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Druckmeßdose, insbesondere für aerologische Radiosonden
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Die Erfindung betrifft eine kontinuierlich abtastbare Druckmeßdose
für barometrische oder manometrische Zwecke, insbesondere für aerologische Radiosonden.
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Zur Messung von Gasdrücken, insbesondere Luftdrücken ist es bekannt,
Barometer einzusetzen, die als druckempfindliches Teil geschlossene, meist luftleere,
flache, zylindrische Metalldosen mit elastischen, wellblechartigen Grundflächen
aufweisen. Barometer dieser Art werden Aneroidbarometer genannt. Die allseits geschlossene
Metalldose, die meist weitgehend evakuiert oder manchmal auch mit einem getrockneten
Inertgas gefüllt ist wird je nach herrschendem Außendruck mehr oder weniger deformiert,
wobei die Deformation mit Hilfe geeigneter Instrumente, meist mit Hebelsystemen
abgetastet und die dadurch gewonnene Information entweder unmittelbar zur Anzeige
gebracht oder auch weiter verarbeitet wird.
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Aneroidbarometer werden außer für stationäre Zwecke, etwa zur metereologischen
Luftdruckmessung auch in mobilen
Meßstationen, beispielsweise in
aerologischen Radiosonden verwendet. Bei diesen Sonden handelt es sich um kleine
Meßstationen, die außer dem Luftdruck meist noch die Temperatur sowie die Luftfeuchte,
in manchen Fällen aber auch noch weitere physikalische Größen, wie beispielsweise
elektrische Felder, Elementarteilcheneinfall usw. messen können. Die Sonden enthalten
als regelmäßigen Bestandteil Anordnungen zur Luftdruckmessungen in Form von Aneroidbarometern.
Die Abtastung der in diesen Barometern enthaltenen Druckmeßdosen geschieht meist
mechanisch mit einem geeigneten Hebelsystem. Das System ist dabei möglichst leichtgängig
gelagert, wobei sich ein Ende unmittelbar auf der Druckmeßdose und ein entgegengesetztes
Ende am Tasteingang eines Kurzwellen-Morsesenders befindet. Der Tasteingang weist
beispielsweise eine Walze auf, die mit Hilfe eines Elektromotors in Umdrehung versetzt
werden kann. Auf der Walzenoberfläche befinden sich zahlreiche Führungsrillen für
das freie Ende des Hebelsystems, so daß dieses Ende je nach Auslenkung in die eine
oder andere Rille eingesetzt wird. Beim Aufliegen des Hebelendes auf der Morsewalze
und bei der Umdrehung der Walze gleitet der Hebel über die elektrisch isolierte
Walzenoberfläche, in der sich unterschiedlich kodierte Durchbrechungen befinden.
Gleitet eine derartige Durchbrechung der Isolationsschicht am Hebelende vorbei,
so berührt das Hebelende den elektrisch leitenden
Walzenkern und
schließt dabei kurzzeitig einen Stromkreis.
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Die hierdurch gewonnenen Impulse dienen zur Austastung des Kurzwellensenders
und werden von diesem an die Bodenstation gefunkt.
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Die Abtastgenauigkeit bei einer derart mechanisch abgetasteten Druck-meßdose
hängt u.a. von der Lagerreibung ab. Diese Lagerreibung kann nicht beliebig klein
gemacht werden, u.a. deshalb, weil die Stoßempfindlichkeit der Systeme sonst zu
groß würde. Um eine weitere Steigerung der Abtastempfindlichkeit und insbesondere
auch die Möglichkeit zum kontinuierlichen Abtasten der Druckmeßdose zu erhalten,
ist es bekannt, die Druckmeßdose kapazitiv abzutasten. Hierzu wird die Anordnung
so getroffen, daß wenigstens eine deformierbare Oberfläche der Druckmeßdose eine
Elektrode eines Kondensators bildet, dessen Kapazität von der relativen Lage der
Elektrode zur Gegenelektrode und folglich von der Deformation der Druckmeßdose abhängt.
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Die Kapazität ist dann verhältnismäßig einfach mit elektrischen Mitteln
zu messen, beispielsweise indem der Kondensator das frequenzbestimmende Teil eines
Schwingkreises, der zur Aussteuerung eines Senders dient, gemacht wird.
