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Vorrichtung zum Messen von Spannungen, insbesondere sehr kleinen
Spannungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen,
insbesondere sehr kleinen Spannungen, welche einen Kondensator mit zwei feststehenden
und einer dazwischenliegenden beweglichen Elektrode enthält, bei der zwischen der
einen festen und der beweglichen Elektrode die Meßspannung liegt und zwischen der
anderen festen und der beweglichen Elektrode ein Wechselspannungsgenerator angeschlossen
ist, so daß die bewegliche Elektrode unter der Einwirkung der durch die Wechselspannung
erzeugten elektrostatischen Kräfte in Vibration gel>racht wird und zur Abgabe
einer der zu messenden Spannung proportionalen Wechselspannung dient.
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Bei solchen bekannten Meßvorrichtungen mit einem sogenannten Vibrationskondensator
wird die zu messende Spannung, insbesondere Gleichspannung, über einen hochohmigen
Widerstand der feststehenden Elektrode zugeführt und die so zwischen den Kolldensatorelektrodell
entstandene Wechselspannung welche der zu messenden Gleichspannung proportional
ist, wird in einem Wechselspannungsverstärker verstärkt. Die verstärkte Spannung
wird im allgemeinen gleichgerichtet und mittels eines Gleichstrominstrumentes gemessen.
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Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird die bebewegliche Elektrode
des Vibrationskondensators im allgemeinen auf elektromagnetischem Wege angetrielen,
wobei die Antriebsenergie von einem Röhrenoszillator geliefert wird. Dies hat verschiedene
Nachteile. Erstens ist der erforderliche Raum für den Antriebsoszillator mit dem
Antriebssystem verhältnismäßig groß; ferner ist hierfür ein größerer Energieaufwand
erforderlich, und schließlich ist die Wärmeentwicklung nicht unbeträchtlich. Die
entwickelte Wärme kann die Temperatur der Elektroden des Vihrationskondensators
steigern, wodurch die sogen nannten Kolltaktpotentiale, die dabei immer eine Rolle
spielen, auch wenn die Elektroden aus gleichem Material bestehen, sich ändern und
das Meßergebnis in ungewünschtem Sinne beeinflußt wird.
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Es ist zwar bekannt, die bewegliche Elektrode durch elektrostatische
Kräfte mittels eines Oszillators in Vibration zu bringen. Wird hierbei als Antriebsspannung
eine Niederfrequenzwechselspannung verwendet, so hat die von der Meßspannung abgeleitete
Spannung dieselbe Frequenz oder doppelte Frequenz.
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Insbesondere in ersterem Falle kann die Antriebsspannung durch kapazitiven
Einfluß der beiden feststehenden Elektroden aufeinander einen wesentlichep Einfluß
auf die Messung ausüben.
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Die Erfindung bezweckt, diesem Nachteil größtenteils abzuhelfen.
Nach der Erfindung erzeugt der Wechselspannungsgenerator eine Hochfrequenzspan-
nung,
welche mit einer von der Eigenfrequenz der beweglichen Elektrode abhängigen Niederfrequenzspannung
amplitudenmoduliert ist.
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Die Membran vibriert mit einer Frequenz gleich der Modulationsfrequenz,
wobei immerhin der obenerwähnte Einfluß nahezu völlig beseitigt werden kann, da
die Hochfrequenzspannungen, wenn sie zur eigentlichen Meßvorrichtung gelangen, leicht
mittels eines geeigneten Filters beseitigt werden können.
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Da die erforderliche Antriebsenergie äußerst gering ist, genügt ein
einfacher, wenig Raum beanspruchender Oszillator, der z. B. mit einem Transistor
arbeitet.
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Es braucht nahezu keine unerwünschte Aufheizung der Elektroden aufzutreten.
Neben einer hohen Nutzleistung ergibt sich außerdem der Vorteil, daß die Vibrationsfrequenz
höher als bei bekannten Vibrationskondensatoren gewählt werden kann, so daß das
Signal-Rausch-Verhältnis günstiger werden kann, da die Widerstandswerte kleiner
gewählt werden können.
