DE1281177B - Vorrichtung zum Messen des Luftdrucks in einem Druckbereich von etwa 760 mm bis 10 mm Quecksilbersaeule - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIl

Deutsche KL: 42 k-14/04

Nummer: 1281177

Aktenzeichen: P 12 81 177.7-52 (C 35771)

Anmeldetag: 5. Mai 1965

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Luftdrucks in einem Druckbereich von etwa 760 bis 10~² mm Quecksilbersäule mit einem Alphatron mit einer Kollektorelektrode in Richtung der Symmetrieachse der Ionisationskammer und einer elektronischen Einrichtung, die eine Elektrometerröhre aufweist, die Impulse erzeugt, deren Folgefrequenz ein Maß für den Luftdruck darstellt. Sie betrifft damit eine Vorrichtung zum Messen der Luftdichte in einem Bereich, der sich vom Meeresspiegel bis in sehr große Höhen von etwa 80 km, insbesondere eine Vorrichtung dieser Art, die sowohl mittels Ballonsonden als auch mittels Maschinen mit eigener Antriebskraft befördert werden kann.

Bekanntlich werden Luftdruckmessungen im allgemeinen entweder mit Hilfe von Barometerdosen oder mit Hilfe von Pirani-Meßgeräten durchgeführt. Die Aneroid-Barometerdosen, mit denen im allgemeinen die Ballonsonden ausgerüstet sind, sind mit einem solch hohen Temperaturkoeffizienten behaftet, daß die Meßwerte einen Fehler in der Größenordnung von 10% bei Drücken in der Nähe von 30 mm Quecksilbersäule aufweisen. Luftdruck-Meßvorrichtungen, mit denen Raketen ausgerüstet sind, verwenden am häufigsten ein nach dem System Pirani arbeitendes Meßgerät. Der zwischen 30 und 80 km gemessene Druck erscheint in Form einer veränderlichen Gleichspannung. Die Meßwerte müssen wegen der Ansprechzeit des Gerätes korrigiert werden, die in der Größenordnung von ungefähr 1 Sekunde liegt, und die Korrekturen ändern sich entsprechend der Höhe.

Vorrichtungen zum Messen des Luftdrucks in einem Druckbereich von etwa 760 bis 10~² mm Quecksilbersäule sind schon bekannt, die mit einem »Alphatron« mit einer Kollektorelektrode in Richtung der Symmetrieachse der Ionisationskammer und einer elektronischen Einrichtung versehen sind, und die eine Elektrometerröhre aufweist, die Impulse erzeugt, deren Folgefrequenz ein Maß für den Luftdruck darstellt.

Die unter dem Namen Alphatron bekannten Ionisationsgeräte mit einer radioaktiven Betriebsquelle werden ebenfalls als Druckfühler zum Messen von Drücken in der Höhe verwendet. Bei einem Teil der bekannten Alphatronen ist jedoch der Ionisationsstrom, der den Druck anzeigt, ein mit dem Druck veränderlicher Gleichstrom, wodurch die Verwendung von Gleichstromverstärkern im Meßgerät erforderlich wird und andererseits ein Druckbereich, der einer Höhenspanne von 0 bis 80 km entspricht, nicht ohne die Verwendung von mindestens zwei Alpha-Vorrichtung zum Messen des Luftdrucks in
einem Druckbereich von etwa 760 mm bis
10~² mm Quecksilbersäule

Anmelder:

Centre National de la Recherche Scientifique,
Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Möbus, Patentanwalt,

7410 Reutlingen, Hindenburgstr. 65

Als Erfinder benannt:

