DE1941341A1 - Wattmeter - Google Patents

Description

Wattmeter

Die Erfindung "betrifft ein Wattmeter zum Messen von Hochfrequenzleistungen und insbesondere- ein Wattmeter zur Verwendung in einem System mit einem Hochfrequenzgenerator, der mit einer einzigen Frequenz arbeitet und Leistung an eine Verbraucherstelle mit veränderlicher Induktanz liefert. Biese Systemcharakteristiken findet man in elektrodenlosen. Gaserregungsvorrichtungen (Plasmamaschinen), für die das Wattmeter gemäß der Erfindung am zweckmäßigsten Verwendung finden kann.

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Uattmeter allgemein und solche, die besonders zum Messen von Leistung bei Hochfrequenz ausgelegt sind, sind durch ein breites Bandansprechen innerhalb des Hochfrequenzbereichs gekennzeichnet und müssen deshalb notwendigerweise Mittel enthalten, um Änderungen in den Betriebsbedingungen auszugleichen, die mit Änderungen in der Frequenz einhergehen. Bei der Schaffung eines Wattmeters, das Messungen bei jeder beliebigen Frequenz innerhalb des Hochfrequenzbandes vornehmen kann, ist es erforderlich, Kompromisse für andere Betriebscharakteristiken zu machen, beispielsweise in der Höhe der Leistung, der sie widerstehen können, ehe sie beschädigt werden. Darüber hinaus sind bekannte Wattmesser relativ unempfindlich gegen Änderungen in den Belastungsimpedanzeharakteristiken," Während diese Nachteile bekannter Wattmeter bei Systemen zur iunksignalübertragung keine Schwierigkeiten machen, bei denen die libertragungsantenne eine relativ konstante Belastung darstellt und die Größe der reflektierten Leistung auf ebenso unter 100 Watt mühelos kontrollierbar ist, macnen die Betriebsbedingur.. ;n, die in Plasmamaschinen herrschen, solche bekannten Vorrichtungen vollkommen ungeeignet. Eine Plasmamaschine ist gekennzeichnet durch eine veränderliche Belastungsimpedanz, die bei normalen Betriebsbedingungen praktisch verschwinden kann, so daß der Übertragungsleitung der Zustand eines offenen otromendes auferlegt ist, die Leistung zu den Reaktionskammern des Systems liefert. Bei dem Entstehen eines solchen Zustandeβ mit am Ende auf einem Stromkreis ist es möglich, daß die gesamte Leistung in dem System zurück zur Quelle läuft, wodurch das Wattmeter einer Rücklaufleistung in einer Größe ausgesetzt sein kann, die gleich der ist, welche für die Vorlaufübertragung angesetzt ist. Dabei handelt es sich nach dem derzeitigen Stand der Technik uia ca. 1000 Watt.

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Ira übrigen ist es nicht gana richtig, bekannte Wattmeter als zum ütand der Technik gehörig zu bezeichnen, da solche Wattmeter für Betriebsbedingungen ausgelegt sind, die von aenen vollkommen entferntliegen, die in Plasmamaschinen herrschen. Bas Vattiaeter gemäß der Erfindung, das sum Erfüllen der Betriebsbedingungen in einer PlasmanaEchine ausgelegt ist, eignet sich nicht für Anwendungsfälle, bei denen bekannte Wattmeter recht zufriedenstellend arbeiten.

Demgemäß bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Wattmeters für Systeme, insbesondere Plasmamaschinen, bei denen Leistung mit einer feststehenden Hochfrequenz durch eine koaxiale Übertragungsleitung Heaktionskamraern zugeleitet wird, die in der Übertragungsleitung eine veränderliche Belastungsimpdedanz darstellen. Weiter soll geiiäß der Erfindung ein Wattmeter zum Hessen von Leistung bei einer festliegenden Hochfrequenz geschaffen werden, das sehr empfindlich auf ReaktanEkonpon^nten einer Belastung sowie auf die Gesamtgröße der Belastunginipedans anspricht.

Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Pig. 1 ein elektrisches Schaltbild der Erfindung in Kombination mit anderen Teilen einer Plasmamaschinenanlage ,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild eines elektrisch äquivalenten Stromkreises des Wattmeters- gemäß der Erfindung,

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Pig. 3 . ein Schaubild des Wattmeters gemäß der Erfindung

und
Pig. 4 eine Endansicht des Wattmeters in Blickrichtung der Linie 4-4 der Fig. 3.

Elektrodenlose GaBerregungs'vorrichtungen, die häufiger Plasmamasohinen genannt werden, arbeiten so» daß ein Gasplasma relativ niedriger (Temperatur geschaffen wird. Gasplasma niedriger !Temperatur hat sehr wichtige Anwendung in verschiedenen Industriebereichen gefunden, von denen die bekannteste die Halbleiterindustrie ist, bei der Tieftemperaturplasma verwendet wird, um einen Fotowiderstand von Silikonplättchen während des Verfahrens der Herstellung von Pestkörperbauteilen zu entfernen. Plasmamaschinen werden ferner bei anderen Herstellungsverfahren sowie in Verbindung mit diagnostischen Arbeiten verwendet, bei denen Proben von zu analysierenden Stoffen in einer Reaktionskammer einer Plasmamaschine eingelegt werden, um ein Veraschen bestimmter Bestandteile der Probe bei relativ tiefen Temperaturen zu ermöglichen, um damit die übrigen Teile der Probe zu erhalten.

