ist es möglich, mit ein und derselben Anordnung beliebig viele gleichartige
Gegenstände mit Erfolg zu behandeln, indem man die Elektrodenanordnung und die elektrischen
Verhältnisse immer unverändert läßt. Es ist aber bereits nicht möglich, denselben
Gegenstand z. B. mit einem Kurzwellengenerator anderer Bauart ohne erneute, unter
Umständen langwierige Einstellungsarbeit zu behandeln; noch mehr Schwierigkeiten
bereitet es, wenn die Form des Gegenstandes sich ändert, so daß unter Umständen
ganz neue Elektrodenformen entwickelt werden müssen. Vor allem ergeben sich sehr
große Schwierigkeiten, wenn manVersuchsergebnisse, die von einem Forscher gewonnen
wurden, an anderer Stelle durch andere Forscher und mit anderen Geräten zu reproduzieren
versucht.
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Besonders schwerwiegend sind diese Schwierigkeiten bei der Kurzwellentherapie,
wo man es meist dem gefühlsmäßigen Ermessen des Arztes oder eines Ge-
hilfen
überläßt, wie stark die Wirkung (die Dosis) eingestellt wird. Der Arzt richtet sich
dabei meist nach den Aussagen des Patienten über das Vorhandensein von Wärmeempfindungen,
Schmerzempfindungen usw.
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Zwar hat man bereits Mittel vorgeschlagen, um die in dem bestrahlten
Gegenstand absorbierte Gesamtleistung zu messen. Diese Methoden sind recht umständlich
und geben keinerlei Auskunft über die räumliche Verteilung der Kurzwellenenergie,
die aber für den Erfolg ausschlaggebend sein kann. Es kommt nämlich sowohl bei den
industriellen als auch bei den medizinischen Anwendungen der Hochfrequenz meist
sehr darauf an, eine ganz bestimmte Verteilung der Hochfrequenzenergie im Körper
zu erzielen. So kann z. B. eine möglichst gleichmäßige Verteilung auf das gesamte
Volumen eines Körpers erwünscht sein, wie z. B. bei der Trocknung oder Entkeimung
oder Vulkanisierung von Gegenständen. Es kann aber auch notwendig sein, bestimmte
Partien eines Körpers einer besonders starken Energie auszusetzen, wie z. B. die
Leimfuge bei der Heißverleimung oder bestimmte Körperteile bei der Kurzwellentherapie,
dagegen aber die Kurzwellenenergie in den benachbarten Partien möglichst niedrigzuhalten.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren und eine Einrichtung vorgeschlagen,
die es ermöglichen, die Stärke eines Kurzwellen- oder Ultrakurzwellenfeldes Punkt
für Punkt zu ermitteln, so daß man sich verhältnismäßig schnell ein Bild über die
räumliche Verteilung des Feldes machen kann. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird erfindungsgemäß
in das Feld, das zwischen zwei im Schnitt gezeichneten plattenförmigen Elektroden
I und 2 herrscht, ein Testkörper 3 gebracht und dessen Temperaturgradient gemessen.
Der Testkörper besteht aus einem möglichst verlustreichen Stoff, z. B. einem geeigneten
Kunststoff, wie Vulkanfiber, Trolitul usw.
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Seine Abmessungen werden im Verhältnis zur Ausdehnung des Feldes so
klein gewählt, daß er keine wesentliche Verzerrung des Feldes verursacht. Die Temperaturzunahme,
die der Testkörper unter dem Einfluß des Hochfrequenzfeldes erleidet, kann durch
Thermoelemente, Widerstandsthermometer, Flüssigkeitsthermometer, Thermo-Color-Farben
oder auch kalorimetrisch ermittelt werden. Der Temperaturgradient, d. h. die Temperaturzunahme
in der Zeiteinheit, ist ein Maß für die Stärke des Feldes im Meßpunkt.