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Dadurch, daß man die Kapazität der beweglichen Elektrode und der
zweiten festen Elektrode einen Teil der Kapazität der Oszillatorschaltung bilden
läßt, kann erreicht werden, daß in dieser Schaltung unmittelbar eine mit der Resonanzfrequenz
der beweglichen Elektrode zu modulierende Hochfrequenzschwingung erzeugt wird.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der
mehrere Ausführungsbeispiele von
Vorrichtungen nach der Erfindung
dargestellt sind.
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Es zeigt Fig. 1 ein schematisches Beispiel, das zur Erläuterung der
Erfindung dient, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Schwingung
der Membran in der Eigenfrequenz aufrechterhalten wird, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel,
bei dem Schwingung gleich der halben Eigenschwingungsfrequenz der Membran ist, Fig.
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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In Fig. 1 bezeichnet 1 die feste und 3 die bewegliche Elektrode des
bei der Messung benutzten Vibrationskondensators. Sie sind beide vorzugsweise kreisförmig
gestaltet. Die feste Elektrode kann eine Stärke von etwa 1 mm haben; die bewegliche
Elektrode ist als dünne Membran ausgebildet, vorzugsweise aus einem Kunststoff,
auf den eine leitende Schicht, z. B. durch Aufdampfen, aufgebracht ist. Die Stärke
kann etwa 0,006 mm betragen. Der Elektrodenabstand ist so klein gewählt, wie aus
baulichen Erwägungen möglich ist, z. B. gleich 0,015 mm. Die bewegliche Elektrode
3 ist an ihrem Rand eingeklemmt. An deren von der Elektrode 1 abgekehrten Seite
ist eine zweite feste Elektrode 2 angeordnet, welche die gleichen Ahmessungen wie
die erstere feste Elektrode haben kann und gleichfalls sehr nahe an der beweglichen
Elektrode liegt. Sie dient zum Antrieb der letzteren und zu diesem Zweck liegt eine
Wechselspannungsquelle 9 zwischen der zweiten festen Elektrode 2 und der beweglichen
Elektrode 3. Infolge der Bewegung entstehen Kapazitätsänderungen zwischen letzterer,
3, und der ersten festen Elektrode 1. Zwecks Herabsetzung der atmosphärischen Dämpfung
wird das Gebilde in einem geschlossenen GefäR angeordnet, in dem ein niedriger atmosphärischer
Druck von etwa 1,5 mm Quecksilbersäule herrscht.
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Die Vorrichtung5, welche die zu messende Spannung liefert, liegt
einerseits an Erde und an der beweglichen Elektrode und ist andererseits über einen
Widerstand4 mit der ersten festen Elektrode 1 verbunden. Infolge der obenerwähnten
Kapazitätsänderungen. die bis 30ovo betragen können, entsteht an der ersten festen
Elektrode 1 die vom Vibrationsvorgang beeinflußte Meßspannung, die über einen Kondensator
6 den Klemmen 7, 8 zugeführt wird, an welche ein Wechselspannungsverstärker angeschlossen
werden kann. Dessen Ausgangsspannung ist der Spannung in 5 nahezu proportional und
wird gemessen.
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Die Frequenz der in der Quelle 9 erzeugten niederfrequenten Spannung
wird vorzugsweise gleich der Hälfte der Eigenschwingungsfrequenz der Membran 3 gewählt
und in diesem Falle entsteht die maximale Bewegungsamplitude und somit auch die
größte Kapazitätsänderung. Wenn an die Membran keine elektrische Vorspannung gelegt
wird, so treten bei positiver und negativer Spannungsamplitude gleichgerichtete
anziehende Kräfte zwischen den Elektroden 2 und 3 auf, so daß die Membran 3 dann
in ihrer Eigenfrequenz vibriert. Die Frequenz der Spannung zwischen 7 und 8 ist
dann das Doppelte der Frequenz der Quelle 9. Dies bietet den Vorteil, daß von der
Quelle9 herrührende Störspannungen, die auf kapazitivem Wege oder auf andere Weise
auf die Elektrode 1 übertragen werden, verhältnismäßig leicht mittels eines geeigneten
Filters beseitigt werden können.
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Es ergibt sich aber, daß in bestimmten Fällen Harmonische der Spannung
der Quelle 9 einen ungün-
stigen Einfluß auf das Meßergebnis haben könnten.
