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Elektrische Meßvorrichtung
Kapazitive Geber, wie z. B. Kondensatormikrophone
und Kondensatordruckdosen, werden in der Technik vielfach angewandt. Diese kapazitiven
Geber werden mit Hilfe eines ganz kurzen Kabels an den Verstärker angeschlossen
oder werden direkt mit der Eingangsröhre eines Verstärkers in einem gemeinsamen
Gehäuse eingebaut. Diese Anordnung ist damit begründet daß dde kapazitiven Geber
im Durchschnitt nur eine geringe Kapazität, etwa 50 bis 100 pF, haben, während die
kapazitätsarmen Kabel eine Mindestkapazität von 50 pE pro Meter haben. Schließt
man also einen kapazitiven Geber über ein solches, einige Steter langes Kabel an
einen Verstärkereingang. so entstehen beträchtliche Empfindlichkeitsverluste.
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Ein bedeutend größerer Nachteil besteht darin, daß man kapazitätsarme
Kabel auf mechanische Biegung oder Drillung nicht kapazitätskonstant herstellen
kann. Die durch die mechanische Beanspruchung des Kabels hervorgerufenen Kapazitätsänderungen
überlagern sich mit den Kapazitätsänderungen des Gebers, so daß die Messungen ,gefälsoht
werden. Eine Kompensation dieser Kabelkapazitätsänderungen ist technisch nicht möglich.
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Der vorliegenden Erfindung wiegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Meßvorrichtung zu schaffen, bei welcher Änderungen der Kapazität des zwischen Geber
und Verstärker geschalteten Kabels praktisch keine Wirkung auf die Empfindlichkeit
des Meßverstärkers ausüben.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe setzt eine elektrische
Meßvorrichtung als bekannt voraus, welche eine Wechselstrombrücke enthält. die mit
einer Wechselspannungsquelle konstanter
Amplitude und Frequenz gespeist
ist und aus zwei festen Impedanzen und zwei variablen Impedanzen besteht. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den beiden festen Impedanzen liegende
Diagonalpunkt dieser Wechselstrombrücke geerdet und der gegenüberliegende Diagonalpunkt
über ein verschieden langes Kabel mit dem Eingang eines Meßverstärkers verbunden
ist.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dar. Die Fig. 1, 2 und 3 sind drei verschiedene Darstellungen dieses Ausführungsbeispiels.
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Die Fig. I zeigt eine Wechselstrombrücke, aus zwei Widerständen I,
2 und zwei I(apazitäten besteht. Diese beiden Kapazitäten sind in zwei benachbarte
Brückenzweige geschaltet und bestehen aus zwei durch eine bewegliche Platte 5 getrennten
feststehenden Platten 3, 4.
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Die Klemmen 6 und 7 der Brücke sind m'it einer nicht dargestellten
Wechselspannungsquelle verhunden. Der zwischen den Widerständen I und 2 liegende
Brückenteil ist mit Ider Erde verbunden, während die bewegliche Platte 5 mit dem
Gitter einer Verstärkerröhre ii über ein Kabel 12 (Fig. 2) und einen Kopplungskondensator
g verbunden ist.
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Diese Verstärkerröhre bildet die erste Stufe des nicht vollständig
dargestellten Empfangsgerätes.
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D'ie Arbeitsweise dieser Meßvorrichtung ist folgende: Je nach der
Lage der beweglichen Platte 5 ist die Brücke mehr oder weniger aus dem Gleichgewicht
gebracht, so daß die an den Klemmen 6, 7 angelegte Wechselspannung durch die Brücke
moduliert wird. Vorzugsweise sind die beiden Kapazitäten 3, 4,5 so ausgebildet,
daß sie gemäß einer hyperbolischen Funktion in Abhängigkeit von der Lage der Platte
5 so variabel sind, daß einer -zunahme der einen Kapazität eine Abnahme der anderen
entspricht. Dies kann leicht dadurch erreicht werden, daß die beiden Platten 3 und
4 parallel angeordnet sind und daß die bewegliche Platte 5 den Platten 3 und 4 immer
parallel bleibt.
