DE937203C

DE937203C - Kapazitive Messschaltung zur Messung von Elongationen

Info

Publication number: DE937203C
Application number: DEL16859A
Authority: DE
Inventors: Emil Dr-Ing Loeb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-10-15
Filing date: 1953-10-15
Publication date: 1955-12-29

Description

Kapazitive Meßschaltung zur Messung von Elongationen Vielfach ist man gezwungen, sehr kleine Abstände oder periodische Abstandsänderungen räumlich ausgedehnter metallischer oder nichtmetallischer Körper gegenüber einem festen Bezugspunkt zu messen, ohne dieselben zu berühren oder zu beeinflussen. Nach R i e g g e r (Wiss. Veröff. Siemens-Konzern, III 2, 67, I924) existiert hierzu eine Schaltung, bei der ein kleiner Abtastkondensator, dessen eine Belegung bei leitfähigem Meßobjekt durch dieses selbst und dessen andere durch eine feststehende Gegenelektrode gebildet wird, einen Teil der Festkapazität eines Hochfrequenz-Parallelschwingungskreises ersetzt. Zur Anregung des Parallelschwingungskreises wird die Frequenz eines Hochfrequenzsenders so gewählt, daß sich der Arbeitspunkt im Ruhezustand des Meßobjektes (Körper) etwa auf halber Höhe einer Flanke der Resonanzkurve dieses Kreises befindet. Wird z. B. der Abstand des Meßobjektes von der Gegenelektrode periodisch geändert, so entstehen periodische Änderungen der Kapazität des Abtastkondensators und somit periodische Verstimmungen des Parallelschwingkreises. D!ie hiermit verbundenen periodischen Spannungsänderungen am Parallelschwingkreis sind den zu messenden Abstandsänderungen des schwingenden Körpers (Meßobjekt) gegenüber der festen Gegenelektrode proportional und können in bekannter Weise gemessen werden.
Bei dem Verfahren nach R i e g g er zeigt es sich als besonders nachteilig, daß zur Messung der Amplituden von schwingenden Körpern eine sehr genaue Einstellung des Ruheabstandes des Abtastkondensators die Voraussetzung für eine richtige Messung ist. Dies ist insbesondere dann sehr wichtig, wenn die Ergebnisse von anderen Meßstellen am selben schwingenden Körper miteinander verglichen werden sollen, wie dies z. B. bei der punktweisen Ausmessung der Schwingungsformen von Klangkörpern der Fall ist. Bei größeren Versuchsreihen wirkt sich daher das fortwährende Neneinstellen des Ruheabstandes verständlicherweise sehr zeitraubend aus. Ein weiterer Nachteil der Methode nach Riegger ist darin zu sehen, daß der schwingende Körper metallisch sein muß. Für Messungen an nichtmetallischen Körpern ist man dann gezwungen, an den interessierenden Stellen kleine Metallfolien mit Zuleitungen als schwingende Elektrode anzubringen.
Alle diese Nachteile werden erflndungsgemäß dadurch beseitigt, daß man als Schwingungskreis eine am Anfang kurzgeschlossene konzentrische (2 n- i) 2/4-Lecherleitung benutzt, an deren Ende man eine geeignete Streukapazität anbringt. Die erfindungsgemäße Anordnung ist in Abb. I schematisch dargestellt. Abb .2 zeigt eine Eichkurve.
Die Messung geht so vor sich, daß ein Hochfrequenzsender s (Abb. I) die Leitung an ihrem Anfang mittels einer kleinen Koppelschleife K - z. B. bei einer Wellenlänge von 2 5ocm - in ihrer Resonanzwellenlänge erregt. Am offenen Leitungsende tritt dann ein Spannungsbauch und damit ein elektrisches Streufeld auf, dessen Eigenschaften man durch entsprechende Formgebung des Leitungsendes weitgehend beeinflussen kann. Bringt man in die Nähe des offenen Leitungsendes einen beliebigen auch nichtmetallischen Stoff, so wird die infolge des Streufeides am Leitungsende vorhandene Blelastungskapazität vergrößert und auf diese Weise die elektrische Länge der Leitung-verändert. Man erhält dann infolge der Verstimmung der Leitung eine Flanke der Leitungsresonanzkurve. Mittels einer in der Nähe des Leitungsendes angeordneten Meßdiode Md wird der zum jeweiligen Abstand d eines Körpers vom Leitungsende gehörig Lichtstrom gemessen. Es ergeben sich dann Kurven, ähnlich der, wie sie z. B. bei einem Außenrohrdurchmesser der konzentrischen Lecherleitung von D = 10 mm für Holz bei einer Wellenlänge von AR = 50 cm erhalten wurde (Abb. 2).