Die Grundbauelemente einer Plasmamaschine Bind ein Hochfrequenzgenerator 11, der zur Lieferung von Leistung mit einer einzigen Frequenz ausgelegt ist, (13»56 Megahertz), eine koaxiale Übertragungsleitung 12, die von dem Generator Leistung an einen Umformer 13 liefert, der den Generator auf die Belastung abstimmt, wie sie von dem Plasma^ 14 dargestellt wird. Der Generator 11 und die Übertragungsleitung 12 haben charakteristische Impedanzen, die durch eine entsprechende Schaltkreisanordnung abgestimmt sind. Es ist dabei erforderlich, daß die elektrische Verbindung zwischen dem jeweiligen Bauelement impedanzweise abgestimmt wird, da das Vorhandensein eines Impedanzabstimmungsfehlers dazu führt, daß ein bestimmter Anteil der von dem Generator 11 gelieferten Leistung

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vom Teil, an dem der Abstimmungsfehler vorliegt, in Richtung auf den Generator zurückläuft, um damit den Wirkungsgrad in dem Betrieb der Anlage zu verringern. Da es wichtig ist, zu wiesen, wieviel Leistung der Generator in einem gegebenen Fall liefert, um die Betriebsbedingungen richtig anzugeben, bei denen ein Versuch oder ein Herstellungsverfahren durchgeführt wird, ist ein Wattmeter 16 in die koaxiale Übertragungsleitung 12 eingeschaltet, um die Leistung zu messen, die vom Generator 11 zum Plasma 14 geliefert wird, und um ferner das Vorhandensein von Bücklaufleistung in der Anlage aufzuspüren, falls eine solche Rücklaufleistung vorliegt. Es ist außerdem wichtig, das Vorhandensein von Reaktanzkomponenten in der Belastung aufzuspüren, und das Wattmeter gemäß der Erfindung erbringt diese Funktion in einer Weise, die bekannten Wattmetern überlegen ist, worauf noch einzugehen sein wird.

Da der Generator 11 mit einer einzigen festgelegten Frequenz (13,5 Megahertz) arbeitet, kann die gesamte Anlage mit der Sicherheit ausgelegt werden, daß sie nur einer einzigen Frequenz ausgesetzt wird, um damit die ideale Bedingung erwarten zu können, daß keine Impedanzabstimmungsfehler vorliegen und damit eine Rücklaufleistung in der Anlage von Null vorliegt.

Das Plasma 14 wird dadurch erzeugt, daß man Gas bei vermindertem Druck in einen Behälter einem elektrischen Feld unter Hochfrequenz aussetzt, das dazu führt, daß das Gas erregt und in einigen Fällen ionisiert wird. Beim Reagieren des Gases auf die Hochfrequenzleistung, die in es igniziert wird, zeigt es Impedanzcharakteristiken, die sich mit der Änderung der Plasmaverhältnisae ändern (Druck, Strömungsgeschwindigkeit usw.), derart, daß das Plasma nicht als eine Belastung behandelt werden kann, die eine festliegende Impedanz hat. Die Anlage hat alao die naturbedingte Fähigkeit, »ine Abstimmungsdiskrepanz am Eingang zur Belastung zu erzeugen*

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Um die Abstimmungsdiskrepanz zwischen der Übertragungsleitung 12 und dem Plasma 14 auszuschalten, ist es bekannt, einen Umformer 15 zwischen das Plasma und die Übertragungsleitung einzuschalten. Der Umformer 13 ist von Hand einstellbar, um dessen ImpedanzCharakteristiken zu ändern', um sich mit dem Plasma 14 zu verbinden und an die Übertragungsleitung 12 eine effektive Impedanz zu geben, die mit der der Übertragungsleitung übereinstimmt, um damit die Abstimmungsdiskrepanz auszuschalten, die anderenfalls den Wirkungsgrad des Generators 11 im großen Maße verringern würde. Das Wattmeter 16 spürt Rücklaufleistung auf, die eine Abstimmungsdiskrepanz zwischen der Übertragungsleitung 12 und der Umformer-Plasmabelastung anzeigen, um damit der Bedienungsperson der Maschine Kenntnis davon zu vermitteln, daß der Umformer auf irgendeine andere Einstellung umgestellt werden muß, um die Impedanzabstimmung zwischen der Übertragungsleitung un„d der Belastung zu verbessern. Nachdem der Umformer ordnungsgemäß eingestellt worden ist, um alle Rücklaufleistung auszuschalten, kann das Wattmeter dann die von dem Hochfrequenzgenerator 11 gelieferte Leistung genau messen, worauf noch einzugehen sein wird.

Das Wattmeter 16 ist in der Form eines Abschnitts einer Übertragungsleitung konstruiert, das die gleichen ImpedanzCharakteristiken wie die Übertragungsleitung 12 hat, um keine Störung im Gleichgewicht der Anlage hervorzurufen. Da das Wattmeter nur vorgesehen ist, um Messungen der Anlage vorzunehmen und die Funktion der Anlage nicht direkt zu beeinflussen, ist die Tatsache, daß es selbst keinen Einfluß auf die Funktion, des Systems hat, ein sehr wichtiges Merkmal, das bei bekannten Torrichtungen fehlt.

Die Übertragungsleitung 12 besteht aus genormtem 50-Ohm-Koaxialkabelj, was es erforderlich macht, daß die charakteristische Impedanz des Wattmeters 16 ebenfalls 50 Ohm beträgt. Da die Impedanz einer Über-

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tragungsleitung eine Punktion des Verhältnisses der Durchmesser der innenliegenden Leiter und des äußeren Schirms ist, ist das Wattmeter 16 aus einem Abschnitt einer Übertragungsleitung mit einem richtigen Verhältnis der Durchmesser geformt, um eine charakteristische Impedanz zu liefern, die zu der der Leistung identisch ist, in der es eingesetzt wird. Das Verhältnis des Durchmessers des ineren Leiters 17 des Wattmeters und des äußeren Schirms 18 ist also identisch zu dem Verhältnis der entsprechenden Teile der Übertragungsleitung 12, so daß elektrisch keine Impedanzunregelmäßigkeiten in der Leitung vorliegen. Die Gesamtquerschnittsgröße des Wattmeters ist größer als die der Leitung 12, um die Aufnahme von HilfsStromkreisen zu ermöglichen.

