DE3125366A1 - Capacitive instrument transformer - Google Patents

Capacitive instrument transformer

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DE3125366A1
DE3125366A1 DE19813125366 DE3125366A DE3125366A1 DE 3125366 A1 DE3125366 A1 DE 3125366A1 DE 19813125366 DE19813125366 DE 19813125366 DE 3125366 A DE3125366 A DE 3125366A DE 3125366 A1 DE3125366 A1 DE 3125366A1
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Abstract

The subject-matter of the invention is a) a method for measuring very small capacitance differences (for example differential capacitor), particularly suitable for measuring pressure by means of diaphragms, but also for other measuring methods in which an electrically conductive plate is moved. The excursion of the plate can be very small. Due to the interconnection according to the invention of a differential capacitor or of two single capacitors, two monostable flip-flop stages and an exclusive OR gate, an output signal is produced, the length of which is proportional to the capacitance difference; b) a method which allows the bending-through of a pressure measuring diaphragm to be avoided and thus to measure independently of its mechanical characteristics. The bending-through is compensated for by electromagnetic forces which are applied according to the invention by two electromagnets attached on both sides of the diaphragm and which operate in accordance with the digital principle, that is to say they consist of a number of individual magnets of different strength which are switched on or off in combination, their switching states at the same time representing the digital measurement signal for the magnitude of the pressure; c) an apparatus composed of a) and b) for measuring minimum pressure differences (e.g. "Warburg manometry").

Description

neschreibung description

Die Erfindung gestattet es, sehr kleine tageänderungen eines flachen metallischen oder metallisierten Gegenstandes, etwa einer Meßmembran, zuverlässig, sehr genau, sehr empfindlich und sehr schnell zu erfassen, wobei sich die Lageänderung in Größenordnungen bis herunter zu 10 mm und weniger bewegen kann und die zeitliche Auflösung in Größenordnungen von lo - 10 5 liegt.The invention allows very small day changes of a flat metallic or metallized object, such as a measuring membrane, reliably, very accurate, very sensitive and very quick to detect, with the change in position can move in orders of magnitude down to 10 mm and less and the temporal Resolution in the order of magnitude of lo - 10 5.

Lageänderungen dieser Größenordnungen kommen bei der Messung sehr kleiner Druckdifferenzen, etwa bei der sogenannten "War burg-Manometrie" mittels membran vor; die angegebene zeitliche Auflösung wird gefordert, wenn über Druckänderungen die Kinetik schnell ablaufender physiologisch-chemischer Vorgänge registriert werden soll oder wenn Schall in elektrische Signale umgewandelt werden soll (Mikrofon).Changes in position of this magnitude are very important during the measurement small pressure differences, for example with the so-called "War castle manometry" using membrane in front; the specified temporal resolution is required when there are pressure changes the kinetics of rapidly running physiological-chemical processes can be registered or when sound is to be converted into electrical signals (microphone).

Die Druckmessung mittels Membran ist i.a. durch die mechanischen Eigenschaften der Membran selbst beeinträchtigt; insbesondere bei der Warburg-Manometrie" besteht die Forderung, daß das Volumen im Meßraum konstant bleiben soll. Deshalb wird bei einer Aus führungs form der Erfindung die Aus lenkung der Membran vermieden.The pressure measurement by means of a membrane is generally by the mechanical properties the membrane itself affected; especially with the Warburg manometry " the requirement that the volume in the measuring space should remain constant. That is why at One embodiment of the invention avoids the deflection of the membrane.

Die Druckmessung mittels einer elektrisch leitenden Membran die mit zwei festen Platten einen Differenzialkondensator bildet, ist bekannt. (z.B. Niebuhr, Physikalische Meßtechnik Bd. I und II). Die Messung der Kapazitätsdifferenz erfolgt iQa. mit einer wechselstromgespeicherten Meßbrücke durch Messung des kapazitiven Blindwiderstandes. Dieses Verfahren hat jedoch verschiedene Nachteile: um eine hohe Auflösung zu erreichen, muß man mit hohen Frequenzen arbeiten, was eine hohe Störanfälligkeit durch Störfelder zur Folge hat, deren Beseitigung einen hohen Aufwand erfordert. Bei Messungen mit der nichtabgestizzmten Brücke müssen Nichtlinearitäten in Kauf genommen werden, eine automatische Abstimmung der Brücke erfordert einen hohen Aufwand bei einer relativ geringen Empfindlichkeit und hohen Störanfälligkeit.The pressure measurement by means of an electrically conductive membrane with two solid plates forming a differential capacitor is known. (e.g. Niebuhr, Physical Measurement Technique Vol. I and II). The capacitance difference is measured iQa. with an alternating current stored measuring bridge by measuring the capacitive Reactance. However, this method has several disadvantages: by a high To achieve resolution, one has to work with high frequencies, which is very susceptible to interference by interference fields, the elimination of which requires a great deal of effort. Non-linearities must be taken into account when measuring with the non-tuned bridge be taken, an automatic tuning of the bridge requires a lot of effort with a relatively low sensitivity and high susceptibility to failure.

Als SJhilfe wurde vorgeschlagen, die Kondensatoren zu Bestandteilen von Schwingkreisen zu machen, und die Veränderung deren Resonanzei.c3.-nscl-,aften zu messen, was aber einen sehr hohen Aufwand verursacht und von einer erheblichen Störa@fälligkeit begleitet ist, so daß ziel dieses Verfahren nicht allgemein durchgesetzt hat.As an aid, it was suggested that the capacitors should be part of the process of oscillating circuits, and changing their resonancei.c3.-nscl-, aften to measure what, however, a very high effort caused and by a significant malfunction is accompanied, so that the aim of this procedure is not generally prevailed.

Auch die Messung von Drucken mit einem einfachen Plattenkondensator und einer astabilen Kippstufe wurde bereits vorgeschlagen (DT-AS 23 18 281 B2, DE-OS 28 53 504 Al); bei diesen Geräten erzeugt die astabile Kippstufe ein Rechtecksignal, dessen Tastverhältnis und/oder Frequenz durch die Kapazitätsänderung des einfachen Kondensators geändert wird. Das Rechtecksignal kann direkt mit einem Analogmeßgerät (Effektivtqert) oder über eine Zusatzschaltung digital gemessen werden.Also the measurement of pressure with a simple plate capacitor and an astable multivibrator has already been proposed (DT-AS 23 18 281 B2, DE-OS 28 53 504 A1); In these devices, the astable multivibrator generates a square wave signal, its duty cycle and / or frequency due to the change in capacitance of the simple Capacitor is changed. The square wave signal can be measured directly with an analog measuring device (Effektivtqert) or digitally measured via an additional circuit.

Diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie mit einem einfachen Kondensator arbeiten und auf die in der Druckmeßtechnik allgemein anerkannten Vorteile des Differenzialkondensators (z.B. Niebuhr, Physikalische Meßtechnik) verzichten, und außerdem das Ausgangssignal ein Maß für die Kapazität des Kondensators ist und nicht unmittelbar für den Druck (bei Druckdifferenz = 0 ist das Ausgangssignal nicht 0>. However, these devices have the disadvantage that they are with a simple capacitor work and on the generally recognized in pressure measurement technology Do without the advantages of the differential capacitor (e.g. Niebuhr, physical measurement technology), and in addition the output signal is a measure of the capacitance of the capacitor and not directly for the pressure (if the pressure difference = 0, the output signal is not 0>.

Außerdem weisen diese Anordnungen ein ungünstiges Temperaturverhalten auf (Te.mperaturabhängigkeit ist nicht kompensiert), und das Auflösungsvermögen ist durch den Einfluß von Streukapazitäten gering. Ferner ist durch die-Verwendung des astabilen Multivibrators bzw. dessen Modifikationen das zeitliche Auflösungsvermögen begrenzt, weil etwa bei einer fest eingestellten Frequenz und Veränderung des Tastverhältnisses durch die Kapazität nur ein Teil der Zykluszeit tatsächlich für die Messung genutzt wird.In addition, these arrangements have an unfavorable temperature behavior on (temperature dependency is not compensated), and the resolving power is small due to the influence of stray capacitances. Furthermore, through the use of the astable multivibrator or its modifications, the temporal resolution limited because, for example, at a fixed frequency and a change in the duty cycle due to the capacity, only part of the cycle time is actually used for the measurement will.

Bei allen Druckmessungen mittels einer Meßmembran besteht das Problem, daß die Messung von den mechanischen Eigenschaften der Membran beeinflußt wird, was sich durch die Hysterese, die Temperaturdrift und in Nichtlinearitäten äußert. Diese Effekte sind umso größer, je größer die Aus lenkung der Membran ist.The problem with all pressure measurements using a measuring membrane is that the measurement is influenced by the mechanical properties of the membrane, which is expressed by the hysteresis, the temperature drift and in non-linearities. These effects are greater, the greater the deflection of the membrane.

