DE1089191B - Kraftmessvorrichtung mit einem Kondensatormikrofon - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kompensationsmeßvorrichtung zum Messen kleiner Kräfte.

Es sind Kraftmeßvorrichtungen mit einem Kondensatormikrofon bekannt, dessen eine Platte in Abhängigkeit von einer zu messen Kraft bewegbar ist und wobei die so hervorgerufenen Kapazitätsänderungen in eine Ausgangsspannung umgewandelt werden, deren Amplitude der Größe der zu messenden Kraft entspricht.

Es ist auch schon eine Kompensationsmeßvorrichtung vorgeschlagen worden, bei der als Kompensationskraft die elektrostatischen Kräfte zwischen den Elektroden des Meßkondensators in geeigneten Schaltungen, beispielsweise Resonanzkreisen oder Gasentladungsvorrichtungen, verwendet werden. Diese Art der Kompensation ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Nach der Erfindung wird eine besonders einfache Art der Kompensation für ein Kondensatormikrofon von Kraftmeßvorrichtungen vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens ein Teil der Ausgangsspannung zum Vermindern der Bewegung der bewegbaren Platte an die Platten des Kondensators gelegt ist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Ausbildung des Kompensators so getroffen sein, daß an die Kondensatorplatten eine Gleichstromspannung anschaltbar ist.

Die Erfindung ist insbesondere bei Geräten zur Gasprüfung anwendbar und ist nachstehend auch in Verbindung mit einem solchen Gerät veranschaulicht und beschrieben, bei denen eine Infrarotstrahlung entlang zweier Bahnen verläuft und durch eine Zelle hindurchgeht, in der das zu analysierende Gas in der einen Bahn enthalten ist,-und bei denen das Gas in dieser Analysenzelle die relative Intensität des Strahles beeinflußt. Das Gas wird für gewöhnlich kontinuierlich durch diese Analysenzelle geleitet.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Infrarotprüfgerät, nach der Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Skizze des vollständigen Gerätes.

Das in Fig. 1 gezeigte Gasprüfgerät besteht aus drei einzelnen Blockeinheiten S₁ C und D. Die Einheit vS¹ weist Kanäle 1 und 2 auf, in denen die Infrarotquellen 3 und 4 vorgesehen sind, deren Strahlen durch den Unterbrecher 5, der von dem Motor 6 über die Motorwelle 7 gedreht wird, unterbrochen werden kann.

Die Zelleneinheit C liegt an der Einheit 6¹ an und ist an dieser durch geeignete Mittel so befestigt, daß die Endflächen der Einheiten 6* und C in Wärmever-Kraftmeßvorrichtung
mit einem Kondensatormikrofon

Anmelder:

Mine Safety Appliances Company,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

James L. Waters, Framingham, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

bindung miteinander stehen. Die Einheit C besteht aus einem Gehäuse oder Block, der eine Analysengaskammer 11 und eine Gaskammer 11a für Vergleichszwecke bildet, die beide mit den Durchlässen 1 und 2 der Einheit^ fluchten. Die Kammern 11 und 11a erstrecken sich über die ganze Länge der Einheit C und sind an ihrem einen Ende durch Fenster 13 und 13 α aus für Infrarotstrahlen' durchlässigem Material, wie z. B. Calciumfluorid, verschlossen. Zum Hindurchführen von Analysegas "durch die Kammer 11 sind geeignete Mittel, wie z. B. Leitungen 16 und 17, vorgesehen.

