DE950817C

DE950817C - Anordnung zur Anzeige und/oder Messung der AEnderungen einer physikalischen Groesse

Info

Publication number: DE950817C
Application number: DEG8871A
Authority: DE
Inventors: Robert Girerd
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-05-18
Filing date: 1952-05-18
Publication date: 1956-10-18

Description

Anordnung zur Anzeige und/oder Messung der Änderungen einer physikalischen Größe Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Anzeige und/oder Messung der Änderungen einer in Schwingungen oder Impulsen auftretenden physikalischen Größe, die durch Einwirkung auf ein Meßteil Lageveränderungen einer Wand dieses Teiles hervorruft, mittels eines Kondensators, dessen eine Belegung fest ist, während die andere mit der beweglichen Wand verbunden ist und dessen Kapazität unter Anwendung trägheitslos schaltender Umschaltmittel periodisch nach der Entladungsmethode gemessen wird.
Erfindungsgemäß ist der Unterbrecher, durch welchen die Ladung und Entladung betätigt wird, als periodisch belichtete Photowiderstandszelle ausgebildet, die mit der einen Belegung des Kondensators körperlich vereinigt ist. Hierdurch wird ein sehr einfacher und gedrängter Aufbau der Anordnung erreicht.
Da die Photozelle keinen Umschalter, sondern nur einen einpoligen Unterbrecher darstellt, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwischen .die Belegung und den Unterbrecher ein Gleichrichter eingeschaltet und ein Relaiskondensator von größerer Kapazität im Nebenschluß zwischen dem gemeinsamen Punkt von Gleichrichter und Unterbrecher einerseits und Masse andererseits angeordnet. Zweckmäßig wird dieser Gleichrichter als Einweggleichrichter ausgebildet und körperlich mit der Photozelle vereinigt, deren lichtelektrische Schicht über den Relaiskondensator @an Masse liegt.
Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich. Die Erfindung ist un Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. i das an sich bekannte !.:;rundschema einer Anordnung für die Überwachung und/oder Messung der Verschiebungen einer Fläche oder Wand, Fig.2 eine Ausführung dieser Schaltung unter Verwendung einer Photozelle, Fig.3 und 4 zwei Schaltungen, die für die Durchführung einer Messung mit der Anordnung nach Fig. 2 geeignet und insbesondere für den Fall vorgesehen sind, wo die zu überwachenden und oder zu messenden Verschiebungen Wechselbewegungen sind, Fig. 5 bis 7 drei schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnungen, Fig.8 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 5 und Fig. 9 eine weitere Abwandlung der Anordnung nach Fig.8, wozu die erläuternden Schemadarstellungen nach Fig. ioA und ioB gehören.
In Fig. i sind i und 2 die beiden Belegungen eines elektrischen Kondensators. Das Potential einer Batterie 3 oder einer anderen Quelle eines konstanten Gleichpotentials oder gleichgerichteten Potentials wird der Belegung 2 über die Verbindung 4 zugeführt. Die Belegung i ist an den Kontakt 5 eines einpoligen Unterbrechers 6 angeschlossen, der über einen Widerstand .7 an Masse liegt. Mit -8 ist eine Verbindung bezeichnet, die zur Entnahme der Entladungsspannung Tl des Kondensators 1-2 dient, wenn der Unterbrecher 5-6 geschlossen ist. Diese Spannung ist ein Maß für den Eigenkapazitätswert des Kondensators, welcher für ein gegebenes Dielektrikum durch den Abstand e seiner beiden Belegungen bestimmt ist. Die Potentialdifferenz wird an der Leitung 8 abgenommen und kann einem (nicht dargestellten) Meßgerät zugeführt werden, dessen Anzeige unmittelbar oder mittelbar den Wert der Kapazität 1-2 angibt.
Wenn man die Belegung 2 mittels einer starren Verbindung io mit einer Wand oder Fläche 9 kuppelt, wird jede Verschiebung der Wand 9 in dem einen oder anderen durch die Pfeile i i angegebenen Sinne durch eine Änderung der Ladung der Kapazität 1-2 und somit durch eine Änderung der bei 8 abgegriffenen Entladungsspannung in Erscheinung treten.