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Eine derartige kapazitive Abtastung der Druckmeßdose ist also grundsätzlich
bekannt, bereitet aber bei der
praktischen Anwendung erhebliche
Schwierigkeiten, da die Radiosonde auf ihrem Weg durch Bereiche unterschiedlicher
Luftfeuchtigkeit sowie unterschiedlichen Staubgehaltes gelangt. Die Feuchtigkeit
kann dabei, z.B. beim Passieren von Wolken, extrem hohe Werte annehmen, wodurch
sich die Dielektrizitätskonstante des zwischen den Kondensatorplatten befindlichen
Dielektrikums stark ändert. Es tritt dadurch nicht nur eine Kapazitätsänderung durch
Deformation der Druckmeßdose sondern zusätzlich in unkontrollierbarer Weise eine
weitere Kapazitätsänderung durch Änderung der Dielektrizitätskonstante des Kondensatormediums
auf. Die hierdurch bedingten technischen Schwierigkeiten sind extrem groß, so daß
sich derartige kapazitiv abgetastete Druckmeßdosen in Radiosonden sowie auch in
metereologischen Bodenstationen bisher nicht allgemein durchsetzen konnten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierlich abtastbare
Druckmeßdose für barometrische oder manometrische Zwecke, insbesondere für aerologische
Radiosonden vorzuschlagen, die hinsichtlich ihrer Funktion von der Luftfeuchtigkeit
völlig unabhängig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßfühler
für die Abtastung der Dosendeformation ein im Innern der Druckmeßdose angeordneter
elektromechanischer
Wandler ist, dessen Meßanschliisse druckdicht
und gegeneinander elektrisch isoliert nach außen geführt sind. Durch die Anordnung
des elektromechanischen Wandlers im Innern der Druckmeßdose ist der Wandler von
jedem stofflichen Umwelteinfluß dauerhaft isoliert und kann unter idealen Meßbedingungen
arbeiten. Die feuchtigkeits- und druckfeste Durchführung der Meßanschlüsse bereitet
technisch keine Schwierigkeit und kann beispielsweise durch übliche Glaseinschmelzungen
aber auch durch Einpassungen mit Hilfe von geeigneten Kunststoffen bewirkt werden.
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Durch die Anordnung des elektromechanischen Wandlers im Innern der
Druckmeßdose ist es möglich, verschiedene Wandlerprinzipien einzusetzen. Um elektromechanische
Wandler handelt es sich insofern immer, als die durch den Luftdruck bewirkte Dosendeformation
als mechanische Ausgangsinformation unmittelbar oder über Zwischenstationen in eine
elektrische Endgröße umgewandelt werden muß.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Meßfühler
wenigstens eine Elektrode eines elektrischen Kondensators ist, die im Doseninnenraum
gegenüber der anderen verschiebbar gelagert und fest mit der deformierbaren Wand
der Druckmeßdose verbunden ist. Durch besondere Einfachheit sowie hohe Ansprechgenauigkeit
zeichnet sich eine Anordnung aus, bei der im Innern der
Druckmeßdose
zwei planparallele Scheibenelektroden angeordnet sind, deren jede mit einer der
deformierbaren Wände und gegeneinander elektrisch isoliert verbunden ist. Die hohe
Ansprechgenauigkeit dieser Anordnung ist darauf zurückzuführen, daß sich bei der
Dosendeformation beide Scheibenelektroden um einen entsprechenden Betrag aufeinander
zu oder voneinander weg bewegen, so daß die Dosendeformation entsprechend der allgemeinen
Kapazitätsformel für Kondensatoren mit kreisrunder Platte c = 6.r2/a voll zur Geltung
kommt. In dieser Formel bedeuten C = Kapazität; g= Dielektrizitätskonstante; r=
Ludolphsche Zahl r = Radius der Elektrodenplatte; a = Abstand der Elektrodenplatten
voneinander.
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Werden die beiden deformierbaren Wände der Druckmeßdose je mit einer
Elektrodenplatte verbunden, so bestehen allerdings gewisse Isolierungsschwierigkeiten.
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Diese Schwierigkeiten können umgangen oder doch zumindest gemildert
werden, wenn im Innern der Druckmeßdose eine feststehende metallische Scheibe sowie
beidseitig planparellel dazu je eine verschiebbare und jeweils mit einer der deformierbaren
Wände verbundene Scheibenelektrode angeordnet ist. In diesem Fall muß lediglich
die
feststehende Mittelplatte eine isolierte Ableitung nach außen
aufweisen, während die beidseitig angeordneten planparallelen Platten unmittelbar
mit der Meßdose verbunden und über diese abgegriffen sein können.