Die Detektoreinheit D liegt an der Einheit C an und ist an dieser durch geeignete Mittel so befestigt, daß beide Einheiten in Wärmeverbindung miteinander stehen, und bildet ein Gehäuse oder einen Block, der die Detektorgaskammern 21 und 21a bildet. Die Kammern 21 und 21 α fluchten mit den Kammern 11 und 11a und sind an ihren Rückseiten durch die Leitung 26 miteinander verbunden, die in die Kammer 27 führt, die ihrerseits durch eine flexible Membran bzw. Kondensatorplatte 28 verschlossen ist. Ein Kondensatormikrofon 29 besteht aus der flexiblen Kondensatorplatte 28 und einer festen Kondensatorplatte 30. Die Kammern 21 und 21 α sind an ihren den Kammern 11 und 11a zugekehrten Enden durch Fenster 23 und 23 a verschlossen, die aus dem gleichen lichtdurchlässigen Material wie die Fenster 13 und 13 α bestehen. Die Kammern 21 und 21 α sind zur Aufnahme eines Detektorgases eingerichtet, auf dessen Wärmeänderungen die Platte 28 anspricht. Die Platte 28 kann aus einem dünnen metallischen Werkstoff, wie z. B. Metallfolie, bestehen, und die' Platte 30 ist ebenfalls

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metallisch. Wärmeändertmgen in dem Detektorgas, das mindestens einen Spektralabsorptionsbereich mit der Komponente, die zu analysieren ist, gemeinsam hat, erzeugen Kapazitätsänderungen oder zeitliche Änderungen, die von dem Kondensatormikrofon 29 gemessen werden.

Kurz zusammengefaßt werden bei dem Infrarotprüfgerät Strahlen von den Infrarotquellen 3 und 4 durch die Analysengaskammer 11 und die Vergleichskammer 11 α in die ein Detektorgas enthaltenden Kammern 21, 21a und 27 geleitet. Die der Absorption der Infrarotstrahlung durch das Analysegas entsprechenden Druckänderungen in den Detektorgaskammern bewirken, daß die Platte 28 vibriert oder schwingt, wodurch Kapazitätsänderungen im Mikrofon 29 zur Messung einer Komponente des zu analysierenden Gases hervorgerufen werden.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Die Ausgangsleistung des Kondensatormikrofons 29 ist über Leitungen 32 und 34, die mit der beweglichen Platte 28 bzw. mit der festen Platte 30 verbunden sind, an einen Übertrager T angeschlossen. Der Übertrager T kann beispielsweise aus einem Oszillator mit abgestimmtem Gitterkreis und abgestimmtem Anodenkreis bestehen oder auch aus einem anderen bekannten Übertrager, wie z. B. einem Oszillator mit abgestimmtem Anodenkreis, einem FM-Modulator und Diskriminator oder einer Heterodynschaltung mit einem Schwebungsfrequenzoszillator. Der Ausgang des Übertragers T ist an einen üblichen Verstärker A angeschlossen, dessen Ausgang wiederum über eine Leitung 36 mit dem Anzeigeinstrument / verbunden ist. Ein Teil der Ausgangsleistung des Verstärkers durch die Leitung 36 wird als Gegenkopplung über die Leitungen 38 und 40 an die Platten 28 und 30 des Kondensatormikrofons rückgekoppelt. An die Platten 28 und 30 des Kondensatormikrofons wird eine Gleichstromvorspannung angelegt; der Pluspol dieser Gleichspannung liegt über die Leitungen 42, 38 und 34 an der Platte 30. Die Platte 28 ist über die Leitung 32 geerdet. Das Gegenkopplungssignal wird durch die Widerstände 43, 44 und 45 gedämpft. Der Kondensator 46 verhindert, das die Gleichspannung über die Widerstände 44 und 45 mit der Erde kurzgeschlossen wird. In gleicher Weise verhindert der Kondensator 47 einen Kurzschluß der Gleichspannung über den Übertrager T. Die Widerstände 48 und 49 bestimmen die Amplitude der an die Platten 28 und 30 angelegten Gleichspannung. Falls die Mikrofonplatten unabsichtlich kurzgeschlossen werden, begrenzt der Widerstand 50 den durch das Mikrofon fließenden Strom. Wenn ein Oszillator mit abgestimmtem Gitterkreis und abgestimmtem Anodenkreis verwendet wird, ist es zweckmäßig, in dem abgestimmten Gitterkreis ein Kondensatormikrofon zu verwenden. Hierdurch ändert sich bei einer Änderung der Kapazität des Mikrofons auch die Frequenz des Oszillators. Ferner kann der Verstärker A beispielsweise ein üblicher kapazitiv angekoppelter Verstärker sein und gegebenenfalls einen Phasenschieber aufweisen, so daß die Phase des Ausgangssignals richtig eingestellt werden kann; der Verstärker kann sonst so ausgeführt sein, daß er die richtige Phase besitzt.