Der Unterbrecher 5-6 ist gemäß Fig. 2 in Form einer photoelektrischen Zelle 12 ausgebildet, deren Leitfähigkeit in dem gewünschten Takt, durch einen Lichtstrahl 13 gesteuert, verändert wird. Die Zelle spricht auf diese Lichtsteuerung ohne Trägheit an, und die Steuerung kann in jedem gewünschten Takt durchgeführt werden, z. B. mittels einer Blende, die eine konstante Lichtquelle freigibt oder mittels eines Lichtfleckes, der auf einem Leuchtschirm durch Austastung eines Kathodenstrahles gebildet wird, oder auch durch Blinklicht usw.
Die so abgenommene Entladungsenergie wird im Bedarfsfall in üblicher Weise verstärkt, bevor sie dem Anzeigegerät zugeführt wird.
Bei der Überwachung und Messung eines in Forrii von Schwankungen oder Schwingungen auftretenden Vorganges, welcher eine wechselnde Verschiebung der Wand um eine Mittellage bewirkt, ist die an den Klemmen des Widerstandes 7 abgenommene Energie nur diejenige eines Intensitätswechsels dieses Vorganges, welche den Kondensator 1-2 nur in den Intervallen der Nichtleitfähigkeit der Zelle i2 aufladen kann. Um die Empfindlichkeit der Anordnung zu erhöhen, wird in Weiterbildung der Erfindung eine Energiespeicherung angewendet, indem der eine oder beide Wechsel des schwingungsartigen Vorganges gleichgerichtet werden.
Diese Energiespeicherung wird dadurch erreicht, daß gemäß Fig. 3 ein Kondensator 14 vorgesehen ist, der an Masse liegt und über den Gleichrichter 15 oder gemäß Fig.4 über die beiden gegengeschalteten Gleichrichter 15, 16 aufgeladen wird. Der Stromkreis der Zelle 12 und ihres Belastungswiderstandes 7 ist im Nebenschluß zu diesem Kondensator 14 geschaltet, der seinerseits zwischen der Kathode des Gleichrichters 15 und. Masse liegt. Der Gleichrichter 16 gemäß Fig. .4 liegt mit seiner Anode an Masse.
Die Speicherung der Ladungen durch den Kondensator 14 geht wie folgt vor sich: Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 geht bei jedem positiven Wechsel der Spannung zwischen den Belegungen i und 2 entsprechend der Einwirkung einer Halbperiode des die Belegung :2 beeinflussenden, schwingungsartigen Vorganges die Ladung des Kondensators 1-2 durch den Gleichrichter 15 und teilt dem Kondensator 14 eine Ladung q1 mit. Der Kondensator 14 speichert diese Ladungen in einem durch die Einwirkung des Lichtstrahles 13 auf die Zelle i2 bestimmten Ableseintervall und nimmt die Ladung q1 - n auf, wenn n die in diesem Zeitintervall erfaßte Anzahl der Perioden des schwingungsartigen Vorganges bezeichnet. Jede Ladung q1 hat einen Wert, welcher von der Amplitude der Verschiebung der Belegung 2 und somit von der Stärke des zu erfassenden Vorganges abhängt.
In dem Zeitpunkt der Entladung durch Belichtung der Photozelle 12 schickt der Kondensator 14 somit durch die Zelle einen n-mal größeren Strom. Der Kondensator 14 ist so bemessen, daß er n - Q Ladungen speichern kann, wenn Q den Höchstwert der Ladung des Kondensators 1-2 bei einem maximalen Ausschlag der Verschiebung der Wand 9 und somit der Belegung 2 bezeichnet.
Bei der Schaltung nach Fig. 4 spielt der Gleichrichter 15 dieselbe Rolle wie bei derjenigen nach Fig. 3. Außer den Ladungen, welche er dem Kondensator 14 bei einer Wechselpolarität des schwingungsartigen Vorganges mitteilt, wird jedoch während der Wechsel der anderen Polarität der Gleichrichter 16 dem Kondensator 14 mit demselben Vorzeichen eine entsprechende Ladung mitteilen. Der Eigen-,vert dieser zusätzlichen Ladungen ist allerdings kleiner als derjenige der über den Gleichrichter 15 gespeicherten Ladungen.