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Druckmeßdosen für Aneroidbarometer sind normalerweise möglichst weitgehend
evakuiert. Sie zeigen also bei höchstem Luftdruck ihre stärkste Deformation und
somit ihr kleinstes Volumen. Hierdurch besteht die Gefahr, daß sich die im Innern
angeordneten Kapazitätselektroden bei Normaldruck, insbesondere auch bei der Herstellung
gegenseitig berühren. Um diese unerwünschte Erscheinung zu umgehen, wird weiter
vorgeschlagen, daß jede der Scheibenelektroden über je einen Steg, der durch oeffnungen
in der feststehenden Scheibe hindurch reicht mit der auf der entgegengesetzten Seite
liegenden deformierbaren Wand der Druckmeßdose verbunden ist. Hierdurch wird erreicht,
daß bei kleinstem Dosenvolumen, also höchstem Außendruck, die Elektrodenscheiben
auseinanderrücken und entsprechend dem nachlassenden Druck langsam zusammengeschoben
werden.
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Der der Erfindung zugrundeliegende allgemeine Gedanke, den elektromechanischen
Wandler im Innern der evakuierten Druckmeßdose unterzubringen, gestattet es auch,
andere Wandlersysteme einzusetzen. Es wird deshalb weiter vorgeschlagen,
daß
der Meßfühler für die Abtastung der Dosende formation ein optisches aus Strahlungssender,
Strahlungsmeßstrecke und Strahlungsempfänger bestehendes System ist, wobei wenigstens
ein Glied dieses Systems mit der deformierbaren Wand der Druckmeßdose verbunden
ist. Der Ausdruck optisches aus Strahlungssender, Strahlungsmeßstrecke und Strahlungsempfänger
bestehendes System" wird in diesem Zusammenhang im weitesten Sinne verstanden. Es
wird jedes physikalische System als optisches System" bezeichnet, bei dem eine Strahlung
auftritt, die optischen Gesetzen unterliegt. Die Strahlung kann hierbei eine Lichtstrahlung
sein, es kann sich aber auch um eine Teilchenstrahlung, beispielsweise eine Elektronenstrahlung,
eine Neutronenstrahlung, eine Protonenstrahlung o.dgl. handeln. Dementsprechend
wird vorgeschlagen, daß der Strahlungssender eine Lichtquelle ist, oder daß er alternativ
eine Elektronenquelle oder wiederum alternativ eine radioaktive Substanz ist. In
allen Fällen kann die Anordnung so getroffen sein, daß bei der Deformation der Druckmeßdose
entweder der Abstand zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger vergrößert
wird oder der Wirkungsquerschnitt sich ändert, in welchem der ausgesandte optische
Strahl den Empfänger trifft. Es kann dies durch gegenseitiges Verschieben der mit
Hilfe einer Blende abgedeckten Funktionselemente oder auch durch Verschieben oder
Drehen eines im Strahlengang
angeordneten Spiegels erreicht werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer teilweise
aufgeschnittenen Druckmeßdose mit im Innern angeordnetem kapazitiven elektromechanischen
Wand-1er, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere Anordnung eines im Innern einer
Druckmeßdose angeordneten kapazitiven Wandlers, Fig. 3 einen Querschnitt durch die
Druckmeßdose gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine andere Anordnung eines im Innern einer Druckmeßdose
angeordneten kapazitiven Wandlers.
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Die in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Aneroidmeßdose besteht aus
einem metallischen Abstandsring 1, auf dem beidseitig je eine elastische wellblechartige
Grundplatte 2;3 angeordnet ist. Die Grundplatten sind mit dem Abstandsring 1 allseitig
verschweißt oder verlötet, so daß eine vakuumdichte Kammer im Innern der Dose entsteht.
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Die Dose ist einseitig mit einem Pumpnippel 4 ausgerüstet, der zur
Evakuierung der Dose dient und nachher vakuumdicht
verschlossen
wird.