Es wurden deshalb Einrichtungen vorgeschlagen, die die Membran durch Anwendung .iußerer Kräfte wieder in ihre Ruhelage bringen, z.l3. durch elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte (z.B. Kohlrausch, Praktische Physik, Bd.I). Diese Anordnungen setzen jedoch eine äußerst exakte Steuerung der rückstellenden Kr;f-te und einen ebenso exakten Nullindikator voraus. Die Steuel-ung wurde mit Analogschaltungen versucht; auch mit Sc-ilf hohen Allfwant1 wurde wegen Tempcraturemp fi nd -lichkeit, Rauschen, Asymmetrien und Schwingneigungen anscheinend kein befriedigender Erfolg erzielt, auch wegen Fehlens eines geeigneten Nullindikators.It has therefore been proposed devices that the membrane through Use of external forces to bring them back into their resting position, e.g. 13. by electrostatic or electromagnetic forces (e.g. Kohlrausch, Practical Physics, Vol. I). These Arrangements, however, provide extremely precise control of the restoring forces and an equally exact zero indicator ahead. The control was with analog circuits tries; Even with a high level of Allfwant1 was due to temperature sensitivity, Rush, Asymmetries and tendencies to oscillate apparently did not achieve a satisfactory result, also due to the lack of a suitable zero indicator.

Ein anderer Vorschlag zur Lösung des Problems findet sich in der DE-OS 29 40 674; hier erfolgt die Steuerung des Magnetens mit Hilfe eines elektromechanischen Schalters.Another suggestion for solving the problem can be found in the DE-OS 29 40 674; Here the control of the magnet takes place with the help of an electromechanical Switch.

In Ruhestellung schließt die Membran den Schalter, wird sie durch Druck ausgelenkt, öffnet sich der Schalter und der Magnet tritt in Aktion bis der Schalter wieder geschlossen ist (vereinfacht dargestellt). Dieses Spiel wiederholt sich laufend.In the rest position, the membrane closes the switch, it is through If the pressure is deflected, the switch opens and the magnet comes into action until the Switch is closed again (shown in simplified form). Repeated this game running.

Die Anordnung hat den Nachteil einer gewissen Trägheit.und einer hohen Störanfälligkeit, weil der Schalter im Takte der Zyklus- (Hoch-) Frequenz laufend geöffnet und geschlossen wird Bei kapazitiver Druckmessung mittels Membranen stellt auch das Einspannen der Membran ein Problem dar. Die Membran soll einerseits gasdicht eingespannt sein, andererseits muß eine gewisse radiale Beweglichkeit der Membran wegen der Durchmesserverringerung bei der Durchbiegung gewährleistet sein und die Membran soll unempfindlich gegen ErschUtterungen und Temperatureinflüsse sein. Außerdem sollen Störfelder vom Di zu deren Differenzialkondensator ferngehalten werden.The arrangement has the disadvantage of a certain inertia and a high Susceptibility to failure because the switch runs in time with the cycle (high) frequency is opened and closed. With capacitive pressure measurement by means of diaphragms The clamping of the membrane is also a problem. The membrane should on the one hand be gas-tight be clamped, on the other hand, a certain radial mobility of the membrane must be be guaranteed because of the diameter reduction in the deflection and the The membrane should be insensitive to shocks and temperature influences. aside from that interference fields should be kept away from the Di to its differential capacitor.

Vorschläge zum Einspannen der Membran finden sich in den OS DE 27 55 306 Al, DE 3002 268 Al und DE 30 11 269 Al.Proposals for clamping the membrane can be found in OS DE 27 55 306 A1, DE 3002 268 A1 and DE 30 11 269 A1.

Vorrichtungen dieser Art spannen die Membran mehr oder weniger fest ein. Infolge der Durchbiegung wird aber eine gewisse radiale Bewegung erzwungen. Dies führt dazu, daß bei einer fest eingespannten Membran die Aus lenkung einerseits abhängig ist von der (nicht-reproduzierbaren) Stärke der Einspannung, andererseits kann eine Hysterese dadurch zustande kommen, daß die Membran bei wachsender Durchbiegung aus ihrer Führung herausgleitet und bei abnehmender Durchbiegung wieder in ihre Führung zurückgleiten muß, wobei die Membran iva.Devices of this type tighten the membrane more or less tightly a. As a result of the deflection, however, a certain radial movement is forced. This leads to the fact that with a firmly clamped membrane, the steering from the one hand depends on the (non-reproducible) strength of the restraint, on the other hand A hysteresis can arise from the fact that the diaphragm with increasing deflection slides out of its guide and, with decreasing deflection, back into its Guide must slide back, the membrane iva.

leichter heraus- als wieder zurückgleitet. Weiter können Temperaturänderungen bei fester Einspannung zu Verspannungen in der Membran und an den Einspannstellen führen.slides out more easily than back again. Further can temperature changes in the case of fixed clamping to tension in the membrane and at the clamping points to lead.

Für die sogenannte Warburg-Manometrie" gab es bisher überhaupt kein brauchbares Verfahren zur automatischen Druckmesmessung. Noch heute geschieht bei dicoeS Met;de, diu zur Erfassung chemischer und physiologisch- chemischer sowie physikalisch-chemischer Vorgänge aufgrund von Gaswechselreaktionen im bereich der wissenschaftlichen Forschung und der Medizin angewandt wird, die Druckmessung mit Hilfe von U-Rohrmanometern nach Marburg manuell.For the so-called Warburg manometry "there was no such thing at all useful method for automatic pressure measurement. Still today happens at dicoeS Met; de, diu to record chemical and physiological-chemical as well as physical-chemical processes due to gas exchange reactions in the area applied in scientific research and medicine, pressure measurement manually with the help of U-tube manometers to Marburg.

Es handelt sich dabei um Kapillarmanometer bei denen mit Hilfe eines Schlauches, der die beiden Schenkel verbindet, und eines Quetschhahnes die Höhe der Flüssigkeitssäulen verändert werden kann. 3ei jeder Messung wird mit der Schraube des Quetschhahnes die eine Flüssigkeitssäule auf eine definierte Höhe gebracht, sodann die Höhe der anderen Säule abgelesen und notiert. Erschwerend kommt hinzu, daß die Messungen oft im Dunkeln stattfinden müssen, die Vorrichtung zur Verbesserung des Gasaustausches zwischen Flüssigkeit (in der sich die zu untersuchende Probe befindet) und Gasraum geschüttelt werden muß und oft 12 Meßstellen gleichzeitig abgelesen werden müssen.These are capillary pressure gauges with the help of a Hose that connects the two legs, and a pinch cock the height the liquid columns can be changed. The screw is used for each measurement the pinch cock which brings a column of liquid to a defined height, then read and write down the height of the other column. To make matters worse, that the measurements must often take place in the dark, the device for improvement the gas exchange between liquid (in which the sample to be examined located) and gas space must be shaken and often 12 measuring points at the same time must be read.

Das Verfahren ist somit extrem zeitaufwendig, beinhaltet einen großen subjektiven Fehler beim Ablesen der Manometer, hat eine oft unzureichende zeitliche Auflösung (bestenfalls Ablesung in l-Minutenintervallen), hat eine oft unzureichende Empfindlichkeit (Höhendifferenzen unter 1 mm WS sind kaum erfaßbar) und macht einen großen Aufwand bei der Auswertung der Meßergebnisse notwendig, da alle abgelesenen Ergebnisse um die Werte eines Kontrollmanometers (sog. Thermobarometer), das Temperatur- und Atmosphärendruckänderungen erfaßt, korrigiert werden müssen.The procedure is thus extremely time-consuming, involves a large one subjective error when reading the pressure gauge, has an often inadequate timing Resolution (at best reading in 1-minute intervals) is often inadequate Sensitivity (height differences below 1 mm WS are hardly detectable) and makes one great effort is required in evaluating the measurement results, since all of them have been read off Results around the values of a control manometer (so-called thermobarometer), the temperature and changes in atmospheric pressure must be detected and corrected.

Trotz seiner anerkannt großen Vorteile für wissenschaftliche und medizinische Messungen ist dieses Verfahren aus den genannten Gründen sehr in den Hintergrund gerückt, obgleich es zahlreiche detailliert ausgearbeitete Anwendungsbeispiele der "Warburg-Manometrie" gibt.Despite its recognized great scientific and medical benefits Measurements, this method is very in the background for the reasons mentioned moved, although there are numerous detailed application examples of the "Warburg manometry" there.

Bisherige Versuche, die "Warburg-Manometrie" zu automatisieren, haben nicht zum Erfolg geführt. Der Versuch, die Manometer optoelektronisch zulesen, mußte an dem damit verbundenen hohen mechanischen Aufwand scheitern. Die Messung auf piezoelektrischer bzw. piemoresist.iver Basis zeigte eine hohle Temperaturempfindlichkeit und eine mangelhafte Reproduzierbarkeit, die Messung über Dehnungsmeßs@reifen scheiwerte an der unzureichenden Empfindlichkeit.Previous attempts to automate the "Warburg manometry" have did not lead to success. The attempt to read the pressure gauges optoelectronically had to be made fail because of the high mechanical effort involved. The measurement on piezoelectric or piemoresist.iver base showed a hollow temperature sensitivity and a poor reproducibility, mature the measurement using strain gauges criticism of the insufficient sensitivity.

Die erfindungsgemäß gelöste Aufgabe war,-einRrumengerßr zu entwickeln, das eine nohe Empfindlichkeit mit einer hohen Auflösung und Zuverlässigkeit verbindet, das unempfindlich gegen das bei dieser Methode unvermeidbare Schütteln ist, das eine geringe Temperatur empfindlichkeit zeigt und das eine automatische Registrierung und Auswertung der Meßergebnisse, möglichst mit Hilfe von Datenverarbeitungsanlagen, gestattet.The problem solved according to the invention was to develop a room device, which combines a high sensitivity with a high resolution and reliability, that is insensitive to the unavoidable shaking of this method, that shows a low temperature sensitivity and an automatic registration and evaluation of the measurement results, if possible with the help of data processing systems, allowed.

