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Vorrichtung zum Messen von niedrigen Drücken Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum Messen von niedrigen Drücken mit einem Differentialkondensator,
der aus zwei feststehenden Elektroden besteht, zwischen denen sich eine dritte,
bewegliche Elektrode befindet.
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Die letztgenannte Elektrode kann als Membran ausgebildet sein, auf
die das Mittel einwirkt, dessen Druck bestimmt werden soll. Die Messung beruht auf
der Bestimmung des Kapazitätsuiiterschiedes der Kondensatoren, die durch die bewegliche
Elektrode einerseits und jede der feststehenden Elektroden andererseits gebildet
werden.
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Diese Kondensatorkonstruktion kommt auch bei kapazitiven Mikrophonen
zur Verwendung. Hierbei wird den Kondensatorelektroden über Kopplungselemente eine
Wechselspannung zugeführt, die unter dem Einfluß der Verstellung der zwischen den
feststehenden Elektroden angeordneten beweglichen Elektrode moduliert wird; die
modulierte Wechselspannung wird nach Verstärkung demoduliert. und die so erhaltene
Modulationsspannung, deren Frequenz der sekundlichen Schwingungszahl der Zwischenelektrode
entspricht, wird einem Wiedergabegerät zugeführt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei in dieser Weise arbeitenden
kapazitiven Mikrophonen eine Gegenkopplung anzuwenden. Zu diesem Zweck wird von
der modulierten Spannung außerdem eine Modulationsspannung abgeleitet, die als Gegenkopplungsspannung
den Elektroden des Differentialkondensators zugeführt wird. Bei einer solchen Schaltungsanordnung
ist die von einem Oszillator abgeleitete Wechselspannung zwischen der beweglichen
Elektrode und einer der feststehenden Elektroden wirksam und wird infolgedessen
entsprechend den Verstellungen der beweglichen Elektrode moduliert. Die zurückgeführte
Modulationsspannung ist zwischen der beweglichen Elektrode und der anderen feststehenden
Elektrode wirksam.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art,
die sich besonders dazu eignet, niedrige statische Drücke mit großer Genauigkeit
zu messen. Zweckmäßig wird ein symmetrisch gebauter Differentialkondensator verwendet,
bei dem also die feststehenden Platten im Ruhezustand symmetrisch zur beweglichen
Zwischenplatte stehen.
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Nach der Erfindung liegt bei einer solchen Vorrichtung, bei der einer
Kondensatorelektrode über Kopplungsglieder eine Wechselspannung zugeleitet wird,
die entsprechend dem auf die bewegliche Elektrode einwirkenden Druck moduliert wird,
und bei der aus der modulierten Wechselspannung, neben einer zur Anzeige dienende
Spannung, eine weitere Spannung abgeleitet und dem Differentialkondensator als Gegenkopplungsspannung
zugeführt wird, die Gegenkopplungsspannung an einem Spannungsteiler mit drei Ab
griffen, von denen der mittlere mit der Zwischenelektrode und die beiden äußeren
mit den feststehenden Elektroden derart verbunden sind, daß die Gegenkopplungsspannungen
in bezug auf die Zwischenelektrode stets entgegengesetzte Polarität aufweisen, während
die unbeweglichen Elektroden außerdem eine feste, vorzugsweise regelbare Vorspannung
gegenüber der Zwischenelektrode besitzen. Diese Vorspannung wird zweckmäßig einer
stabilisierten Spannungsquelle, z. B. einer Anodenspannungsquelle, entnommen, deren
Ausgangsspannung mittels einer oder mehrerer Glimmröhren stabilisiert ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung ist schematisch
in der Zeichnung dargestellt.
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Der Differentialkondensator 1 dient als Aufnahmeelement für den zu
messenden Druck. Es besteht aus zwei äußeren, fest angeordneten plattenförmigen
Elektroden und einer dazwischenliegenden beweglichen Æwischenelektrode, auf die
direkt oder indirekt das Mittel einwirkt, dessen Druck bestimmt werden soll.