Der Umformer 1$ weist, wie das bekannt ist, einen Regelkondensator 19 auf, der zur Übertragungsleitung 12 parallelgeschaltet ist, sowie einen Regelinduktor 21, der mit der Übertragungsleitung in Reihe geschaltet ist. Der Kondensator 19 und der Induktor 21 werden während des Betriebs der Anlage verändert, um die vorgesehene Kombination mit den Widerstands- und Kapasitätseigenschaften des Plasmas 14 herzustellen (wie das durch die gestrichelten Linien dargestellt ist). Dadurch wird die gewünschte Eingangsimpedanz für die Belastung erzeugt, die auf die Ausgangsirapedanz der Leitung 12 abgestimmt ist. Da die Impedanz der Übertragungsleitung 50 Ohm reinen Widerstands beträgt, ist es erforderlich, daß dann, wenn alle Rücklaufleistung ausgeschaltet werden soll, der Umformer 15 elektrisch eine funktionelle Verbindung mit dem Plasma 14 eingeht, um eine Eingangsimpedanz von genau 50 Ohm zu haben. Diese 50 Ohm müssen ein reiner Widerstand sein, wohlweise wohl die induktiven als auch die kapazitiven Reaktanskomponenten ausgeschaltet sind. Wie noch zu beschreiben sein wird, ist das Wattmeter 16 auf die idealisierte Bedingung, daß die Last genau 50 Ohm reiner resistiver Impedanz beträgt, ausgelegt und geeicht, derart, daß nur dann, wenn diese

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Voraussetzung erfüllt ist, das Wattmeter die Leistung genau mißt, die vom Generator zum Plasma übertragen wird. Unter allen anderen Voraussetzungen zeigt das Wattmeter das Vorhandensein einer Rücklaufleistung an und liefert auch mit großer Annäherung eine Messung der Größe dieser Hücklaufleistung.

Das Wattmeter 16 weist zwei Stromkreise 23 und 24» die zwischen dem inneren Leiter 17 und dem Schirm 18 angeordnet sind. Die Stromkreise 23 und 24 sind durch eine zweite Übertragungsleitung 26 ge-

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s· bildet, die sich außer Mitte parallel zum und im wesentlichen über die gesamte Länge des Leiters I7 erstreckt und als Detektorleiter fungiert. Die Leitung 26 erstreckt sich um eine gleiche Entfernung zu beiden Seiten der geometrischen Mitte des Leiters 17» gemessen in Längsrichtung seiner Längsachse, und ist an seinen Enden 31 und 32 effektiv offenendig, während er genau in seinem Mittelpunkt 27 durch einen Widerstand 23 abgeschlossen ist, der elektrisch zwischen dem Leiter 27 und dem Schirm 18 eingeschaltet ist. Während die Enden 3I und 32 des Detektorleiters 26 elektrisch offenendig sind, sind sie mit einem Ampermeter 33 durch gleichrichtende Dioden 36 bzw. 37 verbunden, die mit ihren Kathoden mit dem Leiter 26 verbunden sind und die mit ihren Anoden elektrisch mit einem Wähl-

s Schalter 39 verbunden sind. Der Wählschalter 39 gesteattet eine selektive Verbindung des Ampermeters 33 entweder mit der Diode 36 oder mit der Diode 37» so daß er auf diese v/eise effektiv entweder in &n Stromkreis 23 oder in den Stromkreis 24 eingeschaltet werden kann, je nach gewünschter Messung.

Der Wählschalter 39 zum Wählen des -Stromkreises ist mit einem Bereichschalter 40 verbunden, bei dem es sich um einen Dreifachschalter handelt, wobei jede Schaltstellung des Schalters mit einem getrennten Widerstand 45a, 45t> und 45c verbunden ist. Der Wert des jeweiligen Widerstandes ist so gewählt, daß ein festgelegter Strom-

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kreis für eine bekannte Spannung erzeugt wird. Die Widerstände sind durch einen Leiter 35 jeweils mit einer Schaltstellung eines AmpermeterBchalters 30 verbunden, der seinerseits durch den Wählerteil des Sohalters mit dem Ampermeter 33 verbunden ist. Der Schalter 39 wählt also, welcher der Stromkreise 23 und 24 eine Strommessung hervorruft, während der Sohalter 40 den Bereich bestimmt, innerhalb dessen das Ampermeter 33 arbeitet. Der- Schalter 33 bestimmt, ob das Ampermeter 33 zum Messen von Strömen in den Stromkreisen 23 oder 24 verwendet wird oder ob eine Messung in einem anderen Teil der Anlage erfolgt, wie das im nachfolgenden noch zu beschreiben sein wird.

Die Stromkreise 23 und 24 teilen sich in einen gemeinsamen Widerstand 28, und dabei handelt es sich um ein wichtiges Merkmal der Erfindung, auch wenn theoretisch ein getrennter Widerstand für jeden Stromkreis äquivalent wäre. Es ist in der Praxis festgestellt worden, daß durch Vorsehen e,ines gemeinsamen Widerstandes sowohl der Stromkreis 23 als auch der Stromkreis 24 mit Sicherheit den gleichen Voraussetzungen unterliegen, da der Wert des Widerstands 28 für beide Stromkreise der gleiche ist und die mechanische Lage des Widerstandes 28 für beide Stromkreise ebenfalls identisoh ist. Die Anordnung des Widerstandes 28 in der genauen Längslage des Widerstandes 26 ist wicütig, üa es zwingend, erforderlich ist, daß die mecnaniecnen Eigenschaften der beiden Stromkreise in wesentlichen identisca sind, um Störungen in der Funktion des Wattmeters zu verhindern, die kein» Betriebsbedingungen der Anlage darstellen, sondern vielmehr Fehler im Wattmeter selbst.