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Versuche haben gezeigt, daß diese im Prinzip einfache Methode zur
punktweisen Ausmessung eines Hochfrequenzfeldes ausgezeichnete Ergebnisse bringt,
wenn es gelingt, die Temperaturzunahme des Testkörpers einwandfrei zu messen. Flüssigkeitsthermometer
haben für diesen Zweck vielfach zu große Abmessungen. Besser eignen sich im Regelfall
Thermoelemente. In der unvermeidlichen Zuleitung vom Thermoelement zum Meßinstrument
(Galvanometer) werden jedoch durch das Hochfrequenzfeld Ströme induziert, die eine
zusätzliche Erwärmung der Lötstellen, und zwar sowohl der warmen Lötstelle als auch
der kalten Lötstelle bringen können, die das Meßergebnis eventuell erheblich fälschen.
Selbst wenn man die Verbindung zwischen Themoelement und Galvanometer während der
Zeit, während deren das Hochfrequenzfeld eingeschaltet ist, unterbricht und beispielsweise
während dieser Zeit nur kurze Drahtenden aus dem Testkörper hinausragen läßt, die
nach Abschalten des Feldes mit den Zuleitungen zum Meßinstrument verbunden werden,
können unerträgliche Ungenauigkeiten der Messung beobachtet werden.
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Erfindungsgemäß wird daher die Messung folgendermaßen durchgeführt
(Fig. 2): Der Testkörper 4 erhält eine Bohrung, in die die Lötstelle des Thermoelementes
6 eingeführt werden kann. Um einen guten Temperaturkontakt zu erhalten, wird erfindungsgemäß
in die Bohrung Quecksilber oder Ol oder ein anderer geeigneter flüssiger Stoff eingeführt.
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Der Testkörper wird zunächst an die Stelle des Feldes gebracht, an
der die Feldstärke gemessen werden soll; das Feld wird sodann eingeschaltet und
nach Ablauf einer bestimmten Zeit wieder abgeschaltet. Sodann wird die warme Lötstelle
des Thermoelementes ohne Zeitverlust in die in der Bohrung 5 des Testkörpers enthaltene
Flüssigkeit eingeführt und der Anschlag des Galvanometers 7 abgelesen. Es hat sich
gezeigt, daß bei Verwendung von Kunststoff als Material für den Testkörper die Wärme
verluste in der Zeit, die vom Abschalten des Hochfrequenzfeldes bis zum Ablesen
des Galvanometers vergeht, so gering sind, daß das Meßergebnis nicht erheblich beeinflußt
wird. Trotz der beschriebenen Vorsichtsmaßnahmen kann es vorkommen, daß durch Streufelder
im Meßinstrument oder in den Leitungen Spannungen und Ströme induziert werden, durch
die eine Erwärmung der warmen oder kalten Lötstelle des Thermoelementenkreises entstehen
könnte. Erfindungsgemäß wird daher das Meßinstrument allseitig in einem einen Faradayschen
Käfig bildenden Metallgehäuse gekapselt, das lediglich die Skala des Instrumentes
unbedeckt läßt. Notfalls kann auch die Skala durch eine Metallklappe verdeckt werden,
die nur während der Ablesung geöffnet wird. Die Themoelementenleitung wird erfindungsgemäß
während der Zeit, während deren das Feld wirkt, ebenfalls gegen die Wirkung von
Streufeldern geschützt. Beispielsweise wird diese Leitung ebenfalls in dem Gehäuse
untergebracht, das das Galvanometer aufnimmt. Erst nach Abschalten der Spannung
wird das Thermoelement und das an dieses anschließende Ende der Verbindungsleitung
zum Galvanometer aus dem Gehäuse herausgezogen und die Lötstelle in den Probekörper
eingeführt. Es hat sich als günstig erwiesen, die Thermoelementenleitung im Ruhezustand
auf eine Rolle, die im Metallschutzgehäuse des Galvanometers untergebracht ist,
aufzuwickeln und während der Temperaturmessung von dieser Rolle abzuziehen. Das
Wiederaufwickeln nach Beendigung der Messung erfolgt am besten selbsttätig, z. B.
derart, daß beim Herausziehen der Leitung durch das damit verbundene Drehen der
Rolle eine Spiralfeder gespannt wird, die nach der Messung die Rolle zurückdreht
und die Leitung dadurch wieder aufwickelt. Fig. 3 zeigt ein Beispiel dieser Anordnung.