Weiter sollte es möglich sein, die Volumenänderung infolge der Durchbiegung der Membran zu vermeiden, da der Druck nach den Gas gesetzen auch vom Volumen abhängt und selbst eine minimale Volumenänderung bei Druckmessungen in den Größenordnungen der "Warburg-Manometrie" einen erheblichen Einfluß auf den gemessen Druck hat.It should also be possible to change the volume as a result of the deflection to avoid the membrane, since the pressure according to the gas laws also depends on the volume and even a minimal change in volume for pressure measurements in the order of magnitude the "Warburg manometry" has a considerable influence on the measured pressure.

Um eine breite Anwendung des Verfahrens zu ermöglichen, sollte die Anlage möglichst einfach aufgebaut und vor allen Dingen zuverlässig sein, wobei die Schwierigkeit war, au sehr kleine Druckdifferenzen(entsprechend O,l mm WS und darunter) genau und sicher zu messen, wobei die Anlage möglichst auch von Nichtfachpersonal bedienbar sein sollte.In order to enable broad application of the method, the System as simple as possible and, above all, reliable, whereby the difficulty was to achieve very small pressure differences (corresponding to 0.1 mm WS and including) to measure accurately and safely, with the system also by non-skilled personnel if possible should be operable.

Gemäß dem breiten Anwendungsspektrum der "Warburg-Manometrie" sollte sich die Empfindlichkeit in sehr weiten Grenzen und auf einfache Weise variieren lassen, da sowohl sehr kleine Druckänderungen (z.B. Schwankung der Atmung von Insektenlarven -lmm WS pro Tag) als auch größere Druckänderungen (Kohlendioxidfreisetzungen aus Pflanzenteilen) je nach Anwendungsgebiet vorkommen können.According to the wide range of applications of the "Warburg manometry" should the sensitivity can vary within very wide limits and in a simple manner as both very small changes in pressure (e.g. fluctuations in the respiration of insect larvae -lmm WS per day) as well as larger pressure changes (carbon dioxide releases from Parts of plants) can occur depending on the area of application.

Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst, indem zunächst eine elektronische Schaltung entwickelt wurde, die es gestattet, Kapazitätsdifferenzen sehr genau und sicher zu erfassen, da zur Lösung der Aufgabe nur die Messung mit Hilfe eines Differenzialkondensators in Frage kommen konnte.The object was achieved according to the invention by initially using an electronic Circuit was developed which allowed capacitance differences to be measured very precisely and to be recorded reliably, since the only solution to the task is to measure with the aid of a differential capacitor could be considered.

Die sichere Erfassung kleiner Kapazitätsänderungen machte es möglich, die Durchbiegung der Membran sehr klein zu halten (z.B. max. 5x1O-2mm bei ca. 70mm Durchmesser). Diese geringe Durchbieguiig bewirkt in Verbindung mit der Maßnahme, daß die husten Platten kleiner sein können als die Membran, eine sehr gute Linearität der Kapazitätsänderung bei der Auslenkung und gestattet außerdem die Verwendun<; einer relativ dicken Meinbran (ca, O,lmm), was das Meßgerät gengem die heftigen Schüttelbewegungen weitgehend unempfindlich macht. Diese Eigenschaft wird gefördert durch die Aufhängung der Membran zwischen zwei O-Ringen (siehe Zeichnung 1). Diese Aufhängung gewährleistet auch eine weitgehendst reibungslose radiale Beweglichkeit der Membran, was Hysterese und Temperaturunempfindlichkeit wesentlich herabsetzt und außerdem den Vorteil einer einwandfreien Abdichtung aufweist.The secure recording of small changes in capacity made it possible to keep the deflection of the membrane very small (e.g. max. 5x1O-2mm at approx. 70mm Diameter). This low deflection, in conjunction with the measure that the cough plates can be smaller than the membrane, a very good linearity the change in capacitance during deflection and also allows the use of <; a relatively thick Meinbran (ca, O, lmm), what the measuring device gengem makes the violent shaking movements largely insensitive. This attribute is supported by the suspension of the membrane between two O-rings (see drawing 1). This suspension also ensures a largely smooth radial mobility the membrane, which significantly reduces hysteresis and temperature insensitivity and also has the advantage of a perfect seal.

Der definierte Abstand zwischen festen Platten und Membran wird durch den auswechselbaren Zwischenring, der mit Distanzscheiben unterschiedlicher Dicke ergänzt werden kann, gewähr leistet.The defined distance between solid plates and membrane is through the exchangeable intermediate ring, the one with spacers of different thicknesses can be supplemented.

Durch einfaches Auswechseln des Ringes uncVoder der Scheiben kann somit der Abstand der Platten und damit Empfindlichkeit, und Meßbereich sehr einfach verändert werden.By simply changing the ring and the washers thus the distance between the plates and thus the sensitivity and the measuring range are very simple to be changed.

Eine weitere Möglichkeit der Veränderung der Empfindlichkeit besteht inder Verwendung verschieden dicker Membranen.There is another possibility of changing the sensitivity in the use of membranes of different thicknesses.

Die O-Ringe sitzen in einer Vertiefung, die eine Bewegung der O-Ringe in radialer Richtung nach innen zuslassen, so daß diese die radiale Bewegung der Membran mitmachen, indem sie sich zwischen Membran und Unterlage verdrehen.The O-rings sit in a recess that allows movement of the O-rings in the radial direction to the inside, so that this the radial movement of the Participate in the membrane by twisting between the membrane and the base.

Membran und Zwischenringe (die aus Metall bestehen) sind elek trisch mit Masse verbunden und schirmen so die festen Platten vor Störfeldern ab.The membrane and intermediate rings (which are made of metal) are elec tric connected to ground and thus shield the fixed plates from interference fields.

Die elektronische Schaltung zur Erfassung sehr kleiner Kapazitätsdifferenzen ist in Zeichnung 2 dargestellt. Jede Hälfte des Differenzialkondensators bildet zusammen mit dem zugehöeigen Schaltungsteil A bzw. B eine monostabile Kippstufe. Deren Ausgangssignale werden dem Exklusiv-Oder-Glied zugeführt, dessen Ausgang nur dann Spannung führt, wenn nur einer der beiden Eingänge Spannung führt. Die monostabilen Kippstufen werden gemeinsam gestriggert und führen danach ein Ausgangssignal. Infolge der Exklusiv-Oder-Verknfung ist die Spannung am Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes zunächst null. Erst wenn das Ausgangssiqnal einer der beiden monostabilen Kippstufen auf Null abfällt (der Kippstufe die gerade die kleinere Kapazität aufweist) führt der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes Spannung, und. zwar so lange, bis auch die Spannung der anderen jonostabi1en Kippstufen auf null abfällt. Am Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes entsteht also ein Signal, dessen Dauer von den absoluten Kapazitäten völlicr'nabhänig-1st-ucrein direktes Maß für die Kapazitätsdifferenz und damit für den Druck darstellt.The electronic circuit for recording very small differences in capacitance is shown in drawing 2. Each half of the differential capacitor forms together with the associated circuit part A or B, a monostable multivibrator. Their output signals are fed to the exclusive-or element, and its output only then live if only one of the two inputs is live. The monostable Flip-flops are triggered together and then carry an output signal. As a result the exclusive-or link is the voltage at the output of the exclusive-or element initially zero. Only when the output signal is one of the two monostable multivibrators drops to zero (the flip-flop which just has the smaller capacity) leads the output of the exclusive-or element voltage, and. until they too Voltage of the other jonostabi1en flip-flops drops to zero. At the exit of the exclusive-or link a signal is created, its duration of the absolute capacities Completely independent-1st-ucrein a direct measure for the capacity difference and thus for represents the pressure.

Wichtig für die Auflösung und die Genauigkeit des Gerates ist nun die zeitliche Stabilität der Ausgangssignale der monostabilen Kippstufe, d.h. wenn die Kapazität nicht verändert wird, soll sich die Zeitdauer der Ausgangssignale durch Temperaturänderungen u.ä. möglichst wenig ändern.It is now important for the resolution and the accuracy of the device the temporal stability of the output signals of the monostable multivibrator, i.e. if the capacity is not changed, the duration of the output signals should change due to temperature changes, etc. change as little as possible.