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Den feststehenden Elektroden wird über Kopplungsglieder, die im vorliegenden
Fall als Induktivitäten dargestellt sind, eine in dem Oszillator 2 erzeugte ÄVechselspannung
zugeführt. Bei einer Verstellung der beweglichen Elektrode des Kondensators nimmt
die Kapazität zwischen dieser Elektrode und der einen feststehenden Platte zu, die
Kapazität zwischen ihr
und der anderen festen Platte ab, wodurch
sich der Spannungsunterschied zwischen den Punkten 3 und 4 der Kopplungsglieder
ändert. Bei symmetrischer Ausbildung ist dieser Spannungsunterschied beim Fehlen
eines Druckunterschiedes beiderseits der Membran, auf die der Druck einwirkt und
die als Primäraufnahmeorgan dient, gleich Null. Der Phasenunterschied zwischen den
Spannungen an den Punkten 3 und 4 ist von dem Sinn der Verstellung der Zwischenelektrode
abhängig. Die Spannung zwischen den Punkten 3 und 4 ist in einem Verstärker 5 verstärkt
und die verstärkte modulierte Spannung in der schematisch dargestellten Vorrichtung
6 demoduliert. Der Vorrichtung 6 wird über den Transformator 20 die Ausgangsspannung
des Verstärkers 5 zugeführt. Sie enthält unter anderem zwei Gleichrichter 8 und
9 sowie Widerstände 10 und 11. Zwischen die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators
20 und den gemeinsamen Punkt der einander gleichen Widerstände 10 und 11 ist die
Sekundärwicklung eines Transformators 21 geschaltet. Seine Primärwicklung bildet
den Ausgangskreis des Verstärkers 7, der eingangsseitig am Oszillator 2 liegt. Die
vom Oszillator gelieferte Spannung kann eine Frequenz von etwa 500 kHz haben.
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Der geschilderte Demodulator ist als solcher bekannt. Die an den
Widerständen 1Q und 11 auftretende Spannung ändert ihre Polarität entsprechend dem
Sinn des Ausschlags der Zwischenelektrode des Differentialkondensators; diese Spannung
ist maßgebend für den zu messenden Druck und wird von dem Meßwerk 12 angezeigt Der
Reihenschaltung zweier Widerstände 15 und 16, die parallel zur Reihenschaltung der
Widerstände 10 und 11 liegt, wird eine Gegenkopplungsspannung entnommen. Bei der
dargestellten Ausführungsform hat die bewegliche Elektrode Erdpotential. Die Gegenkopplungsspannungen
werden den feststehenden Elektroden des Kondensators iiber Widerstände 18 und 19
zugeleitet. Der gemeinsame Punkt zweier gleich großer Widerstände 13 und 14, die
in Reihe am Ausgang des Demodulators liegen, hat auch ein festes Potential.
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Wenn die auf den Widerständen 15 und 16 verschiebbaren Abgriffe auf
symmetrisch liegende Punkte eingestellt sind, erhalten bei einem bestimmten Druckmesserausschl
ag die beiden feststehenden Elektroden des Differentialkondensators gleich hohe,
aber entgegengesetzt gerichtete Spannungen.
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Die resultierende Kraft an der beweglichen Elektrode wäre daher,
wenn keine weiteren Maßnahmen getroffen werden, gleich Null, und es würde keine
Gegenkopplung
auftreten. Um eine Gegenkopplung zu erhalten, ist die Spannungsquelle 17 vorhanden,
deren einer Pol mit Erde und deshalb mit der beweglichen Elektrode und deren anderer
Pol mit dem gemeinsamen Punkt der Widerstände 13 und 14 verbunden ist. Infolgedessen
wird bei einem Ausschlag der beweglichen Elektrode der Absolutwert der Spannung
an der einen feststehenden Elektrode verschieden von dem Absolutwert der Spannung
an der anderen. Die Polarität der rückgeführten Spannungen ist derart, daß die auftretende
Kraft die bewegliche Elektrode zu der zentralen Lage zurückzuführen sucht.
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Für eine genaue Messung ist es wichtig, daß die Spannung der Quelle
17 sehr konstant ist. Die Größe dieser Spannung bestimmt den Gegenkopplungsgrad.
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Man verwendet vorzugsweise eine aus dem Netz gespeiste Anodenspannungsquelle,
deren Ausgangsspannung mittels einer oder mehrerer Glimmröhren stabilisiert ist.
Durch Regelung der Spannung der Quelle 17 kann der Meßbereich verändert werden.
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FATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum Messen von niedrigen Drücken
mit einem Differentialkondensator als Aufnahmeelement, der zwei feststehende und
dazwischen eine dritte bewegliche Elektrode besitzt, deren Lage unter dem Einfluß
des Mittels steht, dessen Druck gemessen wird, bei der ferner den Kondensatorelektroden
über Kopplungsglieder eine Wechselspannung zugeführt wird, die entsprechend der
Lagenänderungen der dritten Elektrode moduliert wird, und bei der von der modulierten
Wechselspannung außer einer die Anzeige ergebenden Spannung eine weitere Spannung
abgeleitet wird, die als Gegenkopplungsspannung dem Differentialkondensator zugeführt
wird, dadurch gekennzeichnet, -daß die Gegenkopplungsspannung an einem Spannungsteiler
mit drei Abgriffen auftritt, von denen der mittlere mit der zentralen Elektrode
und die beiden äußeren mit den feststehenden Elektroden verbunden sind, und die
feststehenden Elektroden eine Vorspannung gegenüber der beweglichen Elektrode aufweisen.