Francis Cambou,

Francis Cottin, Toulouse (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 8. Mai 1964 (973 760)

tronen erfaßt werden kann, da die verwendeten Alphatrone nicht über diesen ganzen Druckbereich ein lineares Verhalten aufweisen. Deshalb ist es erforderlich, die Alphatrone und die Eingangswiderstände der Gleichstromverstärker wahlweise einzuschalten, um am Ausgang des Gerätes ein Ausgangssignal in Volt-Größe zu erhalten, das auf eine Fernmeßeinrichtung gegeben werden kann. Diese Umschaltungen, die bei hohen Impedanzen durchgeführt werden müssen, sind schwierig auszuführen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, eine Vorrichtung zum Messen des Luftdrucks (oder, genauer gesagt, der Dichte der Atmo-Sphäre zu) schaffen, die einen breiten Druckbereich ohne Umschaltung erfassen kann und eine lineare »Ionisationsstrom-Druck«-Kennlinie für den ganzen Bereich von 760 bis 10~~² mm Quecksilbersäule aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ionisationskammer des Alphatrons kegelstumpfartig ausgebildet und die radioaktive Quelle an der und parallel zur kleinen Grundfläche der Ionisationskammer angeordnet ist.

Aus der kegelstumpfförmigen Form der Kammer und insbesondere aus der Anordnung der radioaktiven Quelle in dem engeren Bereich der Kammer

809 628/1569

3 4

ergibt sich eine Verstärkung der Linearität der Kenn- röhre 21, einen Schmitt-Trigger 22^ eine Differenzier linie »Ionisationsstrom:—Druck« im Bereich der stufe 23, eine monostabile Kippstufe 24, eine Trenn hohen Drücke, und die Kollektorelektrode senkrecht verstärkerstufe 25, einen Verstärker 26 zur Nullwert

zu der radioaktiven Quelle erlaubt ein Absenken des Rückstellung des Alphatrons und einen Ausgangsver Reststromes bei niederen Drücken, wodurch die Ver- 5 stärker 27 auf.

wendung des gleichen Alphatrons über den ganzen Das Alphatron 100 kann für einen bestimmter

zu erfassenden Druckbereich ermöglicht ist. , Druck als Kondensator aufgefaßt werden, der durcl

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen- die in der Ionisationskammer erzeugten Ionen mi

Standes wird nachstehend an Hand der Zeichnungen einem konstanten Strom entladen wird. Sobald dis

beschrieben. Im einzelnen zeigt io Entladung des Kondensators einen bestimmten Wer

F i g. 1 ein Alphatron der Druckmeßvorrichtung, erreicht hat, liefert der elektronische Schaltkreis

F i g. 2 ein Schaltschema der dem Alphatron züge- einen Impuls, der das Potential der Kollektorelektrodi

ordneten elektronischen Einrichtung, des Alphatrons auf seinen Ausgangswert zurückfuhr

F i g. 3 die »Ionisationsstrom—Druck«-Kennlinie und den Beginn eines neuen Betriebszyklus erlaubt

der Druckmeßvorrichtung, 15 Die Entladezeit ergibt sich nach folgende]

F i g. 4 die Änderung des von der Folgefrequenz Gleichung:

der Impulse abgeleiteten Ionisationsstromwertes bei k

unterschiedlichen Lufttemperaturen, ~n '

F i g. 5 eine Kurve, welche die Höhe einer Ballonsonde anzeigt, welche als Träger für eine erfindungs- 20 wobei ρ den Druck in mm Hg bezeichnet und k eine gemäß ausgebildete Druckmeßvorrichtung gedient Konstante ist, die von der Kapazität C der Ionihat. Diese Kurve ist einerseits mit Hilfe von Radar- sationskammer in Farad, von der Amplitude V des messungen und andererseits mit Hilfe der Meßwerte Nullwert-Rückstellimpulses in Volt, und von dem der Druckmeßvorrichtung aufgezeichnet worden. bei 1 mm Quecksilbersäule erzeugten Ionisations*