Diese Stabilität hängt von der Gute der monostabilen Kippstufe ab. Mit Kippstufen in Form von integrierten Schaltkreisen lassen sich bereits sehr gute Ergebnisse erzielen, die jedoch durch Aufbau der Kippstufen aus einelnen Komponenten wesentlich verbessert werden können. Zeichnung 3 zeigt einen solchen Aufbau. Er enthält Konstantstromquellen anstelle des Widerstandes im RC-Glied der monostabilen Kippstufe (Widerstand bzw. Konstantstromquellen laden den Kondensator bei jedem Meßzyklus auf), einen Präzisionskomperator (er vergleicht die Spannung am Kondensator mit der Spannungsreferenz und liefert ein Ausgangssignal, das eins ist, solange die Spannung am Kondensator so hoch ist wie die Referenzspannung und das null wird, sobald die Spannung am Kondensator diesen Wert überschreitet), und eine Präzisionsspannungsreferenz. Das Ausgangssignal des Komperators steuert eine bistabile Kippstufe, die das Ausgangssignal liefert und den Kondensator wieder entläd; nachdem das Ausgangssignal auf null zurückgegangen ist. Durch den nächsten Triggerimpuls wird die bistabile Kippstufe wieder umgeschaltet.This stability depends on the quality of the monostable multivibrator. With flip-flops in the form of integrated circuits, very good Achieve results, however, by building the flip-flops from individual components can be significantly improved. Drawing 3 shows such a structure. He contains constant current sources instead of the resistor in the RC element of the monostable Flip-flop (resistance or constant current sources charge the capacitor with each Measuring cycle), a precision comparator (it compares the voltage on the capacitor with the voltage reference and provides an output signal that is one as long as the voltage on the capacitor is as high as the reference voltage and that becomes zero, as soon as the voltage on the capacitor exceeds this value), and a precision voltage reference. The output signal of the comparator controls a bistable multivibrator, which generates the output signal supplies and discharges the capacitor again; after the output has decreased to zero is. The bistable multivibrator is switched over again by the next trigger pulse.

Die Triggerung kann durch ein aus dem Zählimpuls abgeleiteten Signal mit fester Frequenz erfolgen, kann aber auch zur ökonomisierung der Messung dadurch erfolgen, daß der Triggerimpuls aus dem (um die Zeit der Entladung der Kondensatoren) verzögerten Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe mit dem längeren Ausgangssignal gehildet wird, was den Vorteil hat, daß die Messung unabhängig von der Zeitdauer der Ausganssignale der monostabilen ippstufe zimmer mit der ma.iinal mjgli.chen Frequenz erfolgt. Eine besondere Starterschaltuny sorgt dann für das sichere Ingangkomnen der Vorgänge und (lem Einschalten.Triggering can be triggered by a signal derived from the counting pulse take place with a fixed frequency, but can also be used to economize the measurement take place that the trigger pulse from the (at the time of the discharge of the capacitors) delayed output signal of the monostable multivibrator with the longer output signal is formed, which has the advantage that the measurement is independent of the duration of the output signals of the monostable input stage room with the ma.iinal mjgli.chen Frequency takes place. A special starter switch then ensures the safe start-up the processes and (lem switching on.

Bei der einfacheren Version des Verfahrens ohne kompensation der Membran aus lenkung steuert das Exklusiv-Oder-Glied-Ausgangssignal einen Zähler, der während der Dauer dieser Signale Impulse eines Generators mit konstanter Frequenz zählt. Am Ende der Meßperiode, d.h. wenn das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe mit der größeren Kapazität auf null gegangen ist, wird das Zählergebnis auf einen Speicher gegeben und der Zähler auf null gesetzt, nachdem das vorherige Ergebnis im Speicher gelöscht wurde. Der Speicherinhalte erscheint einerseits auf einer digitalen Anzeige und kann andererseits einem Digital/Analogwandler zuge führt werden, der die Darstellung des Druckverlaufs auf einem Schreiber oder einem Oszilloskopen ermöglicht. Das digitale Signal kann auch direkt mit einer Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitet werden.With the simpler version of the process without compensation of the membrane Steering controls the exclusive-or-member output signal a counter that during the duration of these signals counts pulses from a generator with a constant frequency. At the end of the measuring period, i.e. when the output signal of the monostable multivibrator with the larger capacity has gone to zero, the counting result will be on one Memory given and the counter set to zero after the previous result has been deleted from memory. The memory contents appear on the one hand on a digital one Display and can be fed to a digital / analog converter on the other hand, the enables the display of the pressure curve on a recorder or an oscilloscope. The digital signal can also be further processed directly with a data processing system will.

Eine Auswertelogik bestimmt aus den Längen der Ausgangssignale der monostabilen Kippstufe nach welcher Seite die Membrarl gerade durchgebogen ist und damit das (umschaltbare) Vorzeichen für die Anzeige. Dieses Vorzeichensignal dient außerdem zum Umschalten des Ausgangssignals des D/A-Wandlers beim Nulldurchgang des Druckes, wenn sich der Druck von Über- zu Unterdruck oder umgekehrt ändert.An evaluation logic determines from the lengths of the output signals monostable tilting stage to which side the membrane is bent straight and thus the (switchable) sign for the display. This sign signal is used also for switching the output signal of the D / A converter at the zero crossing of the pressure when the pressure changes from overpressure to underpressure or vice versa.

Diese Version des Geräts eignet sich auch zur digitalen Umwandlung von Schallwellen in ein digitales Signale Die Membran muß in diesem Falle so dünn sein, daß sie die nötige Empfindlichkeit und das nötige Schwingverhalten enthält und die Zyklus frequenz muß so hoch sein, daß auch hohe Frequenzen noch genügend aufgelöst werden. In Verbindung mit einer weiteren digitalen Verarbeitung erhält man so ein rauschfreies Registrierverfahren für Schall, das sich sowohl für die Unterhaltungselektronik als auch für Meßswecke.eiguats-Die Steuerung der Elektromagnete bei der Kompensation der Membran aus lenkung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf diese Elektromagnete das digitale Prinzip angewandt wird.This version of the device is also suitable for digital conversion of sound waves in a digital signal The membrane has to be so thin in this case be that it contains the necessary sensitivity and the necessary vibration behavior and the cycle frequency must be so high that high frequencies are still sufficient to be resolved. In connection with further digital processing it receives you have such a noise-free recording method for sound, which is suitable for both the Consumer electronics as well as for measuring purposes.eiguats-The control of the electromagnets in the compensation of the diaphragm from steering is achieved according to the invention by that the digital principle is applied to these electromagnets.

Auf beiden Seiten der Membran befindet sich ein solcher Elektromagnet. Dieser ist aus Teilspulen aufgebaut, deren magnetische Feldstrken sich in einem bestimmten Verhältnis verhalten (z.B. l:2:4:8:l6:32 etc.) und die von (einstellbaren) Konr;iianf.-stromquellen gespeist werden, so daß durdhKoli,atr er Spulen jeder ganzzahlige Wert innerhalb eines bestimmten Bereiches eingestellt werden kann (z.B. 8192 Werte bei 13 Teilspulen).Such an electromagnet is located on both sides of the membrane. This is made up of partial coils whose magnetic field strengths are in one behave in a certain ratio (e.g. l: 2: 4: 8: l6: 32 etc.) and that of (adjustable) Konr; iianf.-Stromquellen be fed, so that durdhKoli, atr he coils set any integer value within a certain range (e.g. 8192 values with 13 sub-coils).

Die Konstantstromquellen (die auch durch andere Schaltelemente ersetzt sein können) werden von den Ausgängen von zwei Auf/Abwärtszählern (Uber Speicher) gesteuert, die ihrerseits vom Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes gesteuert werden. Die Zähler stehen auch mit einem Oszillator mit konstanter Frequenz, der die Zählimpulse liefert, und mit dem Ausgangssignal der Vorzeichen logik in Verbindung. Das Signal an den Ausgängen der Zähler bzw. Speicher steuert außer den Elektromagneten in Verbindung des Ausgangssignals der Vorzeichenlogik auch die Digitalanzeige und /oder den D/A-Wandler. Der Speicher übernimmt am Ende der Meßperiode den aktuellen Zählerstand, wobei nur der Speicher (vor der übernahme) auf null gesetzt wird (Zeichnung 4).The constant current sources (which are also replaced by other switching elements can be) are from the outputs of two up / down counters (via memory) controlled, which in turn is controlled by the output signal of the exclusive-or element will. The counters are also available with a constant frequency oscillator, the supplies the counting pulses, and with the output signal of the sign logic in connection. The signal at the outputs of the counter or memory also controls the electromagnet in connection with the output signal of the sign logic also the digital display and / or the D / A converter. The memory takes over the current one at the end of the measuring period Counter reading, whereby only the memory (before the transfer) is set to zero (drawing 4).

Die Funktion im einzelnen ist wie folgt: Angenommen, die Membran sei in ihrer Ruhelage und keiner der Teilmagnete eingeschaltet, dann wird kein Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes erzeugt, die Anzeige ist null und die Magnete bleiben außer Kraft. Nun soll durch eine Druckänderung die Membran nach einer Seite ausgelenkt werden. Es entdbht nun ein Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes, das je nach Richtung der Auslenkung den einen oder anderen Zähler zum Zählen der Impulse des Generators (aufwärts) freigibt. Am Ende der Meßperiode wird das Ergebnis auf den Speicher übertragen, und der jeweilige Elektromagnet wird so gesteuert, daß er die Auslenkung gerade Rompensiert, gleichzeitig erscheint das Zählergebnis vorzeichenrichtig auf der Anzeige. Das Ausgangssignal der Vorzeichenlogik entscheidet, welcher der Zähler freigegeben wird. The function in detail is as follows: Suppose the membrane if in their rest position and none of the partial magnets are switched on, then there is no output signal of the exclusive-or element is generated, the display is zero and the magnets remain inoperative. A change in pressure should now deflect the membrane to one side will. There is now an output signal from the exclusive-or element, which depends on Direction of deflection one or the other counter for counting the pulses of the Generators (upwards) releases. At the end of the measurement period, the result is transferred to the Transfer memory, and the respective electromagnet is controlled so that he the Deflection just Rcompensated, at the same time the counting result appears with the correct sign on the display. The output signal of the sign logic decides which of the Counter is released.