Die erfindungsgemäße körperliche Vereinigung der photoelektrischen Zelle 12 mit einer Belegung des Kondensators wurde bei den bisher oeschriebenen Schaltungen so getroffen, daß die Zelle auf der Belegung i ausgebildet ist; sie kann jedoch im Bedarfsfall mit den entsprechenden Änderungen auch auf der Belegung .2 ausgebildet werden, wobei die Anschlüsse des Lade- und Abnahmekreises an den Belegungen i und 2 vertauscht werden.
In Fig.5 ist eine derartige Anordnung dargestellt, welche dem Schema der Fig. 2 entspricht. Die Belegung i des Kondensators besteht aus einer leitenden Folie oder Metallplatte, z. B. aus Aluminium oder Eisen, und auf der Seite der Folie, welche der Entladestrahlung 13 ausgesetzt ist, ist eine photo(-lektrische Schicht, z. B. eine Selenschicht, aufgebracht. Bei einer anderen Ausführung wird die photoelektrische Zelle durch Aufdampfen von Aluminium hergestellt, wobei diese Schicht durch Aufdampfen oder Aufspritzen der Selenschicht überzogen wird. In Fig.5 ist die Aluminium- oder Eisenschicht mit 6 und die Selenschicht mit 5 bezeichnet, um die Aufgaben dieser Schichten durch Anlehnung an Fig. i und 2 hervorzuheben.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Gleichrichter 15 und 16 in ähnlicher Weise auf der Belegung des Kondensators selbst ausgebildet,. wobei der Gleichrichter 15 außerdem körperlich mit der Photozelle 12 vereinigt wird.
Die Kombination der Photozelle 12 und des Gleichrichters 15 mit der betreffenden Belegung des Kondensators ist aus Fig. 6 ersichtlich, welche von der Fig. 5 nur darin abweicht, daß der Kondensator 14 mit' der Selenschicht 5 verbunden ist. Selbstverständlich könnte jedoch das Kupfer und das Kupferoxyd auch zur Ausbildung der Schichten 5 und 6 benutzt werden.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Anordnung sind die Elemente entsprechend dem aus Fig. q. ersichtlichen Schema angeordnet. Die Selen- oder Kupferoxydschicht 25 ist galvanisch mit . der Metallschicht 6 verbunden, und die Metallschicht 26 ist an Masse gelegt. Diese Schichten sind in oder auf einem durchsichtigen Träger 17 aufgebracht, auf :oder in welchem sie mit ihren Anschlüssen auch »aufgedruckt« sein können. Gegebenenfalls können auch der Kondensator 14 und der Widerstand 7 auf dem Träger so ausgebildet werden, wie dies in dieser bekannten Technik des Druckes von Stromkreisen bekannt ist. Man erhält dadurch ein einheitliches Bauelement von geringem Raumbedarf und großer mechanischer Festigkeit. Ein solches Element ist besonders vorteilhaft, wenn die Belegung 2 durch die Abschlußfläche . eines vibrierenden Stabes getragen oder gebildet wird, welcher durch einen Träger in einem- Knotenpunkt gestützt ist, weil dieser Träger dem übrigen Teil der Meßschaltung tragen kann.
Nach dem Schema der Fig.8 besteht die Belegung i aus einem halbdurchscheinenden Häutchen (Aluminium, Silber usw.), welches auf einen durchscheinenden Träger 17 aufgebracht ist. Die Belegung 2 ist, wenn die Wand 9 nicht selbst aus einem leitenden Material besteht, auf diese Wand aufgebracht (Belegung aus Eisen, Aluminium oder Legierungen, Kupfer). Auf der Belegung 2 ist der lichtelektrisch leitende Belag 5 (Selen, Kupferoxyd usw.) angeordnet. Gegebenenfalls kann ein dünnes und durchscheinendes Metallhäutchen 18 auf die photoelektrische Schicht -5 aufgebracht werden; dieses Häutchen kann z. B. aus Aluminium bestehen.
Die Anordnung ist so geschaltet, daß der Belegung i die Spannung der Batterie 3 durch die Leitung q: zugeführt wird, während von der Belegung 2 die Leitung 8 für die Abnahme der Meßspannung ausgeht und der Belastungswiderstand 7 an Masse liegt. Die Spannung kann auch an der Schicht i8 abgenommen werden, wenn diese vorhanden ist.
