Vorrichtung zum Messen, Aufzeichnen oder Steuern eines Druckes in Beziehung zu einem bekannten Vergleichsdruck
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen, Aufzeichnen oder Steuern eines Druckes in Beziehung zu einem bekannten Vergleichsdruck.
Die Erfindung ermöglicht ein verlässliches und genaues Instrument der erwähnten Art herzustellen, das von äusseren Störungen unabhängig, leicht herzustellen und einfach zu verwenden ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Messen, Aufzeichnen oder Steuern eines Druckes in Beziehung zu einem bekannten Vergleichsdruck ist dadurch gekennzeichnet, dass als Messorgan Flüssigkeitssäulen mit verschiedenen elektrischen Widerständen vorgesehen sind, welche mindestens eine durch zwei Elektroden begrenzte Messstrecke bilden, deren Widerstand sich in Abhängigkeit vom zu messenden Druck ändert.
Ein als Manometer ausgebildetes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Form einer U-förmigen Röhre aufweisen. Der Unterschied der Drücke auf zwei Flüssigkeitssäulen, z. B. Quecksilber in einer U-förmigen Röhre, zeigt sich durch den Höhenunterschied der zwei Säulen an. Die Oberfläche der einen Säule ist einem Druck ausgesetzt und die Oberfläche der andern Säule einem andern Druck; wenn dieser zweite Druck ein verhältnismässig hohes Vakuum ist, sind absolute Druckablesungen erhältlich.
In den üblichen Systemen ist diese Höhendifferenz optisch bestimmbar, z. B. durch ein Cathetometer. Dabei können viele Fehler sowohl im optischen als auch im mechanischen Teil des Systemes auftreten oder auch infolge von Temperaturvariationen.
Ein weiteres System, das in der Vergangenheit entwickelt wurde, weist zwei feine Drähte auf, die in jede Quecksilbersäule einer U-förmigen Röhre hineinragen. Der Widerstand besteht in den aus dem Quecksilber herausragenden, freien Drahtteilen und ändert sich mit der Höhe der vom zu messenden Druck abhängigen Quecksilbersäule.
Es ist ein Nachteil des früheren Systems, dass sich der Widerstand der zwei Drähte nicht linear mit ihrer Lage ändert und dass demzufolge die Widerstandsänderung nicht streng proportional zur Druckänderung steht.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist dieser Nachteil dadurch vermieden, dass der elektrische Stromfluss durch einen Widerstand, dessen Widerstandswert sich proportional mit dem zu messenden Druck ändert, für die Druckmessung verwendet wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine elektrische Impedanzänderung erzeugt, die proportional zur Druckänderung ist.
Die Erfindung ermöglicht ein Manometer, das keine beweglichen mechanischen Teile aufweist, erlaubt ferner einen kompletten Abschluss des Manometers und macht eine genaue Temperaturkontrolle der verschiedenen Teile möglich, was eine grössere Messgenauigkeit zur Folge hat.
Einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss führt eine innere, verkehrte, U-förmige Röhre von jedem der nach unten reichenden Arme zu je einem aufwärts reichenden Arm der zwei aufrechten U-förmigen Röhren. Die zwei aufrechten U-förmigen Röhren sind mit einer schweren Flüssigkeit aufgefüllt, welche auch ein guter Elektrizitätsleiter ist, wie Quecksilber, während die umgekehrte U-förmige Röhre mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, welche ein wesentlich schlechterer Leiter ist, z. 3. eine Salzlösung, die eine geringere Dichte hat und mit dem Quecksilber unvermischbar ist. Die freien Flüssigkeitsoberflächen beider aufrechten Röhren sind einem Vergleichs- oder Bezugsdruck ausgesetzt, ebenso wie dem unbekannten Druck.
Die Impedanzänderung jeder Flüssigkeitssäule zwischen bestimmten Punkten steht in proportionalem Verhältnis zu den Druckunterschieden, so dass der Stromdurchlass mit irgendeinem dazu geeigneten elektrischen Strommessgerät gemessen werden kann.