Für den nächsten Meßzyklus gibt es nun drei Möglichkeiten: 1.> der Druck hat sich nicht verändert. Es entsteht wegen der Nullage der Membran kein Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes und der Zählerstand und die Kraft des Elektromagneten ändert sich nicht. There are now three options for the next measuring cycle: 1.> the pressure hasn't changed. Because of the zero position of the membrane, there is no Output signal of the exclusive-or element and the counter reading and the force of the electromagnet does not change.

2.)der Druck hat sich weiter erhöht. Es entsteht wieder ein Ausganyssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes mit dem gleichen Vorzeichensinal wie beim ersten Meßzyklus.2.) the pressure has increased further. An exit signal is generated again of the exclusive-OR element with the same sign as in the first measuring cycle.

Der Zähler zählt weiter aufwärts, erkbht aiso.apnen (nicht gelöschten ) Zählerstand, wobei sich am Ende des Meßzyklus der Stand der Digitalanzeige und die Kraft des Elektromagneten erhöhen. The counter continues to count upwards, but not deleted (not deleted ) Counter reading, whereby at the end of the measuring cycle the reading of the digital display and increase the force of the electromagnet.

3G> der Druck hat sich wieder vermindert. Es entsteht wieder ein Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes, diesmal aber mit umgekehrten' Vorzeichen. Dies steuert den Zähler so, daß er jetzt abwärts zählt. Entsprechend vermindern sich am Ende der Meßperiode Stand der Digitalanzeige und Kraft des Magneten.3G> the pressure has decreased again. It arises again Output signal of the exclusive-or element, but this time with the opposite sign. This controls the counter so that it now counts down. Reduce accordingly at the end of the measuring period the status of the digital display and the strength of the magnet.

Kommt einer der Zähler beim Alwärtszählen zum Stande null, so sorgt eine Umschaltlogik dafür, daß der andere Zähler nunmehr aufwärts zählt, wenn das Ausgangssignal des Exklusiv Oder-Gliedes noch andauert, so daß jetzt der andere Elektromagnet in Tätigkeit gesetzt wird. Durch diese Anordnung wird vermieden, daß bei4e Elektromagneten wirksam sind.If one of the counters comes to zero while counting down, it takes care a switching logic for the fact that the other counter now counts upwards if that The output signal of the exclusive OR element still lasts, so that now the other Electromagnet is put into action. This arrangement avoids that where electromagnets are effective.

Der Speicher kann auch fehlen und die Zähler können die Elektromagneten bzw. die Anzeige direkt steuern. Durch die Kompensation wird erreicht, daß die Membranen nur noch minimal ausgelenkt sind, da die Druckänderungen gegenüber der Zykluszeit (z.B. 104 Hz) langsam sind. Der Diffezizialkondensator kann so gewählt werden, daß seine Empfindlichkeit sehr hoch ist und sein Meßbereich sehr klein ist, da er nur noch als Nullindikator dient. Das Volumen des Meßraumes bleibt konstant, Nichtlinearitäten und Hystereseerscheinungen der Membran spielen praktisch keine Rolle. The memory can also be absent and the counters can have the electromagnets or control the display directly. The compensation ensures that the membranes are only minimally deflected because the pressure changes compared to the cycle time (e.g. 104 Hz) are slow. The differential capacitor can be chosen so that its sensitivity is very high and its measuring range is very small, since it only still serves as a zero indicator. The volume of the measuring space remains constant, non-linearities and hysteresis phenomena of the membrane play practically no role.

Die geforderte Schilttelfestigkeit wird einerseits durch die elQastische Aufhängung der Membran und ihre ungewöhnliche Dicke erreicht, andererseits sorgt eine spezielle Aufhängung des gesamten Druckfühlers dafür, daß die Membran durch die in einer horizontalen Ebene erfolgenden Schüttelbewegung nur in radialer Richtung bewegt wird und keine Beschleunigung in axialer Richtung erfolgt.The required shock resistance is achieved on the one hand by the elQastic Suspension of the membrane and its unusual thickness achieved, on the other hand, provides a special suspension of the entire pressure sensor so that the membrane through the shaking movement taking place in a horizontal plane only in the radial direction is moved and there is no acceleration in the axial direction.

Die Aufhängung erfolgt durch ein um eine horizontale Achse schwenkbares Winkelstück, das außerdem noch in seiner Höhe verstellbar ist.The suspension is carried out by a pivotable one around a horizontal axis Elbow, which is also adjustable in height.

Die relativ gute Temperaturstabilität wird dadurch erreicht, daß die beiden monostabilen Kippstufen, die die einzigen temperaturempfindlichen Bauteile der Schaltung darstellen (die Konstantstromquellen der Elektromagneten ausgenommen) doppelt vorhanden sind und sich gegenseitig Rompens 'Y çren, so daß nur eine sehr gerlnge Temperaturempfindlichkeit übrigbleibt, die durch etwas streuende Eigenschaften der (thermisch gekoppelten) monstabilen Kippstufe bedingt sind. Gemäß dem Stand der Technik lassen sich diese Streuungen in sehr engen Grenzen halten.The relatively good temperature stability is achieved in that the two monostable multivibrators, which are the only temperature-sensitive components of the circuit (excluding the constant current sources of the electromagnets) double are present and mutually rompens' y çren, so that only a very small Temperature sensitivity remains due to the somewhat scattering properties of the (thermally coupled) monstable flip-flop. According to the state of Technique, these spreads can be kept within very narrow limits.

Temperaturbedingte Verspannungen der Membran lassen sich, wie bereits angeführt, durch die elastische Aufhängung weitgehend vermeiden.Temperature-related tension in the membrane can, as already largely avoided due to the elastic suspension.

Das digitale Ausgangssignal kann ohne weiteres mit Datenverarbeitungsanlagen weiterverarbeitet werden. Dies gilt ganz besonders für die Anwendung der sogenannten "Warburgschen Zweigefäßmethode". Bei dieser wird gleichzeitig der Druckverlauf in 2 Gefäßen mit identischem Probenmaterial gemessen, wobei sich die beiden Gefäße in nur einem Parameter unterscheiden (z.B. verschiedenes Verhältnis von Flüssigkeits- zu Gas raum) . Durch ein kompliziertes (bisher manuelles Auswerteverfahren kann dadurch gleichzeitig dei Konzentrationsänderung zweier verschiedener Gase (z.B. Sauerstoff und Kohlendioxid) erfaßt werden.The digital output signal can easily be used with data processing systems are further processed. This is especially true for the application of the so-called "Warburg's two-vessel method". At the same time, the pressure curve in 2 vessels with identical sample material measured, whereby the two vessels differentiate in just one parameter (e.g. different ratio of liquid to gas room). Through a complicated (previously manual evaluation procedure thereby simultaneously changing the concentration of two different gases (e.g. Oxygen and carbon dioxide).

Diese Auswertung kann nun direkt und während der Messung durch eine (schnelle) Datenverarbeitungsanlage übernommen werden, und es wird damit möglich, die Konzentrationsänderung zweier Gase, etwa bei physiologischen Vorgängen wie Atmung oder Photosynthese, kontinuierlich zu erfassen und etwa auf einem Zweikanalschreiber in Diagrammform darzustellen - eine Aufgabe, die nach dem bisherigen Stand der Technik unlösbar war.This evaluation can now be carried out directly and during the measurement by a (fast) data processing system are taken over, and it is thus possible the change in the concentration of two gases, for example in physiological processes such as breathing or photosynthesis, to be recorded continuously and, for example, on a two-channel recorder to represent in diagram form - a task that according to the previous state of the art was unsolvable.

Aufgrund der Abhängigkeit der Kapazität von der Dielektrizitätskonstanten des Mediums lassen sich entsprechend Anspruch 8.Due to the dependence of the capacitance on the dielectric constant of the medium can be according to claim 8.

auch Unterschiede der dielektrischen Eigenschaften von Medien aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Auswerteschaltung erfassen. Zu diesem Zweck wird die Membran als dritte feste Platte ausgestaltet und das zu messende Medium zwischen die Platten gebracht. Dabei kann einer der beiden Räume zwischen den Platten ein Vergleichsmedium enthalten, während der andere Raum das Meßmedium aufnimmt. Die Räume können auch so gestaltet sein, daß gasförmige oder flüssige Medien die Raume durchfließen. So kann auch ein Medium za-.also due to differences in the dielectric properties of media the high sensitivity of the evaluation circuit. For this purpose, the Membrane designed as a third solid plate and the medium to be measured between brought the plates. One of the two spaces between the plates can be a Contain reference medium, while the other room takes the medium to be measured. the Spaces can also be designed to be gaseous or liquid media flow through the rooms. A medium can also za-.

nächst den einen Raum, uana nach einer Modifikaton, etwa einer chemischen Reaktion, den anderen Raum durchfließen, und so das Ausmaß der Modifikation gemessen werden.next the one room, depending on a modification, for example a chemical one Reaction, flow through the other room, and so the extent of the modification is measured will.