Ein Kondensator 41 ist zwischen die Anode der Diode 36 und dem Schirm 18 des Wattmeters geschaltet, um eventuelle Eestimpulse vorbeizuleiten, die unter Umständen die Diode 36 passieren können. Ein entsprechend angeordneter Kondensator 42 sorgt für die gleiche Funk-

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tion in Bezug auf die Diode 37.

Gemäß Fig. 2 sind die Stromkreise 23 und 24 jeweils elektromagnetisch mit der Übertragungsleitung gekoppelt, die durch den Schirm 18 und den Hittelleiter 17 des Sensors Λ6 gebildet ist. Gemäß der Darstellung sind die Stromkreise 23 und 24 gesondert, wobei jeder einen Abflußwiderstand 28a und 28b aufweist. Vie zuvor bereits erwähnt, sind die Widerstände 28a und 28b vorteilhafterweise in einen einzigen Widerstand 28 zusammengefaßt, wie das in Fig. 1 gezeigt ist. Darüber hinaus unterscheidet sich der in Fig. 2 gezeigte Sensor von dem in Fig. 1 gezeigten, wo ein mehr qualitatives bzw. funktionelles Schaltschema dargestellt worden ist, um die Beschreibung zu vereinfachen. Im Effekt wird der Stromkreis 23 mit einem Strom I₁ induziert, der proportional nur zum Voralufteil Er des Impulsetroms innerhalb des Meters 12 ist. Der Stromkreis 24 andererseits wird durch einen Strom I₂ induziert, der nur zum Eücklaufimpuls strom Er des Leistungsimpulses ist, der durch den Generator 10 erzeugt wird.

Der jeweilige Stromkreis erhält eine induzierte Spannung Em, wie das dargestellt ist. Diese Spannung ist proportional zur gegenseitigen induktiven Kopplung zwischen dem Stromkreis und dem Meter Die induzierte Spannung Eb ist in beiden Fällen gleich, mit der Ausnahme, daß deren Wechselorientierungen in jedem Augenblick zu entgegengesetzten Polaritäten an den Widerständen 28a und 28b zu jedem gegebenen Zeitpunkt führen. Diese Polaritätsorientierung folgt aus der geometrischen Anordnung der Stromkreise 23 und 24 relativ zum Leiter 17 und zum Schirm 18. Zusätzlich zu den Signalen Em erhalten die Stromkreise 23 und 24 eine Spannung Er an den Widerständen 28a und 28b als Folg· einer kapazitiven Kopplung zwischen den Leitern der Stromkreise und dem Mittelleiter 17. Diese kapazitive Kopplung ist durch die Kondensatoren 28 und 25 schematisch dargestellt. Die kapazitiv induzierten Spannungen Er sind in jedem Fall sowohl in ihrer

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Größe ale auch in ihrer Polarität gemäß der Darstellung gleich. Der Gsamtstrom, der in jedem Stromkreis 23 und 24 fließt_f ist proportional zur Summe von Bm und Er. Da sowohl Em als auch Er Komponenten sowohl der Rücklaufwelle als auch der Torlaufwelle enthalten, führt die Summierung dieser Impulse als Folge der entgegengesetzten Polaritätsorientierung des Impulses Em und der beiden Stromkreise zu einem Strom I₁ für den Stromkreis 23, der nur dem Vorlaufimpuls Ef proportional ist, sowie einen Strom I_? für den Stromkreis 24, der nur dem Rücklaufimpuls Er proportional ist.

Sine andere Art aur Erläuterung der Funktion des Iieters 16 basiert auf einer Spannungsbetrachtung. Wenn eine Spannungswelle vom Generator 11 durch das Wattmeter in Richtung auf das Plasma 14 erzeugt wird, wird in dem Leiter 2b eine Spannung induziert, und zwar genau so, als wenn eine Spannungswelle zwischen dem Ende 31 des inneren Leiters 26 und dem Schirmleiter 18 eingeschaltet wäre. Da der Widerstand 28 den Teil des Leiters 26 zwischen den Enden 31 und dem Mittelpunkt 27 abschließt, führt das Vorhandensein eines effektiven Generators am Ende 31 zu einem Strom in dem Leiter 26 zwischen den Punkten 31 und dem Mittelpunkt 27» derart, daß durch Schalten des Schalters 39 zum Einschalten des Ampermeters 33 in den Stromkreis

23 ein Strom angezeigt wird.

Die vorwärtslaufende Spannungswelle wirkt dahingehend, ebenfalls ei nen effektiven Generator in den Stromkreis 24 einzuschalten, in diesem Fall wird er jedoch in den Mittelpunkt 27 eingeschaltet, so daß der Generator in einer Übertragungsleitung mit offenem Ende arbeitet und als solcher keinen Strom erzeugt. Das Ampermeter 33 zeigt also an, daß im Falle der nach vorne wandernden Welle der Stromkreis

24 keinen dort entstandenen Strom hat, während das beim Stromkreis 23 der Fall ist.

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Venn eine Abstimmungsdis£repanz beispielsweise zwischen der Belastung und der Übertragungsleitung vorliegt, erfolgt ein Rücklauf eines Teils der vom Generator 11 erzeugten Leistung an der Stelle der Impedanzdiskrepanz in Richtung zurück zum Generator. Biese rücklaufende Spannungewelle wirkt so, daß ein effektiver Generator in den Stromkreis 24 an der Stelle 52 eingeschaltet wird, der zu einer abgeschlossenen Übertragungsleitung führt, nämlich dem durch den Widerstand 28 erbrachten Abschluß, derart, daß im Stromkreis 24 durch die rücklaufende Welle ein Strom induziert wird, und dieser Strom kann durch das Ampermeter 33 gemessen. Der Stromkreis 23 andererseits weist dann einen effektiven Generator am Mittelpunkt 27 des Leiters 26 ale Folge der rücklaufenden Welle auf, und da dieser zu einer offenendigen Übertragungsleitung führt, ist in diesem Stromkreis kein Strom vorhanden, den das Ampermeter 33 messen kann. Bei in Vorwärtsrichtung wandernder Leistung (vom Generator 11 in Richtung auf den Umformer 13) wird also im Stromkreis 23 Strom induziert, der dort fließt, während im Stromkreis 24 kein solcher Strom vorhanden ist. Der Stromkreis 24 andererseits ist der einzige der beiden Stromkreise, in dem durch eine rucklaufende Welle ein Strom induziert wird.