Die Vorspannung könnte im Bedarfsfall auch an dieser Schicht 18 angelegt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß mit Hilfe des (als monochromatisch angenommenen) Lichtes selbst eine Speicherwirkung erzielt wird, außer der Erzeugung einer Speicherwirkung durch die oben beschriebene elektrische Schaltung, bei welcher die Photozelle als Gleichrichter für den einen oder die beiden Wechsel dient. Aus Fig. 9 ist eine derartige Anordnung ersichtlich, bei welcher, ausgehend von der Schaltung gemäß Fig. 8, die dünne durchscheinende Schicht 18 durch ein _ Häutchen 28 ersetzt ist, das halbreflektierend ist wie die Belegung i. Das einfallende Licht wird bei 23 auf die Anordnung geworfen, wobei es mit der Ebene der Belegungen einen festgelegten Winkel 0 bildet.
Unter diesen Umständen wird sich, wenn eine Schwingung der Wand 9 aufrechterhalten wird, der Abstand D zwischen den Belegungen mit einer Geschwindigkeit ändern, welche der Schwingungsfrequenz der Wand 9 entspricht, und es werden zwischen Lichtstrahlen, die in ihrer Einfallsebene der Belegung i einen Abstand A. (Lichtwellenlänge) haben, Interferenzen der Reflexion in dem Maße eintreten, wie diese Strahlen zwischen den reflektierenden Häutchen i und 28 verlaufen. Der Verlauf der Strahlen a, b, c, d gemäß Fig. ioA läßt erkennen, daß sich die reflektierten Strahlen in ihrer Intensität, da der Abstand zwischen den Belegungen A/2 - cos 0 oder ein Vielfaches dieses Wertes ist, alle in Phase addieren. Die Photozelle nimmt durch diese Speicherwirkung für die Intensitäten der Strahlen den maximalen Lichtstrom auf, und zwar in dem Punkt e die Lichtstärke, welche in dem Strahl I das Häutchen 28 durchsetzt, in dem Punkt f die Lichtstärke, welche mit dem Strahl II das Häutchen durchsetzt und welche, selbstverständlich unter Berücksichtigung der Reflexionsverluste, die Summe der Intensitäten ist, die von den einfallenden Strahlen a und b herrühren usw.
Eine Verschiebung des mit der Belegung 2 verbundenen Häutchens 28, wie sie beispielsweise in Fig. ioB dargestellt ist, bringt die dargestellten Lichtstrahlen außer Phase, und es werden Additionen von Stärken nur bei viel höheren Reihen eintreten, wodurch mit der auf den Absorptionen beruhenden Abschwächung die auf die Zelle fallende Lichtstärke sehr deutlich in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Belegungen i und 28 (oder i und 2) unterschieden wird.
Es ergibt sich also eine Verstäxkung der Nutzwirkung der Anordnung. Bezeichnet man mit D den Abstand zwischen den Belegungen, so ist die Lage der Lichtstärkenmaxima gegeben durch die Beziehung 2 D ' cos 19 = 2 k ' 2./2 (3) und die Lage der Minima da-ch die Beziehung 2 D ' cos 0 = (2 k + i) ' A/2. (4.) Hieraus folgt, daß auch bei sehr kleinen Ausschlagänderungen der Schwingung der Wand 9 um ihre Mittellage auf der Zelle beträchliche Änderungen der Lichtdichte zu erwarten sind.
In Abwandlung der Erfindung kann man beispielsweise, wie in Fig. 9 gestrichelt angegeben ist, die Batterie 3 anordnen, wenn man einen Schützwiderstand 29 vorsieht. Oder man könnte beispielsweise das Licht vor seiner Einwirkung- auf die eigentliche Einrichtung polarisieren usw.