Die beschriebene Anordnung kann auch zur membranlosen Messung des Vakuumdruckes benutzt werden, indem einer der beiden Räume mit dem Vakuum verbunden wird, und der andere etwa ein Vergleichsvakuum oder ein Vergleichsgas (etwa unter Normaldruck) enthaltenkann. Die Messung beruht darauf, daß sich mit zunehmendem Vakuum die Dielektrizitätskonstante immer mehr der des Vakuums annähert. The arrangement described can also be used for diaphragm-free measurement of the Vacuum pressure can be used by connecting one of the two rooms to the vacuum and the other a reference vacuum or a reference gas (e.g. below Normal pressure). The measurement is based on the fact that with increasing Vacuum the dielectric constant approaches that of the vacuum more and more.

Das Ausführungsbeispiel nach Zeichnung l zeigt eine Reihe von für die "Warburg-Manometrie" wichtige Details: Um die Einflüsse unterschiedlicher Dielektrizitåtskonstanten auszuschalten (Luftfeuchtigkeit) sind die Räume zwischen den Platten von den Meßräumen durch dünne, leichtbewegliche Hilfsmembranen getrennt. In den Räumen zwischen den Platten kannsich Atmosphärenluft, aber auch ein besonderes Medium befinden.The embodiment of drawing l shows a number of for the "Warburg manometry" important details: About the influences of different dielectric constants to be switched off (humidity) are the spaces between the plates of the measuring rooms separated by thin, easily movable auxiliary membranes. In the spaces between the Plates can be atmospheric air, but also a special medium.

Weitere wichtige Details sind die Anschlußstutzen, die Hähne und die Druckwellendrosseln. Die Anschlußstutzen haben die Form eines Normschliffes 14.5, weil die zahlreichen in Gebrauch befindlichen Spezialgefäße für die"Warburg-Manometrie" diesen Normanschluß haben und somit mit dieser Apparatur weiterverwendet werden können.Further important details are the connecting pieces, the taps and the Pressure wave throttles. The connecting pieces have the shape of a standard joint 14.5, because the numerous special vessels in use for the "Warburg manometry" have this standard connection and can therefore continue to be used with this apparatus can.

Die "Druckwellendrosseln" sind zweckmäßig, weil sich beim Schütteln durch das Schwappen der Flüssigkeit örtlich Druckwellen bilden, die die Membran in Schwingungen versetzen Diese Druckwellen werden durch die verstellbaren"Druckwellendrosseln", mit denen eine Verengung des Lumens der Anschlußstücke möglich ist, von der Membran weitgehend ferngehalten.The "pressure wave throttles" are useful because when shaken The sloshing of the liquid creates local pressure waves that affect the membrane set in vibrations These pressure waves are caused by the adjustable "pressure wave throttles", with which a narrowing of the lumen of the connecting pieces is possible from the membrane largely kept away.

Die Hähne sind einerseits wichtig, weil beim Anschluß der Gefäße ein Uberdruck entsteht. Dieser beruht erstens darauf, dß die Anschlüsse gefettet werden und so beim Verbinden der Anschlüsse eine Volalmenverringerung entsteht, zweitens dadurch, daß die Gefäße nach dem Anschluß in den Thermostaten gestellt werden und nun eine Temperaturänderung erfahren.The taps are important on the one hand because when connecting the vessels a Overpressure arises. Firstly, this is due to the fact that the connections are greased and so when connecting the connections there is a reduction in volume, secondly in that the vessels are placed in the thermostat after connection and now experience a temperature change.

Dieser Überdruch wird durch das öffnen <er hähne vermieden.This excess pressure is avoided by opening the cocks.

Außerdem muß die Möglichkeit bestehen, kurz vor der Messunc; durch die angeschlossenen Gefäße einen GassLrom:zv iten (etwa Stickstoff). Zu diesem Zweck sind manche der Spezialgefäße ebenfalls mit einer verschließbaren Öffnung ausgestattet.In addition, the possibility must exist shortly before the measurement; by zvit the connected vessels with a gas flow (e.g. nitrogen). To this end some of the special vessels are also equipped with a closable opening.

Der Druckfühler ist so gestaltet, daß man beido Räume des Differenzialkondensators mit je einem Gefäß verbinden kann.The pressure sensor is designed so that both spaces of the differential condenser can connect with one vessel each.

Dies ermöglicht die Verwendung der Anlage als Differenzialmanometer.This enables the system to be used as a differential manometer.

Si der Manometrie spielen Temperaturänderungen im Meßgefäß eine erhebliche Rolle, weil der Druck nach den bekannten Gas gesetzen auch von der Temperatur abhängt. Obwohl die Gefäße thermostatisiert werden, ist es nicht möglich, die Tempe--2 ratur hinreichend konstant zu halten (sie müßte auf 10 2 < 10-3 Grad Celsius konstant gehalten werden). Änderungen des Atmosphärendruckes (Wetteränderungen) haben ebenfalls einen störenden Einfluß-auf das Meßergebnis. Um diese Störeinflüsse zu kompensieren benutzt man üblicherweise ein sogenanntes "Thermobarometer". Diesesist mit einem Gefäß verbunden> das mit dem Meßgefäß bzw. mit den Meßgefäßen identisch ist mit dem Unterschied, daß es die zu untersuchende Probe nicht enthält und die Druckänderung in diesem Gefäß somit das Ausmaß von Temperatur- und Atmosphärendruckänderungen widerspiegelt. Temperature changes in the measuring vessel play a significant role in manometry Role because, according to the well-known gas laws, the pressure also depends on the temperature. Although the vessels are thermostatted, it is not possible to adjust the temperature to be kept sufficiently constant (it should be constant at 10 2 <10-3 degrees Celsius being held). Changes in atmospheric pressure (weather changes) also have a disruptive influence on the measurement result. To compensate for these disturbances one usually uses a so-called "thermobarometer". This is with one Vessel connected> that is identical with the measuring vessel or with the measuring vessels with the difference that it does not contain the sample to be examined and the pressure change in this vessel the extent of temperature and atmospheric pressure changes reflects.

Bei der manuellen Manometrie werden die Werte der Meßmanometer um den Wert dieses "Thermobarometers" korrigiert.With manual manometry, the values of the measuring manometer are converted corrected the value of this "thermobarometer".

Bei der an sich bekannten Differenzialmanometrie, die sich mit speziellen Kapillarmanometern durchführen läßt, erfolgen diese Korrekturen automatisch, weil das Thermobarometergefäß an den einen, das Meßgefäß an den anderen Schenkel des Manometers angeschlossen wird und Druckänderungen, die in beiden Gefäßen gleichermaßen ablaufen, ohne Einfluß auf die Höhe der Flüssigkeitsschenkel bleiben. In the known differential manometry, which deals with special Can carry out capillary pressure, these corrections are made automatically because the thermobarometer vessel on one leg, the measuring vessel on the other leg of the Manometer is connected and pressure changes that occur in both vessels equally run without affecting the height of the liquid limbs.

Die Anlage nach Zeichnung 1 kann aber auch zur Messung gegen den Atmosphärendruck verwendet werden; zu diesem Zweck wird das Meßgefäß an das untere Anschlußstück angeschlossen und das obere Anschlußstück um 180° nach oben geklappttdamit es nicht in die Thermostatenflüssigkeit taucht. Der Abstand der beiden Anschlußstücke voneinander läßt sich durch Drehen des Unterteils variieren, so daß alle bekannten Spezial(Jefct ße verwendet werden können. The system according to drawing 1 can also be used to measure against the Atmospheric pressure can be used; for this purpose the measuring vessel is attached to the lower one Connection piece connected and the upper connection piece folded upwards by 180 ° it is not immersed in the thermostat fluid. The distance between the two connectors each other can be varied by turning the lower part, so that all known Special (Jefct esse can be used.

Die Maße der Anlage und die Art der Aufhtinqunr des Druckfilhlers sind so gewählt, daß si<:h die Anlage in Verbindung mit den zahlreichen mehr oder weniger in Gebrauch befindet lichen "Warburg-Apparaten" verwenden läßt.The dimensions of the system and the type of suspension of the pressure filter are chosen so that si <: h the plant in connection with the numerous more or less in use allows the use of "Warburg apparatus".

Gemäß Anspruch 7.7 können die Anschlußstücke mit einer Vorrichtung versehen sein (etwa einer geeigneten Bohrung), die die Aufnahme eines Lichtleiters gestattet (der etwa über eine Dichtung in die Bohrung eingeführt wird), so daß das Meßobjekt von oben und innen mit kalte Licht belichtet werden kann.According to claim 7.7, the connectors can with a device be provided (such as a suitable hole), the inclusion of a light guide allowed (which is introduced into the bore via a seal, for example), so that the Measurement object can be exposed to cold light from above and inside.

Die Belichtung ist wichtig bei Anwendung in der Pflanzenphysiologie, wo das Verhalten von Pflanzen und Pflanzenteilen bei Belichtung gemessen werden soll.The exposure is important when used in plant physiology, where the behavior of plants and parts of plants are measured when exposed to light target.