Das in Fig. 1 dargestellte Alphatron weist einen 25 strom α in Ampere abhängt. Es gilt also k — CVIa. im wesentlichen kegelstumpfförmigen Körperl auf, Die Entladezeit ist umgekehrt proportional dem der durch vier Längsschlitze 2, 3 und 4 (der dem Be- Druck. Die Elektrometerröhre des Ausführungsbeitrachter zugekehrte vierte Schlitz ist aus der Schnitt- spiels ist vom Typ CK 5886. Sobald ihr Gitterpotendarstellung in Fig. 1 nicht ersichtlich) durchbrochen tial einen bestimmten Wert erreicht, überschreitet ist, durch welche Luft in die Innenkammer 20 des 30 das Anodensignal den Wert, von dem an der Schmitt-Körpers 1 eintreten kann. Auf Seiten seiner kleinen . . Trigger 22 freigegeben wird und ein Rechteckwellen-Grundfläche endet der Körperl in einem offenen signal mit konstanter Amplitude erzeugt. Von der Zylinderteil 5, dessen Durchmesser größer ist als der- ansteigenden Flanke dieses Rechteckwellensignals jenige der kleinen Grundfläche, und der mit einem wird in der Differenzierstufe 23 ein kurzer Impuls Außengewinde versehen ist und zur Aufnahme einer 35 abgeleitet, der auf die monostabile Kippstufe 24 geradioaktiven Quelle 8 dient. An seiner großen Grund- .- geben wird, welche diesen kurzen Impuls in einen fläche endet der kegelstumpfförmige Körper 1 in Impuls bestimmter Dauer, beispielsweise von einem ebenfalls mit einem Außengewinde versehenen 5 Mikrosekunden, umwandelt. Dieser Impuls wird zylindrischen Teil 6. durch die Stufe 25 in den Nullwert-Rückstellverstär-

Auf dem Teil 5 ist eine Kappe 7 aufgeschraubt, 40 ker26 und in den Ausgangsverstärker 27 gegeben, welche die radioaktive Quelle 8 in ihrer Lage hält. Der Verstärker 26 weist in seiner Endstufe einen ver-In Richtung der Achse der Kammer 20 des Alpha- änderlichen Widerstand 261 auf, der eine Steuerung trons verläuft eine Kollektorstange 9 aus Stahl mit der Amplitude des über die Leitung 260 auf das einem Durchmesser von 0,5 mm, die an einer Stelle Alphatron gegebenen Ladeimpulses erlaubt. Die mit einer Messingscheibe 10 verschweißt ist, durch 45 Steuerung der Amplitude des Ladeimpulses für das welche sie hindurchgeführt ist. Diese Kollektorstange Alphatron erlaubt die Einstellung der Anzahl der wird durch zwei in dem zyldindrischen Endab- Impulse pro Sekunde für einen gegebenen Druck; schnitt 6 des Alphatronkörpers 1 angeordnete Iso- sie erlaubt außerdem eine Kompensation der Ändelationsscheiben 11 und 12 in ihrer Lage gehalten, von rung der Impulszahl pro Sekunde infolge des Abdenen die eine eine Vertiefung 13 aufweist, in welche 50 baues der radioaktiven Quelle,
die Scheibe 10 eingelegt ist und in welcher sie durch Der Ausgang 271 ist mit dem Eingang eines von die andere Isolationsscheibe 12 gehalten wird. Der der Ballonsonde oder der Rakete getragenen, nicht zylindrische Endabschnitt 6 ist in eine Patrone 14 dargestellten Senders der Femmeßeinrichtung vereingeschraubt, die ihrerseits an einer Platte 15 eines bunden.

Stützkörpers mittels eines Sprengrings 18 befestigt 55 Die bei den Versuchen des Erfinders verwendeten

ist, der den radialen Flansch der Patrone 14, eine radioktiven Quellen waren Polonium 210 mit einer

Isolationsringscheibe 17, die Platte 15 und eine mit Intensität von ungefähr 50 Mikrocurie.

einem sich gegen den axialen Teil der Patrone 14 Die mit dem Gerät erzielten Resultate werden

legenden zentralen Rand versehene Isolationsring- nachstehend an Hand der F i g. 3, 4 und 5 erläutert,

scheibe 16 in Anlage aneinanderhält. Die Teile 15 60 Die Kennlinie »Ionisationsstrom—Druck« ist in

und 16 sind durch Schrauben 19 miteinander ver- Fig. 3 dargestellt und ist zwischen 10~² und

bunden. 760 mm Quecksilbersäule praktisch linear. Diese

Die Isolationsteile der Vorrichtung sind beispiels- Kennlinie 51 wurde bei einer Polarisationsspannung weise aus dem unter der Bezeichnung Polytetrafluor- der Kammer von 60 Volt erhalten, wobei die Koläthylen bekannten Kunststoff gefertigt. 65 lektorelektrode von der erwähnten Poloniumquelle