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Erfindungsgemäß ist im Innenraum der Druckmeßdose ein elektromechanischer
Wandler angeordnet, der in seiner Gesamtheit mit 5 bezeichnet ist. Im speziellen
Fall handelt es sich bei diesem elektromechanischen Wandler um eine Kondensatoranordnung,
die aus der starren Kondensatorplatte 6 und zwei beweglichen Kondensatorplatten
7;7' besteht. Die starre Kondensatorplatte 6 ist fest und elektrisch isoliert mit
dem Abstandsring 1 verbunden. Die beiden Kondensatorplatten 7 und 7' sind planparallele
Platten, von denen sich je eine auf jeder Seite der Festplatte 7 befindet und die
elektrisch leitend mit den Grundplatten 2 und 3 verbunden sind. Die Platten stehen
elektrisch auch untereinander in Verbindung. Die elektrische Ableitung 8 der Platte
6 ist aus dem Abstandsring 1 isoliert nach rußen geführt. Die isolierte Durchführung
wird durch eine Glaseinschmelzstelle 9 gebildet.
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Da die Druckmeßdose im Gebrauchszustand allseits geschlossen und evakuiert
ist, wird sie je nach Außendruck mehr oder weniger zusammengedrückt, also deformiert.
Dabei nähern sich die Kondensatorplatten 7;7' der Festplatte 6, wodurch der Kondensator
einen bei mmten Kapazitätswert annimmt.
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Dieser Kapazitätswert kan n bekannter Weise gemessen werden, indem
der Kondensator über die Ableitung 8 sowie
den Abstandsring 1
zum frequenzbestimmenden Glied eines Schwingkreises gemacht wird. Bei sich änderndem
Außendruck ändert sich auch die Deformation der Dose und somit der Plattenabstand.
Eine Folge hiervon ist, eine analoge Kapazitätsänderung, die sich sogleich in einer
Frequenzänderung des erwähnten Schwingkreises bemerkbar macht.
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In den Fig. 2 - 4 sind Querschnitte durch Druckmeßdosen mit eingebautem
kapazitiven Wandler dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bedeuten auch gleiche Teile,
so daß sich eine Wiederholung erübrigt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind im Innern der Druckmeßdose
zwei Kondensatorplatten 6 und 7 angeordnet, welche über isolierte Durchführungen
10 und 11 elektrisch nach außen geführt und gleichzeitig mit den Grundplatten 2
und 3 der Druckmeßdose mechanisch verbunden sind. Die Kondensatorplatten ändern
ihren Abstand entsprechend der Dosendeformation. Das hierdurch sich ändernde Kapazitätssignal
wird über die Ableitungen nach außen geleitet.
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Der in Fig. 3 dargestellte Aufbau entspricht demjenigen gemäß Fig.
1. Die Glaseinschmelzstelle 9 sowie die elektrische Ableitung der Kondensatorplatten
7 und 7' ist nicht zu erkennen.
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In Fig. 4 ist ein etwas komplexerer Aufbau dargestellt.
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Zum Zwecke der Kapazitätsvergrößerung sind im Abstandsring 1 zunächst
zwei Festplatten 6' und 6'' angeordnet.
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Beide Festplatten sind jeweils beidseitig von zwei beweglichen Kondensatorplatten
12 und 12' sowie 13 und 13' umgeben. In den Kondensatorplatten befinden sich Durchbrechungen
14, durch die Stege 15 und 15' geführt sind, wobei der Steg 15 jeweils mit den Platten
12 und 12' sowie der Grundplatte 2 fest verbunden ist und der Steg 15' jeweils mit
den Platten 13 und 13' sowie der Grundplatte 3 fest verbunden ist. Bei der Evakuierung
des Doseninnenraumes tritt eine maximale Deformation ein, wodurch die Grundplatten
2 und 3 zusammengeschoben, d.h. also aufeinander zu bewegt werden. Da diese Grundplatten
mit den Stegen 15 und 15' und somit den entsprechenden beweglichen Kondensatorplatten
fest verbunden sind, heben sich diese Kondensatorplatten von den Festplatten 6'
und 6'' ab, wodurch der Kondensator seine Minimalkapazität einnimmt. Sinkt der Luftdruck
in größeren Höhen ab, so wird die Dosendeformation geringer, die Platten nähern
sich einander, wodurch die Kapazität des Kondensators ansteigt.
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Diese Ausführungsform eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers
im Innern der Druckmeßdose hat zwar einen etwas komplizierteren Aufbau, er bietet
aber den Vorteil,
daß seine Kapazität mit sinkendem Luftdruck größer
und deshalb mit größerer Genauigkeit erfaßbar wird.
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