Da der Leiter 26 als Übertragungsleitung wirksam ist und man sich _ ihn am besten als zwei getrennte Übertragungsleitungen vorstellt, die im Mittelpunkt 27verbunden sind, ist es wichtig, daß der Widerstand 28 so gewählt wird, daß er die Übertragungsleitung mit einer abgestimmten Impedanz abschließt. Wenn der Widerstand 28 eine genaue Impedanzabstimmung mit dem Teil des.Leiters 26 zwischen den Enden 31 und dem Mittelpunkt 27 darstellt, ist der Strom, der im Stromkreis 23 induziert wird, wenn die Anlage mit einer Rücklaufleistung von ITuIl arbeitet, proportional zur Leistung, die vom Generator 11 geliefert wird. Entsprechend ist es aus Gründen der Genauigkeit entscheidend, daß der Widerstand 28 genau festgelegt ist, um die Übertragungsleitung 26 in ihrer charakteristischen Impedanz abzuschließen.

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Der Vert dee Widerstandes 28 wird am besten dadurch gewählt» daß man eine 50-Ohm*Leistungsquelle an den Eingang des Wattmeters 16 und eine 50-Oha-Videretandslaet an den Ausgang anlegt und den Widerstand 28 ändert, bis ein in den Stromkreis 23 eingeschaltetes Meter einen Stromfluß von Full anzeigt. Der Wert des Widerstandes, bei dem eine Null vorliegt, ist eindeutig, und dieser Wert stellt den gewünschten Wert für den Widerstand 28 dar.

Da die mechanischen Eigenschaften des Leiters 26 zu beiden Seiten des Mittelpunktes 2^ gleich sind, wie das schon erwähnt worden ist, beendet der Widerstand 28 beide Hälften der Übertragungsleitung ganz genau, die durch den Leiter 26 gebildet ist. Der Wert des Widerstandes 28 hängt von der Länge des Leiters 26, der Lage des Leiters relativ zum Leiter 17 und zum Schirm 18 sowie von der Frequenz ab, mit der der Generator 11 arbeitet. Solange die Stromkreise 23 und 24 bei der Frequenz nicht mitschwingen, mit der der Generator 11 arbeitet, ist die Leistungsmenge, die sie verbrauchen, um den Strom ztnHessen der Leistung zu erbringen, die vom Generator zum Plasma übertragen wird, sehr klein und beeinflußt die Funktion der Anlage nicht. Es ist deshalb wichtig, daß die Stromkreise eine Besonanzfrequenz haben, die für Plasmamaschinen von 13»5 Megahertz abweicht, um eine Leistungsabweichung in einer Größe zu verhindern, die den Sensor zerstören würde.

Sie Länge des !Detektorleiters 26 (ca. 112,5 mm vom Ende 31 zum Ende 32) zusammen mit dessen Kapazität relativ zum Mittelleiter 17 und zum Schirm 18 gibt ihm eine Frequenzabhftngigkeit, die eng anstatt breit ist und dadurch durch eine relativ steile Frequenzabhängigkeit skurve gekennzeichnet ist. Indem das Meter eine Besonanzfrequenz hat, die von der Arbeitsfrequens des Generators (13,5 Megahertz) abweicht, arbeitet das Meter irgendwo in seiner Kennkurve derart, daß kleine Inderungen in der Frequenz relativ große Bewegungen an der

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Eurve entlang hervorrufen. Während leine Arbeitsfrequenzladungen auftreten, erzeugt eine Änderung in der einen oder in der anderen Resonanzkomponente der Belastungsreaktanz einen gleichen Effekt. Wenn es sich bei der Belastung um einen reinen Widerstand handelt, erfolgt im Wattmeter keine rückläufige Belästungsreaktanz in seinem Stromkreis, und seine Frequenzabhängigkeitskurve wird durch seine eigenen Reaktanzen begründet. Wenn die Belastung jedoch eine Reaktanz bildet, verlagert sich selbst ohne eine Änderung in der Gesamtimpedanzgröße die Frequenzabhängigkeitekurve des Wattmeters als Folge der Belastungsreaktanz. Die Verlagerung in der Frequenzabhängigkeitskurve des Wattmeters erfolgt relativ zu einer festliegenden Arbeitsfrequenz (13,5 Megahertz) und folglich gleichwertig mit einer Änderung in der Frequenz relativ zu einer feststehenden Kurve. Die Folge ist ein merklicher Strom im Stromkreis 24» der das Vorhandensein einer Reaktanz in der Belastung anzeigt» und damit die Notwendigkeit zur Änderung der Einstellung des Umformers 13. Breitbandwattmeter sind so konstruiert, daß sie unabhängig von reinen Reaktanzänderungen sind, d.h. Frequenzänderungen, sie sind also nicht in der Lage, die erforderliche Funktion auszuführen, für die durch die Anordnung gemäß der Erfindung gesorgt wird.