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Da Idie Kapazität eines Kondensators umgekehrt proportional zu dem
Abstand seiner Platten ist, sind die obenerwähnten Bedingungen ohne weiteres er
füllt. In diesem Fall läßt sich beweisen, daß !die Amplitude der durch die Brücke
gelieferten Wechsel spannung sich proportional mit der Bewegung der Platte 5 ändert.
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Wenn die Werte der Widerstände und der Kondensatoren so gewählt sind,
daß das Gleichgewicht der Brücke für die Mittel- und zugleich Ruhelage der Platte
5 vorhanden ist, so liefert sie eine im Takt der Bewegung der Platte 5 moduherte
Wechselspannung, welche ungefähr die gleiche Form auf weist, wie die durch einen
Ringmodulator modulierte Hochfrequenz. Eine solche moduherte Spannung kann z. b.
mit Hilfe eines in der Fernmeldetechnik wohlbekannten Ringmodulators demoduliert
werden.
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Ist die Brücke so dimensioniert, daß für keine ,der möglichen Lagen
der Platte 5 das Gleichgewicht eintreten kann, so entsteht zwischen der Erde und
der Platte 5 eine modulierte Spannung, welche gleich aussieht wie die bei gewöhnlichen
Radio sendern vorhandene amplitudemodulierte Hochfrequenz. Eine solche modulierte
Spannung wird zweckmäßig mittels eines Gleichrichters demoduliert.
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Da die Kabelkapaiität in der Brückendiagonale liegt, hat sie auf
die Meßergebniss'e viel weniger Einfluß als bei den gewöhnlichen kapazitiven Gebern,
wie es aus ,dem folgenden Zahlenbeispiel hervorgeht: Es sei z. B. ein gewöhnlicher
kapazitiver Geber von 100 pF über ein Kabel, dessen Störkapazität gleich soopF ist,
mit einer Verstärkerröhre verhunden: Die angenommene Kapazitätsänderung -des Gebers
beträgt 20 pF, so daß die nützliche Kapazitätsänderung in bezug auf die gesamte
Kapazität gleich 20 pF : 600 pF # 3,3% ist. Tritt nun eine durch eine mechanische
Beanspruchung des Kabels hervorgerufene Kabelkapazitätsänderung ein, z. B. eine
Zunahme von 50 pF, dann wird die gesamte Kapazitätsänderung gleich 70 pF, also 11,6%
des Mittelwertes der Totalkapazität, gebildet durch 8,3% störender Kapazitätsänderung
und 3,3% nützlicher Kapazitätsänderung. Wird die obenerwähnte Brückenschaltung über
ein gleiches Kabel mit dem Empfangsgerät verbunden, so wird die Brücke eine Spannung
abgeben, welche 5% der Brückenspeisespannung beträgt, wenn die Brücke aus zwei 100-k
#-Widerständen und zwei variablen Kondensatoren von 100 pF besteht, wobei die Änderung
jeder Kapazität gleich 20 pF ist. Der erwähnte Wert von s°/o ist von der Frequenz
der Speisespannung praktisch unabhängig. Wenn wieder eine Kabelkapazitätszunahme
von 50 pF angenommen wird, dann ändert sich die durch die Brücke gelieferte Spannung
von 5 auf 4,5%. Der störende Effekt ist also viel kleiner als bei der als Beispiel
obenerwähnten gewöhnlichen Schaltung.
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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die Serieschaltung der Kabelkapazität
8 und der Kopplungskapazität 9 parallel zum Gitterableitwiderstand 10 geschaltet.
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Da die durch zwei in Serie geschaltete kondensatoren gebildete Kapazität
nur gleich oder kiein- r als diejenige des kleinsten dieser Kondensatoren sein kann,
wird zweckmäßig die Kopplungskapazität so gewählt, daß s.ie kleiner ist als diejenige
,des Kabels.
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So ist die Gesamtkapazität, welche parallel zum Gitterableitwidenstand
10 liegt, immer kleiner als die Kopplungskapazität, und Kabelkapazitätsänderungen
haben praktisch keine Wirkung auf die Empfindlichkeit des Empfangsgerätes.