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Der verhältnismäßig zu groß gezeichnete Testkörper 8 enthält die mit
Flüssigkeit gefüllte Bohrung g und ist in das zwischen den Elektroden 10 und II
bestehende Hochfrequenzfeld gebracht. 12 bedeutet ein Galvanometer, das innerhalb
des Blechgehäuses I3 angeordnet ist,das durch einen Schlitz I4 die Skala Ig des
Galvano-
meters erkennen läßt. I6 bedeutet eine Rolle, die auf einer
Achse I7 drehbar gelagert ist und durch eine Spiralfeder I8 im Uhrzeigersinn gedreht
wird. Die Thermoelementenleitung Ig ist im Ruhezustand ganz auf die Rolle aufgewickelt.
Sie kann durch eine Öffnung 20 im Blechgehäuse I3 aus diesem herausgezogen werden,
wobei die rotierende Rolle6 die Spiralfeder I8 spannt. Nach Beendigung der Messung
zieht dann die Spiralfeder I8, evtl. nach Lösen einer Sperrung, die Thermoelementenleitung
wieder in das Gehäuse I3 zurück.
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Es hat sich gezeigt, daß man bei genügender Wärmekapazität und geringer
Wärmeleitfähigkeit des Testkörpers ohne weiteres mehrere an verschiedene Stellen
des Feldes gebrachte Testkörper gleichzeitig erhitzen und dann nacheinander ihre
Temperaturerhöhung messen kann.
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Es ist von Wichtigkeit für die Messung, daß das Hochfrequenzfeld
durch den Testkörper und seine Halterung möglichst wenig beeinflußt wird. Wie bereits
erwähnt, müssen die Abmessungen des Testkörpers klein sein im Vergleich zur Ausdehnung
des Feldes. Mit Erfolg wurde mit Testkörpern in Form von Kugeln oder Kreisscheiben
von ungefähr 6 mm Durchmesserund weniger gearbeitet. Für die Halterung hat sich
z. B. die in Fig. 4 in der Seitenansicht und in Fig. 5 im Schnitt gezeigte Anordnung
bewährt. Aus einem Material möglichst kleiner Dielektrizitätskonstante (Papier,
Rohr aus Pflanzenfasern, getrocknetem dünnem Holz usw.) wird ein Rahmen 21 von kreisrunder,
ovaler oder eckiger Form gefertigt. Ungefähr in seinem Mittelpunkt wird der Testkörper
durch zwei oder mehrere dünne Zwirnfäden 22 befestigt. Der Rahmen 21 wird so groß
bemessen, daß er das auszumessende Feld 24 zwischen den Elektroden 25 und 26 umfaßt
und dabei mit allen seinen Teilen außerhalb des Hauptfeldes in einem schwächeren
Streufeld liegt, zum mindesten aber das Feld am Testkörper nicht merklich beeinflußt.
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Es ist möglich, in ein und demselben Rahmen nach Fig. 6 mehrere Körper
einzubauen, so daß man das Feld gleichzeitig an mehreren Meßpunkten, im gezeichneten
Beispiel an I6 Punkten, bestimmen kann.
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27 bedeutet den Rahmen, 28 die einzelnen Testkörper und 29 die Zwirnfäden
der Aufhängekonstruktion.