Zum Beispiel kann eine Brückenschaltung verwendet werden, und der Stromdurchlass der Brücke kann dazu verwendet werden, den unbekannten Druck mit Hilfe eines Servosystems zu kontrollieren, das den Stromdurchlass der Brücke auf Null einstellt. Als Alternative kann der Brückenstromdurchlass durch ein Instrument gemessen oder fortlaufend aufgezeichnet werden.
In der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Druckmessers gemäss der Erfindung und
Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Druckmessers.
Nach Fig. 1 ist ein thermostatisch geregelter Behälter 10 vorgesehen, um jeden Irrtum auszuschlie ssen, der zufolge von Temperaturveränderungen, Anderungen der spezifischen, physischen oder elektrischen Parameter der Flüssigkeiten nach sich ziehen kann.
Im Behälter 10 befinden sich eine umgekehrte U-förmige Röhre 11 und zwei aufrechte U-förmige Röhren 12 und 13. Die nach unten reichenden Arme der umgekehrten U-förmigen Röhre 11 bilden eine Fortsetzung je eines aufrecht stehenden Armes der aufrechten Röhren 12 und 13.
Die aufrechten Röhren 12 und 13 sind mit einer Flüssigkeit 14 gefüllt, welche eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, wie z. B. Quecksilber, und die umgekehrte Röhre 11 ist mit einer Flüssigkeit 15 von wesentlich kleinerer elektrischer Leitfähigkeit gefüllt, z. B. mit einer Salzlösung. Das Quecksilber bildet eine nicht starre, bewegliche Elektrode.
Die Nummer 32 bezeichnet ein Verschlussmittel, wie einen Stoppel oder einen Quecksilberverschluss.
Im obersten Teil der umgekehrten U-förmigen Röhre 11 befindet sich ein Stoppel 33, um das Laden zu vereinfachen und das Manometer einzustellen.
Der freie Flüssigkeitsspiegel 16 der Flüssigkeit 14 in der aufrechten U-förmigen Röhre 13 ist dem Druck der unbekannten Druckquelle im Behälter 17 ausgesetzt, während der freie Flüssigkeitsspiegel 18 der Flüssigkeit 14 in der aufrechten U-förmigen Röhre 12 dem Druck einer bekannten Druckquelle des Behälters 19 ausgesetzt ist. Diese Druckquelle des Behälters 19 mag ein verhältnismässig hohes Vakuum sein, um absolute Drucke zu messen. Anderseits kann diese Druckquelle als Vergleichsbasis von der Atmosphäre beeinflusst oder mit irgendeiner andern relativ konstanten Druckquelle verbunden sein.
In den Flüssigkeiten befinden sich vier Kontakte 20, 21, 22 und 23. Der Kontakt 20 berührt die Flüssigkeit 14 in der aufrechten U-förmigen Röhre 12 an einer Stelle, die unter keinen der zu erwartenden Druckbedingungen von der Flüssigkeit 15 erreicht werden kann. Beide Kontakte 21 und 22 berühren die Flüssigkeit 15 in der umgekehrten U-förmigen Röhre 11 an Stellen, die die Flüssigkeit 14 unter keinen der zu erwartenden Bedingungen erreicht. Die Kontakte 21 und 22 sind in der Flüssigkeit 15 voneinander entfernt angeordnet. Die Flüssigkeit 14 in der Röhre 12 wird bei den zu erwartenden Druckbedingungen niemals den Kontakt 21 erreichen und die Flüssigkeit 14 in der Röhre 13 niemals den Kontakt 22. Der Kontakt 23 berührt die Flüssigkeit 14 in der Röhre 13 vorzugsweise nahe der Fläche, wo die Flüssigkeit 14 die Flüssigkeit 15 berührt.