Damit das Wattmeter für Messungen absoluter Leistung vom Generator >, zur Plasma sorgt, ist es erforderlich, daß das Ampermeter geeicht wird, und das geschieht dadurch, daß man eine reine Widerstandsbelastung von 50 Ohm an den Ausgang des Aapermeters anlegt und das Aapermeter eicht, während der Generator bekannte Leistungsgrößen abgibt. Da das Meter nur auf diese idealisierten Bedingungen geeicht ist, d.h. die Ausgangslast beträgt 50 Ohm reinen Widerstands, sind die einzigen Voraussetzungen, unter denen das Meter für eine genaue Messung der Leistung sorgt, die der Generator an das Plasma abgibt, dann vorhanden, wenn sich der umformer und das Plasma als eine Last vereinigen, die genau 50 Ohm einer ohmschen Impedanz hat,

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und diese Bedingung ist genau die Bedingung, wie das bereits erwähnt worden ist, bei der die Anlage vollständig abgestimmt, ist, und keine Leistung zurückläuft. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß bei kleiner Bücklaufleistung im Vergleich zur Leistung, die der Generator abgibt, die Meteranzeige der Rücklaufleistung eine einigermaßen genaue Annäherung des tatsächlichen Werts der Rücklaufleistung ist.

Im Betrieb wird die Anlage unter Strom gesetzt und der Schalter 39 so geschaltet, daß das Ampermeter 33 In den Stromkreis 23 geschaltet wird, um das Vorhandensein und die angenäherte Größe der Rücklaufleistung anzuzeigen. Der Umformer wird so eingestellt, daß die Rücklaufleistung reduziert und wenn möglich vollständig beseitigt wird, indem dafür gesorgt wird, daß dessen veränderliche Komponenten die Werte annehmen, die erforderlich sind, um der Umformer-Plasmabelastung eine effektive Impedanz von 50 Ohm reinen Widerstands zu geben. Wenn das Ampermeter 33 anzeigt, daß die Rücklaufleistung Null ist, wird der Schalter 39 so geschaltet, daß das Ampermeter 33 in den Stromkreis 24 eingeschaltet wird, um die Vorlaufleistung anzuzeigen. Wie bereits erwähnt, setzt bei Kessen der VorlaufMstung unter den Bedingungen, die eine Rücklaufleistung von Hull erzeugen, das Meter die tatsächliche Leistung genau in Beziehung, die vom Generator an das Plasma geliefert wird. Indem die Leistung vom Generator festgestellt wird, mit der ein bestimmtes Experiment oder ein Verfahren durchgeführt wird, ist es in Zukunft möglich, die genau gleichen Bedingungen zu reproduzieren, um den Versuch oder das Verfahren zu wiederholen.

Unter allen Arbeitsbedingungen der Anlage ist das Wattmeter 16 für alle praktischen Zwecke vollständig passiv, da dessen Impedanzcharakteristiken so gewählt sind, daß sie mit der 50-Ohm-Übertragungsleitung abgestimmt sind, in die es eingesetzt ist. Das Meter dient

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nicht nur als Einrichtung zum Hessen der durch den Generator gelieferten Leistungsmenge, sondern auch als genaue Einrichtung zum Aufführen des Vorhandenseins einer Rücklaufleitung, was die Notwendigkeit zur Vornahme einer Einstellung des Umformers 15 anzeigt.

Sa das Plasma 14 während der Funktion des Systems einer Entregung unterliegt, die anders als durch eine Reduzierung der Leistung vom Generator 11 hervorgerufen wird (beispielsweise durch eine Verminderung des Vakuums oder Verringerung des Gasdurchflusses durch die Anlage usw.), muß das Wattmeter 16 so konstruiert sein, daß es den Bedingungen widersteht, die herrschen, wenn das Plasma entregt wird, während der Generator 11 mit voller Leistung arbeitet. Unter solchen Umständen tritt ein Gesamtleistungsrücklauf in Richtung des Generators auf, und die vom Wattmeter aufgenommene Spitzenleistung überschreitet den ausgelegten Wert des Generators und birgt damit die Gefahr einer Beschädigung des Wattmeters in -sich. Sa das Wattmeter gemäß der Erfindung nicht die Breitbandcharakteristiken bekannter Wattmeter erfordert, braucht der Leiter 26 nicht in besonders großer Nähe an dem Leiter 17 angeordnet zu sein, und dadurch ist er viel besser in der Lage, hohen Rücklaufleistungen zu widerstehen, als das bei bekannten Wattmetern der Fall ist. Anders als bei bekannten Wattmetern ist es hier auch nicht erforderlich, daß ein Element der Detektor Stromkreise 23 und 24 körperlich in dem tatsächlichen Leiter angeordnet ist, der die Leistung zur Verbraucherstelle führt. Es können dadurch also Versuche mit unbekannten Ergebnissen durchgeführt werden, ohne daß man befürchten muß, daß ein Erregungsverlust des Plasmas beim Arbeiten des Generators 11 mit voller Leistung zu einem beschädigten Wattmeter führt.

Gemäß der Sarstellung in Fig. 3 und 4 weist das erfindungsgemäße Wattmeter zwei im Abstand angeordnete Abflußkappen 66 und 67 auf, an deren äußere Stirnseiten Kabelverschraubungen 68 befestigt sind