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Dieser Einfluß kann dadurch völlig beseitigt werden, daß nach der
Erfindung für die Quelle9 ein Hochfrequenzoszillator gewählt wird, der mit einer
niedrigen Frequenz, vorzugsweise der Eigenfrequenz der Membran, amplitudenmoduliert
ist.
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Fig. 2 zeigt die Schaltung eines derartigen Oszillators, mittels
dessen eine solche Spannung erzeugt werden kann. In Fig. 2 bezeichnet 10 eine Vakuumröhre
mit einem Steuergitter, deren Anode über eine Induktivität 11 mit der positiven
Klemme einer Spannungsquelle verbunden ist. Diese Induktivität ist mit einem Schwingungskreis
14 gekoppelt, dessen eines Ende an Erde gelegt und dessen anderes Ende über einen
Kondensator 16 mit dem Steuergitter der Röhre 10 verbunden ist. Dies ergibt eine
Rückkopplungsschaltung, bei der der Kreis 14 nahezu die Frequenz der in der Schaltung
erzeugten Schwingung bedingt.
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Diese Schwingung wird mit einer Schwingung moduliert, deren Frequenz
der Eigenfrequenz der Membran 3 entspricht, und zu diesem Zweck ist die Elektrode
3 mit der Kathode der Röhre 19 verbunden und die Elektrode 2 steht über eine Induktivität
15 mit dem Steuergitter in Verbindung, während der Elektrode 1 die zu messende Spannung
zugeführt wird.
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Die Elektrode 3 ist an Erde gelegt. Ferner ist ein Gitterableitwiderstand
13 vorgesehen und in der Kathodenzuleitung kann ein Widerstand 12 in Form einer
Glühlampe zwecks Begrenzung der Amplitude der erzeugten Schwingung eingeschaltet
sein. Die Reihenschaltung der Induktivität 15 und der Kapazität zwischen den Elektroden
2 und 3 ist nahezu auf die Frequenz der erzeugten Schwingungen abgestimmt, in der
Weise, daß sich die Reihen schaltung für diese Frequenz wie eine Kapazität verhält.
Eine Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden 2 und 3 hat dann zur Folge,
daß die Schwingungsamplitude geändert wird, so daß sich auch die elektrostatischen
Kräfte zwischen 2 und 3 in gleichem Sinne ändern. Folglich wird die Schwingung der
Elektrode 3 in der Eigenfrequenz aufrechterhalten.
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Der stärkste Effekt tritt auf, wenn die Kapazität des Kondensators
16 gleich der mittleren Kapazität zwischen den Elektroden 2 und 3 gewählt wird.
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Fig. 3 zeigt eine Oszillatorschaltung zur Erzielung einer Antriebsspannung,
bei der die Schwingung der Elektrode 3 auf etwas andere Weise unterhalten wird.
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22 bezeichnet einen Hochfrequenzgenerator, dessen Schwingungen über
einen Kondensator 23 der Elektrode 2 des Vibrationskondensators zugeführt werden.
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Wenn dieser Kondensator vibriert, entsteht an der Elektrode 2 eine
mittels des Triodenteils von Röhre 19 amplitudenmodulierte Hochfrequenzschwingung.
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Letztere wird im Verstärker 17 verstärkt und in einem Demodulator
18 demoduliert. Die entstandene Niederfrequenzspannung dient zum Synchronisieren
der in dem Röhrenoszillator erzeugten Niederfrequenzschwingung, dessen Frequenz
hier die Hälfte der Eigenschwingungsfrequenz des Vibrationskonden sators beträgt.
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Der Röhrenoszillator besitzt eine Triode-Pentode 19, deren Triodenteil
für die Schwingungserzeugung und deren Pentodenteil zum Svnchronisieren dient.
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Zwischen dem Gitter und der Kathode des Triodenteiles liegt die Parallelschaltung
21 eines Widerstandes und eines Kondensators; zwischen der Anode des Pentodenteiles
und dem Gitter des Triodenteiles liegt die Reihenschaltung eines Kondensators und
eines Widerstandes 20. Das dritte Gitter des Pentodenteiles ist mit der Anode des
Triodenteiles verbunden,
und die Synchronisierspannung wird dem
ersten Gitter des Pentodeiiteiles zugeführt. Die niederfrequente Antriebsspannung
für den Vibrationskondensator wird der Anode des Triodenteiles entnommen.