Bei den bisherigen Anlagen erfolgte die Belichtung von un-.In the previous systems, the exposure was from un-.

ten über Glühbirnen, wobei der Behälter für die Thermostatflüssigkeit aus durchsichtigem Material bestand und die Glühbirnen unterhalb des Behälters angebracht waren. Dieshatte den Nachteil, daß bei Belichtung durch die erhebliche Wärementwicklung der Glühbirnen eine vom Thermostaten nicht kompensierbare Aufheizung der Gefäße erfolgte, daß durch die Lichtabsorption von Behälter und Thermostatflüsr sigkeit eine Schwächung des Lichts erfolgte und das es nicht möglich war, mit Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten spektralen Bereichs zu belichten -eine Forderung, auf die bei modernen wissenschaftlichen Messungen nicht verzichtet werden kann.th over lightbulbs, with the container for the thermostat fluid was made of transparent material and the lightbulbs were placed underneath the container was. This had the disadvantage that on exposure due to the considerable heat development of the lightbulbs a heating of the vessels that cannot be compensated by the thermostat occurred that by the light absorption of the container and Thermostatflüsr fluid a weakening of the light took place and that it was not possible with light one to expose a certain wavelength or a certain spectral range -a Requirement that modern scientific measurements cannot do without can.

Mit Hilfe der Lichtleiter können die Proben ohne Temperaturerhöhung und ohne Lichtschwächung direkt mit Licht beliebiger Wellenlänge belichtet werden.With the help of the light guide, the samples can be read without increasing the temperature and exposed directly to light of any wavelength without any weakening of the light.

Claims (11)