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(von denen nur eine gezeigt ist). Der mittlere Leiter 17 ist von im wesentlichen zylindrischer Form» un_d dessen Enden sind konisch ausgebildet, um den Durchmesser des Leiters so zu vermindern, daß er etwa gleich dem Durchmesser des inneren Leiters des Kabels 12 ist (Fig. 1), in welchem das Wattmeter eingeschaltet ist. Sie beiden Abschlußkappen 66 und 67 sind in einem festliegenden Abstand voneinander gehalten, und zwar durch hohle Lagerstangen 71 und 72, deren gegenüberliegende Enden durch Schrauben 73 mit den Abschlußkappen verbunden sind. Der äußere Leiter, der Schirm 18, nimmt die Absohlußkappe und die dazwischenliegende Baugruppe auf und ist mechanisch mit den Absohlußkappen verbunden, beispielsweise durch Schrauben 77. Zwischen den Lagerstangen 71 und 72 und dem Schirm 18 liegt eine elektrische Eontinuietät vor, und zwar duroh die Abschlußkappen 66 und 67, so daß durch die Verbindung des Widerstandes 26 mit der Lagerstätte 72 die gewünschte elektrische Verbindung zwischen dem Leiter 26 und dem Schirm 18 hergestellt wird. Der Leiter 26 ist zwischen isolierten Abstandsstüoken 81 und 82 gelagert, die an den Absohlußkappen 66 bzw. 67 befestigt sind. Die Diode 36 ist elektrisch zwieohen dem Abstandsstück 81 und einem Verbindungsstück 83 angeschlossen, das zur Aufnahme einer Buchse (nicht dargestellt) oder eines entsprechenden Verbindungsstücks ausgebildet ist, während die Diode 57 in entsprechender Weise zwischen dem Abstandsstück 82 und einem eine Buohse aufnehmenden Verbindungsstück 84 eingeschaltet ist. Die Verbindungsstücke 83 und 84 sind von den äußeren Stirnseiten der Abschlußkappen 66 und 67 aus zugänglich, so daß ein Ampermeter mühelos in den Stromkreis des Wattmeters elektrisch eingeschaltet werden kann.

Heben der Messung der Hochfrequenzeingangeleistung sum Plasma 14 ist das Neter 26 dazu eingerichtet, eine getrennte Wattmessung zu registrieren, besonders den Watteingang zur LeistungsrShre des Generators 11« Di· Messung der Eingangsleistung sum Generator 10 ist wün-

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sehenswert, um die Eingangsleistung und die Leistung zu vergleichen, die das Plasma 14 schließlich erhält, um damit ein Haß für den Wirkungsgrad zu haben. Ein erheblicher Unterschied zwischen diesen beiden Wattmessungen zeigt an, daß irgendeteas im Begriff ist durchzubrennen, möglicherweise der Hochfrequenzgenerator. Um für diese Messung zu sorgen, wird durch den Schalter 30 des Ampermeters 33 über einen Spannungsabfall-Leistungspräzisionswiderstand 51 in Reihe mit dem.Leistungsanschluß 52 des Generators 11 eingeschaltet. Da der Strom für einen bestimmten Leistungswert durch den Widerstand 37 im t Verhältnis zur Leistung geeicht werden kann, die an den Generator 11 gegeben wird, kann das Ampermeter 33 mit einer Skala versehen sein, um eine solche Leistung zu registrieren. Das führt dazu, daß das Meter 26 vier Skalen hat, nämlich drei für drei Sereiche einer Hochfrequenzleistung, die durch die Widerstände 45a, 45b und 45c geliefert sind, und ein Bereich für Gleichstromleistung, die zum Generator 10 geliefert wird.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   M .J Wattmeter zum Messen der Leistung, die von einem mit einer einzigen Frequenz im Radiofrequenzbereich arbeitenden Generator an eine Verbraucherstelle mit variabler Impedanz übertragen wird, zu dem eine Impedanz gehört, die genau auf die charakteristische Impedanz einer koaxialen Übertragungsleitung abgestimmt ist, die den Generator mit der Verbraucherstelle verbindet, wobei das Wattmeter ferner zum Feststellen einer Rücklaufleistung in Richtung auf den Generator eingerichtet ist, gekennzeichnet durch einen vergrößerten Abschnitt der koaxialen übertragungsleitung (12), die durch einen inneren Leiter (17) und einen äußeren Schirm (18) gebildet ist, wobei das Verhältnis der Durchmesser des inneren Leiters (17) und des Schirms (18) proportional zum Verhältnis der Leiter ist, die die koaxisLe Übertragungsleitung (12) bilden, welche den Generator (11) mit der Verbraucherstelle verbindet, derart, daß der vergrößerte Abschnitt der Übertragungsleitung (12) die gleiche Impedanzcharakteristik wie die Übertragungsleitung hat, wobei der vergrößerte Abschnitt der übertragungsleitung (12) in der Übertragungsleitung angeordnet ist, die den Generator (11) mit der Verbraucherstelle verbindet, derart, daß vom Generator (11) an die Verbraucherstelle gelieferte Leistung den vergrößerten Abschnitt der Übertragungsleitung (12) passiert, wobei ferner Rücklaufleistung von der Verbraucherstelle in Richtung auf den Generator (11) ebenfalls den vergrößerten Abschnitt der Übertragungsleitung (12) passiert, durch einen Detektorleiter (26), der festliegend zwischen dem inneren Leiter (17) und dem Schirm (18) angeordnet ist und sich im wesentlichen parallel zur Längsachse des vergrößerten Abschnitts der Übertragungsleitung (12) erstreckt, durch eine Widerstandsanordnung (28), die zwischen den Detektorleiter (26) und den Schirm (18) geschaltet ist, derart, daß die Widerstandsanordnung (28) mit dem Detektorleiter (26)

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   an einer Stelle elektrisch verbunden ist, die zwischen dessen Enden liegt, und durch eine Strommeßeinrichtung, die in einer Punktionsverbindung mit dem Detektorleiter (26) an dessen Enden steht, derart, daß jeder vorhandene Strom, der in dem Detektorleiter (26) induziert ist, aufspürbar und meßbar ist.

   2. Wattmeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Detektorleiter (26) sich um einen gleichen Abstand zu beiden Seiten des Hittelpunktes (27) des vergrößerten Abschnitte der Übertragungsleitung (12) erstreckt, gemessen in Richtung seiner Längsachse, wobei die Widerstandsanordnung (28) mit dem Detektorleiter (26) an seinem Mittelpunkt (27) angeschlossen ist, gemessen in Richtung seiner Längsachse, derart, daß zwei im wesentlichen identische Stromkreise (25, 24) mit offenem Ende durch den Detektorleiter (26) und die Widerstandsanordnung (28) gebildet sind.