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Die dargestellte Schaltung bleibt von selbst in Schwingung und liefert
eine Spannung mit einer Frequenz gleich der halben Eigenschwingungs frequenz der
Membran, wobei die dem Demodulator 18 entnommene Spannung, deren Frequenz gleich
der Eigenschwingungsfrequenz der Membran ist, die erzeugte Schwingung synchronisiert.
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In Fig. 4 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der ein Demodulator
verwendet wird, der Mittel ZUm Überlagern der modulierten Hochfrequenzspannung oder
einer dieser proportionalen Spannung auf die gegebenenfalls verstärkte veränderliche
Wechselspannung oder einen Teil derselben sowie zwei Gleichrichterkreise enthält,
in denen Spannungen erzeugt werden, die den positiven bzw. negativen Scheiteln der
erzielten Spannung proportional sind und gemein sam auf einen Gleichstrommesser
wirken.
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Es ergibt sich also in einfacher Weise eine der Meß spannung proportionale
Spannung, wobei sich das Vorzeichen dieser Gleichspannung mit demjenigen der Meßspannung
ändert.
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Wenn zwischen den Klemmen 5 eine Meßwechselspannung vorhanden ist,
tritt zwischen der festen Elektrode 1 und der beweglichen Elektrode gleichfalls
eine Schwingung auf, deren Frequenz das zweifache der bisherigen Eingangsspannung
ist, deren Amplitude der Größe der Spannung an den Klemmen 5 nahezu proportional
und deren Phase vom Vorzeichen der letzteren abhängig ist. Diese Wechselspannung
wird über den Kondensator 6 einem Wechselspannungsverstärker 24 zugeführt. Die verstärkten
Schwingungen werden über einen Kondensator 26 dem gemeinsamen Punkt zweier Induktivitäten
27 und 28 zugeführt, die einen Wert von 500 bzw. 2 mH haben können.
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Das untere Ende der Induktivität 27 ist an Erde gelegt, und das obere
Ende ist über einen Kondensator 25 mit der festen Elektrode 3 des Vibrationskondensators
verbunden Bei geeigneter Bemessung der Kondensatoren 25 und 26, die eine Kapazität
von 1000 bzw. 15000pF haben können, kann erreicht werden, daß am oberen Ende der
Induktivität 28 eine Spannung herrscht, die als Überlagerung einer der Meßspannung
proportionalen Niederfrequenzwechselspannung und einer mit einer konstanten Niederfrequenzwechselspannung
mit gleicher Frequenz und Phase wie die erstere amplitudenmodulierte, von 9' gelieferte
Hochfrequenzwechselspannung betrachtet werden kann. Diese Spannung hat positive
und negative Scheitel, deren Unterschied, der negativ oder positiv sein kann, die
Größe und die Phase der Meßspannung bedingt.
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Dieser Unterschied kann gemessen werden durch Verwendung einer als
solche bekannten, für andere Zwecke bereits verwendeten Vorrichtung mit zwei gegenüber
der Spannung am oberen Ende der Induktivität 28 gegensinnig geschalteten Gleichrichtern
31 und 32, die je in Reihe mit Widerstand-Kapazität-Parallelschaltungen 29 und 30
liegen. Diese Reihenschaltungen überbrücken die Reihenschaltung der Induktivitäten
27 und 28. Zwischen den oberen Enden der Kreise 29, 30 liegt ein Spannungsteiler
33, zwischen dessen beweglichem Kontakt und Erde der Gleichstrommesser 34, gegebenenfalls
über einen Verstärker, angeschlossen ist. Das Anzeigeinstrument 34
zeigt den erwähnten
Unterschied an; durch Verschiebung des Spannungsteilerkontaktes ergibt sich die
richtige Einstellung. Das Anzeigeinstrument 34 schlägt in der einen oder der anderen
Richtung aus entsprechend dem Vorzeichen der Spannung an den Klemmen 5.