Im Betrieb wird bei der dargestellten Ausführungsform, z. B. bei der Bestimmung des Kohlendioxydgehaltes (CO₂) eines Gases, das zu analysierende Gas, das die unbekannte Menge an C O₂ enthält, in die Analysengaskammer 11 gegeben. Ein Vergleichsgas, z. B. Stickstoff, der kein C O₂ enthält, wird zu Vergleichszwecken in die Kammer 11 α gegeben. Die Detektorgaskammern 21, 21 α und 27 können mit C O₂ gefüllt werden, das natürlich die gleiche Spektralabsorption besitzt wie der zu bestimmende Bestandteil des Gases.

Dann wird Infrarotstrahlung von den Quellen 3 und 4 in Strahlen von im wesentlichen gleicher Intensität durch die Kanäle 1 bzw. 2 und durch die zu Vergleichszwecken mit Stickstoff gefüllte Kammer 11 a

ίο bzw. die Kammer 11, die das zu analysierende Gas mit der unbekannten Menge CO₂ enthält, geleitet.

Durch Drehen des Unterbrechers 5 mit einer Geschwindigkeit von 10 U/Sek. werden die durch das zu Vergleichszwecken dienende Gas bzw. durch das zu analysierende Gas hindurchgehenden Strahlen getrennt voneinander und abwechselnd in das in den Detektorgaskammern 21, 21 α und 27 enthaltene C O₂ gerichtet. Durch den Stickstoff wird von dem durch die Vergleichskammer 11a hindurchgehenden Strahl keine

ao Strahlung in den Spektralabsorptionszonen, die dem CO₂ entsprechen, absorbiert, jedoch wird von dem durch die Analysengaskammer 11 hindurchgehenden Strahl die Strahlung in den C O₂-Spektralabsorptionszonen entsprechend der Konzentration des CO₂ in

dem Analysegas absorbiert.

Das CO₂ in den Detektorkammern 21, 21a und 27 absorbiert von jedem Strahl im wesentlichen die gesamte restliche Strahlung in den Spektralabsorptionszonen des CO₂. Die Heizwirkung jedes der abwechselnd hindurchgehenden Strahlen für sich allein auf das in den Detektorkammern enthaltene CO₂ ist jedoch auf Grund der obenerwähnten Absorption in der Analysengaskammer 11 unterschiedlich. Es finden je Sekunde zehn einzelne Messungen dieses Unterschiedes statt.

Die Wärmeänderungen des CO₂ in den Detektorkammern treten mit der Frequenz der Wechsel, in diesem Falle zehn Wechsel pro Sekunde, auf und werden durch den Unterschied in der Strahlung in den Spektralabsorptionszonen des C O₂ hervorgerufen, die von dem in den Detektorkammern befindlichen CO₂ von den beiden Strahlen absorbiert wird. Diese Wärmeänderungen, wie z. B. Volumen- und Druckänderungen, können als sich mit der Zeit verändernde Kräfte bezeichnet werden, die sich mit der Zeit verändernde Kapazitätsänderungen im Kondensatormikrofon 29 hervorrufen. Diese Druckänderungen oder sich mit der Zeit verändernden Kräfte erzeugen ein auf die Platte 28 wirkendes stoßweises Drucksignal, das die Platte zum Vibrieren oder Schwingen bringt. Wenn die Platte 28 vibriert, ändert sie eine Eigenschaft des Übertragers T derart, daß die Ausgangsleistung des Übertragers ein elektrisches Wechselstromsignal erzeugt, dessen Frequenz der Frequenz der Plattenvibration gleich ist, und die Amplitude des Signals ist der Amplitude der Plattenvibration proportional. Dieses Wechselstromausgangssignal wird durch den Verstärker A verstärkt und durch die Leitung 36 zu dem Anzeigeinstrument I geleitet, wo die Amplitude des Signals angezeigt wird. Auf diese Weise ist die am Instrument I angezeigte Amplitude der Stärke der Vibration der Platte 28 oder der Druckänderung in den Detektorgaskammern 21, 21 α und 27 proportional.