Die Flüssigkeitsspiegel sind in einem Zustand gezeigt, in welchem der Druckunterschied Null ist in den Druckquellen der Behälter 17 und 19, so dass der Kontakt 23 in Berührung mit der Flüssigkeit 14 bleibt, und zwar unter allen erwarteten Druckverhältnissen.
Zwischen den Kontakten der Wheatstoneschen Brücke 20 und 23 befindet sich eine elektrische Stromquelle 24, die entweder Gleichstrom oder vorzugsweise Wechselstrom erzeugt. Ein Potentialteiler, bestehend aus einem Arm 25 mit festliegendem Verhältnis und einem Arm 26 mit veränderlichem Verhältnis, bildet zwei Zweige der Brücke. Obwohl die Arme 25 und 26 als Widerstände gezeigt sind, können sie stattdessen irgendeine andere Art Impedanz sein, wie ein Transformator oder ein kapazitiver Spannungsteiler oder ähnliches. Die zwei anderen Zweige der Brücke bestehen aus den Impedanzen der Flüssigkeit 15 einesteils zwischen den Kontakten 20 und 21 und andernteils zwischen den Kontakten 22 und 23, in der Annahme, dass die Kontakte 21 und 22 kurzgeschlossen sind. Ein normalerweise geschlossener Schalter oder Kontakt 27 erstreckt sich zwischen den Kontakten 21 und 22.
Ein Null Detektor 28 zwischen den Kontakten 31 und 21-22 vollendet die Brückenschaltung. Die Spiegel 29 und 30 der Flüssigkeit 14 stellen die beweglichen Elek troden des s Messinstrumentes dar. Da der Kontakt 27 während einer Messung geschlossen sein muss, sind die Potentiale der Kontakte 21 und 22 die gleichen.
In der Ausführung dieses Beispieles wird angenommen, dass der Druck im Behälter 17 gleichwertig oder grösser ist als der Druck im Behälter 19; zum Beispiel wird angenommen, dass der Druck im Behälter 17 steigt, so dass beide Flüssigkeitssäulen 14 und die Flüssigkeitssäule 15 sich um eine Distanz h ändern, was die Druckänderung darstellt. Die Flüssigkeitsspiegel 16, 29, 30 und 18 werden in die Lagen 16', 29', 30' und 18' verschoben; die Flüssigkeitsspiegel 16, 29, 30 und 18 beziehen sich auf gleiche Drücke in den Behältern 17 und 19.
Da angenommen wird, dass alle Röhren den gleichen Querschnitt haben, sind alle Höhen h gleich, wenn der unbedeutende Unterschied in der Kompressionsfähigkeit der beiden Flüssigkeiten vernachlässigt wird; wenn spezielle Vorsichtsmassnahmen getroffen werden, wie Temperaturkontrolle durch den thermostatisch kontrollierten Behälter 10, dann ist die doppelte Höhe von h eine genaue Angabe der Druckdifferenz in den Behältern 17 und 19.
Wegen der Änderung der Flüssigkeitsspiegel 29 und 30 auf 29' und 30' ist die Impedanz zwischen den Kontakten 20, 21-22 angewachsen, in der Annahme, dass die Flüssigkeit 14 Quecksilber und die Flüssigkeit 15 beispielsweise eine Salzlösung ist mit wesentlich geringerer elektrischer Leitfähigkeit. In gleicher Weise hat die Impedanz zwischen den Kontakten 23 und 21-22 abgenommen. Dieser Wechsel bringt die Brückenschaltung aus dem Gleichgewicht und der Null-Detektor 28 wird eine Abweichung vom Nullpunkt aufweisen.
Wenn die Druckerhöhung gemessen werden soll, wird der Arm 26 so eingestellt, bis die Brücke wieder ausgeglichen ist, was in der Nullstellung des Null-Detektors abgelesen werden kann. Der Arm 26 kann direkt in Druckeinheiten kalibriert sein.