In dem Falle, wo mehrere Vorgänge gleichzeitig zu erfassen sind, könnten diese Vorgänge auf ebenso viele Meßteile (Sonden oder Prüfstäbe) zur Einwirkung gebracht werden. Diese Meßteile können ausgerichtet werden, um mit ausgerichteten Anordnungen der oben beschriebenen Art zusammenzuarbeiten, deren Schaltungselemente dann auf oder in einem gemeinsamen Isolierträger angewendet werden. Man braucht dann nur diese Elemente durch den Entladelichtstrahl bestreichen zu lassen, um durch zyklische Umschaltung in einer Folge die Anzeigen für die Überwachung und/oder Messung abzunehmen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Anordnung zur Anzeige und/oder Messung der Änderungen einer in Schwingungen oder Impulsen auftretenden physikalischen Größe, die durch Einwirkung auf ein Meßteil Lageveränderungen einer Wand dieses Teiles hervorruft, mittels eines Kondensators, dessen eine Belegung fest ist, während die andere mit der beweglichen Wand verbunden ist, und dessen Kapazität unter Anwendung trägheitslos schaltender Schaltmittel periodisch mach der Entladungsmethode gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (5-6), durch welchen die Ladung und Entladung betätigt wird, als periodisch belichtete Photowiderstandszeile (12) ausgebildet ist, die mit der einen Belegung (i oder 2) des Kondensators (1-2) körperlich vereinigt ist.
2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle unmittelbar auf einer Kondensatorbelegungangeordnet ist, indem auf diese Belegung (6) wenigstens eine lichtelektrische Schicht (5) aufgebracht ist.
3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Belegung (i oder 2) und den Unterbrecher (5-6) wenigstens ein Einweggleichrichter (15) eingeschaltet und ein Relaiskondensator (14.) von größerer Kapazität im Nebenschluß zwischen dem ge. meinsamen Punkt von Gleichrichter und Unterbrecher einerseits und Masse andererseits angeordnet ist. q..
Anordnung nach Anspruch :2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter ein Trockengleichrichter ist, der ebenfalls unmittelbar auf der Belegung des von der sich verschiebenden Wand gesteuerten Kondensators angeordnet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, daß der als Einweggleichrichter ausgebildete Gleichrichter körperlich mit der Photozelle vereinigt ist, deren lichtelektrische Schicht (5) über den Relaiskondensator an Masse liegt.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter als Doppelweggleichrichter (15-16) ausgebildet und die Belegung in zwei elektrisch getrennte, mit je einer lichtelektrischen Schicht bedeckte Teile aufgeteilt ist, wobei die eine Schicht (25) mit dem anderen Belegungsteil (6) elektrisch verbunden und die lichtelektrische Schicht (5) dieses anderen Teiles über den Relaiskondensator (14.) au Masse gelegt ist, während dieser Belegungsteil selbst mit dem Abgriffwiderstand (7) in Verbindung steht.
7. Anordnung nach Anspruch 1.,:2 und 4., dadurch gekennzeichnet, daß die mit der sich verschiebenden Wand (9) verbundene Belegung (2) des Kondensators an eine konstante Gleichpotentialquelle (3) angeschlossen ist und die feststehende Belegung (i) die Photozelle und den Gleichrichter trägt oder umgekehrt die feststehende Belegung des Kondensators das Gleichpotential erhält und die mit der sich verschiebenden Wand verbundene Belegung die Photozelle bzw. den Gleichrichter trägt. B. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehend an das Gleichpotential gelegte Belegung (i) durch einen durchscheinenden Metallbelag (17) auf einem ebenfalls durchscheinenden Träger gebildet ist, wobei der steuernde Lichtstrahl (13) diese Belegung durchsetzt, um die andere Belegung und die von ihr getragenen Schaltungselemente durch das Dielektrikum des veränderlichen Kondensators hindurch zu beeinflussen. g. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchscheinendes Metallhäutchen (18) auf die der feststehenden Belegung zugewendete Fläche der Schaltungselemente aufgebracht ist, welche von derjenigen Belegung getragen werden, die mit der sich verschiebenden Wand verbunden ist. io. Anordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daB die feststehende Belegung sowie der durchscheinende Belag (28) halbreflektierend sind und der monochromes tische Lichtstrahl mit konstanter Neigung in bezug auf die Ebene der Belegungen gerichtet -ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 558 69o, 636 834, 68o 5o5; Kohlrausch, »Praktische Physik«, 1943, Bd.II, S. 18q.; N. P f 1 i n e, »Elektrische Messung mechanischer Größen«, 1948, S.:214 bis 216 (Abb. 292).