   3. Wattmeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Widerstandsanordnung (28) durch einen Widerstand gebildet ist, der einen Impedanzwert hat, welcher genau gleich der charakteristischen Impedanz des Teils des Detektorleiters (26) zwischen dem Hittelpunkt (27) und einem Ende davon dann ist, wenn der Generator (11) Leistung mit der charakteristischen Frequenz an eine Verbraucherstelle liefert, deren Impedanz genau auf die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung (12) abgestimmt ist, die den Generator (11) mit der Verbraucherstelle verbindet.

   4* Wattmeter, gekennzeichnet durch einen Abschnitt einer koaxialen Übertragungsleitung (12), die durch einen inneren Leiter (17) und einen im Abstand angeordneten, koaxial liegenden Schirm (18) gebildet ist, durch einen Detek-

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   torleiter (26), der zwischen dem inneren Leiter (17) und dem äußeren Leiter (18) des vergrößerten Abschnitte der übertragungsleitung (12) angeordnet ist und sich im wesentlichen parallel zur Längsachse desselben erstreckt, und eine zwischen den Detektorleiter (26) und den Schirm (18) der Übertragungsleitung (12) eingeschalteten Widerstand (28), der einen Impedanzwert hat, welcher eine Funktion der charakteristischen Impedanz des Detektorleiters (26) ist.

   5* Wattmeter nach Anspruch 4, daduroh gekennzeichnet, daß eich der Detektorleiter (26) im wesentlichen über die gesamte Länge der Übertragungsleitung (12) gleich lang zu beiden Seiten des Hittelpunkts (27) derselben erstreckt und daß der Widerstand (28) mit dem Detektorleiter (26) an den Hittelpunkt (27) angeschlossen ist, derart, daß im wesentlichen identische Stromkreise (23, 24) mit offenem Ende durch den Detektorleiter (26) und den Widerstand (28) gebildet sind.

   6. Anlage zur Leistungsmessung in einer Plasmamaschine, dadurch gekennz eichne t, daß ein Hochfrequenzgenerator (11) mit einer einzigen Betriebsfrequenz Leistung bei oder unter einer Hennausgangsleistung über eine koaxiale Übertragungsleitung (12) an eine Verbraucherstelle liefert, die durch einen Umformer (13) und Plasma (14) in Beaktionskammern gebildet ist, wobei der Umformer (13) variable Induktivitäts- und Kapazitätskomponenten hat, die sich bei ordnungsgemäßer Einstellung mit den Kapazitäts- und Widerstandscharakteristiken des Plasmas (14) derart vereinigen, daß eine rein ohmsche Impedanz in einer Größe gebildet wird, die genau gleich der charakteristischen Impedanz der koaxialen Übertragungsleitung (12) ist, bestehend aus einem Detektorleiter (26), der in einer Funktionsverbindung mit der Übertragungsleitung (12) steht und von dem Leistungsdurchgang durch die über-

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   tragungsleitung (12) zur Induktion eines Stroms darin abhängig ist» wobei der in dem Leiter (12) fließende Strom proportional zur durch die Übertragungsleitung (12) gehenden Leistung ist, wenn der Umformer (15) i» Vereinigung mit dem Plasma (14) so eingestellt ist» daß eine rein ohmsche Impedanz gebildet ist,, und aus einer Strommeßeinrichtung, die in einer Funktionsverbindung mit dem Leiter (26) zum Messen des Stroms in dem Leiter (26) steht.

   7· Anlage nach Anspruch 6, weiter gekennzei ohne t durch einen Widerstand (26), der zwischen den Enden des Detektorleiters (26) mit diesem derart verbunden ist, daß zwei elektrisch identische Stromkreise (25t 24) mit dem Leiter (26) gebildet sind, wobei der Impe&answert des Widerstands (28) genau die Impedanz ist, die zum Abschluß des Betekiorleiters (26) zwischen den beiden Enden erforderlich ist, wobei die Stelle» an der der Widerstand (28) mit dem Leiter (26) verbunden ist, eine abgestimmte Belastung unter den Betriebsbedingungen des Leistung mit seiner betriebsfreqaenzabgebenden Generators (11) un_d des Umformers (13) ist, der so eingestellt 1st, daß er für die übertragungsleitung (12) eine rein ohmsche Belastung darstellt=,

   8. Anlage nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorleiter (26) so ausreichend lang ist, daß er eine relativ enge Frequenzabhängigkeit hat und daß die Strommeßeinrichtung sich in einer solchen Funktionsanordnung relativ zum Detektorleiter (26) befindet, daß durch sie der Strom in dem einen oder in dem anderen der Stromkreise (25, 24) meßbar ist, die durch den Leiter (26) und den Widerstand (28) gebildet sind, wobei der Strom in dem einen Stromkreis eine Anzeige für Vorlaufleistung vom Generator (11) zur Verbraucherstelle und Strom Ia dem anderen Stromkreis eine Anzeige für Rücklauf leistung von der

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   Verbraucherstelle ztua Generator (11) ist.

   9. Anlage nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz der durch den Detektorleiter (26) und den Widerstand (28) gebildeten Stromkreise (23, 24) von der Betriebsfrequenz des Leiters (26) abweicht.

   10. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (11) an seinem Eingang Gleichstromleistung aufnimmt und daß die Anlage ferner eine Schalteranordnung zwischen der Strommeßeinrichtung und dem Detektorleiter (26) sowie einen Präzisionswiderstand aufweist, der zwischen den Eingang des Generators (11) und der Schalteranordnung derart eingeschaltet ist, daß die Strommeßeinrichtung wahlweise zum Messen der Leistung in den Generator (11) oder die Leistung durch die Übertragungsleitung (12) einsetzbar ist.

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