Patentansprüche 1. Verfahren zur kapazitiven Erfassung - der Lageänderung einer elektrisch leitenden Platte - oder der Änderung der Dielektrisitätskonstanten von Medien - insbesondere zur Druckmessung mittels Membranen - mit und ohne digitalelektromagnetischer Kompensation der Membranauslenkung und Anlage zur Durchführung des Verfahrens - besonders geeignet für die sogenannte 'gWarburg-Manometrie" wobei eine metallene oder metallisierte Platte mit zwei festen Platten einen Differenzialkondensator bilden kann dadurch gekennzeichnet, daß - die beiden Teilkapazitäten des Differenzialkondensators Bestandteile je einer monostabilen Kippstufe sind und die beiden Kippstufen nach einem gemeinsamen Triggersignal je ein Signal bilden, dessen Dauer von der Größe der jeweiligen Teilkapazität abhängt und diese beiden Signale einem Exklusiv-Oder-Glied oder einer vergleichbaren Einrichtung zugeführt werden, so daß am Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes ein Signal entsteht, dessen Größe der Kapazitätsdifferenz der beiden Teilkapazitäten entspricht - ein periodisch auftretendes Triggersignal jeweils einen neuen Hle'.zyklus einleiten.kann, wc-bei durch dieses Triggersignal die monostabilen Kippstufen gestartet werden und das Åusgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes einer weiteren digitalen oder analogen Verarbeitung zugeführt wird - daß das Triggersignal aus dem verzögerten Signal des Exklusiv-Oder-Gliedes oder dem zeitlich längeren der beiden Ausgangssignale der monostabilen Kippstufen oder aus dem Signal eines Signalgenerators mit fester Frequenz gewonnen werden kann - das Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes einen Zähler so steuern kann, daß dieser während der Dauer des Signals Impulse eines Signalgenerators mit fester Frequenz zählt, dessen Ergebnis auf einen Speicher übertragen werden kann, eine Anzeigeeinheit und/oder ein Digital/Analogwandler mit dem Zähler oder dem Speicher in Verbindung steht und am Ende jeder Meßperiode der Speicher auf Null gesetzt wird, der Speicher das Ergebnis des Zählers übernimmt und dann der Zähler auf Null gesetzt wird - und eine Auswerteschaltung aus der blauer der Ausgangssignale der monostabilen Kippstufe ermitteln kann, nach welcher Seite die bewegliche Platte gerade ausgelenkt ist und damit das Vorzeichen der Anzeige und/oder die Polarität der Ausgangsspannung des fligital/Analogwandlers steuert. Claims 1. Method for capacitive detection - the change in position an electrically conductive plate - or the change in the dielectric constant of media - especially for pressure measurement by means of membranes - with and without digital electromagnetic Compensation of the membrane deflection and system for carrying out the process - particularly suitable for the so-called 'gWarburg manometry' where a metal or metallized plate with two fixed plates a differential capacitor can form characterized in that - the two partial capacitances of the differential capacitor Components are each of a monostable flip-flop and the two flip-flops after a common trigger signal each form a signal, the duration of which depends on the size the respective partial capacity depends and these two signals an exclusive-OR element or a comparable device, so that at the output of the exclusive-OR element a signal is produced, the size of which is the difference in capacitance between the two partial capacities - a periodically occurring trigger signal corresponds to a new Hle'.cycle einleiten.kann, wc-bei this trigger signal starts the monostable multivibrator and the output signal of the exclusive-or element of another digital one or analog processing - that the trigger signal from the delayed signal of the exclusive-or element or the longer one the two output signals of the monostable multivibrators or from the signal of one Signal generator with a fixed frequency can be obtained - the output signal of the Exclusive-OR element can control a counter so that it lasts for the duration of the signal pulses from a signal generator with a fixed frequency counts the result can be transferred to a memory, a display unit and / or a digital / analog converter communicates with the counter or the memory and at the end of each measuring period the memory is set to zero, the memory takes over the result of the counter and then the counter is set to zero - and an evaluation circuit from the blue the output signals of the monostable multivibrator can determine to which side the movable plate is just deflected and thus the sign of the display and / or controls the polarity of the output voltage of the digital / analog converter. 2. Verfahren nach Anspruch 1.2. The method of claim 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich die bewegliche Platte unter dem Einfluß zweier Elektromagnete befindet, die auf beiden Seiten der Platte angebracht sind diese Elektromagnete aus einer bestimmten Anzahl von Teilspulen aufgebaut sind, die gleiche oder unterschiedliche Windungszahlen aufweisen können - und diese Teilspulen über eine Steuerlogik an- bzw. characterized in that the movable plate is under the Influence of two electromagnets located on either side of the plate these electromagnets are made up of a certain number of sub-coils, can have the same or different numbers of turns - and these sub-coils switched on or off via a control logic ausgeschaltet werden können - das Ausgangssignal des Exklusiv-Oder.-Gliedes zwei sogenannte Auf-Abwärtszähler so steuert, daß diese während der Zeitdauer des Signals Impulse eines Generators mit fester Frequenz zählen, und zwar so, daß bei positivem Druck der eine Zähler, bei negativem Druck der andere Zähler in Betrieb ist, und daß, wenn der Druck die Durchbiegung der Membran erhöht hat, der jeweilige Zähler aufwärts, wenn sich die Durchbiegung der Membran vermindert hat, der Zähler abwärts zählt - wobei die Ausgänge der Zähler direkt oder über Speicher elektronische Schalter steuern, die die Teilspulen der Elektromagnete ein- bzw. ausschalten und gleichzeitig auf eine Anzeigeeinheit undioder einen Digital/Analogwandler gegeben werden - eine besondere Auswerteschaltung aus der Länge der Ausgangsimpulse der monostabilen Kippstufe ermittelt, nach welcher Seite die bewegliche Platte gerade durchgebogen ist und diese entscEleidet, ob der Zähler auf-oder abwärts zählen soll - und daß eine weitere Auswerteschaltung dafür sorgt, daß wenn einer der Zähler beim Abwärtszählen den Stand Null erreicht hat und das Signal des Exklusiv-Odert Gliedes noch andauert, der andere Zähler nunmehr bis zum Ende des Signals aufwärts zählt und so lange in Betrieb ist, bis er beim Abwärtszählen zum Stande Null kommt und eine erneute Umschaltung der Zähler eintritt, can be switched off - the output signal of the exclusive OR element two so-called up-down counter controls so that these during the period of the Signal count pulses from a generator with a fixed frequency, in such a way that at positive Pressure of one meter, with negative pressure the other Counter is in operation and that when the pressure increases the deflection of the diaphragm has, the respective counter increases when the deflection of the membrane decreases has, the counter counts down - whereby the outputs of the counters directly or via memory control electronic switches that switch the partial coils of the electromagnets on or off. switch off and at the same time on a display unit and / or a digital / analog converter - a special evaluation circuit based on the length of the output pulses the monostable flip-flop determines which side the movable plate is on is bent and this decides whether the counter should count up or down - and that another evaluation circuit ensures that if one of the counters has reached zero when counting down and the signal of the Exclusive-Odert Element still lasts, the other counter now up to the end of the signal counts and is in operation until it comes to zero when counting down and the counters are switched over again, 3 Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l dadurch gekennzeichnet, daß - sich auf einem Körper A eine feste Platte A'befindet, ein weiterer Körper B mit einer festen Platte B'ausgestattet ist und zwischen beiden Körpern über Zwischenstücke die bewegliche Platte liegt, so daß zwei Räume und ß entstehen - die.beiden iiäume d und'3 über rohrartige Elemente mit zwei Anschlußstutzen verbunden sind.3 Annex for the implementation of the Method according to Claim 1, characterized in that - on a body A a fixed plate A 'is located, another body B is equipped with a fixed plate B' and the movable plate lies between the two bodies via intermediate pieces, so that two spaces and ß arise - the two spaces d and 3 via tubular elements are connected with two connecting pieces. 4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2.4. Plant for carrying out the method according to claim 2. entsprechend der Anlage nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, daß - die beiden Körper A und B jeweils einen Elektromagneten aufnehmen. according to the system according to claim 3, characterized in that that - the two bodies A and B each receive an electromagnet. 5. Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß - die periodische Aufladung des Kondensators als zeitbestimmender Bestandteil der monostabilen Kippstufe über eine Konstantstromquelle erfolgen kann - die monostabilen Kippstufen aus mehreren Baugruppen bestehen können - wesentliche Bestandteile der monostabilen Kippstufen Präzisionskomperato ren und Präzisionsspannungsquellen sein können.5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that - the periodic charging of the capacitor as a time-determining component of the monostable multivibrator can be done via a constant current source - the monostable Tilting stages can consist of several assemblies - essential components of the monostable multivibrators precision comparators and precision voltage sources can. 6. Verfahren nach Aspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß - die Teilsnulen der Elektromagnete aus justierbaren Konstantstromquellen gesneist werden können, die über die Steuerlogik ein- bzw. ausgeschaltet werden - Ströme und Windungszahlen der Teilspulen so gewählt werden können, daß sich die magnetischen Feldstärken in einem bestimmten Verhältnis (z.B. 1:2:4:8:16...) verh alten - die Ausgänge der beiden Zähler bzw. Speicher über Oder-Glieder verbunden sein können und diese Oder-Glieder die Anzeige bzw. den Digital/Analogwandler steuern.6. The method according to claim 2, characterized in that - the partial columns the electromagnet can be sneed from adjustable constant current sources, which are switched on or off via the control logic - currents and number of turns the sub-coils can be chosen so that the magnetic field strengths in a certain ratio (e.g. 1: 2: 4: 8: 16 ...) - the outputs of the two Counters or memories can be connected via OR elements and these OR elements control the display or the digital / analog converter. 7. Anlage nach Ansprüchen 3. und 4., dadurch gekennzeichnet, daß - die bewegliche Platte zwischen zwei O-Ringen eingespannt sein kann - diese O-Ringe in entsprechenden Vertiefungen der Körper A und B liegen können - diese Vertiefungen einen Spielraum des O-Ringes zur Achse der beiden Körper A und B erlauben können - wobei ein definierter Abstand zwischen der beweglichen Platte und den beiden festen Platten durch Distanzringe gewährleistet wird.7. Plant according to claims 3 and 4, characterized in that - the moving plate can be clamped between two O-rings - these O-rings can lie in corresponding depressions of the body A and B - these depressions a clearance of the O-ring to the axis of the two bodies A and B can allow - With a defined distance between the movable plate and the two fixed ones Plates is guaranteed by spacer rings. - diese I)istaflzringe leicht gegen andere mit anderer Stärke ausgewechselt werden können - die Distanzringe durch Distanzscheiben verschiedener Stärke ergänzt werden können - die Kippstufen mit den unmittelbar zugehörigen Bauteilen in die Körper A und B oder in einen von bei.den direkt eingebaut sein können - die Anschlußstutzen als sogenannte Normschliffe NS 14,5 ausgebildet sein können - zwischen den Bäumen d und ß und den Normsohliffstutzen eine leichtbewegliche gasdichte Membran liegen kann sich in den rohrartigen Elementen Vorrichtungen befinden können, die es gestatten, das lumen zu verengen - die Körper A und B mit geeigneten Elementen zusainmengespannt werden und die ganze Vorrichtung über ein Winkelstück und ein stabförmiges Element so aufgehängt sein kann, daß - die Vorrichtung in die Stativaufhängungen der sogenannten Warburg-Apparaturen der Firma Braun, Belsungens eingehängt werden kann - die Vorrichtung aus den Körpern A und B sowohl in ihrer Höhe gegenüber dem "Warburg-Apparat" verstellt werden als auch um eine horizontale Achse in Richtung des Winkelstücks geschwenkt werden kann - die Vorrichtung aus den Körpern A und B in ihren Ausm aßen so gewählt ist, daß sie in die "Warburg-Apperatur paßt - beide rohrartigen Elemente mit einer Vorrichtung versehen sein können, die es gestattet, eine verschließbare Verbindung des Lumens mit der Außenatmosphäre bzw, eines mit der Vorrichtung verbundenen Schlauches herzustellen - sich die Vorrichtung leicht zerlegen lassen kann, so daß insbesondere die bewegliche Platte und die Distanzstücke leicht ausgewechselt werden können - die rohrartigen Elemente mit einem Lichtleiter oder einem .anschluß für einen Lichtleiter oder ein vergleichbares Beleuchtungselement versehen sein können, der es gestattet, die im angeschlossenen Meßgefäß befindlichen Proben von oben und innen zu beleuchten - die Anschlußstutzen nach unten zeigen können - die Anschlußstutzen im Abstand gegeneinander verstellbar sein können - die festen Platten so ausgebildet sein können, daß sie gleichzeitig die Eisenkerne der beiden Elektromagnete darstellen - these I) istaflzringe easily exchanged for others with a different strength - the spacer rings can be supplemented with spacers of various thicknesses can be - the tipping stages with the directly associated components can be built directly into bodies A and B or into one of the two - the Connection piece can be designed as a so-called standard ground joint NS 14.5 - between the trees d and ß and the Normsohliffstutzen an easily movable gas-tight membrane can lie in the tubular elements can be devices that allow to narrow the lumen - the bodies A and B with suitable elements be clamped together and the whole device via an elbow and a rod-shaped element can be suspended so that - the device in the tripod suspension the so-called Warburg apparatus from Braun, Belsungens can - the device from the bodies A and B both in their height compared to the "Warburg apparatus" can be adjusted as well as about a horizontal axis in the direction of the elbow can be pivoted - the device from the bodies A and B is chosen in its dimensions so that it fits into the "Warburg apparatus - both tubular elements can be provided with a device that allows a closable connection of the lumen with the outside atmosphere or one with the device connected hose - the device easily can be disassembled, so that in particular the movable plate and the spacers can be easily exchanged - the tubular elements with a light guide or a connection for a light guide or a comparable lighting element can be provided, which allows the located in the connected measuring vessel To illuminate samples from above and inside - the connecting pieces point downwards can - the connecting pieces can be adjustable in distance from one another - the fixed plates can be designed so that they simultaneously hold the iron cores represent the two electromagnets 8. Verfahren nach Anspruch 1.8. The method according to claim 1. dadurch gekennzeichnet, daß - die beiden festen Platten mit einer dritten festen Platte einen Differenzialkondensator mit festem Plattenabstand bilden - in die Räume « und Zu zwischen den Platten Gase, Flüssigkeiten, Dämpfe oder Feststoffe eingebracht werden, deren iielektrizitätskonstanten einen Einfluß auf die Kapazität der Teilkondensatoren haben - wobei der eine Raum ein Medium als Vergleichssubstanz, der andere Raum das Meßmedium enthalten kann - die Räume von den Medien durchflossen werden können - ein Medium erst durch den einen, denn nach einer Modifikation durch den anderen Raum strömt und über die Änderung der Teilkapazitäten das Ausmaß der Modifikation gemessen wird. characterized in that - the two fixed plates with a third fixed plate form a differential capacitor with a fixed plate spacing - Gases, liquids, vapors or solids in the spaces between the panels are introduced whose dielectric constant has an influence on the capacitance the partial capacitors have - with one room a medium as a reference substance, the other room can contain the medium to be measured - the media flows through the rooms - a medium only through the one, because after a modification through the other room flows and the extent of the change in the partial capacities Modification is measured. 9. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Platte durch Kräfte mechanischer Art, elektromagn. Art, elektrostat. Art bewegt wird.9. The method according to claim 1, characterized in that the movable Plate by forces of a mechanical nature, electromagn. Kind, electrostat. Kind of moves will. 10. Verfahren nach Anspruch 1. und 2. und Anlagen nach Anspruch 3. und 4., dadurch gekennzeichnet, daß - sie der Temperaturmessung dienen, indem die Temperatur den Druck des Mediums innerhalb von Meßgefäßen verändert - wobei ein Gefäß einer Vergleichstemperatur und das andere der Meßtemperatur ausgesetzt sein kann - und die Gefäße eine Flüssigkeit mit hohem Dampfdruck enthalten können.10. The method according to claims 1 and 2 and systems according to claim 3. and 4., characterized in that - they are used for temperature measurement by the Temperature changes the pressure of the medium inside measuring vessels - whereby a The vessel should be exposed to a reference temperature and the other to the measuring temperature can - and the vessels can contain a liquid with high vapor pressure. 11. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß - die bewegliche Platte in Dicke und Art so beschaffen ist, daß sie durch challwellen bewegt werden kann - das Signal des Exklusiv-Oder-Gliedes in Verbindung mit der Auswerteschaltung für die Richtung der Bewegung der beweglichen Platte ein digitales Signal für die Schallwellen darsteLlt, das deren Amplitude und Frequenz beinhaltet.11. The method according to claim 1, characterized in that - the movable plate in thickness and type is such that it is sound waves can be moved - the signal of the exclusive-or element in connection with the Evaluation circuit for the direction of movement of the movable plate is a digital one Shows the signal for the sound waves, which includes their amplitude and frequency.
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EP0196735A2 (en) * 1985-01-31 1986-10-08 Lucas Sensing Systems, Inc. Differential capacitance detector
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