Da die Gasprüfgeräte der beschriebenen Art zur Unstabilität neigen infolge von Spannungsänderungen der flexiblen Platte 28, Änderungen der Empfindlichkeit des Übertragers T₁ die sich aus Veränderungen seiner Komponenten ergeben, und Änderungen in der Verstärkung des Verstärkers A wird eine Gegenkopp-

lung verwendet, um die Stabilität des Prüfgerätes zu verbessern. Kurz gesagt besteht diese Gegenkopplung darin, daß ein Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers A oder des Signals auf und über das Kondensatormikrofon 29 rückgekoppelt wird, um eine Kraft zu erzeugen, die den Eingangskräften am Mikrofon entgegengesetzt ist.

Was die Einzelheiten des Rückkopplungskreises anlangt, so wird die Platte 28 durch die Gleichspannung an den Platten 28 und 30 so polarisiert, daß die ίο beiden Platten einander anziehen. Ein Teil des Wechselstromsignals, das von der Leitung 36 am Ausgang des Verstärkers A abgenommen und durch die Leitung 38 über die Platten 28 und 30 geleitet wird, übt eine größere oder kleinere Anziehungskraft auf die Platte 28 aus, um die Auswirkungen der Druckänderungen des Detektorgases auf die Platte 28 zu bremsen. Der Verstärker A regelt die Phase seines Ausgangssignals so, daß die Gegenkopplung die Anziehungskraft der Gleichspannung zwischen den Platten 28 und 30 vergrößert oder vermindert. Auf diese Weise wird der Bewegung der Platte 28 zu jeder Zeit entgegengewirkt und für Stabilität des Gasprüfgerätes gesorgt, indem Änderungen in der Spannung der Platte 28, Änderungen in der Empfindlichkeit des Übertragers T und Änderungen in der Verstärkung des Verstärkers A fortlaufend berichtigt werden. Mit der erfindungsgemäßen Gegenkopplung ist es möglich, die Stabilität eines Gasprüfgerätes während langer Zeiträume zum Messen von geringen Druckänderungen erheblich zu verbessern und gleichzeitig Ungenauigkeiten auf Grund von in dem Gerät auftretenden Änderungen beträchtlich zu vermindern. *

Es ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf Infrarotgasprüfgeräte beschränkt ist, sondern auch andere Vorrichtungen mit einschließt, bei denen zu messende Kräfte als Eingangskräfte auf ein Kondensatormikrofon einwirken und die Mittel zum Stabilisieren dieser Messungen aufweisen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kraftmeß vorrichtung mit einem Kondensatormikrofon, dessen eine Platte in Abhängigkeit von einer zu messenden Kraft bewegbar ist und wobei die so hervorgerufenen Kapazitätsänderungen in eine Ausgangs Spannung umgewandelt werden, deren Amplitude der Größe der zu messenden Kraft entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Ausgangsspannung zum Vermindern der Bewegung der bewegbaren Platte (28) an die Platten (28, 30) des Kondensators gelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, insbesondere für zeitlich veränderliche Kräfte, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kondensatorplatten (28, 30) eine Gleichspannung anschaltbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator einen Teil des Detektors in einem Infrarotprüfgerät für Materialien bildet und daß sich die Druckänderungen infolge von Änderungen der Wärmeabsorptionseigenschaften des zu prüfenden Materials ergeben.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Journal of Scientific Instruments«, Bd. 30, Mai

1953, S. 159 bis 162;

Unterlagen der Patentanmeldung L 23179 IX/42k

(bekanntgemacht am 16. 8.1956);
ATM-Blatt V 132-17.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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