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Bei einer derart großen Zahl von Meßpunkten, in denen gleichzeitig
gemessen wird, wird man allerdings mit mehreren Galvanometern messen müssen. Während
in Fig. 6 alle Meßpunkte in ein und derselben Ebene liegen, kann man nach Fig.7
die Meßpunkte auch auf mehrere Ebenen verteilen, wobei es zweckmäßig ist, den gegenseitigen
Abstand der einzelnen Meßebenen einstellbar zu machen. In Fig. 7 sind drei Meßebenen
gewählt. Für jede Meßebene wird ein besonderer, im Schnitt gezeichneter Rahmen 30,
3I bzw.
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32 verwendet. Sie sind in einer zylinderförmigen Hülse 33 verschiebbar
angeordnet. 34 und 35 sind die Elektroden, zwischen denen das auszumessende Feld
gebildet wird.
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Wie erwähnt, bestehen noch andere Möglichkeiten zur Messung des Temperaturgradienten.
Bei Feldern sehr großer räumlicher Ausdehnung, wie sie bei der industriellen Anwendung
von Kurzwellen mitunter vorkommen, kann man die Testkörper so groß bemessen, daß
ihre Temperatur durch Flüssigkeitsthermometer ohne unzulässig großen Fehler gemessen
werden kann. Man verwendet für diesen Zweck Spezialthermometer möglichst kleiner
Abmessungen mit einer Füllung aus Alkohol, Toluol o. dgl. Auch Quecksilberfüllung
hat sich bewährt. Es ist unter Umständen sogar möglich, ohne unzulässige Fehler
die Messung so durchzuführen, daß die Thermometer auch während des Kurzwellenfeldes
in den Testkörpern belassen werden. Dadurch wird das Ausmessen großer Felder sehr
bequem.
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Die Messung selbst geht nun so vor sich, daß man den Testkörper,
der zunächst Raumtemperatur angenommen hat, eine gewisse genau ermittelte Zeit,
z. B. eine Minute lang, am Meßpunkt dem Hochfrequenzfeld aussetzt und darauf die
Temperaturerhöhung bestimmt, beispielsweise in Grad Celsius; da diese Temperaturerhöhung
A t bei gegebener Dielektrizitätskonstante £ des Testkörpers und gegebener Wellenlänge
X dem Quadrat der Feldstärke Q proportional ist, kann die Feldstärke e als k V A
t ermittelt werden, wobei k eine Konstante ist, die für einen bestimmten Testkörper
und eine bestimmte Wellenlänge ohne Schwierigkeiten ermittelt werden kann. Diese
Eichung kann man z. B. so vornehmen, daß man den Testkörper in ein homogenes Feld
derselben Wellenlänge X, das zwischen zwei großen parallelen Kondensatorplatten
mit im Verhältnis zur Plattengröße kleinem Abstand d erzeugt wird, bringt und seine
Temperaturerhöhung in der Zeiteinheit mißt. Wenn die zwischen den beiden Elektroden
herrschende Spannung, die mit einem Röhrenvoltmeter, einem statischen Voltmeter
usw. gemessen werden kann, E ist, so ist die Feldstärke am Meßpunkt e =E: d. In
der Gleit chung e = k V A t ist dann nur noch k unbekannt und kann errechnet werden.
Dieser Wert von k gilt, wie erwähnt, nur für die verwendete Wellenlänge X. Er kann
für eine andere Wellenlänge umgerechnet werden v nach nach der Gleichung k' = k.
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Es ist üblich, die räumliche Verteilung der Feldstärke zeichnerisch
durch Feldlinien darzustellen, derart, daß der gegenseitige Abstand der Feldlinien,
die senkrecht zu den Linien gleichen Potentials (Äquipotentiallinien) verlaufen,
ein Maß für die an jeder Stelle des gezeichneten Schnittes herrschende Feldstärke
ergibt. In Fig.8 ist als Beispiel der Verlauf solcher Feldlinien zwischen zwei Kondensatorplatten
36 und 37 angedeutet. Eine Feldlinie 38 nimmt ihren Anfang auf der Platte 36 und
endet auf der Platte 37. Der Abstand a dieser Feldlinie 38 von der benachbarten
Feldlinie 39 ist umgekehrt proportional der Feldstärke an der betreffenden Stelle
gezeichnet, d. h. die Feldstärke ist um so größer, je dichter die Feldlinien beieinanderliegen.