Führt der in die Nähe des Leitungsendes gebrachte Körper mechanische Schwingungen aus, so bewirken diese eine periodische Verstimmung der Lecherleitung. Der Meßdiodenstrom kann dann in der üblichen Weise verstärkt und im Anzeigegerät J gemessen werden. Es zeigt sich daß die Empfindlichkeit der Anordnung in weiten Grenzen konstant, also abstandsunabhängig bleibt. Im Beispiel für Holz (Abb. 2) beträgt die Meßempfindlichkeit 0,3 mV/p£ innerhalb eines Bereichs von etwa 1 mm Abstandsänderung. Bei nichtmetallischen Körpern hängt die Empfindlichkeit der Meßanordnung auch noch von der Dicke und von der Dielektrizitätskonstante des Meßobjektes ab. Man kann die Empfindlichkeit der Anordnung durch Verwendung noch kürzerer Meßwellenlängen steigern. Bei gegebener Wellenlänge hängt die Empfindlichkeit außerdem noch vom Durchmesserverhältnis der verwendeten Rohrleiter der konzentrischen Lecherleitung ab. Man erhält ein Optimum der Empfindlichkeit, wenn das Verhältnis des Innenleiterdurchmessers zum Außenleiterdurchmesser zwischen den Werten 0,2 und 0,5 liegt. Eine weitere Möglichkeit, die Empfindlichkeit der Meßanordnung zu steigern, besteht darin, daß man nicht von der Abstimmung der konzentrischen Lecherleitung auf den Abstand »Unendlich« ausgeht, sondern von einem kleineren Ruheabstand.
Man erhält dann beim Andern des Abstandes des Meßobjektes vom Leitungsende beide Flanken der Resonanzkurve, je nachdem, ob man den Abstand verkleinert oder vergrößert, wobei aber nun mit kleiner werdenden Ruheabständen die Flanken der Resonanzkurven immer steiler werden, d. h. also die Empfindlichkeit immer größer wird. Allerdings wird dann der Bereich konstanter Empfindlichkeit mit kleineren Ruheabständen ebenfalls kleiner.
Man kann schließlich nach dieser Methode auch mechanische Schwingungsweiten von Metallmembranen messen, z. B. dadurch, daß man das Rohrleitungsende mit einer Metallmembran abschließt und den Innenleiter etwas gegenüber dem Außenleiter verkürzt (Kondensatormikrophon in der Hochfrequenzschaltung).
PATENTANSPRtJCHE: I. Kapazitive Meßschaltung zur Messung von Elongationen, dadurch gekennzeichnet, daß am offenen Ende einer konzentrischen Lecherleitung eine Streukapazität angebracht ist.

Claims

2. Kapazitive Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die . Länge der konzentrischen Lecherleitung so gewählt ist, daß die Streukapazität am offenen Leitungsende ein Maximum ist.

3. Kapazitive Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Formgebung des Rohrleitungsendes die Resonanzkurvenflanke linear ist.

4. Kapazitive Meßschaltung nach Anspruch I b.is 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis der Rohrleiter zwischen den Werten 0,2 und 0,5 liegt.

5. Kapazitive Meßschaltung nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung nichtleitender Substanzen zur Erzielung konstanter Empfindlichkeit bei verringerter Dicke oder kleinerer Dielektrizitätskonstante des Meßobjektes die Meßfrequenz erhöht ist.

6. Kapazitive Meßschaltung nach Anspruch I, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrende bei zurückgesetztem Innenleiter durch eine M.etallmembran abgeschlossen ist.

7. Kapazitive Meßschaltung nach Anspruch I, 2, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenleiterende gleichzeitig als Mikrophongegenelektrode ausgebildet ist.