Anderseits kann der Null-Detektor 28 ein Servomechanismus sein, der den Druck im Behälter 17 regelt, so dass der Druck auf einem gewünschten Wert konstant bleibt, was der Arm 26 kontrolliert.
In einer andern Anwendung sind die Arme 25 und 26 durch ein Potentiometer ersetzt. Dieses anzeigende Potentiometer kann in Druckeinheiten kalibriert sein und fortlaufend die Druckdifferenz zeigen, die in den Behältern 17 und 19 herrscht.
Es ist klar, dass die Brückenschaltung, obwohl sie bequem ist, nicht wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist. Die Impedanzabweichungen zwischen den Kontakten 20 und 21 oder 22 und 23 können jede für sich oder zusammen verwendet werden, um einen Druck durch irgendeine geeignete elektrische Schaltung zu messen, zu kontrollieren oder anzu i- gen.
Da die Impedanz der Leitungszelle, nämlich die Arme der Brücke zwischen den Kontakten 20 und 21 und zwischen den Kontakten 22 und 23, von der Temperatur abhängig ist, wird das Manometer vorzugsweise in den thermostatisch kontrollierten Behälter 10 versetzt.
Die Temperaturkontrolle kann leicht geprüft werden, und zwar durch Öffnen des Schalters 27 und Messen des Widerstandes zwischen den geöffneten Enden, da die Impedanz bei einer bestimmten Temperatur bekannt ist.
In der Anwendung des Manometers der Fig. 2 sind die Röhren 40, 41, 42 und 43 kalibrierte Präzisionsröhren, die durch die Röhren 44, 45, 46 und 47 verbunden sind, welch letztere keine Präzisionsröhren sind und einen anderen Durchmesser haben können.
Es ist selbstverständlich, dass eine Änderung der Querschnitte der Röhren, durch welche die Flüssigkeit fliesst, eine entsprechende Veränderung der Höhe h nach sich zieht, welche nicht mehr proportional zur Druckänderung ist. Deshalb verwendet man kalibrierte Präzisionsröhren, wo immer eine Änderung des Flüssigkeitsspiegels vorkommt, damit die entsprechenden Querschnitte alle gleich sind, was die Genauigkeit der Druckanzeige beträchtlich erhöht. Natürlich brauchen die Querschnitte nicht gleich zu sein, solange ihre Beziehungen untereinander bekannt sind.
Obwohl die Flüssigkeiten 14 als bessere Leiter beschrieben wurden, mögen sie statt dessen als schlechte Leiter gewählt werden und dafür die Flüssigkeit 15 als besserer Leiter. Diese Umänderung mag zum Messen von niedrigen Drucken vorteilhaft sein, wie z. B. in beträchtlichen Höhen. Die als Flüssigkeit mit höherer Dichte verwendete Flüssigkeit 14 kann jedoch eine Dichte haben, die kleiner ist, als die des Quecksilbers, was die Messempfindlichkeit sehr erhöht, obwohl es unter gleichen physikalischen Dimensionen den Druckbereich entsprechend verkleinert.
Auf das Instrument der Fig. 2 Bezug nehmend, können die Röhren so dimensioniert sein, dass die eine Flüssigkeit sich in dem Teil der Röhre befindet, welcher einen grossen Durchmesser hat, und die andere Flüssigkeit in dem Teil der Röhre, der einen kleinen Durchmesser hat. Das macht eine Änderung der Messempfindlichkeit möglich; zum Beispiel, wenn die Röhren 40 und 43 (Fig. 2) je die mehrfache Querschnittsfläche der Röhren 41 und 42 hätten, wäre die Verdrängung des gemeinsamen Flüssigkeitsspiegels in den Röhren 41 und 42 mehrfach so gross als die in den Röhren 40 und 43 unter ein und derselben Druckdifferenz zwischen den Behältern 17 und 19; dies würde die Messempfindlichkeit um ein Mehrfaches erhöhen.