Eine Äquipotentiallinie ist mit 40 angedeutet. Da es nach dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung möglich ist, die Feldstärke Punkt für Punkt zu messen, ist man in der
Lage, solche Feldlinienbilder, die für die Anwendung von Kurzwellen von großer Wichtigkeit
sind, quantitativ richtig wiederzugeben. Diese Wiedergabe wird weiterhin erleichtert,
wenn man an den einzelnen Meßpunkten außer der Feldstärke auch die Richtung der
Feldlinien
bestimmt. Hierzu dienen erfindungsgemäß leichte, langgestreckte Körper, beispielsweise
Wollfäden, Strohhälmchen o. dgl., die zweckmäßig in ihrem Schwerpunkt frei drehbar
an dem jeweiligen Meßpunkt angebracht werden und sich durch die Kraftwirkung des
Feldes in die Richtung der Feldlinien einspielen.
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Zweckmäßig werden diese die Richtung anzeigenden Körper mit dem Testkörper
vereinigt, so daß in ein und demselben Meßvorgang die Feldstärke und die Feldrichtung
ermittelt werden können. In der Fig. 8 bedeutet 41 einen Testkörper, an dem ein
derartiger Feldrichtungsanzeiger 42 angebracht ist, der sich in die Richtung der
Tangente der Feldlinie einstellt.
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Es ist mit diesem Verfahren nicht ohne weiteres möglich, die Feldverteilung
im Innern fester Körper zu messen. Aber die Kenntnis der Feldverteilung in der unmittelbaren
Umgebung eines festen Körpers läßt bereits weitgehend Schlüsse auf die Verteilung
im Körper selbst zu, so daß hierdurch eine wertvolle Hilfe für die richtige Bemessung
und Anordnung der Elektroden und für die Wahl der Hochfrequenzspannung gefunden
ist. Für grundsätzliche Untersuchungen kann man aber auch noch tiefere Einblicke
in die Verhältnisse im Innern fester Körper bekommen. Beispiele hierfür sind in
Fig. g und Io angedeutet. In der Anordnung nach Fig. g sei z. B. die Aufgabe gestellt,
eine Elektrodenform und -anordnung zu finden, durch die es möglich ist, ein möglichst
homogenes Hochfrequenzfeld in einem aus homogenem Material gefertigten Würfel zu
erzeugen, während in der Anordnung nach Fig. Io dieselbe Aufgabe für einen kugelförmigen
Körper gelöst werden soll.
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Nach den erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne weiteres möglich,
die Feldverteilung in dem Luftraum zwischen den Elektroden 43 und 44 bzw. 45 und
46 und dem Würfel 47 bzw. der Kugel 48 zu messen und nach geeigneten Anordnungen
und Formen der Elektroden zu suchen, um beispielsweise eine zu große Feldstärke
an den Kanten des Würfels 47 oder den Polen der Kugel 48 zu vermeiden. Darüber hinaus
kann man nun aus dem Würfel 47 bzw. der Kugel 48 scheibenförmige Stücke 49 bzw.
50 herausschneiden und in die dadurch entstehenden Luftzwischenräume Testkörper
51 bzw. 52 nach der Erfindung einführen. Da man die scheibenförmigen Ausschnitte
49 bzw. 50 an beliebige Stellen des Körpers legen kann, kann man auf diese Weise
die Feldverteilung über das ganze Körpervolumen messen und an Hand dieser Messungen
die Elektrodenanordnung sinngemäß ändern und verbessern. Man kann auf diese Weise
die Feldverteilung in Körpern beliebiger Form ermitteln und dadurch wertvolle Ergebnisse
für die praktische, insbesondere industrielle und medizinische Anwendung der Kurzwellenenergie
gewinnen.