Der elektronische Schaltkreis, der mit dem ins- 3 mm entfernt war.

gesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichneten Ioni- In F i g. 4 ist die Änderung des Ionisationsstromes

sationsgerät verbunden ist, weist eine Elektrometer- als Folge der Wiederholungsfrequenz der Impulse

für verschiedene Temperaturwerte dargestellt. Diese Kurven 52, 53, 54 sind bei Versuchen entstanden, die in einem Behälter ausgeführt worden sind, in welchem unabhängig voneinander der Druck und die Temperatur eingestellt werden konnten. Aus dieser F i g. 4 ergibt sich, daß bei einem gegebenen Druck die Dichte der Luft und der Ionisationsstrom, der proportional dieser Dichte ist, umgekehrt proportional zu der absoluten Temperatur sind. Eine relative Änderung der Temperatur (in absoluten Graden ausgedruckt) bewirkt also theoretisch die gleiche Änderung des Ionisationsstromes, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Die Kurven zeigen ebenfalls, daß bei einer relativen Änderung der Temperatur um 10%, wie im vorliegenden Fall, die gleiche Änderung des Ionisationsstromes, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen, erfolgt. Die elektronische Einrichtung, die temperaturkompensiert ist, kann nur einen Fehler in der Größenordnung von 1% bedingen.

In F i g. 5 sind mit von einem Kreis umgebenen ao Punkten die Höhenwerte einer Ballonsonde eingetragen, die durch Radarpeilung ermittelt worden sind, und mit Kreuzen die Höhenwerte der gleichen Ballonsonde, die mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ermittelt worden sind. Die Höhenwerte sind in dem Diagramm in Abhängigkeit von der Flugzeit der Sonde aufgetragen. Aus Fig. 5 läßt sich ersehen, daß die über der Zeit aufgetragenen Höhenbahnen 55, die mit Hilfe von Radar und mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ermittelt worden sind, praktisch miteinander übereinstimmen.

Wie bereits erwähnt, kann die Anzahl der Impulse pro Sekunde mit Hilfe des Widerstandes 261 reguliert werden. Praktische Folgefrequenzen sind, entsprechend der verwendeten Quelle, beispielsweise 1 bis 3 Impulse bei 10~² mm Quecksilbersäule und 30000 bis 90 000 Impulse bei normalem Luftdruck.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des Luftdrucks in einem Druckbereich von etwa 760 bis 10~² mm Quecksilbersäule mit einem Alphatron mit einer Kollektorelektrode in Richtung der Symmetrieachse der Ionisationskammer und einer elektronischen Einrichtung, die eine Elektrometerröhre aufweist, die Impulse erzeugt, deren Folgefrequenz ein Maß für den Luftdruck darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer (20) des Alphatrons kegelstumpfartig ausgebildet und die radioaktive Quelle (8) an der und parallel zur kleinen Grundfläche der Ionisationskammer angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung unter anderem eine Schwellwert-Schaltstufe, die die von der Elektrometerröhre erzeugten Impulse in hinsichtlich ihrer Dauer und Amplitude bemessene Impulse umwandelt, wenn die Entladung des durch die Ionisationskammer (20) und die Kollektorelektrode (9) gebildeten Kondensators einen vorgegebenen Wert überschreitet, und Organe aufweist, mit denen diese bemessenen Impulse auf die Wandung der Ionisationskammer (20) zum Wiederaufladen des Kondensators geleitet werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwert-Schaltstufe einen Schmitt-Trigger, eine Differenzierstufe, eine monostabile Kippstufe und einen Ausgangsverstärker mit veränderlichem Vertärkungsgrad aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of Scientific Instruments, 1951, Dezember, S 372 373"
Electronics, 19. Juni 1959, S. 60, 61.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 628/1569 10.68 © Bundesdruckerei Berlin